智能天线线阵广播波束形成方法及装置 【技术领域】
本发明涉及一种用于智能天线线阵广播波束定向发送的、利用正交调制基带信号加权实现的广播波束形成方法及装置，可用于TD-SCDMA标准智能天线线阵广播波束的定向发送，采用QPSK调制基带信号的加权实现CDMA(码分多址)广播信道的广播波束形成，同时还涉及使用该装置的CDMA智能天线线阵基站发信设备，属于移动通信技术领域。
背景技术
使用智能天线线阵的CDMA基站发信设备是移动通信领域的高科技产品。利用QPSK基带信号加权实现广播波束形成的这种高科技设备用于CDMA系统的智能天线线阵基站发信机，能实现广播波束定向发送，可以大幅度提高小区覆盖范围，提高频谱和发信功率的资源利用率。虽然有许多资料提到可以利用基带信号加权的广播波束形成方法实现智能天线线阵广播波束的定向发送。但是据申请人的调研，已公布的发明专利还没给出具体的3G标准必用的QPSK基带信号加权广播波束形成方法和相应装置的原理。该方法采用与其它用户码道定向发送波束形成相同的方法实现广播码道的波束形成，使广播码道的波束形成更易于实现。相比于中频或射频实现，或其它发明专利已公布的智能天线线阵广播波束定向发送方法而言，具有易于实现的基本特点，将使设备的可靠性上升，费用下降，使智能天线的推广使用成为可能。
【发明内容】
技术问题：本发明要解决的技术问题是：针对以上还没有相关技术资料说明正交调制基带信号或QPSK基带信号加权广播波束形成方法，提出一种用于智能天线线阵广播波束定向发送的利用正交调制基带信号加权实现广播波束形成的方法及装置，这种方法及装置也可用于TD-SCDMA标准QPSK调制基带信号加权广播波束形成，实现智能天线线阵广播波束的定向发送，可以大幅度提高小区覆盖范围，提高频谱和发信功率的资源利用率。
技术方案：本发明的智能天线线阵广播波束形成方法是：根据智能天线线阵、阵元移相馈电信号表达式cos(wt-θ)或sin(wt-θ)、它们的复数表达式Re[ejwte-jθ]、Im[ejwte-jθ]导出利用正交调制基带信号加权实现智能天线线阵定向发送波束形成方法的相应数学表达式：Re[e-jθ]cosωt-Im[e-jθ]sinωt，并根据所述数学表达式给出所述波束形成方法的单个码分多址广播码道广播波束发送装置；其中Re和Im分别表示取虚数ejwt的实部或虚部。
智能天线线阵广播波束形成装置包括串并变换电路、用于迭加成广播波束的8个定向发送波束的加权系数产生电路、用于8个定向波束加权系数实部Re(w12)、Re(w12)、……、Re(w18)求和的第十一加法器、用于多个定向波束加权系数虚部Im(w11)、Im(w12)、……Im(w18)求和的第十二加法器、用于数据基带信号与加权系数的实部和虚部分别相乘的第十三乘法器、第十四乘法器、第十五乘法器和第十六乘法器、分别用于两路已加权基带信号求和的第十七加法器和第十八加法器、用于已加权基带信号正交调制的第十九乘法器和第一百二十乘法器、用于正交调制信号合成的第一百二十一加法器、90度移相电路、上变频电路和天线阵元A11；所述串并变换电路的一路输出端I11(t)通过加权系数第十三乘法器和第十四乘法器接两路已加权信号的第十七加法器和第十八加法器的输入端，所述加权系数产生电路输出加权系数的实部输出端接所述第十一加法器的输入端，所述加权系数产生电路的虚部输出端接所述第十二加法器的输入端，载波cosωt送至所述第十九乘法器的输入端，载波cosωt经所述90度移相电路的输出端接所述第一百二十乘法器的输入端；所述第十九乘法器和第一百二十乘法器的输出端分别接第一百二十一加法器的两路输入端，所述第一百二十一加法器的输出端通过上变频电路接天线A11的输入端。
用于迭加成广播波束的8个定向发送波束中的一个定向发送波束形成装置包括串并变换电路、确定波束发信方向的加权系数产生电路、用于数据基带信号与加权系数的实部和虚部分别相乘的第二十一乘法器、第二十二乘法器、第二十五乘法器和第二十六乘法器、用于已加权基带信号正交调制的第二十三乘法器、第二十四乘法器、第二十七乘法器和第二十八乘法器、用于正交调制信号合成的第二十九加法器、第二百一十加法器和第二百一十一加法器、90度移相电路、上变频电路和天线阵元A21；其中所述串并变换电路的一路输出端I21(t)通过加权系数第二十一乘法器、第二十二乘法器接正交载波调制第二十三乘法器、第二十四乘法器地输入端，所述加权系数产生电路输出加权系数的实部输出端接第二十一乘法器和第二十六乘法器的输入端，所述加权系数产生电路的虚部输出端接所述第二十二乘法器、第二十五乘法器的输入端，载波cosωt送至所述第二十三乘法器、第二十七乘法器的输入端，载波cosωt经所述90度移相电路的输出端接所述第二十四乘法器、和第二十八乘法器的输入端；所述第二十三乘法器、第二十四乘法器的输出端分别接所述第二十九加法器的两路输入端，所述第二十七乘法器和第二十八乘法器的输出端分别接第二百一十加法器的两路输入端；所述第二十九加法器、第二百一十加法器的输出端分别接至所述第二百一十一加法器的两路输入端，所述第二百一十一加法器的输出端通过上变频电路接天线A21的输入端。
有益效果：由于该发明利用QPSK基带信号加权完成广播波束形成，使用6个阵元构成智能天线时，与中频波束形成的智能天线定向发送设备相比，约可以省去7/8的中频设备，与射频波束形成的智能天线定向发送设备相比，约可以省去7/8的中频和射频设备。采用与其它用户码道定向发送波束形成相同的方法实现广播码道的波束形成，使广播码道的波束形成更易于实现。由于基带波束形成的工作频率很低，还能大幅度降低实现难度和费用。
【附图说明】
图1为本发明中用于线阵一根天线阵元的利用QPSK基带信号加权完成广播波束形成。
图2为本发明用于一根天线阵元时，利用QPSK信号基带加权实现智能天线定向发送设备的核心部分原理框图。
图3为图2中用于已加权基带信号正交调制的第二十三乘法器M23、第二十四乘法器M24、第二十七乘法器M27和第二十八乘法器M28、用于正交调制信号合成的第二十九加法器M29、第二百一十加法器M210和第二百一十一加法器M211部分经简化得到的原理框图。其中II1和QQ1是图2中经加权系数实部加权后的基带信号，QI1和IQ1分别是经加权系数虚部加权后的基带信号。此处，利用电路叠加原理省去了图2中的一组正交调制乘法器。
图4是利用一个码道8个方向定向发送波束的叠加所形成的较为理想的智能天线线阵广播波束，此处的8个方向分别取φ0为47°、-47°、33°、-33°、20°、-20°、7°和-7°。从图中可以看出：在广播波束应该覆盖的-60°至60°的120°扇区内取得了信号幅度较为均匀的定向发送，还可以进一步优化，以取得更佳效果。使用有反射板的线阵时，图中上述应覆盖扇区的反方向部分会被去除。
图5是利用一个码道16个方向定向发送波束的叠加所形成的较为理想的智能天线线阵广播波束。
【具体实施方式】
本发明的线阵广播波束形成方法根据智能天线线阵、阵元移相馈电信号表达式cos(wt-θ)或sin(wt-θ)、它们的复数表达式Re[ejwte-jθ]、Im[ejwte-jθ]、正交调制原理和多波束迭加原理导出利用正交调制基带信号加权实现智能天线线阵定向发送波束形成方法的相应数学表达式：Re[e-jθ]cosωt-Im[e-jθ]sinωt，并根据所述数学表达式给出所述波束形成方法的单个CDMA(码分多址)码道单方向发送设备；其中Re和Im分别表示取虚数ejwt的实部或虚部。
单个CDMA码道单方向发信的装置包括串并变换电路，确定波束发信方向的加权系数产生电路，用于数据基带信号与加权系数的实部和虚部分别相乘的第二十一乘法器M21、第二十二乘法器M22、第二十五乘法器M25和第二十六乘法器M26，用于已加权基带信号正交调制的第二十三乘法器M23、第二十四乘法器M24、第二十七乘法器M27和第二十八乘法器M28、用于正交调制信号合成的第二十九加法器M29、第二百一十加法器M210和第二百一十一加法器M211，以及90度移相电路、上变频电路和天线阵元A21；智能天线定向发送设备中所述串并变换电路的一路输出端通过加权系数第二十一乘法器M21、第二十二乘法器M22接正交载波调制第二十三乘法器M23、第二十四乘法器M24的输入端，所述加权系数产生电路输出加权系数的实部输出端接第二十一乘法器M21和第二十六乘法器M26的输入端，所述加权系数产生电路的虚部输出端接所述第二十二乘法器M22、第二十五乘法器M25的输入端，载波cosωt送至所述第二十三乘法器M23和第二十七乘法器M27的输入端，载波cosωt经所述90度移相电路的输出端接所述第二十四乘法器M24、第二十八乘法器M28的输入端；所述第二十三乘法器M23、第二十四乘法器M24的输出端分别接所述第二十九加法器M29的两路输入端，第二十七乘法器M27和第二十八乘法器M28的输出端分别接第二百一十加法器M210的两路输入端；所述第二十九加法器M29、第二百一十加法器M210的输出端分别接至所述第二百一十一加法器M211的两路输入端；第二百一十一加法器M211的输出端通过上变频电路接天线A21的输入端。
单个CDMA码道单方向发送装置中，将两路正交加权的正交调制基带信号II1和IQ1分别接第三十一加法器M31的两路输入端，将两路已加权的正交调制基带信号QI1和QQ1分别接第三十二加法器M32的两路输入端，所述第三十一加法器M31和第三十二加法器M32的两路输出端分别接正交调制第三十三乘法器M33和第三十四乘法器M34的输入端，载波cosωt接所述第三十三加法器M33输入端，所述载波cosωt经90°移相电路31输出端接所述第三十四乘法器M34的输入端；所述第三十三加法器M33和三十四加法器M34的输出端经第三十五加法器M35输出端接上变频电路32的输入端，上变频电路的输出端接天线阵元A31的输入端。
所述单个CDMA码道单方向发送设备能扩展为一个CDMA码道N个方向定向发信装置的广播波束形成设备；其特征在于单个CDMA广播码道广播波束定向发信的设备包括串并变换电路11，用于迭加成广播波束的8个定向发送波束的加权系数产生电路12，用于8个定向波束加权系数实部Re(w12)、Re(w12)、……、Re(w18)求和的第十一加法器M11，用于多个定向波束加权系数虚部Im(w11)、Im(w12)、……Im(w18)求和的第十二加法器M12，用于数据基带信号与加权系数的实部和虚部分别相乘的第十三乘法器M13、第十四乘法器M14、第十五乘法器M15和第十六乘法器M16，分别用于两路已加权基带信号求和的第十七加法器M17和第十八加法器M18，用于已加权基带信号正交调制的第十九乘法器M19和第一百二十乘法器M120，用于正交调制信号合成的第一百二十一加法器M121，以及90度移相电路13、上变频电路14和天线阵元A11；智能天线线阵广播波束发送装置中所述串并变换电路11的一路输出端通过加权系数第十三乘法器M13和第十四乘法器M14接两路已加权信号第十七加法器M17和第十八加法器M18的输入端，所述加权系数产生电路12输出加权系数的实部输出端接所述第十一加法器M11的输入端，所述加权系数产生电路12的虚部输出端接所述第十二加法器M12的输入端，载波cosωt送至所述第十九乘法器M19的输入端，载波cosωt经所述90度移相电路13的输出端接所述第一百二十乘法器M120的输入端；所述第十九乘法器M19和第一百二十乘法器M120的输出端分别接所述第一百二十一加法器M121的两路输入端，所述第一百二十一加法器M121的输出端通过上变频电路接天线A11的输入端。
利用智能天线线阵实现定向发送时，智能天线线阵第n个阵元馈电信号电流相位
应为：θn＝(n-1)πsinφ0 (1)
式中φ0表示发信波束主瓣最大值的方向。
根据下述公式，可以导出利用QPSK基带信号加权实现智能天线线阵定向发送的电路框图。
cos(ωt-θ)＝Re[ejωte-jθ]＝Re[(cosωt+jsinωt)(cosθ-jsinθ)]＝cosθcosωt+sinθsinωt＝Re[e-jθ]cosωt-Im[e-jθ]sinωt (2)
sin(ωt-θ)＝Im[ejωte-jθ]＝Im[(cosωt+jsinωt)(cosθ-jsinθ)]＝-sinθcosωt+cosθsinωt＝Im[e-jθ]cosωt+Re[e-jθ]sinωt (3)
因此可给出智能天线线阵某阵元利用QPSK基带信号加权完成波束形成，实现线阵定向发送的电路框图见图2，用6个阵元构成智能天线时，需6套类似电路。
利用一个码道8个方向定向发送波束的迭加可以形成较为理想的智能天线线阵广播波束，此处的8个方向分别取φ0为47°、-47°、33°、-33°、20°、-20°、7°和-7°。本发明中用于线阵一根天线阵元的QPSK基带信号加权完成广播波束形成，实现线阵广播波束定向发送装置中的核心部分包括串并变换电路11，确定波束发信方向的加权系数产生电路12，用于数据基带信号与加权系数的实部和虚部分别相乘的第十三乘法器M13、第十四乘法器M14、第十五乘法器M15和第十六乘法器M16，用于已加权基带信号正交调制的第十九乘法器M19和第二十乘法器M20，用于正交调制信号合成的第一百二十一加法器M121，以及90度移相电路13、上变频电路14和天线阵元A11。
根据正交载波移相表达式cos(wt-θ)和sin(wt-θ)的复数表达式Re[ejwte-jθ]和Im[ejwte-jθ]和一个码道8个方向定向发送波束迭加原理可以导出用于智能天线线阵广播波束定向发送的、本发明的QPSK基带信号加权波束形成方法，见图1。
实施例一
本实施例利用智能天线线阵广播波束的定向发信实现广播码道信号在小区内均匀覆盖的基本目的。为了实现广播波束所要求的幅度均匀的定向发送，此处利用QPSK基带信号加权波束形成和8个定向波束的迭加实现智能天线线阵广播波束要求方向的定向发送。
本实施例用于智能天线线阵广播波束定向发送的、一根天线阵元的QPSK基带信号加权电路、8个方向加权系数的迭加电路和QPSK调制电路等核心电路原理框图见图1.主要由下列部分组成：本发明中用于线阵一根天线阵元的利用QPSK基带信号加权完成广播波束形成，实现智能天线线阵广播波束发送装置中的核心部分包括串并变换电路11，确定波束发信方向的加权系数产生电路12，用于数据基带信号与加权系数的实部和虚部分别相乘的第十三乘法器M13、第十四乘法器M14、第十五乘法器M15和第十六乘法器M16，用于已加权基带信号正交调制的第十九乘法器M19和第二十乘法器M20，用于正交调制信号合成的第一百二十一加法器M121，以及90度移相电路13、上变频电路14和天线阵元A11。
首先应根据第n个要求的发信方向由加权系数产生电路给出所需复加权系数的实部和虚部，串行输入的广播码道数据信号将由串并变换电路变换为I21(t)和Q21(t)两路数据信号，这两路数据信号分别对应于无定向发送时QPSK调制器的两路输入调制信号。I21(t)和加权系数的实部Re(w1)、虚部Im(w1)分别在第二十一乘法器M21和第二十二乘法器M22中相乘，完成定向发送所要求的加权过程，两路乘法器送出的信号II1、QI1分别送入第二十三乘法器M23、第二十四乘法器M24完成QPSK调制过程，所述第二十三乘法器M23、第二十四乘法器M24乘法器的两路输出信号在第二十九加法器M29中相加，第二十九加法器M29的输出信号为I1cos(wt-θ)。Q1(t)经过与上述类似的处理过程得Q1sin(wt-θ)。从所述两路输出信号的表达式中可以看出，在表达式中引入定向发送所要求的移相因子θ。第二十九加法器M29和第二百一十加法器M210的这两路输出信号在第二百一十一加法器M211中相加后，形成有定向发射作用的QPSK信号QPSK11送上变频电路，经上变频后可送天线阵元A21。
为了完成定向发送，智能天线线阵一般由6个天线阵元组成，即所述串并变换电路21的输出I21(t)和Q21(t)需同时送到另外5个与上述处理单元类似的处理单元，在那些处理单元中的加权系数产生电路中应产生与天线阵元A2、A3、......、A6相对应的加权系数实部Re(w2)、Re(w3)、......、Re(w6)，虚部Im(w2)、Im(w3)、......、Im(w6)。图2为定向发信用QPSK基带信号加权的原理电路，图2中第二十七乘法器M27和第二十八乘法器M28的功能可由第二十三乘法器M23和第二十四乘法器M24完成。图2中第二十一乘法器M21、第二十二乘法器M22、第二十五乘法器M25和第二十六乘法器M26的后续部分可简化为图3。
当要形成一个广播码道的广播波束形成时，可以利用一个码道8个定向波束的迭加产生一个要求覆盖120°扇区的广播波束，在这个实施例中分别取8个要求的方向φ0分别为47°、-47°、33°、-33°、20°、-20°、7°和-7°。
图1中给出阵元1的8个方向加权系数的实部分别为Re(w11)、Re(w12)、......、Re(w18)，8个方向加权系数的虚部分别为Im(w11)、Im(w12)、......Im(w18)。
除上述实施例外，本发明还可以有其它实施方式，也可以用于正交幅度信号的定向发送。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。