CN115149985B - 一种多相自适应多波束形成系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多相自适应多波束形成系统及方法，所述系统包括发射组件、接收组件和基带处理器；所述基带处理器用于产生32路发射波束数据传输给发射组件，或是对来自接收的32路接收波束数据进行接收存储；所述发射组件包括发射预处理模块和发射信号输出模块，所述发射预处理模块包括32路发射预处理通道；所述发射信号输出模块包括64路发射信号输出通道；所述接收组件包括接收前端模块和接收信号输出模块；所述接收前端模块包括64路接收前端通道；所述接收信号输出模块包括32路接收信号输出通道。本发明可实现在同一硬件架构下对多种速率的输入信号完成多波束的收、发功能，可兼容多种采样频率的输入信号。

Description

一种多相自适应多波束形成系统及方法

技术领域

本发明涉及自适应多波束，特别是涉及一种多相自适应多波束形成系统及方法。

背景技术

数字波束形成时面临多种采样率适配需求，当阵列信号的采样率超过处理时钟的频率时，将很难进行灵活准确的信号采样，对数字波束的形成带来了诸多不便。

特别是在同一硬件架构下对多种速率的输入信号完成多波束的收、发功能，可兼容多种采样频率的输入信号，难以兼容多种采样频率的输入信号。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种多相自适应多波束形成系统及方法，可实现在同一硬件架构下对多种速率的输入信号完成多波束的收、发功能，可兼容多种采样频率的输入信号，采样频率需满足2N倍芯片时钟速率条件，同时实现多阵元条件下多波束的DBF(数字波束形成)。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种多相自适应多波束形成系统，包括发射组件、接收组件和基带处理器；

所述基带处理器用于产生32路发射波束数据传输给发射组件，或是对来自接收组件的32路接收波束数据进行接收存储；

所述发射组件包括发射预处理模块和发射信号输出模块，所述发射预处理模块包括32路发射预处理通道；所述发射信号输出模块包括64路发射信号输出通道；每一路发射预处理通道对应于一路发射波束数据，用于将对应的发射波束数据进行内插、时延滤波后，通过第一功分器分为64路传输给发射信号输出模块；发射信号输出模块中，第i路发射信号输出通道对应于第一功分器的第i路输出，i＝1，2，…，64；所述第i路发射信号输出通道将各个发射预处理通道中第一功分器的第i路输出分别进行加权后，通过第一加法器合成为一路，然后进行均衡、内插和上变频后对外输出；由于共有64路发射信号输出通道，故发射组件总共输出64路信号；

所述接收组件包括接收前端模块和接收信号输出模块；所述接收前端模块包括64路接收前端通道；每一路接收前端通道将接收到的信号进行下变频、抽取、均衡后，将得到的信号通过第二功分器分为32路传输给接收信号输出模块；所述接收信号输出模块包括32路接收信号输出通道，接收信号输出模块中，第j路接收信号输出通道对应于第二功分器的第j路输出；j＝1，2，…，32；所述第j路接收信号输出通道将各个接收前端通道中第二功分器的第j路输出分别进行加权后，通过第二加法器合为一路，然后进行时延滤波、抽取后，得到接收波束数据传输给基带处理器；由于共有32个接收信号输出通道，故基带处理器共接收到32路信号。

进一步地，每一个所述的发射预处理通道均包括第一内插模块、第一时延滤波模块和1分64的第一功分器；

所述第一内插模块用于接收来自基带信号处理器的一路数据，第一内插模块的输出端通过第一时延滤波模块与第一功分器连接，所述第一功分器分别与每一路发射信号输出通道连接。

进一步地，每一个所述的发射信号输出通道均包括上变频模块、第二内插模块、第一均衡器、第一加法器和第一加权模块；

对于第i个发射信号接收通道，其中的第一加权模块用于将各个发射预处理通道中第一功分器的第i路输出分别进行加权后，将加权输出的数据通过第一加法器进行合成，所述第一加法器输出的信号依次通过第一均衡器、第二内插模块和上变频模块对外输出；

第i个发射信号接收通道中，所述第一加权模块包括多个第一加权单元，所述第一加权单元与发射预处理通道数目相同且一一对应；每一个第一加权单元的第一个输入为对应发射预处理通道中第一功分器的第i路输出，第二路输入为预先配置的发射加权系数；各个第一加权单元的输出均与第一加法器连接。

进一步地，每一个所述的接收前端通道均包括下变频模块、第一抽取模块、第二均衡模块和1分32的第二功分器；

在每一个所述的接收前端模块中，接收到的数据依次通过下变频模块、第一抽取模块第二均衡模块传输给第二功分器，所述第二功分器的输出端分别与每一个接收信号输出模块连接。

进一步地，每一个接收信号输出通道均包括第二抽取模块、第二时延滤波模块、第二加法器和第二加权模块；

在第j个接收信号输出通道中，所述第二加权模块用于将各个接收前端通道中第二功分器的第j路输出分别进行加权后，将加权输出的数据通过第二加法器进行合成，所述第二加法器的输出端依次通过第二时延滤波模块、第二抽取模块后传输给基带处理器；

在第j个接收信号输出通道中，所述第二加权模块包括多个第二加权单元，所述第二加权单元与接收前端通道数目相同且一一对应，每一个第二加权单元的第一个输入为对应接收前端通道中第二功分器的第j路输出，第二路输入为预先配置的接收加权系数，各个第二加权单元的输出端均与第二加法器连接。

一种多相自适应多波束形成方法，包括发射波束形成步骤S1和接收波束形成步骤S2；

所述发射波束形成步骤S1包括：

基带处理器用于产生32路发射波束数据传输给发射组件；

发射组件中每一路发射预处理通道接收基带处理器的发射波束数据，进行内插、时延滤波后，通过第一功分器分为64路传输给发射信号输出模块；

发射信号输出模块中，第i路发射信号输出通道对应于第一功分器的第i路输出，i＝1，2，…，64；所述第i路发射信号输出通道将各个发射预处理通道中第一功分器的第i路输出分别进行加权后，通过第一加法器合成为一路，然后进行均衡、内插、上变频后对外输出；由于共有64路发射信号输出通道，故发射组件总共输出64路信号；

所述接收波束形成步骤S2包括：

每一路接收前端通道将接收到的信号进行下变频、抽取、均衡后，将得到的信号通过第二功分器分为32路传输给接收信号输出模块；

接收信号输出模块中，第j路接收信号输出通道对应于第二功分器的第j路输出；j＝1，2，…，32；所述第j路接收信号输出通道将各个接收前端通道中第二功分器的第j路输出分别进行加权后，通过第二加法器合为一路，然后进行时延滤波、抽取后，得到接收波束数据传输给基带处理器；由于共有32个接收信号输出通道，故基带处理器共接收到32路信号。

本发明的有益效果是：本发明可实现在同一硬件架构下对多种速率的输入信号完成多波束的收、发功能，可兼容多种采样频率的输入信号，采样频率需满足2N倍芯片时钟速率条件，同时实现多阵元条件下多波束的数字接收DBF。

附图说明

图1为本发明的系统原理示意图；

图2是芯片输入输出示意图；

图3是芯片接收数据处理架构图；

图4是芯片发射数据处理架构图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1所示，一种多相自适应多波束形成系统，包括发射组件、接收组件和基带处理器；

所述基带处理器用于产生32路发射波束数据传输给发射组件，或是对来自接收组件的32路接收波束数据进行接收存储；

所述发射组件包括发射预处理模块和发射信号输出模块，所述发射预处理模块包括32路发射预处理通道；所述发射信号输出模块包括64路发射信号输出通道；每一路发射预处理通道对应于一路发射波束数据，用于将对应的发射波束数据进行内插、时延滤波后，通过第一功分器分为64路传输给发射信号输出模块；发射信号输出模块中，第i路发射信号输出通道对应于第一功分器的第i路输出，i＝1，2，…，64；所述第i路发射信号输出通道将各个发射预处理通道中第一功分器的第i路输出分别进行加权后，通过第一加法器合成为一路，然后进行均衡、内插和上变频后对外输出；由于共有64路发射信号输出通道，故发射组件总共输出64路信号；

所述接收组件包括接收前端模块和接收信号输出模块；所述接收前端模块包括64路接收前端通道；每一路接收前端通道将接收到的信号进行下变频、抽取、均衡后，将得到的信号通过第二功分器分为32路传输给接收信号输出模块；所述接收信号输出模块包括32路接收信号输出通道，接收信号输出模块中，第j路接收信号输出通道对应于第二功分器的第j路输出；j＝1，2，…，32；所述第j路接收信号输出通道将各个接收前端通道中第二功分器的第j路输出分别进行加权后，通过第二加法器合为一路，然后进行时延滤波、抽取后，得到接收波束数据传输给基带处理器；由于共有32个接收信号输出通道，故基带处理器共接收到32路信号。

一种多相自适应多波束形成方法，包括发射波束形成步骤S1和接收波束形成步骤S2；

所述发射波束形成步骤S1包括：

基带处理器用于产生32路发射波束数据传输给发射组件；

发射组件中每一路发射预处理通道接收基带处理器的发射波束数据，进行内插、时延滤波后，通过第一功分器分为64路传输给发射信号输出模块；

发射信号输出模块中，第i路发射信号输出通道对应于第一功分器的第i路输出，i＝1，2，…，64；所述第i路发射信号输出通道将各个发射预处理通道中第一功分器的第i路输出分别进行加权后，通过第一加法器合成为一路，然后进行均衡、内插、上变频后对外输出；由于共有64路发射信号输出通道，故发射组件总共输出64路信号；

所述接收波束形成步骤S2包括：

每一路接收前端通道将接收到的信号进行下变频、抽取、均衡后，将得到的信号通过第二功分器分为32路传输给接收信号输出模块；

接收信号输出模块中，第j路接收信号输出通道对应于第二功分器的第j路输出；j＝1，2，…，32；所述第j路接收信号输出通道将各个接收前端通道中第二功分器的第j路输出分别进行加权后，通过第二加法器合为一路，然后进行时延滤波、抽取后，得到接收波束数据传输给基带处理器；由于共有32个接收信号输出通道，故基带处理器共接收到32路信号。

在本申请的实施例中，所述发射组件和接收组件可以集成到同一芯片中，如图2所示，芯片架构支持收、发同时处理，多相选择、旁路控制均由控制参数进行控制，芯片内部所需的配置项参数由配置参数输入口在芯片上电/复位时进行配置。控制参数与配置参数如下表所示：

表1控制参数表

表2配置参数表

在控制参数的作用下，芯片按照不同模式运行，下面分别从接收和发射对波束形成芯片架构的具体实施方式进行说明。

接收：如图3所示，多通道阵元级接收数据经输入口进入芯片，在控制参数的作用下，分别经下变频、抽取、均衡、加权合成、时延滤波以及抽取后得到多通道多波束数据输出。

每一功能模块均具备多相处理功能。其中，下变频模块通过改变下变频初相实现多相处理；抽取、均衡、时延滤波以及抽取通过多相FIR滤波器结构实现多相处理，其滤波器系数需根据多相条件进行外部配置。第二抽取模块采用半带滤波器结构。

发射：如图4所示，多波束发射数据经输入口进入芯片，在控制参数的作用下，分别经内插、时延滤波、分路加权合成、均衡、内插以及上变频后得到阵元级数据经多通道输出。

每一功能模块均具备多相处理功能。其中，上变频模块通过改变上变频初相实现多相处理；内插、均衡、时延滤波以及内插通过多相FIR滤波器结构实现多相处理，其滤波器系数需根据多相条件进行外部配置。第一内插模块采用半带滤波器结构。

在可选的实施例中，以32阵元/16波束的2相实信号为例，接收链路输入端为64通道，输出端为32通道，发射链路输入端为32通道，输出端为64通道。阵元考虑两个4*4方阵，阵元间距8mm，子阵间距离100mm。假设信道为理想信道，对信号无幅度或相位扭曲。

芯片控制参数配置如下表所示：

表3控制参数配置表

控制参数名	sPath	sType	enEq	enDly	enBeamEx
						取值	2	1	0	1	0

半带滤波器系数配置为：

表4半带滤波器系数配置

HbfCoe 1/12	HbfCoe 2/11	HbfCoe3/10	HbfCoe4/9	HbfCoe5/8	HbfCoe6/7	HbfCoe13
							-0.0127	-0.0303	-0.0988	0.3158	0.0521	0.0175	0.5

加权系数和时延系数通过阵元坐标和波束指向计算得出，需要注意的是，因实施例为2相信号，加权系数配置时，DownLinkDbfCoe和UpLinkDbfCoe各自的奇数项与偶数项相同，均为对应阵元的加权系数；同样地，时延地址参数配置时，DlfAdd的奇数项与偶数项相同，均为对应波束的时延地址参数。

上述说明示出并描述了本发明的一个优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种多相自适应多波束形成系统，其特征在于：包括发射组件、接收组件和基带处理器；

所述基带处理器用于产生32路发射波束数据传输给发射组件，或是对来自接收组件的32路接收波束数据进行接收存储；

所述发射组件包括发射预处理模块和发射信号输出模块，所述发射预处理模块包括32路发射预处理通道；所述发射信号输出模块包括64路发射信号输出通道；每一路发射预处理通道对应于一路发射波束数据，用于将对应的发射波束数据进行内插、时延滤波后，通过第一功分器分为64路传输给发射信号输出模块；发射信号输出模块中，第i路发射信号输出通道对应于第一功分器的第i路输出，i＝1，2，…，64；所述第i路发射信号输出通道将各个发射预处理通道中第一功分器的第i路输出分别进行加权后，通过第一加法器合成为一路，然后进行均衡、内插和上变频后对外输出；由于共有64路发射信号输出通道，故发射组件总共输出64路信号；

所述接收组件包括接收前端模块和接收信号输出模块；所述接收前端模块包括64路接收前端通道；每一路接收前端通道将接收到的信号进行下变频、抽取、均衡后，将得到的信号通过第二功分器分为32路传输给接收信号输出模块；所述接收信号输出模块包括32路接收信号输出通道，接收信号输出模块中，第j路接收信号输出通道对应于第二功分器的第j路输出；j＝1，2，…，32；所述第j路接收信号输出通道将各个接收前端通道中第二功分器的第j路输出分别进行加权后，通过第二加法器合为一路，然后进行时延滤波、抽取后，得到接收波束数据传输给基带处理器；由于共有32个接收信号输出通道，故基带处理器共接收到32路信号。

2.根据权利要求1所述的一种多相自适应多波束形成系统，其特征在于：每一个所述的发射预处理通道均包括第一内插模块、第一时延滤波模块和1分64的第一功分器；

所述第一内插模块用于接收来自基带信号处理器的一路数据，第一内插模块的输出端通过第一时延滤波模块与第一功分器连接，所述第一功分器分别与每一路发射信号输出通道连接。

3.根据权利要求1所述的一种多相自适应多波束形成系统，其特征在于：每一个所述的发射信号输出通道均包括上变频模块、第二内插模块、第一均衡器、第一加法器和第一加权模块；

对于第i个发射信号接收通道，其中的第一加权模块用于将各个发射预处理通道中第一功分器的第i路输出分别进行加权后，将加权输出的数据通过第一加法器进行合成，所述第一加法器的输出端依次通过第一均衡器、第二内插模块和上变频模块对外输出；

第i个发射信号接收通道中，所述第一加权模块包括多个第一加权单元，所述第一加权单元与发射预处理通道数目相同且一一对应；每一个第一加权单元的第一个输入为对应发射预处理通道中第一功分器的第i路输出，第二路输入为预先配置的发射加权系数；各个第一加权单元的输出均与第一加法器连接。

4.根据权利要求1所述的一种多相自适应多波束形成系统，其特征在于：每一个所述的接收前端通道均包括下变频模块、第一抽取模块、第二均衡模块和1分32的第二功分器；

在每一个所述的接收前端模块中，接收到的数据依次通过下变频模块、第一抽取模块、第二均衡模块传输给第二功分器，所述第二功分器的输出端分别与每一个接收信号输出模块连接。

5.根据权利要求1所述的一种多相自适应多波束形成系统，其特征在于：每一个接收信号输出通道均包括第二抽取模块、第二时延滤波模块、第二加法器和第二加权模块；

在第j个接收信号输出通道中，所述第二加权模块用于将各个接收前端通道中第二功分器的第j路输出分别进行加权后，将加权输出的数据通过第二加法器进行合成，所述第二加法器的输出的信号依次通过第二时延滤波模块、第二抽取模块后传输给基带处理器；

在第j个接收信号输出通道中，所述第二加权模块包括多个第二加权单元，所述第二加权单元与接收前端通道数目相同且一一对应，每一个第二加权单元的第一个输入为对应接收前端通道中第二功分器的第j路输出，第二路输入为预先配置的接收加权系数，各个第二加权单元的输出端均与第二加法器连接。

6.一种多相自适应多波束形成方法，基于权利要求1～5中任意一项所述的系统，其特征在于：包括发射波束形成步骤S1和接收波束形成步骤S2；

所述发射波束形成步骤S1包括：

基带处理器用于产生32路发射波束数据传输给发射组件；

发射组件中每一路发射预处理通道接收基带处理器的发射波束数据，进行内插、时延滤波后，通过第一功分器分为64路传输给发射信号输出模块；

发射信号输出模块中，第i路发射信号输出通道对应于第一功分器的第i路输出，i＝1，2，…，64；所述第i路发射信号输出通道将各个发射预处理通道中第一功分器的第i路输出分别进行加权后，通过第一加法器合成为一路，然后进行均衡、内插、上变频后对外输出；由于共有64路发射信号输出通道，故发射组件总共输出64路信号；

所述接收波束形成步骤S2包括：

每一路接收前端通道将接收到的信号进行下变频、抽取、均衡后，将得到的信号通过第二功分器分为32路传输给接收信号输出模块；

接收信号输出模块中，第j路接收信号输出通道对应于第二功分器的第j路输出；j＝1，2，…，32；所述第j路接收信号输出通道将各个接收前端通道中第二功分器的第j路输出分别进行加权后，通过第二加法器合为一路，然后进行时延滤波、抽取后，得到接收波束数据传输给基带处理器；由于共有32个接收信号输出通道，故基带处理器共接收到32路信号。