[发明专利]基于数字频域补偿的宽带时域波束成形方法

说明书

本发明属于通信技术领域，具体涉及一种基于数字频域补偿的低复杂度宽带时域波束成形方法。本发明提出了一种低复杂度的基于数字频域补偿的宽带时域波束成形结构，可应用于实际毫米波远距离高容量通信系统接收机。该结构包含数字移相模块、整数倍采样间隔时延对齐补偿模块和基带数字频域补偿模块。数字移相模块补偿阵列时延引起的载波部分的空间相位差。整数倍采样间隔时延对齐补偿模块对各阵列通道基带信号时延进行初步对齐。基带数字频域补偿模块对阵列合并信号中残留分数倍采样间隔时延进行进一步补偿。

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体涉及一种基于数字频域补偿的低复杂度宽带时域波束成形方法。

背景技术

阵列信号处理在无线通信和雷达领域有重要的应用。随着这些应用需求的发展，阵列中天线规模数和信号带宽不断增加。尤其对于未来B5G以及6G移动通信系统中的远距离大容量通信应用，将使用30-300GHz毫米波频段提供的巨大带宽进行高速率通信。而毫米波频段空间衰减严重，必然会使用大规模阵列天线来克服空间路径损耗，增加传输距离。天线规模数将达到成百上千。与此同时，毫米波波长较短，为部署大规模阵列天线提供了可能。在雷达领域，宽带信号能够提高雷达的距离分辨率、测距精度和对目标的识别能力。宽带雷达成为当前雷达领域的发展趋势。

然而，在阵列中天线数量和信号带宽较大时，各阵元需要补偿的相位差与频率相关。传统基于窄带假设的波束成形算法不再完全适用，必须将信号看作宽带进行处理。宽带波束成形是阵列信号处理领域一个重要的研究课题。在相控阵中，若采用与频率无关的移相器进行模拟波束成形。当信号带宽较大时，则会出现“波束倾斜”现象，即在信号具有一定带宽时，若仍使用固定的相位差进行补偿，则不同频率点产生的波束方向图会发生偏移的现象。针对该问题，研究者提出使用实时延迟线TTD(True Time Delay)取代移相器。TTD可以由波导、同轴电缆或光纤组成，但存在体积大、功耗大、成本高和受温度等环境影响等缺点。在数字阵列中，宽带波束成形主要分为频域处理和时域处理两类。频域处理方法将阵列接收信号变换到频域，然后将宽带信号分为多个子窄带分别进行窄带处理。如果使用高采样率和高量化位数模数转换器(ADC)，频域处理方法能够得到极好的性能。但在大规模天线系统中，每个阵元接收信号都进行FFT变换，并且使用高性能的ADC，必然会带来系统的功耗、成本和计算复杂度的急剧增加。时域处理方法直接在时域上进行宽带波束成形，不需要进行FFT变换。基于时域处理的宽带波束成形通常使用抽头延迟线滤波器结构实现。但当信号的带宽相对较大时，需要更多的滤波器阶数。另外，为了实现各阵元间的信号传输时间延迟的精确补偿，需要每个阵元通道设计相应的分数时延滤波器。并且若要获得较好的时延特性同样需要较高的滤波器阶数。随着天线规模数和信号带宽的增加，系统计算复杂度增加。基于大规模阵列宽带系统可实现角度，需设计低复杂度的宽带波束成形方法。

发明内容

本发明目的在于设计一种低复杂度的宽带波束成形方法以应用到实际的毫米波远距离高容量通信系统接收机中。本发明提出了一种低复杂度基于数字频域补偿的宽带时域波束成形结构。考虑到传统基于分数时延滤波器的宽带时域波束成形结构中每个阵元通道接收信号经过整数倍采样间隔时延补偿后，其残余的分数倍采样间隔时延对系统性能影响并不严重的特点。本发明提出的基于数字补偿的宽带时域波束成形结构将每个阵元通道的分数级时延滤波器部分省略，以降低复杂度。同时，将阵列合并后的信号进行频域数字补偿以保证系统性能。

为了方便理解，首先对本发明使用的宽带阵列信号处理模型进行简要介绍：

本发明考虑一个接收机使用由M天线阵元组成的均匀线性阵列，且阵元间距为d。假设一远场宽带信号从方位角度θ入射到该阵列，在不考虑信号衰减，并假定所有阵元为理想全向天线的情况下，阵列接收机接收的频域信号矢量r(f)可以表示为

r(f)＝a(θ，f)s(f)+n(f)