[发明专利]波束成形系统和方法

说明书

技术领域

本发明涉及波束成形技术，具体地，涉及在卫星通信系统中使用 的波束成形技术。

背景技术

不同的通信系统(如移动电话、有线电视、互联网和军用通信等) 使用围绕地球飞行的卫星传送信号。从一个或更多地面站向卫星传输 卫星上行链路通信信号，然后卫星将该信号转发到另一颗卫星或转发 到地面作为下行通信信号，以根据具体使用而覆盖期望的接收区域。 典型地，在不同的频率上传输上行链路信号和下行链路信号。

卫星通信系统可并入使用波束成形技术的多波束阵列天线。这种 阵列天线在形成覆盖广大视野的多个同时发生的波束时非常有用。接 收波束成形是以加强想要的信号并且衰减或减小不想要的信号的方式 将从若干不同的天线单元接收到的信号进行合并的过程。如图1a所 示，从天线单元1…n(示出了4个)到接收波束成形器的输入信号每 一个都包含一串值，通过应用一系列加权系数w1…wn将这些输入信 号进行合并，导致每一个波束成形器的输出，该波束成形器的输出产 生代表输入信号的潜在不同矢量组合的信号。通过调整应用到输入信 号的加权系数集w1…wn，波束成形器可以针对由天线阵列制造的任 何或所有波束而动态地改变方向和内容。由于输出波束的定向特性， 来自接收天线单元集的大量空间相异波束可重复使用相同的频谱。因 而，波束成形技术使得由给定的卫星在给定的业务区域上支持的用户 数目可以极大地增加。

类似地，如图1b所示，发射波束成形涉及将加权系数w1…wn 应用到针对天线阵列的每一个单元1…n的发射信号，以控制天线阵列 所发射的任何或所有波束的方向和内容。

加权系数可基于多种已知用于波束成形的技术中的任何一种，并 可被应用于使用任何适合的模拟或数字设备的输入信号。模拟RF波 束成形系统对在与天线相关联的发射机和/或接收机链的RF或中频 (IF)级处的信号的相位和/或幅度进行调节，而数字波束成形系统数 字地调节信号的相位和/或幅度。在数字波束成形接收机中，在模数转 换之后对信号进行处理。在数字波束成形发射机中，在数模转换之前 对信号进行处理。由于数字信号和处理可被重复的便利性，以及波束 成形信号加权操作的数字实现的可预测和稳定的特性，数字波束成形 特别有优势。

在卫星通信系统中，存在减小总的系统复杂度并增加效率的持续 努力。典型地，在这样的系统中使用的天线阵列包括数百个单独的阵 列单元，并且因为常规的波束成形技术涉及对路由到阵列的每一个单 元的信号或从阵列的每一个单元接收的信号应用不同的加权函数，所 涉及的处理需求的复杂度随阵列的大小成比例增加。

在很多阵列系统中，由于天线系统的特性，所形成的多数波束没 有使用天线阵列的所有单元。对于阵馈反射面(AFR)天线，反馈阵 列(feed array)并未指向目标波束的位置，而是在反射来自大天线的 信号后形成波束。大反射面的效果是放大反馈阵列的外观大小以改进 波束成形处理的空间分辨率。在一些配置中，这将意味着阵列中每一 个单独的单元贡献了天线系统总的覆盖区域的一部分。在这样的系统 中，虽然典型地在波束成形处理中向未使用的天线单元分配零加权函 数，然而系统架构被设置为接收和处理来自阵列的每一个单独的单元 波束的输入。因此，尽管出现了很多阵列单元的冗余，这种系统仍然 不必要地复杂。

已知将阵列分割成预定的子阵列以使用模拟方法合并多个物理 天线单元，以使得可以减少去往数字处理器的输入的数目。这具有以 下优势：针对相同数目的数字处理器输入增加了天线单元的数目，或 针对相同数目的单元减少了数字处理器输入的数目。

典型地，通常通过逆向操作相同的功能块(即，使所有的信号流 双向并取决于模式选择一个方向或另一个方向)，分别执行接收波束成 形和发射波束成形。已经认识到，提供自身是单向的、但是可以最小 的自适应改变而执行接收波束成形或发射波束成形的波束成形块是有 优势的。

发明内容

本发明的一个目的在于降低与卫星通信系统中使用的波束成形 技术相关联的复杂度和处理要求。

本发明的另一个目的是改进有源天线系统中波束成形架构的效 率，在该有源天线系统中，不是所有的天线单元都为每一个波束做出 贡献。

本发明的再一个目的是提供可用于发射波束成形和接收波束成 形的单个DSP设计。