一种基于空域滤波的球面共形阵列天线的分集装置及接收方法与流程

本发明涉及无线通信领域，尤其是高速移动通信领域，具体是一种基于空域滤波的球面共形阵列天线的分集装置及接收方法。

背景技术：

以高速铁路为例，其跟典型城市、一般的郊区、普通山区的无线传播环境相比，铁路沿线的环境一般比较空旷，然而铁路沿线却总有特殊的环境使得信号场覆盖区域呈现带状，各类反射散体，例如，树林、道路、隧道和高架桥随机分布在铁轨的两侧，这些反射散体的走向等诸多因素也将使噪声和多径效应更加明显，使得列车上的用户接受来自不同且多径信号。

阵列天线通过对接收的阵列信号进行处理，可以提高有用信号的增益，抑制噪声和干扰的目的。线阵、园阵及平面阵在接收范围内有一定的局限性，很难做到全方位覆盖。若是采用球面共形阵列天线，不仅能实现全方位覆盖，而且能通过子阵划分技术，波束接收更加灵活，能够实现多波束的接收。因此，在高速列车上可以采用球面共形阵列天线来接收分集信号，并提高通信系统的性能。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的不足，而提供一种基于空域滤波的球面共形阵列天线的分集装置及接收方法。

这种装置的优点是成本低、实用性好、能实现对半空间俯仰角90°、方位角360°全覆盖信号进行分集接收，能提高通信系统接收信号的分集增益。

这种方法的优点是使用方便、可操作性强，能提高接收端的信噪比、增大覆盖面积，通过对波束的能量检测，能避免系统的能量损耗,有效促进高速移动通信信道下宽带无线传输。

实现本发明目的的技术方案是：

一种基于空域滤波的球面共形阵列天线的分集装置，包括球面共形阵列天线，与现有技术不同的是，球面共形阵列天线设有顺序连接的

数据接收存储模块，所述数据接收存储模块用于存储球面共形阵列天线上每个阵元天线接收到的信号数据；

空域滤波分集模块，所述的空域滤波分集模块用于对球面共形阵列天线接收到的信号进行空域分集，包括用于将数据接收存储模块接收的信号数据根据球面共形阵列天线划分的子阵进行波束分集划分、且每一个子阵对应一个波束的子阵划分模块和用于对各子阵的信号进行波束综合、以获得各子阵对应的阵元天线的幅度和相位加权系数、并对信号进行处理的波束综合模块；

子阵划分模块采用FLASH芯片把球面共形阵列天线的子阵划分的数据表存储起来；

门限检测模块，所述门限检测模块用于对各个波束信号进行能量门限的判决，如果波束信号能量低于设定值，则这个波束信号不需要做后续处理；

信号检测模块，所述信号检测模块作用是OFDM解调；

最大比合并模块，所述最大比合并模块用于对经过信号检测模块处理的后的信号进行最大比合并。

所述球面共形阵列天线的阵元天线为中心频率为4.8GHz的通信天线阵的阵元天线。

所述数据接收存储模块为AD9233与EP3C120F780I7N的组合模块。

所述波束综合模块的数量与子阵的数量相等，为至少2个，波束综合模块采用TMS320C671BGDP300高速浮点处理器模块进行算法处理。

所述门限检测模块、信号检测模块与波束综合模块的数量相等，为至少2个，门限检测模块采用与波束综合模块相同的模块进行独立工作，信号检测模块为OFDM解调模块。

所述最大比合并模块为EP3C120F780I7N与CY7C68013A的组合模块。

一种基于空域滤波的球面共形阵列天线的分集接收方法，包括所述的基于空域滤波的球面共形阵列天线的分集接收装置，具体步骤为：

1)建立球面共形阵列天线：根据信号的波束宽度和阵元能接收信号的波束宽度，建立球面的共形阵列天线；

2)保存数据:将球面的共形阵列天线接收到的信号数据保存到数据接收存储模块；

3)空域滤波:将球面的共形阵列天线进行子阵划分并将步骤2)接收存储到的信号进行波束分集划分；

4)合并信号：将步骤3)划分好的波束分集信号进行波束综合，获得波束对应的球面共形阵列天线的子阵中的每个阵元天线信号的幅度和相位加权系数、并与对应阵元天线的信号进行相乘合并处理；

5)门限检测：将步骤4)处理的波束信号进行能量门限检测，即检测信号的能量，信号的能量如果小于设定值Min，其中Min值为0.1w，则此波束信号不进行后续步骤处理，如信号的能量不小于设定值，则进入步骤6)；

6)信号解调：将步骤5)处理后的信号进行OFDM解调；

7)输出：将步骤6)检测后的信号，根据最大比合并公式进行合并，然后输出。

所述步骤3)中的子阵划分是按照信号入射俯仰角、方位角和信号宽度及阵元的位置对球面共形阵列天线进行子阵划分，所述子阵共划分为25个子阵，子阵为A、B、C、D四类子阵，每个子阵对应不同范围的俯仰角和方位角的入射信号。

所述波束综合为基于自适应蚁群算法综合。

与现有的分集接收技术相比，这种方法采用球面阵列天线实现对全方位信号进行分集接收，通过子阵划分能将信号中含有丰富的多径分量和多普勒分量分离出来，然后对各分量进行信号检测最大比合并，这样能提高分集增益效果，即提高了通信系统的信号接收性能。

这种装置的优点是成本低、实用性好、能实现对半空间俯仰角90°、方位角360°全覆盖信号进行分集接收，能提高通信系统接收信号的分集增益,特别是在高速移动通信环境下使接收信号中含有丰富的多径分量，更能提高通信系统接收信号的分集增益。

这种方法的优点是使用方便、可操作性强，能提高接收端的信噪比、增大覆盖面积，通过对波束的能量检测，能避免系统的能量损耗，有效促进高速移动通信信道下宽带无线传输。

附图说明

图1为实施例的结构示意图；

图2为实施例球面共形阵列天线的结构示意图；

图3为实施例子阵单元的结构示意图；

图4为实施例方法的流程示意图；

图5为实施例自适应蚁群算法流程示意图；

图6实施例OFDM的单天线接收和球面阵天线分集接收最差情况误码率对比图；

图7实施例OFDM球面阵列天线的分集接收最差情况、分集接收随机入射及分集接收最优情况的误码率对比图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明内容作进一步的阐述，但不是对本发明的限定。

实施例：

参照图1、图2，一种基于空域滤波的球面共形阵列天线的分集装置，包括球面共形阵列天线，与现有技术不同的是，球面共形阵列天线设有顺序连接的

数据接收存储模块，所述数据接收存储模块用于存储球面共形阵列天线上每个阵元天线接收到的信号数据；

空域滤波分集模块，所述的空域滤波分集模块用于对球面共形阵列天线接收到的信号进行空域分集，包括用于将数据接收存储模块接收的的信号数据根据球面共形阵列天线划分的子阵进行波束分集划分、且每一个子阵对应一个波束的子阵划分模块和用于对各子阵的信号进行波束综合、以获得各子阵对应的阵元天线的幅度和相位加权系数、并对信号进行处理的波束综合模块；

子阵划分模块采用FLASH芯片把球面共形阵列天线的子阵划分的数据表存储起来；

门限检测模块，所述门限检测模块用于对各个波束信号进行能量门限的判决，如果波束信号能量低于设定值，则这个波束信号不需要做后续处理；

信号检测模块，所述信号检测模块作用是OFDM解调；

最大比合并模块，所述最大比合并模块用于对经过信号检测模块处理的后的信号进行最大比合并。

所述球面共形阵列天线的天线阵元为中心频率为4.8GHz的通信天线阵的阵元。

所述数据接收存储模块为AD9233与EP3C120F780I7N的组合模块。

所述波束综合模块的数量与子阵的数量相等，为至少2个，波束综合模块采用TMS320C671BGDP300高速浮点处理器模块进行算法处理。

所述门限检测模块、信号检测模块与波束综合模块的数量相等，为至少2个，门限检测模块采用与波束综合模块相同的模块进行独立工作，信号检测模块为OFDM解调模块。

所述最大比合并模块为EP3C120F780I7N与CY7C68013A的组合模块。

参照图3、图4，一种基于空域滤波的球面共形阵列天线的分集接收方法，包括所述的基于空域滤波的球面共形阵列天线的分集接收装置，具体步骤为：

1)建立共形阵列天线：根据信号的波束宽度和阵元能接收信号的波束宽度，建立球面的共形阵列天线；

2)保存数据:将球面的共形阵列天线接收到的信号数据保存到数据接收存储模块；

3)空域滤波:将球面的共形阵列天线进行子阵划分并将步骤2)接收存储到的信号进行波束分集划分；

4)合并信号：将步骤3)划分好的波束分集信号进行波束综合，获得波束对应的球面共形阵列天线的子阵中的每个阵元天线的幅度和相位加权系数、并与对应阵元天线的信号进行相乘合并处理；

5)门限检测：将步骤4)处理的波束信号进行能量门限检测，即检测信号的能量，信号的能量如果小于设定值Min，其中Min值为0.1w，则此波束信号不进行后续步骤处理，如信号的能量不小于设定值，则进入步骤6)；

6)信号解调：将步骤5)处理后的信号进行OFDM解调；

7)输出：将步骤6)检测后的信号，根据最大比合并公式进行合并，然后输出。

所述步骤3)中的子阵划分是按照信号入射俯仰角、方位角和信号宽度及阵元的位置对球面共形阵列天线进行子阵划分，所述子阵共划分为25个子阵，子阵为A、B、C、D四类子阵，每个子阵对应不同范围的俯仰角和方位角的入射信号。

所述波束综合为基于自适应蚁群算法综合。

具体为如下步骤：

本实例采用正交频分复用OFDM技术作为测试对象，信道采用高速移动下的三维模信道，信道路径为六条。

1)选取半径为R的半球面，根据阵元波束宽度和阵元天线能接收信号的波束宽度，选取合适的阵元数目，把各个阵元天线均匀分布在共形球面的圆环上，来建立球面共形阵列天线模块；

2)将步骤1)球面共形阵列天线的各个阵元天线都连接到数据接收存储模块，把接收到是数据按阵元天线编号排序存储起来，

根据经典的OFDM系统，首先对S(t)信号以T_u/N速率进行采样，即令其发射信号为：

式中N表示子载波个数，T表示OFDM的符号周期，d_i(i＝1，2，…，N-1)表示第i路子载波的数据符号；

3)对步骤1)建立的球面共形阵列天线进行子阵划分，其中子阵的划分按照信号入射信号的俯仰角和方位角不同、信号宽度及阵元的位置进行划分，

其子阵共划分为25个子阵，

其每个子阵对应不同的俯仰角及不同的方位角的入射信号，

其子阵又为A、B、C、D四类子阵，

其中一种子阵的划分如图2所示，其对应的入射俯仰角θ和方位角φ如表1所示：

表1子阵划分中入射方向与阵元的对应关系

将步骤2)存储到的接收信号按照表1划分成25个波束分集信号，这种划分方法即为空域滤波；

4)将步骤3)划分好的波束分集信号采用自适应蚁群算法进行波束综合，其算法例子流程图如图5所示，在步骤101中，预处理阶段，读取各个阵元的AEP数据，其中为了提高算法的搜索效率，在这个步骤设定一个合理的搜索边界范围，在步骤102中，初始化种群，并计算出适应值、速度及边界自适应调整，在步骤103中，对上述步骤的数据进行，评价、选择、计算适应度值并排序，其功能是防止蚁群算法陷入局部最优，其还能增加种群的多样性，在步骤104中，对上述步骤处理的数据进行判断，对满足条件转到步骤105，在步骤105中，直接输出上述判断成功的结果数据，其值即为对应的子阵的各阵元的幅度和相位加权系数。

如图3所示的子阵划分，只要对A类、B类、C类、D类这四类不同形式的子阵进行波束综合，其它子阵可以通过绕球面的旋转轴变换得到，这样很大程度上减少了工作难度和工作量。

根据上述算法后会生成4类子阵A、B、C、D的幅度和相位加权系数，其加权系数如下表2所示，表中各类子阵阵元的权值都是按阵元的编号从小到大的顺序进行排序：

表2各类子阵阵元幅度及相位的加权值

根据上述产生的加权系数，将其与对应的子阵的每个阵元天线的信号进行相乘处理，并合并各子阵内各阵元天线的分集信号；

5)将步骤4)处理后的波束信号通过能量公式:

E＝E{|s(t)|²}

计算其能量值，如果低于设定值0.1w，则此波束信号不进行后续骤处理；

6)将步骤5)处理后的信号进行经典的OFDM解调处理，即计算第k个波束的载波信号数据Y_k(i)，需要对S_k进行逆变换，即DFT：

步骤7，根据上述步骤6第k个波束的载波信号公式，可写成：

Y_k(i)＝H_k(i)d_i+ICI_k(i)+W_k(i)

式中，H_k(i)、ICI_k(i)和W_k(i)分别是第k个波束的第i个子载波的信道频域响应、ICI干扰和信道干扰，

则各个子阵接收信号进行最大比合并的公式为：

将各个波束的信号按最大比进行合并，然后输出还原信号。

更具体地：

在球面阵的半径为135mm的半球面上安装阵元，根据阵元的60度波束宽度，选择阵元数目为19元，各个天线单元均匀分布在共形于球面的圆环上，其由1元、6元、12元三个圆环组成，相邻圆环所在切面相对于球心张角之差的一半为30°，其平面投影如图2所示；

将球面共形阵列天线进行子阵划分，其划分如表1所示，表中可以看出，每个子阵都对应特定的方向。

根据图1设置好各个模块，进行测试，首先是测试基于空域滤波的球面共形阵列天线分集接收方法的最差情况跟传统OFDM单天线接收方法比较，其在BER＜10^-4时，误码率都比传统的好5dB左右，如图6所示，其中分集最差的情况为所有的多径分别入射到同一子阵，分集接收在最差的情况下，都比单天线接收性能好，证明了本发明能提高接收信号的信噪比，进而提高通信系统的性能。

信号分集接收在实际情况上有很多种可能，信号可能都入射在同一子阵，或者随机入射，或者随机入射到不同的子阵中。其信号的多径分量都入射到不同的子阵，这种情况为分集的最优情况。如图7所示，对这三种情况都进行了测试验证，多径分量入射到的子阵越多，误码率越好，证明了本发明能将信道中不利因素转变成有利因素，提高通信系统的性能。