CN104734765B - 数字波束成形信号处理装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种数字波束成形信号处理装置及方法，其中，该装置包括：基带处理芯片，用于合成待发射的基带信号以及对接收到的基带信号进行解码；依次连接的多个芯片，该多个芯片与该基带处理芯片连接，用于实现数字基带波束成形，其中，该多个芯片中的每个芯片的类型均相同，该多个芯片中的单个芯片用于处理预定数量的阵元。通过本发明解决了相关技术中波束确定后就不能再更改，波束数量受到限制，旁瓣很难得到有效的抑制的问题。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信领域，尤其涉及数字波束成形信号处理装置及方法。
背景技术
有源相控阵列因为其具有体积小，质量轻，损耗低，易实现多波束，并可以灵活快速改变天线波束指向和波束覆盖形状等优点，故在近十年来相控阵天线技术成为通信卫星有效载荷中发展很快的一项关键技术。
传统的采用射频移相网络实现的有源相控阵技术调试复杂繁琐，对***运行的外在环境有较为严格的要求。波束确定后就不能再更改，波束数量受到限制，旁瓣很难得到有效的抑制。
对于相关技术中存在的上述问题，目前还没有提出合理的解决方案。
发明内容
本发明提供了数字波束成形的信号处理方法及装置，以至少解决相关技术中波束确定后就不能再更改，波束数量受到限制，旁瓣很难得到有效的抑制的问题。
根据本发明的一个方面，提供了一种信号处理装置，包括：基带处理芯片，用于合成待发射的基带信号以及对接收到的基带信号进行解码；依次连接的多个芯片，所述多个芯片与所述基带处理芯片连接，用于实现数字基带波束成形，其中，所述多个芯片中的每个芯片的类型均相同，所述多个芯片中的单个芯片用于处理预定数量的阵元。
优选地，所述多个芯片通过发射总线连接，所述发射总线用于发射所述多个芯片的信号；对于接收信号所述多个芯片通过片间级联逐级传递下去，在传递过程中进行波束合成。
优选地，所述多个芯片通过片间级联逐级传递下去，通过流水方式以及时钟的复用，在一个信号周期内完成所有波束的合成。
优选地，通过增加缓存使所述多个芯片接收时序达到一致。
优选地，所述多个芯片用于根据波束成形的加权值实现所述数字基带波束成形。
优选地，所述加权值通过与所述芯片连接的总线进行加载。
优选地，不同的加权值对应于不同的***环境设计。
优选地，所述装置还包括：时钟计数器，用于控制校准通道的切换，其中，所述校准通道使用周期单音信号作为校准信号；基带处理器，还用于计算出各通道因器件产生的相位差异，并补偿进权值内。
优选地，所述基带处理器，还用于随机设定发射参考通道以及接收参考通道。
优选地，所述装置用于以下至少之一的设计：低轨、高轨、中轨和椭圆轨道的通信卫星设计。
根据本发明的另一个方面，还提供了一种信号处理方法，包括：通过依次连接的多个芯片接收或者发送信号，其中，所述多个芯片与所述基带处理芯片连接，用于实现数字基带波束成形，所述多个芯片中的每个芯片的类型均相同，所述多个芯片中的单个芯片用于处理预定数量的阵元；通过基带处理芯片将合成的待发射的基带信号通过所述多个芯片进行发送，以及对通过所述多个芯片接收到的基带信号进行解码。
优选地，通过依次连接的多个芯片接收或者发送信号包括：通过所述多个芯片通过发射总线连接，所述发射总线用于发射所述多个芯片的信号；对于接收信号所述多个芯片通过片间级联逐级传递下去，在传递过程中进行波束合成。
优选地，所述多个芯片通过片间级联逐级传递下去，在传递过程中进行波束合成包括：所述多个芯片通过片间级联逐级传递下去，通过流水方式以及时钟的复用，在一个信号周期内完成所有波束的合成。
优选地，通过增加缓存使所述多个芯片接收时序达到一致。
优选地，所述多个芯片用于根据波束成形的加权值实现所述数字基带波束成形。
优选地，加权值通过与所述芯片连接的总线进行加载。
优选地，不同的加权值对应于不同的***环境设计。
优选地，切换到控制校准通道进行校正，其中，所述校准通道使用周期单音信号作为校准信号；根据校正计算出各通道因器件产生的相位差异，并补偿进权值内。
优选地，所述方法还包括：随机设定发射参考通道以及接收参考通道。
优选地，所述方法用于以下至少之一的设计：低轨、高轨、中轨和椭圆轨道的通信卫星设计。
通过本发明，解决了相关技术中波束确定后就不能再更改，波束数量受到限制，旁瓣很难得到有效的抑制的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明实施例的信号处理装置的示意图；
图2是根据本发明实施例的信号处理方法的示意图；
图3是根据本发明实施例的单片管脚接口示意图；
图4是根据本发明实施例的校准方案时钟控制示意图一；
图5是根据本发明实施例的校准方案时钟控制示意图二；
图6根据本发明实施例的单片内发射结构框图；
图7根据本发明实施例的发射滤波模块框图；
图8根据本发明实施例的单片内接收结构框图；
图9根据本发明实施例的接收滤波模块框图；
图10根据本发明实施例的级联构架示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本实施例中，提供了一种信号处理装置，图1是根据本发明实施例的信号处理装置的示意图，如图1所示，该装置包括：
基带处理芯片，用于合成待发射的基带信号以及对接收到的基带信号进行解码；
依次连接的多个芯片，该多个芯片与该基带处理芯片连接，用于实现数字基带波束成形，其中，该多个芯片中的每个芯片的类型均相同，该多个芯片中的单个芯片用于处理预定数量的阵元。
通过上述装置，采用了多个芯片，从而可以根据实际的需要来确定芯片的数量，从而实现灵活的配置。
优选地，该多个芯片通过发射总线连接，该发射总线用于发射该多个芯片的信号；对于接收信号该多个芯片通过片间级联逐级传递下去，在传递过程中进行波束合成。
优选地，该多个芯片通过片间级联逐级传递下去，通过流水方式以及时钟的复用，在一个信号周期内完成所有波束的合成。更优地，接收级联的时序问题可以通过增加缓存使所有芯片达到一致。
优选地，该多个芯片用于根据波束成形的加权值实现该数字基带波束成形。作为另外一个优选实施例，加权值可以通过与该芯片连接的总线进行加载。更优地，不同的加权值对应于不同的***环境设计。
优选地，上述装置还可以包括：时钟计数器，用于控制校准通道的切换，其中，该校准通道使用周期单音信号作为校准信号；基带处理器，还用于计算出各通道因器件产生的相位差异，并补偿进权值内。
优选地，基带处理器还可以用于随机设定发射参考通道以及接收参考通道，这样的处理可以分担某一通道发生问题的风险。
上述实施例中的装置的设计环境可以是通信卫星设计，包括低轨、高轨、中轨和椭圆轨道中的至少之一的通信卫星设计。
在本实施例中，还提供了一种信号处理方法，图2是根据本发明实施例的信号处理方法的示意图，如图2所示，该流程包括如下步骤：
步骤S201，通过依次连接的多个芯片接收或者发送信号，其中，该多个芯片与该基带处理芯片连接，用于实现数字基带波束成形，该多个芯片中的每个芯片的类型均相同，该多个芯片中的单个芯片用于处理预定数量的阵元；
步骤S202，通过基带处理芯片将合成的待发射的基带信号通过该多个芯片进行发送，以及对通过该多个芯片接收到的基带信号进行解码。
优选地，通过依次连接的多个芯片接收或者发送信号包括：通过该多个芯片通过发射总线连接，该发射总线用于发射该多个芯片的信号；对于接收信号该多个芯片通过片间级联逐级传递下去，在传递过程中进行波束合成。
优选地，该多个芯片通过片间级联逐级传递下去，在传递过程中进行波束合成包括：该多个芯片通过片间级联逐级传递下去，通过流水方式以及时钟的复用，在一个信号周期内完成所有波束的合成。
优选地，可以通过增加缓存使所述多个芯片接收时序达到一致。
优选地，该多个芯片用于根据波束成形的加权值实现该数字基带波束成形。在一个优选实施例中，加权值可以通过与该芯片连接的总线进行加载。更优地，不同的加权值对应于不同的***环境设计。
优选地，切换到控制校准通道进行校正，其中，该校准通道使用周期单音信号作为校准信号；根据校正计算出各通道因器件产生的相位差异，并补偿进权值内。
更优地，还可以随机设定发射参考通道以及接收参考通道。
上述实施例中的方法的设计环境可以是通信卫星设计，包括低轨、高轨、中轨和椭圆轨道中的至少之一的通信卫星设计。
下面结合优选实施例进行说明。
随着微波单片集成电路(MMIC)技术和阵列信号处理技术的发展，数字基带波束成形(DBF)容易实现多波束，低旁瓣，和自适应波束重构。在工程实现上，与射频移相网络相比，具有体积小、重量轻、功耗低等特点，正逐渐取代传统的射频移相网络波束成形实现技术。在本优选实施例中，根据DBF技术，针对星载有源相控阵列的信号处理所设计的星载DBF信号处理专用芯片。该设计能够满足不同阵元规模、不同应用场景的航天级基带空域处理专用芯片，利用此专用芯片可以采用DBF技术实现星上有源相控阵列天线。
由于航天级芯片要满足抗辐照的环境要求，实现工艺受限，其集成度一般不高，这样单个芯片能够处理的阵元数量将十分有限。本发明实施例设计了一种芯片架构和芯片间的连接架构，图3是根据本发明实施例的单片管脚接口示意图，如图3所示，该芯片包含4路天线的发射和接收以及相应的相位加权模块。本发明实施例还设计了芯片间的连接架构，通过同种芯片的互联，可以满足阵元数在4～64之间的星载相控阵需求。由于仅仅采用一种类型芯片，极大地降低了工程实施的时间和成本。发射信号采用总线的形式，而接收信号流则是通过片间级联一级一级传递下去，在传递过程中进行波束合成，通过流水方式以及时钟的复用，在一个信号sample时间内完成所有波束的合成。
芯片利用较高的时钟信号复用以及流水式的波束计算、传输方式，充分利用芯片的所有资源，并降低接口压力。
对波束成形的加权值进行了优化，降低了波束成形加权值的运算量。优化了数字滤波，升降采样率等数字信号处理环节，达到了芯片工程化的要求。
波束成形的加权值可以通过总线进行加载，满足了星上波束动态调整的需求，将不同的系数权值应用于不同的***设计环境，通过控制系数，芯片可以被运用到低轨、中轨、高轨和椭圆轨道的通信卫星设计中，也可以应用在一些特种阵列信号处理当中。
本优选实施例还设计了高可靠性的天线校准机制。对于有源相控阵列，加权值的精确与否是决定了整个***能否正常运行的关键问题。***内模拟处理部分因器件差异性，各通道都会附带一定的相位偏移和增益不齐，加上在太空中温度等环境的不定性，定期的对各通道进行校准是维持***正常运行必须进行的工作。
校准可靠性是校准是否能保证正确的指标，正确的校准可以提高***的性能，而错误的校准很可能使***无法工作，可靠的校准方法的设计也是整个***设计里重要的一环，图4是根据本发明实施例的校准方案时钟控制示意图一，如图4所示，本发明实施例采用时钟计数器控制校准。
图5是根据本发明实施例的校准方案时钟控制示意图二，如图5所示，利用时钟计数器控制校准通道的切换，周期单音信号作为校准信号，随机设定发射参考通道以及接收参考通道，可以分担某一通道发生问题的风险。基带处理芯片计算出各通道因器件产生的相位差异，并补偿进权值内。
本优选实施例采用芯片的级联架构，高灵活度的使用该架构(阵元规模和应用场景)，以及在片内结构上巧妙地运用缓存使片内各模块以及片间在时序上达到一致，使得芯片中信号处理得到优化，达到高可靠的校准效果。具体地，可以实时完成最多64个阵元，128个波束的有源相控阵空域信号的处理；采用多片级联的方法，克服了航天级芯片集成度无法达到太高的难题；通过灵活的改变权值和滤波系数，可以适用于低轨、中轨、高轨通信卫星的有源相控阵数字基带波束成形，也可以运用于一些特种阵列信号处理当中；高可靠的天线阵校准机制和方案；权值可配置，可以很大程度上的灵活的设计波束的数量与分布，可以方便的附加零陷等优化波束的技术；集成芯片体积小、重量轻，能够极大的减小卫星的体积和重量，降低卫星发射成本。
下面对本优选实施例的各个部分进行说明。
1.芯片内部架构
(1)发射部分
图6根据本发明实施例的单片内发射结构框图，如图6所示，发射部分与芯片外数据总线相连，包括多个累加器和多个滤波模块等。
图7根据本发明实施例的发射滤波模块框图，如图7所示，包括：根升余弦成型4倍插值滤波、2插半带滤波、2插半带滤波、2插半带滤波频率搬移、DAC。
(2)接收部分
图8根据本发明实施例的单片内接收结构框图，如图8所示，接收部分包括：滤波等模块，还包括缓存器和累加器。
图9根据本发明实施例的接收滤波模块框图，如图9所示，接收滤波模块包括：根升余弦成型滤波、半带滤波2抽、IQ分路降频、ADC。
2.多芯片级联结构
图10根据本发明实施例的级联构架示意图，如图10所示，级联方法主要就是运用在接收上，发射信号是由基带通过总线传输到芯片，故所有芯片接收到的信号实际上都是一样的。
3.LEO、GEO有源相控阵的实现方案
LEO通信卫星、61天线、57波束***实现方案和GEO通信卫星、61天线、128波束实现方案在硬件结构上几乎没有区别，整体上的结构都如图1所示，接收级联的时序问题通过增加缓存使所有芯片达到一致。LEO、GEO通信卫星，主要区别在于GEO所需处理波束要远超过LEO，但在空域处理方式上是没有区别的，灵活配置好加权值，基带灵活的输送发射信号，就可以兼容实现LEO、GEO的基带波束成形。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (16)
1.一种数字波束成形信号处理装置，其特征在于，包括：
基带处理芯片，用于合成待发射的基带信号以及对接收到的基带信号进行解码；
依次连接的多个芯片，所述多个芯片与所述基带处理芯片连接，用于实现数字基带波束成形，其中，所述多个芯片中的每个芯片的类型均相同，所述多个芯片中的单个芯片用于处理预定数量的阵元；
所述多个芯片通过发射总线连接，所述发射总线用于发射所述多个芯片的信号；对于接收信号所述多个芯片通过片间级联逐级传递下去，在传递过程中进行波束合成；
所述多个芯片通过片间级联逐级传递下去，通过流水方式以及时钟的复用，在一个信号周期内完成所有波束的合成。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，通过增加缓存使所述多个芯片接收时序达到一致。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述多个芯片用于根据波束成形的加权值实现所述数字基带波束成形。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述加权值通过与所述芯片连接的总线进行加载。
5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，不同的加权值对应于不同的***环境设计。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
时钟计数器，用于控制校准通道的切换，其中，所述校准通道使用周期单音信号作为校准信号；
基带处理器，还用于计算出各通道因器件产生的相位差异，并补偿进权值内。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，
所述基带处理器，还用于随机设定发射参考通道以及接收参考通道。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置用于以下至少之一的设计：
低轨、高轨、中轨和椭圆轨道的通信卫星设计。
9.一种数字波束成形信号处理方法，其特征在于，包括：
通过依次连接的多个芯片接收或者发送信号，其中，所述多个芯片与基带处理芯片连接，用于实现数字基带波束成形，所述多个芯片中的每个芯片的类型均相同，所述多个芯片中的单个芯片用于处理预定数量的阵元；
通过基带处理芯片将合成的待发射的基带信号通过所述多个芯片进行发送，以及对通过所述多个芯片接收到的基带信号进行解码；
通过依次连接的多个芯片接收或者发送信号包括：通过所述多个芯片通过发射总线连接，所述发射总线用于发射所述多个芯片的信号；对于接收信号所述多个芯片通过片间级联逐级传递下去，在传递过程中进行波束合成；
所述多个芯片通过片间级联逐级传递下去，在传递过程中进行波束合成包括：所述多个芯片通过片间级联逐级传递下去，通过流水方式以及时钟的复用，在一个信号周期内完成所有波束的合成。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，通过增加缓存使所述多个芯片接收时序达到一致。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述多个芯片用于根据波束成形的加权值实现所述数字基带波束成形。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，加权值通过与所述芯片连接的总线进行加载。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，不同的加权值对应于不同的***环境设计。
14.根据权利要求9至13中任一项所述的方法，其特征在于，
切换到控制校准通道进行校正，其中，所述校准通道使用周期单音信号作为校准信号；
根据校正计算出各通道因器件产生的相位差异，并补偿进权值内。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
随机设定发射参考通道以及接收参考通道。
16.根据权利要求9至13中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法用于以下至少之一的设计：
低轨、高轨、中轨和椭圆轨道的通信卫星设计。
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