CN112003640B - 一种天线阵列切换方法及*** - Google Patents

一种天线阵列切换方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及天线阵列领域，尤其涉及一种天线阵列切换方法及***。其中，一种天线阵列切换方法，包括：步骤S1，一天线阵列中包括一第一天线和第二天线组；步骤S2，于第一天线和第二天线接收组的第二天线之间进行模拟信号的接收切换；步骤S3，将模拟信号转换为数字信号并输出；步骤S4，剔除数字信号中处于切换状态下接收到的信号；步骤S5，确定载波频偏，并进行频偏校正；步骤S6，对频偏校正后的所有数字信号进行处理，得到定位结果并输出。本技术方案的有益效果为：提供一种天线阵列切换方法及***，无需为每根天线分配独立的接收单元，能够减小硬件尺寸，降低了功耗及成本且易于工程实现，还能够更加准确地确定到达角的方向。

Description

一种天线阵列切换方法及***
技术领域
本发明涉及天线阵列领域，尤其涉及一种天线阵列切换方法及***。
背景技术
电磁波信号传播时，电磁波信号的传播方向、极化状态等参数都是非常重要的特征参量，能够携带了电磁信号的重要信息，比如，传播方向能够描述电磁波信号源的空间位置，极化状态能够描述电磁波信号的矢量运动特征，获取电磁波信号的本身固有属性，因此，在电磁波信号传播传输的过程中，收发电磁波信号的天线阵列的性能参数显得尤为重要。
大多数天线阵列易受到噪声干扰、极化失配影响等因素，检测能力和分辨能力均较差，导致无法获取准确地信号到达角。由此，现有技术常为天线阵列中的每根天线分配独立的接收单元，以区别于每根天线的接收信号，并结合天线在天线阵列中的位置分布以及各种谱估计算法确定信号的到达角。
然而由于现有技术需要为每根天线设置接收单元，导致天线的硬件尺寸、功耗集成本相对较大，限制了天线阵列在便携式设备中的适用情况。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，现提供一种天线阵列切换方法及***。
一种天线阵列切换方法，包括：
步骤S1，提供一天线阵列，所述天线阵列中包括一第一天线和第二天线组，所述第二天线组中包括多个第二天线；
步骤S2，于所述第一天线和所述第二天线接收组的所述第二天线之间进行模拟信号的接收切换，以使所述第一天线接收所述模拟信号的次数等于所述第二天线组中的接收所述模拟信号的所述第二天线的个数；
步骤S3，将所述模拟信号转换为所述数字信号并输出；
步骤S4，剔除所述数字信号中处于切换状态下接收到的信号；
步骤S5，根据所述第一天线接收的所述数字信号确定载波频偏，并根据所述载波频偏对所述第二天线接收的所述数字信号进行频偏校正；
步骤S6，对频偏校正后的所有所述数字信号进行处理，得到定位结果并输出。
优选的，所述模拟信号为正整数倍的半周期的单音信号。
优选的，所述步骤S5包括：
步骤S51，获取所述第一天线切换前接收到的第一数字信号以及切换后接收到的第二数字信号；
步骤S52，根据所述第一数字信号和所述第二数字信号确定载波频偏；
步骤S53，确定切换所述第一天线时对应的所述第二天线组中接收模拟信号的所述第二天线，并获取对应的所述数字信号；
步骤S54，根据所述载波频偏对所述数字信号进行频偏校正。
优选的，所述载波频偏采用下述公式表示为：
Figure GDA0004251005770000031
其中，
Δε用于表示所述载波频偏；
r(m)用于表示所述第一数字信号；
r(m+2Nt)用于表示所述第二数字信号；
m用于表示所述第一数字信号的采样点数，m+2Nt用于所述第二数字信号的采样点数。
优选的，所述步骤S6包括：
步骤S61，根据所述天线阵列，获取所述天线阵列的导向向量以及与噪声相关的噪声特征向量；
步骤S62，获取所述噪声特征向量对应的噪声子空间；
步骤S63，根据噪声子空间获取每个到达角的欧氏距离；
步骤S64，根据所述欧氏距离获取到达角空间谱的谱峰，将所述谱峰作为所述定位结果输出。
优选的，所述到达角空间谱采用下述公式表示为：
Figure GDA0004251005770000041
其中，
P(θ)用于表示所述到达角空间谱，θ用于表述所述到达角；
d用于表示所述欧氏距离；
a(θ)用于表示所述导向向量；
E用于表示所述噪声子空间。
一种天线阵列切换***，包括：
一天线阵列，包括一第一天线和一第二天线组，所述第二天线组包括多个第二天线，所述第一天线以及所有所述第二天线用于接收模拟信号；
一通道切换模块，连接所述天线阵列，用于控制所述第一天线和所述第二天线接收组的所述第二天线之间进行模拟信号的接收切换，以使所述第一天线接收所述模拟信号的次数等于所述第二天线组中的接收所述模拟信号的所述第二天线的个数；
一模数转换模块，连接所述通道切换模块，用于将所述模拟信号转换为所述数字信号并输出；
一筛选模块，连接所述模数转换模块，用于剔除所述数字信号中处于切换状态下接收到的信号；
一频偏校正模块，连接所述筛选模块，用于根据所述第一天线接收的所述数字信号确定载波频偏，并根据所述载波频偏对所述第二天线接收的所述数字信号进行频偏校正；
一处理模块，连接所述频偏校正模块，用于对频偏校正后的所有所述数字信号进行处理，得到定位结果并输出。
优选的，所述频偏校正模块包括：
一获取单元，用于获取所述第一天线切换前接收到的第一数字信号以及切换后接收到的第二数字信号；
一计算单元，连接所述获取单元，用于根据所述第一数字信号和所述第二数字信号确定载波频偏；
一校正单元，连接所述计算单元，用于确定切换所述第一天线时对应的所述第二天线组中接收模拟信号的所述第二天线，获取对应的所述数字信号，并根据所述载波频偏对所述数字信号进行频偏校正。
优选的，所述处理模块包括：
第一处理单元，用于根据所述天线阵列获取所述天线阵列的导向向量以及与噪声相关的噪声特征向量；
第二处理单元，连接所述第一处理单元，用于获取所述噪声特征向量对应的噪声子空间；
第三处理单元，连接所述第二处理单元，用于根据噪声子空间获取每个到达角的欧氏距离；
第四处理单元，连接所述第三处理单元，用于根据所述欧氏距离获取到达角空间谱的谱峰，将所述谱峰作为所述定位结果输出。
上述技术方案具有如下优点或有益效果：提供一种天线阵列切换方法及***，无需为每根天线分配独立的接收单元，能够减小硬件尺寸，降低了功耗及成本且易于工程实现，还能够更加准确地确定到达角的方向。
附图说明
图1为本发明的优选实施方式中，天线阵列切换方法的流程示意图；
图2为本发明的优选实施方式中，天线阵列切换方法中的步骤S5的流程示意图；
图3为本发明的优选实施方式中，天线阵列切换方法中的步骤S5的流程示意图；
图4为本发明的优选实施方式中，天线阵列的结构示意图；
图5为本发明的优选实施方式中，天线阵列切换***的结构示意图；
图6为本发明的优选实施方式中，频偏校正模块的结构示意图；
图7为本发明的优选实施方式中，处理模块的结构示意图；
图8为本发明的优选实施方式中，进行频偏校正的到达角空间谱的谱峰示意图；
图9为本发明的优选实施方式中，未进行频偏校正的到达角空间谱的谱峰示意图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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的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。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
一种天线阵列切换方法，如图1所示，包括：
步骤S1，提供一天线阵列，天线阵列中包括一第一天线和第二天线组，第二天线组中包括多个第二天线；
步骤S2，于第一天线和第二天线接收组的第二天线之间进行模拟信号的接收切换，以使第一天线接收模拟信号的次数等于第二天线组中的接收模拟信号的第二天线的个数；
步骤S3，将模拟信号转换为数字信号并输出；
步骤S4，剔除数字信号中处于切换状态下接收到的信号；
步骤S5，根据第一天线接收的数字信号确定载波频偏，并根据载波频偏对第二天线接收的数字信号进行频偏校正；
步骤S6，对频偏校正后的所有数字信号进行处理，得到定位结果并输出。
具体地，提供一种天线阵列切换方法，通过第一天线和第二天线接收组之间的接收切换，无需为每根天线分配独立的接收单元，能够减小硬件尺寸，降低了功耗及成本且易于工程实现；以及根据载波频偏进行频偏校正能够更加准确地确定到达角的方向。
于步骤S1，提供一具有K根天线的天线阵列，对天线阵列中的天线进行划分，将第一根天线作为第一天线，对应的序号为1，剩余的天线作为第二天线组中的第二天线，对应的序号分别为2，3，4…K。
优选的实施方式中，步骤S2，于第一天线和第二天线接收组的第二天线之间进行模拟信号的接收切换，可具体为：
步骤S21，打开第一天线的接收开关，使第一天线接收到模拟信号并进行信号的同步匹配；
步骤S22，当同步匹配到所需信号后切换开关，关闭第一天线的接收开关同时打开第二天线组中序号为i的第二天线的接收开关，使序号为i的第二天线接收到模拟信号并进行信号的同步匹配；
步骤S23，当同步匹配到所需信号后切换开关，关闭第二天线组中序号为i的第二天线的接收开关同时打开第一天线的接收开关，使第一天线接收到模拟信号并进行信号的同步匹配，将i增加为i+1，随后返回步骤S22；
直至第二天线组中的所有第二天线均接收到模拟信号随后退出该流程。
在上述实施方式中，i的初始值为2，i的最大值为K-1，相应的接收顺序依次为：序号为1的第一天线，序号为2的第二天线，序号为1的第一天线，序号为3的第二天线，序号为1的第一天线，序号为4的第二天线，……序号为1的第一天线，序号为K的第二天线。
优选的实施方式中，模拟信号为正整数倍的半周期的单音信号。
具体地，发送端发送带有同步头的单音信号，天线阵列中的每根天线的接收时长为T，T为完整接收正整数倍的半周期的单音信号的时间，此处的正整数可记为t。
优选的实施方式中，于步骤S3，可进行模数转换，将模拟信号转换为数字信号并输出。
优选的实施方式中，考虑到天线在切换操作时，会影响到接收的信号的质量，因此于步骤S4，剔除数字信号中处于切换状态下接收到的信号，以得到质量较好的接收信号。
优选的实施方式中，如图2所示，步骤S5包括：
步骤S51，获取第一天线切换前接收到的第一数字信号以及切换后接收到的第二数字信号；
步骤S52，根据第一数字信号和第二数字信号确定载波频偏；
步骤S53，确定切换第一天线时对应的第二天线组中接收模拟信号的第二天线，并获取对应的数字信号；
步骤S54，根据载波频偏对数字信号进行频偏校正。
具体地，由于每根天线完整接收正整数倍半周期的单音信号，前后两次第一天线接收的信号应该相同。因此前后原本相同的部分的相位差是由于载波频率同步误差的存在而引起的。
因此，于步骤S51，获取第一天线切换前接收到的第一数字信号：
r(m)＝s(m)*ejmΔε (1)
以及切换后接收到的第二数字信号：
r(m+2Nt)＝s(m+2Nt)*ej(m+2Nt)Δε (2)
随后于步骤S52，根据第一数字信号和第二数字信号确定载波频偏，此处可用第二数字信号与第一数字信号相除，得到：
Figure GDA0004251005770000101
由于第一天线先后两次均完整接收正整数倍半周期的单音信号，所以s(m+2Nt)＝s(m)，因此上述公式(3)可化简为：
Q(m)＝ej(2Nt)Δε (4)
由此，载波频偏采用下述公式(5)表示为得到：
Figure GDA0004251005770000102
其中，
Δε用于表示载波频偏；
r(m)用于表示第一数字信号；
r(m+2Nt)用于表示第二数字信号；
m用于表示第一数字信号的采样点数，m+2Nt用于第二数字信号的采样点数。
随后于步骤S53，用计算出的频偏对处于第一天线之间的切换天线的接收信号进行频偏校正，具体地，当接收顺序为：序号为1的第一天线，序号为2的第二天线，序号为1的第一天线，即可根据计算出的频偏对序号为2的第二天线接收到的信号进行频偏校正。
优选的实施方式中，如图3所示，步骤S6包括：
步骤S61，根据天线阵列，获取天线阵列的导向向量以及与噪声相关的噪声特征向量；
步骤S62，获取噪声特征向量对应的噪声子空间；
步骤S63，根据噪声子空间获取每个到达角的欧氏距离；
步骤S64，根据欧氏距离获取到达角空间谱的谱峰，将谱峰作为定位结果输出。
其中，此处的天线分布如图4所示，于步骤S61中，根据天线阵列，获取天线阵列的导向向量以及与噪声相关的噪声特征向量；具体地，当信号个数为D时，信号特征值和特征向量的数目相应也为D，噪声特征值和特征向量的数目是K-D个，其中K是天线阵列中的天线总数。若每个信道中的噪声是不相关的，则其噪声相关矩阵是对角矩阵，不相关噪声有相等的方差，即：
Figure GDA0004251005770000121
其中Rxx为天线阵相关矩阵，RSS为信源相关矩阵，
Figure GDA0004251005770000122
为噪声相关矩阵，A＝[a(θ1)a(θ2) … a(θD)]表示导向向量矩阵，I表示单位矩阵，/>
Figure GDA0004251005770000123
表示噪声方差。
随后，于步骤S62中，获取噪声特征向量对应的噪声子空间；具体地，首先求Rxx的特征值和特征向量，进而求与信号相关的D个特征向量和与噪声相关的K-D个特征向量。可选择与最小特征值对应的特征向量。对于不相关信号，最小特征值等于噪声的方差。然后构造由噪声特征向量的子空间，即：
E＝[e1e2…eK-D] (7)
在到达角θ1θ2…θD处，噪声子空间特征向量与天线阵导向向量正交。
由于这种正交关系，可于步骤S63中求出各个到达角θ1θ2…θD的欧氏距离d2＝|a(θ)HEEHa(θ)|。该距离表达式作为分母即可得到达角的尖峰。
因此，得到的到达角空间谱可采用下述公式表示为：
Figure GDA0004251005770000131
其中，
P(θ)用于表示到达角空间谱，θ用于表述到达角；
d用于表示欧氏距离；
a(θ)用于表示导向向量；
E用于表示噪声子空间。
最终，于步骤S64，根据获取到达角空间谱的谱峰，将谱峰作为定位结果输出。
一种天线阵列切换***，如图5所示，包括：
一天线阵列A1，包括一第一天线1和一第二天线组A10，第二天线组A10包括多个第二天线2，3，4…K，第一天线1以及所有第二天线用于接收模拟信号；
一通道切换模块A2，连接天线阵列A1，用于控制第一天线1和第二天线接收组的第二天线2，3，4…K之间进行模拟信号的接收切换，以使第一天线1接收模拟信号的次数等于第二天线组A10中的接收模拟信号的第二天线2，3，4…K的个数；
一模数转换模块A3，连接通道切换模块A2，用于将模拟信号转换为数字信号并输出；
一筛选模块A4，连接模数转换模块A3，用于剔除数字信号中处于切换状态下接收到的信号；
一频偏校正模块A5，连接筛选模块A4，用于根据第一天线1接收的数字信号确定载波频偏，并根据载波频偏对第二天线2，3，4…K接收的数字信号进行频偏校正；
一处理模块A6，连接频偏校正模块A5，用于对频偏校正后的所有数字信号进行处理，得到定位结果并输出。
具体地，提供一种天线阵列切换***，通道切换模块A2进行第一天线1和第二天线接收组之间的接收切换，无需为每根天线1，2，3，4…K分配独立的接收单元，能够减小硬件尺寸，降低了功耗及成本且易于工程实现；频偏校正模块A5根据载波频偏进行频偏校正，处理模块A6对频偏校正后的信号进行处理，能够更加准确地确定到达角的方向。
具体地，打开第一天线1的接收开关A11，使第一天线1接收到模拟信号并进行信号的同步匹配；当同步匹配到所需信号后切换开关，关闭第一天线1的接收开关A11同时打开第二天线组中序号为2的第二天线的接收开关A12，使序号为2的第二天线接收到模拟信号并进行信号的同步匹配；当同步匹配到所需信号后切换开关，关闭第二天线组中序号为2的第二天线的接收开关A12同时打开第一天线的接收开关A11，使第一天线接收到模拟信号并进行信号的同步匹配，当同步匹配到所需信号后切换开关，关闭第一天线1的接收开关A11同时打开第二天线组中序号为3的第二天线的接收开关A13，使序号为3的第二天线接收到模拟信号并进行信号的同步匹配；依次循环直至打开第二天线组中的序号为K第二天线的接收开关A1K，使所有第二天线均接收到模拟信号。
优选的实施方式中，如图6所示，频偏校正模块A5包括：
一获取单元A51，用于获取第一天线1切换前接收到的第一数字信号以及切换后接收到的第二数字信号；
一计算单元A52，连接获取单元A51，用于根据第一数字信号和第二数字信号确定载波频偏；
一校正单元A53，连接计算单元A52，用于确定切换第一天线1时对应的第二天线组A10中接收模拟信号的第二天线，获取对应的数字信号，并根据载波频偏对数字信号进行频偏校正。
优选的实施方式中，如图7所示，处理模块A6包括：
第一处理单元A61，用于根据天线阵列A1获取天线阵列A1的导向向量以及与噪声相关的噪声特征向量；
第二处理单元A62，连接第一处理单元A61，用于获取噪声特征向量对应的噪声子空间；
第三处理单元A63，连接第二处理单元A62，用于根据噪声子空间获取每个到达角的欧氏距离；
第四处理单元A64，连接第三处理单元A63，用于根据欧氏距离获取到达角空间谱的谱峰，将谱峰作为定位结果输出。
实施例：
在一种优选的实施方式中，在预设的发送端以预设角度发送信号后，此时以本技术方案进行操作，进行切换、频偏校正以及到达角空间谱计算，能够获取如图8所示的到达角空间谱的谱峰搜索图，横坐标为到达角角度，纵坐标为归一化的空间谱，从图8中可以看出到达角为20度时，到达角空间谱的谱峰取最大值，由此可确定此电磁波信号的方位角为20度，将20度作为定位结果输出，与预设条件匹配，由此本申请能够精确地确定电磁波的空间位置，实现定位效果。
相应的，若未进行频偏校正，则得到的空间谱如图9所示，横坐标为到达角角度，纵坐标为归一化的空间谱，分析谱峰得到此电磁波信号的到达角为39度，与预设条件差距较大，对比图8和图9，本申请能够精确地确定到达角的方向。
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种天线阵列切换方法，其特征在于，包括：
步骤S1，提供一天线阵列，所述天线阵列中包括一第一天线和第二天线组，所述第二天线组中包括多个第二天线；
步骤S2，于所述第一天线和所述第二天线接收组的所述第二天线之间进行模拟信号的接收切换，以使所述第一天线接收所述模拟信号的次数等于所述第二天线组中的接收所述模拟信号的所述第二天线的个数；
步骤S3，将所述模拟信号转换为数字信号并输出；
步骤S4，剔除所述数字信号中处于切换状态下接收到的信号；
步骤S5，根据所述第一天线接收的所述数字信号确定载波频偏，并根据所述载波频偏对所述第二天线接收的所述数字信号进行频偏校正；
步骤S6，对频偏校正后的所有所述数字信号进行处理，得到定位结果并输出；
所述步骤S5，包括：
步骤S51，获取所述第一天线切换前接收到的第一数字信号以及切换后接收到的第二数字信号；
步骤S52，根据所述第一数字信号和所述第二数字信号确定载波频偏；
步骤S53，确定切换所述第一天线时对应的所述第二天线组中接收模拟信号的所述第二天线，并获取对应的所述数字信号；
步骤S54，根据所述载波频偏对所述数字信号进行频偏校正；
所述载波频偏采用下述公式表示为：
Figure QLYQS_1
其中，
Δε用于表示所述载波频偏；
r(m)用于表示所述第一数字信号；
r(m+2Nt)用于表示所述第二数字信号；
m用于表示所述第一数字信号的采样点数，m+2Nt用于表示所述第二数字信号的采样点数；
所述步骤S6包括：
步骤S61，根据所述天线阵列，获取所述天线阵列的导向向量以及与噪声相关的噪声特征向量；
步骤S62，获取所述噪声特征向量对应的噪声子空间；
步骤S63，根据噪声子空间获取每个到达角的欧氏距离；
步骤S64，根据所述欧氏距离获取到达角空间谱的谱峰，将所述谱峰作为所述定位结果输出；
所述到达角空间谱采用下述公式表示为：
Figure QLYQS_2
其中，
P(θ)用于表示所述到达角空间谱，θ用于表述所述到达角；
d用于表示所述欧氏距离；
a(θ)用于表示所述导向向量；
E用于表示所述噪声子空间。
2.根据权利要求1所述的天线阵列切换方法，其特征在于，所述模拟信号为正整数倍的半周期的单音信号。
3.一种天线阵列切换***，其特征在于，包括：
一天线阵列，包括一第一天线和一第二天线组，所述第二天线组包括多个第二天线，所述第一天线以及所有所述第二天线用于接收模拟信号；
一通道切换模块，连接所述天线阵列，用于控制所述第一天线和所述第二天线接收组的所述第二天线之间进行模拟信号的接收切换，以使所述第一天线接收所述模拟信号的次数等于所述第二天线组中的接收所述模拟信号的所述第二天线的个数；
一模数转换模块，连接所述通道切换模块，用于将所述模拟信号转换为数字信号并输出；
一筛选模块，连接所述模数转换模块，用于剔除所述数字信号中处于切换状态下接收到的信号；
一频偏校正模块，连接所述筛选模块，用于根据所述第一天线接收的所述数字信号确定载波频偏，并根据所述载波频偏对所述第二天线接收的所述数字信号进行频偏校正；
一处理模块，连接所述频偏校正模块，用于对频偏校正后的所有所述数字信号进行处理，得到定位结果并输出；
所述频偏校正模块包括：
一获取单元，用于获取所述第一天线切换前接收到的第一数字信号以及切换后接收到的第二数字信号；
一计算单元，连接所述获取单元，用于根据所述第一数字信号和所述第二数字信号确定载波频偏；
一校正单元，连接所述计算单元，用于确定切换所述第一天线时对应的所述第二天线组中接收模拟信号的所述第二天线，获取对应的所述数字信号，并根据所述载波频偏对所述数字信号进行频偏校正；
所述载波频偏采用下述公式表示为：
Figure QLYQS_3
其中，
Δε用于表示所述载波频偏；
r(m)用于表示所述第一数字信号；
r(m+2Nt)用于表示所述第二数字信号；
m用于表示所述第一数字信号的采样点数，m+2Nt用于表示所述第二数字信号的采样点数；
所述处理模块包括：
第一处理单元，用于根据所述天线阵列获取所述天线阵列的导向向量以及与噪声相关的噪声特征向量；
第二处理单元，连接所述第一处理单元，用于获取所述噪声特征向量对应的噪声子空间；
第三处理单元，连接所述第二处理单元，用于根据噪声子空间获取每个到达角的欧氏距离；
第四处理单元，连接所述第三处理单元，用于根据所述欧氏距离获取到达角空间谱的谱峰，将所述谱峰作为所述定位结果输出；
所述到达角空间谱采用下述公式表示为：
Figure QLYQS_4
其中，
P(θ)用于表示所述到达角空间谱，θ用于表述所述到达角；
d用于表示所述欧氏距离；
a(θ)用于表示所述导向向量；
E用于表示所述噪声子空间。
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