DE19722472A1 - Verfahren und System für eine digitale Strahlformung - Google Patents
Verfahren und System für eine digitale StrahlformungInfo
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
- H01Q3/26—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture
Landscapes
- Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
- Radar Systems Or Details Thereof (AREA)
- Radio Transmission System (AREA)
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die folgenden
Erfindungen, die dem Anmelder der vorliegenden Erfindung
gehören:
- (1) "Logarithm/Inverse-Logarithm Converter Utilizing Linear Interpolation and Method of Using Same" mit der Seri ennummer 08/391,880, eingereicht am 22. Februar 1995;
- (2) "Logarithm/Inverse-Logarithm Converter Utilizing a Truncated Taylor Series and Method of Use Therof" mit der Seriennummer 08/381,167, eingereicht am 31. Januar 1995;
- (3) "Logarithm/Inverse-Logarithm Converter and Method of Using Same" mit der Seriennummer 08/381,368, eingereicht am 31. Januar 1995; und
- (4) "Logarithm/Inverse-Logarithm Converter Utilizing Second-Order Term and Method of Using Same" mit der Serien nummer 08/382,467, eingereicht am 31. Januar 1995.
Der Gegenstand der oben angegebenen verwandten Erfindungen
wird hiermit durch Bezugnahme in die Offenbarung dieser Er
findung eingeschlossen.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf die
Signalverarbeitung in Kommunikationssystemen mit ausgestrahl
ter Welle und insbesondere auf ein Strahlformungsantennensy
stem.
Die elektromagnetische Umgebung wird zunehmend dichter mit
der Zunahme der drahtlosen persönlichen Kommunikationsvor
richtungen, wie zellulare Telefone und Funkrufempfänger. Es
wird immer mehr Information und immer mehr Leistung von
drahtlosen Kommunikationssystemen gefordert, was größere
Anforderungen an die Antennenleistung stellt. Die digitale
Strahlformung ist eine mächtige Technik für das Verbessern
der Antennenleistung.
Die grundsätzlichen Prinzipien der digitalen Strahlformung
wurden in der Literatur beschrieben. Siehe beispielsweise
"Digital Beam forming Antennas An Introduction" von Hans
Steyskal, Microwave Journal, Januar 1987. Im allgemeinen
arbeiten digitale Strahlformer in Verbindung mit einer pha
sengesteuerten Antenne, um die gesamte Qualität der abge
strahlten Datensignale zu verbessern. In einem Empfänger
verursacht eine abgestrahlte Wellenfront, die auf eine pha
sengesteuerte Antenne auftrifft, Signale, die an verschiede
nen Antennenelementen empfangen werden, die sich durch den
Winkel der Wellenfront relativ zur Anordnung in der Phase
unterscheiden. Der digitale Strahlformer kompensiert diese
Phasenverschiebung und summiert die verschiedenen Elementsig
nale, so daß ein maximales Signal-zu-Rausch-Verhältnis an
seinem Ausgang erreicht wird. In der Senderichtung kann der
Betrieb des Strahlformers umgekehrt werden, so daß das gesen
dete Signal sich in jede gewünschte Richtung ausbreiten kann
durch Anwendung der passenden Phasenverschiebungen auf jedes
der Elementsignale.
Obwohl eine Vielzahl von Techniken für die Strahlformung
entwickelt wurden, fehlt aktuellen digitalen Strahlformungs
antennensystemen die Rechenleistung, die für viele Kommunika
tionssystemanwendungen gefordert wird. Somit besteht ein Be
dürfnis nach einem digitalen Strahlformungssystem, das eine
Hochleistungsrechenleistung bei niedrigen Kosten bietet.
Die Erfindung wird insbesondere in den angefügten Ansprüchen
ausgeführt. Andere Merkmale der Erfindung werden jedoch deut
licher und die Erfindung kann am besten verstanden werden
durch Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung
in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen, in denen
Fig. 1 ein Blockdiagramm eines Empfängers zeigt, der ein
digitales Strahlformungssystem einschließt;
Fig. 2 ein Blockdiagramm eines Senders zeigt, der ein
digitales Strahlformungssystem einschließt;
Fig. 3 ein Blockdiagramm eines digitalen Strahlformers
zeigt, der sich in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung befindet;
Fig. 4 ein Blockdiagramm zeigt, das eine erste Ausfüh
rungsform einer Berechnungseinheit zeigt, die im digitalen
Strahlformer der Fig. 3 verwendbar ist;
Fig. 5 ein Blockdiagramm zeigt, das eine zweite Ausfüh
rungsform einer Berechnungseinheit zeigt, die im digitalen
Strahlformer der Fig. 3 verwendbar ist;
Fig. 6 ein Blockdiagramm zeigt, das eine dritte Ausfüh
rungsform einer Berechnungseinheit zeigt, die im digitalen
Strahlformer der Fig. 3 verwendbar ist,
Fig. 7 ein Blockdiagramm zeigt, das eine erste Ausfüh
rungsform eines Summierungsprozessors zeigt, der im digitalen
Strahlformer der Fig. 3 verwendbar ist;
Fig. 8 ein Blockdiagramm zeigt, das eine zweite Ausfüh
rungsform des Summierungsprozessors zeigt, der im digitalen
Strahlformer der Fig. 3 verwendbar ist;
Fig. 9 ein Blockdiagramm eines digitalen Strahlformers
zeigt, der sich in Übereinstimmung mit einer zweiten Ausfüh
rungsform der vorliegenden Erfindung befindet;
Fig. 10 ein Flußdiagramm eines Verfahrens zur Verwendung
des digitalen Strahlformungssystems der Fig. 3 in einem Em
pfänger zeigt;
Fig. 11 ein Flußdiagramm eines Verfahrens zur Verwendung
des digitalen Strahlformers der Fig. 3 in einem Sender zeigt;
Fig. 12 ein Flußdiagramm eines Verfahrens zur Verwendung
des digitalen Strahlformers der Fig. 9 in einem Empfänger
zeigt;
Fig. 13 ein Flußdiagramm eines Verfahrens zur Verwendung
des digitalen Strahlformers der Fig. 9 in einem Sender zeigt.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein
System für eine digitale Strahlformung zu liefern, das in
ökonomischer Weise die starke Rechenleistung liefert, die von
modernen digitalen phasengesteurten Antennen gefordert wird.
Es ist auch ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, ein Ver
fahren und ein System der Strahlformung zu liefern, das adap
tive mehrere Strahlen formen oder unterdrücken kann.
Fig. 1 zeigt ein Blockdiagramm eines Array-Antennen-Empfän
gers, der einen digitalen Strahlformer 32 einschließt, der
mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung überein
stimmt. Der Empfänger umfaßt eine Array-Antenne 20, ein oder
mehrere Empfängermodule 26, ein oder mehrere Analog-Digital-
(A/D)-Wandler 28, den digitalen Strahlformer 32 und ein digi
tales Strahlsteuermodul 34.
Die Array-Antenne 20 umfaßt Elemente 22, die in einer linea
ren Anordnung angeordnet sind. Empfangene Funkfrequenz-(RF)-
Signale werden erkannt und digitalisiert auf der Element
ebene. Die empfangenen Signale haben im allgemeinen gleiche
Amplituden aber verschiedene Phasen an jedem Element. Die
Signale können eine beliebige Zahl von Kommunikationskanälen
darstellen.
In Erwiderung auf die empfangenen Signale erzeugen die Em
pfängermodule 26 analoge Signale. Die Empfängermodule 26 füh
ren die Funktionen einer Frequenzabwärtswandlung, einer Fil
terung und einer Verstärkung auf einen Leistungspegel durch,
der dem A/D-Wandler 28 entspricht. Die Phaseninformation der
abgestrahlten Signale wird über eine Inphasen (I) und eine
Quadratur (Q)-Komponente, die im analogen Signal eingeschlos
sen sind, bewahrt. Die I und Q Komponenten stellen jeweils
Real- und Imaginärteile des komplexen analogen Signals dar.
Es besteht vorzugsweise ein Eins-zu-Eins-Verhältnis zwischen
den Elementen 22 und den Empfängermodulen 26.
Die A/D-Wandler 28 tasten die analogen Signale ab und digita
lisieren sie, um digitale Signale zu erzeugen. Jeder A/D-Wandler
ist für die Verarbeitung der Signale, die durch ein
jeweiliges Array-Element erzeugt werden, bestimmt. Nach der
A/D-Wandlung gehen die digitalen Signale zum digitalen
Strahlformer 32, der gewichtete Summen yi berechnet, die
Skalarproduktstrahlen darstellen. Typischerweise stellt ein
Skalarproduktstrahl einen einzelnen Kommunikationskanal dar.
Wichtungswerte wÿ werden durch das digitale Strahlsteuermo
dul 34 an den digitalen Strahlformer 32 gegeben. Unter Ver
wendung eines geeigneten Algorithmuses bestimmt das digitale
Strahlformungsmodul 34 adaptiv die passende Wichtungen. Dies
kann mit einer relativ niedrigen Rate erfolgen, verglichen
mit dem Gesamtdatendurchsatz des Antennensystems.
Fig. 2 zeigt ein Blockdiagramm eines Array-Antennen-Senders,
der einen digitalen Strahlformer 40 einschließt, der sich in
Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung befindet. Der Sender umfaßt den digitalen Strahl
former 40, ein digitales Strahlsteuermodul 42, einen oder
mehrere Digital-Analog-(D/A)-Wandler 44, einen oder mehrere
Sendermodule 45 und die Array-Antenne 20.
Einlaufende Signale, die einen oder mehrere Kanäle darstel
len, werden an den digitalen Strahlformer 40 und das digitale
Strahlsteuermodul 42 geleitet. Die einlaufenden Signale um
fassen Phaseninformation (I und Q Komponenten) für jeden
Kanal. Der digitale Strahlformer gibt gewichtete Summen aus,
die den Elementen 22 der Array-Antenne 20 entsprechen.
Die Gewichte wÿ werden an den digitalen Strahlformer 40
durch das digitale Strahlsteuermodul 42 gegeben. Unter Ver
wendung eines geeigneten Algorithmuses bestimmt das digitale
Strahlsteuermodul 42 adaptiv die passende Gewichte.
Die D/A-Wandler 44 wandeln die digitalen Ausgangssignale des
Strahlformers 40 in entsprechende analoge Signale um. Die
Sendermodule 46 erzeugen abstrahlbare Signale in Erwiderung
auf die analogen Signale. Die Sendermodule 46 führen die
Funktionen der Frequenzaufwärtswandlung, des Filterns und der
Verstärkung durch. Die abstrahlbaren Signale werden dann
durch die Elemente 22 der Array-Antenne 20 gesendet.
Die digitalen Strahlformungsantennensysteme, die in den
Fig. 1-2 gezeigt sind, weisen einen Vorteil gegenüber konven
tionellen festen Strahlantennen auf, da sie dicht beeinander
liegende Strahlen trennen können, Strahlmuster in Erwiderung
auf die einlaufenden Daten adaptiv einstellen, und Muster
verbessern, indem sie nicht gewünschte RF-Signale unterdrüc
ken.
Fig. 3 zeigt ein Blockdiagramm des digitalen Strahlformers
gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der
Strahlformer umfaßt eine Vielzahl von Berechnungseinheiten
(CU′s) 60-76 und eine Vielzahl von Summierprozessoren 80-84.
Die Berechnungseinheiten 60-76 bilden eine Prozessoranord
nung. Jede Spalte der Prozessoranordnung empfängt ein ent
sprechendes digitales Signal xi. Beim Empfangen eines digita
len Signals gewichtet jede Berechnungseinheit unabhängig das
Signal, um ein gewichtetes Signal zu erzeugen. Die Summie
rungsprozessoren 80-84 liefern eine Vorrichtung für die Sum
mierung der gewichteten Signale, die durch die jeweilige
Zeile erzeugt werden, um Ausgangssignale yi zu erzeugen. Im
wesentlichen stellt jedes Ausgangssignal eine gewichtete
Summe dar, die folgende Form hat:
Gleichung (1) kann als Darstellung einer allgemeinen Form
einer diskreten Fouriertransformation angesehen werden. Somit
führt die Architektur des digitalen Strahlformers selbst zu
einer Hochgeschwindigkeitsparallelberechnung diskreter Fou
riertransformationen.
Fig. 4 zeigt ein Blockdiagramm, das eine erste Ausführungs
form einer Berechnungseinheit zeigt, die im digitalen Strahl
former der Fig. 3 verwendet werden kann. Die Berechnungsein
heit umfaßt einen Multiplizierer 90 und eine Speicherschal
tung 92. Die Berechnungseinheit wichtet ein einlaufendes
digitales Signal durch Multiplizierung dieses Signals mit
einem vorher errechneten Wichtungswert wÿ der in der Spei
cherschaltung 92 gespeichert ist. Das Ausgangssignal des
Multiplizierers 90 stellt das gewichtete Signal dar.
Bei der Speicherschaltung 92 kann es sich um eine beliebige
Vorrichtung zur Speicherung von Werten handeln, deren Inhalte
durch das digitale Strahlsteuermodul 34, 42 aktualisierbar
ist, wie beispielsweise einen ROM (Nur-Lese-Speicher), einen
EEPROM (elektrisch löschbarer programmierbarer Nur-Lese-Spei
cher), einen DRAM (dynamischer Speicher mit wahlfreiem Zu
griff) oder einen SRAM (statischer Speicher mit wahlfreiem
Zugriff).
Fig. 5 zeigt ein Blockdiagramm, das eine zweite Ausführungs
form einer Berechnungseinheit darstellt, die im digitalen
Strahlformer der Fig. 3 verwendbar ist. In dieser Ausfüh
rungsform der Berechnungseinheit wird ein einlaufendes Signal
unter Verwendung einer logarithmischen Zahlsystem (LNS)
Arithmetik gewichtet. Eine auf LNS basierende Arithmetik
liefert einen Vorteil, da die Multiplizieroperationen mit
Addierern anstelle von Multiplizierern durchgeführt werden
können. Digitale Addierschaltungen sind kleiner als ver
gleichbare Multiplizierschaltungen, so daß die Größe der
Strahlformungsprozessoranordnung durch Einfügen von Berech
nungseinheiten auf LNS-Basis verkleinert werden kann.
Die Berechnungseinheit auf LNS-Basis umfaßt einen logarithmi
schen Wandler 100, einen Addierer 102, eine Speicherschaltung
104 und einen inversen logarithmischen (log-1) Wandler 106.
Ein einlaufendes Signal wird zuerst in sein entsprechendes
logarithmiches Signal durch den logarithmischen Wandler 100
umgewandelt. Der Addierer 102 summiert dann das logarithmi
sches Signal und einen logarithmischen Wichtungswert von der
Speicherschaltung 104, um eine Summe zu erzeugen. Die Summe
wird dann in das gewichtete Signal durch den inversen loga
rithmischen Wandler 106 umgewandelt.
Der logarithmische Wandler 100 und der inverse logarithmische
Wandler 106 können unter Verwendung irgendwelcher Wandler
implementiert werden, die in den parallelen US-Patentanmel
dungen der oben angegeben verwandten Erfindungen Nr. 1-4
beschrieben sind.
Fig. 6 zeigt ein Blockdiagramm, das eine dritte Ausführungs
form einer Berechnungseinheit, die im digitalen Strahlformer
der Fig. 3 verwendbar ist, zeigt. Diese Ausführungsform der
Berechnungseinheit soll komplexe Signale gewichten. In vielen
Anwendungen werden die I und die Q Komponenten der komplexen
digitalen Signale durch ein Paar von 3-Bit Worten darge
stellt. Obwohl die Berechnungseinheit der Fig. 6 nicht auf
kleine Wortlängen beschränkt ist, so liefert sie doch bei
solchen Anwendungen einen Vorteil, da sie weniger Leistung
und Platz braucht, wenn sie unter Verwendung einer integrier
ten Schaltung implementiert wird.
Die Berechnungseinheit umfaßt einen ersten Schalter 110, eine
erste Speicherschaltung 112, einen zweiten Schalter 114,
einen zweite Speicherschaltung 116, einen Subtrahierer 118
und einen Addierer 120. Der erste Speicher 112 speichert
erste vorher berechnete Werte, die auf einem imaginären Ge
wicht Wi basieren. Der zweite Speicher 116 speichert zweite
vorher berechnete Werte, die auf einem realen Gewicht Wr
basieren.
Der Zweck der Berechnungseinheit besteht darin, zwei komplexe
Zahlen zu multiplizieren:
(I+iQ) (Wr+iWi) = (IWr-QWi) + i(IWiÜ+QWr) (2)
Im wesentlichen berechnet die Berechnungseinheit die rechte
Seite der Gleichung (2). Der erste Speicher 112 speichert die
vorher berechneten Werte IWi und QWi, während der zweite
Speicher 116 die vorher berechneten Werte IWr und QWr spei
chert. Fachleute werden erkennen, daß die Verwendung von 3-Bit
Worten für die Darstellung der komplexen Komponenten und
der Gewichte es erforderlich macht, daß jeder Speicher acht
6-Bit Worte speichert.
Der erste Schalter 110 liefert eine Vorrichtung für die
Adressierung der ersten Speicherschaltung unter Verwendung
entweder der I oder der Q Komponente, um einen der ersten
vorher berechneten Werte als das Ausgangssignal der ersten
Speicherschaltung auszuwählen. Der zweite Schalter 114 lie
fert eine Vorrichtung für die Adressierung des zweiten Spei
chers 116 unter Verwendung entweder der I oder der Q Kompo
nente, um einen der zweiten vorher berechneten Werte als
Ausgangssignal der zweiten Speicherschaltung auszuwählen.
Der Subtrahierer 118 subtrahiert das Ausgangssignal des er
sten Speichers vom Ausgangssignal des zweiten Speichers, um
die gewichtete Inphasenkomponente (IWr - QWi) zu erzeugen,
die dann in das gewichtete Signal eingeschlossen wird. Der
Addierer 120 summiert das Ausgangssignal des ersten Speichers
und das Ausgangssignal des zweiten Speichers, um die gewich
tete Quadraturkomponente (IWi + QWr) zu erzeugen, die auch in
das gewichtete Signal eingeschlossen wird.
In einer Ausführungsform der Berechnungseinheit umfaßt der
Subtrahierr 118 einen Addierer, der 2s Komplementzahlen sum
mieren kann. Die vorher berechneten Werte werden entweder im
Speicher als 2s-Komplementwerte gespeichert oder es wird eine
zusätzliche Logikschaltung in der Berechnungseinheit pla
ziert, um die vorher berechneten Werte in ihre jeweiligen 2s-
Komplementwerte umzuwandeln.
Vorzugsweise umfaßt der Subtrahierer 118 einen Addierer, der
einen Übertragseingang hat, der auf Eins gesetzt ist, und
Inverter, um die 1s-Komplementwerte des Ausgangssignals des
zweiten Speichers zu bilden. Der Addierer verwendeten tat
sächlich die 2s-Komplementwerte des Ausgangssignals des zwei
ten Speichers durch Summierung des Übertragseingangs und des
1s-Komplementwertes.
Fig. 7 zeigt ein Blockdiagramm, das eine erste Ausführungs
form eines Summierprozessors darstellt, der im digitalen
Strahlformer der Fig. 3 verwendbar ist. Diese spezielle Aus
führungsform umfaßt einen Additionsbaum 130. Der Additions
baum 130 umfaßt Addierer, die in einer Art miteinander ver
bunden sind, die es gestattet, daß drei oder mehr Eingangs
signale gleichzeitig summiert werden können. Wenn die Addi
tionsbaumtopologie, die in Fig. 7 dargestellt ist, verwendet
wird, so sind N-1 Addierer notwendig, um N Eingangsgrößen zu
summieren. Betrachtet man das Beispiel, das in Fig. 7 gezeigt
ist, so können gleichzeitig acht Eingangssignale empfangen
werden, womit sieben Addierer im Additionsbaum 130 benötigt
werden. Wenn eine größere Zahl von Eingangssignalen summiert
werden soll, so sind mehr Addierer erforderlich. Um bei
spielsweise 128 Eingangssignale zu summieren, benötigt der
Additionsbaum 127 Addierer. Der Additionsbaum 130 hat einen
Vorteil, da er beim Bereitstellen der Ausgabesummen eine
kleinere Verzögerung aufweist.
Fig. 8 zeigt ein Blockdiagramm, das eine zweite Ausführungs
form eines Summationsprozessors darstellt, der im digitalen
Strahlformer der Fig. 3 verwendbar ist. Diese Suzmmationspro
zessorausführungsform umfaßt eine Vielzahl von Summieren 140-
148, eine Vielzahl von Verzögerungsschaltungen 150-154, und
einen Welligkeitsaddierer 156. Obwohl diese Suinmierungspro
zessortopologie mehr Zeit erfordern mag, um eine Endsumme zu
erzeugen, als ein vergleichbarer Additionsbaum, so benötigt
sie weniger Fläche, wenn sie in einer integrierten Schaltung
implementiert wird.
Jeder der Summierer 140-148 summiert gewichtete Signale von
einer Gruppe von Berechnungseinheiten, die sich in derselben
Zeile befinden, um ein gewichtetes Summationssignal zu erzeu
gen. Ein Summierer kann eine beliebige Vorrichtung für die
Summierung gewichteter Signale umfassen, wie beispielsweise
einen Additionsbaum oder einen Akkumulator, der sequentiell
Eingabesignale addiert.
Die Verzögerungsschaltungen 150-154 erzeugen verzögerte Sig
nale durch Pufferung der gewichteten Summensignale für eine
vorbestimmte Zeit. Im allgemeinen werden die gewichteten
Signale an den Summiererausgängen etwa zur gleichen Zeit
erzeugt. Um die gewichteten Signale korrekt zu summieren, ist
es notwendig, die gewichteten Signale zu verzögern, die im
stromabwärtigen Teil einer Prozessorzeile erzeugt werden. Die
Verzögerungszeit ist eine Funktion des Ortes der Gruppe der
Berechnungseinheiten innerhalb der Prozessorspalten.
Der Welligkeitsaddierer (ripple adder) 156 umfaßt zwei oder
mehr Addierer 158-164, die in Kaskadenschaltung zusammenge
schaltet sind, um die verzögerten Signale und die zwei ersten
gewichteten Summen zu summieren. Das Ausgangssignal des Wel
ligkeitsaddierers 156 stellt die Gesamtsumme aller gewichte
ten Signale in einer vorgegebenen Prozessorzeile dar.
Fig. 9 zeigt ein Blockdiagramm eines digitalen Strahlformers,
der sich in Übereinstimmung mit einer zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung befindet. Diese Ausführungsform
des Strahlformers umfaßt einen logarithmischen Wandler 170,
eine Vielzahl von Berechnungseinheiten 172-188, einen inver
sen logarithmischen Wandler 190 und eine Vielzahl von Summa
tionsprozessoren 192-196. Die Berechnungseinheiten 172-188
bilden eine Prozessoranordnung. Einlaufende digitale Signale
werden durch den logarithmischen Wandler 170 zuerst in loga
rithmische Signale umgewandelt. Jede Spalte in der Prozes
soranordnung empfängt ein entsprechendes logarithmisches
Signal. Beim Empfang eines logarithmischen Signals gewichtet
jede Berechnungseinheit das Signal unabhängig, um ein Summen
signal zu erzeugen. Die Summensignale werden dann in gewich
tete Signale durch den inversen logarithmischen Wandler 190
umgewandelt. In jeder Prozessorreihe werden die gewichteten
Signale jeweils von einem der Summationsprozessoren 192-196
summiert, um ein Ausgangssignal zu erzeugen.
Der logarithmische Wandler 170 und der inverse logarithmische
Wandler 190 können unter Verwendung irgendwelcher Wandler
implementiert werden, die in den parallelen US-Patentanmel
dungen der oben angegebenen verwandten Erfindungen Nr. 1-4
beschrieben sind.
Fig. 10 zeigt ein Flußdiagramm eines Verfahrens der Verwen
dung des digitalen Strahlformers der Fig. 3 in einem Empfän
ger.
In einem Kasten 200 werden einlaufende ausgestrahlte Signale
in analoge Signale abwärtsgewandelt. Im Kasten 202 werden die
analogen Signale abgetastet und in digitale Signale digitali
siert. Im Kasten 204 werden die digitalen Signale auf die
Anordnung der Berechnungseinheiten verteilt. Als nächstes
werden im Kasten 206 die digitalen Signale gewichtet, um die
gewichteten Signale zu erzeugen. Im Kasten 208 werden die
gewichteten Signale jeweils für jede der Prozessorzeilen
summiert, wodurch die Ausgangssignale erzeugt werden.
Betrachtet man Kasten 206, so können die digitalen Signale
als eine Funktion von einem oder mehreren vorher berechneten
Werten, die aus einer Speicherschaltung wiedergewonnen wer
den, gewichtet werden. Diese kann durch eine Multiplikation
der digitalen Signale mit den Wichtungswerten geschehen. Die
gespeicherten Werte werden vom digitalen Signal vorher be
rechnet und können zu verschiedenen Zeiten aktualisiert wer
den, um adaptiv die Wichtung der digitalen Signale zu ändern.
Fig. 11 zeigt ein Flußdiagramm eines Verfahrens der Verwen
dung des digitalen Strahlformers der Fig. 3 in einem Sender.
Dieses Verfahren schließt die Schritte ein, die in Verbindung
mit den Kästen 204-208 der Fig. 10 beschrieben wurden.
Im Kasten 210 werden die digitalen Ausgangssignale des
Strahlformers in analoge Signale umgewandelt. Im Kasten 212
werden die analogen Signale in abstrahlbare Signale aufwärts
gewandelt, die durch eine Array-Antenne abgestrahlt werden
können.
Fig. 12 zeigt ein Flußdiagramm eines Verfahrens der Verwen
dung des digitalen Strahlformers der Fig. 9 in einem Empfän
ger. Dieses Verfahren schließt die Schritte ein, die in Ver
bindung mit den Kästen 200-204 der Fig. 10 beschrieben wur
den.
Im Kasten 220 werden die digitalen Signale in logarithmische
Signale verwandelt. Im Kasten 222 werden die logarithmischen
Signale auf die Anordnung der Berechnungseinheiten verteilt.
Als nächstes werden im Kasten 224 die logarithmischen Signale
mit entsprechenden logarithmisch gewandelten Wichtungswerten
summiert, um die Summationssignale zu erzeugen. Im Kasten 226
wird eine inverse logarithmisches Umwandlung der Summations
signale durchgeführt, um die gewichteten Signale zu erzeugen.
Im Kasten 228 werden die gewichteten Signale jeweils summiert
gemäß den Prozessorzeilen, um die Ausgangssignale zu erzeu
gen.
Fig. 13 zeigt ein Flußdiagramm eines Verfahrens zur Verwen
dung des digitalen Strahlformers der Fig. 9 in einem Sender.
Dieses Verfahren schließt die Schritte ein, die in Verbindung
mit den Kästen 220-228 der Fig. 12 beschrieben wurden.
Im Kasten 230 werden die digitalen Ausgangssignale des
Strahlformers in analoge Signale umgewandelt. Im Kasten 232
werden die analogen Signale in abstrahlbare Signale aufwärts
gewandelt, die durch eine Array-Antenne gesendet werden kön
nen.
Zusammenfassend wurde hier ein Konzept als auch mehrere Aus
führungsformen, einschließlich einer bevorzugten Ausführungs
form eines Verfahrens und eines Systems der digitalen Strahl
formung beschrieben, das verwendet werden kann, um die Lei
stung eines Array-Antennensystems zu verbessern. Da verschie
dene Ausführungsformen der Verfahren und Systeme, die hierin
beschrieben Anordnungen von Berechnungseinheiten verwenden,
können sie massiv parallele Operationen durchführen, was zu
einer starken Verbesserung des Systemleistung führt. Andere
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwenden eine
Arithmetik auf LNS-Basis, die es gestattet, die Gesamtgröße
der Anordnung der Berechnungseinheit zu vermindern, wenn
diese unter Verwendung digitaler logischer Schaltungen imple
mentiert wird.
Während spezielle Ausführungsformen der vorliegenden Erfin
dung gezeigt und beschrieben wurden, werden Fachleute erken
nen, daß die beschriebene Erfindung auf viele Arten modifi
ziert werden kann und viele andere Ausführungsformen als die
bevorzugte Form, die oben speziell dargestellt und beschrie
ben wurde, annehmen kann.
Somit ist beabsichtigt, durch die angefügten Ansprüche alle
Modifikationen der Erfindung abzudecken, die unter die wahre
Idee und den Umfang der Erfindung fallen.
Claims (10)
1. Prozessor für die Strahlformung einer Vielzahl von Kanälen
in einem Kommunikationssystem, wobei der Prozessor betriebs
mäßig mit einer Array-Antenne verbunden ist und auf eine
Vielzahl von Kanalsignale reagiert, umfassend:
eine Vielzahl von Berechnungseinheiten, die eine Anord nung bilden, die eine Vielzahl von Zeilen und eine Vielzahl von Spalten hat, wobei jede der Spalten eines der Kanalssig nale gewichtet, um eine Vielzahl gewichteter Signale zu er zeugen; und
eine Summationsvorrichtung für das Erzeugen einer Viel zahl von Ausgangssignalen in Erwiderung auf die gewichteten Signale.
eine Vielzahl von Berechnungseinheiten, die eine Anord nung bilden, die eine Vielzahl von Zeilen und eine Vielzahl von Spalten hat, wobei jede der Spalten eines der Kanalssig nale gewichtet, um eine Vielzahl gewichteter Signale zu er zeugen; und
eine Summationsvorrichtung für das Erzeugen einer Viel zahl von Ausgangssignalen in Erwiderung auf die gewichteten Signale.
2. Prozessor nach Anspruch 1, wobei die Summiervorrichtung
folgendes umfaßt:
eine Vielzahl von Summierern für das Erzeugen einer Vielzahl gewichteter Summationssignale, wobei jeder der Sum mierer eines der gewichteten Signale summiert, das einer Gruppe von Berechnungseinheiten in derselben Zeile ent spricht, um eines der gewichteten Summationssignale zu erzeu gen;
eine Vielzahl von Verzögerungsschaltungen für die Erzeu gung einer Vielzahl verzögerter Signale, wobei jede der Ver zögerungsschaltungen eines der gewichteten Summationssignale für eine vorbestimmte Zeit puffert, die eine Funktion der Vielzahl der Spalten darstellt; und
eine Vielzahl von Welligkeitsaddierern (ripple adders), wobei jeder Welligkeitsaddierer eines der verzögerten Signale von einer entsprechenden Zeile summiert, um eines der Aus gangssignale zu erzeugen.
eine Vielzahl von Summierern für das Erzeugen einer Vielzahl gewichteter Summationssignale, wobei jeder der Sum mierer eines der gewichteten Signale summiert, das einer Gruppe von Berechnungseinheiten in derselben Zeile ent spricht, um eines der gewichteten Summationssignale zu erzeu gen;
eine Vielzahl von Verzögerungsschaltungen für die Erzeu gung einer Vielzahl verzögerter Signale, wobei jede der Ver zögerungsschaltungen eines der gewichteten Summationssignale für eine vorbestimmte Zeit puffert, die eine Funktion der Vielzahl der Spalten darstellt; und
eine Vielzahl von Welligkeitsaddierern (ripple adders), wobei jeder Welligkeitsaddierer eines der verzögerten Signale von einer entsprechenden Zeile summiert, um eines der Aus gangssignale zu erzeugen.
3. Prozessor für die Strahlformung einer Vielzahl von Kanälen
in einem Kommunikationssystem, wobei der Prozessor betriebs
mäßig mit einer Array-Antenne verbunden ist und auf eine
Vielzahl von Kanalsignalen anspricht, umfassend:
eine logarithmische Vorrichtung für das Umwandeln der Vielzahl der Kanalsignale in eine Vielzahl logarithmischer Signale;
eine Vielzahl von Berechnungseinheiten, die eine Anord nung bilden, die eine Vielzahl von Zeilen und eine Vielzahl von Spalten hat, für das Erzeugen einer Vielzahl von Summa tionssignalen in Erwiderung auf die logarithmischen Signale; und
eine Summationsvorrichtung für das Erzeugen einer Viel zahl von Ausgabesignalen basierend auf den Summationssigna len.
eine logarithmische Vorrichtung für das Umwandeln der Vielzahl der Kanalsignale in eine Vielzahl logarithmischer Signale;
eine Vielzahl von Berechnungseinheiten, die eine Anord nung bilden, die eine Vielzahl von Zeilen und eine Vielzahl von Spalten hat, für das Erzeugen einer Vielzahl von Summa tionssignalen in Erwiderung auf die logarithmischen Signale; und
eine Summationsvorrichtung für das Erzeugen einer Viel zahl von Ausgabesignalen basierend auf den Summationssigna len.
4. Prozessor nach Anspruch 3, weiter umfassend:
eine inverse logarithmische Vorrichtung für das Erzeugen einer Vielzahl gewichteter Signale in Erwiderung auf die Summationssignale.
eine inverse logarithmische Vorrichtung für das Erzeugen einer Vielzahl gewichteter Signale in Erwiderung auf die Summationssignale.
5. Prozessor nach den Ansprüchen 1 oder 3, wobei mindestens
eine der Berechnungseinheiten folgendes umfaßt:
eine Speicherschaltung für das Speichern einer Vielzahl vorher berechneter Wichtungswerte; und
eine Vorrichtung für das Wiedergewinnen mindestens eines vorher berechneten Wertes aus der Speicherschaltung in Erwi derung auf die Kanalsignale.
eine Speicherschaltung für das Speichern einer Vielzahl vorher berechneter Wichtungswerte; und
eine Vorrichtung für das Wiedergewinnen mindestens eines vorher berechneten Wertes aus der Speicherschaltung in Erwi derung auf die Kanalsignale.
6. Prozessor nach den Ansprüchen 1 oder 3, wobei die Summa
tionsvorrichtung folgendes umfaßt:
eine Vielzahl von Additionsbäumen für das Erzeugen der Vielzahl der Ausgangssignale, wobei jeder der Additionsbäume einen der Ausgangssignale als eine Funktion der Ausgangssig nale von einer der Zeilen der Berechnungseinheiten erzeugt.
eine Vielzahl von Additionsbäumen für das Erzeugen der Vielzahl der Ausgangssignale, wobei jeder der Additionsbäume einen der Ausgangssignale als eine Funktion der Ausgangssig nale von einer der Zeilen der Berechnungseinheiten erzeugt.
7. Prozessor nach den Ansprüchen 1 oder 3 für die Verwendung
in einem Empfänger, weiterhin folgendes umfassend:
eine Vielzahl von Empfängermodulen, die betriebsmäßig mit einer entsprechenden Vielzahl von Elementen verbunden sind, die in der Array-Antenne eingeschlossen sind, für eine Abwärtswandlung einer Vielzahl abgestrahlter Signale in eine Vielzahl analoger Signale; und
eine Vielzahl von Analog-Digital-Wandlern für das Abta sten und Digitalisieren der Vielzahl analoger Signale, um die Vielzahl der Kanalsignale zu erzeugen.
eine Vielzahl von Empfängermodulen, die betriebsmäßig mit einer entsprechenden Vielzahl von Elementen verbunden sind, die in der Array-Antenne eingeschlossen sind, für eine Abwärtswandlung einer Vielzahl abgestrahlter Signale in eine Vielzahl analoger Signale; und
eine Vielzahl von Analog-Digital-Wandlern für das Abta sten und Digitalisieren der Vielzahl analoger Signale, um die Vielzahl der Kanalsignale zu erzeugen.
8. Prozessor nach den Ansprüchen 1 oder 3 für die Verwendung
in einem Sender, weiterhin folgendes umfassend:
eine Vielzahl Digital-Analog-Wandler für das Erzeugen einer Vielzahl von analogen Signalen, wobei jeder der Digi tal-Analaog-Wandler eines der Ausgangssignale in eines der analogen Signale umwandelt; und
eine Vielzahl von Sendermodulen, die den Digital-Analog-Wandlern entsprechen, für das Aufwärtswandeln der analogen Signale in eine Vielzahl abstrahlbarer Signale, die durch eine Vielzahl von Elementen, die in der Array-Antenne einge schlossen sind, gesendet werden können.
eine Vielzahl Digital-Analog-Wandler für das Erzeugen einer Vielzahl von analogen Signalen, wobei jeder der Digi tal-Analaog-Wandler eines der Ausgangssignale in eines der analogen Signale umwandelt; und
eine Vielzahl von Sendermodulen, die den Digital-Analog-Wandlern entsprechen, für das Aufwärtswandeln der analogen Signale in eine Vielzahl abstrahlbarer Signale, die durch eine Vielzahl von Elementen, die in der Array-Antenne einge schlossen sind, gesendet werden können.
9. Verfahren zur Strahlformung einer Vielzahl von Kanälen in
einem Kommunikationssystem, wobei das Verfahren folgende
Schritte umfaßt:
Verteilen einer Vielzahl Kanalsignale auf eine Vielzahl von Berechnungseinheiten, die eine Anordnung bilden, die eine Vielzahl von Zeilen und eine Vielzahl von Spalten hat;
Wichtung der Kanalsignale, um eine Vielzahl gewichteter Signale zu erzeugen; und
Erzeugen einer Vielzahl von Ausgangssignalen, wobei jedes der Ausgangssignale durch Summierung der gewichteten Signale entsprechend einer der Zeilen erzeugt wird.
Verteilen einer Vielzahl Kanalsignale auf eine Vielzahl von Berechnungseinheiten, die eine Anordnung bilden, die eine Vielzahl von Zeilen und eine Vielzahl von Spalten hat;
Wichtung der Kanalsignale, um eine Vielzahl gewichteter Signale zu erzeugen; und
Erzeugen einer Vielzahl von Ausgangssignalen, wobei jedes der Ausgangssignale durch Summierung der gewichteten Signale entsprechend einer der Zeilen erzeugt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Schritt der Wichtung
die folgenden Unterschritte umfaßt:
Umwandlung der Vielzahl der Kanalsignale in eine Viel zahl logarithmischer Signale;
Summierung der Vielzahl logarithmischer Signale und einer Vielzahl von logarithmisch umgewandelten Wichtungswer ten, um eine Vielzahl von Summationssignalen zu erzeugen; und
Durchführen einer inversen logarithmischen Umwandlung der Vielzahl von Summationssignalen, um die Vielzahl der gewichteten Signale zu erzeugen.
Umwandlung der Vielzahl der Kanalsignale in eine Viel zahl logarithmischer Signale;
Summierung der Vielzahl logarithmischer Signale und einer Vielzahl von logarithmisch umgewandelten Wichtungswer ten, um eine Vielzahl von Summationssignalen zu erzeugen; und
Durchführen einer inversen logarithmischen Umwandlung der Vielzahl von Summationssignalen, um die Vielzahl der gewichteten Signale zu erzeugen.
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