CN107621623B - 信号方向检测方法及应用其的波束形成器 - Google Patents

Abstract

一种信号方向检测方法及应用其的波束形成器。该信号方向检测方法，适用于一波束形成器，包括：通过一天线阵列接收一或多笔入射信号，并对应地产生一组接收信号；将该组接收信号转换成一协方差矩阵；将该协方差矩阵进行自乘以形成一接收信号矩阵；将该接收信号矩阵与对应一扫描角度的一组角度向量相乘后的结果作一逆矩阵处理，以取得一估计功率；依据该估计功率判断该一或多笔入射信号的信号抵达方向，以形成对应该一或多笔入射信号的信号抵达方向的波束。

Description

信号方向检测方法及应用其的波束形成器

技术领域

本发明涉及一种信号方向检测方法及应用其的波束形成器。

背景技术

波束形成器(beamformer)已广泛地被使用在无线通信系统当中，以作为传输无线信号的媒介。波束形成器可视为一空间滤波器，可针对特定方向形成一波束，以增强对该特定方向的信号增益，并抑制来自其他方向的信号干扰。

波束形成器可基于多种信号方向估计技术来决定波束形成的方向。举例来说，目前已有最小方差无失真响应估计法(Minimum Variance Distortionless Response，MVDR)、卡彭估计法(Capon Method)等估计技术被提出，以估计入射信号的信号抵达方向(Direction of Arrival，DOA)。

然而，目前的波束形成器若要采取运算架构简单的信号方向估计技术，其分辨信号方向的解析度通常不会太好，使得电路设计者往往需在两者之间作取舍。

因此，如何提出一种能同时兼顾运算架构简单与高解析度两者优点的信号方向估计技术，乃目前业界所致力的课题之一。

发明内容

本发明涉及一种信号方向检测方法及应用其的波束形成器，可基于单纯的运算架构实现高解析度的信号辨识。

根据本发明的一方面，提出一种信号方向检测方法，适用于一波束形成器，该信号方向检测方法包括：通过一天线阵列接收一或多笔入射信号，并对应地产生一组接收信号；将该组接收信号转换成一协方差矩阵；将该协方差矩阵进行自乘以形成一接收信号矩阵；将该接收信号矩阵与对应一扫描角度的一组角度向量相乘后的结果作一逆矩阵处理，以取得一估计功率；依据该估计功率判断该一或多笔入射信号的信号抵达方向，以形成对应该一或多笔入射信号的信号抵达方向的波束。

根据本发明的一方面，提出一种波束形成器，其包括天线阵列、接收信号处理单元、第一乘法单元、第二乘法单元、逆处理单元以及波束方向决定单元。天线阵列用以接收一或多笔入射信号，并对应地产生一组接收信号。接收信号处理单元用以将该组接收信号转换成一协方差矩阵。第一乘法单元用以将该协方差矩阵进行自乘以形成一接收信号矩阵。第二乘法单元用以将该接收信号矩阵与对应一扫描角度的一组角度向量相乘，以产生一相乘结果。逆处理单元用以将该相乘结果作一逆矩阵处理，以取得一估计功率。波束方向决定单元用以依据该估计功率判断该一或多笔入射信号的信号抵达方向，以形成对应该一或多笔入射信号的信号抵达方向的波束。

为了对本发明的上述及其他方面有更佳的了解，下文特举优选实施例，并配合附图，作详细说明如下：

附图说明

图1绘示依据本发明的一实施例的波束形成器的简化方块图。

图2绘示依据本发明的一实施例的波束形成器的简化方块图。

图3绘示依据本发明的一实施例的信号方向检测方法的流程图。

图4绘示本发明的波束形成器与传统卡彭波束形成器的空间频谱模拟图。

图5绘示本发明的波束形成器与传统卡彭波束形成器在不同角度解析度下的成功分辨率模拟图。

图6绘示本发明的波束形成器与传统卡彭波束形成器在不同信号噪声比下的成功分辨率模拟图。

图7绘示本发明的波束形成器与传统卡彭波束形成器在不同天线单元数量下的成功分辨率模拟图。

图8绘示本发明的波束形成器与传统卡彭波束形成器在不同天线单元间距下的成功分辨率模拟图。

【符号说明】

100、100’：波束形成器

102：天线阵列

104：接收信号处理单元

106：第一乘法单元

108：第二乘法单元

108A：第一子乘法单元

108B：第二子乘法单元

110：逆处理单元

112：波束方向决定单元

ANT1～ANTM：天线单元

S1～SD：入射信号

u1～uM：接收信号

R：协方差矩阵

R’：接收信号矩阵

MR：相乘结果

P：估计功率

302、304、306、308、310：步骤

402、404、502、504、602、604、702、704、802、804：曲线

具体实施方式

在本文中，参照附图仔细地描述本公开的一些实施例，但不是所有实施例都有表示在图示中。实际上，这些发明可使用多种不同的变形，且并不限于本文中的实施例。相对的，本公开提供这些实施例以满足应用的法定要求。图式中相同的参考符号用来表示相同或相似的元件。

图1绘示依据本发明的一实施例的波束形成器100的简化方块图。波束形成器100可视为一改良后的卡彭(Capon)波束形成器，其除了具备传统卡彭波束形成器运算架构简单的优点，更能有效改善波束形成器的解析度、信号噪声比(Signal to Noise Ratio，SNR)等性能参数。

波束形成器100主要包括天线阵列102、接收信号处理单元104、第一乘法单元106、第二乘法单元108、逆处理单元110以及波束方向决定单元112。天线阵列102包括多个天线单元ANT1～ANTM，其中M为正整数且大于等于2。天线单元ANT1～ANTM可以是任意类型的天线(如全向性天线、指向性天线等)，并基于特定空间配置顺序排列(如一字形排列、扇形排列、矩阵排列等)。

接收信号处理单元104、第一乘法单元106、第二乘法单元108、逆处理单元110以及波束方向决定单元112可由适当的逻辑、电路和/或可供操作而提供信号方向检测功能的程序代码来实现。此些单元可部分或全部整合于一专用的运算处理电路中。

天线阵列102可自外部接收一或多笔入射信号S1～SD，并对应地产生一组接收信号u1～uM，其中D、M为正整数。入射信号S1～SD例如分别来自不同的外部信号源，如使用者装置(User Equipment，UE)。由于不同外部信号源的位置可能不同，故此些入射信号S1～SD将可能来自不同方向。

入射信号S1～SD被天线阵列102接收后，将经过降频、滤波以及模拟数字转换等处理，以转换成对应各路天线单元ANT1～ANTM的接收信号u1～uM。举例来说，入射信号S1～SD被天线阵列102接收后，将经过低噪声放大器(Low Noise Amplifier，LNA)、滤波器(Filter)、混频器(Mixer)、模拟数字转换器(Analog to Digital Converter，ADC)的处理，以转换成基频的接收信号u1～uM以供后级运算电路作处理。由于将射频信号转换成中、低频信号的技术已广泛地使用在各式无线接收机当中，故此处不另赘述。

接收信号处理单元104用以将接收信号u1～uM转换成协方差矩阵(covariancematrix)。进一步说，倘若将接收信号u1～uM视为一向量U，则对应的协方差矩阵R可表示为：

R＝U×U^H

其中U^H表示向量U的共轭转置向量(Conjugate Transposed Vector)，也就是向量U经厄米特转置(Hermitian Transpose)后所得到的向量。

以图1为例，接收信号u1～uM可表示成向量U如下：

此时，协方差矩阵R可表示如下：

其中u1*～uM*分别为u1～uM的复数共轭(Complex Conjugate)。

第一乘法单元106用以将协方差矩阵R进行自乘以形成接收信号矩阵R’。所谓自乘，是指一矩阵与自身进行相乘。如图1所示，第一乘法单元106将协方差矩阵R自乘一次，故所得到的接收信号矩阵R’＝R×R。

第二乘法单元108用以将接收信号矩阵R’与对应一扫描角度φ的一组角度向量a₁(φ)、a₂(φ)相乘，以产生一相乘结果MR。如图1所示，第二乘法单元108包括第一子乘法单元108A以及第二子乘法单元108B。第一子乘法单元108A用以将接收信号矩阵R’与第一角度向量a₁(φ)相乘，而第二子乘法单元108B用以将第一子乘法单元108A的运算结果与第二角度向量a₂(φ)相乘，以得到相乘结果MR。所述的相乘结果MR可例如表示如下：

MR＝a₂(φ)R'a₁(φ)

其中第二角度向量a₂(φ)为第一角度向量a₁(φ)的共轭转置(ConjugateTranspose)向量。

逆处理单元110用以将相乘结果MR作逆矩阵(Inverse Matrix)处理，以取得估计功率P。估计功率P可例如表示如下：

在取得估计功率P之后，波束方向决定单元112即可依据估计功率P判断入射信号S1～SD的信号抵达方向(Direction of Arrival，DOA)，并进一步形成对应这些入射信号S1～SD的信号抵达方向的波束。

基于卡彭波束形成器的特性，当扫描角度φ与接收信号(如信号S1～SD)实际的信号抵达角(Angle of Arrival)接近或一致，所计算出的估计功率P将明显高于其他扫描角度φ下所计算出的估计功率P。故在一实施例中，波束方向决定单元112可藉由计算估计功率P随扫描角度φ的变化，以判别哪些扫描角度φ对应入射信号S1～SD的信号抵达角。举例来说，若估计功率P在扫描角度φ为-5°以及15°的位置具有区域极大值(Local Maximum)，则波束方向决定单元112将可分辨出入射信号S1～SD应来自-5°以及15°的方向。

在估计出入射信号S1～SD的信号抵达角/信号抵达方向后，波束形成器100将可利用天线切换阵列技术(例如，致能/失能天线阵列中特定的天线)、数字信号处理(DigitalSignal Process，DSP)技术(例如，对天线馈入的特定相位和/或振幅的信号)或其它波束形成技术，形成对应入射信号S1～SD的信号抵达方向的波束，例如朝向入射信号S1～SD的来源方向。

图2绘示依据本发明的一实施例的波束形成器100’的简化方块图。为方便理解及说明，波束形成器100’中与前述实施例相同或类似的元件采用相同符号。

在此实施例中，第一乘法单元106将接收信号处理单元104所提供的协方差矩阵R自乘二次，故所得到的接收信号矩阵R’＝R×R×R。在其他电路配置、元件性能皆相同的情况下，波束形成器100’相较于仅自乘一次协方差矩阵R的波束形成器、或是未对协方差矩阵R作自乘运算的波束形成器，将具有更佳的解析度。

可理解本发明并不以上述例示为限。依据本发明的实施例，协方差矩阵R自乘的次数可以是大于或等于1的正整数，端视不同的应用需求而定。

图3绘示依据本发明的一实施例的信号方向检测方法的流程图。所述的信号方向检测方法适用于本发明实施例的波束形成器。

在步骤302，波束形成器通过天线阵列接收一或多笔入射信号，并对应地产生一组接收信号。各接收信号分别对应天线阵列中的一天线单元。

在步骤304，波束形成器中的接收信号处理单元将接收信号转换成协方差矩阵。举例来说，整组接收信号视为一行向量(各笔接收信号为该行向量的分量)，该行向量与自身的共轭转置向量相乘后即产生对应的协方差矩阵。

在步骤306，波束形成器中的第一乘法单元将协方差矩阵进行自乘以形成接收信号矩阵。在一实施例中，第一乘法单元可执行矩阵乘法运算，以将方阵形式的协方差矩阵相乘至少一次，以产生接收信号矩阵。

在步骤308，波束形成器中的第二乘法单元将接收信号矩阵与对应一扫描角度的一组角度向量进行相乘，所得到的相乘结果再由逆矩阵单元作一逆矩阵处理，以取得对应的估计功率。步骤308可被重复地执行，以取得不同扫描角度下所对应的估计功率。举例来说，若扫描角度φ的范围为-θ₁～θ₂，且每次的角度间隔为Δθ，波束形成器可基于以下式子决定每次执行步骤308所要代入的扫描角度φ：

φ＝φ+Δθ，其中θ₁≤φ≤θ₂。

在扫描完整体角度范围后(如-θ₁至θ₂)，将可获得估计功率在不同扫描角度φ下的关系曲线，也就是空间频谱(Spatial Spectrum)。

在步骤310，波束形成器的波束方向决定单元将依据估计功率判断所接收之一或多笔入射信号的信号抵达方向，以形成对应入射信号的信号抵达方向的波束。在一实施例中，波束方向决定单元可藉由搜寻使估计功率发生区域极大值的扫描角度，以决定各入射信号的信号抵达角(Angle of Arrival)。举例来说，波束方向决定单元可找出估计功率函数斜率＝0时的扫描角度值，并以的作为入射信号的信号抵达角。

以下将配合第4至8图，说明本发明的波束形成器与传统波束形成器(如卡彭波束形成器)两者性能上的差异。

图4绘示本发明的波束形成器与传统卡彭波束形成器的空间频谱模拟图。在图4中，曲线402对应传统卡彭波束形成器的模拟曲线，而曲线404对应本发明的波束形成器的模拟曲线。

本例的模拟假设条件如下：

1.传至波束产生器的入射信号有2个(即，D＝2)，其分别来自角度-2°以及2°的方向；

2.信号的信号噪声比为20分贝(dB)；

3.天线阵列的天线单元数有6个(即，M＝6)；

4.天线单元彼此间距为λ/2，其中λ为波长；

5.天线单元为全向性天线(Omni-Directional Antenna)；

6.本发明的波束形成器的协方差矩阵R的自乘次数＝1(即R’＝R×R)。

从图4可看出，相较于曲线402(传统波束形成器)仅在角度0°形成单一波峰，曲线404(本发明的波束形成器)在角度-2°、2°处具有明显的突起(区域极大值)，因此，本发明的波束形成器可成功分辨出两入射信号的信号抵达方向。

图5绘示本发明的波束形成器与传统卡彭波束形成器在不同角度解析度下的成功分辨率模拟图。所述的解析角度以角度「°」为单位，并定义为两入射信号间的入射角度差。成功分辨率以百分比「％」为单位，并定义为

在图5中，曲线502对应传统卡彭波束形成器的模拟曲线，而曲线504对应本发明的波束形成器的模拟曲线。

本例的模拟假设条件如下：

1.传至波束产生器的入射信号有2个(即，D＝2)，其入射角度分别为-α/2以及α/2(故角解析度为α(＝α/2-(-α/2))；

2.信号的信号噪声比为10分贝(dB)；

3.噪声为标准常态分布(standard normal distribution)，并且以噪声能量等级(noise power level)正规化(normalized)；

4.其他模拟条件与图4例子相同。

从图5可看出，本发明的波束形成器具备有较佳的信号分辨能力，即便两入射信号间的入射角度差异甚小，本发明的波束形成器仍有较高的机会成功分辨出两不同入射信号。

图6绘示本发明的波束形成器与传统卡彭波束形成器在不同信号噪声比下的成功分辨率模拟图。在图6中，曲线602对应传统卡彭波束形成器的模拟曲线，而曲线604对应本发明的波束形成器的模拟曲线。

本例的模拟假设条件如下：

1.入射信号的信号噪声比从4分贝增加至30分贝；

2.其他模拟条件与图5例子相同。

从图6可看出，相较于传统卡彭波束形成器，本发明的波束形成器在噪声环境下可显著提升信号的成功分辨率。

图7绘示本发明的波束形成器与传统卡彭波束形成器在不同天线单元数量下的成功分辨率模拟图。在图7中，曲线702对应传统卡彭波束形成器的模拟曲线，而曲线704对应本发明的波束形成器的模拟曲线。

本例的模拟假设条件如下：

1.传至波束产生器的入射信号有2个(即，D＝2)，其分别来自角度-2°以及2°的方向；

2.信号的信号噪声比为10分贝(dB)；

3.其他模拟条件与图6例子相同。

从图7可看出，相较于传统卡彭波束形成器，本发明的波束形成器以较少的天线单元即可达成相同的成功分辨率，故可有效缩小天线阵列的面积。

图8绘示本发明的波束形成器与传统卡彭波束形成器在不同天线单元间距下的成功分辨率模拟图。在图8中，曲线802对应传统卡彭波束形成器的模拟曲线，而曲线804对应本发明的波束形成器的模拟曲线。

本例的模拟假设条件如下：

1.天线单元的数量固定为6个(即，M＝6)；

2.其他模拟条件与图7例子相同。

从图8可看出，相较于传统卡彭波束形成器，本发明的波束形成器可采用较短的天线单元间距，并达成较高的成功分辨率。这表示天线阵列的天线单元可排列得更紧密，进而缩小整体电路面积。

综上所述，本发明所提出的波束形成器藉由将转换自接收信号的协方差矩阵进行自乘后再提供至后级运算单元进行处理，不但可沿袭传统卡彭波束形成器运算架构简单的优点，更可改善波束形成器的解析度、信号噪声比等多项性能参数。

虽然本发明已以优选实施例公开如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视所附权利要求书界定范围为准。

Claims (8)

1.一种信号方向检测方法，适用于波束形成器，该信号方向检测方法包括：

通过天线阵列接收一或多笔入射信号，并对应地产生一组接收信号；

将该组接收信号转换成一协方差矩阵；

将该协方差矩阵进行自乘以形成一接收信号矩阵；

将该接收信号矩阵与对应一扫描角度的一组角度向量相乘后的结果作一逆矩阵处理，以取得一估计功率；以及

依据该估计功率判断该一或多笔入射信号的信号抵达方向，以形成对应该一或多笔入射信号的信号抵达方向的波束。

2.如权利要求1所述的信号方向检测方法，还包括：

搜寻使该估计功率发生区域极大值的扫描角度，以决定该一或多笔入射信号的信号抵达角。

3.如权利要求1所述的信号方向检测方法，其中该组角度向量包括一第一角度向量以及一第二角度向量，该第二角度向量为该第一角度向量的共轭转置向量。

4.如权利要求1所述的信号方向检测方法，其中该协方差矩阵进行自乘的次数为大于或等于1的正整数。

5.一种波束形成器，包括：

天线阵列，用以接收一或多笔入射信号，并对应地产生一组接收信号；

接收信号处理单元，用以将该组接收信号转换成一协方差矩阵；

第一乘法单元，用以将该协方差矩阵进行自乘以形成一接收信号矩阵；

第二乘法单元，用以将该接收信号矩阵与对应一扫描角度的一组角度向量相乘，以产生一相乘结果；

逆处理单元，用以将该相乘结果作一逆矩阵处理，以取得一估计功率；以及

波束方向决定单元，用以依据该估计功率判断该一或多笔入射信号的信号抵达方向，以形成对应该一或多笔入射信号的信号抵达方向的波束。

6.如权利要求5所述的波束形成器，其中该波束方向决定单元搜寻使该估计功率发生区域极大值的扫描角度，以决定该一或多笔入射信号的信号抵达角。

7.如权利要求5所述的波束形成器，其中该组角度向量包括一第一角度向量以及一第二角度向量，该第二角度向量为该第一角度向量的共轭转置向量。

8.如权利要求5所述的波束形成器，其中该协方差矩阵进行自乘的次数为大于或等于1的正整数。

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