基于天线阵列的超短波信号增强装置和方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910484189.9 (22)申请日 2019.06.05 (71)申请人 淮阴师范学院 地址 223300 江苏省淮安市淮阴区长江西 路111号淮阴师范学院 (72)发明人 宋毅向中武陶丽伟马瑞谦 曹凤莲杨裕翠 (74)专利代理机构 淮安睿合知识产权代理事务 所(普通合伙) 32372 代理人 汤小东 (51)Int.Cl. H04B 1/40(2015.01) H04B 7/155(2006.01) H04B 7/06(2006.01) H04B 1/50(2006.。

2、01) (54)发明名称 一种基于天线阵列的超短波信号增强装置 和方法 (57)摘要 一种基于天线阵列的超短波信号增强装置 和方法， 它涉及电子电路设计技术领域。 它包含 控制电路、 WIFI射频接收电路、 WIFI射频发射电 路、 Zigbee射频收发电路、 显示电路、 接口电路， 所述WIFI射频接收电路、 WIFI射频发射电路、 Zigbee射频收发电路均与控制电路数据连接， 显 示电路、 接口电路均与控制电路电性连接。 采用 上述技术方案后， 本发明有益效果为： 通过采用 高效的宽带DOA估计方法和波束形成技术， 可以 同时增强WIFI和Zigbee信号的通信增益。 权利要求书1页 说。

3、明书4页 附图5页 CN 110233636 A 2019.09.13 CN 110233636 A 1.一种基于天线阵列的超短波信号增强装置， 其特征在于： 它包含控制电路(1)、 WIFI 射频接收电路(2)、 WIFI射频发射电路(3)、 Zigbee射频收发电路(4)、 显示电路(5)、 接口电 路(6)， (1)所述WIFI射频接收电路(2)、 WIFI射频发射电路(3)、 Zigbee射频收发电路(4)均 与控制电路(1)数据连接， 显示电路(5)、 接口电路(6)均与控制电路(1)电性连接。 2.根据权利要求1所述的一种基于天线阵列的超短波信号增强装置， 其特征在于： 所述 WI。

4、FI射频接收电路(2)包含八条所述基带射频电路(21)、 接收FPGA(22)， 八条所述基带射频 电路(21)均与接收FPGA(22)并联； 所述基带射频电路(21)包含接收微带天线(23)、 滤波模块(24)、 下变频模块(25)、 ADC (26)， 接收微带天线(23)与滤波模块(24)电性连接， 滤波模块(24)与下变频模块(25)电性 连接， 下变频模块(25)与ADC(26)电性连接， ADC(26)与接收FPGA(22)电性连接。 3.根据权利要求1所述的一种基于天线阵列的超短波信号增强装置， 其特征在于： 所述 WIFI射频发射电路(3)包含发射FPGA(31)、 八条所述射。

5、频放大电路(32)， 八条所述射频放大 电路(32)均与发射FPGA(31)并联； 所述射频放大电路(32)包含上变频模块(33)、 功放模块(34)、 发射微带天线(35)， 上变 频模块(33)与发射FPGA(31)电性连接， 上变频模块(33)与功放模块(34)电性连接， 功放模 块(34)与发射微带天线(35)电性连接。 4.根据权利要求1所述的一种基于天线阵列的超短波信号增强装置， 其特征在于： 所述 Zigbee射频收发电路(4)包含八条所述数字成形电路(41)、 MCU(42)， 八条所述数字成形电 路(41)均与MCU(42)并联； 所述数字成形电路(41)包含收发天线(43)。

6、、 滤波电路(44)、 Zigbee模块(45)， 收发天线 (43)与滤波电路(44)电性连接， 滤波电路(44)与Zigbee模块(45)电性连接， Zigbee模块 (45)与MCU(42)电性连接。 5.一种基于天线阵列的超短波信号增强方法， 其特征在于， 它包含以下步骤： 控制电路 (1)首先根据读取的数据信息， 判断WIFI或Zigbee信号， 接着进行WIFI或Zigbee信号协议的 选择， 分别在WIFI射频接收电路(2)或Zigbee射频收发电路(4)中进行DOA估计和自适应波 束形成处理， 接着将处理得到的数据通过控制电路(1)转换成串口数据， 并发送给接口电路 (6)， 。

7、在确定了目标的DOA以后， 根据DOA由接口电路(6)将数据信息经过Zigbee射频收发电 路(4)或WIFI射频发射电路(3)进行波束赋形处理。 6.根据权利要求5所述的一种基于天线阵列的超短波信号增强方法， 其特征在于： 所述 WIFI射频发射电路(3)的处理具体步骤为： 读取数据信息， 在发射FPGA(31)中进行波束赋形 处理， 在上变频模块(33)中进行上变频处理， 在功放模块(34)进行放大处理， 进行滤波处 理。 7.根据权利要求5所述的一种基于天线阵列的超短波信号增强方法， 其特征在于： 所述 WIFI射频接收电路(2)的处理具体步骤为： 对接收信号的在滤波模块(24)进行滤波。

8、， 进行放 大处理， 在下变频模块(25)进行下变频处理， 在接收FPGA(22)中进行DOA估计和自适应波束 形成。 8.根据权利要求5所述的一种基于天线阵列的超短波信号增强方法， 其特征在于： 所述 Zigbee射频收发电路(4)的处理具体步骤为： 读取数据信息， 在MCU(42)中进行波束形成， 进 行变频处理， 进行放大处理， 进行滤波处理。 权利要求书 1/1 页 2 CN 110233636 A 2 一种基于天线阵列的超短波信号增强装置和方法 技术领域 0001 本发明涉及电子电路设计技术领域， 具体涉及一种基于天线阵列的超短波信号增 强装置和方法。 背景技术 0002 本发明是通。

9、信频段为2.4GHz的超短波信号多天线收发装置， 基于天线阵列实现短 距离宽带信号的通信， 通过采用高效的宽带DOA估计方法和波束形成技术， 可以同时增强 WIFI和Zigbee信号的通信增益。 0003 由于在短距离通信中， 常使用WIFI或Zigbee技术进行信号传输， 其中WiFi传输快、 普及广、 功耗大； Zigbee速率较低、 组网能力较强、 功耗较低。 但是由于在WIFI或Zigbee通信 中常采用单个天线进行发射和接收， 这样会导致抗干扰能力较差。 而本发明分别在发射和 接收电路采用多个天线， 通过智能天线技术提高短距离宽带信号的通信增益。 智能天线技 术通常应用在蜂窝移动通信。

10、中， 它可以利用数字信号处理技术产生多个空间波束， 使每个 波束的最大增益方向自动地对准多个用户， 而把零接收方向对准干扰信号源， 从而提高移 动通信系统的性能。 发明内容 0004 本发明的目的在于针对现有技术的缺陷和不足， 提供一种基于天线阵列的超短波 信号增强装置和方法， 通过采用高效的宽带DOA估计方法和波束形成技术， 可以同时增强 WIFI和Zigbee信号的通信增益。 0005 为实现上述目的， 本发明采用以下技术方案是： 一种基于天线阵列的超短波信号增强装置， 它包含控制电路1、 WIFI射频接收电路2、 WIFI射频发射电路3、 Zigbee射频收发电路4、 显示电路5、 接口。

11、电路6， 1所述WIFI射频接收电 路2、 WIFI射频发射电路3、 Zigbee射频收发电路4均与控制电路1数据连接， 显示电路5、 接口 电路6均与控制电路1电性连接。 0006 所述WIFI射频接收电路2包含八条所述基带射频电路21、 接收FPGA22， 八条所述基 带射频电路21均与接收FPGA22并联； 所述基带射频电路21包含接收微带天线23、 滤波模块24、 下变频模块25、 ADC26， 接收微 带天线23与滤波模块24电性连接， 滤波模块24与下变频模块25电性连接， 下变频模块25与 ADC26电性连接， ADC26与接收FPGA22电性连接。 0007 所述WIFI射频发。

12、射电路3包含发射FPGA31、 八条所述射频放大电路32， 八条所述射 频放大电路32均与发射FPGA31并联； 所述射频放大电路32包含上变频模块33、 功放模块34、 发射微带天线35， 上变频模块33 与发射FPGA31电性连接， 上变频模块33与功放模块34电性连接， 功放模块34与发射微带天 线35电性连接。 0008 所述Zigbee射频收发电路4包含八条所述数字成形电路41、 MCU42， 八条所述数字 说明书 1/4 页 3 CN 110233636 A 3 成形电路41均与MCU42并联； 所述数字成形电路41包含收发天线43、 滤波电路44、 Zigbee模块45， 收发天。

13、线43与滤波 电路44电性连接， 滤波电路44与Zigbee模块45电性连接， Zigbee模块45与MCU42电性连接。 0009 一种基于天线阵列的超短波信号增强方法， 它包含以下步骤： 控制电路1首先根据 读取的数据信息， 判断WIFI或Zigbee信号， 接着进行WIFI或Zigbee信号协议的选择， 分别在 WIFI射频接收电路2或Zigbee射频收发电路4中进行DOA估计和自适应波束形成处理， 接着 将处理得到的数据通过控制电路1转换成串口数据， 并发送给接口电路6， 在确定了目标的 DOA以后， 根据DOA由接口电路6将数据信息经过Zigbee射频收发电路4或WIFI射频发射电路。

14、 3进行波束赋形处理。 0010 所述WIFI射频发射电路3的处理具体步骤为： 读取数据信息， 在发射FPGA31中进行 波束赋形处理， 在上变频模块33中进行上变频处理， 在功放模块34进行放大处理， 进行滤波 处理。 0011 所述WIFI射频接收电路2的处理具体步骤为： 对接收信号的在滤波模块24进行滤 波， 进行放大处理， 在下变频模块25进行下变频处理， 在接收FPGA22中进行DOA估计和自适 应波束形成。 0012 所述Zigbee射频收发电路4的处理具体步骤为： 读取数据信息， 在MCU42中进行波 束形成， 进行变频处理， 进行放大处理， 进行滤波处理。 0013 本发明的工。

15、作原理： 控制电路1首先根据读取的数据信息， 判断WIFI或Zigbee信 号， 接着进行WIFI或Zigbee信号协议的选择， 分别在WIFI射频接收电路2或Zigbee射频收发 电路4中进行DOA估计和自适应波束形成处理， 接着将处理得到的数据通过控制电路1转换 成串口数据， 并发送给接口电路6， 在确定了目标的DOA以后， 根据DOA由接口电路6将数据信 息经过Zigbee射频收发电路4或WIFI射频发射电路3进行波束赋形处理。 0014 采用上述技术方案后， 本发明有益效果为： 通过采用高效的宽带DOA估计方法和波 束形成技术， 可以同时增强WIFI和Zigbee信号的通信增益。 附图。

16、说明 0015 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简单地介绍， 显而易见地， 下面描述中的附图仅仅是本 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性的前提下， 还可 以根据这些附图获得其他的附图。 0016 图1是本发明的电路原理示意框图； 图2是本发明中WIFI射频接收电路2的电路原理示意框图； 图3是本发明中WIFI射频发射电路3的电路原理示意框图； 图4是本发明中Zigbee射频收发电路4的电路原理示意框图； 图5是本发明的流程控制图； 图6是本发明中WIFI射频发射电路3的具体流程控制图； 。

17、图7是本发明中WIFI射频接收电路2的具体流程控制图； 图8是本发明中Zigbee射频收发电路4的具体流程控制图。 0017 附图标记说明： 控制电路1、 WIFI射频接收电路2、 WIFI射频发射电路3、 Zigbee射频 说明书 2/4 页 4 CN 110233636 A 4 收发电路4、 显示电路5、 接口电路6、 基带射频电路21、 接收FPGA22、 接收微带天线23、 滤波模 块24、 下变频模块25、 ADC26、 发射FPGA31、 射频放大电路32、 上变频模块33、 功放模块34、 发 射微带天线35、 数字成形电路41、 MCU42、 收发天线43、 滤波电路44、 Z。

18、igbee模块45。 具体实施方式 0018 参看图1-图8所示， 本具体实施方式采用的技术方案是： 一种基于天线阵列的超短 波信号增强装置， 它包含控制电路1、 WIFI射频接收电路2、 WIFI射频发射电路3、 Zigbee射频 收发电路4、 显示电路5、 接口电路6， 1所述WIFI射频接收电路2、 WIFI射频发射电路3、 Zigbee 射频收发电路4均与控制电路1数据连接， 显示电路5、 接口电路6均与控制电路1电性连接。 控制电路1可以选择性实现WIFI或Zigbee通信功能， 同时将收到的信息通过显示电路5进行 显示， 接口电路6主要将外部的USB信号、 RS485、 网口信号转。

19、换成串口信号送给控制电路1。 0019 所述WIFI射频接收电路2包含八条所述基带射频电路21、 接收FPGA22， 八条所述基 带射频电路21均与接收FPGA22并联； 所述基带射频电路21包含接收微带天线23、 滤波模块24、 下变频模块25、 ADC26， 接收微 带天线23与滤波模块24电性连接， 滤波模块24与下变频模块25电性连接， 下变频模块25与 ADC26电性连接， ADC26与接收FPGA22电性连接。 WIFI射频信号分别通过8根接收微带天线23 接收， 8路射频分别经过滤波模块24， 接着经过下变频模块25分别变频处理后， 得到8路基带 射频信号， 再经过ADC26转换。

20、成数字信号， 分别送给接收FPGA22进行DOA估计和自适应波束 形成处理。 0020 所述WIFI射频发射电路3包含发射FPGA31、 八条所述射频放大电路32， 八条所述射 频放大电路32均与发射FPGA31并联； 所述射频放大电路32包含上变频模块33、 功放模块34、 发射微带天线35， 上变频模块33 与发射FPGA31电性连接， 上变频模块33与功放模块34电性连接， 功放模块34与发射微带天 线35电性连接。 数据信息经过发射FPGA31进行波束赋形处理， 得到8路数字信号， 通过8个上 变频模块33产生8路射频信号， 并分别通过8个功放模块34进行放大再由发射微带天线35发 射。

21、出去， 在发射FPGA31中对数据信号进行加权， 通过加权处理后， 天线阵列形成一个窄发射 波束对准目标， 并在干扰源方向形成零点以减小干扰。 0021 所述Zigbee射频收发电路4包含八条所述数字成形电路41、 MCU42， 八条所述数字 成形电路41均与MCU42并联； 所述数字成形电路41包含收发天线43、 滤波电路44、 Zigbee模块45， 收发天线43与滤波 电路44电性连接， 滤波电路44与Zigbee模块45电性连接， Zigbee模块45与MCU42电性连接。 Zigbee射频信号分别通过8根收发天线43， 8路射频分别经过滤波电路44， 接着经过Zigbee 模块45处。

22、理后得到8路数字信号， 8路数字信号送给MCU42进行DOA估计和自适应波束形成处 理， 并且送到外部数据控制， 同时在MCU42中对数据信号进行加权， 通过加权处理后， 天线阵 列形成一个窄发射波束对准目标， 并在干扰源方向形成零点以减小干扰。 0022 一种基于天线阵列的超短波信号增强方法， 它包含以下步骤： 控制电路1首先根据 读取的数据信息， 判断WIFI或Zigbee信号， 接着进行WIFI或Zigbee信号协议的选择， 分别在 WIFI射频接收电路2或Zigbee射频收发电路4中进行DOA估计和自适应波束形成处理， 接着 将处理得到的数据通过控制电路1转换成串口数据， 并发送给接口。

23、电路6， 在确定了目标的 说明书 3/4 页 5 CN 110233636 A 5 DOA以后， 根据DOA由接口电路6将数据信息经过Zigbee射频收发电路4或WIFI射频发射电路 3进行波束赋形处理。 0023 所述WIFI射频发射电路3的处理具体步骤为： 读取数据信息， 在发射FPGA31中进行 波束赋形处理， 在上变频模块33中进行上变频处理， 在功放模块34进行放大处理， 进行滤波 处理。 发射FPGA31采用Verilog HDL语言。 0024 所述WIFI射频接收电路2的处理具体步骤为： 对接收信号的在滤波模块24进行滤 波， 进行放大处理， 在下变频模块25进行下变频处理， 。

24、在接收FPGA22中进行DOA估计和自适 应波束形成。 在WIFI射频接收电路2中， 接收FPGA22采用Verilog HDL语言， 实现接收信号的 DOA估计和自适应波束形成处理， 针对WIFI宽带信号， 采用非相干信号子空间法， 该方法将 宽带信号分解为若干个窄带信号， 然后分别对每一个窄带信号进行处理， 最后对各窄带的 处理结果进行加权， 综合得到DOA估计结果， 在此DOA方向上形成主波束， 同时使旁瓣或零陷 对准其它干扰方向。 0025 所述Zigbee射频收发电路4的处理具体步骤为： 读取数据信息， 在MCU42中进行波 束形成， 进行变频处理， 进行放大处理， 进行滤波处理。 。

25、0026 本发明的工作原理： 控制电路1首先根据读取的数据信息， 判断WIFI或Zigbee信 号， 接着进行WIFI或Zigbee信号协议的选择， 分别在WIFI射频接收电路2或Zigbee射频收发 电路4中进行DOA估计和自适应波束形成处理， 接着将处理得到的数据通过控制电路1转换 成串口数据， 并发送给接口电路6， 在确定了目标的DOA以后， 根据DOA由接口电路6将数据信 息经过Zigbee射频收发电路4或WIFI射频发射电路3进行波束赋形处理。 0027 Adc电路就是指模数转换电路， 也就是将模拟信号变为数字信号。 一般用在数据采 集方面。 在显示电路5中， 使用型号为OCM122。

26、32的LCD电路实时显示状态信息， 可以显示122 32个像素， 在接口电路6中， 使用CP2102芯片实现USB转串口功能， 使用IP2022的120MCPU 配合MAX3232双串口芯片实现网口转串口功能， 使用MAX485芯片实现485转232串口的功能。 上变频模块33、 下变频模块25由MAX2829构成， ADC26采用AD9963芯片， 发射FPGA31、 FPGA22 采用EP4CE6E22C8芯片。 MCU42为MSP430单片机芯片， 选用处理低功耗、 能力较强的， 控制电 路1由单片机芯片ATmegal28组成， 该芯片可以控制WIFI射频接收电路2、 WIFI射频发射电。

27、路 3、 Zigbee射频收发电路4等。 0028 采用上述技术方案后， 本发明有益效果为： 通过采用高效的宽带DOA估计方法和波 束形成技术， 可以同时增强WIFI和Zigbee信号的通信增益。 0029 以上所述， 仅用以说明本发明的技术方案而非限制， 本领域普通技术人员对本发 明的技术方案所做的其它修改或者等同替换， 只要不脱离本发明技术方案的精神和范围， 均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。 说明书 4/4 页 6 CN 110233636 A 6 图1 图2 说明书附图 1/5 页 7 CN 110233636 A 7 图3 图4 说明书附图 2/5 页 8 CN 110233636 A 8 图5 图6 说明书附图 3/5 页 9 CN 110233636 A 9 图7 说明书附图 4/5 页 10 CN 110233636 A 10 图8 说明书附图 5/5 页 11 CN 110233636 A 11 。