阅读说明：本技术 发送器、接收器及用于发送模拟信号的方法 (Transmitter, receiver and method for transmitting analog signal ) 是由 金耕进 彭政谕 王炳南 张坤好 于 2018-07-06 设计创作，主要内容包括：发送器或接收器包括至少一个射频(RF)链。RF链包括发送元件阵列,每个发送元件包括串联连接的带通滤波器和天线,以使用具有通过由阵列内的不同发送元件接收的模拟信号的相移所限定的发射角(AOD)的波束成形来发送模拟信号。移相器使输入信号的相位移位。可变增益放大器(VGA)改变输入信号的振幅。切换器将移相器和VGA连接到阵列中的每个发送元件。其中,在给定的时间点最多一个发送元件被连接到移相器和VGA,使得切换器为单刀M掷(SPMT)模拟开关。控制器控制移相器、VGA和切换器。(The transmitter or receiver includes at least one Radio Frequency (RF) chain. The RF chain includes an array of transmit elements, each including a bandpass filter and an antenna connected in series to transmit analog signals using beamforming with an angle of emission (AOD) defined by phase shifts of the analog signals received by different transmit elements within the array. The phase shifter shifts the phase of the input signal. A Variable Gain Amplifier (VGA) varies the amplitude of the input signal. A switch connects the phase shifter and VGA to each transmit element in the array. Wherein at most one transmit element is connected to the phase shifter and VGA at a given point in time, such that the switch is a single pole M-throw (SPMT) analog switch. The controller controls the phase shifter, the VGA, and the switch.)

发送器、接收器及用于发送模拟信号的方法

技术领域

本公开的实施方式包括涉及多输入多输出(MIMO)无线通信系统领域的设备、方法及系统，并且更具体地，涉及使用波束成形传输的大规模MIMO无线通信系统。

背景技术

术语“天线阵列”是指大量天线元件的几何布置。天线元件可以被配置为单个天线单元，以实现期望的天线增益和诸如特定辐射方向图之类的方向特性。该辐射方向图的变化可以称为波束成形。天线阵列可以具有诸如在多输入多输出(MIMO)通信系统中的应用。具体地，非常大的天线阵列可以被称为“大规模MIMO阵列”。大规模MIMO阵列可以使用布置在单个天线单元中的数百个天线元件，并且被认为是诸如第五代(5G)通信之类的未来通信系统的关键技术组件。根据常规技术，上行链路MIMO单元可以包括例如无线电基站接收器、模数转换器和自动增益控制单元。

大规模MIMO可以具有一些优点，然而，这些优点实际上会因与具有许多天线和许多相关联上/下转换链相关联的硬件复杂性增加以及由于操作所需的所有硬件的能耗增加而抵消。

US 9,705,579提供了一种方法，该具有使用MIMO系统的复杂性，同时保留了天线选择的一些益处，其中选择从一组N个可用天线信号中取出的尺寸为L的子集并且经由开关(switch)将该子集连接到L(L<N)个射频(RF)链。然而，该方法不能提供一定量的波束成形增益，因此，尤其在具有在传统蜂窝系统中通常出现的小角度扩展的信道中，其表现出降低的或不可接受的性能。

因此，需要共享硬件资源以用于从天线阵列进行波束成形传输。

发明内容

本公开的实施方式包括涉及多输入多输出(MIMO)无线通信系统领域的设备、方法和系统，并且更具体地，涉及使用从天线阵列进行的波束成形传输的大规模MIMO无线通信系统。一些实施方式提供了通过共享模拟硬件资源以用于从天线阵列的不同天线进行的波束成形传输，来降低MIMO无线通信系统的实现成本。另外，一些实施方式包括在MIMO无线通信系统内重用移相器和/或可变增益放大器(VGA)以进行利用多个天线的传输。

最初，本公开致力于通过实验的波束成形或空间滤波的方面，其中波束成形可以理解为在用于方向性信号发送或接收的传感器阵列中所使用的信号处理技术。这可以通过将天线阵列中的元件以在特定角度的信号经历相长干涉而其它经历相消干涉的方式组合在一起来实现。波束成形可以用在发送端和接收端二者，以实现空间选择性。

为了在发送时改变阵列的方向性，波束成形器可以控制每次发送时信号的相位和相对振幅，以在波阵面创建相长干涉和相消干涉的模式。例如，在相控阵列中，来自发送器的功率可以通过由计算机系统控制的、称为移相器的设备馈送到天线。其中由计算机控制的移相器可以改变相位，从而将无线电波束转向至不同方向。类似地，VGA可以控制从不同天线发送的信号的振幅，以聚焦形成的波束。

一些实施方式基于以下观察：因为不同的天线需要同时发送具有不同相移和振幅的信号，所以每个天线需要连接到移相器以及专用于该天线的VGA。但是，从实验了解到的一个方面是，当天线的数量增加到数千个时，例如在大规模MIMO类系统中，拥有数千个移相器和VGA的成本会变得不切实际。

一些实施方式是基于另一认识：为了重用相同的移相器和/或VGA，以利用多个天线进行传输，需要打破对从多个天线并发传输的依赖性。在实验期间，这似乎是不使用的信息，使得对于连续模拟信号的模拟波束成形，针对该问题的解决方案似乎无法实现。然而，在我们的实验之后，认识的重要性很快变为现实，其中一些实施方式设法使用从数字信号处理中借用的原理来使模拟波束成形的时间解耦。

具体地说，在数字信号处理领域，采样定理是连续时间信号(即，模拟信号)与离散时间信号(例如，数字信号)之间的桥梁。采样定理为采样率建立了允许离散采样序列从有限带宽的连续时间信号中捕获所有信息的充分条件。

其中，一些实施方式基于以下认识：离散采样序列中的采样按照由采样频率决定的时间周期分开。如果离散采样序列在时间周期的限制内移位，则两个离散采样序列(原始序列和移位后的序列)在整体上表示模拟信号，并且可以从两个离散采样序列中的一个序列或两个序列来重构相同的模拟信号。然而，因为这两个离散采样序列在时间上移位，因此在每个时间点仅处理一个采样，这允许相同的移相器和/或VGA处理不同采样序列的采样。

此外，一些实施方式基于以下认识：切换器可以用于将输入信号引导到不同天线，并用作输入信号的采样器。为此，如果移相器和/或VGA布置在输入信号的在切换器之前的路径上，则移相器和/或VGA可以用当前连接的(即，激活的)天线所需的值来修改输入信号。这样，当切换器将输入信号的通行连接到不同天线时，移相器和/或VGA可以将它们的控制迅速地更改为不同天线的值。采样后，提交给每个天线的离散采样序列可以由各个带通滤波器转换为模拟信号。

因此，一个实施方式公开了包括至少一个射频(RF)链的至少一个发送器。RF链可以包括发送元件阵列，使得每个发送元件包括串联连接的带通滤波器和天线，以使用具有通过由不同发送元件接收的模拟信号的相移所限定的发射角(AOD)的波束成形来发送模拟信号。RF链还包括使输入信号的相位移位的移相器以及改变输入信号的振幅的可变增益放大器(VGA)。移相器和VGA串联连接。

RF链可以还包括将移相器和可变增益放大器连接到发送元件阵列中的每个发送元件的切换器。切换器可以是单刀M掷(SPMT)模拟开关，其中M是发送元件阵列的大小，使得在给定的时间点，最多一个发送元件被连接到移相器和可变增益放大器。

RF链的操作可以由控制器控制，以控制移相器、可变增益放大器和切换器中的一个或组合。其中，在给定的时间点，发送元件接收具有基于AOD以及发送元件在发送元件阵列中的位置所确定的相位和振幅的输入信号的采样。

例如，在一个实施方式中，控制器响应于接收到AOD，可以针对发送元件阵列中的每个发送元件确定相移值和振幅值，以形成相移值序列和振幅值序列。这两个序列对应于将移相器连接到不同发送元件的切换器的状态的序列。例如，切换器的状态序列可以是预先确定的并且存储在可操作地连接到控制器的存储器中。以这种方式，相移值序列和振幅值序列与切换器的操作(即，状态)同步，从而使控制器在每个控制步骤控制移相器，以根据相移值序列改变输入信号的相位，并且在每个控制步骤控制可变增益放大器，以根据振幅值序列改变输入信号的振幅。控制步骤具有与切换器的频率相同的频率。

此外，为了利用AOD发送信号，控制器针对天线阵列中的M个天线的序列确定M个相移值的序列。如果AOD在发送时段内保持恒定，则控制器复制M个相移值，以形成用于发送时段的相移值序列。以这种方式，相移值序列包括用于天线阵列中所有天线的相移值。在一些实施方式中，用于不同天线的相位值根据切换次序(即，根据切换器的状态的序列)而交替。在一个实施方式中，可以按照与确定相移值序列类似的方式来确定振幅值序列。

在一个实施方式中，每个RF链可以包括在输入信号的在切换器之前的路径上的、串联连接到移相器和可变增益放大器的功率放大器。这样的配置允许重用功率放大器以从多个天线进行发送。在另选的实施方式中，每个发送元件可以包括串联连接到带通滤波器和天线(即，在输入信号的在切换器之后的路径上)的功率放大器。该实施方式的至少一个方面是减少对功率放大器的操作频率的要求。

每个RF链可以包括M个发送元件的阵列。发送元件阵列的大小M可以由切换器的频率确定。例如，如采样定理所决定的，发送元件阵列的大小M小于切换器的频率除以输入信号的带宽。

根据本公开的实施方式，发送器包括至少一个射频(RF)链。RF链包括发送元件阵列。其中，每个发送元件包括串联连接的带通滤波器和天线，以使用具有通过由发送元件阵列内的不同发送元件接收的模拟信号的相移所限定的发射角(AOD)的波束成形来发送模拟信号。移相器使输入信号的相位移位。可变增益放大器(VGA)改变输入信号的振幅，其中，移相器和VGA串联连接。切换器将移相器和VGA连接到发送元件阵列中的每个发送元件。其中，在给定的时间点，最多一个发送元件被连接到移相器和VGA，以使得切换器为单刀M掷(SPMT)模拟开关，其中M是发送元件阵列的大小。控制器控制移相器、VGA和切换器，使得在给定的时间点，发送元件接收具有基于AOD和发送元件在发送元件阵列内的位置所确定的相位和振幅的输入信号的采样。

根据本公开的实施方式，一种用于使用具有通过由不同发送元件发送的模拟信号的相移所限定的发射角(AOD)的波束成形，由天线阵列发送模拟信号的方法。该方法包括：基于AOD和每个天线在阵列中的位置，针对天线阵列中的每个天线确定相移值和振幅值。根据阵列中天线的激活序列对相移值进行排序，以形成相移序列。根据阵列中天线的激活序列对振幅值进行排序，以形成振幅序列。根据相移序列和振幅序列中的值来修改模拟信号的相位和振幅。对修改后的模拟信号进行采样，并按照由天线的激活序列决定的次序将采样引导到不同的天线。使引导至每个天线的每个采样带通以产生每个天线的模拟信号的修改副本。从相应的天线发送模拟信号的修改副本。

根据本公开的实施方式，发送器包括至少两个射频(RF)链。发送器包括具有发送元件阵列的各RF链。其中，每个发送元件包括串联连接的带通滤波器和天线，以使用具有通过由发送元件阵列内的不同发送元件接收的模拟信号的相移所限定的发射角(AOD)的波束成形来发送模拟信号。移相器使输入信号的相位移位。可变增益放大器(VGA)改变输入信号的振幅，其中，移相器和VGA串联连接。切换器将移相器和VGA连接到发送元件阵列中的每个发送元件。其中，在给定的时间点最多一个发送元件被连接到移相器和VGA，使得切换器为单刀M掷(SPMT)模拟开关，其中M是发送元件阵列的大小。控制器通过控制至少两个移相器、至少两个VGA和至少两个切换器来控制至少两个RF链，使得在给定的时间点，至少两个RF链中的至少两个发送元件接收具有基于阵列的AOD以及至少两个发送元件在至少两个RF链的发送元件阵列中的位置所确定的相位和振幅的输入信号的采样。

将参照附图进一步说明当前公开的实施方式。所示的附图并非按比例绘制，而是通常将重点放在例示当前公开的实施方式的原理上。

附图说明

[图1A]

图1A例示了根据本公开的一个实施方式的用于使用波束成形传输的无线通信系统的实施方式的一些方法的框图。

[图1B]

图1B示出了根据本公开一些实施方式的包括一些组件的无线通信系统的示意图。

[图1C]

图1C示出了根据本公开一些实施方式的包括多个组件的另一无线通信系统的示意图。

[图1D]

图1D示出了根据本公开的一些实施方式的由具有时间偏移的两个离散采样序列所采样的一个模拟波形。

[图2]

图2是例示了根据本公开的实施方式的在特定时间使得仅激活M个信道中的一个RF信道的发送器控制序列的示意图。

[图3]

图3是例示了根据本公开的实施方式的用于T1的使得时钟信号输出将被用作类似于查找表(LUT)的存储器的地址输入的一些控制信号的示意图。

[图4]

图4示出了根据本公开的实施方式的包括多个组件的另一无线通信系统的示意图。

[图5A]

图5A是例示了根据本公开的实施方式的带宽为B Hz并且中心频率为f_c的RF信号x(t)的示意图。

[图5B]

图5B是例示了根据本公开的实施方式的图5A的x(t)的频域频谱X(f)的图。

[图6A]

图6A是例示了根据本公开的实施方式的作为方波的周期信号c(t)的波形的示意图，其中该信号可以用作时间控制信号。

[图6B]

图6B是例示了根据本公开的实施方式的图6A的c(t)在频域中的频谱C(f)的示意图。

[图7A]

图7A是例示了根据本公开的实施方式的仅具有有限持续时间T_w的、正在发送的x(t)的信号y(t)＝x(t)c(t)的示意图。

[图7B]

图7B是例示了根据本公开的实施方式的y(t)在频域中的频谱Y(f)的示意图。

[图8A]

图8A是例示了根据本公开的实施方式的完全恢复的RF信号的示意图。

[图8B]

图8B是例示了根据本公开的实施方式的恢复RF信号的频谱的示意图。

[图9]

图9是例示了根据本公开的实施方式的用于不同RF链的时间控制序列的示意图。

[图10]

图10是例示了根据本公开的实施方式的使用替代的计算机或处理器能够实现的图1A的方法的框图。

具体实施方式

尽管以上标识的附图阐述了当前公开的实施方式，但是如讨论中所指出的，也可以考虑其它实施方式。本公开通过表示而非限制的方式呈现了示例性实施方式。本领域技术人员可以设计出落入当前公开的实施方式的原理的范围和精神内的许多其它修改和实施方式。

概述

本公开的实施方式包括涉及多输入多输出(MIMO)无线通信系统领域的设备、方法和系统，并且更具体地，涉及使用从天线阵列进行的波束成形传输的大规模MIMO无线通信系统。一些实施方式提供了通过共享模拟硬件资源以用于从天线阵列的不同天线进行的波束成形传输，来降低MIMO无线通信系统的实现成本。另外，一些实施方式包括在MIMO无线通信系统内重用移相器和/或可变增益放大器(VGA)以进行利用多个天线的传输，即，经由硬件共享的硬件结构的降低方法。

具体地，本公开的实施方式包括共享可具有发送器天线阵列和接收器天线阵列的模拟波束成形收发器结构的硬件资源。对于发送器阵列，一些实施方式可以具有通过时分复用被划分为N个信道信号的一个信道调制或未调制视频(RF)信号。每个信道可以包括移相器、可变增益放大器、其它必要的信号调整组件以及单刀M掷(SPMT)模拟开关。SPMT模拟开关还可以连接M条信号路径，其中对于每条信号路径，具有带通滤波器和天线。在接收器阵列上，一些实施方式可以具有L×K个天线，这些天线被分组为L个组，其中每个组包括K个天线。K个天线可以与K掷单刀(KTSP)模拟开关连接。KTSP模拟开关的公共端口可以与带通滤波器、低噪声放大器、移相器、可变增益放大器、下变频电路、低通滤波器、模数转换器和数字处理器连接。

因此，本公开的实施方式基于通过实验验明的许多认识以及在经历实验过程的同时得到的观察结论。例如，一些实施方式基于以下观察结论：因为不同的天线需要同时发送具有不同相移和振幅的信号，所以每个天线需要连接到移相器以及专用于该天线的VGA。但是，从实验中得知，一方面，当天线的数量增加到数千个时，例如在大规模MIMO类系统中，具有数千个移相器和VGA的成本可能变得不切实际。

例如，实验始于模拟波束成形器，该模拟波束成形器控制每次传输时信号的相位和相对振幅，以便在波阵面创建相长和相消干涉图样。这样，在相控阵列中，来自发送器的功率通过称为移相器的设备馈送到天线，该设备由计算机系统控制，可以改变相位，从而将无线电波的波束转向不同的方向。类似地，VGA控制从不同天线发送的信号的振幅，以聚焦形成的波束。但是，因为不同的天线需要同时发送具有不同相移和振幅的信号，所以每个天线都需要连接到移相器和专用于该天线的VGA。因此，据了解，当天线的数量增加到数千个时，例如在大规模MIMO类系统中，具有数千个移相器和VGA的成本可能变得不切实际。

从实验中我们进一步了解到，至少一种提出的解决方案使用数量少于可用于通信信息的天线，但是这种解决方案无法提供与每个天线具有一个RF链的MIMO系统或类似系统中相同量的波束成形增益。潜在地，问题的原因可能是需要打破的对来自多个天线的并发传输的依赖，如果认为时间是连续的事情，那么这对于连续模拟信号的模拟波束成形来说似乎是不现实的。但是，已经发现，为了将相同的移相器和/或VGA重用于多天线传输，需要打破对来自多个天线的并发传输的依赖。其中，实验期间的一些实施方式设法对模拟波束成形的时间进行解耦，这是使用从数字信号处理中借用的原理以及实验期间的观察结果来实现的。

具体地说，在数字信号处理领域，采样定理是连续时间信号(即，模拟信号)与离散时间信号(例如，数字信号)之间的桥梁。采样定理为采样率建立了允许离散采样序列从有限带宽的连续时间信号中捕获所有信息的充分条件。

其中，一些实施方式基于以下认识：离散采样序列中的采样按照由采样频率决定的时间周期分开。如果离散采样序列在时间周期的限制内移位，则两个离散采样序列(原始序列和移位后的序列)在整体上表示模拟信号，并且可以从两个离散采样序列中的一个序列或两个序列来重构相同的模拟信号。然而，由于这两个离散采样序列在时间上移位，因此在每个时间点只能处理一个采样，这允许相同的移相器和/或VGA处理不同采样序列的采样。

此外，一些实施方式呈现了基于以下认识的问题解决方案：切换器可以用于将输入信号引导到不同天线，并用作输入信号的采样器。为此，如果移相器和/或VGA布置在输入信号的在切换器之前的路径上，则移相器和/或VGA可以用当前连接的(即，激活的)天线所需的值来修改输入信号。这样，当切换器将输入信号的通行连接到不同天线时，移相器和/或VGA可以将它们的控制迅速地更改为所述不同天线的值。采样后，提交给每个天线的离散采样序列可以由各个带通滤波器转换为模拟信号。

此外，一个实施方式公开了包括至少一个射频(RF)链的至少一个发送器。RF链可以包括发送元件阵列，使得每个发送元件包括串联连接的带通滤波器和天线，以使用具有通过由不同发送元件接收的模拟信号的相移所限定的发射角(AOD)的波束成形来发送模拟信号。RF链还包括使输入信号的相位移位的移相器和改变输入信号的振幅的可变增益放大器。移相器和可变增益放大器串联连接。

RF链还可以包括将移相器和可变增益放大器连接到发送元件阵列中的每个发送元件的切换器。切换器可以是单刀M掷(SPMT)模拟开关，其中M是发送元件阵列的大小，使得在给定的时间点最多一个发送元件被连接到移相器和可变增益放大器。

RF链的操作可以由控制器控制，以控制移相器、可变增益放大器或切换器中的一个或组合。其中，在给定的时间点，发送元件接收具有基于AOD和发送元件在发送元件阵列内的位置所确定的相位和振幅的输入信号的采样。例如，在一个实施方式中，响应于接收到AOD，控制器可以针对发送元件阵列中的每个发送元件确定相移值和振幅值，以形成相移值序列和振幅值序列。这两个序列对应于将移相器连接到不同发送元件的切换器的状态的序列。例如，切换器的状态序列可以是预先确定的并且存储在可操作地连接到控制器的存储器中。以这种方式，相移值序列和振幅值序列与切换器的操作(即，状态)同步，从而使控制器在每个控制步骤控制移相器，以根据相移值序列改变输入信号的相位，并且在每个控制步骤控制可变增益放大器，以根据振幅值序列改变输入信号的振幅。控制步骤具有与切换器的频率相同的频率。

此外，为了利用AOD来发送信号，控制器针对天线阵列中的M个天线的序列确定M个相移值序列。如果AOD在发送时段内保持恒定，则控制器复制M个相移值，以形成用于发送时段的相移值序列。以这种方式，相移值序列包括用于天线阵列中所有天线的相移值。在一些实施方式中，用于不同天线的相位值根据切换次序(即，根据切换器的状态序列)而交替。在一个实施方式中，可以按照与确定相移值序列类似的方式来确定振幅值序列。

在一个实施方式中，每个RF链可以包括在输入信号的在切换器之前的路径上的串联连接到移相器和可变增益放大器的功率放大器。这样的配置允许重用功率放大器以从多个天线进行发送。在另选的实施方式中，每个发送元件可以包括串联连接到带通滤波器和天线(即，在输入信号的在切换器之后的路径上)的功率放大器。该实施方式的至少一个方面是减少对功率放大器的操作频率的要求。

每个RF链可以包括M个发送元件的阵列。发送元件阵列的大小M可以由切换器的频率确定。例如，如采样定理所决定的，发送元件阵列的大小M小于切换器的频率除以输入信号的带宽。

图1A例示了根据本公开的一个实施方式的用于使用波束成形传输的无线通信系统的实施方式的一些方法的框图。方法100用于使用具有通过由不同天线发送的模拟信号的相移所定义的发射角(AOD)的波束成形，由天线阵列来发送模拟信号。方法100可以用可包括存储器的控制器103来实现。无线通信系统可以是多输入多输出(MIMO)无线通信系统，该系统包括使用从天线阵列进行的波束成形传输的大规模MIMO无线通信系统。其中，MIMO无线通信系统可以共享模拟硬件资源以用于从天线阵列的不同天线进行的波束成形传输。

方法100的图1A的步骤115可以包括基于AOD以及每个天线在阵列中的位置来针对天线阵列中的每个天线确定相移值和振幅值。

方法100的图1A的步骤120可以包括根据阵列中天线的激活序列来对相移值进行排序以形成相移序列。

方法100的图1A的步骤125可以包括根据阵列中天线的激活序列来对振幅值进行排序以形成振幅序列。

方法100的图1A的步骤130可以包括根据相移序列和振幅序列中的值来修改模拟信号的相位和振幅。

方法100的图1A的步骤135可以包括对修改后的模拟信号进行采样，并且按照由天线的激活序列所决定的次序将采样引导至不同的天线。

方法100的图1A的步骤140可以包括使引导至每个天线的每个采样带通以产生每个天线的模拟信号的修改副本。

方法100的图1A的步骤145可以包括从相应天线发送模拟信号的修改副本。

图1B示出了根据本公开一些实施方式的包括一些组件的无线通信系统的示意图。图1C示出了根据本公开一些实施方式的、图1B的包括基于集群的发送器架构中的多个集群的无线通信系统的示意图。

图1B和图1C例示了根据本公开的基于集群的发送器架构102。图1B示出了基于集群的发送器架构102的单个集群，而图1C示出了基于集群的发送器架构102的多个集群。

例如，图1B示出了集群101A，该集群101A由移相器105A、可变增益放大器(VGA)107A、功率放大器(PA)109A、时间调度信号(T1)113A和单刀M掷(SPMT)模拟开关114A组成。在单个群集101A中使用一组天线元件，P1和G1表示M个相移(P1)111A和VGA增益(G1)112A的集合。其中，它们存储在控制器103A中的单独存储器104A中。

图1C示出了基于群集的发送器架构102的多个群集101A、101B、101N。该架构将N×M个天线元件划分为N个群集101A、101B、101N，使得每个群集由M个天线元件组成。例如，在每个集群101A、101B、101N中使用一组天线元件，P1和G1表示M个相移(P1)111A、111B、111N和VGA增益(G1)112A、112B、112N的集合。它们可以存储在控制器103A、103B、103N中的单独的存储器104A、104B、104N中。

图1C示出了每个集群101A、101B、101N可以具有相同的结构并且具有用于相移P1111A、111B、111N和VGA增益G2 112A、112B、112N的不同的存储器104A、104B、104N。借助SPMT114A、114B、114N，来自功率分割器3的输入RF信号11、12、13可以在应用一些RF操作并通过带通滤波器116A、117A、118A、116B、117B、118B、116N、117N、118N之后馈送M个天线。

图1D示出了根据本公开的一些实施方式的通过具有时间偏移的两个离散采样序列而采样的一个模拟波形。

为了更好地理解图1D和图1C操作，回顾通过实验了解到的一些认识是很重要的。认识到的是存在使用从数字信号处理中借鉴的原理来解耦模拟波束成形的时间依赖性的可能性。例如，本公开采样定理为采样率建立了允许离散采样序列从连续信号中捕获全部信息的充分条件。如果离散采样序列在采样率的时间周期的限制内移位，则两个离散采样序列(原始序列和移位后的序列)整体上表示模拟信号，并且可以从两个离散采样序列中的一个序列或两个序列来重构相同的模拟信号。发现的另一种认识是，因为这两个离散采样序列在时间上移位，因此在每个时间点仅处理一个采样，这允许相同的移相器和/或VGA处理不同采样序列的采样。因此，包括具有将输入信号引导到不同天线的切换器的实施方式的至少一个解决方案用作输入信号的采样器。为此，如果移相器和/或VGA布置在输入信号的在切换器之前的路径上，则移相器和/或VGA可以用当前连接的(即，激活的)天线所需的值来修改输入信号。其中，在采样之后，提交给每个天线的离散采样序列可以由各个带通滤波器转换为模拟信号。

图2是例示了根据本公开的实施方式的在特定时间使得仅激活M个信道中的一个RF信道的发送器控制序列的示意图。定时信号210的集合表示用于群集1，101A的全部RF信道的时间调度的集合。例如，211是用于RF信道1的时间调度。它指定了针对特定RF信道激活特定相位和增益以进行波束成形图案计算时的持续时间。例如，对于持续时间213，仅相位1，233和增益1，235用于计算RF信道1的

其中，c₁是取决于信道索引、波长以及两个天线元件之间的距离的波束成形常数。在下一个持续时间223中，仅相位2，243和增益2，245被激活以用于计算RF信道2的其中c₂是取决于RF信道的索引、波长以及天线元件之间的距离的波束成形常数。完成全部这些计算后，在持续时间214再次激活RF信道1的操作。使用该时分复用，在每个群集中仅需要一个移相器和VGA。然而，为了通过时分解复用组合来生成与现有技术方法相同的波束成形，应按照波束成形带宽来确定间隔时间212。

图3是例示了根据本公开的实施方式的用于T1的使得时钟信号输出将被用作类似于查找表(LUT)的存储器的地址输入的一些控制信号的示意图。

例如，通过使用图3来提供对图2的更多描述。对于时钟信号301和复位信号302，计数器304、以及计数器输出303。这些计数器输出303将用作作为一种查找表(LUT)111、112的存储器的地址输入。这两个LUT 111、112持有相位输出310和增益输出360的集合。通过时钟和复位信号进行同步，LUT可以生成所需的相位313、323、333、…，以及增益363、373、383、…等。类似的定时调度用于T2 113B和TN 113N。

图4例示了根据本公开的实施方式的基于集群的接收器架构；并且图4示出了基于集群的接收器架构400。在图4中，针对该特定应用，集群1，410、集群2，420和集群L，430全部基本上是相同的结构。接收器集群1，410可以由K个接收天线元件组成。其中，通过K掷单刀(KTSP)模拟开关411A，将选择K个接收天线当中的仅一个接收天线。由于在接收器中有L个集群，因此同时选择L个天线用于接收波束成形。对于模拟开关输出413A，该特定实施方式应用带通滤波器414A、LNA 415A、移相器418A和VGA 419A。如同在发送器102中那样，我们有两个LUT 416A和417A，LUT 416A和417A持有由被选接收天线唯一使用的相位和增益。由控制信号T1，412A来指定特定相位和增益的选择。类似地，还通过T2，412B和TL，412L来提供其它集群。

接收器集群2，420和集群L，430可以由K个接收天线元件组成。其中，通过K掷单刀(KTSP)模拟开关411B、411L，将选择K个接收天线当中的仅一个接收天线。由于接收器中有L个集群，因此同时选择L个天线用于接收波束成形。对于模拟开关输出413B、413L，该特定实施方式应用带通滤波器414B、414L、LNA 415B、415L、移相器418B、418L和VGA 419B、419L。如同在发送器102中那样，我们有两个LUT 416B、416L和417B、417L，这些LUT持有由被选接收天线唯一使用的相位和增益。由控制信号T2，412B、TL，412L来指定特定相位和增益的选择。

对于该特定实施方式，时间调度可以与图2中的200和图3中的300相同。由功率合成器470对来自L个集群440、450、460的输出进行合成。在应用471的下变频，低通滤波472，模数转换473之后，可以在数字处理器474中使用基带中的波束成形信号。在每个集群440、450、460中，控制器403A、403B、403L提供定时序列。其周期存储在安装于控制器403A、403B、403L内部的存储器404A、404B、404L中。

原理

图5A至图9涉及根据本公开的在实验期间了解的并且应用于一些实施方式的一些原理。例如，图5A是例示了根据本公开的实施方式的带宽为B Hz并且中心频率为f_c的RF信号x(t)的示意图。其中，x(t)表示图1C中的一个信道的调制RF信号或未调制RF信号10。

图5B是例示了根据本公开的实施方式的图5的x(t)的频域频谱X(f)的曲线图。

图6A是例示了根据本公开的实施方式的作为方波的周期信号c(t)的波形的示意图，其中该信号可以用作时间控制信号。这样，c(t)是图1C中的SMPT 114A、114B、114N的控制序列。

图6B是例示了根据本公开的实施方式的图6A的c(t)在频域中的频谱C(f)的示意图。例如，T_c是方波的周期，并且T_w是方波的脉冲宽度。在频域中，c(t)的频谱是以1/T_c为间隔的一系列德耳塔信号。

仍然参照6A，其中c(t)可以算术地表示为如下：

其中

其中，如图6B所示，c(t)的傅立叶变换由以下给出：

另一个延迟了pτ的时延方波可以具有：

其中，p是整数值，并且当应用A_k,pτ时，我们有的替代表达式，它得到如下傅立叶变换：

这表示时间延迟导致冲激脉冲列的附加相位旋转。不同的相位旋转取决于k。

图7A是例示了根据本公开的实施方式的仅具有有限持续时间T_w的、正在发送的x(t)的信号y(t)＝x(t)c(t)的示意图。

例如，时域中的乘法等于频率的卷积。y(t)的傅立叶变换Y(f)由

给出。

图7B是例示了根据本公开的实施方式的、y(t)在频域中的频谱Y(f)的示意图。这样，y(t)是图1C中SPMT 114A、114B、114N的输出。

图8A是例示了根据本公开的实施方式的在图1C中的带通滤波器116A、117A、118A之后完全恢复的RF信号的示意图。

图8B是例示了根据本公开的实施方式的恢复RF信号的频谱的示意图。

回顾图8B，为了完全恢复x(t)，可以应用如图8B所示的带通滤波器，该带通滤波器对应于k＝0的使得Y_BPF(f)＝A₀x(f)。

仍然参照图8B，类似地，对于c_pτ(t)，我们具有

带通滤波器的输出由Y_pτ,BFP(f)＝A₀X(f)给出。因此，时延方波可以生成与原始方波相同的BPF输出。

图9是例示了根据本公开的实施方式的用于不同RF链的时间控制序列的示意图。其中，还应注意，带宽B和方波的周期Tc应满足以下标准才能完全恢复：

1/T_c＞B 式(5)

另外，利用指定了切换速度的T_w，我们根据下式定义了信道的数量M：

T_c＝MT_w 式(6)

从上式(5)，我们可以通过用式(6)给出的关系代替T_c来计算最大允许带宽。

因此，最大允许带宽由

给出。换句话说，当指定了切换速度和目标波束成形带宽时，我们可以通过来找到可用的最大信道数，其中，int(.)表示整数值。

特征

本公开的各方面可以包括：响应于接收到AOD，控制器可以确定发送元件阵列中的每个发送元件的相移值和振幅值，以形成与将移相器连接到不同发送元件的切换器的状态序列相对应的相移值序列和振幅值序列。其中，控制器可以在每个时间点控制移相器，以根据相移值序列改变输入信号的相位，并且在每个时间点控制VGA，以根据振幅值序列改变输入信号的振幅。

本公开的另一方面可以包括切换器的状态序列可以是预先确定的并存储在可操作地连接到控制器的存储器中。此外，一个方面可以包括串联连接到移相器和VGA的功率放大器。对于每个发送元件，一个方面能够包括串联连接到带通滤波器和天线的功率放大器。

本公开的另一方面可以包括多个RF链；以及将输入信号引导至多个RF链中的每一个的功率分割器。此外，发送元件阵列的大小M可以由切换器的频率确定。另一个方面能够包括发送元件阵列的大小M小于切换器的频率除以输入信号的带宽。

本公开的另一方面可以包括多个接收RF链、将每个接收RF链的输出合成的功率合成器、对合成后的信号进行下变频的下变频器、将下变频后的合成信号转换到数字域以产生数字信号的模数转换器、以及对数字信号进行解调的处理器。此外，另一方面可以包括发送器是第五代(5G)通信系统的一部分。

图10是例示了根据本公开的实施方式的可使用替代的控制器来实现的图1A的方法的框图。控制器1011包括通过总线1056连接的处理器1040、计算机可读存储器1012、储存器1058以及与显示器1052和键盘1051的用户接口1049。例如，与处理器1040和计算机可读存储器1012通信的用户接口1049在从用户接口1057的表面、键盘表面接收到用户的输入时获取数据并将数据存储在计算机可读存储器1012中。

可以想到的是，存储器1012可以存储处理器可执行的指令、历史数据以及本公开的方法和系统可以利用的任何数据。处理器1040可以是单核处理器、多核处理器、计算集群或任何数量的其它配置。处理器1040可以通过总线1056连接到一个或更多个输入和输出设备。存储器1012可以包括随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、闪存或任何其它合适的存储器系统。

仍然参照图10，储存设备1058可以适于存储处理器使用的补充数据和/或软件模块。例如，储存设备858可以存储历史数据和与本公开有关的以上提及的其它相关数据。附加地或另选地，储存设备858可以存储与如关于本公开的以上提及的数据相似的历史数据。储存设备1058可以包括硬盘驱动器、光盘驱动器、拇指驱动器、驱动器阵列或其任意组合。

系统可以通过总线1056可选地链接到适合于将系统连接到显示设备(未示出)的显示接口(未示出)，其中显示设备可以包括计算机监视器、相机、电视机、投影仪或移动设备等。

控制器1011可以包括电源1054，依据应用，电源1054可以可选地位于控制器1011的外部。通过总线1056链接的可以是适于连接至显示设备1048的用户输入接口1057，其中显示设备1048可以包括计算机监视器、相机、电视机、投影仪或移动设备等。打印机接口1059也可以通过总线1056连接并适于连接到打印设备1032，其中打印设备1032可以包括液体喷墨打印机、固体墨水打印机、大型商用打印机、热敏打印机、UV打印机或热升华打印机等。网络接口控制器(NIC)1034适于通过总线1056连接到网络1036，其中数据或其它数据等可以呈现在控制器1011外部的第三方显示设备、第三方成像设备和/或第三方打印设备上。

仍然参照图10，除此之外，数据或其它数据等可以在网络1036的通信信道上传输，和/或存储在储存系统1058内，用于储存和/或进一步处理。此外，可以从接收器1046(或外部接收器1038)无线地或硬连线地接收数据或其它数据，或经由发送器1047(或外部发送器1039)无线地或硬连线地发送数据，接收器1046和发送器1047二者通过总线1056连接。此外，GPS 1001可以经由总线1056连接到控制器1011。控制器1011可以经由输入接口1008连接到外部感测设备1044和外部输入/输出设备1041。控制器1011可以连接到其它外部计算机1042。此外，控制器10011可以连接到与机器1002和存储器设备1006通信的外部传感器1004。输出接口1009可以输出来自处理器1040的处理后的数据。

本描述仅提供示例性实施方式，并非旨在限制本公开的范围、适用性或配置。相反，示例性实施方式的以下描述将为本领域技术人员提供用于实现一个或更多个示例性实施方式的充分描述。可以想到的是，在不脱离如所附权利要求书中所公开的主题的精神和范围的情况下，可以在元件的功能和布置上进行各种变型。在以下描述中给出了具体细节以提供对实施方式的透彻理解。然而，本领域普通技术人员可以理解，可以在没有这些具体细节的情况下实践实施方式。例如，所公开的主题中的系统、过程和其它元件可以以框图形式示出为组件，以免在不必要的细节上模糊实施方式。在其它情况下，可以在没有非必要细节的情况下示出已知的过程、结构和技术，以避免使实施方式模糊。此外，在各个附图中相似的附图标号和标记指代相似元件。

另外，各个实施方式可以被描述为被描绘为流程图、流图、数据流图、结构图或框图的过程。尽管流程图可以将操作描述为顺序过程，但是许多操作可以并行或同时执行。另外，操作顺序可以重新排列。当过程的操作完成时，过程可以终止，但是可以具有未讨论或未包含在图中的其它步骤。此外，并非在任何特定描述的过程中的所有操作可以在所有实施方式中发生。过程可以对应于方法、函数、处理、子例程、子程序等。当过程对应于函数时，函数的终止可以对应于函数返回到调用函数或主函数。

此外，所公开的主题的实施方式可以至少部分地手动地或自动地实现。可以通过使用机器、硬件、软件、固件、中间件、微代码、硬件描述语言或其任意组合来执行或至少辅助进行手动或自动实现。当以软件、固件、中间件或微代码实现时，执行必要任务的程序代码或代码段可以存储在机器可读介质中。处理器可以执行必要的任务。

可以以多种方式中的任何一种来实现本公开的上述实施方式。例如，可以使用硬件、软件或其组合来实现实施方式。在权利要求中使用诸如“第一”、“第二”之类的序数术语来修饰权利要求要素本身并不意味着一个权利要求要素相对于另一个具有任何优先权、优先级或次序，或者执行方法的动作的时间次序，而是仅用作标签，以将具有特定名称的一个权利要求要素与具有相同名称(除了序数词的使用)的另一个要素区分开，以区分权利要求要素。

另外，本公开的实施方式可以被体现为一种方法，已经提供了该方法的示例。作为该方法的一部分而执行的动作可以以任何合适的方式排序。因此，可以构造实施方式，在该实施方式中以与所例示的次序不同的次序来执行动作，这可以包括同时执行一些动作，即使这些动作在示例性实施方式中被示为顺序动作。