CN100397806C - 移动通信系统中用于校准接收信号的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种用于在智能天线系统中校准接收信号的方法包括：本地地产生参考信号，把参考信号转换成RF信号，以及把RF信号分成与天线一样多的数目。然后检测经分割的RF信号的相位信息。接着通过执行移相操作而输出具有相同相位的多个参考信号，把RF信号转换成基带信号，以及通过把基带信号与校准向量相乘而校准基带信号。一种用于在智能天线系统中校准接收信号的装置包括参考信号发生单元和阵天线单元。参考信号发生单元包括本地参考信号发生器、RF转换器、分离器、鉴相器和移相器。阵天线单元包括天线、前端部分、RF发射机、RF接收机和基带处理器。还可以包括计算共轭复数的过程以及共轭复数计算器。在该方法中，由于把相同的参考信号输入阵天线单元，因此可以大大简化校准过程。

Description

移动通信系统中用于校准接收信号的方法和装置

技术领域

本发明一般涉及移动通信系统，尤其涉及智能天线系统中用于校准接收信号的装置和方法。

背景技术

移动通信系统的性能和容量基本受无线电波信道特性所控制，比如在小区间或小区内产生的相同信道干扰、路径衰减、多径衰落、信号延迟、多普勒频谱以及静区现象。

目前，为了克服性能和容量上的限制，移动通信系统应用了多种技术，包括功率控制、信道编码、雷克接收、分集天线、小区扇区化、分频、扩频以及类似补偿技术。然而，随着移动通信服务逐渐变得多样化，对这些服务的需求也大大增加。因此考虑到会逐渐难以仅仅用现有的技术来满足对移动通信系统的高性能和高容量的日益增加的需求。

此外，与现有的蜂窝电话和个人便携式通信相比，21世纪的移动通信系统会提供要求高质量和更大容量的多媒体通信服务，即使对于音调品质而言，也会要求这些系统提供高质量的语音服务，该语音服务至少要与有线通信内的音调质量一样好。同样，在其中混合各种服务信号的混合小区环境中，21世纪的移动通信系统将必须减少由于传输功率和传输带宽相对较大的高速数据所引起的强干扰信号的效应。移动通信系统还必须在所谓热点或静区内提供令人满意的服务。

为了克服由于干扰信号及其他信道特性所引起的性能降级，已经使用了智能天线，并将其评估为预期的广泛用于商业系统的核心技术。

不像由两根现有分集天线耦合多径信号的情况，在智能天线系统中，使用了具有多个天线传感器的阵天线，其中以特定的间隔排列传感器，并且使用了基带内的高级高性能数字信号处理。智能天线通过向移动通信系统添加了空间处理能量而增加了设计自由度，从而改进了系统的总性能。也就是，智能天线把定向波束而不是全方向波束仅发送到受影响的订户，使工作在一个扇区内的所有订户的信号间干扰最小。这导致通信质量和系统信道容量的提高。

当使用相关技术的智能天线系统进行通信时，接收机计算信号处理内所需的加权向量，并且根据接收到的信号提取信道的特定参数，比如到达方向(DOA)等等。如果各天线的特性不同，则信号处理的准确性降级。因此执行用于维持各接收机的特性的校准方法。

通常，有两种相关技术校准方法。一种使用参考路径，而另一种使用了本地产生的参考信号。在使用参考路径的方法中，接收信号通过参考路径一个和将要被校准的阵列。然后，通过使用通过参考路径的信号作为参考，使用诸如LMS(最小均方)或NLMS(标准化的LMS)这样的算法可以获得用于校准阵列的值。

LMS是自适应滤波的代表性算法，并且类似于由Widrow开发的自适应滤波器系数算法。但是不像Widrow滤波器，在LMS中，均方误差(MSE)没有二维向量，因此LMS表现出在简化算法结构和计算数据处理速度时的极佳性能。

NLMS是根据多个自适应滤波器执行的算法，尤其控制了影响自适应滤波器的收敛速度和稳定性的收敛常数，然后通过控制影响自适应滤波器系数的快速收敛的收敛常数而规划了系统内的最佳滤波器，以便克服由于固定收敛常数而产生的系统降级。同样，NLMS是一种方法的代表性算法，其中在每次取样中，用重复计算的输入信号的功率把收敛常数改变为一适当值。

通过使用算法和参考路径的方法，阵列的输出与参考RF(射频)的输出维持相同。然而，这种方法的缺点是参考信号不稳定。

图1a和1b说明了一种校准过程，其中使用本地产生的信号作为参考信号。参照图1a，为了产生参考信号，把RRF传输块10定位在阵列外。从RF块产生的输出被输入到分离器20内。输出通过分离器并被分成几个信号(1:N)。然后把经分割的信号输入到阵列30的各个部分。

如果使用了理想分离器，则每个所分割的信号的大小和相位需要相同。因而，如果忽略了分离器的误差，由于把相同的信号输入到阵列中，因此很容易发现并校准在阵列处产生的误差。

实际分离器不同于理想分离器，因此从分离器输出的信号具有彼此不同的大小和相位。也就是，当在已经通过RF块10和分离器20把信号输入到阵列30中后测量从阵列30输出的信号时，分离器和阵列的固有误差在输出信号中混合，因此不能校准阵列30的误差。

为了正确地校准阵列的误差，首先需要校准分离器的误差。因此，如图1b所示，对阵列输出进行测量的过程需要执行两次；也就是，测量阵列的输出，然后再次测量一根线变化后的阵列输出。

通过测量输出的两次执行的过程，检测并校准了分离器的固有误差，然后校准了接收机的误差，从而维持了阵列的相同特性。

在上述的智能天线系统校准过程中，使用参考路径的方法有缺点，因此参考信号自身不稳定。因而，难以执行准确的校准。同样，使用本地产生的参考路径的方法也有缺点，因为为了校准当信号通过分离器时产生的误差，需要执行两次复杂的测量过程。

发明内容

本发明的一个目的是至少解决相关技术的一个或多个问题并且/或者至少实现下列优点之一。

本发明另一目的是提供用于在移动通信系统中校准接收信号的装置和方法，所述校准通过对阵天线内各天线的RF路径的不同特性进行校准，从而改进了整个系统的性能。

为了实现这些及其他优点，并且按照这里包含且宽泛描述的发明目的，提供了用于在移动通信系统中校准接收信号的装置，按照本发明一实施例的该装置包括：参考信号发生单元，用于通过校准本地产生的信号的相位而输出具有相同相位的多个参考信号；以及阵天线单元，用于通过使用多个参考信号以及校准各条阵天线路径的失真，从而通过多条接收路径接收无线电信号。

参考信号发生单元最好包括：本地参考信号发生器，用于本地地产生参考信号；RF转换器，用于把参考信号转化成RF信号；分离器，用于把RF信号分成与天线一样多的数目；鉴相器，用于检测经分割的信号的相位信息；以及移相器，用于按照相位信息均匀地控制经分割的信号的相位。

天线单元最好包括：用于接收无线电信号的多根天线；前端部分，用于接收从参考信号发生单元输出的参考信号以及天线处接收到的无线电信号；RF发射机，用于把基带信号转换成RF信号并发射到前端部分；RF接收机，用于通过前端部分把输入到其中的RF信号转换成基带信号；以及基带处理器，用于接收基带信号并校准接收到的基带信号。

按照另一实施例，用于在移动通信系统中校准接收信号的方法包括：通过校准本地产生的信号的相位而输出多个具有相同相位的参考信号；通过使用多个参考信号并把接收到的无线电信号转换成基带信号，从而通过多条天线路径接收无线电信号；以及校准基带信号。

校准基带信号最好包括：把通过一条天线路径接收到的无线电信号设为参考；以及把通过其它天线路径输入的无线电信号与被设为参考的无线电信号的校准向量相乘。

本发明还可以包括从检测到的相位信息中计算共轭复数的过程，以及用于计算共轭复数的共轭复数计算器。

本发明的附加优点、目的和特征将部分在以下的描述中提出，部分将在本领域普通技术人员查阅了下文中变得明显，或者从本发明的实践中得知。本发明的目的和优点可以像在所附权利要求中特别指出的那样实现或达到。

附图说明

图1是说明使用本地产生的信号作为参考信号的相关技术校准方法的视图。

图2是说明按照本发明一实施例，用于在移动通信系统中校准接收信号的装置内部结构的视图。

图3是说明按照本发明一实施例，用于在移动通信系统中校准接收信号的方法过程的视图。

具体实施方式

本发明最好在智能天线系统中实现，然而本发明也可以在其它移动通信系统中实现，包括其中使用阵天线发送并接收信号的任一系统。

图2是说明按照本发明一实施例，用于在移动通信系统中校准接收信号的装置内部结构的视图。该装置包括参考信号发生单元100和阵天线单元110。

参考信号发生单元100包括：本地参考信号发生器101，用于产生校准所用的的参考信号；RF转换器102，用于把参考信号转化成RF信号；分离器103，用于把RF信号最好分成与天线一样多的数目；鉴相器104，用于检测经分割的信号的相位信息；以及移相器105，用于按照相位信息均匀地控制经分割的信号的相位。参考信号发生单元100还包括共轭复数计算器106，用于按照所检测的相位信息对信号的共轭复数进行计算。

本地参考信号发生器101产生用于校准智能天线系统的参考信号，RF转换器102把在本地参考信号发生器101处产生的基带信号转换成实际的RF信号。

分离器103把从RF转换器102输出的RF信号分成与天线一样多的数目。也就是，在其中使用N根天线的系统中，通过使用1:N分离器把RF信号分成N个信号。

鉴相器104检测从分离器103输出的RF信号的相位，并且使移相器105按照所检测的相位信息均匀地控制信号的相位。

在鉴相器104检测到信号的相位之后，共轭复数计算器106计算信号的共轭复数，以便控制信号所检测的相位。但是，共轭复数计算器106的使用是选择性的。因此，如果从分离器103输出的信号的相位相同，而无须计算共轭复数，那么就不需要共轭复数计算器106。这里，共轭复数是：如果信号为1+2i，则信号的共轭复数成为1+2i＝1-2i，并被称为“拔(bar)”。

移相器105均匀地控制信号的相位。移相器105使用从上述鉴相器104检测到的相位信息均匀地控制相位，或者通过把RF信号与共轭复数计算器106所获得的共轭复数相乘而均匀地控制相位。无论使用哪种方法，移相器105校准当信号通过分离器103时产生的相位误差，并且把具有相同相位的参考信号输入到前端部分112中。

在按照本发明的参考信号发生单元处产生的各个RF信号被输入到与各天线111相连的前端部分，具有相同的相位，并且通过RF接收机(RF Rx)114进入基带处理器115。

在相关技术方法中，由于通过分离器的参考信号彼此不同，因此测量过程执行了两次。但是在本发明中，把相同的参考信号输入阵天线单元110，从而简单地执行了校准。这里，阵天线单元被视为一个块，包括天线111、前端部分112、RF发射机(RF Tx)113、RF Rx 114以及基带处理器115，它们在图2的右侧被说明。

RF RX114把已经通过阵天线单元的前端部分112输入的参考信号转换成基带信号。基带处理器115接收该基带信号并执行校准以使接收特性相同。

图3是说明按照本发明一实施例，用于在移动通信系统中校准接收信号的方法的过程流程图。当在基站处开始接收时，从参考信号发生器产生用于校准接收信号的参考信号(S10)。然后，把所产生的参考信号输入到RF转换器，并把输入的参考信号转换成要输出的RF信号(S20)。此后，把输出RF信号输入到分离器，并把RF信号分成与天线一样多的数目(S30)。同时，发生从分离器输出的信号的大小和相位彼此不同的误差。

为了首先校准误差，检测已经从分离器输出的RF信号的相位信息(S40)。通过使用该相位信息，执行了用于均匀控制信号相位的移相(S50)。在执行移相之前，可以选择性地添加根据相位信息计算共轭复数的过程(S45)。同时，通过把RF信号与在过程(S45)中获得的共轭复数相乘而执行均匀控制信号相位的移相。

经过上述过程的信号通过前端部分被输入RF接收机，并被转换成基带信号(S60)。同时，经历了移相的所有信号都相同。因此理论上，由接收机转换的基带信号也应该相同。但是，由于各RF接收机的接收特性彼此不同，因此实际输出的基带信号也彼此不同。因而，需要执行使接收特性相同的校准。为了校准各天线的输出，把校准向量与基带信号相乘，从而使各天线的输出与参考天线的输出相同(S70)。

现在将描述通过把基带信号与校准向量相乘而校准天线输出的方法，假定有四个RF Rx(在图2中说明了两个RF Rx)。如果有四个RF Rx，那么有四个基带信号，例如四个基带信号a、b、c、d。当把一根特定的天线指定为用于校准的参考天线时，(例如当把“a”指定为参考天线并把对应于该参考天线的基带信号称之为“a”时)，用于校准各天线的输出的校准向量变成[1，a/b，a/c，a/d]。下面给出原始信号乘以该校准向量的表达式：

$\left[\begin{array}{cccc}a& b& c& d\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}1\\ a/b\\ a/c\\ a/d\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}a& a& a& a\end{array}\right]$

因而，各天线的输出变得与参考天线的输出(a)相同。这通过把基带信号与校准向量相乘而实现，从而阵天线接收部分(RF Rx)的接收特性可以维持相同。

如上所述，按照本发明用于在移动通信系统中校准接收信号的装置和方法省去了用于校准误差的复杂的测量过程，而同时仍在智能天线的校准过程中使用了本地产生的参考信号，并且校准通过分离器的信号的误差以产生相同的参考信号，从而简化了对阵天线各接收机的校准。

由于本发明可以包括在几种形式中而不背离其精神或基本特性，因此应该理解，上述实施例不限于上述描述的任何细节，除非特别指明，而应被宽泛地理解为在所附权利要求定义的精神和范围内，因此所附权利要求应该包括落在本发明界限或者这种界限等价形式中的所有变化和修改。

上述实施例和优点仅仅是示例性的，而不应被视为限制本发明。本发明的原理可以容易地应用于其它装置类型。本发明的描述是说明性的，而不是限制权利要求的范围。许多替代、修改和变化对于本领域的技术人员来说都是显而易见的。在权利要求中，用装置加功能的条款来覆盖这里描述的执行所述功能的结构，不仅包括结构等价物，还包括等价的结构。

Claims (14)

1.一种用于在移动通信系统中对阵天线的接收信号进行校准的装置，包括：

参考信号发生单元，用于通过校准本地产生的信号的相位而输出多个具有相同相位的参考信号；以及

天线阵，用于由多个参考信号通过多条天线路径接收无线电信号，并且校准各阵天线路径的失真，

其中，参考信号发生单元包括：

分离器，用于把RF信号分成与阵中的天线一样多的数目；

鉴相器，用于检测经分割的信号的相位信息；以及

移相器，用于根据相位信息均匀地控制经分割的信号的相位。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述参考信号发生单元还包括：

本地参考信号发生器，用于本地地产生参考信号；

RF转换器，用于把参考信号转换成RF信号。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述参考信号发生单元还包括共轭复数计算器。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述共轭复数计算器计算经分割的RF信号的共轭复数。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述天线阵包括：

用于接收无线电信号的多根天线；

前端部分，用于接收从参考信号发生器输出的参考信号以及由天线接收到的无线电信号；

RF发射机，用于把基带信号转换成RF信号并把RF信号发射到前端部分；

RF接收机，用于把RF信号转换成基带信号；以及

基带处理器，用于校准基带信号。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述基带处理器把通过一条天线路径接收到的无线电信号设为参考，并把通过其它天线路径接收到的无线电信号与被设为参考的无线电信号的校准向量相乘，从而执行校准。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述天线阵包括智能天线系统。

8.一种用于在移动通信系统中对阵天线的接收信号进行校准的方法，包括：

通过校准本地产生的信号的相位，而输出多个具有相同相位的参考信号；

通过使用多个参考信号的多条天线路径接收无线电信号，并把无线电信号转换成基带信号；以及

校准基带信号，

其中，所述输出多个参考信号包括：

把RF信号分成多个信号；

检测经分割的信号的相位信息；以及

通过根据检测到相位信息均匀地控制经分割的信号的相位而输出具有相同相位的多个参考信号。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述输出多个参考信号还包括：

本地地产生参考信号；

把参考信号转换成RF信号。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，输出多个参考信号包括计算所述RF信号的共轭复数。

11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述分割RF信号包括把RF信号分成与天线一样多的数目。

12.如权利要求9所述的方法，其特征在于，通过使用相位信息和所述RF信号的共轭复数之一来校准信号的相位，从而执行移相。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述使用共轭复数进行相位校准包括：把各个经分割的RF信号与所述各信号的共轭复数相乘。

14.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述校准基带信号包括：

把通过一条天线路径接收到的无线电信号设为参考；以及

把通过其它天线路径输入的无线电信号与被设为参考的无线电信号的校准向量相乘。

Images