CN101015138A - 具有多天线的无线通信装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无线通信装置及其方法，该无线通信装置包括多个天线，一个多天线信号处理模块，一个射频信号处理模块以及一个基带处理模块。该多天线信号处理模块用于将所述多个天线所接收到的多路射频信号合并为单路射频信号。射频信号处理模块用于将合并后的单路射频信号转换为单路基带信号。基带处理模块是用于对所述的单路基带信号进行基带处理。该无线通信装置仅在现有典型单天线系统中插入一个多天线信号处理模块即可实现多天线系统，而其射频信号处理模块和基带处理模块均可利用现有单天线系统的设计，从而简化设计过程以降低设计难度和实施成本。

Description

具有多天线的无线通信装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种无线通信装置及其方法，尤其涉及一种具有多天线的无线通信装置及其方法。

背景技术

随着移动用户数量的增加，在增大话务容量的前提下仍然保持较高的通话质量已经成为人们对现代移动通信系统的一种需求。多天线技术正是在这样的关注中，成为第三代移动通信技术中的热门课题。

多天线技术，通常包括：空间分集技术和自适应天线技术。在接收方向上，它采用至少两根天线接收信号，并采用诸如分集和波束成形的处理方法来合并多个并行信号，以获得比传统的单天线更好的性能。

研究表明，采用多天线技术，可以有效地提高信号的信噪比，从而使得通信过程中的通话质量得到显著提高。然而，现有通信系统的移动终端，普遍采用的是针对单天线系统的处理模块，如果将多天线技术应用到现有的移动终端上，那么处理模块中的硬件和软件部分均需要重新设计，这将是非常昂贵的。如何在现有移动终端的基础上进行改进，有效地利用单天线系统的处理模块中的硬件和软件资源，成为多天线技术应用于移动终端的一个关键问题。

下面，以采用TD-SCDMA标准的移动终端为例，说明现有移动终端中的单天线系统的组成以及将多天线应用到该单天线系统时面临的问题。

图1是构成典型的单天线移动电话的系统结构方框图，该系统包括：天线100、射频(RF)模块200、模拟数字转换器/数字模拟转换器(ADC/DAC)模块300、基带物理层处理模块400和基带高层处理模块500。其中，基带物理层处理模块400可以由Rake接收机或联合检测(JD)、扩频/解扩模块、调制/解调模块和维特比/并行级联卷积码(Viterbi/Turbo)编码/解码模块组成。而基带高层处理模块500可以由系统控制器和源编码/解码器组成，比如在应用中可采用数字信号处理器(DSP)或微处理器等来实现。

在下行链路信号处理过程中，首先：在RF模块200中，将天线100接收的无线信号进行放大和下变频，转换成中频信号或模拟基带信号；然后，经过ADC/DAC模块300中的抽样和量化，该中频信号或模拟基带信号被转换成数字基带信号而输入到基带物理层处理模块400；在基带物理层处理模块400中，根据来自基带控制模块的控制信号，先后经过Rake接收或联合检测(JD)、解扩、解调、去交织、Viterbi/Turbo译码等操作而得到的信号被提供给基带高层处理模块500；在基带高层处理模块500中，对经过基带物理层处理模块400处理后的数据再进行数据链路层、网络层或更高层的处理，包括高层信令处理、系统控制及源编码/解码等。

目前，上述单天线的移动电话技术已经相当成熟，并且许多制造商都开发出了成熟的芯片组方案。其中，上述的基带物理层处理模块400的功能通常是由专用集成电路(ASIC)构成的基带调制解调器实现的。

但是，如果在现有的移动电话中引入多天线技术，将完全改变整个单天线系统大多数模块的设置，其硬件和相应的软件，如基带物理层处理模块中的标准设计的Rake接收机和解扩等功能都很难被利用。为此，在本申请人于2002年12月27日提交的名为“具有多天线的移动终端及其方法”的02160403.7号中国发明专利申请以及同日提交的名为“具有智能天线的移动终端及其方法”的02160402.9号中国发明专利申请中，分别提出了两种解决方案，这里以插入的方式引入这两件专利申请所揭示的内容。利用上述两种解决方案，在将单天线系统升级至多天线系统时，可以重复地利用现有的标准基带处理模块中的软件和硬件设计，而不对其进行重大的改动，从而节约设计成本。

然而，在重复利用现有单天线移动终端的设计方面，上述两种方案仅实现了重复利用基带部分的软件和硬件设计，而未能实现对射频部分的有效利用，即在射频部分，仍然需要采用多个并行的路径对来自多天线的射频信号分别进行处理，包括放大、下变频和模数转换等处理过程。之后，再对多路信号进行合并传送至基带部分。因此，对于现有单天线系统中射频部分的单个信号处理路径，需要经过改造和重新设计，才能用于多天线系统，这在一定程度上仍然会增加设计的难度和实施的成本。

因此，如何在现有移动终端的基础上进行改进，更加有效地利用单天线系统的处理模块中的硬件和软件资源，仍是多天线应用于移动终端的一个尚待解决的问题。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种具有多天线的无线通信装置及其方法，该多天线的无线通信装置能够重复地利用现有的标准单天线系统中射频及基带信号处理部分的软件和硬件设计，而不对其进行重大的改动。

为了实现上述目的，按照本发明所提供的一种无线通信装置包括多个天线，一个多天线信号处理模块，一个射频信号处理模块以及一个基带处理模块。该多天线信号处理模块用于将所述多个天线所接收到的多路射频信号合并为单路射频信号。射频信号处理模块用于将合并后的单路射频信号转换为单路基带信号。基带处理模块是用于对所述的单路基带信号进行基带处理。

为了实现上述目的，按照本发明提供的一种用于具有多天线的无线通信装置中的方法，包括步骤：接收多路射频信号，并将该多路射频信号合并为单路射频信号；将所述单路射频信号转换为单路基带信号；以及对所述单路基带信号进行基带处理。

由于本发明的上述具有多天线的无线通信装置及其方法，在射频信号处理之前就将多路射频信号合并为单路射频信号，因此仅需在现有标准单天线系统中插入一个多天线模块进行该合并处理，后续的射频和基带信号的处理均可利用现有标准单天线系统的设计，从而简化设计过程以降低设计的难度和实施的成本。

本发明的其它目的及其实现，连同对本发明的更全面的理解，通过参考下面结合附图的说明书及权利要求，将变得更为显而易见及易于理解。

附图说明

以下将结合附图对本发明进行进一步的描述，其中：

图1是采用TD-SCDMA系统的典型单天线移动电话的方框图；

图2是本发明采用TD-SCDMA系统的具有多天线的移动终端中的接收装置的一个实施例的方框图；

图3是图2中的接收装置的MA模块的等效结构图；

图4是本发明采用TD-SCDMA系统的具有多天线的移动终端中的接收装置的另一个实施例的方框图；

图5是图4中的接收装置的MA模块的等效结构图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

图2是本发明采用TD-SCDMA系统的具有多天线的移动终端中的接收装置的一个实施例的方框图。与现有的具有单天线的移动终端的接收装置相比，图2所示的接收装置中增加了一个多天线(MA)模块600，由该MA模块600所产生的延迟很小，因此可以忽略该MA模块600带来的延迟。

具体如图2中所示，该接收装置包括：两根天线100、101，MA模块600，由一个RF模块200和一个ADC/DAC模块300组成的射频信号处理模块，以及由一个基带物理层处理模块400和一个基带高层处理模块500组成的基带处理模块。其中，两根天线100、101用于接收射频信号。MA模块600与上述两根天线100、101相连接，用于对接收到的两路射频信号进行处理，合并为一个信道的射频信号。MA模块600执行的操作包括：对两根天线100、101接收到的两个信道的射频信号中包含的参数信息进行权值计算，利用计算结果对这两个信道的射频信号的振幅和相位进行调节，从而将经过调节的两个信道的信号合并为一个信道的信号，并将合并后的信号传送到RF模块200。MA模块600的具体操作将在后面详细描述。

RF模块200用于对经过MA模块600合并后的射频信号放大和下变频，转换成中频信号或模拟基带信号。与RF模块200的输出端连接的ADC/DAC模块300，用于在对下行链路数据处理时，将来自RF模块200的中频信号或模拟基带信号抽样和量化，以转换成数字基带信号。基带物理层处理模块400，用于对经过ADC/DAC模块300输出的数字基带信号进行基带信号处理，其中可以包括：Rake接收、解扩、解调、去交织、联合检测(JD)、Viterbi/Turbo译码等。基带高层处理模块500，用于将基带物理层处理模块400处理后的数据进行数据链路层、网络层或者更高层的处理，其中可以包括：高层信令处理、源编解码等。

下面将结合图3详细描述在采用TD-SCDMA的系统中，MA模块600的结构和对信号的处理过程。

如图3所示，该MA模块600包括：权值调节模块601、602，一个合并模块610，两个RF模块621、622，两个ADC模块631、632，一个权值生成模块640，以及两个DAC模块651、652。

其中，权值调节模块601、602分别与两根天线100、101相连接，用于调节射频信号振幅与相位的，本实施例中权值调节模块601、602可采用乘法器来实现。合并模块610用于将两个乘法器601、602输出的经过振幅与相位调节后的信号进行合并，并将合并后的信号输出到RF模块200中，本实施例中合并模块610可采用加法器来实现。RF模块621、622的输入端也分别与两根天线100、101相连接，用以从旁路分别对接收到的射频信号放大和下变频，转换成模拟基带信号。ADC模块631、632的输入端分别与两个RF模块621、622的输出端相连接，将来自RF模块621、622的模拟基带信号抽样和量化，以转换成数字基带信号。权值生成模块640对ADC模块631、632输出的数字基带信号进行处理，计算出相应的权值系数，以供权值调节模块601、602调节射频信号的振幅和相位。其中有关权值系数的计算，可以运用现有技术，如在前述02160403.7号的专利申请说明书中提出的相关方法，此处不再详细说明。DAC模块651、652分别将权值生成模块640产生的两组权值系数转换成模拟量，并利用输出的两组模拟权值系数通过两个乘法器601、602分别对射频信号进行振幅与相位的调节。

当移动终端处于小区搜索阶段，本实施例中MA模块600执行的信号合并处理方法可以采用盲等比例合并方法(BlindEqual-Ratio-Combining)。由于在现有技术中，已有多种实现盲等比例合并的方法，这里仅就其处理过程作简单介绍。

首先，将来自两根天线100、101的信号中的一个信号，例如选择来自天线100的信号Sr作为参考信号，将来自天线101的信号作为其他信号So；

其次，将参考信号Sr在乘法器601中与DAC模块652输出的一个常数(例如常数1)执行乘法操作；

接着，权值生成模块640对经由旁路提取出的参考信号Sr和其他信号So对应数字基带信号的幅度差和相位差进行估算，例如可以将参考信号Sr与其他信号So的共轭信号进行相乘再进行归一化后得出相应的权值系数；

之后，将其他信号So在乘法器602中与经过DAC模块651转换的权值系数的模拟值相乘，即可实现其他信号So相对于参考信号Sr的幅度和相位补偿；

最后，将两个乘法器601、602的输出信号在加法器610中执行加法操作，即可将参考信号Sr与其他信号So在射频段合并为一路信号。

上述方法是将参考信号Sr与常数执行乘法操作，当然，也可采用参考信号Sr与其他信号So分别与相应的权值系数执行乘法操作来实现，其中相应的权值系数可以是参考信号Sr与其他信号So各自的共轭值等，在此不再赘述。

当移动终端处于正常连接阶段，比如该移动终端只接收来自一个基站的信号，且该基站采用一般的发射天线而不是发射分集或智能天线，则MA模块600执行的信号合并处理方法可以采用最大比合并(Maximum-Ratio-Combining，MRC)方法，例如采用改进的最小均方误差(LMS)处理方法，在上述02160403.7号专利申请中介绍了三种这样的处理方法，因此不再详述。

上述的盲等比合并与最大比合并的方法可以用计算机软件的方式实现，也可以用硬件的方式实现。

由以上描述可以看出，该实施例中的MA模块600是一个独立的模块，该模块不需要来自基带信号处理部分的任何反馈信号，仅利用对所接收到的多路射频信号本身所包含的参数进行相应的估算，即可实现对多路射频信号的合并操作。这种方案可使系统整体设计较为简单，直接在标准单天线移动终端中加入额外的天线和单独设计好的MA模块600，即可将其升级为多天线移动终端。但是由于这种方案单纯依靠对接收到的多路射频信号进行计算得出用作振幅与相位调整的权值系数，这会使其中的权值生成模块640在设计上相对复杂。

为了简化振幅与相位计算模块640的设计，从而进一步降低MA模块600的设计成本，本发明还提供了另外一种实施例，具体参见图4和图5。其中图4是本发明采用TD-SCDMA系统的具有多天线的移动终端中的接收装置的另一个实施例的方框图，图5是图4中的接收装置的MA模块600’的等效结构图。

该实施例与前述实施例的区别在于，MA模块600’根据基带处理模块通过控制总线传送来的MA控制信息，实现对多路射频信号的合并操作。其中，经由控制总线传送给MA模块600’的MA控制信息，可以包括但不限于：启动信号、算法选择信号、下行链路导频信息和训练序列等，在这里的启动信号是用来启动MA模块600’使其开始工作，算法选择信号是用来告诉MA模块600’应当选用的权值算法。MA控制信息可以经由控制总线传送给MA模块600’，也可以通过其他接口传送给MA模块600’。

本实施例中MA模块600’与前述实施例中的MA模块600的区别在于，其中的权值生成模块640’是根据来自基带处理模块的MA控制信息中所包含的用户特定训练序列等信息作为参考信号，而不再利用信号(Sr、So)中的信道参数，并且按照MA控制信息中指定的常规权值算法，计算出相应的权值，并将计算出的权值经过DAC模块651、652转换后分别提供给两个乘法器602、601用于调节信号权值。由于MA控制信息是通过控制总线在MA模块启动时一次性提供的，因此也不需要来自基带物理层处理模块400的动态反馈信号。

与前述实施例中MA模块600完全依靠对接收到的多路射频信号进行权值估算的处理方法相比，本实施例中MA模块600’利用已知的训练序列等信息来生成权值，算法更为简化，处理速度也相对较快。

虽然本发明的以上两个实施例均以包含两个天线的接收装置为例进行说明，但其设计方法同样适用于包含两个以上天线的接收装置。另外，由于上行链路与下行链路的对称性，尽管本发明仅仅介绍了的移动电话的多天线接收装置和方法的实施例，但毫无疑问，类似的方案也可用于发射装置和方法的设计上。例如，在包含两个天线的发射装置中，对信号的处理过程相当于接收装置中信号处理的逆向过程，因此在设计上，只需要将MA模块600或600’中的合并模块610替换成一个分离模块(如信号分路器，未图示)，用以将单路射频信号分离成两路射频信号，分别加权后由两个天线发射出去。

按照本发明上述的多天线无线通信装置和方法，只需要在现有的单天线无线通信装置中，插入MA模块，在不对现有移动电话的硬件和软件设计进行很大改动的条件下，就可以实现多天线技术与无线通信装置的结合。

当然，对于本领域技术人员而言，本发明所提供的多天线无线通信装置和方法，应当不仅仅限于移动电话系统中，其还可以应用于其他一些无线通信设备如无线通信基站、无线LAN终端等。

同时，对于本领域技术人员而言，本发明所提供的多天线无线通信装置和方法，应当不仅仅限于采用TD-SCDMA的系统中，其还可以应用于采用GSM(全球移动系统)、GPRS(General Packet RadioService：通用分组无线业务)、EDGE(Enhanced Data rate for GSMEvolution：改进数据率GSM服务)、WCDMA(宽带码分多址)、CDMAIS95、CDMA 2000标准等蜂窝通信系统中。

本领域技术人员应当理解，对上述本发明所公开的多天线无线通信装置和方法，还可以在不脱离本发明内容的基础上作出各种改进。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。

Claims (20)

1、一种无线通信装置，包括：

多个天线；

一个多天线信号处理装置，用于对所述多个天线所接收到的多路射频信号进行处理，以将该多路射频信号合并为单路射频信号；

一个射频信号处理装置，用于将所述合并后的单路射频信号转换为单路基带信号；以及

一个基带处理装置，用于对所述的单路基带信号进行基带处理。

2、如权利要求1所述的无线通信装置，其中所述基带处理装置，在所述多天线信号处理装置启动之前向其提供控制信息，以供所述多天线信号处理装置对所述多路射频信号进行合并处理。

3、如权利要求2所述的无线通信装置，其中所述多天线信号处理装置包括：

多个权值调节装置，用于根据各自接收到的权值，对来自所述多个天线的多路射频信号进行加权；

一个合并装置，用于将各权值调节装置输出的加权后的多路射频信号进行合并，并将合并后的信号输出至所述射频信号处理装置；以及

一个权值生成装置，用于根据所述控制信息，针对所述多路射频信号，生成用于调节各路射频信号的权值，并将该权值提供给所述相应权值调节装置。

4、如权利要求2或3所述的无线通信装置，其中所述的控制信息，至少包括下行链路导频时隙数据和训练序列数据。

5、如权利要求3所述的无线通信装置，其中所述多天线信号处理装置还包括：

多个射频装置，用于将所述多个天线所接收的多路射频信号转换成多路基带信号，以供所述权值生成装置生成相应权值。

6、如权利要求1所述的无线通信装置，其中所述多天线信号处理装置包括：

多个权值调节装置，用于根据各自接收到的权值，对来自所述多个天线的多路射频信号进行加权；

一个合并装置，用于将各权值调节装置输出的加权后的多路射频信号进行合并，并将合并后的信号输出至所述射频信号处理装置；以及

一个权值生成装置，用于根据所述多路射频信号所包含的信道参数，估算用于调节各路射频信号的权值，并将该权值提供给相应所述权值调节装置。

7、如权利要求6所述的无线通信装置，其中所述多天线信号处理装置还包括：

多个射频装置，用于将所述多个天线所接收的多路射频信号转换成多路基带信号，以供所述权值生成装置生成相应权值。

8、一种用于具有多个天线的无线通信装置中的方法，包括步骤：

(a)接收经由所述多个天线传来的多路射频信号；

(b)将所述多路射频信号合并为单路射频信号；

(c)将所述单路射频信号转换为单路基带信号；以及

(d)对所述单路基带信号进行基带处理。

9、如权利要求8所述的方法，在步骤(b)之前，还包括步骤：提供控制信息，其中所述步骤(b)根据该控制信息执行所述合并操作。

10、如权利要求9所述的方法，其中步骤(b)包括步骤：

根据所述控制信息，计算对所述多路射频信号进行调节所用的权值；

根据上述计算出的权值，对所述多路射频信号分别进行加权；以及

将加权后的信号合并。

11、如权利要求9或10所述的方法，其中所述的控制信息，至少包括下行链路导频时隙数据和训练序列数据。

12、如权利要求8所述的方法，其中步骤(b)包括步骤：

根据所述多路射频信号中所包含的信道参数，计算对所述多路射频信号进行调节所用的权值；

根据上述计算出的权值，对所述多路射频信号分别进行加权；以及

将加权后的信号合并。

13、一种无线通信装置，包括：

一个基带处理装置，用于输出单路基带信号；

一个射频信号处理装置，用于将所述单路基带信号转换为单路射频信号；

一个多天线信号处理装置，用于对所述单路射频信号进行处理，以将该单路射频信号分离成多路射频信号；以及

多个天线，用于发射所述多路射频信号。

14、如权利要求13所述的无线通信装置，其中所述基带处理装置，在所述多天线信号处理装置启动之前向其提供控制信息，用以供所述多天线信号处理装置对所述单路射频信号进行分离处理。

15、如权利要求14所述的无线通信装置，其中所述多天线信号处理装置包括：

一个分离装置，用于将所述单路射频信号分离成多路射频信号；

一个权值生成装置，用于根据所述控制信息，生成用来调节所述多路射频信号的权值；以及

多个权值调节装置，用于根据所述权值生成装置生成的权值，对所述多路射频信号进行加权，并将加权后的多路射频信号发送给所述多个天线。

16、一种用于具有多个天线的无线通信装置中的方法，其中包括步骤：

(a)产生单路基带信号；

(b)将所述单路基带信号转换为单路射频信号；

(c)将所述单路射频信号分离成为多路射频信号；以及

(d)将该多路射频信号分别从多个天线发射出去。

17、如权利要求16所述的方法，在步骤(c)之前，还包括步骤：提供控制信息，其中所述步骤(c)根据该控制信息执行所述分离操作。

18、如权利要求17所述的方法，其中步骤(c)包括步骤：

将所述单路射频信号分离成为多路射频信号；

根据所述控制信息，生成用来调节所述多路射频信号的权值；以及

根据上述生成的权值，对所述多路射频信号分别进行加权。

19、一种对多个天线接收的多路射频信号进行处理的装置，包括：

多个权值调节装置，用于根据各自接收到的权值，对来自所述多个天线的多路射频信号进行加权；

一个合并装置，用于将各权值调节装置输出的加权后的多路射频信号进行合并，并将合并后的信号输出至所述射频信号处理装置；以及

一个权值生成装置，用于根据所述控制信息，针对所述多路射频信号，生成用于调节各路射频信号的权值，并将该权值提供给相应所述权值调节装置。

20、一种对多个天线接收的多路射频信号进行处理的装置，包括：

多个权值调节装置，用于根据各自接收到的权值，对来自所述多个天线的多路射频信号进行加权；

一个合并装置，用于将各权值调节装置输出的加权后的多路射频信号进行合并，并将合并后的信号输出至所述射频信号处理装置；以及

一个权值生成装置，用于根据所述多路射频信号所包含的信道参数，估算用于调节各路射频信号的权值，并将该权值提供给相应所述权值调节装置。

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