CN101595637A - 有源天线中的相位和功率校正 - Google Patents

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Abstract

一种切换器，特别有利于在发射机之间进行信号相位的校正，以及其他用途。所述切换器具有：第一数据输入端，适用于输入来自第一发射机的发射信号；第一数据输出端；至少一个且优选地多个双向数据端口；以及控制输入端，适用于在第一种情况下选择地将所述第一数据输入端耦合至所述双向数据端口中的一个；以及在第二种情况下将所述双向数据端口中的一个和所述第一数据输入端耦合至所述第一数据输出端。通过将切换器的一个数据端口耦合至另一等同切换器的数据端口，可将来自另一发射机的发射信号用端口传送至第一所述切换器，并将两个信号输出至反馈电路，其找到相位差并将其应用于到一个发射机的新信号输入。还具体描述了波束形成和MIMO的使用。

Description

有源天线中的相位和功率校正
技术领域
这里详细的教导涉及阵列天线系统，例如在基站的相控阵列天线。更具体地，其涉及波束形成输入和发送信号的这种阵列的有源天线单元的相位和/或功率的校正。
背景技术
对于更高无线数据速率的不断需求促使无线通信系统和方法的多个方面的发展。本发明与天线单元阵列的波束形成相关。在这种阵列中，使用各个天线单元对于往返于与那些天线单元连接的收发信机的信号进行波束形成，以便对该无线信号增加天线分集。天线分集使得接收机能够捕获以及发射机能够增强信号在发送方和接收方之间遵循的不同无线路径。通过解析这些多径并对他们应用MIMO技术，可以对衰减信号进行更加可靠的解码，从而几乎不需要带宽用于重发和错误校正/控制。可以在不同的时间、对于不同的信号，使用阵列中不同的有源天线单元集，于是在理想的情况下，有源天线单元集的选择是动态的。目前，阵列天线系统典型地配置在固定陆地位置，例如蜂窝/PCS网络的无线基站、基于地面的军用感测站、以及在轨道卫星中。
阵列天线单元中最关心的是校正，具体而言是相位和功率校正。对于扩频信号，由于从天线单元到接收机的不同电路径，不同天线所接收的信号的相位可根据该信号到达接收机的用于解扩和解码的时间而不同。需要校正这些相位误差，以用于在相关器中的适当解扩。此外，当再次对信号扩频时，在接收机处必须对信号功率进行密切匹配，从而可容易地恢复两个版本。类似的关心也应用于波束形成传输。因为存在多个天线单元，并且对于不同信号和条件有源天线单元集也在改变，所以校正的问题非常复杂。在本领域中已经发展了解决这个校正问题的几个方法。
一些现有方法倾向于使用定向耦合器来寻找不同天线单元或有源单元集(例如子阵列)的信号的相对相位和振幅差，正如所结合的文献的背景技术部分所述。这种相位精确的RF耦合和连接网络对于阵列天线的制造增加了限制，因为现有技术倾向于依赖在天线端口和校正端口之间(的同轴电缆、微带线等)的物理长度的严格容限。在制造期间，还需要高成本的测量系统以查明在那些端口之间的导电介质的真实传播速度，对于任何任意的制造件来说该传播速度典型地在相当大的范围内来改变，所以相位电长度的精确度不能够仅取决于该导体的物理长度。在天线单元中使用的PCB材料中，相对介电常数εr也典型地在x和y方向之间改变，从而该信号传播速度根据方向改变，因此电长度也根据方向改变。然而，相位精确度是有效使用天线阵列系统的关键参数。
一般地，在整个天线孔径上的相位和功率分布是已知的并是控制的，这对于自适应天线是强制的，对于MIMO天线是有益的，否则将不形成期望的辐射方向图。如果需要在安装期间或安装之后调整辐射方向图，则对于更简单的天线结构来说这也是有用的特征。这样能够将无线电设备/收发信机和天线(一个或多个)集成到共同单元，并消除了有几个不同天线版本的需求，这将简化制造商的物流。区分两个天线术语：自适应天线跟踪移动用户设备并控制功率朝向特定移动用户，而有源天线是具有嵌入的无线电或RF功能的天线辐射体。这些教导对于该两种类型都是有利地，其也可结合成自适应有源天线。
发明内容
根据这里描述的这些教导的实施例，克服了以上和其他问题，并实现了其他优点。
根据本发明示例性实施例，提供一种切换器，包括：第一数据输入端，适用于输入发射信号；第一数据输出端；至少一个双向数据端口；以及控制输入端。所述控制输入端适用于在第一种情况下选择地将所述第一数据输入端耦合至所述双向数据端口；以及在第二种情况下将所述双向数据端口和所述第一数据输入端耦合至所述第一数据输出端。
根据本发明另一示例性实施例，提供一种无线电设备阵列。每个无线电设备包括：发射机，包括相位估计和调整组件。所述切换器包括：第一数据输入端，耦合至所述发射机的输出端；第一数据输出端，耦合至所述相位估计和调整组件的输入端；至少一个双向数据端口；以及控制输入端。所述控制输入端适用于在第一种情况下选择地将所述第一数据输入端耦合至所述双向数据端口；以及在第二种情况下将所述双向数据端口和所述第一数据输入端耦合至所述第一数据输出端。在所述无线电设备阵列中，每个切换器的至少一个双向数据端口耦合至至少一个其他切换器的至少一个双向数据端口。此外，在所述阵列中包括：处理器，具有耦合至所述切换器的控制输入端中的每个的输出端，用于在经由其双向数据端口彼此耦合的切换器之间协调所述第一和第二情况的所述的选择耦合。
根据本发明另一示例性实施例，提供一种方法。在该方法中，在反馈电路中处理来自第一发射机的第一发射信号；以及测量所处理的第一发射信号的第一相位。在所述反馈电路中处理来自第二发射机的第二发射信号；以及测量所处理的第二发射信号的第二相位。确定所述第一相位和所述第二相位之间的相位差；以及使用所述相位差调整到所述第一发射机的另一信号输入。
根据本发明另一示例性实施例，提供一种集成电路，包括处理器、切换器、发射机、相位估计器、相位调整器、和下变频器。所述切换器包括：第一数据输入端，耦合至所述发射机的输出端；第一数据输出端，通过所述下变频器耦合至所述相位估计器的输入端；至少一个双向数据端口；以及控制输入端，耦合至所述处理器，并且适用于在第一种情况下选择地将所述第一数据输入端耦合至所述双向数据端口；以及在第二种情况下将所述双向数据端口和所述第一数据输入端耦合至所述第一数据输出端。
根据本发明另一示例性实施例，提供一种计算机程序产品，在计算机可读存储介质上实现，包括使得耦合至所述存储介质的数字处理器执行用于以下操作的指令，所述操作用于选择将收发器彼此耦合。在所述计算机程序中，所述操作包括：将通过第一切换器来自第一发射机输出端的第一发射信号切换至反馈电路；以及经由所述第一切换器将来自第二发射机输出端的第二发射信号通过第二切换器切换至反馈电路。然后，所述操作包括：找到所述第一和第二发射信号之间的相位差；以及基于所述差调整到所述第一和第二发射机中的一个输入的信号相位。
以下详细描述对于各个实施例和方案的其他细节。
附图说明
当结合附图进行说明时，在以下具体实施方式部分中，这些教导的以上和其他方面将变得更加清楚。
图1A是本发明的一个实施例的耦合至求和单元并且还经由切换器和反馈电路彼此直接耦合的两个发射机的示意图。
图1B类似于图1A，但是该发射机通过求和单元彼此耦合。
图1C是图1A-1B的反馈电路的更加详细的示图。
图2是根据本发明实施例的逻辑流程图。
图3A是对于基带与RF频率的校正的延迟误差与求和损失的曲线图，图3B示出该图的一个部分的细节。
图4类似于图3A-3B，示出180度相位校正。
图5A是对于图3A绘出的组合信号的耗散和输出功率的曲线图。
图5B是对于图3A的一部分的基带图的放大图。
图6A类似于图5A，但是具有保持最佳的相位和改变的延迟。
图6B是对于图6A中所示信号的总和损失与相位误差的曲线图。
图7A-C示出备选延迟测量线的3个配置。
图8是根据本发明实施例的具有8个收发器的基站收发台的示意图。
图9A-E示出根据本发明各个实施例的无线电收发器的不同互连。
图10是根据图9A-9D中任一个的用于互连收发器的切换器的示意图。
图11A是本发明实施例所使用的相位和/或振幅测量电路的示意图。
图11B示出图11A的电路的细节。
图12A示出根据本发明实施例适用的图10的切换器与图11A的电路的一个组合，以支持图9A-9D的无线电设备。
图12B示出根据本发明实施例适用的图10的切换器与图11A的电路的一个组合，以支持图9E的无线电设备。
图13是示出根据本发明实施例的图10的切换器、图11A的电路、以及基站收发台中的各个收发器的相对配置的示意性框图。
以下更完整地描述这些和其他方面。
具体实施方式
典型地，已经解决了在制造处理期间现有技术中的校正问题，以保证信号校正路径的物理长度的严格容限。如上所述，对于制造材料(例如电路板衬底)的不同批次来说由于介电常数不同，电路径长度需要远超严格物理路径长度容限是困难的。这些在背景技术部分中进行过详细描述。对于阵列天线的大规模生产，这些基于制造商的方案看起来是耗时的，并且在材料和劳动力方面也是昂贵的。随着波束形成的快速实现，以及随着耦合至诸如基站收发台处的天线阵列的多个收发器在无线通信网络中使用，这个挑战有所增加。本发明的教导解决了多个发射机/接收机和单天线或多天线之间的相位和振幅/功率的不一致，并且可应用于校正探测器或应用于在那些收发器和天线(多个)之间的固定布线/电缆。
图1示出本发明实施例改进的固定布线实施例的概念，其中在随后的附图中进一步示出细节。第一发射机110具有：输入节点112，用于接收要发送的信号(一般地，在指定发射频率以下的中间频率IF)；相位(延迟/相位)估计组件114a和相位(延迟/相位)调整组件114b，用于确定相位调整并对(基带)输入信号的输入来施加；数模转换器DAC 116，用于将信号转换成模拟，以进行传输；各种(低通)滤波器118，与调制器120串联，所述调制器120用于将信号调制成载波并对IF信号进行上变频到发射无线电频率RF；可变增益级122，用于以精细方式进行增益调整；以及功率放大器124，用于在通向发射天线(未示出)的输出节点126之前立即增加信号功率。第二发射机130包括相同(或几乎相同)组件的基本类似配置：输入节点132、相位(延迟/相位)估计组件134a和相位(延迟/相位)调整组件134b、DAC 136、滤波器138、调制器140、可变增益级142、功率放大器144、和输出节点146。在发射天线和输出节点126、146之间插入有求和单元150。
在图1A的配置中，将第一发射机120看作是主设备，第二发射机140看作是从设备。在发射机120、140的每个中有反馈电路，以下详细描述第二发射机的反馈电路。反馈电路反向处理上变频和调制后的信号以返回到IF，在发射机中进行反向处理，并且反馈电路可与示出的发射机的收发器的接收机部分共享硬件。将来自求和电路150的反馈信号152作为使能信号输入到相位调整组件114b，所述使能信号表示存在来自第一和第二发射机120、140的求和信号，或在那两个信号之间的相位差超过某个预定容限阈值。这通过到切换器160的控制信号161启用反馈电路，其将主设备120和从设备140发射机彼此直接耦合。在信号线162，第一发射机120得到自己的RF发射信号，其沿着渡线(crossover line)154输出至第二发射机140。第二/从发射机140在与第一发射机120的信号线162类似的信号线164得到自己的发射信号，并且该两个信号经过反馈电路之一的切换器160。渡线154可以是集成电路(在上面印有不同的第一120和第二140发射机)之间的电缆，或优选地是在上面印制有发射机120、140两者的集成电路上的硬连线电路线。来自相位调整组件134b的控制信号161选择地启用切换器160，以输出其自己的发射信号至其他发射机，或通过反馈子电路168接受来自第一发射机120的发射信号并将两个发射信号送回相位调整组件134b。应注意，使用术语“发射信号”来表示从发射机的发射电路(例如扩频器、调制器、倍频器/上变频器)的输出得到的信号。无论发射信号实际通过端口送到天线还是在无线信道上发送，其与本发明的发射校正方面无关。
通过反馈子电路166对该两个信号进行反向处理(例如解调制、下变频到IF、必要时的功率调整等)，可能严谨地滤波168，并在反馈模数转换器FB ADC 170被转换成数字。在相位估计组件134a感测两个信号之间的相位差，并在相位调整组件114b应用该相位差以相位调整在输入节点132出现的信号，其随后通过第二发射机140，以调整通过第一发射机120的信号，从而使得第二发射机140的相位从属于第一发射机120的相位。然后，将同相求和的信号输出156到天线用于发射。可选地，通过对以上说明的进行很小改变并使用相同硬件，第一/主发射机120可调整自己的相位以匹配于第二/从发射机140的相位。
为了随后说明的简单，除了切换器160(例如反馈子电路166、滤波器168和FB ADC 170)之外，术语反馈环的那些组件(因为他们用于估计相位差和应用相位偏移)作为预测链。除了这里作为实例具体描述的部分，可使用不同的组件配置来作为预测链，以执行类似的估计/调整功能。由于在调制和上变频到RF之前，对于发射机的输入节点应用相位估计和调整，所以在预测链中必须有下变频器。
在图1B中示出备选配置，由于与图1A相同，所以不再具体描述类似示出的组件，除此之外，图1B示出调整第一发射机120的信号的相位以匹配于第二发射机140。图1A-B之间的不同包括图1B使用从求和单元150到切换器160的直接反馈线158代替图1A的渡线154，并且在图1B中不存在沿着各自反馈线152到相位调整组件114b的启用信号(尽管在不期望连续相位调整情况下，可使用一个这样的信号)。
对于图1A或1B，图1C示出反馈电路的特别部分。根据到切换器160的控制信号161，可认识到图1C可同样应用于从或主发射机。根据与切换器160相关的主机发射机是主设备还是从设备，将图1A-B的线162上的RF发射信号用端口输送到两个方向之一，即向主机发射机110反馈的第一方向180；或朝向另一发射机的正方向182，其中所述另一发射机基于沿着来自主机发射机的路径182的RF发射信号来估计以及对自己信号应用相位调整。对于图1C的主机发射机110调整自己的相位的情况，来自另一发射机的发射信号通过切换器160和预测链遵循线184。在相位估计组件114a，测量该两个信号之间的相位差，并且在调整组件114b将所述差应用于在输入节点112的信号。在延迟/相位估计组件114a还测量两个信号之间的延迟，以计算由来自其他发射机的信号遵循的电路径(沿线184)，其比来自主机自身(沿线180)的朝向估计组件114a的信号遵循的电路径长度更长。在这方面，两个信号之间的相位比较可用于那些不同信号的相同实例。由于信号处理对于在收发器的制造期间在硬件配置中可能固定的不一致进行校正，所以延迟测量和调整消除了制造具有严格容限的物理或电路径长度的需求。
本发明实施例能够在延迟/相位调整组件114b进行以215增量(32,768个步骤)的0-360度的复杂信号调整。对于以76.8MHz运行的系统，步骤的间隔始终是13纳秒，并平均成15个采样以平滑相位调整。在图3A至6B的性能图中使用这个精确度。
图4是详细描述根据本发明实施例的步骤的逻辑流程图。在框402，对于要发送的信号的相位和延迟设置初始值。在框404，测量主机发射机自己的信号的相位和延迟。在框406，测量来自另一发射机的发射信号的相位和延迟。在框408，初始阶段通过初始值并随后根据在框404和406之间发现的差，调整到发射机中的一个的新信号输入的相位和延迟。在框410，观察求和质量。这可通过相位检测器在求和单元150进行，由于对信号求和不会下降到一些指定阈值以下/超过一些指定阈值，所以这样可保证相位消减/增加。在框412，例如通过将组合的信号的相位与预测相位相比较(例如预测相位可来自于相位与时间的斜率的测量以保证平滑转换、从先前相位变化的外推等)，来确定调整的需求。通常将这些术语表示为容限，其可以是保证在相位改变的两个方向的精确度的高低阈值。如果在框412，调节在容限内，则遵循反馈路径414，并进一步观察求和质量没有立即改变。如果代替相位/延迟超出容限，则遵循反馈路径416，并对相位/延迟施加进一步调整。在实施例中，在框408采用的校正是框404和406之间的差，在多个采样中进行差分加权，以将最近的采样设置成更大权重。因此，一旦开始，相位/延迟的校正就是连续处理。
图3A是在基带BB(平滑线)以及发射射频RF的延迟误差与总和损失的曲线图(来自于发射信号求和的仿真)。图3B示出从图3A的底部切断的RF图的一部分。应注意，在BB，与在RF施加延迟的相同信号相比，该图更加平滑，但是在延迟增加时扩大总和损失(在图3A中，在大约+/-160ns的延迟时更显著)。
图4示出在BB中具有180度相位校正的延迟0.1ns的更小比例视图。应注意，在大约0.5ns间隔可看到局部最大量和最小量。也可示出RF模式的图，其同样具有以大约0.5ns分隔的局部最大量。
图5B是通过统一比例指示的图3A的一部分的更近的视图，但是仅示出BB图。对于与图5B相同的数据，图5A示出组合的BB信号的输出功率以及该相同信号的(在耗散端口测量的)耗散功率。对于图5A，将相位保持在用于组合的最佳设置，并仅改变延迟。应注意，由于通过对两个35dB信号的求和得到相位误差，所以图5A示出小于0.1dB的信号损失。这可用于设置初始延迟值(框402)，并用于找到在校正期间设置的最佳延迟，从而最大化来自求和单元150的信号功率。
图6A类似于图5A，除了相位改变和延迟保持相同时的模拟。图6A示出可找到最佳求和相位(对于这个实例的信号为大约185度)来维持输出功率在目标35dB。图6B示出在围绕最佳值的各个相位处由于图6A的求和信号的总和引起的损失。
以上图形化的仿真数据示出在基带BB有利地进行相位和延迟调整，而不是在IF或RF。因此，本发明实施例通过上述预测链返回两个信号，但是经由用于解扩的硬件以及下变频、解码等的硬件将所述预测链延伸至基带。这种硬件是本领域已知的，并包括相关器、用于下转换的分频器、解码器等。此外，并非仅仅为了校正目的而调整两个信号的相位和延迟，可以理解，可使用相同的硬件(通过使用对如下详细描述的切换器160的修改)将从不同发射机到多于一个天线的不同信号进行波束形成，或者通过设置延迟来改变功率输出，以便操作具有可变功率设置的自适应天线，用于与相对于设置有上述硬件的基站收发台移动的用户设备进行通信。
返回图1A-1C的概念，在图7A-C中示出反馈路径的备选配置，为了找到相位和延迟差，发射信号可遵循朝向切换器160以及预测链的该反馈路径。在图7A，第一发射机TX1耦合至第一天线，第二发射机TX2耦合至第二天线704。然后，测量信号线706、708将发射信号从每个天线702、704返回至各个发射机的切换器160和预测链。然后，特别地向天线702、704提供的该两个发射信号返回并进行求和，并如上所述对其中一个进行相位和延迟调整，以适当地校正或波束形成该组合信号。图7B的不同在于，测量信号线706、708输入到切换器160，其随后沿着纯返回测量信号线710将两个发射信号(单独地或组合地)返回至其中一个发射机。作为另一备选实例，在图7C中没有提供从天线到发射机的其他反馈路径，但是相反在每个发射机反馈电路上的两个修改的切换器160’之间存在修改的渡线154’。由于他们不是双向的，所以对他们进行修改；图7C中的仅一个发射机可以是主设备，另一个是从设备，但是图1A-1C中仅通过到各个切换器160的不同控制信号151来反转这些角色。在有价值的实施例中，可以看出，如先前所述的切换器160的特定双向性提供了比图7C的实施例更好的多个和明显优点。
现在描述本发明的更多有利实施例。图8示出基站收发台802，其具有8个无线电发射机804A-H以及将发射机彼此耦合以及耦合至天线辐射器阵列的天线单元的各个电路。因此，所示的8个无线电设备代表8个有源天线，但是应注意，可使用任意数目的n个无线电发射机，n是大于1的整数。为了简单，考虑对于每个天线单元(未示出)存在1个发射机/收发器804A-H，但是任意收发器804A-H(备选地，术语表示为无线电设备)可耦合至任意天线或其组合，并且如图所示任意收发器804A-H可以与任意其他收发器804A-H成对。由于如上所述使用收发器的发射和接收两种电路，所以他们通常术语表示为无线电设备。共同基带处理引擎808处理到达和来自每个发射机804A-H的信号。收发器804A-H可通过与图8所示不同的方式连接，其中冗余连接和在那些连接的电路径长度中的变化有利于整个系统的健壮性和路径长度测量的精确度(见图9A-E)。在如上所述测量相位和延迟差时，相位和延迟校正独立于无线电设备之间的电路径长度差，这是因为在比较的和差分的信号中已经反映了数据。
当在宽频带(例如CDMA或类似的扩频协议)上对RF信号扩频时，共同基带BB处理组件808包括：相关器，用于扩频/解扩信号；还包括：解码器等，用于误差控制；和复数乘法器，用于相位差测量和调整。典型地，这个组件808可以是专用集成电路ASIC。容易地，在相关器应用相位调整和延迟，但是在其他实施例中可以使用其他硬件。可经由渡线154、反馈信号线158或探测器得到来自不同收发器的信号相位，所述探测器根据空中的任意天线辐射器对来测量组合场。可通过任意多种已知方式施加延迟，包括一系列单位延迟寄存器、在相关器中的各种延迟级等。控制器(图13中所示为控制单元1310)将控制信号发送至在每个无线电设备(以下详细描述)处的切换器1000，以选择性地将各个输入端耦合至各个输出端。由于在多个切换器中对这个控制信号进行协调以使能多个功能(以下将参照图12A-B和13描述)，所以在性质上这与图1A-1C中可见的使能信号不同。
在图9A-D的不同实施例中示出在各个收发器804A-H之间使用信号线的互连，其中每个双向箭头指示在各个收发器/无线电设备1-8的切换器160之间沿着测量路径的耦合。在图9A，存在最小数目的测量路径，但是没有冗余和没有确认测量路径。应注意，图9A中的一个无线电设备的故障将导致至少一个其他无线电设备不能够耦合至该故障的无线电设备的天线。图9B与图9A的不同在于确认测量路径902位于无线电设备5和无线电设备8之间，所以无线电设备1具有到达无线电设备8的两个不同的路径。这允许了一些(最少的)冗余；由于本发明的目标在于校正，所以确认路径的更大值是在相同无线电设备之间的等同路径上的误差检测/校正。然而，确认路径902的长度相对较长，并容易引起误差。在图9B中的这个确认路径的成本略微大于测量路径的最小数目，后者是在制造领域关心的。
图9C和9D示出更多的确认路径和冗余度。图9C具有3个附加测量路径904、906、908，其合理地提供优良的冗余度；任何无线电设备可出现故障，并且没有其他无线电设备被断开。存在优良的模块化方法，以选择用于波束形成的无线电设备的不同对/组，并且确认路径904、906、908较短。图9D支持最小数目的测量来校正任意无线电设备对，由于根据一个主设备(无线电设备1)测量所有无线电设备，所以存在较好的精确度，从而不存在总误差。然而，由于多个长测量路径，所以图9D需要复杂电缆/信号路径，并且更重要地，不存在冗余的主无线电设备(无线电设备1)。如果另一无线电设备成为主设备的冗余，则测量路径的数目可以是双倍或几乎双倍。从成本效益的观点，图9C的选择显现出固定信号线实施例的一般用途的最佳选择。如图所示，由于在任意给定时间任意无线电设备可以是具有任意其他从设备的主设备，所以通过图9C的实施例，仅存在一种需要制造的、对于所有无线电设备共同的切换器160。
图10示出切换器160的细节，但是对于多个邻近无线电设备/收发器将其修改为切换器1000。如先前参照图1A-C描述了控制输入端161。类似于图1A的渡线154，但是基于控制输入端151，选择地将信号线/数据端口1001、1002、1003、1004耦合至不同无线电设备/发射机，在这种情况下所述控制输入端151来自于图8的控制器(在图13中示出为控制单元1316)，并非仅使能信号。这选择地使得切换器指引来自其自己主机发射机的发射信号(例如，在信号线1001上的输入)沿着其他信号线/数据端口1002-1004中的任一个输出至另一无线电设备(作为图1C的信号线182)，并且在主机发射机处进行相位调整，从而与主机发射机自己的发射信号(在数据端口1001处)一起将来自任意数据端口1002-1004上的另一发射机输入的发射信号发送至预测链(输出1006)。在图9C的环境下，每个无线电设备具有如图10所示的切换器1000，其中一个信号线1001到达相同无线电设备，并且剩余信号线1002-1004均到达与其双向耦合的另一无线电设备。预测链输出1006输入到图1A-C中的预测链，包括输入到反馈子电路166、滤波器168、FB DAC 170、和延迟/相位评估/调整组件114a、114b，并优选地均称为BB。这个切换器1000使得任意发射机能够耦合至任意其他发射机，用于任意发射机对的相位和延迟的校正。对于图9A-B和9D的其他实施例来说，仅需要略微修改；或多或少的信号线1001-1004取决于多少个其他无线电设备耦合至所考虑的一个无线电设备。
切换器1000的天线端口1008耦合至配置在切换器1000和天线辐射元件(未示出)之间的定向耦合器。由此，在天线无线接收的信号可选择地耦合至数据端口1001-1004中的任一个，或者在数据端口1001-1004中的任一个处接收的来自各个发射机中的任一个的发射信号可耦合至天线端口1008，用于从所述天线辐射元件进行发射。
如参照图9A-D所述(并且对于图9E可看出)，切换器1000支持相位的简单和可扩展的测量方法。由于可改变测量路径以避免任何发射机不能完全操作(如图9A-9D所示，嵌入冗余的情形)，所以在一个或多个无线电设备不起作用时，该方法还支持高度冗余。切换器功能还支持任意两个无线电设备在一起直接比较。切换器1000的特征是可将在任意数据端口输入1001-1004的发射信号输出至任意其他数据端口1001-1004，或至切换器天线(通过天线端口1008)，使得这种互连的切换器的阵列(具有关联的无线电设备和天线)旁路主机无线电设备和/或主机天线。即，通过例如图9A-D的实施例中切换器耦合多个无线电设备，任意无线电设备可发射或从任意天线进行接收；可在任意无线电设备对之间校正；任意无线电设备可从任意天线组进行波束形成；并且可将任意无线电接收机用作任意其他无线电设备接收机的分集化接收机。根据冗余度，可使用互连的切换器来避免任意无线电设备或天线停止运行。
以上描述旨在校正发射信号，应注意，其容易地适用于对发射信号进行波束形成，或修改在天线单元的功率以用于移动用户设备。在下文，对于接收校正和MIMO检测延伸了这些相同的教导。图11A示出具有主接收机和分集化接收机的两个天线的集成传输环，其术语表示为TOPI电路1102。来自第一天线1104以及来自第二天线1106的引线经过TOPI电路，其选择8个接收机中的任一个，其中两个示出在RX1主设备1110和RX2分集化设备1112。其他示出为标号1114。在天线引线1104、1106接收的两个信号中的任一个可通过TOPI电路耦合至8个接收机1110、1112、1114中的任一个。图11E示出TOPI电路1102的特定细节，其还示出测试节点1116。对于每个接收机的输出用两个编号，用于主设备(未加引号的编号)和分集化设备(加引号的编号)。使用视频图形阵列VGA芯片选择地将发射机耦合至接收机，并示出用于存储切换器的指示信息、锁相环设置、分级衰减器、和混合器选择的数据寄存器。VGA是将各个输入映射至输出的已有方案，但是更多个性化芯片或一般的基于非视频的芯片也可用作相同目的。TOPI电路独立于专用发射机和接收机；一个实施例可通过最广为人知的双工间隔来运行。
图12A示出与具有一定修改的TOPI电路结合的切换器1000。TOPI电路是这样的详细实施例，即可如何实现切换器1000的选择，从而可将任意输入信号(来自数据端口1001-1004处的任意发射机输入、或在天线端口1008处的无线接收的信号输入的发射信号)发送至任意无线电设备。具体地，作为无线电引线1001-1004，如先前描述了切换控制器151以及对预测链1006的输出。为了可接收在天线处无线接收的信号以及到切换器1000的天线端口1008的输入，TOPI电路将天线端口1008耦合至主接收机输出1201和分集化接收机输出1204。对于在耦合至天线端口1008的天线处无线接收的信号将在与该天线相关的主1202和分集化1204接收机接收的情况，切换器1000仅将天线端口1008耦合至TOPI电路1102的输入端。对于期望另一主或分集化接收机的情况，切换器1000通过选择数据端口1001-1004中的一个将天线端口1008耦合至邻近切换器中的一个。在该邻近切换器，随后将在其数据端口1001-1004中的一个接收的无线信号输入耦合至TOPI电路1102的输入端，并在主接收机端口1202或分集化接收机端口1204中的一个或两个进行输出。因此，在任意天线无线接收的信号可用端口输送至各个无线电接收机中的任一个，这些无线电接收机全部通过切换器配置进行互连。按这个方式修改的切换器1000支持几乎无限数目的测量拓扑，正如所理解的仅改变信号引线1001-1004的数目，以适用于每个无线电设备耦合到的邻近无线电设备的数目。
如上所述，本发明实施例还支持使用探测器的校正，而非(或结合)在硬件中的信号组合。图9E示出这样的配置，其中校正探测器在每4个无线电设备组成的集群之间等距间隔设置。每个无线电设备耦合至用于得到在探测器感测的组合信号以及用于从中获取相位和延迟误差的探测器。与从硬件组合的信号来测量相位误差不同，在探测器实施例中，将信号在空中组合并在探测器处感测，并向后控制。备选地具有附加处理，可以在探测器处单独地感测来自不同发射机的不同信号，并在接收之后在硬件中对他们进行组合。在任一实例中，除了如图12B示出的不同，相位差电路主要类似于以上描述的。通过引用结合于此的共同拥有的专利申请具体描述了这种探测器的有利实施例及其关于有源天线辐射器的特定布局。
图12B示出不同于4个信号线1001-1004，每个切换器1000具有到天线切换器1208的一个信号线1206，所述天线切换器1208选择地支持任两个切换器160从相同探测器910接收信号。然后，这些切换器1000中的每个将接收的信号输出至其主1202和分集化1204接收机中的任一个或两者，然后，使用在空中组合的、并在探测器处910接收的信号来校正具有分集化接收机的主接收机、两个主接收机、两个分集化接收机、或相对的主和分集化接收机对，与发送端的操作并非不同。应注意，这个探测器功能可与上述多个数据端口1001-1004组合，并且不必代替从图12B所示的内容。
TOPI电路1102还支持发射相位校正，这是因为在许多实例中探测器910可用作独立天线。应注意，来自天线切换器1208的附加引线可以与图9E所示的四向耦合并存。对于每个探测器910，可使用任意不同数目的引线来耦合多于四个或少于四个的无线电设备。为了校正，可感测组合信号，或者可在探测器处(在不同时间)感测来自不同发射机的各个信号。
通常，然后切换器1000能够将阵列中的n个发射机中的任一个选择地耦合至阵列中的n个接收机中的任一个，其中n大于1。在所示实施例中，这个耦合贯穿在所耦合的发射机/接收机的切换器的另一实例。如通过TOPI电路1102所示，切换器1000也可将该TOPI电路的天线环耦合在各个发射机和接收机中的任一个之间，从而将任意天线双向耦合至任意发射机或接收机。
图13是示出图8的一个发射机1301A、其相应接收机1301B、以及来自另一无线电设备的分集化接收机1302B的进一步细节的示意性框图。图8的控制器示出为控制单元1316，其将控制信号发送至各个切换器，用于选择地将所述输入耦合至上述输出。应注意，一个发射机1301A和接收机1301B(通过双工滤波器1306)耦合至一个(主)天线1304，并且分集化接收机1302B(通过接收滤波器1307)耦合至其自己的天线1308，其参照图13描述所述的功能和主收发器1301A-B术语表示为分集化天线1308。主接收机1301B和发射机1301A被认为是与所示切换器1000和TOPI电路1102相关的主机无线电设备。还示出各个功率放大器1310。对于图13的切换器的一个增加是增加了分集化天线端口，用于如上所述的天线端口1008那样将切换器1000双向耦合至分集化天线1308以及主天线1304。
在两个部分中示出图8的BB处理引擎808，即：场可编程门阵列FPGA1310以及BB处理引擎808的剩余部分。FPGA 1301是相关器所在的地方，以及如上所述进行估计和采用相位误差的地方。虽然如上所述对于发射分集化和波束形成进行相反的类似处理，图13还描述了采用接收信号的相位误差。在主1304和分集化1308天线的每个进行接收信号，划分每个所接收的信号，并在一个实例中传送至切换器1000，其使得来回切换的其他接收机能够与上述类似来处理该信号。即使与图13中所示的直接耦合至那些各个天线1304、1308的主1301B和分集化1302接收机分离，切换器1000也从主1304和分集化1308天线得到信号，并且可指引这两个信号中的任一个到任意接收机对。各个ADC 170和DAC 116将各个发射机和接收机耦合至FPGA 1310，其在数字域中操作，并将来自任意接收机对(或到任意发射机对)的信号耦合至图8中的基带处理引擎808。
还将接收的信号(来自主天线1304和/或分集化天线1308)从切换器1000传送至到FPGA 1310的预测链1006。来自相同(主或分集化天线)的两个信号一同在第一时间出现在FPGA 1310，所以可在相关器或位于该FPGA 1301中的其他硬件中如上所述地(例如图1A-C的延迟/相位估计组件114a和延迟/相位调整组件114b)测量和补偿相同天线接收的信号之间的任意相位差。相位测量可通过简单测量以及FPGA 1310中的比较电路来进行，并且相位调整可通过相位旋转器或在该FPGA 1310中的延迟级来进行。尽管可在各个级校正相位误差，但是优选地在解扩之后测量相位误差。通过对于各个硬件的一个或多个转换模块器时钟1314，可参考主时钟1312来定时。
例如如果图13所示的发射机1301A由于维护或故障不工作，则在发射端，可将来自另一发射机的发射信号输入至在数据端口1001-1004中任一个的切换器，并输出至主天线1304或分集化天线1308或两者。这样，由于即使一个有源天线的无线电设备不可用而所有天线仍保持可用，所以在基站收发台BTS处的无线电设备的数目的降低不需要减少可用于BTS的波束形成选项或MIMO路径。
应注意，在集成电路(可以在一个或几个衬底上)中，多个收发器可被压印并共享相同BB处理引擎808/FPGA 1310，而图13仅示出一个收发器和分集化接收机。还应注意，每个收发器与其自己的切换器1000成对，从而各个收发器通过其各个切换器的互连的数据端口1001-1004(以及在使用探测器的实施例中通过附加天线切换器1208)彼此耦合，并且控制单元1316作为多个切换器1000上的控制运行，以选择地将任意n个发射机对耦合至任意接收机，或任意n个接收机对耦合至任意发射机，或任意第n天线耦合至n个接收机或发射机中的任一个(其受到图9A-E的各个实施例的互连限制)。
图13是可实现本发明的、有利地配置在BTS中的一个或多个集成电路的示意性框图。本发明的实施例可配置在具有对另一节点的无线链接的任意主机计算设备中，无论无线链接是蜂窝式/PCS、IP协议等。本发明的实施例还可配置在移动用户设备(例如移动站)中，但是对于BTS可看出其直接的优点。这种主机设备包括一对收发器、处理器和计算机可读存储器，后者用于存储由执行与本发明相关行为的处理器可执行的计算机指令的软件程序。在图13示出这种硬件，其中存储器包括在所示芯片中(BB处理引擎808、FPGA 1310、控制单元1316)，或者存储器可与他们分离。另一实施例的使用在轨道(通信)卫星或非轨道空间探测器中。
已知类型的天线辐射元件包括单级、双极、平面式倒F天线PIFA、以及其他，其中任一个适用于本发明的实施例。
本发明的实施例可通过主机设备的数据处理器(例如处理器(808、1310、1316或他们的组合))可执行的计算机软件、通过硬件、通过软件和硬件的组合实现。此外，应注意，图2的逻辑流程图的各个方框可代表程序步骤、或互连的逻辑电路、组件和函数、或程序步骤和逻辑电路、组件和函数的组合。
存储器或多个存储器可以是适用于本地技术环境的任意类型，并且可通过使用任意适合数据存储技术来实现，例如，基于半导体的存储设备、磁存储设备和系统、光存储设备和系统、固定存储器和可移动存储器。数据处理器(或多个)808、1310、1316可以是适用于本地技术环境的任意类型，并且作为非限制性实例可包括一个或多个通用计算机、专用计算机、微处理器、数字信号处理器(DSP)和基于多核处理器架构的处理器。
一般地，各个实施例可以在硬件或专用电路、软件、逻辑或其任意组合中实现。例如，一些方面可以在硬件中实现，而其他方面可以在可由控制器、微处理器或其他计算设备执行的固件或软件中实现，但是本发明不限于此。尽管作为框图、流程图、或使用一些其他图形表示来示出和描述本发明的各个方面，但是可以很好地理解，这里描述的这些方框、装置、系统、技术或方法可以在作为非限制性实例的硬件、软件、固件、专用电路或逻辑、通用硬件或控制器或其他计算设备、或一些组合中实现。此外，采用术语“包括”的那些权利要求包含了具有所述特征并结合没有明确描述的其他特征的实施例。
本发明的实施例可以在例如集成电路模块的各个组件中实践。集成电路的设计总的来说是高度自动的处理。可使用复杂和强大的软件工具将逻辑级设计转换成准备在半导体衬底上蚀刻和形成的半导体电路设计。
例如由Califonia的San Jose的Cadence Design和California的Mountain View的Synopsys公司提供的程序自动地路由导体，并使用制定优良的设计规则以及预先存储的设计模块库在半导体芯片上定位组件。一旦完成了半导体电路的设计，所得到的设计以标准的电子格式(例如Opus、GDSII等)可被发送至半导体制造工厂或“fab”用于制造。
尽管在特定实施例的上下文中有所描述，但是对于本领域普通技术人员清楚地，可对于这些教导进行多种修改和各种改变。因此，尽管参照本发明一个或多个实施例特别示出和描述了本发明，但是本领域普通技术人员可以理解，在不脱离以上所述的本发明的范围和精神的情况下，或不脱离所主张的权利要求的范围的情况下，可进行某些修改或改变。

Claims (30)

1.一种切换器，包括：
第一数据输入端，适用于输入发射信号；
第一数据输出端；
至少一个双向数据端口；以及
控制输入端，适用于在第一种情况下选择地将所述第一数据输入端耦合至所述双向数据端口；以及在第二种情况下将所述双向数据端口和所述第一数据输入端耦合至所述第一数据输出端。
2.如权利要求1所述的切换器，包括：至少两个双向数据端口，其中所述控制输入端适用于在第一种情况下选择地将所述第一数据输入端耦合至所述至少两个双向数据端口中的任一个，在第二种情况下将所述第一数据输入端和所述双向数据端口中的任一个耦合至所述第一数据输出端，以及在第三种情况下将所述双向数据端口中的任一个耦合至其他双向数据端口中的任一个。
3.如权利要求2所述的切换器，还包括：天线端口，适用于将天线双向耦合至所述双向数据端口中的任一个。
4.如权利要求3所述的切换器，其中所述第一数据输出端适用于耦合至下变频器，所述切换器还包括：第二数据输出端，适用于耦合至接收机，以及其中所述控制输入端还适用于在一种情况下选择地将所述天线端口耦合至所述第二数据输出端，以及在另一情况下将所述数据端口中的任一个耦合至所述第二数据输出端。
5.如权利要求4所述的切换器，与以下设备相结合：发射机，具有耦合至所述第一数据输入端的输出端；下变频器，具有耦合至所述第一输出端的输入端；以及接收机，耦合至所述第二数据输出端。
6.如权利要求4所述的切换器，其中所述切换器包括第一切换器，所述第一切换器与和所述第一切换器相同的第二切换器结合，其中所述第一切换器的数据端口耦合至所述第二切换器的双向数据端口。
7.如权利要求1所述的切换器，其中所述双向数据端口适用于耦合至天线校正探测器。
8.一种无线电设备阵列，每个无线电设备包括：
发射机，包括相位估计和调整组件；以及
切换器，所述切换器包括：
第一数据输入端，耦合至所述发射机的输出端；
第一数据输出端，耦合至所述相位估计和调整组件的输入端；
至少一个双向数据端口；以及
控制输入端，适用于在第一种情况下选择地将所述第一数据输入
端耦合至所述双向数据端口，以及在第二种情况下将所述双向数据端
口和所述第一数据输入端耦合至所述第一数据输出端；
其中每个切换器的双向数据端口耦合至至少一个其他切换器的双向数据端口；
所述无线电设备阵列还包括：处理器，具有耦合至所述切换器的控制输入端中的每个的输出端，用于在经由其双向数据端口彼此耦合的切换器之间协调所述选择耦合。
9.如权利要求8所述的阵列，还包括：基带处理引擎，包括场可编程门阵列，其具有耦合至每个切换器的第一数据输出端的输入端，还具有耦合至每个切换器的发射机的输入端的输出端。
10.如权利要求8所述的阵列，其中每个无线电设备还包括接收机，以及其中每个切换器还包括耦合至所述接收机的输入端的第二数据输出端；其中所述控制输入端还适用于选择地将所述双向数据端口耦合至所述第二数据输出端。
11.如权利要求8所述的阵列，其中每个切换器还包括天线端口，并且每个无线电设备还包括耦合至所述无线电设备的切换器的天线端口的天线单元，
以及其中所述控制输入端还适用于在一种情况下选择地将所述天线端口耦合至所述双向数据端口，以及在另一情况下将所述天线端口耦合至所述第二数据输出端。
12.如权利要求8所述的阵列，还包括：至少一个天线校正探测器，具有耦合至至少两个切换器的所述数据端口的输出端以及耦合至至少两个发射机的输入端。
13.如权利要求8所述的阵列，其配置在基站收发台中。
14.一种方法，包括：
在反馈电路中处理来自第一发射机的第一发射信号；
测量所处理的第一发射信号的第一相位；
在所述反馈电路中处理来自第二发射机的第二发射信号；
测量所处理的第二发射信号的第二相位；
确定所述第一相位和所述第二相位之间的相位差；以及
使用所述相位差调整到所述第一发射机的另一信号输入。
15.如权利要求14所述的方法，其中在基带测量所述第一相位和所述第二相位。
16.如权利要求14所述的方法，其中所述处理所述第一和第二发射信号的步骤是与包括所述第一和第二发射信号的组合信号同时进行，以及其中测量所述第一和第二相位的步骤包括：将所述组合信号的相位与基准值相比较，以确定所述相位差。
17.如权利要求16所述的方法，其中从天线校正探测器接收所述组合信号。
18.如权利要求14所述的方法，其中处理所述第二发射信号的步骤包括：向第一选择切换器发送第一控制信号，其将双向数据端口耦合至所述反馈电路。
19.如权利要求18所述的方法，其中处理所述第二发射信号的步骤包括：向第二选择切换器发送第二控制信号，所述第二选择切换器具有耦合至所述第一切换器的双向数据端口的双向数据端口，所述第二控制信号将所述第二发射机的输出耦合至所述第二切换器双向数据端口。
20.一种集成电路，包括处理器、切换器、发射机、相位估计器、相位调整器、和下变频器，其中所述切换器包括：
第一数据输入端，耦合至所述发射机的输出端；
第一数据输出端，通过所述下变频器耦合至所述相位估计器的输入端；
至少一个双向数据端口；以及
控制输入端，耦合至所述处理器，并且适用于在第一种情况下选择地将所述第一数据输入端耦合至所述双向数据端口，以及在第二种情况下将所述双向数据端口和所述第一数据输入端耦合至所述第一数据输出端。
21.如权利要求20所述的集成电路，其中所述切换器包括至少两个双向数据端口，其中所述控制输入端适用于在第一种情况下选择地将所述第一数据输入端耦合至所述至少两个双向数据端口中的任一个，在第二种情况下将所述第一数据输入端和所述双向数据端口中的任一个耦合至所述第一数据输出端，以及在第三种情况下将所述双向数据端口中的任一个耦合至其他双向数据端口中的任一个。
22.如权利要求21所述的集成电路，还包括：定向耦合器，具有耦合至所述切换器的天线端口的一个端口，以及适用于耦合至天线的相对端口，其中所述控制输入端还适用于选择地将所述天线端口耦合至所述双向数据端口中的任一个。
23.如权利要求22所述的集成电路，还包括：接收机，其中所述切换器还包括：第二数据输出端，耦合至所述接收机的输入端，以及其中所述控制输入端还适用于在一种情况下选择地将所述天线端口耦合至所述第二数据输出端，在另一情况下将所述数据端口中的任一个耦合至所述第二数据输出端。
24.如权利要求23所述的集成电路，其中所述切换器包括第一切换器，以及所述发射机包括第一发射机，所述集成电路还包括：附加发射机、附加接收机、和附加切换器，在所述第一发射机、接收机和切换器彼此耦合时，所述附加发射机、附加接收机、和附加切换器彼此耦合，以及其中所述第一切换器的双向数据端口耦合至所述附加切换器的双向数据端口。
25.如权利要求24所述的集成电路，其中所述第一和第二切换器两者的第一数据输出端通过所述相同的下变频器耦合至所述相同的相位估计器的输入端。
26.如权利要求25所述的集成电路，其配置在基站收发台中。
27.如权利要求20所述的集成电路，其中所述双向数据端口适用于耦合至天线校正探测器。
28.一种计算机程序产品，在计算机可读存储介质上实现，包括使得耦合至所述存储介质的数字处理器执行用于以下操作的指令，所述操作用于选择地将收发器彼此耦合，所述操作包括：
通过第一切换器将来自第一发射机输出端的第一发射信号切换至反馈电路；
经由所述第一切换器将来自第二发射机输出端的第二发射信号通过第二切换器切换至所述反馈电路；
找到所述第一和第二发射信号之间的相位差；以及
基于所述相位差调整到所述第一和第二发射机中的一个输入信号的相位。
29.如权利要求28所述的计算机程序产品，其中所述第一和第二发射信号在发射射频，并且找到所述差和调整相位的步骤在基带频率执行。
30.如权利要求14所述的方法，其中从耦合至所述第一和第二切换器的天线校正探测器无线接收所述第一和第二发射机输出。
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