CN1096757C - 天线阵接收机及校正接收信号相移量的方法 - Google Patents

天线阵接收机及校正接收信号相移量的方法 Download PDF

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Abstract

第一和第二相控量表输出至第一和第二矢量乘法电路，相控信号Sc1和Sc2表示相应的相移量，输入增益控制信号Sg1和Sg2所表示的增益作为自变量。第一和第二矢量乘法电路根据相控信号Sc1和Sc2，使天线2的同相分量S13和S23以及正交分量S14和S24的相位反向偏移。由此校正由接收放大器引起的相移量，维持天线端子处天线输入信号之间的相位差。

Description

天线阵接收机及校正接收信号相移量的方法
本发明涉及采用天线阵进行接收的天线阵接收机。
本发明还涉及校正接收信号相移量的方法。
为了利用天线阵进行指向性接收，接收机通常设计成在接收的同时在天线端子维持来自多付天线的接收信号之间的相位差。
图1表示一例天线阵接收机。
首先，由接收放大器1303和1304放大天线1301和1302的接收信号S1和S2。然后，通过混频器1305和1306，用振荡器1307产生的信号对上述信号混频，由带通滤波器(BPF)1308和1309取出低频信号。在正交解调器1310和1311，利用振荡器1312输出的信号进行正交解调，并输出同相分量S11和S21以及正交分量S12和S22。这些输出信号通过A/D转换器1313、1314、1315和1316转换为数字量，并输出到自适应天线阵接收电路1317。
在RSSI检测电路1318和1319，监视由BPF1308和1309取出的低频信号，并检测接收信号的电平。增益控制电路1320和1321根据接收信号电平控制接收放大器1303和1304的增益。
在无线通信中，接收信号的电平随时间而改变。尤其在移动通信环境下，接收信号的电平由于衰落、传播距离变化以及因建筑物等造成的遮挡，在短时间内有很大变化。
在上述常规天线阵接收机中，通过RSSI检测电路1318和1319以及增益控制电路1320和1321控制接收放大器1303和1304的增益，校正接收信号电平，由此使输入A/D转换器的输入最佳化。
然而，接收放大器的相移量通常根据其增益而改变。各个接收放大器中相移量变化是不同的。相移量根据接收放大器的频率和温度变化。电气长度，即转换成波长的长度根据频率而变化。
为此，根据上述常规构造，在天线端子处，天线接收信号之间的相位差不能维持恒定。
本发明的一个目的在于提供一种天线阵接收机，其中，能以维持天线端子处各天线接收信号之间相位差的方式，将接收信号输入至接收电路。
本发明的另一目的在于提供一种校正接收信号相移量的方法，其中，能以维持天线端子处各天线接收信号之间相位差的方式，将接收信号输入至接收电路。
本发明提供一种天线阵接收机，它包括：
构成天线阵的多个天线单元；
接收放大器，分别连接到所述天线单元，以放大来自所述天线单元的接收信号；
相控量(相位控制量)判断装置，根据所述接收放大器的增益对相移量特性，判断对应于所述接收放大器增益的所述接收信号的相控量；以及
相移量校正装置，利用所述相控量判断装置判断的相控量，校正所述接收信号的相移量。
本发明提供一种校正接收信号相移量的方法，它包括以下步骤：
获得接收放大器用于放大构成天线阵的多个天线单元输出的接收信号的增益；
根据所述接收放大器的增益对相移量特性，判断对应于所述接收放大器增益的所述接收信号的相控量；
利用所述判断的相控量校正所述接收信号的相移量。
本发明提供一种天线阵接收机，它包括：
构成天线阵的多个天线单元；
接收放大器，分别连接到所述天线单元，放大来自所述天线单元的接收信号；
相控量判断装置，根据所述接收放大器的增益对相移量特性，判断对应于所述接收放大器增益的所述接收信号的相控量；
相移量校正装置，根据频率偏移量控制信息，校正所述接收信号的相移量。
本发明提供一种天线阵接收机，它包括：
构成天线阵的多个天线单元；
接收放大器，分别连接到所述天线单元，放大来自所述天线单元的接收信号；
相控量判断装置，根据所述接收放大器的增益对相移量特性，判断对应于所述接收放大器增益的所述接收信号的相控量；
频偏(频率偏移)控制装置，根据所述判断的相控量和频偏信号输出频偏校正值；
相移量校正装置，根据所述频偏校正值校正所述接收信号的相移量。
本发明提供一种校正接收信号相移量的方法，它包括以下步骤：
获得接收放大器用于放大构成天线阵的多个天线单元的接收信号的增益；
根据所述接收放大器的增益对相移量特性，判断对应于所述接收放大器增益的所述接收信号的相控量；
根据所述判断的相控量和频偏信号输出频偏校正值；
根据所述频偏校正值校正所述接收信号的相移量。
图1是表示常规天线阵接收机的方框图；
图2是表示根据本发明第一个实施例的天线阵接收机的方框图；
图3是表示第一个实施例的增益对相移量特性的曲线图；
图4是表示根据第二个实施例的天线阵接收机的相关部件的方框图；
图5A和5B是表示第二个实施例的增益对相移量特性的曲线图；
图6是表示根据本发明第三个实施例的天线阵接收机的相关部件的方框图；
图7A和7B是表示第三个实施例的增益对相移量特性的曲线图；
图8是表示根据本发明第四个实施例的天线阵接收机的相关部件的方框图；
图9A至9D是表示第四个实施例的增益对相移量特性的曲线图；
图10是表示根据本发明第五个实施例的天线阵接收机的相关部件的方框图；
图11是表示第五个实施例的增益对相移量特性的曲线图；
图12是表示第五个实施例的增益对相移量特性的曲线图；
图13是根据本发明第六个实施例的天线阵接收机的相关部件的方框图。
以下将参照附图具体描述本发明的较佳实施例。
(第一个实施例)
图2是表示根据本发明第一个实施例的天线阵接收机的方框图。尽管为了便于说明只示出了两个天线，但当天线数量为3个以上时，其基本操作是相同的。
首先，由接收放大器103和104放大第一和第二天线101和102的接收信号S1和S2。然后，由混频器105和106将该信号与振荡器107输出的信号混频，并由带通滤波器(下称BPF)108和109取出低频信号。在正交解调器110和111，利用振荡器112输出的信号进行正交解调，输出同相分量S11和S21以及正交分量S21和S22。这些输出信号由A/D转换器113、114、115和116转换成数字量。其结果输入至相移量校正装置，即矢量乘法电路117和118。矢量乘法电路117和118根据相控量表119和120的控制信号SC1和SC2，使输入信号S13、S14、S23和S24的相位偏移，并将相移信号输出至自适应天线阵接收电路121。
在RSSI检测电路122和123，监视由BPF108和109取出的低频信号，并检测接收信号的电平。根据接收信号电平，由增益控制电路124和125控制接收放大器103和104的增益。
增益控制信号同时由A/D转换器126和127转换为数字量，并分别输入至相控量判断装置，即第一和第二相控量表(图中称为第一表和第二表)119和120。在相控量表119和120，相控信号Sc1和Sc2输出至矢量乘法电路117和118。相控信号Sc1和Sc2表示的相移量对应于作为自变量的增益控制信号Sg1和Sg2所表示的增益。
在相控量表119和120中，存储先前测量的接收放大器的增益对相移量。图3是表示接收放大器的增益对相移量特性的曲线。实线表示第一天线101的接收放大器的增益对相移量特性。虚线表示第二天线102的接收放大器的增益对相移量特性。
在相控量表119和120中，存储这些特性，增益作为自变量。由于实际上有n个天线时就有n个接收放大器，故每个放大器的特性是先前测量并存储在表中的。
由此，根据对应于接收信号电平的增益控制量，校正主要由每个天线内的接收放大器所引起的相移量。因此，接收信号能以维持天线端子处的相位差的方式。输入至自适应天线阵接收电路121。
这里，根据第一和第二天线101和102至矢量乘法电路117和118的输入端(即A/D转换器113、114、115和116)的每条通道长度不同而产生的相移量之差，可以校正所确定的相移控制量。例如，通过比较第一和第二天线101和102侧通道端部的接收信号a x exp(jb)与A/D转换器113至116前的接收信号c xexp(jd)获得(d-b)。数值(d-b)是从第一、第二天线101和102至A/D转换器113、114、115和116的相移量。因此，根据数值(d-b)校正上述确定的相移控制量。
(第二个实施例)
图4是表示根据本发明第二个实施例的天线阵接收机的有关部件的方框图。图中，为了便于说明，从图2所示的天线阵接收机方框图中省略了天线端子和接收RF部分。
在第一个实施例中，通过为每个接收放大器的控制增益校正相移量，使信号维持天线端子处的接收相位差，输入至自适应天线阵接收电路。
然而，通常是在多个载波频率中选择一个载波频率使用。为此，接收放大器的相移量也按频率改变。因此，在第二个实施例中，也相对所用的频率校正相移量。
首先，如图5A和5B所示，相对所用的每个频率f1和f2测量第一和第二天线101和102的每个接收放大器的增益对相移量特性，所测量的特性存储在相控量判断装置，即第一和第二相控量表319和320内。因而，在第一相控量表319内存储第一天线101的接收放大器的增益对相移量特性。而且，在第二相控量表内存储第二天线102的接收放大器的增益对相移量特性。
作为自变量，接收放大器的增益控制信号Sg1和Sg2以及所用频率的信号Sf被输入至相控量表319和320，以获得表示相移量的相控信号Sc1和Sc2。在相移量校正装置，即矢量乘法电路317和318，根据相控信号Sc1和Sc2，使第一和第二天线101和102的同相分量S13和S23以及正交分量S14和S24的相位反向偏移。
根据第二个实施例，通过先前相对所用的每个频率测量增益对相移量，能使信号相对所有使用频率维持天线端子处的相位差，输入至自适应天线阵接收电路321。
再者，如第一个实施例那样，可以根据通道长度不同所产生的相移量之差，校正所确定的相移控制量。
(第三个实施例)
图6是表示根据本发明第三个实施例的天线阵接收机的有关部件。象第二个实施例那样，为了便于说明省略了天线端子和接收RF部分。
在第三个实施例中，考虑接收放大器的工作温度控制相移量。在用作常规发射机/接收机一部分的本发明的天线阵接收机中，由于功耗较大，发射RF部分的温度较高。由于某些接收放大器中相移量有时候根据温度变化，故最好利用针对每个温度的增益对相移量特性表，相对接收放大器的温度变化校正相移量。
首先，如图7A和7B所示，相对每个工作温度T1和T2测量第一和第二天线101和102的每个接收放大器的增益对相移量特性，所测特性存储在相控量判断装置，即第一和第二相控量表519和520内。
作为自变量，接收放大器的增益控制信号Sg1和Sg2以及工作温度信号St1和St2输入至相控量表519和520，获得表示相移量的相控信号Sc1和Sc2。在相移量校正装置，即矢量乘法电路517和518，根据相控信号Sc1和Sc2，使第一和第二天线101和102的同相分量S13和S23以及正交分量S14和S24的相位按相反方向偏移。
根据第三个实施例，通过先前相对放大器的每一温度测量增益对相移量特性，能使信号相对所有温度维持天线端子处的相位差，输入至自适应天线阵接收电路521。
再者，如第一个实施例，可以根据通道长度的不同而引起的相移量之差，校正确定的相移控制量。
(第四个实施例)
图8是表示根据本发明第四个实施例的天线阵接收机有关部件的方框图。象第三个实施例那样，为了便于说明省略了天线端子和接收RF部分。
在第四个实施例中，利用为所用每一频率和温度制作的增益对相移量特性表，考虑所用频率和温度两者校正相移量。
首先，相对所用每个频率和每个温度，测量增益对相移量特性。例如，如图9A和9B所示，结合两种频率(f1和f2)以及两种温度(T1和T2)测量四种增益对相移量特性，天线101和102的接收放大器103和104的特性存储在相控量判断装置，即第一和第二相控量表719和720内。
作为自变量，接收放大器103和104的增益信号Sg1和Sg2，所用频率信号Sf和工作温度信号St1和St2输入至相控量表719和720，以获得表示相移量的相控信号Sc1和Sc2。在相移量校正装置，即矢量乘法电路717和718，根据相控信号Sc1和Sc2，使天线101和102的同相分量S13和S23以及正交分量S14和S24的相位反向偏移。
根据第四个实施例，通过先前相对所用每个频率和温度测量增益对相移量特性，能使信号相对所有所用频率和温度维持天线端子处的相位差，输入至自适应天线阵接收电路721。
再者，如第一个实施例那样，可以根据通道长度不同而引起的相移量之差，可以校正确定的相移控制量。
(第五个实施例)
图10是表示根据本发明的第五个实施例的天线阵接收机有关部件的方框图。象第四个实施例那样，为了便于说明省略了天线端子和接收RF部分。
在第四个实施例中，通过相对所用的每个频率和温度，校正对接收放大器增益的相移量，使信号维持天线端子处的接收相位差，输入至自适应天线阵接收部分。然而，当所用频率种类和估计的温度环境增多时需要有数量庞大的表。
因此，在第五个实施例中，相对所用频率和温度测量几个特性，并根据几个数据通过内插计算所需增益的相移量。
首先，如图11所示，相对所用每个频率和温度测量几个增益对相移量特性。作为一例，如图12所示，相对四种增益对相移量特性，包括两种频率(f1和f2)和两种温度(T1和T2)的组合，测量增益G1的相移量aij(i表示频率数，j表示温度数)，增益G2相移量bij以及增益G3相移量cij，并分别将接收放大器103的特性以及接收放大器104的特性存入相控量表919和920。
对第一天线101的信号处理系统，将所用信号频率Sf和温度St1作为自变量输入第一相控量表919，以获得相移量矢量(aij，bij和cij)。
将表示相移量矢量的信号Sr1和接收放大器增益信号Sg1输入至内插电路930，并计算相应于接收放大器增益信号Sg1的相控信号Sc1。在矢量乘法电路917中，利用相控信号Sc1，使第一天线的同相分量S13和正交分量S14的相位反向偏移。
同样，对第二天线102的信号处理系统，将所用信号频率Sf和温度St2作为自变量输入至第二相控量表920，以获得相移量矢量(aij，bij和cij)。
将表示相移量矢量的信号Sr2和接收放大器的增益信号Sg2输入至内插电路931，并计算相应于接收放大器增益信号Sg2的相控信号Sc2。在矢量乘法电路918，利用相控信号Sc2，使第二天线102的同相分量S23和正交分量S24的相位反向偏移。上述相控量表919、920和内插电路930、931构成相控量判断装置，上述矢量乘法电路917、918构成相移量校正装置。
根据第五个实施例，通过测量相对所用频率和温度的几个特性，并通过以几个数据为基础的内插，计算对所需增益的相移量，能用较小的存储量，使信号对所有所用频率和温度，维持天线端子处的相位差输入至自适应天线阵接收电路921。
(第六个实施例)
图13是根据本发明第六个实施例的天线阵接收机的方框图。象第五个实施例那样，为了便于说明省略了天线端子和接收RF。
在第一至第五个实施例中，相对包括所用频率和温度的环境，校正对接收放大器增益的相移量，使信号维持天线端子处的接收相位差，输入至自适应天线阵接收电路。
然而，在常规接收机中，为了校正发射机频率与接收机频率之间的差异，需要进行AFC(自动频率控制)处理。考虑第六个实施例，以有效校正接收放大器产生的相移量并进行AFC处理。
将第一天线的信号处理系统的接收放大器增益Sg1输入至相控量表1219，并将表示相移量矢量的信号Sr1置于频偏控制电路1232。在频偏控制电路1232，利用频偏信号So和信号Sr1搜索频偏校正表1234，输出对应于频偏校正值Soc1的相控信号Sc1。在矢量乘法电路1217，根据相控信号Sc1使第一天线的同相分量S13和正交分量S14的相位反向偏移。
在第二天线的信号处理系统中，进行相同信号处理。第二天线的信号处理系统的接收放大器增益Sg2输入至相控量表1220，将表示相移量矢量的信号Sr2置于频偏控制电路1233。在频偏控制电路1233，利用频偏信号So和信号Sr2搜索频偏校正表1234，输出对应于频偏校正值Soc2的相控信号Sc2。在矢量乘法电路1218，根据相位控制信号Sc2使第二天线的同相分量S23和正交分量S24的相位反向偏移。上述相控量表1219、1220构成相控量判断装置，上述矢量乘法电路1217、1218构成相移量校正装置，上述频偏控制电路1232、1233和频偏校正表1234构成频偏控制装置。
之后，将如上所述偏移的同相分量S13，S23和正交分量S14，S24输入至自适应天线阵接收电路1221。
上文中，通过执行以下计算的频偏检测电路1240获得频偏信号So。
发射发射信号tx(kT)＝a(kT)×exp(iθ(kT))。其中，假设符号时间间隔为T。
在存在频偏的情况下，接收信号如下式所示。
rx(kT)＝b(kT)×exp(iθ(kT))×exp(j(kδ+β))    (1)其中，a(kT)为时间kT的幅值，θ(kT)为时间kT的相位，b(kT)为线路上的幅值波动，δ为时间T间隔内的相位变化量，β为接收机的初始相位。
在上述等式(1)中，假定发射机与接收机之间发射已知信号模式的时间是已知的。换句话说，接收机知道a(kT)×exp(iθ(kT))。因此，接收信号rx(kT)乘以已知信号的复共轭，因此获得以下等式(2)：
x(kT)＝rx(kT)×{a(kT)×exp(jθ(kT))}**
     ＝a(kT)×b(kT)×exp(j(kδf+βf))                  (2)其中，{.}**表示复数共轭计算。
再者，将x(kT)在一个符号时间间隔复乘，从而获得以下等式(3)。
y(kT)＝x(kT)×{x((k-1)T)}**
     ＝a(kT)×a((k-1)T)×b(kT)×b((k-1)T)×exp(jδ)    (3)其中，{.}**表示复数共轭计算。
结果，计算一个符号时间间隔处的频偏分量δ。
具体地说，按以下方法计算频偏校正值Soc1和Soc2：
相移量(φ1)作为初始值，根据每个符号时间的频偏，计算每个符号时间的相移量综合值(nθ+φ1，其中，θ为相移量，n为符号数)。通过对表的检索检测对应于相移量综合值的sin((nθ+φ1)％2π和cos((nθ+φ1)％2π)。输出结果为频偏校正值Soc1，并作为相控信号Sc1输入至矢量乘法电路。
其中，％为模量算法。尽管sin((nθ+φ1)％2π和cos((nθ+φ1)％2π)是相对图13中的频偏校正表计算的，他们也可以利用近似表示法等类似方法直接计算，无需采用表。
根据第六个实施例，可以将两个矢量乘法电路，即用于相移量校正的矢量乘法电路和用于AFC处理的矢量乘法电路减少至一个。
从以上第一至第六个实施例的描述中可见，通过校正对每个天线的接收放大器增益的相移量，能使信号维持天线端子处的相位差，输入至自适应天线阵接收电路。
该相移量校正表可以用于频率、用于温度以及用于频率和温度两者。
此外，为了减少存储量，可以预先粗略地设置对增益的相移量，这样，通过根据前面获得的值进行内插处理，计算对所需增益的相移量。
再者，通过将这些配置和AFC处理加以组合，可以将两个矢量乘法电路，即用于相移量校正的矢量乘法电路和用于AFC处理的矢量乘法电路减少至一个。
上述本发明的天线阵接收机适用于基站接收机和移动台接收机。

Claims (22)

1.一种天线阵接收机，其特征在于包括：
构成天线阵的多个天线单元；
接收放大器，分别连接到所述天线单元，以放大来自所述天线单元的接收信号；
相控量判断装置，根据所述接收放大器的增益对相移量特性，判断对应于所述接收放大器增益的所述接收信号的相控量；
相移量校正装置，利用所述相控量判断装置判断的相控量，校正所述接收信号的相移量。
2.如权利要求1所述的天线阵接收机，其特征在于，所述相移量校正装置从控制所述接收放大器增益的增益控制装置获得所述接收放大器的增益。
3.如权利要求1所述的天线阵接收机，其特征在于，所述相控量判断装置具有相对每个所用频率的增益对相移量特性。
4.如权利要求1所述的天线阵接收机，其特征在于，所述相控量判断装置具有相对每个接收放大器温度的增益对相移量特性。
5.如权利要求1所述的天线阵接收机，其特征在于，所述相控量判断装置具有相对每个所用频率和接收放大器温度的增益对相移量特性。
6.如权利要求1所述的天线阵接收机，其特征在于，所述相控量判断装置具有一张表，用以保持对应于所述接收放大器增益的相控量，所述相移量校正装置具有矢量乘法电路，用以根据从所述表获得的相控量使接收信号相移，并输出相移信号。
7.如权利要求1所述的天线阵接收机，其特征在于，所述相控量判断装置包括计算装置，根据两个先前存储的增益对相移量特性值，计算位于该两个值之间的增益对相移量特性值。
8.如权利要求1所述的天线阵接收机，其特征在于，所述相控量判断装置包括校正装置，根据因天线单元至所述相移量校正装置的通道长度之差所引起的接收信号之间的相移量之差，校正判断的相控量。
9.一种基站，其特征在于包括根据权利要求1至8任一所述的天线阵接收机。
10.一种移动台，其特征在于包括根据权利要求1至8任一所述的天线阵接收机。
11.一种校正接收信号相移量的方法，其特征在于包括以下步骤：
获得接收放大器用于放大构成天线阵的多个天线单元输出的接收信号的增益；
根据所述接收放大器的增益对相移量特性，判断对应于所述接收放大器增益的所述接收信号的相控量；
利用所述判断的相控量校正所述接收信号的相移量。
12.如权利要求11所述的校正接收信号相移量的方法，其特征在于，从控制所述接收放大器增益的增益控制装置获得所述接收放大器的增益。
13.如权利要求11所述的校正接收信号相移量的方法，其特征在于，根据增益对相移量特性，相对每个所用频率判断所述接收信号的相控量。
14.如权利要求11所述的校正接收信号相移量的方法，其特征在于，根据增益对相移量特性，相对每个接收放大器温度判断所述接收信号的相控量。
15.如权利要求11所述的校正接收信号相移量的方法，其特征在于，根据增益对相移量特性，相对每个所用频率和接收放大器温度判断所述接收信号的相控量。
16.如权利要求11所述的校正接收信号相移量的方法，其特征在于，根据按两个先前存储的增益对相移量特性值计算的增益对相移量特性值，判断所述接收信号的相控量，所述增益对相移量特性值位于两个先前存储的增益对相移量特性值之间。
17.如权利要求11所述的校正接收信号相移量的方法，其特征在于，根据因通道长度不同而引起的接收信号之间的相移量之差，校正所述判断的相控量。
18.一种天线阵接收机，其特征在于包括：
构成天线阵的多个天线单元；
接收放大器，分别连接到所述天线单元，放大来自所述天线单元的接收信号；
相控量判断装置，根据所述接收放大器的增益对相移量特性，判断对应于所述接收放大器增益的所述接收信号的相控量；
相移量校正装置，根据频率偏移量控制信息，校正所述接收信号的相移量。
19.一种天线阵接收机，其特征在于包括：
构成天线阵的多个天线单元；
接收放大器，分别连接到所述天线单元，放大来自所述天线单元的接收信号；
相控量判断装置，根据所述接收放大器的增益对相移量特性，判断对应于所述接收放大器增益的所述接收信号的相控量；
频偏控制装置，根据所述判断的相控量和频偏信号输出频偏校正值；
相移量校正装置，根据所述频偏校正值校正所述接收信号的相移量。
20.如权利要求19所述的天线阵接收机，其特征在于，所述频偏控制装置包括用以保持对应于相移量综合值的频偏校正值的一张表，综合判断的相控量和频偏信号以计算相移量综合值，并根据所述表输出对应于计算的相移量综合值的频偏校正值。
21.一种校正接收信号相移量的方法，其特征在于包括以下步骤：
获得接收放大器用于对构成天线阵的多个天线单元的接收信号进行放大的增益；
根据所述接收放大器的增益对相移量特性，判断对应于所述接收放大器增益的所述接收信号的相控量；
根据所述判断的相控量和频偏信号输出频偏校正值；
根据所述频偏校正值校正所述接收信号的相移量。
22.如权利要求21所述的校正接收信号相移量方法，其特征在于，根据所述判断的相控量和频偏信号输出频偏校正值的步骤还包括如下步骤：
综合所判断的相控量和频偏信号，以计算相移量综合值，以及
输出对应于所述计算的相移量综合值的频偏校正值。
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