CN110446939A - 用于估计无线设备中到达角的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

示例装置使用收发器来确定在第一时段期间通过第一天线接收的第一RF信号的第一属性值。属性估计器确定在第一时段期间通过第二天线接收的第一RF信号的第二属性值。响应于控制信号，装置将属性估计器从耦合到第二天线切换为耦合到第三天线。装置然后使用收发器来确定在第二时段期间通过第一天线接收的第二RF信号的第一属性，并且使用属性估计器来确定在第二时段期间通过第三天线接收的第二RF信号的第二属性。装置然后可以基于第一RF信号的第一属性和第二属性以及第二RF信号的第一属性和第二属性来估计与第一RF信号和第二RF信号相关联的到达角。

Description

用于估计无线设备中到达角的系统和方法
相关申请
本申请是于2017年6月23日提交的第15/632,028号美国非临时专利申请的国际申请，其要求于2017年3月15日提交的第62/471,821号美国临时申请的优先权益，这两个申请通过引用以其整体并入本文。
技术领域
本主题涉及无线连接解决方案领域。更具体地，但不是作为限制，本主题公开了用于估计到达角(AoA)的技术。
背景
AoA通常指源天线与多个接收天线的组或阵列之间的角度。接收设备可以基于源天线发出的射频(RF)信号来估计AoA。现有的估计AoA的设计和技术面临各种挑战，如向后兼容性问题以及降低成本、占地面积、和功耗的要求。
附图说明
在附图的图中，一些实施例通过示例而非限制的方式示出，在附图中：
图1是示出根据各种实施例的系统的框图，该系统包括用于估计发射设备的相对方向的接收设备；
图2示出了根据各种实施例的用于确定AoA的波传播模型；
图3是示出根据实施例的基于RF信号估计AoA的无线设备的框图；
图4是示出根据一个实施例的接收器的框图；
图5是示出根据一个实施例的部分接收器的框图；
图6是示出根据一个实施例的耦合到天线的接收器和通过开关电路耦合到另一天线的部分接收器的框图；
图7是示出根据一个实施例的耦合到同一天线的接收器和通过开关电路耦合到另一天线的部分接收器的框图；
图8是示出根据一个实施例的不同时段期间相位估计的协调的图表；
图9是示出根据一个实施例的用于提供调整的或估计的相位值的相位差的曲线图；
图10是示出根据一个实施例的估计AoA的方法的流程图；以及
图11是示出根据各种实施例的适用于各种应用的AoA估计配置的框图。
详细描述
描述了用于估计AoA的系统和方法。在下面的描述中，为了解释的目的，阐述了许多示例和实施例，以提供对所要求保护的主题的深入了解。对于本领域技术人员将明显的是，所要求保护的主题可以在其他实施例中进行实践。详细描述公开了基于RF信号的任何输入模式估计AoA的示例，与现有布置相比，这些示例具有相当的精度和降低的功耗。
现在简要介绍一些实施例，并然后结合从图1开始的其他实施例进行更详细的讨论。可以基于在两个不同天线处观察到的RF信号的属性或特性来估计RF信号的AoA。例如，无线设备可以基于在间隔已知量的两个天线处同时接收的RF信号的相位差来估计AoA。这种测向能力可以用于，例如，但不限于资产/目标跟踪、游戏、网络、导航应用、和/或物联网(IoT)应用，包括工业、消费者、和汽车应用。
具有测向能力的一些无线设备将不同的无线电收发器专用于其(例如，被称为多无线电设备的)多个天线中的每一个。在这些多无线电设备中，每个天线都与一定程度的复杂性相关联。收发器的数量不仅会影响无线设备的物料清单(BOM)和占地面积，而且天线数量和复杂性之间也存在线性关系，这会影响功耗和其他性能目标。另一方面，一些无线设备使用开关电路将其单个收发器(例如，单无线电)耦合到多个天线，一次一个，(例如，与多无线电解决方案相比)这可以导致降低的BOM、占地面积、复杂性、和总功耗。这些系统可能具有与一个天线相关联的复杂性，加上切换控制的小开销。在单无线电解决方案中，RF信号在不同时间通过天线接收，因此确定相关相位差(例如，用于AoA估计)可能依赖于AoA训练模式(例如，恒定和/或预定RF信号调制)和基于时间的相位值预测，以提供合理精确的AoA估计。
本文描述的实施例可以精确地估计AoA，而不存在多无线电(例如，每个天线专用收发器)解决方案所呈现的BOM、占地面积、复杂性和功耗问题，并且不需要在单无线电解决方案中所使用的恒定和/或预定的输入模式或相位预测。实施例的复杂性不超过单无线电解决方案的两倍。使用任何收发器的实施例的复杂性可能低于现有的单无线电解决方案。
在一个实施例中，无线设备和RF信号源连接在无线个人区域网络(PAN)内。例如，无线设备可以被配置成接收具有工业、科学、和医疗(ISM)频带内频率的Bluetooth和/或ZigBee RF信号。示例无线设备包括耦合到天线阵列的第一天线的第一接收路径和耦合到耦合电路(例如，开关)的第二接收路径。耦合电路可以交替地耦合到天线阵列的第二天线和第三天线。在一个实施例中，第一接收路径包括相位估计器和解调器，相位估计器用于提供与通过第一天线接收的RF信号相关联的相位估计，解调器用于解调这些RF信号(例如，用于后续分组处理)。第二接收路径包括相位估计器，以用于提供与通过第二天线和第三天线交替接收的RF信号相关联的相位估计。示例无线设备还包括处理电路，该处理电路使得耦合电路在第一时段期间耦合到第二天线，并在第二时段期间耦合到第三天线。处理电路可以基于在第一天线和第二天线之间的第一RF信号的第一相位差以及在第一天线和第三天线之间的第二RF信号的第二相位差来估计第一RF信号和第二RF信号的源相对于天线阵列的方向(例如，RF信号的AoA)。
示例无线设备不依赖于(例如，单无线电解决方案的)恒定和/或预定的输入模式和相位预测，因为第一接收路径和第二接收路径可以估计同一时段期间在两个不同的天线处接收和观察到的RF信号的相位。在一个实施例中，无线设备通过在第二天线和第三天线(例如，或者附加天线)、部分接收路径之间共享来实现这一点，而没有(例如，多无线电解决方案的)全BOM、占地面积、复杂性和功耗，这不需要包括用来解调RF信号所需的附加处理。
如上所述，用于估计AoA的相位差基于通过不同接收路径获取的相位值。因此，两条接收路径经历的相位偏移差异会影响AoA估计的精度。一些实施例包括调节器，以识别、调节、和/或启动对相位偏移中的这种差异的补偿。例如，调节器可以调节(例如，第一接收路径和第二接收路径的每一个中的)下变频混频器的一个或更多个本地振荡器输入，以减少和/或补偿相位偏移对AoA估计的影响。
下面的详细描述包括对附图的引用，附图构成详细描述的一部分。附图示出根据实施例的图示。这些实施例，其也在本文被称为“示例”，被足够详细地描述以使本领域技术人员能够实践所要求保护的主题的实施例。在不偏离要求保护的内容的情况下，可将实施例组合，可利用其它实施例，或可做出结构的、逻辑的和电气的改变。因此，以下详细描述不应被理解为限制性的，并且范围由所附权利要求及其等同物限定。
图1是示出根据各种实施例的系统100的框图，系统100包括接收设备110，以估计发射设备120和/或130的相对方向。发射设备120被示出为通过天线122发射编码训练模式125的RF信号124，并且发射设备130被示出为通过天线132发射编码任何模式135的RF信号134。接收设备110耦合到多个天线112(例如，三个或更多个)以接收RF信号124和134。根据本文描述的实施例，为了估计发射设备120和/或130的相对方向，接收设备110确定RF信号124和RF信号134的AoA。如将参照图11所讨论的，本文描述的实施例可以用于增强许多测向用例和应用。
在一些实施例中，发射设备120和130中的一个或更多个包括不仅用于发射RF信号而且用于接收RF信号的电路。尽管未示出，但是发射设备120和130中的任一个可以包括用于发射和/或接收操作的多个天线。相反，接收设备110可以包括不仅用于接收RF信号而且用于发射RF信号的电路。在实施例中，设备110、120、和130中的任何一个可以通过有线或无线连接耦合到另一个计算机设备(未示出)。
设备110、120、和130中的一个或更多个所支持的通信协议可以包括但不限于Bluetooth、ZigBee、或Wi-Fi。设备110、120、和130可以作为无线个人区域网络(WPAN)、无线局域网络(WLAN)、或任何其他无线网络的一部分被连接，以无线连接计算机设备。
在实施例中，RF信号124和134(例如，载波)可以被调制以编码消息和/或定义通信协议的流传输模式或分组模式。在实施例中，接收设备110可以基于RF信号134的调制不呈现恒定或预定输入模式的任何模式135来估计RF信号134的AoA。例如，与依赖对应于已知的0和1序列的输入模式(如训练模式125)的单无线电系统不同，本文描述的实施例可以使用任何RF信号的任何输入模式来估计AoA，无论该输入模式是否(例如，被接收设备110)已知。如果没有这些实施例的这种能力，不发射训练模式125的设备将很难(如果不是不切实际的话)使用与单无线电解决方案相比具有低复杂度的设备进行跟踪。参照图2讨论了用于估计AoA的示例波传播模型。
图2示出了根据各种实施例的用于确定AoA的波传播模型200。图2中的RF信号/输入模式202由来自远场发射天线206的等平面波前表示。图2示出了发射天线206与天线1207和天线2 209的轴线210成角度θ,AoA 208，天线1 207和天线2 209间隔距离d 212。RF信号从天线1 207行进到天线2 209的额外距离可以被表达为路径差ΔD 213。通过三角恒等式，θ，AoA 208用以下等式(1)表达:
在一些实施例中，可以通过计算RF信号202(例如，波前)在到达天线1 207的时间和到达天线2 209的时间之间行进的距离(例如，以光速)来估计ΔD 213。RF信号202到达的这些时间和RF信号202的速度是RF信号202的属性的示例，其可用于估计AoA 208。路径差ΔD 213也可以通过RF信号202的其他属性来表达，例如，如以下等式(2):
其中，λ是RF信号202的波长，并且φA1和φA2分别是天线1 207和天线2 209处的RF信号202的相位值。
λ可以用以下等式(3)表达:
其中f是RF信号202的频率，并且c是光速。
将等式(3)代入上述等式(2)，在已知所有其他变量的情况下，可以通过确定相位差φA2-φA1来估计AoA 208，如以下等式(4)所示:
在本文描述的实施例中，估计RF信号202的AoA 208是基于估计RF信号202在多个天线元件处的相位(例如，RF信号的属性)。由于从发射天线206传播距离的不同，天线1 207和天线2 209观察到RF信号202的不同相位。例如，如果假设波前204平行传播经过空间，则天线1 207观察到的相位将是φA1(未示出)，而天线2 209观察到的相位将是φA2(未示出)。在实施例中，φA1和φA2之间的差是相位差，该相位差被用来至少部分基于等式4和/或基于涉及可用于估计AoA 208的RF信号属性的其他关系来估计AoA。
参照图3，讨论了用于估计AoA的示例结构和方法，其没有一些多无线电(例如，每个天线专用收发器)解决方案的BOM、占地面积、复杂性和功耗问题，并且没有单无线电解决方案的恒定和/或预定输入模式和相位预测要求。
图3是示出根据实施例的基于RF信号估计AoA的无线设备300的框图。在一个实施例中，无线设备300可以是图1的接收设备110。图3中的各种功能块被示出为通过总线系统301彼此耦合。包括各种块之间的连接(例如，箭头)的总线系统301可以代表用于模拟信号、数字数据、控制信号、电源、和/或任何其他通信的传播的一种或更多种介质。总线系统301可以包括任何适当的总线配置，而不脱离要求保护的主题。
方向估计器302使用RF信号的一个或更多个属性来估计RF信号的源(例如，发射天线)相对于多个接收天线(例如，三个或更多个)的方向。方向估计器302可以至少部分基于上面参照图2讨论的等式4来估计方向。AoA估计的精度可以取决于各种因素，包括但不限于天线的数量(例如，空间分集)、在每个天线上接收RF信号的持续时间(例如，样本的数量)以及信号质量。在实施例中，RF信号的样本都对应于一个或更多个通信协议分组(例如，连续分组)，并且方向估计器302可以在不与源设备建立调制(例如，高斯频移键控(GFSK))连接的情况下估计AoA。在实施例中，方向估计器302可以提供或启动原始数据处理，以执行用于最终结果估计的噪声过滤、时间上的数据平均、和/或天线模型相关。因为方向估计器302可以基于任何输入模式来估计AoA，所以它可以定位不知道AoA的设备(例如，不发送用于AoA估计的预定训练信号的传统设备)以及知道AoA的设备。
接收器304将通过一个或更多个天线接收RF信号。尽管接收器304在图3中被示为耦合到天线1 305，但是在其他实施例中，接收器可以通过开关电路(例如，开关电路314)耦合到无线设备的任何天线。在一个实施例中，接收器304连同发射器305是收发器310的一部分。部分接收器312被示为耦合到开关电路314，并且用于根据开关配置每次通过一个天线接收RF信号。虽然部分接收器312被示为耦合到开关电路，但是接收器304可以替代地或附加地耦合到开关电路314。例如，可以通过经由开关将接收器304耦合到多个天线(例如，一次一个天线)并且通过将部分接收器312耦合到单个(例如，或多个)天线来实现空间分集。对于一些实施例，部分接收器是收发器(未示出)的一部分。在一个实施例中，开关电路314是由处理电路340通过输入信号控制的多极开关。开关电路314可以是本领域已知的任何合适的耦合电路，其切换和/或选择功能可以由耦合到其输入端的(例如，无线设备300的内部或外部的)任何块来控制。
在实施例中，与部分接收器312相比，接收器304提供附加的功能，因此可能具有附加的处理要求和硬件。如将参照图4和图5更详细讨论的，在一些实施例中，除了估计RF信号的相位用于AoA估计之外，接收器304可以提供模拟和数字信号处理，以为无线设备300提供RF信号的解调。部分接收器312可以提供用来估计用于AoA估计的RF信号的相位的相对较少的模拟和数字信号处理。部分接收器312也可以被称为部分功能接收器或部分接收器处理。
虽然一些实施例可以包括比单无线电解决方案更多的接收处理(例如，接收器304和部分接收器312)，但是实施例可以使用少至两个部分接收器来估计在多个天线处接收的任何RF信号(例如，任何输入模式)的源的AoA。接收器304和部分接收器312都不需要是全收发器的一部分来估计AoA，但是即使在其中一个或两个接收器都是全收发器的一部分的实施例中，与传统的多无线电和单无线电解决方案相比，这些实施例仍然代表更低的BOM、占地面积、功耗以及基于任何输入模式(例如，协议独立性)来估计AoA的能力。
属性估计器320用于估计RF信号的属性。RF信号的属性可以包括但不限于信号频率、角频率、振幅、相位、波长、波速、到达时间、到达时间差、相位差、到达相位差、信号强度、和/或任何其他RF信号属性或其派生属性。属性估计器320将向方向估计器302提供估计的属性，以用于估计AoA。在一些实施例中，属性估计器320从接收器304和/或部分接收器312接收表示RF信号属性的或与RF信号属性相关的属性信息，并且属性估计器320可以使用属性信息来估计RF信号属性。属性估计器320可以包括模拟和/或数字逻辑和/或测量配置，以基于在沿着RF信号的接收路径的一个或更多个位置处进行的测量或采样来获得RF属性。尽管被显示为分离的，属性估计器320可以全部或部分地在方向估计器302、接收器304、或部分接收器312内实现。在一个实施例中，接收器304和部分接收器312均包括它们自己的属性估计器(例如，参见图4和图5中的相位估计器)。
在实施例中，部分接收器312用于获取AoA估计的空间中的第二参考(例如，接收器304获取空间中的第一参考)，调节器322将确定空间中的两个参考在时间上没有被不可接受地分离(例如，在补偿能力之外)。
调节器322将调节和/或补偿接收器304和部分接收器312的条件，使得接收到的RF信号的属性可以被依赖以用于AoA估计。例如，调节器322可以确定和/或调节接收器和部分接收器312的输入或输出的频率、相位、或其他特性，以控制对用于AoA估计的RF信号属性的影响。在一个实施例中，调节器322包括本地振荡器，其信号耦合到接收器304和部分接收器312，作为它们相应混频器的输入，以将输入RF信号下变频为中频信号。通过向接收器304和部分接收器312施加相同的本地振荡器信号，调节器322可以在接收器304和部分接收器312中建立可接受地相似的相位偏移(例如，对RF信号)。在一个实施例中，当模式改变的影响(例如，由于偏移)在可接受的估计误差内(例如，假设捕获时间在符号持续时间的一部分内)时，相位偏移是可接受地相似并且在预定的同步范围内。从而，当属性估计器320提供相位值作为RF信号属性时，通过天线1 305接收的RF信号的相位值和通过天线2 315接收的RF信号的相位值将具有由调节器322引入的可接受地相似的相位偏移。
替代地或附加地，调节器322可以确定接收器304的现有相位偏移和部分接收器312的现有相位偏移，并且如果相位偏移不是可接受地相似，则执行或启动校正动作。例如，调节器322可以向方向估计器302或属性估计器320提供相位偏移差，使得该差可以在AoA估计中得到补偿。
在接收器304和部分接收器312从不同的本地振荡器接收它们的本地振荡器信号的实施例中，可能出现相位偏移差。接收器304的本地振荡器信号可以具有与部分接收器312的本地振荡器信号不同的频率或相位，从而导致不同的相位偏移。本地振荡器频率的差异可能是由于无意中缺乏同步和/或其他调谐差异造成的。
在一个实施例中，调节器322或属性估计器320(例如，相位估计器)可以监视和/或采样从每个本地振荡器输出的信号，并且比较每个信号的估计相位，以确定接收器304和部分接收器312之间的相位偏移差。替代地或附加地，调节器322可以推断由两个本地振荡器引起的相位偏移之间的差异。为此，调节器322可以使天线1 305同时耦合到接收器304和部分接收器312(例如，通过导体307和开关电路314)。属性估计器320然后可以估计通过天线1305和接收器304接收的RF信号的相位以及通过天线1 305和部分接收器312接收的同一RF信号的相位。由于RF信号是在同一时段(例如，在相同时间)且通过同一天线接收的，调节器322可以推断出估计的相位之间的任何差异是由接收器304的本地振荡器和部分接收器312的本地振荡器所引入的相位偏移之间的差异。调节器322可以向方向估计器302报告相位偏移差，使得该差可以在AoA估计中得到补偿。
在各种实施例中，处理电路340将使用存储在存储器设备303中的相对应的固件来执行方向估计器302、属性估计器320、调节器322、或无线设备300的任何其他功能块中的一个或更多个的至少一部分。替代地或附加地，图3中所显示的无线设备300的任何功能块可以包括它自己的处理电路(未示出)和/或存储器。例如，方向估计器302、属性估计器320、调节器322、或无线设备300的任何其他功能块可以包括硬件(电路、专用逻辑等)、软件(如运行在通用计算系统或专用机器上的软件)、固件(嵌入式软件)、或其任意组合来执行其功能。
在一个实施例中，处理电路340、存储器设备303、接收器304、部分接收器312、和开关电路314是片上系统(SoC)的一部分，并且可以驻留在公共载体衬底上或者在独立集成电路的不同组合中实现。根据实施例，示例SoC可以被配置成实现属性估计器320、方向估计器302、和/或调节器322。
接收器304和部分接收器312的实施例分别参照图4和图5进行了讨论，并且示出了其中接收器304和部分接收器312均包括它自己的属性估计器(例如，相位估计器)以及其中部分接收器312具有比接收器304总体上更少的电路和功能的实施例。
图4是示出根据实施例的接收器404的框图。图4的接收器404是用于为无线设备提供解调功能的模拟和数字信号处理的示例。图5的部分接收器412是用于估计RF信号451的相位以进行AoA估计的相对较少的模拟和数字信号处理的示例。通过提供相位估计而不是解调，与多无线电AoA解决方案相比，部分接收器412意味着BOM、复杂性、和功耗的降低。
接收器404被示为包括沿着接收路径430的连续时间信号处理432、模数转换器(ADC)434、相位估计器436、和解调器438。在一个实施例中，RF信号431进入连续时间信号处理432，在连续时间信号处理432中其被滤波并与本地振荡器信号433混频，以将期望的频率(例如，或信道)下变频到中频。在一个实施例中，下变频过程将中频提供为由ADC 434采样并数字化的复数I和Q信号。相位估计器436可以执行计算，以使用I和Q值435估计RF信号431在天线处被接收的时间上的相位437，并将相位值转发给解调器438，解调器438转发数据439(例如，解码的1和0序列)用于进一步处理(例如，分组处理)。相位估计器436还将相位437转发给图3的方向估计器302(例如，或者转发给存储器)，以用于本文所述的AoA估计。
图5是示出根据一个实施例的部分接收器412的框图。部分接收器412被示为包括沿着接收路径450的连续时间信号处理452、ADC 454、和相位估计器456。在一个实施例中，当RF信号451被接收到时，其进入连续时间信号处理452，在连续时间信号处理452中其被滤波并与本地振荡器信号453混频，以将期望的频率或信道下变频到中频。在一个实施例中，下变频过程将中频提供为由ADC 454采样并数字化的复数I和Q信号。相位估计器456使用I和Q值455估计RF信号451在天线处被接收的时间上的相位457，并将相位457转发给方向估计器302，用于AoA估计。
图6和图7示出了在不同时段将部分接收器312耦合到不同天线的开关配置。在对图6和图7的讨论中，图6和图7中的接收器304、天线1 305、部分接收器312、开关电路314、天线2 315、天线3 317、和天线N 319可以与参照图3描述的那些相同或相似。
图6是示出根据一个实施例的耦合到天线1 305的接收器304和通过开关电路314耦合到天线2 315的部分接收器312的框图。开关电路314的配置可经由控制信号(未示出)控制。RF信号RF 1 601在同一时段内在天线1 301和天线2 315处被接收。在该时段之前或期间，开关电路314及时将部分接收器312耦合到天线2 315，以在开关电路314将部分接收器312耦合到天线3 317(例如，或者天线2-N中的另一个天线)之前，将RF1 601提供给部分接收器312用于相位估计。
图8是示出根据一个实施例的不同时段期间相位估计的协调的图表800。参考图8，讨论了参照图6所描述的配置，其中，在天线1 305上观察到的在时段810期间RF1的相位值被估计为φ1天线1 814；并且在天线2315上观察到的在时段810期间RF1的相位值被估计为φ1天线2 816。从图8中可以看出，在时段810期间，在天线1 305和天线2 315处观察到RF1的不同部分，导致不同的估计相位。尽管图8描绘了调频RF信号首先到达天线1 305，但是在一些实施例中，RF信号可以首先到达其他天线和/或关于相位或其他方面被调制，而不脱离所要求保护的主题。
图7是示出根据一个实施例的耦合到天线1 305的接收器304和通过开关电路314耦合到天线3 317的部分接收器312的框图。在实施例中，开关电路314由部分接收器312控制。RF信号RF2 701在同一时段内在天线1 305和天线3 317处被接收。在该时段之前或期间，开关电路314及时将部分接收器312耦合到天线3 317，以在开关电路314将部分接收器312耦合到天线2-N中的另一个天线以接收后续RF信号之前，向部分接收器312提供RF2 701以用于相位估计。
再次参考图8，讨论了参照图7所描述的配置，其中在天线1 305上观察到在时段820期间RF2的相位值被估计为φ2天线1 824；并且在天线3317上观察到在时段820期间RF2的相位值被估计为φ2天线3 826。开关电路314可以通过任何中间天线将部分接收器312耦合到天线N 319，其中在天线1 305上观察到在时段830期间RFN的相位值被估计为φN天线1 834；并且在天线N 319上观察到在时段830期间RFN的相位值被估计为φN天线N 836。图8示出了本文所述的实施例针对在同一时段期间在天线处接收的RF信号提供相位估计(例如，或其他RF信号属性)，其中天线是空间分集的，以允许使用比多无线电解决方案更少的接收器电路来基于任何输入模式进行AoA估计。
天线之间的切换可以是定时的和/或有序的，使得在一个或更多个连续分组的持续时间内获得足够数量的相位值，使得最终的AoA估计落在目标精度范围内。天线2-N之间的切换可以是定时的和/或有序的，从而可以估计对应于分组的某些部分(例如，某些场)的RF信号的相位值。此外，开关定时可以基于频率、波长、接收强度、输入模式、或RF信号的任何其他属性进行优化，以满足性能目标(例如，功耗、精度、速度)。
AoA估计的精度通常可以通过组合特定RF信号或分组的多个独立属性估计来提高。在实施例中，在各种配置中使用多个天线(例如，8-10个)来获得多个相位值，这些相位值可以被输入到用于AoA估计的估计算法中，如多信号分类(MUSIC)、经由旋转不变性的信号参数估计(ESPRIT)、广义互相关(GCC)等。为了估计AoA，实施例可以提供等于天线数量的多个相位值。然而，用于估计这些相位值的RF信号在不同时段期间在天线上被观察到。一些估计算法被设计成将对应于几乎同时在天线阵列上被观察到的RF信号的相位值作为输入。图9描述了用于调整和/或估计相位值的实施例，以提供一组调整的或估计的相位值作为估计算法的输入。
图9是示出根据一个实施例的用于提供调整的或估计的相位值的相位差的曲线图900。图9示出了如在天线1 305、天线2 315、和天线3 317上观察到的图8中的关于RF1的在时段810期间的相位值，以及图8中的关于RF2的在时段820期间的相位值。例如，在t1，在天线1 305上观察到的RF1具有相位值φ1天线1 814，而在天线2 315上观察到的RF1具有相位值φ1天线2 816。在t2，在天线1 305上观察到的RF2具有相位值φ2天线1 824，而在天线3 317上观察到的RF2具有相位值φ2天线3 826。此时，已经针对t1获得了对应于在t1处天线1 305和天线2 315的相位值，但是没有获得对应于在t1处天线3 317的相位值。天线1 305处相位值之间的相位差被示为Δφt1-t2 902。这个差意味着在t1和t2之间的信号进展(signalprogression)。如果假设在t1和t2之间在天线1 305上观察到的任何进展和相对应的相位差也将在天线3 317上被观察到，那么从在t2处天线3上的相位值φ2天线3 826中减去相位差Δφt1-t2 902将导致估计的相位值φ1天线3EST 904，如果在t1处在天线3 317上观察到RF1，则该估计的相位值φ1天线3EST 904将存在于天线3 317处。在一个实施例中，图3的方向估计器302提供了参照图9描述的调整和/或估计。这种相同的技术可以用于为剩余的N个天线中的任何一个天线提供调整的相位值。以这种方式，对应于特定捕获时段的一组调整的和/或估计的相位值可以被提供作为各种估计算法的输入。
图10是示出根据实施例的估计AoA的方法1000的流程图。可以通过包括硬件(电路、判决逻辑等)、软件(诸如运行通用计算系统或专用机器)、固件(嵌入式软件)、或它们的任意组合的处理逻辑来执行方法1000。例如，如参照图4-8和图10进一步所述，在各种实施例中，方法1000可以由图3的无线设备来执行。
例如，在块1002，图3的调节器322调节和/或补偿对用于方向估计的RF信号属性有影响的一个或更多个条件。在一些实施例中，调节器322将收发器310(例如，接收器)的相位偏移与部分接收器312的相位偏移同步到同步阈值范围内。参考图4和图5的示例，调节器322可以调节或同步输入到第一下变频混频器和第二下变频混频器的本地振荡器信号433和453，以减少相位偏移对方向估计的影响。替代地或附加地，调节器322可以确定收发器310的相位偏移与部分接收器312的相位偏移之间的相位差(例如，如参照图3所述)，以帮助补偿AoA估计的差异。
在块1004，图3的属性估计器320确定在第一时段期间在天线1 305(例如，第一天线)处接收的第一RF信号的第一属性值。在一个实施例中，图3的收发器310内的接收器304包括图4的相位估计器436以作为属性估计器，以提供在如图8所示的第一时段(例如，810)期间通过第一天线接收的第一RF信号的第一相位值(例如，814)。
在块1006，图3的属性估计器320确定在在第一时段期间在第二天线处接收的第一RF信号的第二属性值。例如，图3的接收器312可以包括图5的相位估计器456以作为其属性估计器，并且当如图6所示通过开关电路314耦合到天线2 315时，部分接收器312可以提供在如图8所示的第一时段(例如810)期间通过第二天线接收的第一RF信号的第二相位值(例如，816)。
在块1008，开关电路314将(例如，部分接收器312的)属性估计器从耦合到第二天线切换为耦合到第三天线。例如，图7示出了部分接收器312已经被开关电路314从天线2315切换到天线3 317。开关电路314可由输入信号控制，并且可以将部分接收器312耦合到2-N个天线中的任何一个天线。
在块1010，图3的属性估计器320确定在第二时段期间在第一天线处接收的第二RF信号的第一属性值。再次参考图4，图3的收发器310内的接收器304包括图4的作为属性估计器的相位估计器436，以提供在如图8所示的第二时段(例如，820)期间通过第一天线接收的第二RF信号的第一相位值(例如，824)。
在块1012，图3的属性估计器320确定在第二时段期间在第三天线处接收的第二RF信号的第二属性值。例如，图3的部分接收器312可以包括图5的相位估计器456以作为其属性估计器，并且当如图7所示通过开关电路314耦合到天线3 317时，部分接收器312可以提供在如图8所示的第二时段(例如，820)期间通过第三天线接收的第二RF信号的第二相位值(例如，826)。
在块1014，图3的方向估计器302基于第一RF信号的第一属性和第二属性以及第二RF信号的第一属性和第二属性来估计与第一RF信号和第二RF信号相关联的到达角。在一些实施例中，方向估计器302使用处理电路来实现，并且基于在第一天线和第二天线之间的第一RF信号的第一相位差以及在第一天线和第三天线之间的第二RF信号的第二相位差来估计第一RF信号和第二RF信号的源相对于天线阵列的方向。
在使用估计算法估计AoA的实施例中，方向估计器302可以进一步确定在第一天线上观察到的第一RF信号的第一相位值和在第一天线上观察到的第二RF信号的第一相位值之间的相位差，如参照图9所示和所述。方向估计器302然后可以从在第三天线上观察到的第二RF信号的第二相位值中减去该相位差，以估计在第一时段期间通过第三天线接收到的第一RF信号的第三相位值，如参照图9所示和所述。在一个实施例中，方向估计器302在估计算法中使用在第一时段期间在天线1 305和天线2 315上的观察到的相位值以及针对天线3317在第一时段期间所估计的第三相位值来估计到达角。
在一些实施例中，每个RF信号可以具有在ISM频带内的频率，并且编码Bluetooth分组、ZigBee分组、或Wi-Fi分组的至少一部分。例如，但不限于，可以使用具有符合蓝牙低能耗(BLE)、蓝牙基本范围/增强数据速率(BR/EDR)、或电气和电子工程师协会(IEEE)802.11和802.15.4的特性的信号。本领域普通技术人员将理解，在不脱离本发明主题的情况下，其他实施例可以针对任何无线通信频谱、调制模式、和/或通信协议的RF信号提供方向估计。
如上所述，一些AoA估计解决方案将不同的无线电收发器专用于其多个天线(例如，多无线电设备)中的每一个。对于这些设备，不仅收发器的数量会影响无线设备的BOM和占地面积，而且在天线数量和系统复杂性之间也存在线性关系，这会影响功耗。其他AoA估计解决方案使用开关电路将单个收发器(例如，单无线电)耦合到多个天线，一次一个，这与多无线电解决方案相比，可以导致减小BOM、占地面积、复杂性、和总功耗。在单无线电解决方案中，RF信号在不同时间通过天线接收，因此确定相关相位差(例如，用于AoA估计)可能依赖于恒定和/或预定的RF信号调制(例如，输入模式)和基于时间的相位值预测来提供可接受的AoA估计。本文描述的实施例可以精确地估计AoA，而不存在多无线电(例如，每个天线专用收发器)解决方案所存在的BOM、占地面积、复杂性和功耗问题，并且不需要在单无线电解决方案中所使用的恒定和/或预定的输入模式或相位预测。参照图11讨论了使用任何RF信号的基于AoA的定位的一些非限制性应用。
图11是示出根据实施例的适用于各种应用的AoA估计配置1100的框图。在实施例中，被跟踪设备1102包括发射RF信号的至少一个天线(未示出)，并且跟踪设备1104和1106均包括至少三个天线，并使用本文描述的系统和方法来估计被跟踪设备1102的AoA。来自多个跟踪设备1104和1106的AoA估计和/或诸如距离范围或拓扑知识的其他信息可以被用于(例如，由任何网络节点)估计被跟踪设备1102的二维或三维位置。该能力可用于，但不限于，仓库/零售库存跟踪室内位置/导航服务、网络效率、和具有位置辅助的家庭自动化设备。
例如，一些智能照明系统在其集线器和灯泡之间使用ZigBee PAN协议。设置过程可以包括为每个灯泡ID分配特定的位置(例如，大厅、卧室等)。虽然目前这个过程是手动的，启用了位置跟踪，但它可以是半自动化的。实施例可以在控制集线器设备(例如，跟踪设备1104和1106)中实现，以识别到每个灯泡(例如，被跟踪设备1102)的方向。在实施例中，灯泡的坐标定位可以通过本领域普通技术人员已知的技术来实现，如距离查找、三边测量、室内地图信息、和使用多个跟踪设备的三角测量。
因为本文描述的实施例可以基于任何输入模式(例如，协议和模式无关)来估计AoA，所以可以在跟踪设备(例如，跟踪设备1104和1106)中启用该功能，从而可以定位PAN网络中的知道AoA的设备(例如，向跟踪器提供用于AoA估计的预定模式的设备)和不知道AoA的设备。基于AoA的跟踪设备1104和1106将与现有的PAN安装基础(例如，不知道AoA的传统设备)一起工作，同时保持PAN解决方案的低复杂性(例如，一些实施例仅添加部分接收器和开关)。本领域普通技术人员将认识到，本文描述的一些实施例可以被用在没有被明确指定为PAN设备的网络设备中。
跟踪不知道AoA的设备的实施例可以应用于网状网络管理。当实施例被用于获得网格元件的物理拓扑知识时，管理、诊断、和使用应用可以被扩展或开发至涉及不知道AoA的设备。例如，定向发射可以用于减少拥塞。一旦被跟踪设备1102的AoA被建立，具有引导其信号或被跟踪设备的信号的能力的跟踪设备(例如，1104)可以使其自身或被跟踪设备限制信号广播的范围，以减少对相邻网络的干扰。这可以使用已知的波束成形技术或者通过使用定向天线来实现。
以上描述旨在是例证性而不是限制性的。例如，上述实施例(或其一个或更多个方面)可以彼此结合使用。在浏览以上描述之后，其他实施例对于本领域的技术人员将是明显的。在本文件中，术语“一个(a)”或“一个(an)”，如专利文件中常见的那样，用于包括一个或多于一个。在本文件中，术语“或”用于指非排他性的或，因此“A或B”包括“A但不是B”、“B但不是A”、以及“A和B”，除非另有说明。如果本文件和以引用方式并入的文件之间的用法不一致，则并入的参考文件中的用法应被认为是对本文件用法的补充；对于不可调和的不一致，本文件中的用法将取代任何引用文献中的用法。
虽然参考具体的实施方式描述了所要求保护的主题，但显然在不背离本公开的更广泛的精神和范围的情况下，可以对这些实施方式作出各种修改和变化。因此，说明书和附图被认为是说明性的而不是限制性的。所要求的范围应参考所附权利要求连同这些权利要求有权要求的等效物的整个范围来确定。在所附权利要求中，术语“包括(including)”和“其中(in which)”被用作相应术语“包含(comprising)”和“其中(wherein)”的纯英语等同物。此外，在以下权利要求中，术语“包括”和“包含”是开放式的；除了在权利要求中的这样的术语之后列出的那些元素之外，还包括其他元素的系统、设备、物品、或过程仍然被认为落入该权利要求的范围内。此外，在以下权利要求中，术语“第一(first)”、“第二(second)”、和“第三(third)”等仅用作标签，并不打算对其对象强加数字要求。
本公开的摘要被提供以符合要求摘要能让读者快速确定技术公开的性质的37C.F.R§1.72(b)。应当理解的是，摘要将不用于解释或限制权利要求的范围或意义。

Claims (20)

1.一种方法，包括：
使用收发器，确定在第一时段期间通过第一天线接收的第一射频(RF)信号的第一属性值；
使用属性估计器，确定在所述第一时段期间通过第二天线接收的所述第一RF信号的第二属性值；
将所述属性估计器从耦合到所述第二天线切换为耦合到第三天线；
使用所述收发器，确定在第二时段期间通过所述第一天线接收的第二RF信号的第一属性；
使用所述属性估计器，确定在所述第二时段期间通过所述第三天线接收的所述第二RF信号的第二属性；以及
基于所述第一RF信号的第一属性和第二属性以及所述第二RF信号的第一属性和第二属性，估计与所述第一RF信号和第二RF信号相关联的到达角。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，确定所述第一RF信号的第一属性值包括确定所述第一RF信号的第一相位值，确定所述第一RF信号的第二属性值包括确定所述第一RF信号的第二相位值，确定所述第二RF信号的第一属性值包括确定所述第二RF信号的第一相位值，并且确定所述第二RF信号的第二属性值包括确定所述第二RF信号的第二相位值。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，估计所述到达角包括确定第一相位差和第二相位差，其中，所述第一相位差是在所述第一RF信号的第一相位值和第二相位值之间，并且所述第二相位差是在所述第二RF信号的第一相位值和第二相位值之间。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，估计所述到达角包括调整所述第二RF信号的第二相位值，以估计在所述第一时段期间通过所述第三天线接收的所述第一RF信号的第三相位值，所述调整包括确定在所述第一RF信号的第一相位值与所述第二RF信号的第一相位值之间的相位差，并且从所述第二RF信号的第二相位值中减去所述相位差。
5.根据权利要求2所述的方法，包括使用耦合到所述第一天线的收发器处理所述第一RF信号，以及使用被配置成通过开关电路而被耦合到所述第二天线和第三天线的接收器处理所述第二RF信号，其中，所述接收器耦合到所述属性估计器。
6.根据权利要求5所述的方法，包括将所述收发器的相位偏移与所述接收器的相位偏移同步到预定的同步范围内。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述同步包括将相同的振荡器信号耦合到所述收发器的混频器和所述接收器的混频器。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述同步包括确定在所述收发器的相位偏移和所述接收器的相位偏移之间的相位差，并在估计所述到达角之前补偿所确定的相位差。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一RF信号和所述第二RF信号中的至少一者关于频率和相位中的至少一者进行调制。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，使用所述属性估计器来确定所述第一RF信号的第二属性值和所述第二RF信号的第二属性值包括使用与所述第一RF信号和所述第二RF信号相关联的I值和Q值中的至少一个来执行计算。
11.一种装置，包括：
收发器，所述收发器被配置成耦合到第一天线，所述收发器用于提供在第一时段期间通过第一天线接收的第一射频(RF)信号的第一相位值，并提供在第二时段期间通过所述第一天线接收的第二RF信号的第一相位值；
开关电路，所述开关电路被配置成在耦合到包括第二天线和第三天线的多个天线中的每个天线之间切换；
部分接收器，所述部分接收器被耦合到所述开关电路，所述部分接收器被配置成提供在所述第一时段期间通过所述第二天线接收的所述第一RF信号的第二相位值，并提供在第二时段期间通过所述第三天线接收的所述第二RF信号的第二相位值；以及
方向估计器，所述方向估计器被耦合到所述收发器和所述部分接收器，所述方向估计器被配置成基于所述第一RF信号的第一相位值和第二相位值以及所述第二RF信号的第一相位值和第二相位值来估计与所述第一RF信号和第二RF信号相关联的到达角。
12.根据权利要求11所述的装置，其中，所述方向估计器被配置成基于第一相位差和第二相位差来估计所述到达角，其中，所述第一相位差是在所述第一RF信号的第一相位值和第二相位值之间，并且所述第二相位差是在所述第二RF信号的第一相位值和第二相位值之间。
13.根据权利要求11所述的装置，其中，所述方向估计器被配置成：确定在所述第一RF信号的第一相位值与所述第二RF信号的第一相位值之间的相位差，并且从所述第二RF信号的第二相位值中减去所述相位差，以估计在所述第一时段期间通过所述第三天线接收的所述第一RF信号的第三相位值，其中，所述方向估计器被配置成使用所估计的第三相位值来估计所述到达角。
14.根据权利要求11所述的装置，还包括调节器，所述调节器被耦合到所述收发器、所述部分接收器、和所述方向估计器，所述调节器用于将所述收发器的相位偏移与所述部分接收器的相位偏移同步到同步阈值范围内。
15.根据权利要求14所述的装置，其中，所述调节器被配置成确定在所述收发器的相位偏移和所述部分接收器的相位偏移之间的相位差，并且其中，所述方向估计器被配置成补偿所确定的相位差以估计所述到达角。
16.根据权利要求11所述的装置，其中，每个RF信号具有工业、科学、和医疗(ISM)频带内的频率，并且编码Bluetooth分组或ZigBee分组的至少一部分，并且其中，所述第一RF信号和所述第二RF信号中的至少一者关于频率和相位中的至少一者进行调制。
17.一种无线设备，包括：
天线阵列，所述天线阵列包括第一天线、第二天线、和第三天线；
第一接收路径，所述第一接收路径被耦合到所述第一天线，所述第一接收路径包括解调器，所述解调器用于解调通过所述第一天线接收的射频(RF)信号；
耦合电路，所述耦合电路用于交替地耦合到所述第二天线和所述第三天线；
第二接收路径，所述第二接收路径被耦合到所述耦合电路，所述第二接收路径包括相位估计器，以用于提供与通过所述第二天线和所述第三天线接收的RF信号相关联的相位估计；以及
处理电路，所述处理电路被配置成使得所述耦合电路在第一时段期间耦合到所述第二天线并且在第二时段期间耦合到所述第三天线，所述处理电路用于基于在所述第一天线和所述第二天线之间的第一RF信号的第一相位差以及在所述第一天线和所述第三天线之间的第二RF信号的第二相位差来估计所述第一RF信号和所述第二RF信号的源相对于所述天线阵列的方向。
18.根据权利要求17所述的无线设备，其中，所述相位估计器基于与所述第一RF信号和第二RF信号中的每一者相关联的I信号和Q信号中的至少一个来估计通过所述第二天线接收的所述第一RF信号的相位值和通过所述第三天线接收的所述第二RF信号的相位值。
19.根据权利要求17所述的无线设备，其中，所述第一接收路径包括第一下变频混频器，并且所述第二接收路径包括第二下变频混频器，其中，所述无线设备还包括调节器，所述调节器耦合到所述第一接收路径和所述第二接收路径，所述调节器用于调节到所述第一下变频混频器和所述第二下变频混频器的一个或更多个本地振荡器输入，以降低相位偏移对所述方向的估计的影响。
20.根据权利要求17所述的无线设备，其中，所述无线设备以及所述第一RF信号和第二RF信号的源连接在无线个人区域网络内。
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