CN1181597C - 校正指向性图形形成用的相位量的自适应阵列装置和校正方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的自适应阵列装置具备具有调制器11、发送电路12、开关13、相位检测单元14、接收电路15和解调器16的多个无线单元10～40以及控制单元50，在控制单元50中，根据接收系统和发送系统的相位变动量的差分在每个无线单元中校正附加到输出信号上的指向性图形形成用的相位量。

Description

说明书 校正指向性图形形成用的相位量的 自适应阵列装置和校正方法
技术领域
本发明涉及利用多条天线以自适应的方式产生指向性图形的自适应阵列装置和指向性图形形成用的相位量的校正方法。
背景技术
近年来，在数字方式的通信设备中，为了提高传送的效率，通过用数字信息信号(基带(baseband)信号)对载波进行调制来进行信息的传送。
在数字通信中，利用传送速度的提高或在同一频率中容纳多个用户的多信道化来谋求频率资源的有效利用。另一方面，伴随传送速度的高速化，因衰减(fading)引起的通信质量的恶化成为问题，已开发了各种对策技术。
作为衰减的对策之一，已提出了自适应阵列方式。所谓自适应阵列方式，是利用多条天线以自适应的方式产生指向性图形、以使电波只到达特定的用户的方式。例如，在具备4个由发送电路、接收电路和天线构成的发送接收系统的自适应阵列装置的情况下，通过在发送时调整各发送电路的增益和相位、在接收时调整各接收电路的增益和相位，可形成发送时、接收时的各自的指向性图形。由于关于自适应阵列方式的细节已记载在「空间领域中的适应信号处理及其应用技术论文特集」(电子通信学会论文志VOL.J75-B-II NO.11 NOVEMBER1992)中，故在此省略详细的说明。
为了使用自适应阵列方式进行双向的通信，希望在双方形成对于通信对方的指向性图形。但是，在应用于移动通信的情况下，由于移动装置存在大小、天线数目等的物理的制约，故移动装置来控制指向性图形是不实际的。因此，考虑了在基站中形成接收时和发送时的两者的指向性图形。即，在基站中，在发送时形成与接收时最佳地形成的指向性图形相同的指向性图形，来发送电波。
但是，按照上述现有技术，存在难以使基站中的接收时的指向性图形与发送时的指向性图形一致的问题。更详细地说，通过在每条天线中调整增益和相位来形成指向性图形，但即使在发送时供给与接收时相同的相位，由于发送电路与接收电路的传播特性(特别是相位变动特性)不同，故也不能形成接收发送都相同的指向性图形。之所以发送电路与接收电路的传播特性不同，是因为电路结构不同，此外，是因为即使电路结构相同、在内部也存在电路元件的离散性。换言之，是因为由于实际上构成了电路的电路元件(部件)的特性方面存在离散性，故作为这些电路元件的集合体的无线系统的特性方面也产生了离散性。
发明的公开
本发明是鉴于上述的问题而进行的，其目的在于提供一种容易使接收时的指向性图形与发送时的指向性图形一致的自适应阵列装置。
为了达到上述目的，本发明的自适应阵列装置是具备多个具有发送单元、接收单元和天线的无线单元的、在发送时形成与在接收时形成了的指向性图形大致相同的指向性图形的自适应阵列装置，由于具备：存储装置，在每个无线单元中存储与接收单元和发送单元的相位传播特性的差对应的校正值；以及校正装置，通过在每个无线单元中将在上述存储装置中存储了的校正值加到在输出信号上附加的指向性图形形成用的相位量上来校正上述相位量，故存储装置存储与起因于构成发送单元和接收单元的电路元件(部件)的特性的离散性的发送单元和接收单元的相位传播特性的差对应的校正值，校正装置将该校正值加到发送单元的指向性图形形成用的相位量上，由此，具有能容易使接收时的指向性图形与发送时的指向性图形一致的效果。
此外，上述自适应阵列装置还具备根据各无线单元中的接收单元和发送单元的相位变动特性的差来生成每个无线单元的上述校正值的生成装置，上述存储装置存储在每个无线单元中由生成装置生成的校正值。
再者，上述生成装置具备：生成测试信号的生成单元；第1检测单元，检测上述测试信号经过了各发送单元时的第1相位变动量；第2检测单元，检测上述测试信号按顺序经过了各无线单元中的发送单元和接收单元时的第2相位变动量；以及计算单元，在每个无线单元中由上述第1和第2相位变动量计算发送单元与接收单元的相位变动量的差作为校正值。
按照该结构，借助于由生成单元、第1检测单元和第2检测单元构成的简单结构，可得到能够生成校正值的效果。
此外，上述计算单元通过第2相位变动量与第1相位变动量的2倍的量的减法运算来计算上述校正值。
此外，上述生成装置在每个规定期间内生成上述校正值。
按照该结构，由于将上述生成装置构成为在每个规定期间内生成上述校正值，故除了上述的效果外，即使在自适应阵列装置的各无线单元的特性受到随时间的变化的情况下，上述生成装置可生成与接收了随时间的变化的无线单元对应的校正值。
在一种在具备多个具有发送单元、接收单元和天线的无线单元的、在发送时形成与在接收时形成了的指向性图形大致相同的指向性图形的自适应阵列装置中被应用的指向性图形形成用的相位量的校正方法中，由于具有：生成步骤，生成与各无线单元中的接收单元和发送单元的相位变动特性的差对应的校正值；以及校正步骤，通过在每个无线单元中将由上述生成步骤生成的校正值加到在输出信号上附加的指向性图形形成用的相位量上来校正相位量，故具有与上述相同的效果。
附图的简单说明
图1是示出本发明的实施例中的自适应阵列装置的结构的框图。
图2是示出控制单元50的主要部分和调制器11、21、31、41的更详细的结构的框图。
图3是校正值生成处理的说明图。
图4是接收发送时的工作说明图。
图5示出校正值生成单元55的校正值生成处理的更详细的流程图。
图6是示出控制单元50的主要部分和各调制器的另一结构例的框图。
图7是示出本发明的另一实施形态中的自适应阵列装置的结构的框图。
用于实施发明的最佳形态
图1是示出本发明的实施例中的自适应阵列装置的结构的框图。本自适应阵列装置具备无线单元10、20、30、40、天线17、27、37、47和控制单元50，作为数字携带电话等的移动通信中的基站来设置。此外，无线单元10由调制器11、发送电路12、开关13和相位检测单元14构成。
在无线单元10中，将从控制单元50输入的基带信号(符号数据)调制为中频信号(以后，简称为IF信号)。此时，使用将在调制过程中从控制单元50供给的相位数据与校正值相加的值来生成IF信号。在此，相位数据是在发送时也生成与接收时的指向性图形相同的指向性图形用的相位量，校正值是校正因发送电路12与接收电路15的特性差引起的发送输出的相位变动用的相位量。此外，在调制器11中的数字调制方式是GMSK(高斯-滤波最小相移键控)或π/4相移QPSK(正交相移键控)等。
发送电路12将来自调制器11的IF信号变换为高频信号(以后，简称为RF信号)，放大到发送输出电平。
开关13切换发送时的发送电路12与相位检测单元14的连接(以下，称为发送连接)、接收时的相位检测单元14与接收电路15的连接(以下，称为接收连接)、校正值生成时的发送电路12与接收电路15的连接(以下，称为循环连接)。
相位检测单元14在输出了从调制器11直接输入的具有特定相位的IF信号(以下，称为测试信号)时，检测从调制器11直接输入的测试信号与经由发送电路12输入的测试信号的相位差。即，作为发送电路12的传播特性来检测相位变动量。此外，相位检测单元14在发送接收时使RF信号按原样通过开关13与天线17之间。
再有，相位检测单元14在检测上述相位差时，利用分频电路(未图示)将经由发送电路12输入的测试信号变换为IF信号，通过比较该被变换了的测试信号与从调制器11直接输入的测试信号来检测相位差。在此，假定分频电路的相位变动特性或是已知的，或是相位变动量很小，对指向性图形的形成没有影响。
接收电路15将接收信号变换为IF信号。
解调器16将来自接收电路15的IF信号解调为基带信号(符号数据)。
由于无线单元20、30、40的结构与无线单元10的结构相同，故省略说明。
控制单元50为了与无线单元10～40的发送接收控制一起实现自适应阵列，控制每个无线单元的增益和相位，特别是，对每个无线单元输出校正因发送时发送电路12与接收电路15的特性差引起的发送输出的相位变动用的相位量。此外，控制单元50在发送之前生成每个无线单元的校正值。
图2是示出控制单元50的主要部分和调制器11、21、31、41的更详细的结构的框图。
在该图中，调制器11具有加法运算器11a、波形数据发生单元11b和乘法运算器11c。加法运算器11a对从控制单元50输入的相位数据φ1和校正值φ1c进行加法运算。波形数据发生单元11b发生具有示出加法运算器11a的加法运算结果的相位的正弦波数据。乘法运算器11c通过对来自波形数据发生单元11b的正弦波数据与来自控制单元50的发送数据TX1进行乘法运算来生成IF信号。
此外，图2的控制单元50的主要部分具有基带信号发生单元51、选择器52、相位数据保持单元53、校正值保持单元54和校正值生成单元55而构成。虽然该图的控制单元50中在功能方面划分各构成要素来记述，但也可用DSP(数字信号处理器)来构成。
基带信号发生单元51通过将串行输入的发送数据变换为I(同相)分量和Q(正交)分量来发生每个分量的基带信号(符号数据)。选择器52输出将基带信号的I分量与Q分量多重化了的发送数据TX1～TX2。
相位数据保持单元53保持相位数据φ1～φ4，作为在发送时也生成与接收时的指向性图形相同的指向性图形用的相位量。关于各相位数据，由于在「空间领域中的适应信号处理及其应用技术论文特集」(电子通信学会论文志VOL.J75-B-II NO.11 NOVEMBER 1992)中已记载了，故在此省略说明。
校正值保持单元54保持校正值φ1c～φ4c，作为校正因发送电路12与接收电路15的特性差引起的发送输出的相位变动用的相位量。
校正值生成单元55生成校正值φ1c～φ4c，进行使校正值保持单元54保持的校正值的生成处理。校正值生成单元55按规定期间进行该校正值的生成处理。在此，规定期间最好是几日～几十日之间，可根据接收电路15与发送电路12的相位变动特性随时间变化的程度以及接收电路15与发送电路12的相位变动量差的容许范围来确定。例如，如果将相位变动量差的容许范围定为-10％～+10％，则将规定期间定为在根据接收电路15和发送电路12的随时间变化的程度而变动的相位变动量差超过容许范围的-10％～+10％之前更新校正值。这样，校正值生成单元55进行与随时间变化对应的校正值的更新。
图5示出校正值生成单元55的校正值生成处理的更详细的流程图。使用图3的说明图来说明该校正值生成处理。
在该图中，首先，校正值生成单元55对于无线单元10(步骤51)将开关13设定为循环连接(步骤52)，输出具有已知的特定相位量的测试数据(步骤53)。例如，通过将相位数据φ1、校正值φ1c、发送数据TX1的全部定为“0”来输出该测试数据。
被输出的测试数据流过图3中的(A)的路径，到达控制单元50的RX1端子。此时，测试数据受到因路径(A)引起的相位变动、特别是由模拟电路部分、即发送电路12和接收电路15引起的相位变动。校正值生成单元55通过比较此时的在RX1端子上接收的测试数据和原来的测试数据的相位，检测上述路径(A)的相位变动量(Δφt1+Δφr1)(步骤54)。
再者，校正值生成单元55将开关13设定为发送连接(步骤55)，再次输出上述的测试数据(步骤56)。该测试数据流过图3中的路径(B)和路径(C)，到达相位检测单元14。路径(C)与路径(B)相比，在接收由发送电路12引起的相位变动这一点上是不同的。相位检测单元14通过比较来自路径(B)的测试数据的相位与来自路径(C)的测试数据的相位，检测由发送电路12引起的相位变动量Δφt1。校正值生成单元55经IN1端子接收该检测结果(步骤57)。
校正值生成单元55从以这种方式得到的2个检测值、即(Δφt1+Δφr1)和(Δφt1)算出无线单元中的接收系统的相位变动量与发送系统的相位变动量的差分(Δφr1-Δφt1)作为校正值φ1c，使校正值保持单元54进行保持(步骤58)。在此，校正值φ1c(＝Δφr1-Δφt1)通过校正值生成单元55从(Δφt1+Δφr1)和(Δφt1)计算(Δφt1+Δφr1)-2(Δφt1)来求出。
再者，校正值生成单元55以同样的方式对于无线单元20、30、40算出校正值φ2c、φ3c、φ4c(Δφr2-Δφt2、Δφr3-Δφt3、Δφr4-Δφt4)，使校正值保持单元54进行保持(步骤59、51)。
如上所述，生成每个无线单元的校正值，使校正值保持单元54进行保持。
对于以上述方式构成的本发明的实施形态中的自适应阵列装置，说明其工作。
本自适应阵列装置在通常的接收发送之前进行校正值生成处理。关于校正值生成处理的时期，如已说明的那样，希望定期地进行。在该校正值生成处理中，按照图3的说明图和图5的流程图，如已说明的那样，求出与各无线单元对应的校正值φ1c、φ2c、φ3c、φ4c，使校正值保持单元54进行保持。
在通常的发送接收中，如下述那样使用被保持的校正值。
本自适应阵列装置为了生成指向性图形，在每个无线单元中进行增益调整和相位的调整。关于增益调整，由于与以往相同，故省略其说明。
关于相位调整，本自适应阵列装置分别对各无线单元供给相位数据φ1～φ4以用于形成指向性图形，同时加上校正值φ1c～φ4c来发送。
图4是无线单元10的接收发送时的工作说明图。现在，将接收电路15的相位变动量Δφr1定为0.5度、将发送电路12的相位变动量Δφt1定为0.3度。此外，为了使说明简单，将相位数据φ1定为0度。
如该图那样，在接收时接收了从其它的无线装置到来的电波时，接收信号RX1因接收电路15而受到Δφr1(＝0.5)的相位变动。
另一方面，在发送时，关于发送数据TX1，由于将相位数据φ1与校正值φ1c(Δφr1-Δφt1＝0.2)相加，故被供给φ1+φ1c(＝φ1+0.2)的相位变动量。在该发送数据TX1经由发送电路12从天线17发出时，接收到Δφt1+φ1c＝0.3+0.2＝0.5的相位变动量。
这样，在无线单元的内部发生的接收时的相位变动和发送时的相位变动都是0.5度。即，通过加上校正值，可认为发送系统与接收系统的特性完全相同。
由于无线单元20、30、40的接收发送时的工作也与无线单元10的工作相同，故省略说明。
图6是示出控制单元50的主要部分和各调制器的另一结构例的框图。
该图在具备调制器100来代替如图2所示的调制器11、21、31、41这一点上与图2不同。即，4个无线单元10、20、30、40共用调制器100中的波形数据发生单元101，为了进行共用，在波形数据发生单元101的前后备有多路转换器102和解多路转换器103。
波形数据发生单元101与图2的波形数据发生单元11b、21b、31b、41b相比，以4倍的速度工作。因此，多路转换器102对来自4个加法运算器11a、21a、31a、41a的加法运算结果以时间分割的方式进行多重化，对波形数据发生单元101输出各自的加法运算结果。此外，解多路转换器103将在波形数据发生单元101中发生的各波形分配给4个乘法运算器11c、21c、31c、41c。
在该结构中，通过使调制器100的内部速度定为4倍，可减少电路规模。
图7是示出本发明的另一实施形态中的自适应阵列装置的结构的框图。由于该图只在具备无线单元110、120、130、140来代替图1中的无线单元10、20、30、40这一点上不同，故以不同的方面为中心来说明。
无线单元110对于无线单元10来说，只在相位检测单元14被配置在发送电路12与开关13之间这一点上不同，其功能与无线单元10完全相同。
此外，相位检测单元14的配置位置也可在开关13与接收电路15之间。
这样，可将相位检测单元14配置在容易安装的位置上。
由于无线单元120、130、140也是同样的，故省略说明。
再有，关于上述实施形态中的校正值生成处理，如上所述，希望定期地进行，但根据在电路元件中是否容易产生随时间的变化来决定其频度即可。如果在使用了随时间的变化少的电路元件的情况下，则可在出厂时在校正值保持单元54中写入各无线单元的校正值。此时，可删除图2中的校正值生成单元55、相位检测单元14。
产业上利用的可能性
由于本发明的自适应阵列装置根据发送单元与接收单元的相位变动量的差来校正发送时的相位量，故即使在特性的差大的情况下，也可在发送时生成与接收时的指向性图形一致的指向性图形，特别是在发送单元和接收单元中使用了廉价的电路元件来构成的情况等的特性差的影响成为问题那样的移动通信的基站中，是有用的。

Claims (12)

1.一种自适应阵列装置，具备多个具有发送单元、接收单元和天线的无线单元，在发送时形成与在接收时形成了的指向性图形大致相同的指向性图形，其特征在于，具备：
存储装置，在每个无线单元中存储与接收单元和发送单元的相位传播特性的差对应的校正值；以及
校正装置，通过在每个无线单元中将在上述存储装置中存储了的校正值加到在输出信号上附加的指向性图形形成用的相位量上来校正上述相位量。
2.如权利要求1中所述的自适应阵列装置，其特征在于：
上述自适应阵列装置还具备根据各无线单元中的接收单元和发送单元的相位变动特性的差来生成每个无线单元的上述校正值的生成装置，
上述存储装置存储在每个无线单元中由生成装置生成的校正值。
3.如权利要求2中所述的自适应阵列装置，其特征在于：
上述生成装置具备：
生成测试信号的生成单元；
第1检测单元，检测上述测试信号经过了各发送单元时的第1相位变动量；
第2检测单元，检测上述测试信号按顺序经过了各无线单元中的发送单元和接收单元时的第2相位变动量；以及
计算单元，在每个无线单元中由上述第1和第2相位变动量计算发送单元与接收单元的相位变动量的差作为校正值。
4.如权利要求3中所述的自适应阵列装置，其特征在于：
上述计算单元通过第2相位变动量与第1相位变动量的2倍的量的减法运算来计算上述校正值。
5.如权利要求4中所述的自适应阵列装置，其特征在于：
上述生成装置在每个规定期间内生成上述校正值。
6.如权利要求5中所述的自适应阵列装置，其特征在于：
上述生成装置将上述规定期间定为根据接收单元和发送单元的相位变动量的差的随时间的变化的程度和相位变动量的差的容许量而被确定的期间。
7.如权利要求2中所述的自适应阵列装置，其特征在于：
上述生成装置在每个规定期间内生成上述校正值。
8.如权利要求7中所述的自适应阵列装置，其特征在于：
上述生成装置将上述规定期间定为根据接收单元和发送单元的相位变动量的差的随时间的变化的程度和相位变动量的差的容许量而被确定的期间。
9.一种在具备多个具有发送单元、接收单元和天线的无线单元的、在发送时形成与在接收时形成了的指向性图形大致相同的指向性图形的自适应阵列装置中被应用的指向性图形形成用的相位量的校正方法，其特征在于，具有：
生成步骤，生成与各无线单元中的接收单元和发送单元的相位变动特性的差对应的校正值；以及
校正步骤，通过在每个无线单元中将由上述生成步骤生成的校正值加到在输出信号上附加的指向性图形形成用的相位量上来校正相位量。
10.如权利要求9中所述的校正方法，其特征在于：
上述生成步骤具备：
输出测试信号的输出步骤；
第1检测步骤，检测上述测试信号经过了各发送单元时的第1相位变动量；
第2检测步骤，检测上述测试信号按顺序经过了各无线单元中的发送单元和接收单元时的第2相位变动量；以及
计算步骤，在每个无线单元中由上述第1和第2相位变动量计算发送单元与接收单元的相位变动量的差作为校正值。
11.如权利要求10中所述的校正方法，其特征在于：
在上述计算步骤中，通过第2相位变动量与第1相位变动量的2倍的量的减法运算来计算上述校正值。
12.如权利要求11中所述的校正方法，其特征在于：
在上述生成步骤中，在每个规定期间内生成上述校正值。
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