CN1806399A

CN1806399A - 多天线系统的波束形成器和合并器

Info

Publication number: CN1806399A
Application number: CNA2004800169141A
Authority: CN
Inventors: 何民聂; 萨米特·桑杜
Original assignee: Intel Corp
Current assignee: Intel Corp
Priority date: 2003-04-30
Filing date: 2004-04-14
Publication date: 2006-07-19
Also published as: WO2004100398A1; US7746967B2; MY144641A; EP1618680A1; US20040219899A1

Abstract

用于调整模拟信号的补偿校正值考虑了有色噪声、同信道干扰和采样间干扰的影响，所述模拟信号接收自多天线组成单元。一种用于产生模拟合并体系结构的补偿校正值的方法考虑了一段时间内的总信道冲击响应。

Description

多天线系统的波束形成器和合并器

背景技术

某些无线系统使用单天线来发送和接收，而某些产品包含多个天线，但以非常简单的方式来使用所述多个天线。例如，一些智能天线系统使用选择分集，其中，开关根据哪个天线接收到的信号功率更高来选择两个天线中的一个。

对智能天线系统，存在着对更好的多天线控制方法的持续需要。

附图说明

在本说明书的结束部分，特别指明并清晰地要求保护被视为本发明的主题。但是，当通过与附图一起阅读来参考下面详细的描述时，可以最佳地理解本发明的运行方式和结构，以及其目的、特征和优点，其中：

图1示出了用于控制在接收链(receive chain)中的信号的增益和相位的本发明特征，所述特征可以被结合到无线通信设备中；

图2示出了依据本发明产生信道矩阵H的实施方案的流程图；

图3示出了依据本发明的实施方案的流程图，所述流程图包括了在信道矩阵H形成后求均值的步骤；

图4示出了依据本发明表示了有色噪声的实施方案的流程图；

图5示出了依据本发明降低了同信道干扰的实施方案的流程图；以及

图6示出依照本发明、使用包括模拟合并的空分多址(Spatial Division Multiple Access，SDMA)的实施方案的流程图。

应该理解，为了说明的简洁和清晰，在图中所示的组成单元(element)不一定按比例绘制。例如，为了清晰，一些组成单元的尺寸可能相对于其他组成单元被夸大。此外，在被认为适当的地方，在这些图中重复了参考数字，以指示对应或者类似的组成单元。

具体实施方案

在下面的详细描述中，为了提供对本发明的透彻理解，给出了大量具体细节。但是，本领域熟练技术人员将理解，不需要这些具体细节可以实践本发明。在其他实例中，公知的方法、过程、部件和电路没有被详细描述，以避免模糊了本发明。

在下面的描述和权利要求书中，可能用到术语“耦合”(coupled)和“连接”(connected)以及其派生词。应该理解，这些术语不是要被当成彼此的同义词。相反，在特定实施方案中，可以使用“连接”来表示两个或者更多组成单元彼此处于直接的物理接触或者电气接触。“耦合”可以表示两个或更多个组成单元处于直接的物理接触或者电气上接触。但是，“耦合”也可以指两个或更多个组成单元彼此不是直接接触，但是仍旧彼此协作或者互相作用。

图1示出了本发明的特征，所述特征可以被结合在无线通信设备10中。收发机通过多天线接收或发送被调制信号。在接收机12中，第一接收机链(receiver chain)包括低噪声放大器(Low Noise Amplifier，LNA)和可变增益放大器(Variable Gain Amplifier，VGA)16，以放大从天线14接收到的信号，所述LNA和VGA16之后紧跟着移相器18。数模转换器(Digital-To-Analog Converter，DAC)20被连接到LNA16和移相器18，以调节接收到的被调制信号的增益和相位。混频器电路32在第一接收机链中接收被调制信号并转换被调制信号的载波频率，在接收机中将被调制信号的频率下变频。经过下变频的信号可以通过滤波器34进行滤波，并由模数转换器(Analog-To-Digital Converter，ADC)36转换为数字表示。

接收机12还包括从天线24接收信号的第二接收机链，所述第二接收机链包括LNA和VGA26，其后紧跟着移相器28。DAC30被连接到LNA26和移相器28，以调节第二接收机链中接收到的被调制信号的增益和相位。混频器电路32在第二接收机链中接收被调制信号并下变频被调制信号的频率。经过下变频的信号可以通过滤波器38进行滤波，并由模数转换器(ADC)40转换为数字表示。

基带应用处理器68被连接到ADC36和ADC40，一般用来对通信设备10中接收到的数据进行数字处理。注意，无线通信设备10可以工作在各种信道条件下，在这些信道条件下天线接收到的信号可能因为多径传播而被破坏。例如，徒步或者车载运动导致多径部件上的多普勒频移，造成衰落多径信道的时间变化。因此，无线接收机可能遇到多个信号同时到达，其中信号已经被表面反射而不是在来自所述发送机(transmitter)的直接路径上被接收。

处理器68可以处理数字化正交信号，也即第一接收机链中的同相信号“I”和正交信号“Q”，来为DAC20提供控制信号，从而依据本发明的特征减轻信道多径效应。类似地，来自第二接收机链的数字化正交信号也被处理，来为DAC30提供控制信号，以减轻该信道的信道多径效应。

注意，蜂窝通信系统也可能接收到这样的信号，即所述信号具有在被发送码的相邻脉冲之间的干扰。失真可能在时间扩展(temporal spreading)以及随之产生的个别脉冲重叠中更为明显，导致接收机在可靠识别各个信号组成单元方面的困难。处理器68可以处理第一和第二接收机链的数字化正交信号，从而依据本发明的特征减轻符号间干扰(Inter-Symbol Interference，ISI)效应。

收发机还包括发送机72，在此从处理器68接收到的数字数据可以被数模转换器(DAC)64转换为模拟信号。在第一发送机路径，模拟信号可以被上变频器60调制，而且被调制信号的相位和增益由移相器44和可变增益功率放大器(Variable Gain-PowerAmplifier，VGA-PA)42进行调节。DAC48使用来自处理器68的控制信号来为从天线14发送的被调制信号设置适当的相位和信号强度。在第二发送机路径中，模拟信号可以被上变频器62调制，且被调制信号的相位和增益由移相器54和VGA-PA52进行调节。类似地，DAC58使用来自处理器68的控制信号来为从天线24发送的被调制信号设置适当的相位和信号强度。

接收机12和发送机72可以与处理器68嵌入在一起，作为混合模式集成电路，或者可替换地，收发机可以是单独的射频集成电路。因此，本发明的实施方案可以在各种应用中被使用，其中所要求保护的主题被包含在微控制器、通用微处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processors，DSP)、精简指令集计算(Reduced Instruction Set Computing，RISC)、复杂指令集计算(Complex Instruction Set Computing，CISC)以及其他电子部件中。具体地说，本发明可以在智能电话、通讯机和个人数字助理(PDA)、医疗或生物科技装备、汽车安全和保护装备和汽车信息娱乐产品中被使用。但是，应该理解，本发明的范围不局限于这些实施例。

此外，本发明的原理可以在这样的无线设备中实践，即所述无线设备被连接到码分多址(CDMA)蜂窝网络中，并被分布在用于提供无线通信的小区覆盖(cell coverage)的区域内。此外，可以在无线局域网(WLAN)、广域网(WAN)、个人区域网(PAN)和局域网(LAN)等等中来实践本发明的原理。

存储器设备70可以被连接到处理器68，以储存数据和/或指令。在一些实施方案中，存储设备70可以是易失性存储器，例如静态随机访问存储器(SRAM)、动态随机访问存储器(DRAM)或同步动态随机访问存储器(SDRAM)，尽管所要求保护的主题的范围在这个方面不受限制。在另外的实施方案中，存储器设备可以是非易失性存储器，例如电可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪存储器(NAND或NOR类型，每一单元包括多个比特)、铁电随机访问存储器(FRAM)、聚合物铁电随机访问存储器(PFRAM)、磁性随机访问存储器(MRAM)、双向开关半导体统一存储器(Ovonics Unified Memory，OUM)、盘存储器(例如机电硬盘、光盘、磁盘)，或者其他任何能够存储指令和/或数据的设备。但是，应该理解，本发明的范围不限于这些实施例。

图2-6示出了依照本发明用于计算多天线系统权重的不同方法的流程图。所述权重也可以称为天线权重，并且会影响到被连接到不同天线的接收机链中的信号增益和信号相位。用于接收机12中的线性合并器以及发送机72中的波束形成器的权重可以由处理器68进行数字化计算。这些权重考虑了时域信号和整个信道冲激响应，并且被无线通信设备10使用来提高平均信号功率与平均噪声功率的比值。因此，可以在合并之前对多个接收信号进行相移和增益放大，其中用于线性合并器的权重被提供给DAC20和30。此外，可以在发送之前对多个发送信号进行相移和增益放大，其中用于波束形成器的权重被提供给DAC48和58。注意，权重的精度可以由DAC的位数控制。

无线通信设备10内的信道估计可以通过计算一系列已知训练或前同步码(preamble)序列的平均值来进行。已知的符号可以被发送到接收机12，以得到可应用于与各个天线组成单元相对应的接收机链的补偿校正值。注意，信道冲激响应既可以在时域也可以在频域被估计，其中，域的选择取决于正在被增强的无线系统。由于在计算权重时考虑到了时域发送或接受信号，这些权重可以应用于时域模拟信号。这样，这些操作可以用模拟部件进行，并且降低了硅硬件成本。

特定地参照图2，信道对天线14及24接收到信号的影响可以估计出来，其中用于每条接收链的数字化正交信号被提供给处理器68(过程210)。接着形成信道矩阵(过程220)，其中，信道矩阵H的行即为信道估计值。所有天线组成单元的信道估计值的长度可以选为相同，尽管本发明并不受此限制。一旦信道矩阵已经形成，可以通过将矩阵H与其共轭转置H^*相乘来计算新矩阵H(过程230)，此数学运算被表示为H＝HH^*。接着对此矩阵执行奇异值分解(Singular Value Decomposition，SVD)算法(过程240)，并且可以计算与最大奇异向量相对应的特征向量(过程250)。在最大化多个模拟信号的信噪功率比方面，这些权重可以被证明是最佳的。这些由处理器68计算的权重可以被传递到接收机12并用于控制DAC20和30(过程260)。

用于发送机72的发送波束形成器权重可以用相同的方式计算。事实上，发送和接收方向的信道矩阵可以是相同的，这样，相同的权重可以同样用于发送机72和接收机12。这些权重可以用于控制发送机72中的DAC48和58，以提高接收机的信噪功率比。

参照图3，可以估计与多天线中的每一个相关联的信道并得到补偿校正值。每个接收链的数字化正交信号可以由接收机12提供给处理器68(过程310)。通过在H矩阵形成(过程320)之后增加计算均值的步骤，权重可以在均值意义上被计算出来。在这个实施方案中，矩阵H可以在许多的信道上来计算均值，以得到一个新的均值矩阵Ha(过程330)。这个信道协方差矩阵Ha可以用于SVD计算(过程340)和权重提取(过程350)。处理器68计算的这些权重可以被传递到接收机12并用于控制DAC20和30(过程360)。此方案可以在具体信道未知而信道协方差已知的情况下使用。

参照图4，存在有色噪声时，用来补偿信道的权重可以通过增加一系列步骤来计算，其中所述有色噪声可以在没有任何信号时被估计(过程410)。可以形成噪声矩阵K(过程420)，并且通过将矩阵K与其共轭转置K^*相乘计算出新矩阵(过程430)。接着计算新矩阵的平方根并用矩阵I表示，然后再计算矩阵L的逆(过程440)。在原来的步骤顺序中(过程210，220)，可以在矩阵H形成后加一个步骤，其中，矩阵H被矩阵L的逆来左乘和右乘(过程450)。然后，可以使用SVD算法计算权重(过程460)，正如无有色噪声的情况。处理器68计算的这些权重可以传递到接收机12并用于控制DAC20和30(过程470)。

参照图5，可以计算用于控制DAC20和30的权重来减少同信道干扰和/或同信道用户的出现。干扰加噪声在没有任何信号的情况下被估计(过程510)，且形成表示噪声及干扰的噪声加干扰矩阵O(过程520)。图4和图5存在很多相似之处。然而，此矩阵被简化为有色噪声的特殊情况，其中干扰加噪声被视为有色噪声。注意SVD算法在此不需要，而且可以使用次最佳迭代算法(例如，仅仅计算最佳特征向量的迭代功率方法)来降低数字复杂性及计算时间(过程560)。注意SVD算法可以用矩阵求逆来替代。处理器68计算的这些权重可以传递到接收机12并用于控制DAC20和30(过程570)。

图6示出依照本发明、使用包含模拟合并的空分多址(SDMA)的实施方案的流程图。SDMA是一种优化无线频谱使用的通信模式，并且利用了天线的方向性。在SDMA中，具有高度方向性的天线发送信号，允许使用重复频率，其中，SDMA也被称为空分多路复用(Spatial Division Multiplex，SDM)。

可以计算用来控制DAC20和30的权重或补偿校正值，以减少SDMA网络中用户干扰的出现。在正交信号(过程510)中测量的用户干扰被用来形成矩阵T(过程620)。通过将矩阵T与其共轭转置T^*相乘形成新的矩阵(过程630)。计算平方根并形成矩阵U，接着计算矩阵U的逆(过程640)。过程650定义矩阵U的逆与矩阵H左乘和右乘。处理器68计算的权重可以传递到接收机12和发送机72以控制DAC20和30(过程670)。

一般地，图2-6中描述的产生接收机权重的实施方案也可以应用于计算发送机权重。注意，控制每个接收链增益和相位的权重可能是时间的函数，并且可以根据每个新的信道估计值进行适应性的更新。或者，在信道随时间缓慢变化的系统中，不必要重新计算每个新信道矩阵的权重。相反，之前的权重可以使用适应性滤波器来调整。举例来说，递推最小二乘(Recursive Least Squares，RLS)滤波器(未示出)可以简化数字SVD算法并减少更新权重所必需的计算时间的长度。此外，补偿校正值可以基于最小均方差(MinimumMean Squared Error，MMSE)算法(过程660)。

应该注意天线权重可以是复数，或纯实数，或纯虚数。在数字基带域中，处理器68计算的权重为复数。复数权重考虑了信道的整个冲激响应，并且由此合并和补偿了信道多径。为了降低实现的复杂性和成本，可以使用纯实数权重而损失一部分性能(最佳实数权重是最佳复数权重的实数部分)。权重可以作为抽头-延迟线(tapped-delay line)滤波器被实施，其中每个天线上的抽头(tap)数可以是一个或是更多。所有抽头和天线上的复数权重可以以数字形式被控制。每个天线上的抽头数可以增加，从而在有符号间干扰(ISI)的情况下允许时间信号被更好的均衡。

现在，应该清楚本发明提供了考虑有色噪声、同信道干扰以及采样间干扰影响的权重。所描述的针对模拟合并体系结构的权重计算方法考虑了一段时间(a block of time)上的总信道冲击响应。此外，还可以计算这些权重来考虑同一频段内的同信道干扰或同信道用户。通过在接收机上结合多天线、可变增益放大器、移相器和RF合并器，本发明使性能显著提高。而且，与采用多天线的全数字系统相比较，本发明还提供了一种低成本的解决方案以及降低的功率消耗。

虽然这里已经示出和描述了本发明的某些特征，但是，本领域技术人员将可以想到很多的修改、替换、改变和等同。因此，应该理解，所附权利要求书旨在覆盖所有这些落入本发明的真实精神之内的修改和改变。

Claims

1、一种方法，包括：

计算来自接收机的多天线组成单元的模拟信号的权重，所述权重合并了多径信号和采样间干扰。

2、如权利要求1所述的方法，其中，所述计算权重的操作包括：

使用从模拟信号导出的正交信号来形成第一矩阵H；

通过将所述第一矩阵H与所述第一矩阵H的共轭转置相乘，形成第二矩阵H^*；以及

对矩阵HH^*执行奇异值分解(SVD)算法。

3、如权利要求1所述的方法，其中，所述计算权重的操作包括：

使用从模拟信号导出的正交信号形成第一矩阵H；

对所述第一矩阵H求均值，以产生第二矩阵Ha；以及

对所述第二矩阵Ha执行奇异值分解(SVD)算法。

4、如权利要求1所述的方法，其中，所述计算权重的操作包括：

使用从模拟信号导出的正交信号形成第一矩阵H；

基于有色噪声估计形成矩阵N；

通过将所述矩阵N与其共轭转置N^*相乘来形成新矩阵；

计算NN^*的平方根；

第一矩阵H左乘和右乘NN^*的平方根的逆，以提供结果矩阵；以及

对所述结果矩阵执行奇异值分解(SVD)算法。

5、如权利要求1所述的方法，其中，计算权重的操作包括：

信道中无所述模拟信号时使用正交信号估计干扰和噪声，以形成矩阵N；以及

对所述矩阵N使用迭代算法。

6、如权利要求1所述的方法，还包括：

用所述计算的权重控制接收链中低噪声放大器的增益。

7、如权利要求1所述的方法，还包括：

用所述计算的权重控制接收链中移相器的相位。

8、如权利要求1所述的方法，还包括：

用所述计算的权重控制发送机中移相器的相位以及功率放大器的增益。

9、一种方法，包括：

发送已知符号到具有多天线的接收机，以得到补偿校正值，所述补偿校正值可以应用于与每个天线相对应的接收机链。

10、如权利要求9所述的方法，还包括：

计算通过位于所述接收机的所述多天线的波束形成模拟信号的权重，所述权重合并了多径信号和采样间干扰。

11、如权利要求9所述的方法，还包括：

在时域估计信道冲击响应，以提供作为模拟值的所述补偿校正值。

12、如权利要求9所述的方法，还包括：

用所述补偿校正值控制接收链中低噪声放大器所提供的信号放大以及通过移相器的相位。

13、如权利要求9所述的方法，还包括：

用所述补偿校正值控制发送机中移相器的相位以及功率放大器的增益。

14、一种系统，包括：

静态随机访问存储器(SRAM)；

通信处理器，所述通信处理器通过外部总线耦合到所述SRAM，其中，所述通信处理器在多天线处接收被调制信号并为来自多天线组成单元的模拟信号计算补偿校正值，所述补偿校正值合并了多径信号和采样间干扰；以及

接收机中的放大器电路，所述放大器电路接收被调制信号并接收所述补偿校正值。

15、如权利要求14所述系统，还包括：

接收机中的移相器，所述移相器耦合到放大器电路，其中，所述移相器接收所述补偿校正值。

16、如权利要求14所述系统，还包括：

发送机中的功率放大器，所述功率放大器接收所述补偿校正值，其中，所述功率放大器为发送自所述多天线组成单元的信号提供增益。

17、一种为来自多天线组成单元的模拟信号计算补偿校正值的方法，所述方法包括：

使用来自模拟信号的正交信号估计信道中的干扰和噪声；以及

使用所述正交信号形成矩阵H。

18、如权利要求17所述方法，还包括：

基于有色噪声估计形成矩阵K；

通过将所述矩阵K与其共轭转置K^*相乘形成新矩阵KK^*；以及

计算所述新矩阵KK^*的平方根。

19、如权利要求18所述方法，还包括：

所述矩阵H左乘和右乘KK^*平方根的逆，以提供结果矩阵。

20、如权利要求19所述方法，还包括：

对所述结果矩阵执行奇异值分解(SVD)算法以产生所述补偿校正值。

21、如权利要求17所述方法，还包括：

基于有色噪声估计形成矩阵K；以及

基于最小均方差(MMSE)算法产生所述补偿校正值。

22、如权利要求17所述方法，还包括：

基于无任何信号时信道中的干扰和噪声形成矩阵O；

通过将所述矩阵O与其共轭转置O^*相乘形成新矩阵OO^*；以及

计算所述新矩阵OO^*的平方根。

23、如权利要求22所述方法，还包括：

所述矩阵H左乘和右乘OO^*的平方根的逆，以提供结果矩阵。

24、如权利要求23所述方法，还包括；

25、如权利要求17所述方法，还包括：

基于无任何信号时信道中的干扰和噪声形成矩阵O；以及

基于最小均方差(MMSE)算法计算所述补偿校正值。

26、如权利要求17所述方法，还包括：

基于空分多址(SDMA)通信网络中的用户干扰形成矩阵T；

通过将所述矩阵T与其共轭转置T^*相乘形成新矩阵TT^*；以及

计算所述新矩阵TT^*的平方根。

27、如权利要求26所述方法，还包括：

所述矩阵H左乘和右乘TT^*的平方根的逆，以提供结果矩阵。

28、如权利要求27所述方法，还包括：

29、如权利要求17所述方法，还包括：

基于空分多址(SDMA)通信网络中的用户干扰形成矩阵T；以及

基于最小均方差(MMSE)算法计算所述补偿校正值。