CN1941501B

CN1941501B - 智能天线阵的校准方法

Info

Publication number: CN1941501B
Application number: CN2006101538958A
Authority: CN
Inventors: 库尔特·韦塞
Original assignee: Alcatel NV
Current assignee: Alcatel CIT SA; Alcatel Lucent SAS; Alcatel Lucent NV
Priority date: 2005-09-28
Filing date: 2006-09-14
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2026-09-14
Also published as: EP1770827B1; DE602005007236D1; ATE397301T1; EP1770827A1; JP5344788B2; JP2013066221A; CN1941501A; US20070069945A1; US7593826B2; JP2007097166A

Abstract

本发明涉及一种校准天线阵的接收路径和发射路径的方法，所述天线阵包括至少三个天线并且连接到数字信号处理器。为了校准接收路径，通过一个单个天线发射已知幅度和已知相位的信号，由此这个信号被其它n-1个天线接收，由此估计n-1个被发射信号的每一个之间的相位差和幅度差。使用一个新的发射天线重复最后两步直到每个天线都已经作为发射天线使用过。在最后一步中相位差和它们相关联的幅度差被设置为出厂值。为了校准一个至少包含三个天线并且连接到数字信号处理器的天线阵的发射路径，一种方法包括步骤：通过n-1个天线发射一个已知幅度和已知相位的信号并且通过第n个天线接收这些信号，估计在n-1个被发射信号的每一个之间的相位差和幅度差，使用一个新的接收天线重复最后两步直到每个天线都已经作为接收天线使用过，将相位差和它们相关联的幅度差给补偿到出厂设置值。

Description

智能天线阵的校准方法

技术领域

本发明涉及无线通信系统以及这种系统的天线阵的操作。更特别地，本发明涉及一种校准天线阵的接收路径和发射路径的方法。由此天线阵连接到数字信号处理器并且包括至少三个天线。此外，本发明涉及一种用于实现上述方法的无线通信系统的天线阵，以及一种实现该方法的计算机程序产品。

背景技术

为了有效地利用无线通信系统的资源，智能天线阵系统受到了越来越多的关注。一般地，与基站协同定位，智能天线系统为天线阵结合了数字信号处理能力，使其以一种自适应的、空间相关的方式发射和接收信号。换句话说，这样一种系统能够响应于其信号环境而自动地改变其辐射方向图的方向性。这能够显著地增加诸如系统能力之类的性能特性。

为了获得这些好处，必须对智能天线阵进行校准。在现有技术中，为了这一目的，在一个公知的位置上放置一个单独的天线。这个额外的天线向天线阵发送信标信号并且从天线阵接收信号。通过分析这些信号的相位和幅度的变化可以校准天线阵中的个别天线。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种方法、一种相应的天线阵和一种计算机程序产品，天线阵可以使用其来进行校准，而不必使用外部硬件。

这个目的和其它目的可以通过独立权利要求的特征解决。本发明的优选实施例是通过从属权利要求的特征描述的。需要强调的是，权利要求中的任何参考符号不应解释为限制本发明的范围。

根据本发明的第一个方面，提供了一种校准天线阵的接收路径的方法。天线阵连接到数字信号处理器并且包括n≥3个天线。n是整数，因此天线阵至少包括3个天线。在该方法中的第一步中，通过一个单个天线Tx发射一个已知幅度和已知相位的电磁信号。这个天线Tx被称作发射天线而且其是所述天线阵中的一个天线。被发射的信号被其它所述天线阵中的n-1天线RX¹、RX²、...RX^n-1接收，这些天线被称作为接收天线。在第二步中，确定在n-1个被接收的信号每一个之间的相位差和幅度差。随后，使用一个新的发射天线重复最后两步直到每个天线都已经作为发射天线使用过。在执行所有这些测量之后将获得的相位差和它们相关联的幅度差补偿到它们的出厂设置值。

根据本发明的第二个方面，提供了一种校准天线阵发射路径的方法。天线阵连接到数字信号处理器并且包括n≥3个天线。本方法包括：第一步，通过n-1个天线Tx¹、Tx²、...Tx^n-1发射一个已知幅度和已知相位的电磁信号。这n-1个天线被称为发射天线。这n-1个信号被称为接收天线的第n个天线Rx接收。在第二步中，确定在n-1个被发射信号的每一个之间的相位差和幅度差。随后，使用一个新的接收天线重复最后两步直到每个天线都已经作为接收天线使用过。最后，将获得的相位差和相关联的幅度差补偿到他们的出厂设置值。

校准发射路径的思想在于，能够将由于调制而彼此不同的被接收信号分派到单独的发射天线。随后，可以确定并且补偿单独的信号的相位和幅度相对于出厂设置值的差别。

当单独地执行或者组合地执行时，两个方法均可以提供这样的优点，即对于校准无需任何额外的硬件，例如与天线阵中天线独立且不同的天线。相应的，不需要任何关于放置用于收发信标信号的附加天线的场所的租金。在下文中将详细地描述，由于校准只需要对驻留在数字信号处理器中的计算机程序的很少的修改，因此校准是很容易实现的。

根据以上所述内容，两个方法都包括测量步骤，确定步骤，以及补偿步骤。在两个方法中，有可能在一个单个测量之后估计相位差和幅度差，改变天线并且随后继续进行测量。然而，也有可能执行所有测量，随后估计相位差和幅度差，并且随后执行补偿步骤。

根据优选实施例，发射天线同时地发射它们的信号。以这种方式发射路径的校准能够以一种快速的方式执行。此外，并且更重要的，避免在单独的发射之间天线阵的参数的变化以便提高测量值的精确性。为了使单个接收天线对n-1个信号进行区分，这些信号是被单独调制的或单独编码的。

对由单个接收天线接收的个别信号进行区分可以通过发射OFDM(正交频分复用)信号的副载波来完成，并且其中副载波彼此之间是不相同的。在此意义上，本发明可以应用于使用OFDM的无线通信系统，例如，应用于WIMAX系统。

如上所述，理想的情况是当校准发送路径时，所有信号都在同一时间被发送。这并不一定意味着所有信号必须在完全相同的时间被发送出去，相反在个别的发射之间存在轻微的时间差是可以接受的。在此意义上，有可能使用时分复用(TDM)方法，因此本发明可以针对所有的TDMA系统而执行。

如上所述，当校准发送路径时使用OFDM信号的副载波是可能的。当这样做时，有可能选择频率上互相接近的副载波。以这种方式，校准仅仅针对信道带宽的有限部分而执行。为了确保天线阵的校准在整个信道带宽上执行，副载波应该优选地分布在整个信道带宽上。

不用多说，用于校准接收路径的方法和用于校准发送路径的方法都能通过计算机程序来执行。在接收信号之后，计算机程序能够处理信号并且将相位差和相关联的幅度差补偿到它们的出厂设置值。这些计算机程序存在于例如CD或者DVD的计算机可读介质中。这些计算机可读的介质包括计算机程序代码装置，当所述程序加载时，其使计算机用于执行上述方法。

如上所述，上述两种方法可以单独地或组合地执行。

根据本发明的另一个方面，提供了一种用于无线通信系统的天线阵，其中天线阵连接到数字处理器并且包括n≥3个天线。此外，数字信号处理器具有用于估计由所述天线阵中的第一个天线发射的数字信号与由所述天线阵中的第二个天线接收到的相同信号之间的相位差和幅度差的装置，并且其包含用于将相位差和幅度差补偿到其相应的出厂设置值的装置。这两个装置能够使用硬件或者软件实现。在第一种情况中这些装置可以实现为FPGA或者ASIC。当装置是计算机程序的单独的模块或者当装置是独立的程序时可以提供更多的灵活性。事实上，两个装置能够组合为一个具有两个功能性的单个装置。在这种情况下该装置可以被选择为数字信号处理器固件的一部分。

在天线阵的优选实施例中，其适合发射OFDM信号，并且更特别地，其是一个具有自适应天线的TDMA OFDM系统。

根据并参考以下描述的实施例，本发明的这些和其他一些方面将很明显。应当注意参考标号的用途不应该被理解为限制本发明的范围。

附图说明

图1示出了一个流程图，其说明了天线阵中天线接收路径的校准；

图2示出了一个流程图，其说明了天线阵中天线发射路径的校准；

图3示意性地示出了一个根据本发明的天线阵。

具体实施方式

图1示出了一个流程图，其说明了校准天线阵接收路径的方法。该方法从步骤2开始。在步骤2中通过天线阵中的一个单个天线Tx发射一个发射信号。随后该方法进行到步骤4，通过所有其它的天线，即所述天线阵中的其它n-1个天线Rx¹，Rx²，...Rx^n-1，接收被发射的信号。在步骤6中检查所有的天线是否都已经当作发射天线使用过。如果这个条件不满足则在步骤8中选择一个新的发射天线，随后该方法从步骤2继续。

如果每个天线都已经当作发射天线使用过，则该方法从步骤10继续。在这种情况下获得所有的测量值并且该方法处理这些测量值。该处理从步骤10开始。在步骤10中，估计来源于同一发射天线的所有接收信号之间的相位差和幅度差。

如果天线2是发射天线，则天线2’，2”和2用作接收天线，因此它们接收被发射的信息。随后，确定通过天线2’，2”和2

接收的信号之间的相位差和幅度差。然后，天线2’可以是新的发射天线，因此确定由天线2，2”和2

接收的信号之间的相位差和幅度差。如果天线2”是发射天线，则确定通过天线2，2’和2

接收的信号之间的相位差和幅度差。在最后一步中天线2是新的发射天线，确定通过天线2，2’和2”接收的信号之间的相位差和幅度差。总共确定了12个幅度差和相应的相位差。

在估计相位差和幅度差之后，该方法从步骤12继续，在步骤12中将这些差补偿到它们的出厂值。这些出厂值是从通过天线阵的厂商那获知的。如果完成该操作则方法结束于步骤14。

图2示出一个流程图，其说明了对天线阵发射路径的校准。该方法从步骤20开始。在步骤20中通过n-1个天线发射一个已知幅度和已知相位的单个信号。在步骤40中通过n-1个天线发射的上述n-1个信号被第n个天线接收。该方法随后从步骤60继续，在步骤60中检查是否所有的天线都已经当作接收天线使用过。如果这个条件不满足，则在步骤80中选择一个新的天线作为接收天线。随后该方法从步骤20继续。

如果所有天线都已经被作为接收天线使用过，则该方法从步骤100继续进行。在这种情况下该方法已经获得了校准所需的所有测量值。处理这些测量值从步骤100开始，估计n-1个被发射且通过一个单个天线接收的信号的每一个之间的相位差和幅度差。将所有的这些相位差和幅度差与其已知的出厂值进行比较并且对其进行补偿。该方法结束于步骤140。

通过流程图说明的这两个方法仅仅所述的天线，即天线阵的天线和处理逻辑来执行校准。因为不需要任何额外的硬件，这节省了硬件资源和关于放置信标天线的场所的租金。

图3示出了一个根据本发明的天线阵。天线阵1包括三个天线2’，2”，2，并且其连接到处理单元3。处理单元3包括一个用于从天线阵接收信号的接收器4。接收器4的输入通过模拟-数字转换器5进行数字化，并且模拟-数字转换器5输出数字化的信号到数字信号处理器6。数字信号处理器6具有包括单独的模块8，9，10的固件7。第一个模块8适用于估计第一个数字信号与第二个数字信号之间的相位差和幅度差。固件7的第二个模块9能够将由模块8估计的相位差和幅度差补偿到相应的出厂值。主模块10用于管理实施用于校准发射路径和用于校准接收路径的方法的方式。

最后一段的描述假定处理逻辑3从天线阵1接收信号。为了实现校准方法，其也需要使单独的天线2’，2”和2发射信号。为此目的，单元5还适用于操作为输出模拟信号到单元4的数字-模拟转换器，单元4适用于发射模拟信号到单独的天线2’，2”或2。

Claims

1.一种校准天线阵的接收路径的方法，所述天线阵连接到数字信号处理器并且包含n≥3个天线，所述方法包括步骤：

a)通过一个单个发射天线发射一个已知幅度和已知相位的电磁信号，并且通过所述天线阵中其它n-1个接收天线接收这个信号；

b)估计所述n-1个被接收的信号的每一个之间的相位差和幅度差；

c)使用一个新的发射天线重复步骤a)和b)直到所述天线阵中的每个天线都已经作为发射天线使用过；

d)将所述相位差以及其相关联的幅度差补偿到它们的出厂设置值。

2.一种校准天线阵的发射路径的方法，所述天线阵连接到数字信号处理器并且包含n≥3个天线，所述方法包括步骤：

a)通过n-1个发射天线发射一个已知幅度和已知相位的电磁信号，并且通过第n个接收天线接收所述信号；

b)估计所述n-1个被发射信号的每一个之间的相位差和幅度差；

c)使用一个新的接收天线重复步骤a)和b)直到所述天线阵中的每个天线都已经作为接收天线使用过；

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述发射天线同时进行发射，并且所述发射天线的信号被单独地调制或单独地编码。

4.根据权利要求2所述的方法，其中所述发射天线发射的信号是OFDM信号的副载波，而且每个副载波之间是不同的。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述副载波分布在整个信道带宽上。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法至少部分地通过计算机程序执行。

7.根据权利要求2所述的方法，其中所述方法在执行根据权利要求1所述的方法之后执行。

8.一种校准天线阵的接收路径的装置，所述天线阵连接到数字信号处理器并且包含n≥3个天线，所述装置包括：

用于通过一个单个发射天线发射一个已知幅度和已知相位的电磁信号，并且通过所述天线阵中其它n-1个接收天线接收这个信号的装置；

用于估计所述n-1个被接收的信号的每一个之间的相位差和幅度差的装置；

用于使用一个新的发射天线重复所述发射和所述估计直到所述天线阵中的每个天线都已经作为发射天线使用过的装置；

用于将所述相位差以及其相关联的幅度差补偿到它们的出厂设置值的装置。

9.一种校准天线阵的发射路径的装置，所述天线阵连接到数字信号处理器并且包含n≥3个天线，所述装置包括：

用于通过n-1个发射天线发射一个已知幅度和已知相位的电磁信号，并且通过第n个接收天线接收所述信号的装置；

用于估计所述n-1个被发射信号的每一个之间的相位差和幅度差的装置；

用于使用一个新的接收天线重复所述发射和所述估计直到所述天线阵中的每个天线都已经作为接收天线使用过的装置；

10.根据权利要求9所述的装置，其中所述发射天线同时进行发射，并且所述发射天线的信号被单独地调制或单独地编码。

11.根据权利要求9所述的装置，其中所述发射天线发射的信号是OFDM信号的副载波，而且每个副载波之间是不同的。

12.根据权利要求11所述的装置，其中所述副载波分布在整个信道带宽上。

13.一种连接到天线阵以用于无线通信系统的数字信号处理器，所述天线阵包括n≥3个天线，所述数字信号处理器具有：

a)用于估计所述天线阵中的第一个天线发射的数字化信号与所述天线阵中的第二个天线发射的相同信号之间的相位差和幅度差的装置，以及/或者

用于估计所述天线阵中的第一个天线接收到的数字化信号与所述天线阵中的第二个天线接收到的相同信号之间的相位差和幅度差的装置；

b)用于将在步骤a)中估计的相位差和幅度差补偿到其相应的出厂设置值的装置。

14.根据权利要求13所述的数字信号处理器，其中，所述天线阵适合发射OFDM信号。

15.根据权利要求14所述的数字信号处理器，其中，所述OFDM信号是基于TDM的OFDM信号。

16.根据权利要求13所述的数字信号处理器，其中，所述估计装置和所述补偿装置是用硬件或作为计算机程序模块实现的。