DE19948039C2 - Antennen-Array-Kalibrierung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Kalibrierung von Antennen- Arrays und der dazugehörigen Elektronik, welche insbeson­ dere, jedoch nicht ausschließlich, in der Mobiltelekommu­ nikation, insbesondere in Codemultiplex-Vielfachzugriffs- Systemen (CDMA = Code Division Multiple Access) verwendet werden.

Bekanntermaßen hat ein Antennen-Array, in dem die Array- Elemente einzeln steuerbar sind, Vorteile gegenüber einer einzelnen Antenne. Beispielsweise können in der Mobilkom­ munikation Signale speziell an ein Mobilgerät gerichtet werden, was eine verbesserte Verstärkung bzw. einen ver­ besserten Übertragungsfaktor ergibt. Es sind kommerzielle Systeme bekannt, die Antennen-Arrays verwenden und eine Vielzahl an Antennen-Elementen aufweisen, die jeweils mit einer einzelnen Empfänger- und Senderelektronik gekoppelt sind.

Ein bekanntes Problem bei solchen Antennen-Arrays ist, daß aufgrund von Fertigungstoleranzen, ungleichen Kabel­ längen und Unterschieden in aktiven Bauteilen in der Sen­ der- und Empfängerelektronik Differenzen in der Phasen­ verschiebung oder der Verstärkung bzw. dem Übertragungs­ faktor zwischen den einzelnen Elementen auftreten können. Das heißt, falls an alle Sender ein identisches Signal angelegt wird, können sich die von den entsprechenden Antennen ausgestrahlten Signale in der Amplitude und/oder Phase unterscheiden. Auf gleiche Weise können sich, wenn von allen Antennen in einem Array identische Funksignale bzw. Hochfrequenzsignale empfangen wurden, die von der Empfängerelektronik ausgegebenen Signale in der Amplitude und/oder Phase unterscheiden.

Zum Beheben dieses Problem ist es bekannt, einen Kali­ brierungsvektor, der beispielsweise eine Folge komplexer Multiplikationskoeffizienten enthält, zu speichern, wel­ che die Charakteristiken des Antennen-Arrays und der zu­ gehörigen Elektronik definieren. Die Bestimmung dieser Charakteristiken erfordert oftmals aufwendige Kalibrie­ rungsgeräte, wobei die Grundkalibrierung häufig lediglich bei der Installation oder Fertigung des Arrays durchge­ führt wird. Alternativ wird oftmals einem Gerät eines speziellen Typs ein klassifizierter Kalibrierungsvektor zugeordnet.

Es gab bereits mehrere Vorschläge für die Kalibrierung von Phasen-Arrays, bei dem ein Kalibrierungssignal an­ stelle eines normalen Signals durchgeleitet wird. Ein solches Beispiel ist in der WO-95/34103 offenbart. Diese sind jedoch für die Verwendung in einem unterbrechungs­ freien bzw. Live-Kommunikationssystem nicht geeignet, bei dem eine Kalibrierung ohne Unterbrechung der Kommunikati­ on erwünscht ist.

Es gibt auch mehrere Vorschläge, die sich auf ein Fernka­ librierungsgerät für die Kalibrierung eines Antennen- Arrays beziehen. Die US-A-5546090 beschreibt einen Trans­ ponder für die Verwendung bei der Kalibrierung eines An­ tennen-Arrays, der von dem Antennen-Array ausgesendete Signale empfängt und diese an das selbe Array zurücksen­ det, so daß die Kalibrierungselektronik direkt mit dem Array gekoppelt sein kann und der Transponder seinerseits relativ einfach aufgebaut und tragbar sein kann. Es bleibt das Problem, daß die Verwendung einer separaten Fremdantenne bei dem Kalibrierungsschritt, selbst wenn sie ein relativ einfaches Gerät ist, die Kalibrierungs­ prozedur verkompliziert und regelmäße Kalibrierungen aus­ schließt.

Die EP-A-713261 offenbart einen Schaltungsaufbau für die Kalibrierung eines Antennen-Arrays für einen Satelliten, in dem ein "kleines" (geringe Leistung/eingeschränkte Bandbreite) Testsignal so übertragen wird, daß es keine unakzeptable Störung mit anderen Signalen verursacht. Die Verwendung eines Testsignals niedriger Leistung kann die Messung schwierig machen (es ist eine dedizierte Fernka­ librierungsstation beschrieben) und kann längere Integra­ tionszeiten erfordern.

Die GB-A-2313523 beschreibt ein System für die Kalibrie­ rung einer Fehlerkorrektur- und Kalibrierungsschaltung, insbesondere in einem GSM-System, indem ein Breitbandsi­ gnal niedriger Leistung in eine Fehlerkorrekturschaltung eingegeben wird, die von der Hauptsender-/Empfängerelek­ tronikkette mittels eines Richtungskopplers isoliert ist. Es sei bemerkt, daß diese Offenbarung speziell die Kali­ brierung einer eingebauten Kalibrierungsschaltung be­ trifft und sich nicht mit dem Problem einer Grundkali­ brierung einer Aufwärts- oder Abwärtsempfänger- oder - senderelektronik beschäftigt, die für unterbrechungsfreie Signale bzw. Livesignale verwendet wird.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wäre es wünschenswert, insbesondere im Zusammenhang mit CDMA-Systemen und insbe­ sondere bei höheren Frequenzen, Mittel zum Durchführen einer "unterbrechungsfreien" bzw. Live-Kalibrierung der Sender- und/oder Empfängerschaltungen zu schaffen, die für die aktuelle Übertragung und den Empfang von Informa­ tion verwendet werden, da dies eine häufigere und zuver­ lässigere Kalibrierung ermöglichen könnte.

Die Erfindung zielt daher darauf ab, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die für die "unterbrechungsfreie" bzw. Live-Kalibrierung der Sender- und/oder Empfängerschaltungen eines Antennen-Arrays ge­ eignet sind. D. h., daß die Kalibrierung durchgeführt wer­ den kann, während der Array in Betrieb ist.

Die Erfindung löst diese Aufgabe jeweils mit den Gegen­ ständen der Ansprüche 1 und 16. Bevorzugte Ausführungs­ beispiele sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens nach An­ spruch 1 und der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach An­ spruch 16 liegt darin, daß nicht notwendigerweise ein se­ parates Fernkalibrierungsgerät oder ein Transponder er­ forderlich sind.

Auf diese Weise kann der normale Betrieb des Arrays im wesentlichen unbeeinflußt bleiben und die Übertragung und der Empfang der Nachrichtenübertragungssignale können während der Kalibrierung im wesentlichen ununterbrochen fortfahren. Ein weiterer Vorteil ist, daß eine regelmäßi­ ge oder quasi-kontinuierliche Kalibrierung der "unterbrechungsfreien" bzw. "Live"-Sender- und Empfän­ gerelektronik durchgeführt werden kann, ohne das Array bei der Nachrichtenübertragung zu hindern. Ein weiterer wichtiger Vorteil ist, daß das Kalibrierungssignal von der zu kalibrierenden Schaltung auf eine nahezu identi­ sche Weise wie die Nachrichtenübertragung verarbeitet werden kann und daher nahezu identische Phasen- und Amplitudenverzerrungen erfahren sollte, so daß die Kali­ brierung genauer sein sollte. Erfindungsgemäß ist erkannt worden, daß in Schaltungsaufbauten aus dem Stand der Technik, bei denen das Kalibrierungssignal von unter­ schiedlicher Natur (beispielsweise mit niedrigerer Lei­ stung, schmalerer Bandbreite, unterschiedlicher Frequenz) zu den Nachrichtenübertragungssignalen ist, es denkbar ist, daß das Kalibrierungssignal unterschiedliche Phasen- oder Amplitudenverzerrungen erfährt, insbesondere auf­ grund von nicht-linearen Elementen in den Empfänger- oder Senderschaltungen, was zu einer ungenauen Kalibrierung führt.

Unter Signalen, die paarweise bzw. gegenseitig orthogonal zueinander sind, soll vorzugsweise verstanden werden, daß die Signale im wesentlichen keine Störungen aufeinander ausüben.

Vorzugsweise werden die Signale lokal eingegeben und ex­ trahiert. Mit dem "lokalen" Eingeben und Extrahieren sol­ len Schaltungsaufbauten ausgeschlossen werden, bei denen ein Fernkalibrierungsgerät oder ein Transponder angewandt werden. Vorzugsweise ist die Kalibrierungsvorrichtung in die zu kalibrierende Vorrichtung integriert.

Der Antennen-Array ist vorzugsweise für die Kommunikation über eine Vielzahl definierter (physikalischer oder logi­ scher) Kanäle ausgelegt und das Kalibrierungssignal wird vorzugsweise in einen oder mehrere Kanäle eingegeben, die nicht für die Nachrichtenübertragung verwendet werden.

Höchst bevorzugt ist der Antennen-Array für die Verwen­ dung in einem CDMA-Kommunikationssystem ausgelegt und das Kalibrierungssignal ist mit einem oder mehreren Spreizcodes ("spreading codes") codiert, die unterschied­ lich zu den der Nachrichtenübertragung zugeordneten Codes sind.

Im Falle eines CDMA-Systems wird wenigstens für die Kali­ brierung einer Senderseite vorzugsweise das Kalibrie­ rungssignal unter Verwendung eines orthogonalen variablen Spreizfaktor-Kurzcodes (OVSF = Orthogonal Variable Sprea­ ding Factor) eingegeben, der unterschiedlich zu den für der Nachrichtenübertragung verwendeten OVSF-Codes ist. Dies kann das Erfordernis vermeiden, vielfache OVSF-Codes für die Kalibrierung zu verwenden. Außerdem kann dadurch eine Störung mit dem Benutzerverkehr vermieden werden. Es gibt lediglich eine eingeschränkte Anzahl verfügbarer OVSF-Codes auf der Abwärtsverbindungsseite. Da die Auf­ wärtsverbindung zum Unterscheiden von Mobilgeräten Ver­ würfelungscodes ("scrambling codes") verwendet, sind die Einschränkungen weniger einschneidend. Es wird jedoch vorzugsweise lediglich eine einzige OVSF- und Verwürfe­ lungscodekombination für die Kalibrierung der Empfangs­ seite verwendet.

Da das gleiche Codierschema verwendet wird, das auch für die Nachrichtenübertragung verwendet wird, kann die für die Kalibrierung erforderliche Hardware ähnlich derjeni­ gen für die Demodulation von Nachrichtenübertragungs­ signalen sein, was den Aufbau und das Testen vereinfacht.

Die Erfindung kann unabhängig an entweder der Empfänger- oder der Senderseite oder an beiden Seiten des Antennen- Arrays angewandt werden.

Vorzugsweise wird im Falle einer Kalibrierung der sender­ seitigen Schaltung der Kurzcode ferner mit einer Datense­ quenz moduliert, die für Elemente des Antennen-Arrays va­ riiert. Diese ist so ausgewählt, daß wenigstens während einer vollständigen Integrationsperiode die Kombination an OVSF- und Datensequenzen für jede Senderschaltung paarweise orthogonal sind. Auf diese Weise können Signale von der senderseitigen Schaltung kombiniert werden und unter Verwendung eines einzelnen Konverters abwärtskon­ vertiert werden, ohne daß separate OVSF-Kurzcodes erfor­ derlich sind.

Auf der senderseitigen Schaltung werden den mehreren Sen­ derschaltungen vorzugsweise individuell identifizierbare Kalibrierungssignale zugeführt, vorzugsweise im wesentli­ chen simultan, von denen jede Senderschaltung mit ent­ sprechenden Array-Elementen gekoppelt ist. Damit können die Signalen unter Verwendung eines einzigen Empfängers kombiniert und extrahiert werden. Dies vermeidet das Er­ fordernis mehrerer Konverter und ermöglicht eine simulta­ ne Kalibrierung der Elemente.

Vorzugsweise wird im Falle einer Kalibrierung der sender­ seitigen Schaltung das Kalibrierungssignal in dem Digitalwertebereich vor der Digital-zu-Analog-Wandlung einge­ geben. Auch im Falle einer Kalibrierung der senderseiti­ gen Schaltung wird das Kalibrierungssignal vorzugsweise mittels eines Richtkopplers abgetastet, der an eine Über­ tragungsleitung gekoppelt ist, die Signale an ein ent­ sprechendes Antennenelement liefert.

Vorzugsweise wird im Falle einer Kalibrierung der empfän­ gerseitigen Schaltung das Kalibrierungssignal mittels ei­ nes Richtkopplers eingegeben, der an eine Übertragungs­ leitung gekoppelt ist, die Signale von einem entsprechen­ den Antennenelement empfängt. Auch im Falle einer Kali­ brierung der empfängerseitigen Schaltung wird das Kali­ brierungssignal vorzugsweise in dem Digitalwertebereich extrahiert, nach der Analog-zu-Digital-Wandlung des Emp­ fangssignals.

Eine Injektion oder Extraktion in dem Digitalwertebe­ reich, wie oben angegeben, kann die Verarbeitung verein­ fachen.

Eine Injektion oder Extraktion des Hochfrequenzsignals, wie oben angegeben, kann das Erfordernis separater Anten­ nen vermeiden, die unhandlich zu installieren sind oder Signale stören können, die von dem Antennen-Array über­ tragen oder von diesem empfangen werden.

Die Kopplungen sind vorzugsweise körperlich nahe jedem Antennenelement vorgesehen, beispielsweise an der Anten­ nenseite jeder langen Kabelverbindung, um jegliche varia­ ble Faktoren zwischen den Antennenelementen und den Kopp­ lungen zu minimieren. Alternativ kann eine separate An­ tenne vorgesehen werden, um die Hochfrequenzsignale an die Antennenelemente zu koppeln.

Vorzugsweise wird das Eingeben des Kalibrierungssignals und das Ermitteln eines Kalibrierungsmaß regelmäßig (beispielsweise wenigstens stündlich, besser wenigstens jede Minute, vorzugsweise alle 10 Sekunden, noch bevorzugter wenigstens jede Sekunde) oder im wesentlichen kon­ tinuierlich durchgeführt. Es ist gefunden worden, daß bei Durchführung einer Kalibrierung wenigstens 10 Mal pro Se­ kunde, oder bevorzugter wenigstens mit 50 Hz, vorzugsweise wenigstens mit 100 Hz Drifts in der Phase von lokalen Os­ zillatorssignalen, die innerhalb jedes Senders oder Emp­ fängers erzeugt werden, verfolgt bzw. nachgeführt werden können.

Typischerweise werden Nachrichtenübertragungssignale in Frames übertragen, die gewöhnlich eine Dauer von weniger als 1 Sekunde haben (typischerweise 10 ms oder 20 ms). Das Kalibrierungssignal wird vorzugsweise im wesentlichen im Abstand einer vorgegebenen Anzahl an Frames eingegeben (während des Normalbetriebs; dies kann unter bestimmten Ausnahmebedingungen ausgesetzt werden, wie während der Testphase oder der Wartungsphase, oder während insbeson­ dere schwierigen Nachrichtenübertragungsbedingungen), beispielsweise vorzugsweise wenigstens alle 100 Frames, vorzugsweise wenigstens alle 10 Frames und noch bevorzug­ ter ungefähr jeden Frame, oder jeden zweiten Frame. Fra­ mes können in Super-Frames gruppiert sein (beispielsweise mit einer Dauer von 720 ms) und eine Kalibrierung kann ge­ eigneterweise ungefähr im Abstand eines Super-Frames durchgeführt werden.

Mit dieser regelmäßigen Kalibrierung können kleine Drifts bei der Kalibrierung, beispielsweise aufgrund von Tempe­ raturänderungen in dem Gerät, zuverlässig verfolgt bzw. nachgeführt werden. Außerdem kann auch eine schnelle Feh­ lerdetektion erfolgen. Im Gegensatz zu bestimmten Verfah­ ren aus dem Stand der Technik, bei denen eine häufige Ka­ librierung kontraindiziert ist, liegt ein Vorteil der Er­ findung darin, daß nahezu keine merkliche Kommunikations­ signalverschlechterung und nur eine sehr geringe mit der Kalibrierung einhergehende Bandbreitenvergrößerung auf­ tritt. Ein indirekter Vorteil liegt darin, daß das System als Ganzes in Richtung engerer Kalibrierungstoleranzgrenzen entwickelt werden kann, was eine große Reichweite oder Benutzerdichte ermöglichen kann.

Die Erfindung sowie weitere Vorteile und Merkmale der Er­ findung werden nachfolgend anhand eines bevorzugten Aus­ führungsbeispiels mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert, in der:

Fig. 1 eine vereinfachte schematische Übersicht ei­ ner Mobiltelekommunikations-Basisstation ist, in der die Erfindung angewandt werden kann;

Fig. 2 eine schematische Übersicht eines Abschnitts eines modifizierten, die Erfindung verkörpernden Systems der Fig. 1.

In der nachfolgenden Beschreibung sind gleiche Bauteile durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet.

Mit Bezug auf das vereinfachte schematische Diagramm der Fig. 1 ist eine Mobiltelekommunikations-Basisstation ge­ zeigt, die eine Signalverarbeitungsschaltung 10 umfaßt, die an ein Sendeantennen-Array 20 über Übertragungslei­ tungen 21 und an einen Empfangsantennen-Array 22 über Übertragungsleitungen 23 gekoppelt ist. Die Antennen- Arrays 20 und 22 können körperlich getrennt sein, wie ge­ zeigt. In diesem Fall sind sie normalerweise körperlich nah beieinander angeordnet. Dies ist jedoch nicht notwen­ dig. Alternativ kann ein einziges physikalisches Array für sowohl die Übertragung als auch den Empfang verwendet werden, mit einer geeigneten Duplexschaltung. Die Anten­ nen-Arrays 20 und 22 stehen in Funkkommunikation mit ei­ ner Vielzahl von Mobiltelefonen 30a, 30b oder anderen Mo­ bilkommunikationsgeräten. Die Basisstation-Signalverar­ beitungsschaltung 10 ist mit einem Haupttelekommunikati­ onsnetzwerk 11, beispielsweise mittels optischer Fasern, elektrischer Verbindungen oder einer Mikrowellenverbin­ dung gekoppelt.

Die Basisstationsschaltung 10 weist einen Basisband- Digitalsignal-Prozessor 12 zum Verarbeiten von Signalen von dem Kommunikationsnetzwerk auf, die an ein Mobilgerät übertragen werden sollen, und zum Verarbeiten von Emp­ fangssignalen für die Übertragung an das Telekommunikati­ onsnetzwerk. Die Digitalsignal-Verarbeitungsschaltung 12 weist normalerweise ein strahlbildendes Netzwerk ("beam forming network") auf und führt eine Codeerzeugung durch. Die Ausgabe des Digitalsignalprozessors gelangt durch Di­ gital-zu-Analog-Wandler 14 und ein Array an Aufwärts­ konvertern 16 für die Umwandlung von einem Basisbandsi­ gnal (beispielsweise eine Chip-Rate ("chip rate") von ei­ nigen Megahertz, z. B. 4.096 MHz) auf einen Leistungspegel und eine Frequenz, die für die Übertragung geeignet sind, (beispielsweise einige Watt oder einige zehn Watts in der Größenordnung von 1-2 GHz, diese Parameter hängen von dem zugeordneten Kommunikationsband ab). Die von dem Anten­ nen-Array empfangenen Signale werden in rauscharmen Ver­ stärkern verstärkt und von Abwärts-Konvertern 18 abwärts­ konvertiert und demoduliert, und anschließend Analog-zu- Digital-Wandlern 19 für die Verarbeitung durch den Basis­ band-Digitalsignal-Prozessor 12 zugeführt.

Unter einem "Aufwärts-Konverter" wird hier vorzugsweise die analoge Senderschaltung verstanden, die gewöhnlich einen Modulator, wie einen QPSK-Modulator und einen Lei­ stungsverstärker aufweist. Auf gleiche Weise wird unter einem "Abwärts-Konverter" vorzugsweise die analoge Emp­ fängerschaltung verstanden, die gewöhnlich einen rauscharmen Verstärker und einen Demodulator aufweist.

Die Basisstationsschaltung 10 weist normalerweise eine Einrichtung zum Korrigieren von Phasen- und Amplituden­ verzerrungen auf, indem vorprogrammierte Korrekturfakto­ ren (nicht dargestellt) angewandt werden. Diese Einrich­ tung kann beispielsweise als ein Netzwerk diskreter Pha­ senschieber vorgesehen sein oder teilweise oder vollstän­ dig in den Basisband-Digitalsignal-Prozessor 12 oder die Aufwärts-Konverter 16 und die Abwärts-Konverter 18 inte­ griert sein.

Die Antennen-Arrays 20 und 22 können irgend eine ge­ wünschte Konfiguration haben, beispielsweise linear oder zirkular mit einer gewünschten Anzahl an Elementen, typi­ scherweise zwischen 2 und 10. Dabei können sie sich in eine Dimension oder in zwei Dimensionen erstrecken.

Wie weiter mit Bezug auf Fig. 1 beschrieben wird, kann die Vorrichtung weitestgehend oder komplett herkömmlich aufgebaut sein und auf irgendeiner, beispielsweise der in der WO 95/34103 oder der GB-A-2313523 beschriebenen Vor­ richtung basieren, deren Offenbarung hiermit durch Bezug­ nahme in die vorliegende Anmeldung mitaufgenommen ist.

Die Erfindung wird vorzugsweise in einem System ange­ wandt, das konform mit dem ETSI UMTS terrestrischen Funk­ zugangsstandard (UTRA = UMTS Terrestrial Radio Access) oder konform mit dem japanischen W-CDMA-System ist, das von der ARIB oder deren Abkömmlingen standardisiert wird. Die relevanten Standards, die dem Durchschnittsfachmann bekannt sind, sind hiermit durch Bezugnahme in die vor­ liegende Anmeldung mitaufgenommen.

Mit Bezug auf Fig. 2 werden nunmehr Modifikationen und/oder zusätzliche Bauteile, die bei der Kalibrierung einer Basisstation für ein Mobiltelekommunikationssystem verwendet werden, gemäß einem bevorzugten Ausführungsbei­ spiel beschrieben. Wie oben erwähnt, können die Modifika­ tionen unabhängig für die Kalibrierung der senderseitigen Schaltung oder die empfängerseitigen Schaltung oder vor­ zugsweise für beide Schaltungen angewandt werden.

Zuerst wird die empfängerseitige Schaltung betrachtet. Wie oben beschrieben, empfangen Abwärts-Konverter 18 Si­ gnale von dem Empfänger-Antennen-Array 22 über die Über­ tragungsleitungen 23. Die Ausgaben der Abwärts-Konverter 18 werden auf herkömmliche Weise einer Schaltung für die Verarbeitung der empfangenen Nachrichtenübertragungs­ signale zugeführt. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird ein Kalibrierungssignal (dessen Ursprung nachstehend weiter beschrieben wird) mittels einer Kopplung 100 in jeder Übertragungsleitung 23 bei Hochfrequenz eingegeben, wobei die Kopplungen 100 idealerweise körperlich nahe dem Antennen-Array 22 angeordnet sind. Gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden die Ausgaben der Abwärts- Konverter 18 zusätzlich zu ihrer Weiterleitung an das Nachrichtenübertragungssignal-Verarbeitungsgerät einem Kalibrierungssignalprozessor 106 weitergeleitet, der für die Kalibrierung der Abwärts-Konverter 18 verwendet wird, wie nachstehend weiter beschrieben wird.

Als nächstes wird die senderseitige Schaltung betrachtet. Wie oben beschrieben, empfangen Aufwärts-Konverter 16 Ba­ sisband-Nachrichtenübertragungssignale für die Übertra­ gung von dem Digitalsignalprozessor 12 und erzeugen Aus­ gaben für die Kopplung an den Sender-Antennen-Array 20 über Übertragungsleitungen 21. Zusätzlich zu den Nach­ richtenübertragungssignalen wird ein Kalibrierungssignal (dessen Ursprung nachstehend weiter beschrieben wird), indem es höchst vorzugsweise in dem Digitalwertebereich verarbeitet wird, in den Signalstrom eingegeben, der je­ dem der Aufwärts-Konverter 16 zugeführt wird. Die Ausga­ ben jedes Aufwärts-Konverters 16 werden mittels einer Kopplung 112 in jeder Übertragungsleitung 21 bei Hochfre­ quenz abgetastet, wobei die Kopplungen 112 idealerweise körperlich nahe dem Antennen-Array 20 angeordnet sind.

Der Gesamtbetrieb der Kalibrierungsvorrichtung findet un­ ter der Steuerung der Kalibrierungssteuerung 105 statt, welche die Erzeugung von Kalibrierungssignalen, Analysen und anderen Funktionen steuert, wie nachstehend beschrie­ ben wird.

Es wird nunmehr die Erzeugung der Kalibrierungssignale beschrieben. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wer­ den Kalibrierungssignale für die empfängerseitige Schal­ tung mittels eines Kalibrierungssignal-Generators 107 be­ reitgestellt, der einem Teiler 110 über eine Leitung 108 ein einziges Signal zuführt. Der Teiler 110 stellt jedem Richtkoppler 100, der an die Übertragungsleitungen 23 ge­ koppelt ist, die Signale von dem Empfänger-Antennen-Array 22 an die Abwärts-Konverter 18 koppeln, einzelne Signale bereit. Es ist ebenfalls möglich, das Kalibrierungssignal mittels externer Antennen zu koppeln, die beispielsweise benachbart zu den Antennenelementen des Antennen-Arrays angebracht sind.

Das Kalibrierungssignal umfaßt "Pseudo"-Daten, die unter Verwendung eines Aufwärtsverbindungs-Spreizcodes codiert sind, der nicht einem aktiven Mobilgerät 30a, 30b zuge­ ordnet ist, jedoch vorzugsweise das gleiche Format wie ein Signal hat, das von einem Mobilgerät übertragen wer­ den könnte (es können jedoch auch andere Formate verwen­ det werden). Das Signal kann als eine Stimme oder als ein Datensignal formatiert sein. Normalerweise würden die er­ warteten Verzerrungen für die Stimmen und auch die Daten­ signale ähnlich sein, so daß lediglich ein einziger Kali­ brierungssignaltyp verwendet werden muß. Es kann jedoch vorgesehen werden, das Paketformat zu ändern. Wo, wie in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel, derselbe Kalibrie­ rungssignal-Generator für die Erzeugung von Signalen zum Kalibrieren der senderseitigen Schaltung verwendet wird, hat das empfängerseitige Kalibrierungssignal zum Verein­ fachen des Aufbaus vorzugsweise ein ähnliches Format.

Das Kalibrierungssignal wird zum Minimieren von Störungen bzw. Interferenzen vorzugsweise mit einem Pegel eingege­ ben, der so niedrig wie möglich ist. Der benötigte Pegel wird durch die Integrationszeit und das Signal-zu-Rausch- Verhältnis nach der Integration bestimmt, welche für ge­ naue Phasen- und Amplitudenmessungen erforderlich sind. Typischerweise wird der Leistungspegel ähnlich dem Pegel von (deutlichen) Signalen sein, die von dem Antennen- Array empfangen werden, beispielsweise äquivalent einem einzigen Benutzersignal bei voller Zellenlast.

Es wird sich nunmehr dem Kalibrierungssignal für die Sen­ deseite zugewandt. Der selbe Kalibrierungssignal-Genera­ tor 107 stellt jeder Senderschaltung separate Kalibrie­ rungssignale über Leitungen 109 bereit. Diese werden den Nachrichtenübertragungssignalen digital aufsummiert und den Aufwärts-Konvertern 16 zugeführt. Das Kalibrierungs­ signal wird zum Minimieren von Störungen mit den Nach­ richtenübertragungssignalen vorzugsweise mit einem Pegel eingegeben, der so niedrig wie möglich ist, kompatibel mit einem geeigneten Signal-zu-Rausch-Verhältnis. Die Ka­ librierungssignale werden als Daten zugeführt, die mit einem einzigen OVSF-Kurzcode codiert sind, jedoch mit ei­ ner unterschiedlichen Datensequenz für jeden Aufwärts- Konverter 16, so daß die Signale paarweise bzw. gegensei­ tig orthogonal zueinander sind, wenn sie über eine Daten­ frame-Periode von 10 ms integriert werden. Die Datense­ quenzen können auf bekannte Weise aus orthogonalen Gold- Codes ausgewählt werden. Orthogonale Gold-Codes sind nicht vollständig orthogonal, so daß bevorzugt wird, Walsh-Codes zu verwenden.

Als besonders vorteilhaft ist gefunden worden, daß die Orthogonalität bereits erzielt werden kann, indem der OVSF-Codebaum erweitert wird, basierend auf der in dem Abschnitt 5.3.2.2.1 des UTRA RTT beschriebenen Methode. Falls c0 ein OVSF-code mit einer Länge von 256 ist, kön­ nen somit Kalibrierungssignale für 2 Elemente wie folgt erzeugt werden:

s0 = [c0 c0]

s1 = [c0 -c0]

wobei s0 und s1 jeweils eine Länge von 512 Chips ("chips") haben werden und sich periodisch über die Meß­ periode wiederholen würden. Für vier Elemente könnten die folgenden Codes verwendet werden:

s0 = [c0 c0 c0 c0]

s1 = [c0 c0 -c0 -c0]

s2 = [c0 -c0 c0 -c0]

s3 = [c0 -c0 -c0 c0]

wobei jeder eine Länge von 1024 Chips haben würde und sich über die Meßperiode wiederholen würde.

Es wird bevorzugt, längere Sequenzen anstelle von sich wiederholenden kürzeren Sequenzen zu verwenden, oder die Sequenzen für jeden zweiten Frame zu ändern, um die den Verkehrskanälen zugefügten Störungen bzw. Interferenzen zufällig zu verteilen.

Es wird nunmehr eine Analyse der Kalibrierungssignale diskutiert. In dem Fall einer Kalibrierung der empfänger­ seitigen Schaltung sind die Ausgaben der Abwärts- Konverter, welche dem Kalibrierungssignal entsprechen, auf einem Basisband-Pegel und ähnlich den Ausgaben, die einem von einem Mobilgerät empfangenen Signal entspre­ chen. Falls die Vorrichtung ideal kalibriert ist, sollten die Signale alle identische Phase und Amplitude haben. Jedes Signal wird mit dem übertragenen Signal korreliert, um die Phase und die Amplitude relativ zu dem übertrage­ nen Signal zu bestimmen. Diese Ergebnisse werden an­ schließend korreliert, um Differenzen zwischen jedem Emp­ fänger zu ermitteln. Ähnliche Techniken werden normaler­ weise überall in der Basisstation angewandt, in dem Digi­ talsignalprozessor 12, um eine geeignete Gewichtung für die Lokalisierung des Ursprungs eines Pilotsignals bzw. Schlüsselsignals von einem Mobilgerät 30a, 30b zu schaf­ fen. Die Ergebnisse dieser Analyse werden verwendet, um Signale vorzugsweise von einem vorgegebenen Mobilgerät an einer bestimmten Position auszuwählen und einen benutzer­ seitigen strahlbildenden Gewichtungsvektor zu erzeugen, um Abwärtsverbindungssignale in Richtung des Mobilgerätes zu leiten.

Das Kalibrierungssignal kann so angesehen werden, als ob es von einem virtuellen Mobilgerät ausgeht, das von allen Antennenelementen gleich beabstandet ist (oder an irgend einer anderen vorbestimmten Position, falls sich die in die Empfangsketten eingegebenen Signale um einen bekann­ ten Betrag voneinander unterscheiden). Die scheinbare Po­ sition des virtuellen Mobilgerätes, welche die scheinbare Quelle des Kalibrierungssignals ist, gibt daher ein Maß für den Kalibrierungsfehler.

Die für die empfängerseitige Schaltung gespeichterten Korrekturfaktoren können einer Analyse folgend einge­ stellt werden (beispielsweise durch eine allmähliche Va­ riation, oder indem neue Parameter direkt berechnet wer­ den), bis von jedem Abwärts-Konverter Signale gleicher Phase und Amplitude ermittelt werden.

In dem Falle einer Kalibrierung der Aufwärts-Konverter wird deutlich, daß die Ausgaben der Aufwärts-Konverter, die von den Kopplern 112 abgetastet werden, auf Hochfre­ quenz liegen. Während eine Analyse dieser Signale im Prinzip direkt durchgeführt werden könnte, ist es geeig­ neter, diese Signale in dem Digitalwertebereich auf die gleiche Weise zu analysieren, wie die empfängerseitigen Signale analsysiert werden. Dies erfordert natürlich eine Abwärts-Konvertierung der Signale, was ohne Einführen weiterer unbekannter Fehler erfolgen muß. In dem bevor­ zugten Ausführungsbeispiel werden die Signale in dem Kom­ binierer 111 für eine Abwärts-Konvertierung von einem ausgesuchten Kalibrierungs-Abwärts-Konverter 101 direkt bei Hochfrequenz kombiniert, der Signale an den Kalibrie­ rungssignalprozessor 106 zusätzlich zu den von den ande­ ren Abwärts-Konvertern 18 empfangenen Signalen liefert.

Es wird bevorzugt, einen ausgesuchten bzw. separaten Ab­ wärts-Konverter für die Kalibrierung zu verwenden, obwohl von einem vorliegenden Empfänger Gebrauch gemacht werden könnte, falls die übertragenden Signale geeignet gedämpft und in der Frequenz verschoben wären.

Durch die Verwendung eines Kombinierers 111 kann ein ein­ ziger Kalibrierungs-Abwärts-Konverter 101 vorgesehen wer­ den, was die Bauteilezahl reduziert und das Erfordernis vermeidet, eine Kalibrierung der separaten Abwärts- Konverter beizubehalten oder zu prüfen, was andernfalls erforderlich wäre. Ein weiterer Vorteil einer Kombination der Signale ist, daß eine simultane Kalibrierung aller Aufwärts-Konverter 16 möglich ist. Als Alternativen zu dem oben beschriebenen Schaltungsaufbau könnte jeweils ein ausgesuchter bzw. separater Kalibrierungs-Abwärts- Konverter für jeden Aufwärts-Konverter 16 vorgesehen wer­ den, oder die Ausgabe der Aufwärts-Konverter 16 könnte sequentiell dem Eingang des Kalibrierungs-Abwärts- Konverters 101 zugeführt werden.

Da wie oben diskutiert die Kalibrierungssignale paarweise orthogonal sind, können die kombinierten Signale in dem Digitalwertebereich analysiert werden, um einzelne Sen­ derschaltungssignale zu identifizieren. Die einzelnen Si­ gnale können dann korreliert werden, um Phasen- und Amplitudendifferenzen auf eine analoge Weise zu der Ana­ lyse der Signale von verschiedenen Empfängerschaltungen zu identifizieren.

Nach Extrahieren der Signale von jeder Senderschaltung werden die Korrekturfaktoren für die senderseitige Schal­ tung eingestellt, bis alle Signale gleiche Phase und Amplitude haben (oder die Phase und Amplitude den einge­ gebenen Signalen entspricht, falls diese unterschiedliche Phasen und Amplituden haben).

Mit dem oben beschriebenen Schaltungsaufbau ist die Kali­ brierung wirksamerweise transparent und verursacht ledig­ lich eine minimale Unterbrechung der Nachrichtenübertra­ gung (es gibt lediglich den Überschuß, der mit dem Tragen jedes Kalibrierungssignals verbunden ist, was normaler­ weise im Vergleich zu dem Gesamtvolumen des Verkehrs klein ist). Es ist daher möglich, eine regelmäßige Kali­ brierung durchzuführen und kleine Drifts beispielsweise aufgrund von Drifts in lokalen Oszillatoren in der analo­ gen Schaltung genau zu verfolgen bzw. nachzuführen. Es ist sogar möglich, eine kontinuierliche Kalibrierung effektiv durchzuführen, indem kontinuierlich Frames über­ tragen werden, die das Kalibrierungssignal tragen. Da je­ doch die Einstellung der Fehlerkorrekturschaltung norma­ lerweise eine endliche Zeit in Anspruch nimmt, um effek­ tiv zu werden (wo eine Fehlerkorrektur digital durchge­ führt wird, kann dies nahezu augenblicklich erzielt wer­ den), ist es im allgemeinen wünschenswert, eine Kalibrie­ rung lediglich für jeden alternierenden Frame durchzufüh­ ren oder das Kalibrierungssignal lediglich für einen Ab­ schnitt eines Frames zu übertragen und einen Abschnitt (beispielsweise einen Timeschlitz) zu belassen, indem die Kalibrierungseinstellung durchgeführt werden soll.

Obwohl die Erfindung höchst vorteilhaft im Zusammenhang mit einem CDMA-System angewandt wird, bei dem die Verwen­ dung eines Verwürfelungscodes für die Codierung des Kali­ brierungssignals eine effektiv durchzuführende Kalibrie­ rung ermöglicht, könnte die Erfindung auf FDM- oder TDM- Systeme erweitert werden.

Während die Erfindung im Zusammenhang mit einer Mobilte­ lefonsystem-Basisstation beschrieben worden ist, ist sie ebenfalls für andere Systeme mit Antennen-Arrays anwend­ bar und könnte in einem Mobilgerät mit zwei oder mehreren Antennen verwendet werden.

Jedes oben beschriebene Merkmal kann unabhängig vorgese­ hen sein, es sei denn, es ist anders angegeben.

Claims (24)

1. Verfahren zum Kalibrieren wenigstens eines Ab­ schnitts einer Sender- oder Empfängerschaltung (16; 18), die an ein Element eines Antennen-Arrays (20; 22) gekoppelt ist und eine Vielzahl an Nachrichten­ übertragungssignalen zum Antennen-Array-Element überträgt oder von diesem empfängt, wobei die Nach­ richtenübertragungssignale derart gemäß einem Co­ dierschema codiert werden, daß sie im wesentlichen paarweise orthogonal zueinander sind, wobei das Ver­ fahren folgende Schritte umfaßt:

• a) Eingeben eines Kalibrierungssignal an einem er­ sten Ort in die Schaltung, wobei das Kalibrie­ rungssignal gemäß dem Codierschema codiert wird, damit es im wesentlichen orthogonal zu den Nach­ richtenübertragungssignalen ist;
• b) Extrahieren des eingegebenen Signals an einem zweiten Ort aus der Schaltung, der sich vom er­ sten Ort unterscheidet; und
• c) Kalibrieren des zwischen den beiden Orten lie­ genden Abschnittes, basierend auf dem extrahier­ ten Signal.

2. Verfahren nach Anspruch 1 zum Kalibrieren von wenig­ stens einem Abschnitt einer Sender- oder Empfänger­ schaltung eines CDMA-Kommunikationssytems, bei wel­ chem das Kalibrierungssignal mit einem oder mehreren Spreizcodes übertragen wird, die unterschiedlich zu den der Nachrichtenübertragung zugeordneten Codes sind.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei welchem das Kalibrie­ rungssignal unter Verwendung eines einzigen orthogo­ nalen variablen Spreizfaktor-Kurzcodes (OVSF- Kurzcode) eingegeben wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Kalibrieren einer aus mehreren Senderschaltungen zusammengesetzen senderseitigen Schaltung, bei wel­ chem jeder Senderschaltung (16) ein individuell identi­ fizierbares Kalibrierungssignal zugeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, soweit rückbezogen auf Anspruch 3, bei welchem die individuell identifi­ zierbaren Kalibrierungssignale den einzigen Kurzcode umfassen, der ferner mit einer Datensequenz kombi­ niert ist, die für die einzelnen Senderschaltungen des Antennen-Arrays derart ausgewählt sind, daß die Kombinationen aus dem Kurzcode und aus der jeder Senderschaltung zugeführten Datensequenz paarweise orthogonal zueinander sind.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, bei welchem die Hochfrequenz-Ausgaben einer Vielzahl an Senderschal­ tungen (16) kombiniert und die Kalibirierungssignale aus der kombinierten Ausgabe mittels eines einzigen Empfängers (101) extrahiert werden.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Kalibrieren der senderseitigen Schaltung (16), bei welchem das Kalibrierungssignal im Digitalwerte­ bereich eingegeben wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Kalibrieren der senderseitigen Schaltung (16), wobei jede Senderschaltung (16) eine Übertragungs­ leitung (21) umfaßt, die zwischen den Ausgang der Senderschaltung und das Antennenelement gekoppelt ist, wobei das Kalibierungssignal extrahiert wird, indem die Übertragungsleitung (21) mittels eines Richtkopplers (112) abgetastet wird, der an die Übertragungsleitung (21) gekoppelt ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zum Kali­ brieren einer empfängerseitigen Schaltung (18), bei welchem das Kalibrierungssignal mittels eines Richt­ kopplers (100) eingegeben wird, der mit einer mit der empfängerseitigen Schaltung (18) gekoppelten Übertragungsleitung (23) gekoppelt ist, die Signale von einem entsprechenden Antennenelement empfängt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder 9 zum Kalibrieren einer empfängerseitigen Schaltung (18), bei welchem das Kalibrierungssignal im Digi­ talwertebereich extrahiert wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, 9 oder 10, bei welchem das Kalibrierungssignal mit einem Verwürfelungscode codiert wird, der im wesentlichen orthogonal zu den den Mobilgeräten (30a, 30b) zuge­ ordneten Verwürfelungscodes ist.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Kalibrieren einer Mobiltelekommunikations-Basis­ station (10).

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Kalibrierungssignal sowohl lokal eingegeben als auch extrahiert wird.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Eingeben des Kalibrierungssignals und das Ermitteln des Kalibrierungsmaß regelmäßig oder im wesentlichen kontinuierlich durchgeführt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, bei welchem die Nach­ richtenübertragungssignale in Frames übertragen wer­ den, vorzugsweise mit einer Dauer von weniger als 1 Sekunde, und das Kalibrierungssignal im wesentlichen im Abstand einer vorbestimmten Anzahl an Frames ein­ gegeben wird, vorzugsweise im Abstand von einem Fra­ me.

16. Vorrichtung zum Kalibrieren wenigstens eines Ab­ schnitts einer Sender- oder Empfängerschaltung (16; 18) einer Kommunikationsvorrichtung (10), die zum Koppeln an ein Element eines Antennen-Arrays (20; 22) ausgelegt ist, um eine Vielzahl an Nachrichten­ übertragungssignalen zum Antennen-Array-Element zu übertragen bzw. von diesem zu empfangen, wobei die Nachrichtenübertragungssignale derart gemäß einem Codierschema codiert sind, daß sie im wesentlichen paarweise orthogonal zueinander sind, wobei die Vor­ richtung folgendes umfaßt:

• a) ein Mittel (107) zum Eingeben eines Kalibrie­ rungssignals an einem ersten Ort in die Schal­ tung, wobei das Kalibrierungssignal derart gemäß dem Codierschema codiert ist, daß es im wesent­ lichen orthogonal zu den Nachrichtenübertra­ gungssignalen ist;
• b) ein Mittel (106) zum Extrahieren des eingegebe­ nen Kalibrierungssignals an einem zweiten Ort aus der Schaltung, der sich vom ersten Ort un­ terscheidet; und
• c) ein Mittel (105) zum Bestimmen wenigstens eines Kalibrierungsparameters für den zwischen den beiden Orten liegenden Abschnitt, basierend auf dem extrahierten Signal.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, die Teil einer Kommu­ nikationsvorrichtung bildet, die für die Kopplung an einen Antennen-Array (20; 22) mit einer Vielzahl an Elementen ausgelegt ist, wobei die Vorrichtung eine Vielzahl an Senderschaltungen (16) und Empfänger­ schaltungen (18) umfaßt, und jede Schaltung für die Kopplung an ein entsprechendes Element des Antennen- Arrays (20; 22) und zum Weiterleiten einer Vielzahl an Nachrichtenübertragungssignalen zu den oder von den Antennen-Array-Elementen ausgelegt ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 16 oder 17 zum Kalibrieren einer senderseitigen Schaltung, die aus einer Viel­ zahl an Senderschaltungen zusammengesetzt ist, die zum Eingeben einzeln identifizierbarer Kalibrie­ rungssignale in die Senderschaltungen (16) ausgelegt ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, bei welchem das indi­ viduell identifizierbare Kalibrierungssignal einen einzelnen OVSF-Kurzcode umfaßt, der ferner mit einer Datensequenz kombiniert ist, wobei die Datensequen­ zen derart ausgewählt sind, daß die Kombinationen aus dem Kurzcode und der Datensequenz der individu­ ell identifizierbaren Kalibrierungssignale paarweise orthogonal zueinander sind.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 19, wel­ che Mittel (111) zum Kombinieren der Hochfrequenz- Ausgaben einer Vielzahl an Senderschaltungen (16) und einen einzigen Empfänger (101) zum Extrahieren der Kalibrierungssignale aus der kombinierten Ausga­ be aufweist.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 20, wel­ che Digitalsignalverarbeitungsmittel (12) zum Verar­ beiten von Basisband-Digitalnachrichtenübertragungs­ signalen aufweist, die empfangen werden oder zu übertragen sind, wobei das Digitalsignalverarbei­ tungsmittel (12) zum Eingeben des Kalibrierungs­ signals in die zu übertragenden Signale oder zum Ex­ trahieren des Kalibrierungssignals aus den empfan­ genden Signalen ausgelegt ist.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 21, bei der jede Sender- oder Empfängerschaltung eine Über­ tragungsleitung (21; 23) umfaßt, die zwischen eine Empfänger- oder Senderschaltung (16; 18) und ein Element des Antennen-Arrays (20; 22) gekoppelt ist, wobei die Vorrichtung einen an die Übertragungslei­ tung (21; 23) gekoppelten Richtkoppler (100; 112) zum Eingeben oder Abtasten bei Hochfrequenz eines das Kalibrierungssignal umfassenden Signals auf­ weist.

23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 22, die zum regelmäßigen oder im wesentlichen kontinuierli­ chen Eingeben des Kalibrierungssignals ausgelegt ist.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 23, die Teil einer Mobiltelekommunikations-Basisstation bil­ det.