TWI627841B

TWI627841B - 應用於多重路徑環境下的多天線電子裝置開發系統

Info

Publication number: TWI627841B
Application number: TW106127008A
Authority: TW
Inventors: 黃正光; 簡郅融; 張耀元; 李銘佳; 邱宗文
Original assignee: 川升股份有限公司
Priority date: 2017-08-08
Filing date: 2017-08-08
Publication date: 2018-06-21
Also published as: TW201911769A

Abstract

一種應用於多重路徑環境下的多天線電子裝置開發系統，包括切換控制器、多天線模組、無線發射機與多天線環境參數獲取及控制設備。多天線模組具有複數個天線單元，每一個天線單元具有至少一天線元件與至少一射頻開關。無線發射機傳送多輸入多輸出的非信令無線信號至所述天線單元。多天線環境參數獲取及控制設備具有無線接收機、軟體定義無線電模組、天線控制模組與使用者控制介面。無線接收機連接所述天線單元與軟體定義無線電模組，天線控制模組連接使用者控制介面。天線控制模組依據無線環境參數與由使用者控制介面輸入的天線控制演算法以控制射頻開關，藉以自適應多天線模組的所述天線單元的最佳性能。藉此，提升多天線開發效能。

Description

應用於多重路徑環境下的多天線電子裝置開發系統

本發明有關於一種多天線量測系統，且特別是一種應用於多重路徑環境下的多天線電子裝置開發系統。

無線通訊產品在多重路徑應用環境下使用場景多，被動天線已無法滿足實際需求，天線需要能因應使用場景，例如：各種人體靠近方式、戶外/室內、都會/鄉村或水泥/木頭建築環境。然而，就實際產品而言，產品外型(輕薄短小)限制了天線設計想法，天線需內建甚至隱藏於產品中，天線輻射體常必須與產品其他功能之金屬共用，天線輻射性能因應各個專案不同，難以形成標準，當然無線晶片因成本因素也無法不斷客製演算法配合產品使用，使得智能天線設計概念一直無法順利推廣。

傳統智能天線設計方式是由無線晶片開發公司主導，無線晶片用於比較各(組)天線收訊狀況，再選擇最佳天線組合，在視線(Light-Of-Sight，LOS)條件下若訊號穩定，這方式較有實現的可能性。然而，在多重路徑的應用場景下，收訊狀況並不穩定，使用訊號比較法所達到的效能難以進一步提升。

相對而言，如果要以天線設計層面來主導智能天線設計或者多輸入多輸出(Multi-Input & Multi-Output，MIMO)天線系統，除非無線晶片商願意開放晶片藉由天線收到的所有環境應用訊息，否則天線設計者無法針對天線做控制或選擇。無線晶片開發成本及時間長，在未確認新的智能天線設計或多輸入多輸出天線方案確實可行的條件下，貿然投入晶片開發的風險過高。

本發明實施例提供一種應用於多重路徑環境下的多天線電子裝置開發系統，對使用多輸入多輸出(MIMO)天線系統的多天線電子裝置進行空中傳輸(Over The Air，OTA)的環境參數量測，可取代傳統上對於天線元件特性僅使用網路分析儀(Network Analyzer，NA)的量測方式。

本發明實施例提供一種應用於多重路徑環境下的多天線電子裝置開發系統，包括切換控制器、多天線模組、無線發射機以及多天線環境參數獲取及控制設備。多天線模組具有複數個天線單元，每一個天線單元具有至少一天線元件與至少一射頻開關，射頻開關連接且受控於切換控制器。無線發射機用以利用多輸入多輸出(MIMO)傳輸模式傳送非信令(non-signaling)無線信號至多天線模組的複數個天線單元。多天線環境參數獲取及控制設備具有無線接收機、軟體定義無線電(Software Defined Radio，SDR)模組、天線控制模組與使用者控制介面。無線接收機連接所述複數個天線單元，軟體定義無線電模組連接無線接收機，天線控制模組連接使用者控制介面。軟體定義無線電模組藉由所述複數個天線單元獲得無線環境參數，天線控制模組依據無線環境參數與由使用者控制介面輸入的天線控制演算法以藉由切換控制器控制所述複數個天線單元的至少一個射頻開關，天線控制演算法用以自適應多天線模組的所述複數個天線單元的最佳性能。

綜上所述，有別於傳統的天線量測系統需要先對天線完成天線基本參數量測(視線條件，通常必要在電波暗室完成量測)，然後再結合無線晶片整機(產品)量測，本發明實施例提供應用於多重路徑環境下的多天線電子裝置開發系統能夠在電子裝置所使用的無線通信標準已決定但無線晶片尚未開發完成時，預先針對無線晶片所使用的多天線效能進行非信令(non-signaling)量測、設計與效能評估，直接獲得對於無線晶片更具參考價值的多天線效能。當本發明實施例的此開發系統完成多天線的量測後，研發人員將使用無線晶片做信令(signaling)量測的結果與本發明實施例的此開發系統的量測結果做比較時，即可更直覺地、快速地分辨出無線晶片(控制及處理端)與多天線(接收端)兩者整合後的問題。簡言之，本發明實施例的此開發系統是整合了無線系統設計與天線設計兩者需求的多天線電子裝置開發系統，具體地明晰了多輸入多輸出的多天線特性的數據對於無線晶片的可參考價值，大幅度地提升產業界的無線系統設計研發人員與天線設計研發人員兩方對於多天線無線信號接收端的多天線電子裝置的開發效能，諸如縮短產品開發時間、快速解決研發過程所發生的問題、決定影響無線通信性能問題的歸屬(判斷問題是源自於無線晶片或是歸因於天線性能不佳)等。

為使能更進一步瞭解本發明的特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，但是此等說明與所附圖式僅是用來說明本發明，而非對本發明的權利範圍作任何的限制。

1‧‧‧多天線模組

11、12、1n‧‧‧天線單元

11a、12a、1na‧‧‧天線元件

11b、12b、1nb‧‧‧射頻開關

2‧‧‧無線收發機軟硬體

3‧‧‧切換控制器

4‧‧‧無線發射機

5‧‧‧多天線環境參數獲取及控制設備

51‧‧‧無線接收機

52‧‧‧軟體定義無線電模組

53‧‧‧天線控制模組

54‧‧‧使用者控制介面

圖1是本發明實施例提供的多天線電子裝置的多天線模組的示意圖。

圖2是本發明實施例提供的應用於多重路徑環境下的多天線電子裝置開發系統的示意圖。

圖3是本發明另一實施例提供的應用於多重路徑環境下的多天線電子裝置開發系統的示意圖。

圖4是本發明另一實施例提供的應用於多重路徑環境下的多天線電子裝置開發系統的示意圖。

智能天線系統或多輸入多輸出(MIMO)天線系統是使用多個天線進行傳輸資料，現有無線通信產品所使用的通信環境往往都是多重路徑環境，此種環境的通道參數複雜且難以預估。本發明實施例的應用於多重路徑環境下的多天線電子裝置比較注重於整體接收訊號能力，而並非是單一個天線的收訊能力與輻射特性。本發明實施例的應用於多重路徑環境下的多天線電子裝置開發系統可在應用於多重路徑情況的產品需求下取代傳統的天線輻射場型量測系統，可用於直接獲得無線環境參數與執行天線控制演算法，上述的應用於多重路徑環境下的多天線電子裝置主要應用的產品，例如但不限於是筆記型電腦、膝上型電腦、平板電腦、一體電腦、智慧電視、小型基站、路由器或智慧型手機。本發明實施例的多天線電子裝置與其他無線電子裝置的溝通或傳輸資料是使用多輸入多輸出(MIMO)的傳輸模式。

本發明實施例提供一種應用於多重路徑環境下的多天線電子裝置開發系統，可大幅度地簡化了使用多輸入多輸出(MIMO)傳輸模式的無線系統(主要是無線晶片)研發人員與射頻研發人員在系統整合時的性能數據研判問題。多天線可直接完成適用於無線晶片規格的非信令(non-signaling)量測，降低了非信令量測與信令(signaling)量測(結合無線晶片)的數據分析差異性。請參照圖1，圖1是本發明實施例提供的多天線電子裝置的多天線模組的示意圖。多天線模組1為多天線電子裝置的一部份，一般而言是扣除了電路的機構硬體(可能包括操作介面、按鍵、顯示器)，多天線電子裝置的另一部分包括無線收發機軟硬體2(包括無線晶片，甚至包括其他功能電路)，其中無線收發機軟硬體2與本發明實施例後續將說明的軟體定義無線電模組(參考圖2)使用相同的無線通信標準，例如802.11n、802.11ac、LTE或未來第五代行動通信(5G)標準。多天線模組1具有複數個天線單元11、12、...1n，每一個天線單元(11、12、...或1n)具有至少一天線元件(11a、12a、...或1na)與至少一射頻開關(11b、12b、...或1nb)。多天線模組1的複數個天線單元(11、12、...1n)所接收的電磁波頻率例如但不限於是位於700MHz頻帶、800MHz頻帶、900MHz頻帶、3.3GHz~3.6GHz頻帶、4.4GHz~4.5GHz頻帶、4.8GHz~4.99GHz頻帶或位於IEEE 802.11標準的無線區域網路(WLAN)頻帶。或者，多天線模組1的複數個天線單元11、12、...1n所接收的電磁波頻率是位於毫米波的25GHz、26GHz、28GHz、30GHz或40GHz頻帶。在圖1中，天線單元11、天線單元12與天線單元1n分別具有射頻開關11b、射頻開關12與射頻開關1n，以作為例子。但天線單元11、12、...1n可以各自具有兩個以上的射頻開關。

接下來請同時參照圖1與圖2，對本發明實施例的應用於多重路徑環境下的多天線電子裝置開發系統而言，多天線模組1是至少移除了無線收發機軟硬體2的多天線電子裝置。多天線模組1與無線收發機軟硬體2兩者之間的線路(包括控制線與信號線)可被保留且藉由這些線路進一步做延伸以將控制線改接至切換控制器3，信號線則改接至多天線環境參數獲取及控制設備5。應用於多重路徑環境下的多天線電子裝置開發系統包括切換控制器3、多天線模組1、無線發射機4以及多天線環境參數獲取及控制設備5。切換控制器3是代替無線收發機軟硬體2的無線晶片對於射頻開關(11b、12b、...或1nb)的控制。無線發射機4用以發射非信令的無線信號(以電磁波的形式傳遞)至多天線模組1的天線單元11、12、...1n，而多天線環境參數獲取及控制設備5用以代替無線收發機軟硬體2(包括無線晶片)處理多天線模組1所收到的非信令無線信號，並控制切換控制器3。

詳細的說，多天線模組1具有複數個天線單元11、12、...1n，每一個天線單元(11、12、...或1n)具有至少一天線元件(11a、12a、...或1na)與至少一射頻開關(11b、12b、...或1nb)，射頻開關11b、12b、...1nb連接且受控於切換控制器3。無線發射機4用以利用多輸入多輸出(MIMO)傳輸模式傳送非信令無線信號至多天線模組1的複數個天線單元11、12、...1n。多天線環境參數獲取及控制設備5具有無線接收機51、軟體定義無線電模組52、天線控制模組53與使用者控制介面54。無線接收機51連接所述複數個天線單元11、12、...1n，例如但不限於使用同軸電纜線實現無線接收機51與天線單元11、12、...1n的連接。在圖2中，無線接收機51是透過天線單元11、12、...1n各自的射頻開關11b、12b、...1nb連接所述複數個天線單元11、12、...1n。軟體定義無線電模組52連接無線接收機51，天線控制模組53連接使用者控制介面54。

軟體定義無線電模組52藉由所述複數個天線單元11、12、...1n獲得無線環境參數，天線控制模組53依據無線環境參數與由使用者控制介面54輸入的天線控制演算法以藉由切換控制器3控制所述複數個天線單元11、12、...1n的至少一個射頻開關(11b、12b、...或1nb)，天線控制演算法用以自適應多天線模組的所述複數個天線單元11、12、...1n的最佳性能，例如吞吐量(T-put)最大、平均吞吐量最穩定，或是暫態吞吐量總是不低於一個預定的下限等等條件。上述的無線環境參數包括但不限於通道狀態資訊(CSI，Channel State Information)、接收信號強度指示(RSSI)、通道增益(H)、相位、通道容量(channel capacity)與吞吐量(T-put)的至少其中之一。

多天線環境參數獲取及控制設備5可內建有天線控制演算法，但也可讓研發人員(使用者)藉由使用者控制介面54輸入或變更天線控制演算法，輸入或變更的天線控制演算法可以是電腦程式或者是天線控制演算法的變數，量測結果也可由使用者控制介面54輸出，例如(但不限於)顯示器輸出、檔案輸出或直接列印量測報告。使用者控制介面54輸入的天線控制演算法包括但不限於天線使用數量、天線切換順序、射頻開關的切換模式與切換組合，以控制天線的工作模式。天線的工作模式包括但不限於增益、輻射場型、天線激發模式等。多天線環境參數獲取及控制設備5的使用者控制介面54例如以個人電腦實現(桌機、筆記型電腦、平板電腦或膝上電腦)，且將天線控制演算法包含於一個控制應用程式，讓多天線研發人員操作天線控制演算法的執行，或因應量測結果而修改天線控制演算法，並用個人電腦的顯示器即時監看量測結果，也可利用天線控制演算法做動態的控制，以進行多天線的研發。

在圖2實施例中，切換控制器3裝設於多天線模組，切換控制器3的控制信號經過較短的路徑傳送至射頻開關11b、12b、...1nb可以減少干擾，或者用較少的信號延遲對複數個天線單元11、12、...1n做控制。但在圖3實施例中，切換控制器3是裝設於多天線環境參數獲取及控制設備5之內，其考慮是將所有控制電路整合在一起，簡化系統組裝，減少(與控制)信號干擾的變因。

接著請參照圖4，圖4是本發明另一實施例提供的應用於多重路徑環境下的多天線電子裝置開發系統的示意圖。無線發射機4與無線接收機51可以一無線收發機模組實現，不同於圖2實施例與圖3實施例，圖4實施例的無線發射機4連接多天線環境參數獲取及控制設備5的使用者控制介面54，且無線發射機4依據使用者控制介面54的量測指示以傳送非信令無線信號。如此，無線發射機4也由研發人員(使用者)控制，實現發射與接收的一體性控制，甚至可以更改無線發射機4的發射模式與功率。事實上，可以一個無線收發機同時實現無線發射機4與無線接收機51的功能，並將此無線收發機整合於多天線環境參數獲取及控制設備5之內。這個多天線環境參數獲取及控制設備5可以取代傳統上利用網路分析儀對天線進行空中傳輸(Over The Air，OTA)量測的架構。

上述實施例的應用於多重路徑環境下的多天線電子裝置開發系統可裝設於電波暗室或用以設置於多重路徑量測環境。在當環境干擾較小時，上述實施例的應用於多重路徑環境下的多天線電子裝置開發系統可直接設置於多重路徑量測環境，所述多重路徑量測環境是非屏蔽的空間，例如是具有無線通信功能的小型電子裝置的應用場景(例如是辦公室、大樓內的樓層、停車場等)，也可配合產品應用屬性而改變周遭的量測環境，此種電子裝置產品的應用環境有一個共通點是由於周遭物體而造成多重路徑效應，在有多重路徑效應的情況下此開發系統能直接獲得接近於實際產品的通道狀態資訊(CSI，Channel State Information)、接收信號強度指示(RSSI)、通道增益(H)、相位、通道容量(channel capacity)與吞吐量(T-put)等環境參數，讓研發人員(使用者)直接因應量測結果改變天線控制演算法，以自適應多天線模組的複數個天線單元的最佳性能。因此，多天線的量測結果相對於實機(電子裝置)量測的差異僅在於是否是信令信號的差別，造成對多天線研發過程能大幅縮減數據性質的差別，提高數據的可參考性與可比對性。

綜上所述，本發明實施例所提供的應用於多重路徑環境下的多天線電子裝置開發系統能夠在電子裝置的通信規格已決定但無線晶片尚未開發完成時，預先針對無線晶片所使用的多天線效能進行非信令(non-signaling)量測、設計與效能評估，直接獲得對於無線晶片更具參考價值的多天線效能。當本發明實施例的此開發系統完成多天線的量測後，研發人員將使用無線晶片做信令(signaling)量測的結果與本發明實施例的此開發系統的量測結果做比較時，即可更直覺地、快速地分辨出無線晶片(控制及處理端)與多天線(接收端)兩者整合後的問題。簡言之，本發明實施例的此開發系統是整合了無線系統設計與天線設計兩者需求的多天線電子裝置開發系統，具體地明晰了多輸入多輸出的多天線特性的數據對於無線晶片的可參考價值，大幅度地提升產業界的無線系統設計研發人員與天線設計研發人員兩方對於多天線無線信號接收端的多天線電子裝置的開發效能，諸如縮短產品開發時間、快速解決研發過程所發生的問題、決定影響無線通信性能問題的歸屬(判斷問題是源自於無線晶片或是歸因於天線性能不佳)等。

以上所述僅為本發明之實施例，其並非用以侷限本發明之專利範圍。

Claims

一種應用於多重路徑環境下的多天線電子裝置開發系統，包括：一切換控制器；一多天線模組，具有複數個天線單元，每一個該天線單元具有至少一天線元件與至少一射頻開關，該射頻開關連接且受控於該切換控制器；一無線發射機，用以利用多輸入多輸出(MIMO)傳輸模式傳送非信令(non-signaling)無線信號至該多天線模組的該些天線單元；以及一多天線環境參數獲取及控制設備，具有一無線接收機、一軟體定義無線電模組、一天線控制模組與一使用者控制介面，該無線接收機連接該些天線單元，該軟體定義無線電模組連接該無線接收機，該天線控制模組連接該使用者控制介面，其中該軟體定義無線電模組藉由該些天線單元獲得無線環境參數，該天線控制模組依據無線環境參數與由該使用者控制介面輸入的一天線控制演算法以藉由該切換控制器控制該些天線單元的該至少一射頻開關，該天線控制演算法控制該些天線單元的工作模式用以自適應該多天線模組的該些天線單元的最佳性能；其中，該無線環境參數包括通道狀態資訊(CSI，Channel State Information)、接收信號強度指示(RSSI)、通道增益(H)、相位、通道容量(channel capacity)與吞吐量(T-put)的至少其中之一。
根據請求項第1項所述之應用於多重路徑環境下的多天線電子裝置開發系統，其中該多天線模組為一多天線電子裝置的一部份，該多天線電子裝置的另一部分包括一無線收發機軟硬體，其中該軟體定義無線電模組與該無線收發機軟硬體使用相同的無線通信標準。
根據請求項第2項所述之應用於多重路徑環境下的多天線電子裝置開發系統，其中該多天線電子裝置是筆記型電腦、膝上型電腦、平板電腦、一體電腦、智慧電視、小型基站、路由器或智慧型手機。
根據請求項第1項所述之應用於多重路徑環境下的多天線電子裝置開發系統，其中該切換控制器裝設於該多天線模組。
根據請求項第1項所述之應用於多重路徑環境下的多天線電子裝置開發系統，其中該切換控制器裝設於該多天線環境參數獲取及控制設備之內。
根據請求項第1項所述之應用於多重路徑環境下的多天線電子裝置開發系統，其中該無線發射機與該無線接收機是以一無線收發機模組實現，該無線發射機連接該多天線環境參數獲取及控制設備的該使用者控制介面，且該無線發射機依據該使用者控制介面的一量測指示以傳送非信令無線信號。
根據請求項第1項所述之應用於多重路徑環境下的多天線電子裝置開發系統，其中該多天線模組的該些天線單元所接收的電磁波頻率是位於700MHz頻帶、800MHz頻帶、900MHz頻帶、3.3GHz~3.6GHz頻帶、4.4GHz~4.5GHz頻帶、4.8GHz~4.99GHz頻帶或位於IEEE 802.11標準的無線區域網路頻帶。
根據請求項第1項所述之應用於多重路徑環境下的多天線電子裝置開發系統，其中該多天線模組的該些天線單元所接收的電磁波頻率是位於毫米波的25GHz、26GHz、28GHz、30GHz或40GHz頻帶。