专利名称：通过多端口网络波束形成宽带信号的方法和系统的制作方法
技术领域：
描述的实施方式大体上涉及无线通信。更具体地说，所描述的实施方式涉及通过多端口网络波束形成宽带信号的方法和系统。
背景技术：
普通的无线用户站使用射频(RF)发送器，产生发送给基站(BS)的输出信号。在移动无线网络中，一个站可为移动站(MS)，而另一个站可为基站(BS)。由于MS在无线网络的整个覆盖范围内移动，所以大量的因素造成MS和BS之间的路径损耗改变，包括站之间距离的改变以及在环境内存在用于阻碍或减弱从一个站运行到另一个站的信号的物体。MS内的关键部件为用于将信号发送给基站的功率放大器。功率放大器通常具有最大额定输出功率。获得与BS进行可靠通信的一种方法在于，确保功率放大器配备有充足的功率，以便克服无线介质内存在衰落和路径损耗。然而，由于以下几个原因，向MS配备任意的高功率放大器通常并不可行(i)对该装置可消耗的总功率存在限制；(ii)高功率放大器会变得过热；(iii)高功率放大器昂贵；(iv)由于受到较小的移动终端的尺寸的限制，所以高功率放大器太大，不适于安装在其内；(V)高功率放大器会超过特定的吸收速率的限制，该限制用于保护安全。通过比较这些系统和在本申请的剩余部分参看示图提出的本发明的某些方面，对于本领域的技术人员而言，常规和传统方法的其他限制和缺点显而易见。
发明内容
提供了大体上由至少一幅解的和/或结合至少一幅图描述的、如权利要求书中更完整地阐明的一种通过多端口网络波束形成宽带信号的系统和/或方法。通过以下描述和示图，更完整地理解本发明的这些和其他优点、方面和新颖特征以及本发明的所述实施方式的详情。
图I为示出结合本发明实施方式的示例性无线通信系统的方框图；图2为示出根据本发明实施方式的示例性无线用户收发器的部分的方框图；图3为示出结合本发明实施方式的使用每根发送天线的恒定功率相位波束形成的可获得的阵列增益的实例的方框图4为结合本发明的实施方式示出的称为90度正交混合器的多端口网络的实例的方框图；图5为示出根据本发明实施方式的示例性无线用户收发器的部分的方框图；图6为示出根据本发明实施方式的使用多端口网络的相位波束形成的可获得阵列增益的实例的方框图；图7为根据本发明实施方式比较使用和未使用多端口网络的相位波束形成的可获得阵列增益的方框图；图8为示出根据本发明实施方式的示例性无线用户收发器的部分的方框图；图9为示出根据本发明实施方式的示例性无线用户收发器的部分的方框图；图10为示出根据本发明实施方式的示例性无线用户收发器的部分的方框图；
图11为示出根据本发明实施方式的示例性多输入多输出(MMO)通信系统的方框图；图12为示出根据本发明实施方式的操作无线用户收发器的示例性步骤的流程图。
具体实施例方式在时分复用系统内，上行链路和下行链路无线信道相互作用；可利用该相互作用从两个或多个天线发送，使得发送信号在BS结合在一起。此外，无线信道通常在MS接收天线处严重失衡。试图更有效地使用这两个功率放大器的有效发送功率时，甚至在无线信道严重失衡的情况下，使用多端口网络提供增益。—个实施方式包括通过多个天线发送传输信号的方法。该方法包括由传输信号生成至少一个动态可调相移信号。分开放大该传输信号和至少一个动态可调相移信号。放大的传输信号和放大的至少一个动态可调相位和/或幅度移动的信号用多端口网络相结合。多端口网络在多个天线中的一个或多个处生成输出信号。还包括幅度调整。也有利于调整幅度。另一个实施方式包括发送器。该发送器包括由传输信号生成至少一个动态可调相移信号。第一放大器放大传输信号，第二放大器放大至少一个动态可调相移信号。多端口网络结合放大的传输信号和放大的至少一个动态可调相移信号，并且为多个天线中的每个生成输出信号。通过举例的方式阐述所描述的实施方式的原理，通过以下详细的描述，并且结合附图，所描述的实施方式的其他方面和优点显而易见。图I示出结合本发明实施方式的示例性无线通信系统。参看图1，通信系统可包括BS 110和用户站收发器120，其中，在每个BS天线112和每个用户站天线122、124之间形成多个传播信道Hi、H2。在本发明的各种实施方式中，BS 110可包括多个天线，用户收发器120可包括两个以上的天线。从BS 110到用户站120的无线通信信号传播可称为“下行链路传输”；从用户站120到BS 110的无线通信信号传播称为“上行链路传输”。在包括下行链路子帧和上行链路子巾贞的巾贞内，可包含该传输。除了数据音，BS还发送允许用户站(SS)估计每个接收天线的无线信道的导频信号。导频通常在频率和时间上支持下行链路子帧。某些无线系统采用前同步码作为下行链路传输的一部分，比如，WiMAX 802. 16e系统。在WiMAX系统内，在每个下行链路子帧的开始生成的前同步码采用在多载波信号的频谱上每隔两个音产生的导频音；此外，与携带数据的子载波相比，以更高的功率谱密度发送前同步码内的导频，并且这些导频包含接收器(用户站)已知的调制。这些导频可由用户站使用以精确地估计下行链路无线信道。在3GPP长期演进(LTE)系统中，下行链路信号包含导频，导频称为单元专有参考信号，这些参考信号同样可用于估计下行链路无线信道。此外，在LTE系统中，用户可估计BS和MS之间的多输入多输出(Multi-Input Multi-Output, ΜΙΜΟ)无线信道。图2为示出根据本发明实施方式的示例性无线用户收发器的部分的方框图。参看图2，示例性用户收发器200包括Tx信号处理模块202、功率放大器212和214、低噪音放大器242和244、开关元件222和224以及天线232和234。虽然图2描述了示例性的情况，其中，具有两个发送天线，并且相应地具有两个功率放大器、低噪音放大器以及信号T1 (t)和T2 (t)，但是本发明不限于此。本发明的各方面可调整成具有任何数量的天线。
Tx信号处理模块202可包括合适的逻辑、电路、接口和/或编码器，可用于由信号m(t)生成多个信号Txl(t)和Tx2(t)，其中，在操作收发器的过程中，可动态调整每个信号Txl(t)和Tx2(t)的相位和/或幅度。例如在基于实时或近实时的信号特征测量的操作过程中，可动态确定相位和/或幅度调整量。此外/或者，相位和/或幅度调整量可基于任何其他合适的信息，比如，预定的值表。信号处理模块202可在数字域和/或模拟域内进行操作。功率放大器212和214可包括合适的逻辑、电路、接口、和/或编码器，用于分别放大信号Txl (t)和Tx2 (t)。在通过例如Tx信号处理模块202的一个或多个控制信号操作无线收发器时，可动态调整每个功率放大器212和214的增益。低噪音放大器242和244可包括合适的逻辑、电路、接口、和/或编码器，用于放大从天线232和234接收的信号，以便分别生成信号Rxl (t)和Rx2 (t)。在通过例如Tx信号处理模块202的一个或多个控制信号操作无线收发器时，可动态调整每个低噪音放大器242和244的增益。在操作的过程中，可将调制信号m(t)输入到模块202中。模块202可有m(t)生成模拟信号Txl (t)和Tx2 (t)。模块202可动态调整每个信号Txl (t)和Tx2 (t)的相位和/或幅度。信号Txl (t)和Tx2 (t)可由功率放大器212和214放大并且通过开关222和224可分别施加到天线232和234。在本发明的实施方式中，执行信号调整以便在接收器的天线(例如，图I中基站110的天线112)处获得阵列增益，以下的段落中会更详细地进行描述。为了解释本发明，考虑用户站具有而不限于两个天线的情况。令MfJH /；,. , h 表示从BS到天线232和234的向量信道。令
II
M/1: I c^ie ^表示在接收的过程中，天线232和234的电压向量。同样，令
U..: W」
=1表示在发送的过程中，天线处的电压向量。令』ift xt、、和
I -γ—τ((》jr*t,iU -h-x) = ^)I
4,4/,^ ) = +++.分别表示时间tKx天线232和234的向量值相位，由频率表示。在这里，(·) +v—|0,2if表示角度运算符，并且tKx对应于下行链路子帧内的间隔，在该间隔期间，接收器进行相位测量。同样，在时间间隔tTx期间，即，用户收发器200进行发送的时间，将U/)』”和U/) = . h(/,分别限定为天线232和234处的向量值相位，由频率表示。在本发明的实施方式中，在时间间隔tTx期间，用户收发器200可控制所发送的信号的相位关系，以便满足以下关系Φ Tx,2 (f，tTx) _ Φ Txa (f，tTx) — _ ( Φ rx,2 (f，tRx) _ Φ (f，tRx)) (I)S卩，在每个频率，时间间隔tTx期间的端口 I和端口 2之间的相位差可控制为时间间隔tKx期间的端口 I和端口 2之间的相位差的负数。在本发明的实施方式中，发送过程中的相位差可通过调制信号m(t)乘以权重向量w(f，tKx)以生成经调节的上行链路信号T (t)=w(f,tEx)m(t)来控制。在本发明的实施方式中，w(f,tKx)可通过Tx信号处理模块202使用等式2来确定。
IKLiiiMiI
,(/λ,η λ:ΙΜ“ 1a)
I MLhl.
I >ι然后，经调节的上行链路信号Txl (t)和Tx2 (t) T2 (t)可分别被输入到功率放大器212和214中。功率放大器的输出可穿过开关222和224，到天线232和234。天线232和234的输出由下式给出
x(t) =.tRv )m(t)(3)其中，k为与幅度调整相关的实常数，为Φ为发送信号馬⑴和夂⑴共有的相移。对于时间和频率的相同值而言，上行链路和下行链路信道相互作用；即，H/J) = F(JJ)o令蚵/+Λ,) -> UfJfl表示时间间隔tTx期间的上行链路信道。然后，对于足够接近接收测量时间tKx并且具有足够低的移动性的tTx而言，h(fjn} * hT(fj,h )。这些条件通常在TDD蜂窝网络中有效。为了简化说明，省略明确的时
间依赖性以及相应的技术条件，在BS处接收所得出的上行链路信号由下式给出
4/V. HtjJxd)
=kv'fh{{l% )ut/lb I ι(./}(4)
= Ai>'￥(|4|+|l.|)m(/)如果I^l = |Λ.|，那么在BS接收的信号的幅度为从任何一个天线发送的值的幅度的两倍。通过适当地定相，BS所接收的功率增大4倍，仅仅为整个发送功率的两倍。通过使用具有相同功率的两个放大器，可将功率翻倍。BS处所接收的功率的另外的两倍称为阵列增益。更具体地说，阵列增益等于接收信道向量的I1常态。图3中示出可获得的增益。对数正态遮蔽和消退在接收和发送信道内产生失衡；严重失衡很常见。在这种情况下，阵列增益减少。在极限的情况下，由于一个信道幅度趋于零，所以从与更弱的信道关联的天线中发送没有任何好处。然而，在本发明的另一个实施方式中，甚至在一个信道幅度趋于零的极限情况下，使用多端口网络能够实现阵列增益。图3示出结合本发明实施方式的使用每个发送天线的恒定功率形成波束的相位可获得的阵列增益的实例。图4示出结合本发明实施方式的通常称为90度混合耦合器的多端口网络的实施的实例。对于该示例性实施方式而言，将端口 I和端口 2视为输入端，并且将端口 3和端口4视为输出端。使用具有所示的电气长度和特性阻抗的传输线路，可实现90度混合耦合器
410。在本文中，Zci表示特性阻抗，通常为50ohms 为发送中心频率处四分之一的波长线。4
rQl 「S. 5 Tl "*两个端口的网络的S参数矩阵通常用于根据；」I 二 J'；描述所反射、
L0;」\丨 / —
入射功率波之间的关系，其中O1和O2为输出，并且I1和I2为输入。相应地，O1 = S11I^S12I2和O2 = S21I^S22I2O多端口网络410的传递函数可由S参数的矩阵表示。90度混合耦合器具有标称散射参数，由下式给出
[O J I O]
I ο ο 11l—s—丨(5)
I O O j
[O I j O」
!将.r 二| ''输入到混合器中，其中X1表示施加给端口 I的信号，x2表示施加给端口
-V-
I—祖
2的信号。同样，将7 = 1$ I输出到混合器中，其中71表示呈现在端口 3的信号，y2表示呈
; ；
I... ^
现在端口 4的信号。使用等式(5),输入X的向量和输出y的向量的标称关系由y = Ax表示，其中
.丨 dj .....IΓ/ ]/i =丨.一;=〒丨’ .丨_
I·4! 4j L1 /」实际上，90度混合耦合器具有损耗，并且该关系略微偏离(6)。90度混合耦合器410为线性的、不变时的、无源的、非铁磁性的电路。假设90度混合耦合器410的端口可见的阻抗为标称。于是，以下电压关系有效X = ATy e 2，(7)其中，表示复数。因此，通过以上假设，90度混合耦合器为双向装置，并且从一个端口到另一个端口的传递函数不取决于哪个是输入端哪个是输出端。图5为示出根据本发明实施方式的示例性无线收发器的部分的方框图。参看图5，示例性用户收发器500包括Tx信号处理模块202、Rx信号处理模块204、功率放大器212和214、低噪音放大器242和244、开关元件222和224、多端口网络910以及天线232和234。关于图2，描述了 Tx信号处理模块202、功率放大器212和214、低噪音放大器242和244、开关元件222和224以及天线232和234。例如，多端口网络910可在半导体衬底(“芯片上”)、IC封装和/或印刷电路板内和/或上实现。多端口网络可促使至少一个端口响应至少两个其他的端口。在本发明的实施方式中，例如，多端口网络910可为图4中所描述的混合器(hybird) 410。功率放大器212和214的输出端和低噪音放大器242和244的输入端耦合到多端口网络910的多个第一端口(端口 I和端口 2)。天线232和234耦合到多端口网络910的多个第二端口(端口 3和端口 4)。收发器500的操作可与参照图2描述的收发器200的操作相似。然而，多端口网络910的引入给阵列增益造成影响，以下段落中会更详细地进行描述。令对r) I Λ' [ I C 2表示在接收过程中多端口网络910的端口 I和端口 2处的
I i X i
电压向量。令=:表示在发送过程中端口 I和端口 2处的电压向量。同样，
I .T;(Oj
I . (I I
m= f 7表示在接收过程中端口 3和端口 4处的电压向量。这里，端口 3连接到天
'.-Μ1》..'
线232，端口 4连接到天线234。令诈卜|'Ml> |t 5表示在发送过程中端口 3和端口 4处的
L-r:⑴」
电压向量。假设多端口网络910为线性的、不变时的、无源的、非铁磁性的电路，多端口网络910可见的阻抗为标称，以下电压关系有效
2 (8)以及
Λ' = AfV e Λ(9)其中，J M为散射参数矩阵。令E . 2表示从BS到多端口网络910的
端口 3和端口 4的向量信道。穿过多端口网络910之后，显然接收信道由下式给出
h(fj) = Ark(j\t},(10)其中，(·)τ表示转置矩阵。令UfJltJ:和
分别表示在时间tKx端口 I和端口 2的向量值相位，由频率表示。
这里，' 表示角度运算符，tKx对应于下行链路子帧内的间隔，在该间隔期间，接收器进行相位测量。同样，在时间间隔tTx，即，用户收发器500进行发送的时间，分别将Hf): +.(為(/Jn+))和U/I 二丨限定为端口 3和端口 4的向量值相位，
由频率表示。在本发明的实施方式中，在发送间隔tTx期间，用户收发器500可控制所发送的信号的相位关系，以便满足以下关系(bob fix)φ Tx 2 (f，tTx) _ Φ Τχ,ι (f) — _ ( Φ Εχ,2 (f) _ Ex, I (f) ) (I I)
S卩，在每个频率，在时间间隔tTx期间端口 I和端口 2之间的相位差可被控制为在时间间隔tKx期间端口 I和端口 2之间的相位差的负数。在本发明的实施方式中，发送过程中的相位差可通过将权重向量用于数字调制信号m(t)从而生成经调节的上行链路信号T(t) = w(f,tEx)m(t)来控制。在本发明的实施方式中，可计算权重向量，如等式12中所示。
权利要求
1.一种方法，包括 检测通过多个天线接收的多个信号中每个的相位； 生成多个发送信号，其中，所述多个发送信号中的至少一个的相位基于所接收的信号的至少一个检测相位确定； 分开放大生成的所述多个发送信号中的每个以生成多个放大信号；以及 将多个放大信号输入到多端口网络的多个第一端口，其中，基于输入到所述多个第一端口中至少两个的信号确定所述多端口网络的至少一个第二端口。
2.根据权利要求I所述的方法，其中，所述发送信号对应于一个或多个空间流。
3.根据权利要求I所述的方法，包括使用不同的权重加权与所述发送信号对应的一个或多个空间流中的每个。
4.根据权利要求I所述的方法，其中，所述接收信号穿过所述多端口网络。
5.根据权利要求I所述的方法，包括基于一个或多个同轴开关处的信号检测多个信号中的每个的相位。
6.根据权利要求I所述的方法，其中，所述多个放大信号中的至少一个在被输入到所述多端口网络之前穿过至少一个同轴开关。
7.根据权利要求I所述的方法，其中，一个或多个方向耦合器位于一个或所述多个天线和一个或多个相应的路径内的一个或多个相应的发送/接收(T/R)开关之间。
8.根据权利要求7所述的方法，包括基于来自所述一个或多个方向耦合器的相应信号测量所述多个放大信号中每个的相位和/或幅度。
9.根据权利要求7所述的方法，包括使用施加给所述多个方向耦合器中的一个或多个的一个或多个校准信号测量所述接收信号的幅度和/或相位。
10.根据权利要求I所述的方法，其中，所述多端口网络为正交混合器。
11.一种系统,包括 用于通信装置内的一个或多个电路，所述一个或多个电路用于 检测通过多个天线接收的多个信号中每个的相位； 生成多个发送信号，其中，所述多个发送信号中的至少一个的相位基于所接收的信号的至少一个检测相位确定； 分开放大生成的所述多个发送信号中的每个以生成多个放大信号；以及 将多个放大信号输入到多端口网络的多个第一端口，其中，基于输入到所述多个第一端口中至少两个的信号确定所述多端口网络的至少一个第二端口。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述发送信号对应于一个或多个空间流。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，所述一个或多个电路用于使用不同的权重加权与所述发送信号对应的一个或多个空间流中的每个。
14.根据权利要求11所述的方法，其中，所述接收信号穿过所述多端口网络。
15.根据权利要求11所述的方法，其中 所述一个或多个电路包括一个或多个同轴开关；以及 所述一个或多个电路用于基于所述一个或多个同轴开关处的信号检测多个信号中每个的相位。
16.根据权利要求11所述的系统，其中所述一个或多个电路包括一个或多个同轴开关；以及 所述多个放大信号中的至少一个在被输入到所述多端口网络之前穿过所述一个或多个同轴开关。
17.根据权利要求11所述的系统，其中 所述一个或多个电路包括一个或多个方向耦合器以及一个多个相应的发送/接收(T/R)开关；以及 所述一个或多个方向耦合器位于所述多个天线中的一个和一个或多个相应的路径中的一个或多个相应的发送/接收(T/R)开关之间。
18.根据权利要求17所述的系统，其中，所述一个或多个电路用于基于来自所述一个或多个方向耦合器的相应信号测量所述多个放大信号中的每个的相位和/或幅度。
19.根据权利要求17所述的系统，其中，所述一个或多个电路用于使用施加给所述多个方向耦合器中的一个或多个的一个或多个校准信号测量所述接收信号的幅度和/或相位。
20.根据权利要求11所述的系统，其中，所述多端口网络为正交混合器。
全文摘要
本发明提供了通过多端口网络波束形成宽带信号的方法和系统的各方面。在这方面，可检测通过多个天线接收的多个信号，并且可生成多个发送信号，其中，多个发送信号中的至少一个的相位响应于所接收的信号中的至少一个的检测相位。可分开放大产生的多个发送信号中的每个以生成多个放大信号。可将多个放大信号输入到多端口网络的多个第一端口，其中，多端口网络的至少一个第二端口可响应于输入到多个第一端口中的至少两个的信号。
文档编号G01S7/40GK102834731SQ201180018109
公开日2012年12月19日 申请日期2011年2月8日 优先权日2010年2月8日
发明者罗伯特·G·洛伦茨, 贝特朗·M·霍赫瓦尔德 申请人:美国博通公司