用于无线通信系统的可扩展自校准和配置射频头的制作方法
【专利摘要】本发明涉及用于无线通信系统的可扩展自校准和配置射频头。一种方法、一种系统和一种设备，用于实现无线基站中的可扩展的、自校准和配置射频头，该射频头执行用于发射机输出对的相干组合的相位校准。可配置天线校准CAC逻辑通过选择第一配置并且触发使用不同子载波的射频RF发射机的基准信号的发射，来发起用于相干组合的相位校准。CAC逻辑通过将基准信号与校准接收机接收到的相应信号比较而生成相位值的向量。CAC逻辑还通过使相位值归一化来生成用于相干组合的校准系数。此外，使用无源组合器机制来实现相干组合。CAC逻辑通过经由利用校准发射机和校准接收机的第二配置提供校准系数来执行智能天线的校准。
【专利说明】用于无线通信系统的可扩展自校准和配置射频头
[0001]分案说明
[0002]本申请是2010年8月30日向中国知识产权局提交的申请号为201010268865.8、题为“用于无线通信系统的可扩展自校准和配置射频头”的专利申请的分案申请。
【技术领域】
[0003]本发明通常涉及无线传输系统并且具体地涉及无线传输系统中的射频头的校准。【背景技术】
[0004]无线系统有规律地使用智能天线操作来广播独立的射频(RF)信号。然而，这些无线系统在正交频分多址(OFDMA)空中接口上广播组合的信号，可以偶尔组合独立的信号。具体地，无线系统可以在特定的时间间隔中广播独立的信号并且在另一时间间隔期间广播组合的输出信号。常规地，对于独立信号的传输和组合信号的传输，需要分立的校准机制。这些不同的校准机制通常由分立的专用硬件的集合提供。此外，不同天线元件的发射机和接收机支路的RF组件通常具有不同的性质。
[0005]因此，为了支持各种部署选项，许多截然不同的产品变化方案通常用于服务于多个市场。结果，增加了 RF头的复杂性。最后，随着无线基站集成了对增加的服务集合的支持，成本继续逐步升高。
【专利附图】
【附图说明】
[0006]当结合附图阅读时，通过参照下面的说明性实施例的详细描述，将最佳地理解本发明自身及其优点，在附图中:
[0007]图1是根据一个实施例的其中实施本发明的示例性无线基站的框图；
[0008]图2是根据一个实施例的图1的无线基站的射频头的组件和电路的框图；
[0009]图3是根据一个实施例的配置用于相干输出组合的无线基站的塔顶的框图；
[0010]图4是根据一个实施例的配置用于相干输出组合的图1的塔顶的射频头中的闭环增益控制(CLGC)反馈路径和数字预失真(DPD)环路的示意图；
[0011]图5是图示根据一个实施例的执行发射机自适应天线(TxAA)校准的过程的流程图；以及
[0012]图6是图示根据一个实施例的执行用于相干输出组合的发射机天线(TxA)校准的过程的流程图。
[0013]图7是图示根据本发明的一个实施例的射频头的可扩展性的无线通信系统的框图。
[0014]图8是图示根据本发明的另一实施例的射频头的可扩展性的无线通信系统的框图。
【具体实施方式】[0015]说明性实施例提供了一种方法、一种系统和一种设备，用于实现无线基站中的可配置天线校准装置，以对自适应天线进行校准并且执行用于发射机输出对的相干组合的相位校准。可配置天线校准(CAC)逻辑通过选择第一配置并且触发使用不同子载波的射频(RF)发射机的基准信号的传输，来发起用于相干组合的相位校准。CAC逻辑通过将基准信号与校准接收机接收到的相应信号比较而生成幅度值和相位值的向量。CAC逻辑还通过使幅度值和相位值归一化来生成用于相干组合的校准系数。此外，使用无源组合器机制来实现相干组合。CAC逻辑通过经由利用校准发射机和校准接收机的第二配置提供校准系数来执行智能天线的校准。
[0016]在下面的本发明的示例性实施例的详细描述中，充分详细地描述了其中可以实施本发明的特定的示例性实施例，足以使本领域的技术人员能够实施本发明，并且应当理解，在不偏离本发明的精神或范围的情况下，可以利用其他的实施例并且可以进行逻辑、架构、程序、机械、电气以及其他的修改。因此，下面的详细描述不应被认为是限制性的，并且本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
[0017]在附图的描述中，类似的元素被提供与前图中的元素类似的名称和附图标记。在后图利用不同的上下文中的元素或者利用具有不同功能的元素的情况中，元素被提供表示附图编号的不同的前导数字。指配给元素的特定的数字被提供仅用于帮助描述，并非意味着对所描述的实施例的任何限制(结构或功能或者别的方式的限制)。
[0018]应当理解，特定的组件、设备和/或参数名称的使用(诸如这里描述的执行实用程序/逻辑的名称)仅是示例性的，并非意味着对本发明的任何限制。因此可以无限制地通过用于描述这里的组件/设备/参数的不同的名称/术语来实现本发明。对于给定的其中利用术语的上下文，这里利用的每个术语将被给出其最广泛的解释。
[0019]现在参照附图，图1是根据本发明的实施例的无线通信系统100的框图。无线通信系统100实现了基于(但不限于)正交频分复用(OFDM)技术，以及特别地，诸如长期演进方案(LTE)和全球微波接入互操作性(WIMAX)之类的第四代(4G)网络的标准/网络的公共射频头(RF头)的利用。而且，公共射频头可以在多个配置中使用以支持关于WIMAX和LTE的若干所期望的部署选项。无线系统100包括多个移动站(MS) 101?103 (示出了三个)，例如但不限于，蜂窝电话、无线电话、或个人数字助理(PDA)、个人计算机(PC)、或者配备用于无线语音通信的膝上型计算机。在各种无线电技术中，诸如MS 101?103的移动站可以被称为用户设备(UE)、订户站(SS)、接入终端(AT)等。
[0020]多个MS 101?103全部经由包括多个天线的天线阵列107连接到基站105。MS中的一个或多个可以与移动用户/订户关联。因此，在某些情形中，这些MS在这里可以被可互换地称为用户设备、移动用户设备或者用户，如对(一个或多个)设备与设备用户的关联的一般称谓。然而，这些称谓并非限制本发明对未直接与单独用户关联的设备的适用性。基站105在这里还可以被称为接入点(AP)。MS 101?103共同地经由空中接口 104的(复)信道路径“H”将独立信息信号向量(例如，“s”)发射到基站105，该空中接口 104经由天线阵列107将MS 101?103中的每一个连接到基站105。
[0021]BS105包括塔顶106和基带控制器单元(BOT) 117。塔顶106进一步包括天线阵列107和射频(RF)头设备108 (这里被称为“RF头”)，该RF头经由耦合116连接到BCU 117。RF头108中包括数字信号处理器(DSP)/处理器114和至少一个存储器设备109，诸如随机存取存储器(RAM)、动态随机存取存储器(DRAM)和/或只读存储器(ROM)或者它们的等同物，该至少一个存储器设备109耦合到处理器并且维持数据和程序，所述数据和程序可以由关联处理器执行并且允许基站执行用于在通信系统100中操作所需的所有功能。RF头108还包括校准装置115。
[0022]除了上述的系统100的硬件组件之外，本发明的各种特征是经由软件(或固件)代码或逻辑完成/支持的，该软件代码或逻辑存储在至少一个存储器设备109或其他存储设备中并且由DSP/处理器114执行。因此，例如，在至少一个存储器设备109中图示了许多个软件/固件/逻辑/数据组件，其包括可配置天线校准(CAC)实用程序110。再者，至少一个存储器设备109中图示了数据组件，其包括校准系数111、基准信号113以及幅度值和相位值112。在实际的实现方案中，CAC实用程序110可以与校准装置115和基准信号113组合，以提供单个可执行组件，当对应的组合组件由DSP/处理器114执行时，所述单个可执行组件共同地提供每个单独的软件/逻辑组件的各种功能。为了简化，CAC实用程序110被图示和描述为孤立的或分立的软件/固件/逻辑组件，其提供如下文描述的特定功能。
[0023]由CAC实用程序110支持和/或实现的某些功能利用由DSP/处理器114和/或设备硬件执行的处理逻辑来完成该功能的实现。为了简化描述，实现这些各种功能的代码共同体在这里被称为CAC实用程序110。在CAC实用程序110提供的并且对于本发明是特定的软件代码/指令/逻辑中，存在:(a)用于经由可配置天线校准装置执行与基站操作多个水平关联的天线校准的代码/逻辑；(b)用于配置可配置天线校准装置以执行如下操作中的一个或多个的代码/逻辑:(i)自适应天线的幅度和相位校准；以及(ii)用于独立发射机输出的相干组合的天线的相位校准；以及(c)用于在具有无源组合器机制的无线系统中实现用于单独的发射机输出信号的相干组合的有效相位校准的代码/逻辑。根据说明性实施例，当DSP/处理器114执行CAC实用程序110时，基站(BS) 105发起实现以上功能特征以及附加特征/功能的一系列功能过程。在下文中更详细地描述了这些特征/功能。
[0024]本领域的普通技术人员将意识到，图1和其他图中示出的硬件组件和基本配置可以变化。无线通信系统100中的说明性组件不意图进行穷举，而是代表性的，用以突出用于实现本发明的基本组件。例如，作为对所示出的硬件的补充或者替换，可以使用其他的设备/组件。所示出的示例并非意味着对于目前描述的实施例和/或总体发明进行架构的或其他的限制。
[0025]现在参照图1和2，在无线通信系统100中，RF头108的一个或多个接收机，诸如接收机230、232、234和236，经由天线阵列107接收由MS 101?103传送的复信号“x”的向量。信号“X”是在第η个OFDM码元的第k个子载波中接收到的并且通过与共享相同时间-频率资源的L个用户关联的独立衰落信号的叠加而构成。因此，“X”也可以被称为“x[n;k]”。接收到的信号因阵列元件(并且具体地因用于上行链路通信的接收元件)处的噪声(“n(p)”或“η”)而被破坏。在下面的描述中，为了便于注释已省略了索引[n;k]，产生 了等式 “x=Hs+n”。
[0026]频域信道传递函数矩阵“H”由多个MS 101?103的信道向量的集合构成，每个信道向量包含(host)与诸如MS 101的特定用户/MS关联的单个发射机天线和接收机之间的经由天线阵列的频域信道传递因子。不同用户的频域信道传递函数H(k)是不同的信道衰落过程。[0027]类似地，在下行链路上由基站105(例如由基站的多个发射机240、242(示出了两个)中的一个)发射到MS 101~103的信号具有下行链路信道传递函数的分量，以及具有发射机元件处噪声效应的分量。然而，可配置天线校准(CAC)实用程序110经由校准装置115执行天线校准以生成校准系数111。此外，CAC实用程序110将校准系数111应用于经由下行链路无线传输而传送的信号，以补偿RF头中的发射机和接收机对之间的幅度和相位的差。
[0028]现在参照图2，提供了根据本发明的实施例的无线基站105的塔顶106中的RF头108的框图。塔顶106包括耦合到天线阵列107的射频(RF)头108。塔顶106中还包括基带控制器单元(BCU)耦合116 (例如，光纤链路)，其将RF头108连接到基带控制器单元(B⑶)117。天线阵列107包括多个天线201~204 (示出了四个)。RF头108包括收发信机(TRX)核心电路260，其耦合到校准装置115。RF头108进一步包括用于经由空中接口104从MS 101~103接收信号的多个射频(RF)接收机230、232、234、236 (示出了四个)以及用于经由空中接口 104向MS 101~103发射信号的多个RF发射机240、242(示出了两个)。
[0029]多个RF接收机230、232、234、236中的第一接收机(Rxl) 230经由RF头108的多个接收机输入/输出端口 206、207(示出了两个)中的第一接收机输入/输出端口(Rx I/0)206耦合到天线阵列107的多个天线201~204中的第一接收天线201。多个RF接收机230、232、234、236中的第二接收机(Rx2)232经由RF头108的多个接收机输入/输出端口 206、207中的第二接收机输入/输出端口(Rx 1/02) 20 7耦合到天线阵列107的多个天线201~204中的第二接收天线202。多个RF接收机230、232、234、236中的第三接收机(Rx3)234经由(从天线移动到接收机)RF头108的多个发射机/接收机输入/输出端口 208、209(示出了两个)中的第一发射机/接收机输入/输出端口(TRx 1/0^208、可调谐滤波器214、第二耦合器电路217 (诸如包括多个定向耦合器的电路)和第一循环器218，而耦合到天线阵列107的多个天线201~204中的第一发射机/接收机或收发信机的天线203。并且，多个RF接收机230`、232、234、236中的第四接收机(Rx4)236经由(从天线移动到接收机)RF头108的多个发射机/接收机输入/输出端口 208、209中的第二发射机/接收机输入/输出端口(TRx 1/02) 209、可调谐滤波器214、第二耦合器电路217和第二循环器220，而耦合到天线阵列107的多个天线201~204中的第二发射机/接收机或收发信机的天线204。每个RF接收机230、232、234、236和天线阵列107的对应天线之间的路径，或者至少在RF接收机和多个输入/输出端口 206~210中对应输入/输出端口之间的接收机从空中接口 104接收信号所经由的路径，在这里可以被称为基站105和/或RF头108的“接收机路径”或者“接收机支路”。类似地，每个RF发射机240、242和天线阵列107的对应天线之间的路径，或者至少在RF发射机和多个输入/输出端口 206~210中对应输入/输出端口之间的发射机向空中接口 104传送信号所经由的路径，在这里可以被称为基站105和/或RF头108的“发射机路径”或者“发射机支路”。
[0030]多个RF发射机240、242中的第一发射机(Txl) 240经由(从发射机移动到天线)第一耦合器电路216 (诸如包括多个定向耦合器的电路)、第一循环器218、第二耦合器电路217、可调谐滤波器214和第一发射机/接收机输入/输出端口(TRx 1/(^)208耦合到天线阵列107的多个天线201~204中的第一发射机/接收机或收发信机的天线203。并且，多个RF发射机240、242中的第二发射机(Txl)242经由(从发射机移动到天线)第一耦合器电路216、第二循环器220、第二耦合器电路217、可调谐滤波器214和第二发射机/接收机输入/输出端口(TRx 1/02) 209耦合到天线阵列107的多个天线201?204中的第二发射机/接收机或收发信机的天线204。
[0031]由于天线201和202以及Rx I/O 206和207在这里仅耦合到RF接收机，即分别耦合到RF接收机230和232，并且因此在这里用于从空中接口 104接收信号，因此它们在这里被称为接收天线和接收机输入/输出端口。并且，由于天线203和204以及输入/输出端口 208和209在这里耦合到RF接收机和RF发射机，即耦合到RF接收机234和236以及RF发射机240和242，并且在这里用于从空中接口 104接收信号并且在空中接口上发射信号，因此它们在这里被称为发射机/接收机天线和发射机/接收机输入/输出端口。第一循环器218将在第一发射机/接收机输入/输出端口 208处接收到的入站信号路由到第三RF接收机234并且将第一 RF发射机240发射的出站信号路由到发射机/接收机输入/输出端口 208。类似地，第二循环器220将在第二发射机/接收机输入/输出端口 209处接收到的入站信号路由到第四RF接收机236并且将第二 RF发射机242发射的出站信号路由到发射机/接收机输入/输出端口 209。
[0032]TRX核心电路260包括耦合到至少一个存储器设备109的DSP/处理器114。至少一个存储器设备109维持校准系数111和基准信号113、校准表格/功率规范264、幅度值和相位值112和可配置天线校准(CAC)实用程序110。在一个实施例中，至少一个存储器设备109和/或至少一个存储器设备的一些组件(例如，校准系数111和基准信号113)实际上可以位于B⑶117中或者位于B⑶117中的存储器中。校准装置115包括校准发射机(Txcal) 250和校准接收机(Rx cal) 252 (尽管出于说明性的目的，Tx cal 250和Rx cal 252被示出在图2中的校准装置115的外面)。校准装置115进一步包括配置选择装置/子电路262。处理器114和至少一个存储器设备109还耦合到功率和噪声控制子电路212的集合。功率和噪声控制子电路212包括闭环增益控制(CLGC)子电路和数字预失真器(DB))子电路。处理器114和至少一个存储器设备109还耦合到控制经由多个收发信机输入/输出端口 208、209的信号的输入/输出的TRX控制器/可调谐滤波器214。
[0033]校准接收机252是专用于通过接收校准基准信号来执行RF头108的发射支路(即RF发射机240和242)的校准的接收机，该校准基准信号由RF发射机源发(source)并且经由第一耦合器电路216耦合到校准接收机252。
[0034]校准发射机250是专用于执行RF头108的接收支路(即RF接收机230、232、234、236)的校准的发射机。校准发射机250经由第一开关电路222向第一和第二RF接收机230、232中的每一个源发校准基准信号。第一开关电路222耦合到校准发射机和RF接收机中的每一个并且提供用于在校准发射机和RF接收机之间路由信号。校准发射机250还经由第一开关电路222、耦合到第一开关电路的第二开关电路224、第二耦合器电路217 (其耦合到第二开关电路224)和第一循环器218向第三RF接收机234源发校准基准信号。类似地，校准发射机250经由第一开关电路222、第二开关电路224、第二耦合器电路217和第二循环器220向第四RF接收机236源发校准基准信号。然而，在本发明的另一实施例中，多个RF发射机240、242中的一个可以分别经由第一耦合器电路216以及循环器218和220向RF接收机234和236中的每一个源发校准基准信号，并且可以经由第一耦合器电路216、第一循环器218、第二耦合器电路217、第二开关电路224和第一开关电路222向RF接收机230和232中的每一个源发校准基准信号。每个开关电路222、224耦合到处理器114并且由处理器114控制，并且包括一个或多个开关，这些开关促进了向和从耦合到开关电路的RF头108的多个组件的信号路由。
[0035]RF头108进一步包括校准扩充输入/输出端口 210，其经由开关电路224和开关电路222耦合到校准发射机250。校准扩充输入/输出端口 210促进了 RF头108将由校准发射机250源发的校准信号提供给另一 RF头，用于在校准另一 RF头的接收支路时使用。校准扩充输入/输出端口 210还促进了 RF头108从另一 RF头接收由另一 RF头的校准发射机源发的校准信号，用于在校准RF头108的接收支路时使用。因此校准扩充输入/输出端口 210促进了多个RF头之间的诸如校准发射机250的校准发射机的共享，消除了对每个该RF头中的校准发射机的需要并且由此降低了 RF头的成本。
[0036]分集接入点(DAP)是并入了高的发射机输出功率和自适应天线选项的宽带时分双工(TDD)接入点系统。在无线系统100中，可配置天线校准(CAC)实用程序110经由配置选择装置262配置校准装置115，以执行发射自适应天线(TxAA)校准。校准装置115包括特定于各种配置的子电路和校准选择子电路(例如，配置选择装置262)，用于实现针对特定于相应配置的电路路径的选择和对应的信号接入。
[0037]发射自适应天线(TxAA)校准是如下过程，通过该过程，每个收发信机(TRX)(即关于发射机和接收机对)的发射机和接收机路径的差异被计入数字域中的校准过程中。自适应天线是一种类型的智能天线。由于自适应天线通过针对给定时间的业务方向图(trafficpattern)以及终端用户位置(波束成形)和抗干扰性(调零)(null steering)进行调整以提高信号强度和质量，较之传统天线有所改进，因此自适应天线被称为“智能的”。为了针对频率和信道使用进行调整并且为了自适应地对天线方向图整形，自适应天线使用多个天线。发射天线校准(TxA)在这里可以用于表示可能不牵涉自适应/智能天线的更一般形式的天线校准。
[0038]例如，TxA校准可以牵涉用于发射作为单个高功率输出的组合RF信号的天线。CAC实用程序110触发TxAA校准，以确保当执行“波束成形”、“波束整形”或“调零”时考虑第一 TRX路径和第二 TRX路径之间的幅度和相位的差。结果，来自诸如RF发射机240和242的多个RF发射机的信号能够被相干地和智能地(在空中)组合以实现“波束成形”或“调零”。CAC实用程序110分别经由多个配置发起各种操作水平的天线校准。取决于CAC实用程序110选择的配置，天线校准可以使用校准发射机250，其是专用的并且是分立于多个射频(RF)发射机240、242的发射机。此外，校准过程可以在各种配置中利用专用校准接收机252。然而，这里提供/描述的功能同样适用于不需要校准发射机或校准接收机功能的TxAA校准过程。
[0039]CAC实用程序110通过发起接收支路校准过程来发起TxAA校准过程。CAC实用程序110触发校准发射机250 (或者RF发射机240、242中的一个)发射包括一个或多个码元(例如，基准信号113)的已知序列。公共已知的信号耦合到多个RF接收机230、232、234、236中的每一个中。多个RF接收机230、232、234、236中的每一个对接收到的校准信号解调，并且在多个接收机230、232、234、236对信号解调之后，由TRX核心/电路260(并且更具体地由处理器114)确定每个接收路径(即多个RF接收机230、232、234、236中的每一个)的接收码元的幅度值和相位值，并且其被存储为幅度值和相位值112。
[0040]CAC实用程序110还通过触发多个RF发射机240、242中的每一个使用不同的子载波发射包括一个或多个码元的已知/基准序列来发起发射支路校准过程。CAC实用程序110可以发起从多个RF发射机240、242的同时信号传输或顺序信号传输。包括闭环增益控制(CLGC)子电路和数字预失真器(TOP)子电路的功率和噪声控制子电路212提供(a)基于前导信号功率的振幅调整和(b)对RF功率放大器失真的补偿。发射支路校准过程中由每个RF发射机240、242发射的序列被耦合到校准接收机252中。校准接收机252检测信号并且对检测到的信号解调。TRX核心/电路260 (并且更具体地处理器114)将每个检测到的和解调的信号与发射的已知/基准序列比较，以确定与每个RF发射机240、222关联的第二集合的已知码元的幅度值和相位值，该确定的第二集合的幅度值和相位值也被存储为幅度值和相位值112。
[0041]使所记录的与多个RF发射机240、242中的每一个关联的幅度值和相位值除以所记录的与多个RF接收机230、232、234、236中的每一个关联的幅度和相位，以产生TRX幅度变化量和相位变化量的向量。然而，该向量还包含来自该校准发射机/接收机(TRX)过程的噪声效应。由于这些噪声效应对于所有码元是共同的，因此CAC实用程序110使该向量相对于向量中的第一元素归一化。因此，第一 TRX元素(即，向量的第一元素，该元素与RF发射机/RF接收机对关联)具有OdB和O相位的TxAA校准系数。通过使向量的元素归一化，去除了来自校准过程的噪声效应。剩余的校准系数是每个校准TRX相对于第一校准TRX系数的幅度变化量和相位变化量。作为用于对其他校准TRX归一化的基础的第一校准TRX的使用是任意的。在一个实施例中，CAC实用程序110可以利用某种重复和平均规程来去除短期幅度误差和相位误差的效应(例如，由本地振荡器(LO)相位噪声引起的效应)。
[0042]智能天线系统使用每个天线上的接收信号来估计信道，并且据此对去往每个发射机的信号“加权”，以便于将“波束整形”回到移动站。然而，可以通过如上文所述确定的TxAA/TxA校准系数来调整发射信号上的权重，以考虑BS105中的每个RF发射机/RF接收机对的幅度和相位的差。
[0043]在本发明的另一实施例中，校准装置115可以提供仅校准与RF发射机240、222关联的发射路径的配置过程(即，TxA校准过程)，以使只有发射机的幅度值/变化量和相位值/变化量最小(即，与上文讨论的发射机和接收机变化量的情况形成对比)。结果，CAC实用程序110可以使用TxAA校准过程的子集(即，经修改的TxAA/TxA校准过程)。此外，CAC实用程序110可以经由校准装置115利用另外的逻辑或固件代码。该修改的过程使用接收机，优选地使用校准接收机252 (尽管可以使用RF接收机230、232、234、236中的任何接收机)，用于仅测量多个RF发射机240、242之间的幅度和相位的差，针对RF发射机中的一个使其归一化。还可以按规则的时间间隔重复该过程，如同针对TxAA校准过程所做的。图3中描述了只有发射机的校准。
[0044]图3是根据本发明的另一实施例的无线基站105的塔顶106中的射频头108的框图表示。塔顶106包括耦合到天线阵列107的射频(RF)头108。然而，除了关于图2描述的组件之外，如图3中示出的塔顶106还包括无源组合器电路301，其包括耦合到循环器302的组合器304。组合器304耦合到发射机/接收机输入/输出端口 208和209中的每一个，并且由此耦合到RF发射机240、242，并且循环器302耦合到接收输入/输出端口 207和天线202。然而，在RF头108的该实施例中，校准接收机252还可选地经由开关电路222和224中的一个或多个耦合到接收输入/输出端口 207。
[0045]组合器304优选地利用无源组件(例如，电阻器、电容器、电感器等)将多个RF发射机240、242中的每一个输出的信号组合为单个输出信号,该信号随后经由循环器302和接收输入/输出端口 207被路由到校准接收机252。结果，组合器电路301通过将单独的发射机输出信号组合为单个输出信号而支持时分双工(TDD)长期演进(LTE)标准，并且较之有源组合器是更廉价的并且确保了更高的稳定性和线性。因此，组合器电路301导致了不需要大量工厂校准的功率组合方案。组合器电路301是可以经由校准装置115/配置选择装置262接入的电路路径的组件。RF头108通过使用不具有反馈机制的无源组合器301向TRX提供输出组合。可配置天线校准(CAC)实用程序110配置校准装置115以执行校准，以便于实现将多个信号相干组合为单个输出信号。被配置用于相干输出组合的系统不太可能使用智能/自适应天线。而且，相比于针对智能/自适应天线执行的对发射机加权以使发射机(Tx)和接收机(Rx)路径差的最小的情况，对发射机加权以使只有发射误差最小导致了不同的权重。然而，在一个实施例中，CAC实用程序110可以在相同的无线基站中使用用于智能天线系统和相干组合系统的天线校准的组合。
[0046]CAC实用程序110通过触发多个RF发射机240、242中的每一个发射已知信号来发起TxA校准。包括闭环增益控制(CLGC)子电路和数字预失真器(DPD)子电路的功率和噪声控制子电路212分别提供(a)基于前导信号功率的振幅调整和(b)对RF功率放大器失真的补偿。校准接收机252接收每个发射信号并且如上文所述通过参照接收信号中的一个，基于用作用于归一化目的的基准信号的接收信号对每个子载波的相位进行适当的调整，从而使每个接收信号的幅度和相位归一化。使用/控制跨越信道的若干子载波的幅度和相位来执行该TxA校准，并且如果发射机改变了信道则重复该TxA校准。
[0047]图4是根据本发明的实施例的塔顶106的RF头108的CLGC反馈路径和数字预失真器(DPD)环路的示意图。如图4中所示，塔顶106包括RF头108和组合器301。RF头108包括由第一 Txl240和第二 Tx2242图示的示例性分集接入点(DAP)发射机对(未明确示出接收机)。RF头108还包括与每个RF发射机240、242关联的DTO控制(一个或多个)环路/接收机405和CLGC反馈路径406。此外，RF头108包括定向耦合器/耦合路径414、校准Tx模块250和校准Rx模块252。在RF头108中还包括DSP/处理器114。此外，RF头108包括可调谐发射滤波器，其包括第一 Tx滤波器404和第二 Tx滤波器407。
[0048]通过将组合器301耦合到恰好位于多个TRX输出(例如，TrX3208和TrX4209)的N型连接器之前的点来实现用于相干组合的幅度和相位校准。因此，幅度和相位校准影响了正好在RF头108的发射机输出处的每个发射机的相位。结果，避免了后耦合器的幅度和相位的误差或者使其最小。
[0049]当CAC实用程序110发起用于相干输出组合的幅度和相位校准时，与每个RF发射机240、242关联的CLGC反馈路径406测量由每个发射机240、242输出的基准信号的功率。通过使用RF头108中包括的前导检测器(未示出)观察发射机输出的前导码元的信号功率水平来测量发射机输出功率。前导检测器包括用于检测前导码元信号功率水平的对数检测器电路和用于量化检测到的信号功率水平的模数转换器(ADC)。CAC实用程序110随后将ADC输出的量化信号功率水平与检测器校准目标值比较。因此，当前导检测器输出等于目标值时，在对应的发射机数据猝发期间发射机信号功率基本上提供了满额定功率下的所有码兀的传输。
[0050]每个CLGC反馈路径406检测到的前导码元幅度不受数据码元的幅度或相位的影响。因此，如果TxA校准对例如Txl 240的第一 RF发射机的一些或所有数据码元进行调整以便于使第一发射机针对例如Tx2 242的另一 RF发射机的幅度和/或相位归一化，则每个RF发射机的前导码元不受影响。CLGC反馈路径406继续监视前导码元并且用于使前导的功率水平保持等于目标检测器校准值。
[0051]与每个RF发射机240、242关联的(一个或多个)数字预失真(DPD)环路/接收机405校正由对应的发射机引入的RF功率放大器(PA)失真。DH)控制环路/接收机405检测并解调由对应RF发射机输出的信号，将检测到的和解调的信号与理想信号比较，并且将校正应用于输入到对应的RF发射机中的预失真信号，从而在引入PA失真之后，发射机输出更紧密地与理想信号匹配。因此，在每个RF发射机路径上，显著地减少了来自PA失真的频谱再生(频谱屏蔽)并且使带内失真最小。特别是在使用信道滤波器时，单独的发射机信号通过了频谱屏蔽和宽带噪声规范。当RF头108的诸如发射机240、242的两个RF发射机(每个均具有独立的队列和DH)环路405)输出的信号在DH)环路405外面被相干组合时，载波-噪声比不会劣化并且可以指示可测量的改进。由于分集接入点(DAP)RF发射机支路/队列具有分立的本地振荡器(LO)和分立的增益级，因此这些RF发射机队列是不相关的。因此，在信号组合期间，由于每个发射机支路的噪声是不相关的，因此这些噪声不会相干地相加以提供任何实质的噪声增益。
[0052]给定CLGC反馈路径406的绝对输出功率精度性能和组合单独的发射机信号时获得的预期功率水平，天线校准的进一步振幅调整未提供显著的影响。而且，CLGC反馈路径406和DH)控制环路405的功率调整基本上提供了用于相干组合的所需幅度对准。此外，相位调整较之幅度调整提供了对组合输出功率的基本上更大的影响。
[0053]结果，CAC实用程序110在不是唯一取决于RF头中组件的特定配置的情况下执行用于相干组合的天线校准，以针对RF头中的RF发射机之间的功率/振幅的差进行调整。在一个实施例中，CAC实用程序110允许与每个RF发射机关联的单独的功率控制机制(例如，CLGC反馈路径406和DH)控制环路/接收机405)基本上控制每个发射机支路的振幅。在另一实施例中，CAC实用程序110允许单独的功率控制机制和天线校准规程，以在控制每个发射机支路的振幅时共享。再者，尽管幅度差趋向于比相位差对结果的影响小，但是与这里描述的TxA校准过程的使用关联的功能并未被排除用于对振幅差进行归一化。
[0054]CAC实用程序110提供了如下配置，该配置通过将基准信号的码元/子载波的理想相位与每个发射机的码元/子载波的实际相位比较，来唯一地执行发射机的相位校准。由于包括校准接收机的相位影响，因此CAC实用程序110未获得来自任何发射机的绝对相位影响。然而，CAC实用程序110获得一个发射机的相位和另一发射机的相位之间的差(即，出于特定的另一发射机的相位角度的发射机的相对相位影响/值)。发射机的相对相位影响可以用于调整单独子载波的相应相位，以与另一发射机的相位匹配。在发射机的相位校准期间，CAC实用程序110通过针对选定的发射机的相位值使对应发射机的相对相位值归一化来生成校准系数。
[0055]如上文所述，RF头108可以使用功率检测器子电路来向相干组合和关联的天线校准提供进一步的精度。功率检测器装置可以与相位和/或振幅不平衡校准配置一同使用，以使因发射机的相位和/或振幅不平衡引起的组合误差最小。因此，CAC实用程序110可以通过特定的配置执行天线校准，该特定配置主要是通过软件和/或固件代码实现/促进的。
[0056]图5和6是图示由无线基站105 (并且具体地RF头108)执行上文的说明性实施例的过程的方法的流程图。具体地，图5图示了根据本发明的实施例的执行发射机自适应天线(TxAA)校准的过程。尽管图5和6中图示的方法是参照图1?4中示出的组件描述的，但是应当理解，这仅出于便利的目的并且当实现各种方法时可以使用其可替选的组件和/或配置。这些方法的关键部分可以由CAC实用程序110完成，该CAC实用程序110在RF头108中的DSP/处理器114 (图1)上执行并且控制RF头108的/RF头108上的特定操作，并且因此出于CAC实用程序110和RF头108中的一个或两者的角度而描述这些方法。
[0057]图5的过程开始于始发框502并且前往框504，其中可配置天线校准(CAC)实用程序110选择校准配置。在框506中，CAC实用程序110触发TxAA校准发射机250对第一基准信号的传输。在框508中，信号由多个RF接收机230、232接收(即耦合到多个RF接收机230、232中)。在框510中，由对应的RF接收机对每个接收到的信号解调。如框512中所示，基于分别接收的信号，CAC实用程序110确定和记录关于每个RF接收机230、232的接收到的码元的幅度和相位。如框514中所示，CAC实用程序110触发多个RF发射机240、242中每一个对第二基准信号的传输，每个RF发射机240、242使用不同的子载波。在框516中，TxAA校准接收机252接收所发射的信号，并且在框518中，对接收到的信号解调。在框520中，CAC实用程序110通过将接收到的信号与第二基准信号比较来确定来自每个RF发射机240、242的已知码元的幅度和相位。
[0058]在框522中，CAC实用程序110通过使由校准接收机252接收到的RF发射机的码元幅度和相位除以由RF接收机230、232接收到的/与RF接收机230、232相对应的码元幅度和相位，来获得TRX幅度变化量和相位变化量的向量。如框524中所示，CAC实用程序110通过使TRX幅度变化量和相位变化量的向量归一化而获得校准系数，用以从校准过程/收发信机去除幅度和相位的效应。
[0059]当CAC实用程序110和智能/自适应天线系统使用在每个天线上从移动用户/无线通信设备接收到的信号来估计移动信道时，CAC实用程序110获得第一集合的权重，所述权重最终用于执行从每个相应RF发射机230、232回到移动用户/无线通信设备的“波束整形”或“波束形成”。CAC实用程序110通过利用TxAA校准系数调整第一集合的权重以考虑基站105中每个RF接收机/RF发射机对的幅度和相位的差，来获得增强集合的波束整形权重。CAC实用程序110据此将增强集合的波束整形权重应用于去往每个RF发射机的信号，用以对回到移动站的波束进行整形。图5的流程图图示的过程结束于框526。
[0060]图6的流程图图示了根据本发明的实施例的用于执行用于相干输出组合的发射机天线(TxA)校准的过程。图6的过程开始于始发框602并且前往框604，其中可配置天线校准(CAC)实用程序110选择用于执行用于相干输出组合的TxA校准的配置。在框606中，CAC实用程序110触发由多个RF发射机240、242对基准信号的传输，每个RF发射机240、242使用不同的子载波。在框608中，功率/噪声控制电路执行幅度平衡。如框610中所示，由校准接收机252接收所发射的信号。在框612中，校准接收机252对接收到的信号解调。在框614中，CAC实用程序110通过将接收到的码元/信号与基准信号比较来确定来自每个RF发射机240、242的检测到的信号/码元的幅度和相位值。
[0061]如框616中所示，CAC实用程序110通过使发射机(Tx)幅度值和相位值的向量归一化而获得校准系数，用以去除来自校准过程/收发信机的相位效应。图6的流程图图示的过程结束于框618。
[0062]所描述的实施例在无线基站的射频(RF)头中提供了 CAC逻辑，该CAC逻辑:从如下配置中自动地选择用于执行天线校准的校准配置:(a)用于自适应天线的幅度和相位校准的第一配置；和(b)用于独立发射机输出的相干组合所利用的天线幅度和相位校准的第二配置。CAC逻辑经由选定的校准配置生成校准系数。当选择第二配置时，CAC逻辑通过无源组合器机制提供用于单独发射机输出信号的相干组合的有效相位校准，该无源组合器机制耦合到RF头。CAC逻辑经由单独的功率控制机制控制RF头中的发射机信号的振幅。
[0063]此外，当选择第一配置时，CAC逻辑经由自适应天线实现了调零和波束整形，即波束成形。调零和波束整形实现了接收设备方向上的高功率输出信号的传输。当选择第二配置时，CAC逻辑也通过使用对应的校准系数经由相干组合所利用的天线实现了调零和波束整形。
[0064]如上文提及的，RF头108包括校准扩充输入/输出端口 210，其促进了 RF头108将由校准发射机250源发的校准信号提供给另一 RF头，用于在校准另一 RF头的接收支路时使用，并且进一步促进了 RF头108从另一 RF头接收由另一 RF头的校准发射机源发的校准信号，用于在校准RF头108的接收支路时使用。现在参照图7，提供了图示根据本发明的实施例的RF头108的可扩展性的无线通信系统700的框图。图7示出了两个RF头，即第一 RF头(如上文所述的RF头108)和第二 RF头720。RF头720具有与RF头108相同的组件，包括第一和第二接收机输入/输出端口 706、707，第一和第二发射机/接收机输入/输出端口 708、709，和校准扩充输入/输出端口 710。然而，RF头720可以包括或可以不包括校准发射机。
[0065]也就是说，RF头720经由RF头108的校准扩充输入/输出端口 210和RF头720的校准扩充输入/输出端口 710耦合到RF头108。因此校准扩充输入/输出端口 710经由校准扩充输入/输出端口 210和710从RF头108的校准发射机250接收校准基准信号。RF头720随后可以使用从校准发射机250接收到的校准基准信号来对RF头720的多个RF接收机中的每一个(对应于RF头108的RF接收机230、232、234和236)进行校准。尽管图7中仅示出了两个RF头108、720，但是本领域的普通技术人员应认识到，任何数目的RF头可以经由它们相应的校准扩充输入/输出端口耦合到RF头108，允许RF头108 (具体地校准发射机250)用作每个此类RF头的校准基准信号源。因此这里示出的RF头的可扩展本质可以通过减少对每个和各个RF头中的校准发射机的需要来产生成本节约。
[0066]现在参照图8，提供了图示根据本发明的另一实施例的RF头108的可扩展性的无线通信系统800的框图。图8描绘了两个RF头，即，第一 RF头(如上文所述的RF头108)和第二 RF头820。RF头820具有与RF头108相同的组件，包括第一和第二接收机输入/输出端口 806、807，第一和第二发射机/接收机输入/输出端口 808、809，和校准扩充输入/输出端口 810。此外，RF头108和RF头280中的每一个耦合到相应的无源组合器电路830、840。每个组合器电路830、840包括耦合到相应循环器832、842的相应组合器834、844。组合器834、844中的每一个耦合到它们相应RF头108、820的发射机/接收机输入/输出端口并且组合从这些输入/输出端口接收到的信号。就是说，组合器834耦合到RF头108的第一和第二发射机/接收机输入/输出端口 208、209，并且组合器844耦合到RF头820的第一和第二发射机/接收机输入/输出端口 808、809。循环器832和842中的每一个I禹合到相应的组合器834、844并且耦合到它们相应的RF头108、820的接收机输入/输出端口。例如，如图8中所示，循环器832耦合到接收机输入/输出端口 207并且循环器832耦合到接收机输入/输出端口 807。每个组合器830、840进一步经由它们相应的组合器832、842耦合到天线阵列107的天线202、204，因此允许在每个RF头的多个发射机/接收机输入/输出端口处接收到的信号被组合并且被路由到单个天线。因此通信系统800不仅提供通过使用如上文关于图3描述的组合器电路而促进的校准益处，而且通信系统800进一步提供多个RF头的天线阵列107的天线的非重叠共享。
[0067]在上文的流程图中，可以在包含计算机可读代码的计算机可读介质中实施一个或多个方法，使得当在计算设备上(由处理单元)执行该计算机可读代码时执行一系列步骤。在一些实施方式中，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，这些方法的某些过程被组合，被同时地或者按照不同的顺序执行，或者可能被省略。因此，尽管按照特定的顺序描述和图示了方法过程，但是过程的特定顺序的使用并非意味着对本发明的任何限制。在不偏离本发明的精神或范围的情况下，可以对过程的顺序进行改变。因此特定顺序的使用不应被认为限制性的，并且本发明的范围延伸到本发明所附权利要求及其等同物。
[0068]如本领域的技术人员将意识到，本发明可以被实施为一种方法、系统和/或设备。因此，本发明可以采取全硬件实施例、全软件实施例(包括固件、常驻软件、微代码等)或者组合软件和硬件方面的实施例(其在这里通常均可以被称为“电路”、“模块”、“逻辑”或“系统”)的形式。
[0069]如将进一步意识到的，可以使用软件、固件、微代码或硬件的任何组合来实现本发明的实施例中的过程。作为在软件中实施本发明的准备步骤，编程代码(软件或固件)将典型地被存储在一个或多个机器可读存储介质中，诸如固定(硬)驱动器，磁碟，磁盘，光盘，磁带，诸如RAM、ROM、PROM的半导体存储器等，由此实现根据本发明的制品。通过执行直接来自存储设备的代码，通过将代码从存储设备复制到诸如硬盘、RAM等的另一存储设备中，或者通过使用诸如数字和模拟通信链路的传输类型介质来发射代码用于远程执行，来使用包含编程代码的制品。该介质可以是电子、磁、光、电磁、红外或半导体系统(或装备或设备)或者传播介质。此外，该介质可以是可以包含、存储、传递、传播或者输送由执行系统、装备或设备使用或者结合其使用的程序的任何装备。通过使包含根据所述实施例的代码的一个或多个机器可读存储设备与适当的处理硬件组合以执行其中包含的代码，可以实施本发明的方法。用于实施本发明的装备可以是一个或多个处理设备和存储系统，其包含或具有(经由服务器)针对根据本发明编码的程序的网络接入。通常，术语计算机、计算机系统或者数据处理系统可以被广泛地定义为涵盖具有执行来自存储器介质的指令/代码的处理器(或者处理单元)的任何设备。
[0070]因此，重要的是，尽管在具有安装(或执行)软件的全功能无线通信系统的上下文中描述了本发明的说明性实施例，但是本领域的技术人员将意识到，本发明的说明性实施例的软件方面能够作为制品分送，该制品包括记录在一个或多个形式的介质上或者经由其分送的可执行代码。
[0071]尽管通过参照示例性实施例描述了本发明，但是本领域的技术人员将理解，在不偏离本发明的范围的情况下，可以进行各种改变，并且可以使用等同物替换其元素。此外，在不偏离本发明的基本范围的情况下，可以进行许多修改以使其特定的系统、设备或组件适应本发明的教导。因此，本发明不应限于用于实现本发明而公开的特定实施例，本发明将包括落入所附权利要求范围内的所有实施例。而且，术语第一、第二等的使用并非表示任何顺序或重要性，而是，术语第一、第二等用于使一个元素区别于另一元素。
【权利要求】
1.一种无线通信系统，包括: 第一射频RF头设备，包括: 多个输入/输出端口，其中所述多个输入/输出端口中的一输入/输出端口是校准扩充输入/输出端口 ；以及 校准发射机，所述校准发射机能够耦合到所述校准扩充输入/输出端口并且源发校准基准信号； 第二 RF头设备，所述第二 RF头设备包括多个输入/输出端口，其中所述多个输入/输出端口中的一输入/输出端口是校准扩充输入/输出端口；以及 其中所述第一 RF头设备的所述校准扩充输入/输出端口耦合到所述第二 RF头设备的所述校准扩充输入/输出端口，以及其中所述第一 RF头设备的所述校准发射机经由所述第一 RF头设备和所述第二 RF头设备的所述校准扩充输入/输出端口向所述第二 RF头设备源发所述校准基准信号。
2.如权利要求1所述的无线通信系统，其中所述第二RF头设备包括多个RF接收机，以及其中所述第二 RF头设备基于由所述第一 RF头设备的所述校准发射机源发的所述校准基准信号来校准与所述多个RF接收机中每个RF接收机关联的接收支路。
【文档编号】H04B1/12GK103490789SQ201310343905
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2010年8月30日 优先权日:2009年8月31日
【发明者】托马斯·J·孔德曼, 格里高利·T·纳什, 阿伦·W·内特塞尔, 托马斯·J·科瓦里克 申请人:摩托罗拉移动公司