有源天线阵列以及用于有源天线阵列校准的方法

专利名称：有源天线阵列以及用于有源天线阵列校准的方法
技术领域：
本发明的领域涉及一种有源天线阵列以及一种用于有源天线阵列校准的方法。
背景技术：
在过去二十年移动通信网络的使用已经增加。移动通信网络的运营商已经增加了基站的数量以满足移动通信网络的用户对服务的日益增长的需求。移动通信网络的运营商希望降低基站的运营成本。做这个工作的一个选择是将无线电系统实施为形成有源天线阵列的天线嵌入无线电。天线嵌入无线电的许多部件可以实施在一个或更多芯片上。在天线嵌入无线电中的多接收路径需要在接收路径上行进的信号的相位、延迟、幅度方面进行同步。建立在信号的相位、延迟和幅度方面的变化的已知技术包括将称为探测信号的已知信号注入到一个或更多接收路径中，并且基于探测信号与接收信号的比较， 可以估算在接收路径中的信号的相位、延迟和幅度变化。这样允许通过产生准备应用到沿着多个接收路径接收的接收信号的校正系数来校准接收路径。探测信号可以具有在载波信号频谱中的相同频率或者不同于载波信号频谱的频率。在第一种情况中(探测信号的频率在载波信号频谱中)，必须正确地调整探测信号的功率。如果探测信号的功率太高，那么载波信号的质量会降低。另一方面，如果探测信号的功率太低，那么相位、延迟和幅度变化的测量值的质量会太低。如果探测信号定位在不同于载波信号频谱的频谱中，那么在接收路径中的模拟接收滤波器的频率和相位响应在不同频率处可以稍微不同。这样表示，在探测信号的频率处测量的信号的相位、延迟和幅度的测量结果会稍微不同于在载波信号的频率处测量的信号的相位、延迟和幅度的测量结果。此外，必须保证探测信号的频率不同于可以在天线嵌入无线电处测量的其他载波信号的任何频率。还具有风险，在天线嵌入无线电中的拦截器可以拦截某些频带，并且因此影响误差测量的质量。最后探测信号会非故意地被从接收天线传播，并且然后可以在另一个(未连接的)接收器的接收端口处探测到，其会违反规则。另一个已知解决方案是使用宽带频谱，例如扩展频谱，探测信号靠近或者低于载波信号的噪声基底。为了避开拦截器，需要有极其长的探测信号扩展码以便具有足够的扩频增益。

发明内容
本发明的有源天线阵列包括多个接收路径，用于产生探测信号的控制单元，以及用于将所述探测信号耦合到所述多个接收路径的至少一个的耦合器。至少一个开关设置在所述多个接收路径的其中一个中，用于在其中一个接收器与校准单元之间切换所述多个接收路径的所述一个。该开关允许所述探测信号通过所述接收路径每个以使得能够分开地校准所述接收路径。在本发明的一个方面中，所述有源天线阵列包括功率计，用于监视在所述多个接收路径的至少一个上的接收信号的平均功率。这样允许所述探测信号的功率保持在不干扰所述接收信号的水平。所述有源天线阵列可以还包括功率控制，用于产生功率偏置信号并且将所述功率偏置信号叠加到所述探测信号。本发明还教导一种用于校准有源天线阵列的方法，其包括产生初始探测信号，将所述初始探测信号耦合到多个接收路径的至少一个以产生调节了的探测信号并且将所述调节了的探测信号与所述初始探测信号比较，从而产生校正系数。所述校正系数可以在数字信号处理器中应用到所述接收信号以校正沿着所述各个接收路径的相位、延迟和幅度的变化。所述方法可以还包括测量在所述多个接收路径的至少一个上的接收信号的功率，并且将偏置功率信号叠加到所述初始探测信号。所述调节了的探测信号与所述初始探测信号的比较包括存储所述初始探测信号的初始值以及存储所述调节了的探测信号的调节值并且将所述初始值与调节值比较。


图I表示使用用于校准单个信号接收路径的系统的有源天线阵列的实例。图2表示使用于校准单个接收路径的方法的概图。图3表示有源天线阵列的另一个方面。
具体实施例方式现在将在附图的基础上描述本发明。可以理解，本文描述的本发明的实施例和方面仅为示例并且不以任何方式限制权利要求的保护范围。本发明由权利要求以及它们的等同物限定。可以理解，本发明的一个方面或实施例的特征可以与本发明的不同方面和/或实施例组合。图I表示本发明的一个方面的示例一在这个实例中一用于通过产生校正系数校准在有源天线阵列10中的单个接收路径30-1。有源天线阵列10具有连接到多个收发器25的多个天线元件20 (仅其中一个20-1显示在图I中)。在图I所示的方面中，仅示出其中一个收发器25并且标记为25-1。可以认识到，本发明的教导是具有任何数量收发器25的有源天线阵列10关联。一般具有8个或16个收发器25。收发器25-1具有接收路径30-1和发射路径50_1。接收路径30_1和发射路径50-1两者通过开关40-1连接到天线元件20。开关40-1的功能是用来在发射路径50_1上发射的发射信号与从天线元件20接收并且传输到接收路径30-1的接收信号之间切换天线元件20。有源天线阵列10具有数字信号处理器100。数字信号处理器100被使用以产生用于在天线元件20上发射的发射信号并且被使用以处理从天线元件20接收的接收信号。在本发明中在数字信号处理器100中的波束成形块107将使用如后面描述那样计算的校正系数，以计算在接收路径30-1上接收的接收信号上的相位、延迟和幅度变化。该功能已经在Ubidyne (尤比戴尼有限公司)的共同未定申请中描述，并且在此将不详细描述。有源天线阵列10进一步具有控制单元105，它的功能是产生探测信号110。控制单元105连接到第一 FIFO存储器120和功率控制器130。功率控制器130连接到辅助收发器27。探测信号110从功率控制器130接收并且由数字模拟控制器(DAC) 140转换成模拟信号，并且沿着辅助发射路径145传输到输出146，并且然后传输到多路开关150。应该注意，在该阶段，辅助收发器27还包括接收路径，但是这在本发明的这个方面中不被使用。多路开关150接收探测信号110作为输入并且切换探测信号110到多个收发器25-1、25-2、…、25-N的其中一个。在图I描述的方面中，探测信号110通过耦合器155传输到收发器25的第一个25-1的双工滤波器40-1。应该注意，多路开关150具有多个其他输出，其在附图中标记为传输到多个收发器25-2、…、25-N的其他收发器。在第一收发器25-1中，探测信号110传输到接收路径30_1并且然后传输到模拟数字转换器160-1。探测信号110 (现在以数字的形式)进一步传输到数字信号处理器100用于处理或者传输到第二 FIFO存储器180。功率计170在数字域中测量在接收路径30_1上的功率并且传输功率测量的结果到控制单元105。开关190由来自控制单元105的信号控制。 第一 FIFO存储器120和第二 FIFO存储器180两者连接到处理器100的控制单元105，并且可以互相比较结果，如下面将讨论的，以便校准用于沿着收发器25-1接收的信号的校正值。第一 FIFO存储器120和第二 FIFO存储器180连同控制单元105 —起集中地形成校准单元。图2表示使用于测量和因此计算用于沿着收发器25-1接收的信号的相位、延迟和幅度的补偿值的方法。在第一步骤200中，控制单元105接收触发信号以指示需要开始的测量。在步骤205中，控制单元105通过功率计170读取在接收路径30_1上的接收信号的功率Prx。控制单元105使用该功率测量Prx以在步骤210中配置功率控制器130发送具有Prx加上偏置功率Pd的功率的探测信号110。偏置功率Pd为偏置量，其使用来优化使用的有源天线阵列10的探测信号110的功率。此时应该注意，仅已经配置了功率控制器130。还没有发送探测信号110。在步骤215中，从控制单元105发送门信号，其激励计算程序。功率控制器130通过辅助收发器27和多路开关150发送具有特定功率Prx+Pd的探测信号110到收发器25的准备被校准的需要一个。上面可以注意到，图I所示的方面是收发器25-1。还应该注意，多路开关150可以将探测信号110切换到其他收发器25-2、…、25-B的任意一个并且总体上将以循环方式完成此以便在整个时间过程中所有收发器25-1、25-2、…、25-N将利用本发明的教导来校准。开关190打开并且因此在接收路径30上的接收信号不传输到数字信号处理器100，而替代地该值由第二 FIFO存储器180收集。打开开关190的原因在于保证在第二 FIFO存储器180中的收集期间没有接收信号失真传送到数字信号处理器100。第一FIFO存储器120将在探测信号110传送到辅助收发器27之前已经获得探测信号110的值。在步骤220中，门信号被激励并且开关190闭合来允许接收信号正常传输到数字信号处理器100。读取在第一 FIFO存储器120和第二 FIFO存储器180中的值并且在步骤220中互相比较以便计算在传输通过收发器25的接收路径30-1的探测信号的相位、延迟和幅度方面的变化。这相应于在沿着接收路径30-1传输的接收信号的相位、延迟和幅度方面的变化。这样允许校正系数在步骤225中被计算，其可以使用来调节从天线元件20接收的载波信号的接收信号的相位、延迟和幅度的值。图3表示本发明的另一个方面，其中由控制单元105产生探测信号110由抽取在接收部件上接收的一部分接收信号以便产生探测信号来取代。这是这样完成的，传输在第二 FIF0150中的存储值通过第二开关195到达辅助收发器27作为探测信号。来自第二FIF0150的存储值还传输到第一 FIF0110以便传输到辅助收发器的探测信号110可以与在传输通过接收路径30-1之后接收的探测信号比较。本发明的这个方面减少了需要的硬件，因为不需要具有分离电路以产生分离的探测信号。并且不需要调节探测信号110的功率，因为基于在多路开关150中的值产生的探测信号110的强度大约与接收信号的强度相同。控制单元105被使用来激励校准程序。它是这样实现的，通过闭合第二开关195以便来自第二 FIF0150的值传输到辅助收发器27并且打开第一开关190以便没有探测信号110传输到数字信号处理器100。接收信号在第二 FIF0150中被捕捉到，并且在短暂延迟 之后，传输通过辅助收发器27的发射路径到达多路开关150。在第二 FIF0150中接收的值与存储在第一 FIFO 110中的发射值比较以计算校正系数。应该注意，应该以基于载波的方式实施校正系数的计算，因为在来自两个不同载波信号的接收信号的功率中具有差异。因此功率计170应该测量需要的载波信号的功率，即，在载波信号频率处的功率。当然，应该注意，会由超过一个载波器的接收信号被天线元件20接收到，可能可以包括多于一个的功率计170以便于测量在不同频率处的不同载波器的载波信号的功率。包括多于一个的功率计170使得能够同时为多于一个的载波器实施校正系数的计算。这使计算用于接收载波信号的校正系数需要的时间的影响最小，并使得接收信号的校准的影响最小。应该认识到，在计算校正系数期间接收载波信号的功率显著变化的情况下可以中断测量。可以将触发器布置在例如控制单元105内，其仅在接收载波信号的功率中具有较低显著变化可能性时触发计算程序。在本发明的另一个改进中，应该认识到，可以选择探测信号、它的时序以及它的功率以便可以使得由于在接收信号中的探测信号导致的任何失真最小。例如，当校准GSM信号时，可以为校准程序选择某个时隙。与计算用于LTE接收信号的校正系数相似，应该使用某个特定时隙和频隙。不在使用中并且不意在被使用的扩展码可以使用来产生探测信号以及计算用于WCDMA信号的校正系数。相似地，时隙和扩展码可以使用来产生探测信号和计算用于TD-SCDMA信号的校正系数。当然，技术人员将理解，通过其他类型的无线电信号，有机会来选择探测信号的校正时序和功率以及它的结构。虽然上面已经描述了本发明的各种实施例，但是应该理解，它们已经借由实例呈现出，并且不作为限制。相关技术领域的技术人员将会清楚，在不脱离本发明的情况下其中可以在形式和细节方面作出各种改变。除了使用硬件(例如，在中央处理单元(“CPU”)、微处理器、微控制器、数字信号处理器、处理器核、片上系统(“S0C”)或者任何其他设备内或者附接带其上)，执行也可以嵌入在例如设置在配置来存储软件的计算机可用(例如可读)介质中的软件(例如，计算机可读代码、程序代码、和/或以任何形式设置的指令，例如源代码、目标代码或者机器语言)中。该软件可以例如实现本文描述的装置和方法的功能、制造、建模、仿真、描述和或测试。例如，这可以通过使用一般编程语言(例如c、c++)，包括VerilogHDUVHDL等的硬件描述语言(HDL)，或者其他可用程序来实现。该软件可以设置在任何已知计算机可用介质中，例如半导体、磁盘或者光盘(例如，CD-ROM，DVD-ROM等)。该软件也可以设置为实施在计算机可用(例如，可读)传输介质(例如，载波或者包括数字、光、基于模拟的介质的任何其他介质)中的计算机数据信号。本发明的实施例可以包括通过提供描述所述装置的软件并且随后在包括因特网和局域网的通信网络上传输软件作为计算机数据信号来提供本文描述的装置的方法。可以理解，本文描述的装置和方法可以包括在半导体知识产权核中，例如微处理器核(例如，嵌入在HDL中)并且在集成电路生产中转移到 硬件中。此外，本文描述的装置和方法可以实施为硬件和软件的组合。因此，本发明不应该由任何上述示例性实施例限制，而应该仅根据下面的权利要求及其等同物来限定。
权利要求
1.一种用于移动通信网络的有源天线阵列(110)，包括 -多个接收路径(30-1，…，30-N); -用于产生探测信号(110)的控制单元(105)； -用于将所述探测信号(110)耦合到多个接收路径(30-1，-,30-N)的至少一个的耦合器； -在所述多个接收路径(30-1，…，30-N)的其中一个中的至少一个开关(190)，用于在其中一个接收器与校准单元之间切换所述多个接收路径(30-1，…，30-N)的所述其中一个。
2.根据权利要求I所述的有源天线阵列(10)，还包括 -功率计(170)，用于监视在所述多个接收路径的至少一个上的接收信号的平均功率。
3.根据权利要求2所述的有源天线阵列(10)，还包括功率控制，用于产生功率偏置信号(Pd)并且将所述功率偏置信号(Pd)叠加到所述探测信号(110)。
4.根据上述权利要求任意一项所述的有源天线阵列(10)，还包括多路开关(150)，用于在所述多个接收路径(30-1，…，30-N)的不同路径之间切换所述探测信号(110)。
5.根据上述权利要求任意一项所述的有源天线阵列(10)，其中所述控制单元(105)基于在所述多个接收路径(30-1，…，30-N)的其中一个上的信号的一部分产生所述探测信号。
6.一种用于校准有源天线阵列(10)的方法，包括 -产生(210)初始探测信号(110)； -将所述初始探测信号(110)耦合到多个接收路径(30-1，-,30-N)的至少一个以产生调节了的探测信号(110’ )； -将所述调节了的探测信号(110’ )与所述初始探测信号(110)比较(220)； -产生(225)校正系数。
7.根据权利要求6所述的方法，还包括切换所述初始探测信号到多个接收路径(30-1，...，30-N)的不同路径。
8.根据权利要求6或7所述的方法，还包括在比较器与接收器之间切换多个接收路径(30-1，...，30-N)的至少一个的输出。
9.根据权利要求6至8任意一项所述的方法，还包括 -测量在所述多个接收路径(30-1，-,30-N)的至少一个上的接收信号的功率，以及 -将偏置功率信号(Pd)叠加到所述初始探测信号(110)。
10.根据权利要求6至9任意一项所述的方法，所述调节了的探测信号与所述初始探测信号的比较包括存储所述初始探测信号的初始值以及存储所述调节了的探测信号的调节值并且将所述初始值与调节值比较。
11.根据权利要求6至10任意一项所述的方法，基于在所述多个接收路径的其中一个上的信号实施所述探测信号的产生。
12.—种计算机程序产品，包括非临时计算机可用介质，其具有存储在其中的用于导致计算机执行制造权利要求I至5的任意一项所述有源天线阵列的控制逻辑。
13.一种计算机程序产品，包括非临时计算机可用介质，其具有存储在其中的用于导致计算机执行权利要求6至11的任意一项所述的用于校准有源天线阵列的方法的控制逻辑。
全文摘要
本发明涉及一种用于移动通信网络的有源天线阵列(10)，其包括多个接收路径(30-1，…，30-N)，用于产生探测信号(110)的控制单元(105)，以及用于将所述探测信号(110)耦合到多个接收路径(30-1，…，30-N)的至少一个的耦合器，开关(190)，用于在其中一个接收器(Rx)与校准单元之间切换所述多个接收路径(30-1，…，30-N)的其中一个的输出。本发明还提供一种用于校准有源天线阵列(10)的方法，其包括产生(210)初始探测信号，将所述初始探测信号(110)耦合到多个接收路径(30-1，…，30-N)的至少一个以产生调节了的探测信号(110’)，将所述调节了的探测信号(110’)与所述初始探测信号(110)比较(220)，从而产生(225)校正系数。
文档编号H01Q3/26GK102870277SQ201180017991
公开日2013年1月9日 申请日期2011年3月30日 优先权日2010年3月31日
发明者约翰尼斯·施莱 申请人:尤比戴尼有限公司