专利名称：调整天线方向图的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明与无线电系统有关，具体地说，与空分多址(SDMA)无线电系统有关。
在SDMA方法中，用户是根据他们的位置相互区别的。这是在基站通过将接收天线的波束按照移动台位置调整到所需方向来实现的。为此，自适应天线阵或相控天线需要有能监视移动台的信号处理配合一起使用。
在通常用于SDMA系统的CDMA方法中，用户的窄带数据信号通过乘以一个比数据信号带宽大得多的宽带扩频码扩展到一个比较宽的频带上。所用带宽大于1MHz。数据信号经与扩频码相乘被扩展到所用的整个频带上。同时通信的用户共享相同的传输频带。在基站与移动台之间的各个连接中分别采用不同的扩频码。不同用户的信号在接收机中可根据用户各自的扩展码加以区别。
在基站中，特别是在SDMA无线电系统的基站中，信号的接收和发送利用一个由几个天线元组成的天线阵进行。每个天线元通常与一个收发单元连接。为了使天线阵产生具有所要求的形状的辐射方向图，需对在一个共同的基带单元内发送和接收的信号在相对相位上进行控制。典型的天线方向图包括一个窄的主瓣和若干个旁瓣。主瓣的方向和宽度可以通过对每个天线元的射频信号进行相控来调整。实际上，相控是通过将每个天线元的数字化基带天线信号乘以相应的天线方向图成形复系数来实现的。
一个好的天线方向图例如在每个天线信号的相位和强度都相同时产生。然而，这种情况通常是不可能的，因为电子器件的非理想性和环境都会对收发单元有影响。这导致天线信号之间在相位和强度上都相互有所差别，从而引起旁瓣增大和主瓣恶化。这样，就引起对基站和整个无线电系统有害的干扰，减小了无线电覆盖。
因此，本发明的目的是提供一种能解决上述问题的方法和实现这种方法的设备。为达到这个目的所提出的在发射机和接收机包括至少两个天线的无线电系统内调整天线方向图的方法包括将一个基带天线信号乘以一些天线方向图成形系数，产生一个所要求的天线方向图；测量基带天线信号的相位和强度；以及根据天线信号之间的相位和强度差的测量结果调整天线方向图成形系数进行补偿。
本发明的目的也由一种实现在发射机和接收机至少包括两个天线的无线电系统内调整天线方向图的方法的设备来达到，它将基带天线信号乘以一些天线方向图成形系数，以便产生一个所要求的天线方向图。这种设备配置成可以测量基带天线信号的相位和强度，并根据天线信号之间的相位和强度差的测量结果调整天线方向图成形系数进行补偿。
采用本发明的方法和设备有一些优点。本发明采用的是数字基带信号处理而不是现有技术的模拟信号处理，这种处理的精度要高于已知的解决方法。因此即改善了天线方向图也提高了无线电系统的连接质量。这也大大减少了模拟RF硬件量，也不需要配置与传统的收发机器件不同的器件。此外，还可以在通常的业务执行期间调整天线方向图。
下面将参考附图结合优选实施例详细说明本发明。在这些附图中
图1示出了调整发射天线方向图的设备；以及图2示出了调整接收天线方向图的设备。
本发明可用于采用定向天线的无线电系统，例如SDMA蜂窝无线电系统，但并不局限于此。此外，在本发明的一个优选实施例中应用了CDMA技术。本发明特别适用于无线电系统的基站。
SDMA结合CDMA一起使用更为有利。在SDMA中，信号利用一个天线阵进行发射和接收，通过数字信号处理使得天线的方向图成为所要求的。在现有技术中，天线信号的处理通常是为了使有用信号的信号干扰比最大。接收信号也可以处理成使得所形成的天线阵的方向图使其他连接对有用信号的干扰最小。
图1示出了一个天线阵内按本发明构成的一个发射机组的方框图。一个发射机包括校准码产生器101、发射单元102、天线103、检测器104、相加器105、接收单元106、耦合器107、比较器108和控制器(最好是一个数字波束形成器)109。天线阵列包括若干个发射机，与一个调整各发射机的具有独创性的反馈接收回路106-109连接。具体在CDMA系统中，校准码产生器101发送出一个校准码，它与CDMA系统中的扩频码类似，最好是一个领示信号，其相位和振幅都是已知的。校准码送至发射单元102，由它例如进行调制，产生射频天线信号110。天线信号110送至天线103和经耦合器107送至接收单元106。在接收单元106中，天线信号例如被解调成基带信号后加以数字化。对天线阵内各天线103的天线信号110都作这样处理。数字校准码然后送至检测器104，由它对校准码进行检测，同时得出天线信号的码相位和强度数据。强度可以利用校准码根据信号的振幅或功率测出。比较器108对不同天线元103的天线信号110的相位和强度进行比较和度量，所得的差送至控制器109，由它调整改变分配给天线阵内各发射单元102的相应天线信号110的相位和强度的系数。这样，天线阵用来发送的天线方向图就精确地调整到所需形式。数据和控制信号先在控制器109内根据测量结果经相位控制和振幅调整、再在相加器105内与校准码相加后，也通过发射单元102发送。
图2为接收机结构的方框图。这种接收机包括由校准码产生器201、发射单元202和功率分配器203组成的专用校准码发射机201-203、天线204、耦合器205、接收单元206、信号处理装置207、检测器208、比较器209和控制器(最好是一个数字波束形成器)210。校准码发射机201-203将具有预定相位和强度的校准码发送给接收天线阵内每个天线204。在这个过程中，校准码从校准码产生器201送至专用发射单元202，由它例如进行调制，产生射频天线信号211。射频天线信号211由功率分配器203按所有的接收单元206加以等分。于是，天线信号211经各耦合器205分别传送给相应接收机作为天线信号212进入各自的接收单元206。接收单元206将射频信号212变换回基带信号后加以数字化。检测器208利用校准码从数字信号中检测校准码，得出天线信号的相位和强度数据。与各天线元接收的信号212有关的相应相位和强度数据都传送给比较器209，由它进行比较，而将相位和强度数据之间的差送至控制器210。控制器210利用天线方向图成形复系数来调整送至各天线元的信号的振幅和相位。所接收的实际数据信号在信号处理装置207内处理后再在控制器210内受到数字波束形成处理。装置207例如对信号进行解扩处理。
在本发明中，利用一个独立的、自由选择的天线信号的相位和强度数据作为相对其他天线信号的基准，因为有意义的只是各天线信号的相位和强度之间的相对差。各天线信号的相位和强度数据可以基本上同时测量，也可以依次测量。在同时测量几个天线信号的相位和强度时，最好各天线上加不同的校准码。如果考虑依次测量，那么最好用相同的校准码作为各天线的天线信号。
由于校准码信号由耦合器107和205作为天线信号耦合出来，并不通过空间发射，因此校准码信号的功率可以保持在相当低的电平。这也允许在有其他通信业务的同时进行测量，在这种情况下，将校准码信号的强度控制成保持在充分低于通信业务中所使用的实际净荷信号的电平上。在本发明的一个优选实施例中，校准码信号的强度相对于通信业务中所使用的净荷信号的强度来说保持在一个固定的电平上。在发送领示信号的无线电系统中，最好用CDMA领示信号作为校准码信号。
虽然以上参照附图所示的例子对本发明进行了说明，但显然本发明并不局限于这个例子。根据所附权利要求给出的本发明的精神实质，本发明能够以多种不同方式实现。
权利要求
1.一种调整一个由多个天线组成的、至少与多个发射天线信号的发射机和多个接收天线信号的接收机之一有效连接的天线阵的天线方向图的方法，所述方法包括下列步骤(a)对于每个天线，将相应天线信号乘以用来形成天线阵的天线方向图的系数，以产生所需天线方向图的第一迭代近似；(b)从用来产生所述所需天线方向图的每个天线信号获取和形成一个具有一个相位和一个强度的相应数字化基带信号，测量每个所述数字化基带信号的相位和强度，从而确定各数字化基带信号之间的相位和强度差；以及(c)通过调整所述系数对所述相位差和强度差进行补偿，产生所述所需天线方向图的后继迭代近似。
2.权利要求1的方法，其中为了调整所述天线阵用于发射天线信号，步骤(a)包括通过每个所述发射机发射一个具有已知相位和已知强度的相应校准码信号，基本上相应于一个CDMA扩频码。
3.权利要求1的方法，其中为了调整所述天线阵用于接收天线信号，步骤(a)包括向每个所述接收机发射一个具有已知强度和已知相位的相应校准码信号，基本上相应于一个CDMA扩频码。
4.权利要求1的方法，其中所述测量包括利用一个所述数字化基带信号的相位和强度作为基准值，确定所述相位差和强度差。
5.权利要求1的方法，其中所述测量包括同时相互测量至少两个所述数字化基带信号的相位和强度。
6.权利要求1的方法，其中所述测量包括依次测量至少两个所述数字化基带信号的相位和强度。
7.权利要求1的方法，其中为了调整所述天线阵用于发射天线信号，步骤(a)包括通过每个所述发射机发射一个具有已知相位和已知强度的相应校准码信号，基本上相应于一个CDMA扩频码；为了调整所述天线阵用于接收天线信号，步骤(a)包括向每个所述接收机发射一个具有已知强度和已知相位的相应校准码信号，基本上相应于一个CDMA扩频码；所述测量包括同时相互测量至少两个所述数字化基带信号的相位和强度；以及所述通过每个所述发射机发射一个相应校准码信号和所述向每个所述接收机发射一个相应校准码信号包括对于每个所述天线利用一个不同的相应校准码来提供相应校准码信号。
8.权利要求1的方法，其中为了调整所述天线阵用于发射天线信号，步骤(a)包括通过每个所述发射机发射一个具有已知相位和已知强度的相应校准码信号，基本上相应于一个CDMA扩频码；为了调整所述天线阵用于接收天线信号，步骤(a)包括向每个所述接收机发射一个具有已知强度和已知相位的相应校准码信号，基本上相应于一个CDMA扩频码；所述测量包括依次测量至少两个所述数字化基带信号的相位和强度；以及所述通过每个所述发射机发射一个相应校准码信号和所述向每个所述接收机发射一个相应校准码信号包括对于每个所述天线利用提供相应校准的相同校准码来提供相应校准码信号。
9.权利要求2的方法，所述方法还包括下列步骤在调整所述天线阵用于发射天线信号的同时，利用所述各发射机通过所述天线发射净荷数据，所述净荷数据的各路功率充分高于所述各校准码信号的功率。
10.权利要求3的方法，所述方法还包括下列步骤在调整所述天线阵用于接收天线信号的同时，利用所述各接收机通过所述天线接收净荷数据，所述净荷数据的各路功率充分高于所述各校准码信号的功率。
11.权利要求2的方法，所述方法还包括下列步骤在调整所述天线阵用于发射天线信号的同时，利用所述各发射机通过所述天线发射净荷数据，所述各校准码信号的功率相对于所述净荷数据的各路功率保持在一个固定的电平上。
12.权利要求3的方法，所述方法还包括下列步骤在调整所述天线阵用于接收天线信号的同时，利用所述各接收机通过所述天线接收净荷数据，所述各校准码信号的功率相对于所述净荷数据的各路功率保持在一个固定的电平上。
13.权利要求2的方法，其中每个所述校准码信号包括一个CDMA领示信号。
14.权利要求3的方法，其中每个所述校准码信号包括一个CDMA领示信号。
15.一种调整一个由多个天线组成的、至少与多个发射天线信号的发射机和多个接收天线信号的接收机之一有效连接的天线阵的天线方向图的设备，所述设备包括(a)为每个天线各配置一个的相乘装置，用来将相应天线信号乘以用来形成天线阵的天线方向图的系数，以产生所需天线方向图的第一迭代近似；(b)从用来产生所述所需天线方向图的每个天线信号获取和形成一个具有一个相位和一个强度的相应数字化基带信号的装置；测量每个所述数字化基带信号的相位和强度、从而确定各数字化基带信号之间的相位和强度差的装理装置；以及(c)通过调整所述系数对所述相位差和强度差进行补偿、产生所述所需天线方向图的后继迭代近拟的补偿装置。
16.权利要求15的设备，其中为了调整所述天线阵用于发射天线信号，所述相乘装置包括通过每个所述发射机发射一个具有已知相位和已知强度、基本上相应于一个CDMA扩频码的相应校准码信号的装置。
17.权利要求15的设备，其中为了调整所述天线阵用于接收天线信号，所述相乘装置包括向每个所述接收机发射一个具有已知强度和已知相位、基本上相应于一个CDMA扩频码的相应校准码信号的装置。
18.权利要求15的设备，其中所述测量装置配置成利用一个所述数字化基带信号的相位和强度作为基准值，确定所述相位差和强度差。
19.权利要求15的设备，其中所述测量装置配置成同时相互测量至少两个所述数字化基带信号的相位和强度。
20.权利要求15的设备，其中所述测量装置配置成依次测量至少两个所述数字化基带信号的相位和强度。
21.权利要求15的设备，其中为了调整所述天线阵用于发射天线信号，所述相乘装置包括通过每个所述发射机发射一个具有已知相位和已知强度、基本上相应于一个CDMA扩频码的相应校准码信号的装置；为了调整所述天线阵用于接收天线信号，所棕相乘装置包括向每个所述接收机发射一个具有已知强度和已知相位、基本上相应于一个CDMA扩频码的相应校准码信号的装置；所述测量装置配置成同时相互测量至少两个所述数字化基带信号的相位和强度；以及所述发射装置配置成通过每个所述发射机发射一个相应校准码信号和所述向每个所述接收机发射一个相应校准码信号的装置配置成对于每个所述天线利用一个不同的相应校准码来提供相应校准码信号。
22.权利要求15的设备，其中为了调整所述天线阵用于发射天线信号，所述相乘装置包括通过每个所述发射机发射一个具有已知相位和已知强度、基本上相应于一个CDMA扩频码的相应校准码信号的装置；为了调整所述天线阵用于接收天线信号，所述相乘装置包括向每个所述接收机发射一个具有已知强度和已知相位、基本上相应于一个CDMA扩频码的相应校准码信号的装置；所述测量装置配置成同时相互测量至少两个所述数字化基带信号的相位和强度；以及所述发射装置配置成通过每个所述发射机发射一个相应校准码信号和所述向每个所述接收机发射一个相应校准码信号的装置配置成对于每个所述天线利用提供相应校准的相同校准码来提供相应校准码信号。
23.权利要求16的设备，所述设备还包括在调整所述天线阵用于发射天线信号的同时，所述各发射机和发射装置相应配置成通过所述天线发射净荷数据，所述净荷数据的各路功率充分高于所述各校准码信号的功率。
24.权利要求17的设备，所述设备还包括在调整所述天线阵用于接收天线信号的同时，所述各接收机和所述发射装置相应配置成通过所述天线接收净荷数据，所述净荷数据的各路功率充分高于所述各校准码信号的功率。
25.权利要求16的设备，所述设备还包括在调整所述天线阵用于发射天线信号的同时，所述各发射机和发射装置相应配置成通过所述天线发射净荷数据，所述各校准码信号的功率相对于所述净荷数据的各路功率保持在一个固定的电平上。
26.权利要求17的设备，所述设备还包括在调整所述天线阵用于接收天线信号的同时，所述各接收机和所述发射装置相应配置成通过所述天线接收净荷数据，所述各校准码信号的功率相对于所述净荷数据的各路功率保持在一个固定的电平上。
27.权利要求16的设备，其中每个所述校准码信号包括一个CDMA领示信号。
28.权利要求17的设备，其中每个所述校准码信号包括一个CDMA领示信号。
全文摘要
本发明提出了一种特别是在发射机和接收机包括至少两个天线的SDMA系统中调整天线方向图的方法和设备。将各基带天线信号与相应的天线方向图成形系数分别相乘,以产生所需的天线方向图。测量出基带天线信号的相位和强度后,根据测量结果通过调整天线方向图成形系数来补偿各天线信号之间的相位差和强度差。
文档编号H04B7/04GK1255256SQ98802198
公开日2000年5月31日 申请日期1998年12月1日 优先权日1997年12月2日
发明者劳里·斯塔勒, 加里·皮卡里宁, 艾斯科·厄基拉 申请人:诺基亚电信公司