CN100336318C - 一种tdd无线通信系统智能天线阵校准的方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种TDD无线通信系统智能天线阵校准装置，包括：N个天线阵元、N个滤波耦合器、至少一个功率分路/合路器；N个滤波耦合器分别与N个天线阵元及N个基站射频通道对应连接；功率分路/合路器的合路端连接基站校准信号单元的校准端，其分路端分别连接N个滤波耦合器的耦合端。校准时，由基站输出校准信标信号，经由功率分路/合路器分成N路输入N个滤波耦合器后，传输至对应的基站接收通道，由基站接收通道处理接收到的校准信标信号；由基站的N个发信通道分别发送校准信标信号到相对应的滤波耦合器，再经功率分路/合路器输入至基站接收通道，由基站接收通道处理来自N个发信通道的校准信号。解决了校准过程受环境影响的问题，增加了校准精度。

Description

一种TDD无线通信系统智能天线阵校准的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种实现TDD(时分双工)无线通信系统校准的方法及装置，尤其涉及一种TD-SCDMA及PHS无线通信系统智能天线阵的校准技术，用于对TDD无线通信基站系统收发通道的幅度及相位特性进行校准。

背景技术

近年来，在无线通信技术领域中，智能天线技术已经成为移动通信领域最具吸引力的技术之一。智能天线采用空分多址技术，利用信号在传输方向上的差别，将同频率或同时隙、同码道的信号区分开来，最大限度地利用有限的信道资源。与无方向性天线相比较，其上、下行链路的天线增益大大提高，降低了发射功率电平，提高了信噪比，有效地克服了信道传输衰落的影响。同时，由于天线波瓣直接指向用户，减小了与本小区内其它用户之间，以及与相邻小区用户之间的干扰，而且也减少了移动通信信道的多径效应。智能天线技术在本质上是利用多个通道单元空间的正交性，即空分多址复用功能，来提高系统的容量和频谱利用率。为了使智能天线能准确地合成接收及发射波束，必须要知道组成此智能天线阵的各阵元、各信道电缆及收发通道之间的差别，即射频信号通过各通道链路后的幅度与相位变化差。所以，要使用智能天线技术，就必须知道通道间的幅度及相位变化特性，这就引入了校准的概念。

智能天线通道的校准是无线通信系统智能天线中的一项关键技术。由于射频通道中所用的器件种类很多，而各通道所选用的器件之间又存在一定的不一致性，多个特性不一致的器件串在一起造成了通道之间的幅度及相位变化差异。而此变化差异对温度、使用频率及外部环境比较敏感，所以要求智能天线系统的校准应能够实时进行。

最初的智能天线校准技术主要是采用直接测量法。即利用仪表对每个射频通道分别进行测量，获取其幅度及相位变化特性，从而得到该系统的一组校准数据。该方法涉及到的测量包括各通道收发信机、射频馈线、天线阵等通道组成元素，所有的测量都必须在现场进行，过程比较繁杂。且此方法不能进行实时校准，校准精度也不够精确。但此校准方法可以获取各通道正常状态下通道间的幅度机相位差异，在现有方案中得到的校准数据一般用于离线校准。

发展后的技术对无线通信基站系统的智能天线收发通道进行校准，主要是采用在智能天线阵中央放置一根校准天线的方式，通过由校准天线发、收(对应于基站射频通道收、发)校准信号来实现对基站收、发通道的幅度及相位的校准。但该方式在实际使用中受到以下因素的限制：

1、方式要求校准天线与正常收发天线之间的信号传输路径要严格一致。但在实际安装当中，天线安装环境不一样，智能天线受周围建筑物的影响而使校准天线与天线阵列各阵元之间传输信号的幅度和相位特性也就不一致，从而影响智能天线系统性能。

2、位于智能天线阵中心位置处的校准天线会对其周围其它天线单元的辐射造成一定影响。

3、该方式只能用于圆环阵智能天线系统，对于线阵智能天线系统，由于校准天线与天线阵列各阵元之间不是对称放置而无法应用。

申请号为01120547.4的中国专利，利用图示分别描述了该中心校准天线方式在无遮挡物环境及有遮挡物环境中校准天线的信号传播路径，指出该方式必将影响系统的校准精度。同时，该专利申请还公开了一种智能天线阵的耦合校准网络，包括N(≥2)个完全相同的天线单元和制作在一印刷电路板上的N个微带定向耦合器以及功率分路/合成器。如图1所示，耦合校准网络采用1∶2的功率分路/合路器，包括8个天线单元21、8个微带定向耦合器22、7个功率分路/合路器23、8个与天线单元的接口24、8个与基站系统的8个收发信机连接的射频收发接口25和1个与基站系统连接的射频校准接口26。各天线单元21分别通过各自的接口24与对应的微带定向耦合器22连接，各微带定向耦合器22分别通过各自的射频收发接口25与基站系统连接，实现各天线单元与基站系统收发信机的耦合连接，同时经7个功率分路/合路器23连接至射频校准接口26，通过射频校准接口26与基站系统连接。耦合校准时，发射机通过射频收发接口送出的已知功率信号经微带定向耦合器耦合及功率合成后，由射频校准接口输入发射机进行发射校准处理；基站通过射频校准接口送出的已知功率信号经功率分配及微带定向耦合器耦合后，由射频收发接口输入接收机进行接收校准处理。该方案可以在一定程度上提高校准精度，但由于所述方案将N个微带定向耦合器及功率分路/合成器制作在一印刷电路板上，使智能天线阵元数量受到限制，实际使用中配置不够灵活。

中国专利99111350.0公开了一种用于实时校准智能天线阵的方法和装置。该专利申请中所建议的耦合结构的技术方案有二种：一种是使用一个在几何结构上对称的、处于阵列天线中心的信标天线来对智能天线系统进行校准；另一种是使用一个耦合器与功分器组成的无源网络来实现耦合结构对智能天线系统进行校准。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：设计一种用于TDD无线通信系统智能天线阵的耦合校准装置及耦合校准方法，该技术方案能很好地解决工程实践中校准精度受安装环境及安装经验影响的问题，并且方法操作简便。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为：

一种TDD无线通信系统智能天线阵校准装置，包括：N个天线阵元、基站校准信号单元、至少一个功率分路/合路器；所述功率分路/合路器的合路端连接基站校准信号单元的校准端；其特征在于：所述装置还包括N个滤波耦合器，所述滤波耦合器包括与所述天线阵元对应连接的天线端、与所述基站射频通道对应连接的基站端、与所述功率分路/合路器的分路端对应连接的耦合端、内部前向耦合器、内部反向耦合器以及用于信号隔离的环形器；当校准信标信号经由所述耦合端输入时，所述校准信标信号经所述环形器进入所述内部反向耦合器，并经所述反向耦合器耦合在所述基站端输出；当校准信标信号经所述基站端输入时，所述校准信标信号经所述前向耦合器耦合至所述环形器，并经所述耦合端输出；其中N为大于或等于2的正整数。

所述的天线阵校准装置，其中：所述的N个滤波耦合器是由定向耦合器集成在系统所需要的腔体滤波器中构成；所述N个滤波耦合器的耦合值可以为任何有效值。

所述的天线阵校准装置，其中：所述的天线阵元可以是圆环阵或线阵智能天线阵阵元。

所述的天线阵校准装置，其中：所述的圆环阵可以是圆形、椭圆形、规则或不规则的多边形；所述的线阵阵元间隔可以是等间隔或不等间隔。

所述的天线阵校准装置，其中：所述的功率分路/合路器可以是单个1∶N功率分路/合路器，也可以是由多个小于N路的分路/合路器连接而成的1∶N功率分路/合路器。

一种应用上述校准装置的校准方法，所述方法包括以下步骤：

A、N个智能天线阵元对应设置N个完全相同的滤波耦合器和与N个滤波耦合器相连接的至少一个功率分路/合路器；

B、将所述N个滤波耦合器的天线端分别与所述N个智能天线阵元相连接，其基站端则通过射频电缆分别与N个基站射频通道相连接；将校准信标信号接入所述功率分路/合路器的合路端，所述功率分路/合路器的分路端通过射频电缆分别连接对应的所述N个滤波耦合器的耦合端；

C、由基站输出校准信标信号，经所述合路端输入所述功率分路/合路器，再由所述功率分路/合路器把所述校准信号分成N路后经所述耦合端分别输入所述N个滤波耦合器，经所述滤波耦合器的校准信号从滤波耦合器的基站端输出，通过射频电缆传输至对应的基站接收通道，由基站接收通道处理接收到的校准信标信号，完成对上行接收通道的校准；

D、由基站的N个发信通道分别发送所述校准信标信号到相对应的所述滤波耦合器的基站端，并经其耦合端输出到所述功率分路/合路器进行功率合成，再经过功率分路/合路器的合路端输入所述基站接收通道，所述基站接收通道分别处理来自基站N个发信通道的校准信号，完成对下行发信通道的校准。

所述的校准方法，其中：所述的步骤C和步骤D，其顺序可以互换。

所述的校准方法，其中：步骤C所述的由基站接收通道处理接收到的校准信标信号，包括如下处理：N个基站收信机把接收到的N个通道的信号统一送往基站信号处理单元，基站信号处理单元将N个通道的信号特性和校准信号处理单元发射的校准信标信号进行比较。

所述的校准方法，其中：步骤D所述的基站接收通道分别处理来自基站N个发信通道的校准信号，包括如下处理：把来自功率分路/合路器合路端的校准信号送到校准信号处理单元，校准信号处理单元分别处理N个通道的校准信号，并与基站信号处理单元所发送的校准信标信号进行比较。

本发明的有益效果为：本发明采用的技术方案与专利99111350.0公开的使用一个在几何结构上对称的、处于阵列天线中心的信标天线来对智能天线系统进行校准的原理截然不同。本发明技术方案，由于校准信号通过功率分路/合路器把信号分路后直接接入滤波耦合器，滤波耦合器的耦合作用是通过滤波耦合器内的定向耦合器实现的，信号完全经过有线传输，且滤波耦合器具有隔离和滤波作用，因此，将校准信号及其产生的谐波信号对系统及外部空间的影响将到了最低，同时也保证了外部环境不对系统进行干扰。其次，由于校准信号完全通过有线传输，各通道之间的幅相不一致性可以定量确定，不因外部环境影响而改变，此不一致性数据可以存储在系统的EEPROM中作校准而用。基于以上技术方案，系统消除了环境对校准过程的影响，增加了校准精度，同时校准信号对系统外产生的辐射也降低了很多。同时，本发明充分利用了滤波器和耦合器的特性，把定向耦合器集成在系统所需要的腔体滤波器中，形成一个具有滤波和耦合功能的滤波耦合器。由于采用了此滤波耦合器，在实现对TDD无线通信基站系统收发通道的幅度及相位的校准的过程中，滤波耦合器除了实现校准信号的耦合功能外，还滤除了周围各种杂散信号。

相对于中国专利01120547.4公开的智能天线阵的耦合校准网络，本发明的优点为：智能天线的阵元数量可以灵活配置，即滤波耦合器的数量根据系统配置的通道数目而定，而不用根据系统不同配置设计多个不同的耦合校准网络。同时，本发明不会对智能天线的形式产生影响。

总之，本发明简单、实用、操作方便，可以减少工程人员的操作步骤，并且，节省空间。

附图说明

图1为中国专利01120547.4所公开的一种无线通信系统智能天线阵的耦合校准网络的实施电路原理图。

图2为使用本发明方法及装置的TDD无线通信基站的结构原理框图。

图3为本发明滤波耦合器的一个实施电路原理图。

图4为滤波耦合器实施电路对上行接收通道进行校准的工作原理示意图。

图5为滤波耦合器实施电路对下行发信通道进行校准的工作原理示意图。

具体实施方式

下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明：

参见图2，图中示出一种使用本发明方法及装置的具有智能天线校准功能的TDD移动通信系统的基站结构。此基站结构主要包括N个相同的智能天线阵元11、N个相同的滤波耦合器12、N个基站收发信机13、一个或多个功率分路/合路器14、一根用于传送校准信号的射频电缆15、N条相同的用于传送收发信机信号的射频电缆16、一个基站信号处理单元17和一个校准信号处理单元18。其中。所述的N为大于或等于2的正整数。各天线阵元11分别通过滤波耦合器12及射频电缆16与对应的基站收发信机13相连；用于传送校准信号的射频电缆15一端通过功率分路/合路器与滤波耦合器的耦合口相连，另一端连接校准信号处理单元18；基站信号处理单元17处理的是基站收发信机13接收或发射的数据；基站信号处理单元18与校准信号处理单元17之间进行通信，从而实现基站收发各通道之间的校准功能。

本发明中的N个滤波耦合器是由定向耦合器集成在系统所需要的腔体滤波器中构成，具有滤波和耦合的双重功能。图3所示为本发明滤波耦合器的一个实施电路。包括与智能天线阵元相连接的天线端口31、与基站收发信机相连的基站接口32、与功率分路/合路器相连的耦合端口33、内部前向耦合器34、内部反向耦合器35以及用于信号隔离的环形器36。其中：所述的内部前向耦合器34和反向耦合器35可以是任何可实现的耦合方式；所述的用于信号隔离的环形器可以是任何可实现信号隔离功能的隔离结构。滤波耦合器除了实现校准信号的耦合功能外，还完成对各种杂散信号的滤波功能。由图3可见，当校准信号由耦合口33输入时，信号经过环形器36进入内部反向耦合器35，经反向耦合器35耦合在基站接口32输出；由于环形器36的隔离作用，校准信号进入前向耦合器34的功率很小，因而由天线端口31输出的功率也很小，从而保证了上行校准信号在天线端输出对周围环境造成的影响很微弱。

图4示意了采用图3所示的滤波耦合器时对基站上行接收通道进行校准的工作原理及方法。基站校准信号处理单元18产生并发射一个已知功率的射频信号，该校准信号通过校准射频信号电缆15输入到功率分路/合路器14，此时的功率分路/合路器起到的是功率分路功能。由功率分路/合路器14输出的N路校准信号分别由N个滤波耦合器的耦合接口33注入滤波耦合器12，校准信号在环形器36的作用下经反向耦合器35的耦合由滤波耦合器的基站接口32输出，经收发信机射频电缆16送到基站收发信机13中的收信机对校准进行接收，N个基站收发信机把接收到的信号统一送往基站信号处理单元17，基站信号处理单元把N个通道的信号特性和校准信号处理单元18中的发射校准信号进行比较，从而完成对基站上行接收通道的校准工作。

图5示意了采用图3所示的滤波耦合器时对基站下行发信通道进行校准的工作原理及方法。N个基站收发信机13中的发信机分时把基站信号处理单元17中的相同下行校准信号通过射频电缆16送往滤波耦合器12的基站端口32，经滤波耦合器滤波，再由前向耦合器34把校准信号耦合到环形器36，校准信号然后经滤波耦合器的耦合端口33接入功率分路/合路器14，最后由校准射频电缆15把校准信号送到校准信号处理单元18。校准信号处理单元分时处理N个通道的校准信号，并与基站信号处理单元所发送的校准信号进行比较，从而完成对基站下行发信通道的校准工作。

在实际应用中，所述的天线阵元可以是圆环阵或线阵智能天线阵阵元；所述的圆环阵可以是圆形、椭圆形、规则或不规则的多边形；所述的线阵阵元间隔可以是等间隔或不等间隔。并且，所述的功率分路/合路器可以是单个1∶N功率分路/合路器，也可以是由多个小于N路的分路/合路器连接而成的1∶N功率分路/合路器。以及，滤波耦合器器耦合值可以为任何有效值。因此设置可以灵活多样。

本发明所述的方法和装置，虽是针对TDD无线通信系统提出的，但对于FDD无线通信系统，滤波耦合器经过简单的改变同样可以应用。在实际工作流程中可以互换顺序。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (9)

1、一种TDD无线通信系统智能天线阵校准装置，包括：N个天线阵元、基站校准信号单元、至少一个功率分路/合路器；所述功率分路/合路器的合路端连接基站校准信号单元的校准端；其特征在于：所述装置还包括N个滤波耦合器，所述滤波耦合器包括与所述天线阵元对应连接的天线端、与基站射频通道对应连接的基站端、与所述功率分路/合路器的分路端对应连接的耦合端、内部前向耦合器、内部反向耦合器以及用于信号隔离的环形器；当校准信标信号经由所述耦合端输入时，所述校准信标信号经所述环形器进入所述内部反向耦合器，并经所述反向耦合器耦合在所述基站端输出；当校准信标信号经所述基站端输入时，所述校准信标信号经所述前向耦合器耦合至所述环形器，并经所述耦合端输出；其中N为大于或等于2的正整数。

2、根据权利要求1所述的天线阵校准装置，其特征在于：所述的N个滤波耦合器是由定向耦合器集成在系统所需要的腔体滤波器中构成；所述N个滤波耦合器的耦合值为任何有效值。

3、根据权利要求1或2所述的天线阵校准装置，其特征在于：所述的天线阵元是圆环阵或线阵智能天线阵阵元。

4、根据权利要求3所述的天线阵校准装置，其特征在于：所述的圆环阵是圆形、椭圆形、规则或不规则的多边形；所述的线阵阵元间隔是等间隔或不等间隔。

5、根据权利要求4所述的天线阵校准装置，其特征在于：所述的功率分路/合路器是单个1∶N功率分路/合路器，或者是由多个小于N路的分路/合路器连接而成的1∶N功率分路/合路器。

6、一种应用权利要求1所述装置的校准方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

A、为N个智能天线阵元对应设置N个完全相同的滤波耦合器和与N个滤波耦合器相连接的至少一个功率分路/合路器；

B、将所述N个滤波耦合器的天线端分别与所述N个智能天线阵元相连接，其基站端则通过射频电缆分别与N个基站射频通道相连接；将校准信标信号接入所述功率分路/合路器的合路端，所述功率分路/合路器的分路端通过射频电缆分别连接对应的所述N个滤波耦合器的耦合端；

C、由基站输出校准信标信号，经所述合路端输入所述功率分路/合路器，再由所述功率分路/合路器把所述校准信号分成N路后经所述耦合端分别输入所述N个滤波耦合器，经所述滤波耦合器的校准信号从滤波耦合器的基站端输出，通过射频电缆传输至对应的基站接收通道，由基站接收通道处理接收到的校准信标信号，完成对上行接收通道的校准；

D、由基站的N个发信通道分别发送所述校准信标信号到相对应的所述滤波耦合器的基站端，并经其耦合端输出到所述功率分路/合路器进行功率合成，再经过功率分路/合路器的合路端输入所述基站接收通道，所述基站接收通道分别处理来自基站N个发信通道的校准信号，完成对下行发信通道的校准。

7、根据权利要求6所述的校准方法，其特征在于：所述的步骤C和步骤D，其顺序可以互换。

8、根据权利要求6所述的校准方法，其特征在于：步骤C所述的由基站接收通道处理接收到的校准信标信号，包括如下处理：N个基站收信机把接收到的N个通道的信号统一送往基站信号处理单元，基站信号处理单元将N个通道的信号特性和校准信号处理单元发射的校准信标信号进行比较。

9、根据权利要求6所述的校准方法，其特征在于：步骤D所述的基站接收通道分别处理来自基站N个发信通道的校准信号，包括如下处理：把来自功率分路/合路器合路端的校准信号送到校准信号处理单元，校准信号处理单元分别处理N个通道的校准信号，并与基站信号处理单元所发送的校准信标信号进行比较。

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