天线阵的校准方法和装置 本发明涉及天线阵的校准和相关的电子技术，尤其是在移动通信系统中的使用，特别是码分多址(CDMA)系统。
已知在其中阵列元件是独立可调的天线阵比单一的天线优越。例如，在移动通信中，信号可以特定的指向一个移动装置，改善了增益。使用具有多个天线元件的天线阵的商用系统是已知的技术，其中多个天线元件是与不同的接收机和发射机连接的。
这样的天线阵的已知的问题是，用于在制造容差、不同的电缆长度和在发射机和接收机技术中在有源元件中的差别，所以造成在单个元件之间在相移或增益方面的差别。即，如果同一信号被馈送到所有的发射机，从相应天线辐射出的信号在幅度和/或相位上可能不同。类似的，当同一信号被阵列中地所有的天线接收时，由接收机设备输出的信号在幅度和/或相位方面可能不同。
为克服这个问题，已知的是存储校准矢量，例如包含一系列复杂的相乘系数，限定天线阵和相关电子设备的特性。这些特性的确定通常需要成熟的校准设备，而且基本的校准通常只是在安装时或是制造阵列时执行一次，或是分类的校准矢量通常被分配给一特定类型的设备。
对于通过一个校准信号替代正常信号的相位阵列的校准中有几个提议，一个例子公开在WO-95/34103；这些是不适合用于需要不中断通信而进行校准的在用通信系统中。
另外还有几个基于遥控校准装置实现天线阵校准的方案。US-A-5546090描述了一种在天线阵的校准中使用的发射机应答器，其接收从天线阵发送的信号并将它们返回到相同的阵列，以致使校准电子设备可以直接的耦合到该阵列，而且应答器本身可以是相对简单便携的装置。在校准步骤中的问题是，即使是相对简单的装置，分离的遥控天线的使用复杂化了校准过程和妨碍了常规的校准。
EP-A-713261公开了用于卫星的天线阵校准的结构，其中一“小”(低功率/限制带宽)探测信号被发送使得对其它信号造成不可接受的干扰。低功率探测信号的使用可能使测量变得麻烦(需要精密的遥控校准台)并且可能需要较长的累计时间。
GB-A-2313523描述了一种用于校准误差修正和修正电路的系统，尤其在GSM系统(全球数字移动电话系统)中，其是通过将一低功率宽带信号注入到误差修正电路中，该误差修正电路是通过一直接耦合装置与主要的发射机/接收机电子设备链电路隔离的。应看到此文献是与内置的校准电路相关的，并且没有处理在用状态的上行链路和下行链路的接收机或发射机电子设备的基本的校正问题。
按照本发明，由其是在CDMA系统和在高频情况下，需要提供某些装置，进行实际用于信息的发射和接收的发射机和/或接收机电路的“带电”校准，因为这将能够更频繁和更可靠的校准。
因此本发明的目的是适合于天线阵“带电”校准的方法和装置，即校准可以在阵列使用的同时进行。另一目的是提供一种方法和装置，该装置不需要一分离的遥控校准装置或应答器。
根据本发明的第一方面，提供了一种方法，其至少校准与天线阵单元耦合的发射机或接收机的链路部件的一部分，并且与天线阵单元传递多个通信业务信号，该通信信号根据给定的基本上相互正交的编码方案编码，该方法包括步骤：
注入校准信号到该链电路中，该校准信号是根据所述给定的将基本正交于所述通信业务信号的编码方案编码，；
取出注入的信号；以及
根据取出的信号校准所述部分。
在这种方法中，在校准期间，天线阵的正常工作基本上不受影响，通信业务信号的发送或接收可以基本上不间断的连续进行。本发明的另一优点是“带电”发射机和接收机电子设备的常规或准连续校准可以在没有妨碍用于通信业务的天线阵的使用的情况下进行的。另一个重要优点是校准信号可以通过与通信业务几乎相同的方式被校准电路处理，并且经受几乎相同的相位和幅度失真，所以校准应是更精确的；这是本发明值得肯定的，在校准信号是与通信信号不同自然属性(例如低功率，窄频带，不同频率)的已有技术结构中，校准信号将经受不同的相位或幅度失真，尤其是由于在接收机或发射机电路中非线性元件造成的失真，导致不精确校准。
对于基本上相互正交的信号这意味着这些信号相互间基本上不产生干扰。
在本发明的装置的第一方面，本发明提供的装置用于至少校准通信设备的发射机或接收机部件的链电路的一部分，该部分设置用于与天线阵的一单元耦合，以便与该天线阵单元传递多个通信业务信号，该通信业务信号是根据给定的编码方案基本相互正交的被编码，装置包括：
用于将校准信号注入到该链路中的装置，该校准信号是根据所述的编码方案被与所述通信业务信号基本正交地编码；
用于取出注入的校准信号的装置；以及
根据取出的信号用于为所述的部分确定至少一个校准参数的装置。
在本发明的设备的第二方面，本发明提供了用于与具有多个单元的天线阵耦合设置的通信装置，该通信装置包括：
多个发射机部件和接收机部件的链电路，每个链电路是设置用于与天线阵的各个单元耦合，以及设置为把多个通信业务信号传送到天线阵或自天线阵传送出，这些通信业务信号是根据一编码方案基本相互正交地被编码的；
用于将校准信号注入到该链电路中的装置，该校准信号是根据所述的编码方案与所述通信业务信号基本正交地被编码；
用于取出注入的校准信号的装置；以及
根据取出的信号用于为所述的部分确定至少一个校准参数。
信号最好是本地注入或取出。涉及的“本地”注入和取出意味着其中不包括采用一遥控装置或应答器的结构；校准装置最好是与将被校正的装置集成的。
天线阵较好是设置成用于通过多个定义的(物理的或逻辑的)信道通信，并且校准信号最好是注入到没有被通信业务使用的一个或多个信号。
天线阵最好是设置成用在CDMA通信系统中，而且校准信号最好是用不同于分配给通信业务的编码的一种或一种以上扩展码编码。
在CDMA系统的情况中，至少对于发射机一侧的校准，该校准信号最好是用单一的正交可变扩展因子(OVSF)短码编码注入的，该编码不同于通信业务所用的OVSF编码。这可以避免校准需要使用多个OVSF编码并避免与用户业务的干扰。在下行链路一侧只有限制数量的可用OVSF编码。用于上行链路使用加密编码法以区别移动装置，所以约束不严格，但是对于接收机一侧的校准最好只使用单一OVSF和加密编码。
因为使用了与通信业务所用的相同的编码方案，所以校准所需的硬件可以是与通信信号的解调所需的相同的，简化了设计和测试。
本发明可以应用在天线阵的接收机和发射机二者中的一侧或两侧。
在发射机一侧电子设备的校准中，该短编码还被在天线阵的单元之间不同的一数据序列调制，并且在一完整的积分周期内被选择致使每个发射机链电路的OVSF和数据序列的组合相互正交。在这种方式中，来自发射机一侧链电路的信号可以使用一单个的变换器合并和下变换，而不需要分开的OVSF短码。
在发射机一侧，较好的是将独立的可识别的信号基本同步的馈送到多个发射机链电路中的每一个，每个发射机链电路耦合到不同的阵列单元。这能使将被组合和将被取出的信号使用一个接收机。这就避免了使用多个变换器的需要，并允许单元的同步校准。
在发射机侧电路的校准中，校准信号较好的是在数字-模拟变换之前以数字域方式注入。此外，在发射机侧电路的校准中，校准信号较好的是通过射频联接器采样，该射频联接器将传输线馈送的信号与相应的天线单元耦合。
在接收机侧电路的校准中，校准信号是通过射频联接器注入，该联接器耦合来自相应的天线单元的传输线接收信号。此外，在接收机侧电路的校准中，在接收的信号的模拟-数字变换之后，校准信号较好的是在数字域中取出。
上面所述的在数字域中的注入或取出可以简化处理过程。
上面所述的射频信号的注入或取出可以避免对分开的天线的需要，这种天线的安装可能是繁重的，或者其可能干扰有天线阵发射的或接收的信号。这些联接器较好的是设置的靠近如在任何一长电缆的天线一侧运行的每个天线单元，以最小化天线单元和联接器之间的任何可变因子。换句话说，可以设置一分开的天线以将射频信号耦合到天线单元。
校准信号的注入以及常规的获得校准的测量最好是(例如至少每个小时，较好的是至少每分钟，更好的是至少每10秒钟，再好的是至少每秒钟或)基本连续的进行。如果校准是以每秒钟约10次进行，或是更好一些以至少50赫兹，最好是以至少约100赫兹进行，在每个接收机或发射机中产生的本机振荡器的信号的相位偏移可以被跟踪。
通常的通信业务信号将是以帧发送的，通常是小于1秒的周期(典型的是10毫秒或20毫秒)。校准信号最好是基本上以每个预定数量的帧注入的(在正常操作中，在某些意外的情况下，例如在测试或维持期间或在特别重的通信业务情况下，这可能被中止)例如，较好的是至少约每100帧，更好是至少每10帧，再好是每帧，或每隔一帧。帧可以被组合成超级帧(例如720毫秒周期)，校准能够以近似每一超级帧的方便的进行。
这种定期的校准能够使在校准中，例如，由于设备的温度变化造成的小偏差被可靠地跟踪，并且还能够快速地进行错误检测。本发明的一个优点是，与某些在其中频率校准是被不当的显示的已有技术方法相反，能够几乎没有可注意到的通信信号质量下降和与校准相关的非常小的带宽开销。一个非直接的优点是系统可以作为一个整体设计，以强化校准容差限制，将能够使范围更大或用户更密集。
图1是采用本发明的移动通信基站的简化的示意图；
图2是实施本发明的图1的系统的变化形式的部分的示意图。
参照图1的简化示意图，以移动通信基站包括：通过传输线21与发射机天线阵20耦合的并且通过传输线2 3与接收机天线阵22耦合的信号处理电路10。天线阵20和22可以是物理上不同的，如图所示，在通常情况下，但不是必须，它们设置在相互物理上的接近的位置。换句话说，使用一个适当的双工电路，一个单个的物理的天线阵可以用于发射和接收二者。天线阵是用在具有多个移动通信电话30a，30b或其他移动通信装置无线通信中。基站处理电路10通过光纤，电连接器或微波链路与一核心电信网络11耦合。
基站处理电路10包括基带数字信号处理器12，用于处理来自通信网络的将被发送到一移动装置的信号，并用于处理为向电信网络传输所接收的信号。数字信号处理电路通常包括射束形成网络并将进行编码生成。数字信号处理器的输出通过数字-模拟变换器14和上变换器16阵列，用于从基带信号(例如低兆赫兹的芯片率，如，4.096兆赫兹)到适合于传输的功率电平和频率(例如，在1-2千兆赫兹的量级上的较低的瓦数或数十瓦，这些参数取决于分配的带宽)。从天线阵接收的信号在低噪声放大器中放大，被下变换器18下变换并解调，然后馈送到模拟-数字变换器19，用于通过带宽数字信号处理器12进行处理。
这里所用的术语“上变换器”被用于表示模拟发射机链电路，该链电路通常包括一调制器，例如一QPSK(四相移键控)调制器和一功率放大器。类似的，术语“下变换器”用于表示模拟接收机链电路，该链电路通常包括低噪声放大器和一解调器。
基站电路10通常将包括通过使用预编程的校准系数用于校正相位和幅度容差的设备(未示出)。这个设备可以被设置作为分立的移相器网络或者可以部分地或完全地集成在基带信号处理器12或者是上变换器16和下变换器18中。
天线阵可以是任何的结构，例如，具有任何所需的数量的单元的直线的或环形的，通常单元的数在2和10之间，并且可以在一维或二维方向扩展。
如参照图1所描述的，该装置可以是基本上或完全通用的并可以是基于所要求的任何设备，例如，在WO 95/34103或GB-A-2313523中所公开的内容被结合作为参考。
被发明最好被用在与ETSIUMTS地面无线电通道(UTRA)标准或日本的W-CDMA系统，该系统是按ARIB制定的标准，或从中引伸出的。本领域所熟悉的兼容标准被包容在其中作为参照。
参照图2，下面将根据本发明的最佳实施例描述在基站的校准中使用的改变的形式和/或附加的部件。如前面所描述的，这些变化的形式可以独立的用于发射机侧电路的校准或接收机侧电路的校准，或者较好的是用于二者。
首先考虑接收机一侧的电路，如上面所描述的，下变换器18接收通过传输线23的来自接收机天线阵22的信号，下变换器18的输出以常规的方式馈送到用于处理接收的通信业务的电路。在最佳实施例中，一校准信号(其发信端将在下面描述)是以射频通过联接器100的方式注入到各个传输线23，联接器理想的是物理位置于靠近天线阵22。根据本最佳实施例，除了被传递到通信信号处理设备之外，下变换器的输出被馈送到用于校准下变换器的一校准信号处理器106，下面将进一步的描述。
下面涉及发射机一侧的电路，如上面所描述的，上变换器16接收来自数字信号处理器12的用于发送的基带通信信号，并产生输出，用于通过传输线21耦合到天线阵20。除了通信信号之外，校准信号(其发端较在后面描述)(最好是通过数字域方式进行处理的)被注入到提供到各上变换器16的信号流中。在每个传输线中，每个上变换器的输出是以射频由联接器112采样，联接器理想的是物理的位于靠近天线阵20。
校准装置的整个操作是在校准控制器105的控制下进行的，控制器105控制校准信号的产生，分析和其他功能，如将被进一步描述的那样。
现在将描述校准信号的产生。在最佳实施例中，对于接收机侧的校准信号是由校准信号产生器107提供的，校准信号产生器107通过线路108向一分配器110提供一单一信号。该分配器为每个联接器100提供分别的信号，联接器100与传输线23耦合，传输线用于将来自接收机天线阵22的信号耦合到下变换器18。通过临近天线阵的天线单元安装的外部天线装置也能够耦合该校准信号。
该校准信号包括利用没有分配给在用的移动装置30a、30b的上行链路扩展码编码的“伪”数据，但是其最好是具有与可以有一移动装置发送的信号相同格式(然而其他格式也可以采用)。该信号可以做成一语音或数据信号的格式。通常，预期语音和数据信号二者的失真是类似的，所以仅需要使用一种类型的校准信号，并且可以按照变换数据包的格式提供。这里，在最佳实施例中，同一校准信号产生器被用于发射机侧的电路的校准，接收机侧的校准信号最好是相同格式的信号，以简化设计。
校准信号最好是以尽可能低的电平注入以使干扰最小化。需要的电平是在为了精确相位和幅度测量所需的积分之后，由积分时间和信号/噪音比确定的。通常，该功率电平将是与从天线阵接收的(干净)信号的电平相似的，例如等效于在满信元负载时的单一用户信号。
现在转到发射机侧的校准信号，同一校准信号产生器107通过线路109为每个发射机链路提供分开的校准信号：这些信号与通信业务信号数字求和并被馈送到上变换器16。校准信号最好是以尽可能的与足够的信噪比兼容的低电平注入，以使对通信业务信号的干扰最小化。校准信号是作为由单一OVSF短码编码的数据提供的，并且对于每一上变换器16是一不同的数据序列，以致当积分超过10毫秒数据帧周期时这些信号相互正交。这些数据序列可以是按已知的方式从正交戈尔德编码中选择。正交戈尔德编码不是全部正交，最好是采用沃尔什编码。
我们发现基于在UTRA RTT的5.3.2.2.1节描述的方法，通过扩展OCSF编码树能够方便的实现正交。因此，如果c0是256长度的OVSF码，对于2个单元的校准信号可以是如下生成的：
s0＝[c0 c0]
s1＝[c0-c0]
这里s0和s1中每一个是长度512芯片被将在测量期间周期的重复。对于4个单元，将使用下面的编码：
s0＝[c0 c0 c0 c0]
s1＝[c0 c0-c0-c0]
s2＝[c0-c0 c0-c0]
s3＝[c0-c0-c0 c0]
它们的每一个是1024芯片长，并且将在测量周期重复。
最好是用较长的信号序列取代重复的短序列，或者改变每一帧使用的序列，以使对业务信道的造成的干扰随机化。
下面将讨论校准信号的分析。在接收机一侧电路的校准中，与校准信号对应的下变换器的输出是基带电平，并且是与对应于从移动装置接收的一信号的输出相似。如果该设备被理想的校准，所有的信号将是相位和幅度相同的。每个信号与被发射的信号相关以确定与相对于该被发射的信号的相位和幅度，然后这些结果被关联以获得各个接收机之间的差别。类似的技术也被在基站中的数字信号处理器12中采用，以提供适当的加权值已定位来自移动装置30a，30b的引导信号的发端；这个分析的结果最好被用于从在一特定的位置的一给出的移动装置中选择信号，并且以产生一用户的波形加权矢量，以将下行链路信号引导向移动装置。
该校准信号可以被认为是从与所有的天线单元等距离的一虚拟的移动装置发出的(或者如果注入到接收机链路的信号已知量上不同时，则是在某些其他的预定位置发出的)。因此为设备校准信号源的虚设移动装置的视在位置给出来一测量校准误差。
为接收机侧电路存储的校准因子可以跟随分析被调节(例如按分级变化，或通过直接计算新参数)，直到从各下变换器获得相等相位和幅度。
在上变换器的校准中，显然上变换器的输出在射频上是由联接器112采样的。同时从原理上讲，这些信号的分析可以直接进行，使用与在接收机侧信号分析的相同方式以数字域方式分析这些数据则是更方便的。当然，这需要下变换信号，并且这必须是在没有引进位置的误差的情况下进行的。在最佳实施例中，为校准专用下变换器101的下变换，这些信号在频率上在合成器111中直接的合成，专用下变换器101向校准信号处理器106馈送除了从其他下变换器接收的信号之外的信号。
最好使用用于校准的专用的下变换器，尽管如果发射的信号被适当的衰减和变频时其也可以做出被已存在的接收机使用。
合成器111的使用允许提供单独一个信号校准下变换器，这就减少了部件和避免对将需要的分开的下变换器的维持或检查校准的需要。合成这些信号的另一优点是能够进行所有上变换器的同步的校准。然而，作为上述结构的一种变化形式，专用的校准下变换器可以是为每个上变换器提供的，或者每个上变换器的输出可以顺序的馈送到校准下变换器的输入端。
如上面所述，因为校准信号是相互正交的，所以合成的信号可以以数字域方式进行分析以识别不同的发射机链路信号。然后这些不同的信号被关联以识别模拟方式中的相位和幅度差，以分析来自不同接收机链路的信号。
在从各发射机链路取出信号之后，发射机侧电路的校准因子被调整，直到所有的信号相位和幅度相等(或如果注入信号有相位和幅度的不同的话，相位和幅度对应于被注入的信号)。
根据上面描述的结构，校准是明显有效的，并对通信业务产生最小的中断(只有关于执行每一校准信号的额外开销，其与通信业务总量相比通常是很小的)。因此能够进行常规的校准，用于在模拟电路中本机振荡器中的移位造成的小偏移可以被精确地跟踪。通过连续地发送载有校准信号的帧，更能够进行有效连续的校准。然而，由于将被实施的误差校准电路的调整通常将用去有限的时间(这里误差校校准是数字的进行的，所以实际上能够即时地实现校准)，通常所需要的是仅在每一变换的帧进行校准或是仅为一部分帧发送校准信号并留下其中使校准的调整起作用的某些部分(例如一个时隙)。
尽管本发明应用在CDMA系统中是最好的，其中使用了加密码编码校准信号使得能够进行有效的校准，但是本发明也可以扩展到FDM(频分多路复用)或TDM(时分多路复用)系统。
在描述移动鲜花系统基站的同时，本发明也可以应用于其他具有天线的系统，并且可以用于具有两个或更多的天线的移动装置中。
除非所说明的之外，上面所公开的每一特征是可以分别提供的。