CN1246924A - 多普勒定向仪以及用多普勒定向仪定向的方法 - Google Patents

Abstract

多普勒定向仪包括与定位点(53)有一定距离的至少一个天线(52)。将这至少一个天线(52)安装为使其在使用时能围绕旋转点(53)旋转。这至少一个天线(52)被设计为,使其能够提供包括由所述至少一个天线(52)接收的、合并有多普勒频移分量的第一输出信号。这里有用于提供包括所接收到的、不含多普勒频移分量的信号的第二输出信号的装置(70)。处理装置(54－82)处理第一和第二信号,以获取多普勒频移分量。确定装置(88)从这个多普勒频移分量中确定出来自接收信号的接收方向。

Description

多普勒定向仪以及用多普勒定向仪定向的方法

本发明涉及多普勒定向仪，尤其涉及但不是唯一地涉及在蜂窝通信网站中所用的多普勒定向仪。本发明还涉及对例如是使用多普勒定向仪的移动台进行定位的方法。

我们所了解的多普勒定向仪被设计用来从所接收到的信号中确定方向。但是，这些已知的多普勒定向仪通常被设计而工作于经过相对简单调制的接收信号，这些筒单的调制例如可以是频率调制或幅度调制。已知的多普勒定向仪可能不适于用在含有相对复杂调制的接收信号，这种复杂的调制例如可以是高斯最小偏移键控(GMSK)。特别是，如果使用了复杂调制，则已知的多普勒定向仪需要增加许多时间，以便由所接收到的信号来确定方向。如果在定向仪必须从同时接收到的若干信号中来确定出方向的情况下，这就成为一个问题。随着调制的复杂程度的增加，多普勒定向仪的检测范围和精度下降了。

在已知的蜂窝通信网中，一个固定的基地发送接收站(BTS)被设计为，能将信号发送到移动台(MS)，或接收来自移动台的信号，该移动台例如可以是位于由上述基地发送接收站所服务的蜂窝或蜂窝扇区内的移动电话。对于BTS和MS之间的一般通信传输，只要BTS和MS之间的通信质量令人满意，则有关蜂窝或蜂窝扇区内的移动台的精确位置的信息就不重要了。但是，美国权威机构(FCC)最近引入一种规则，即要求在蜂窝或蜂窝扇区内的移动台呼叫一种紧急业务时，该移动台的位置必须被定位在125米的范围内。已经提出了几种方法对蜂窝或蜂窝扇区内的移动台的位置进行定位。一种方法是利用信号到达的时差(TDOA)的原理。使用到达时差的方法，来自一个移动台的信号被若干基地发送接收站接收。通过观测来自指定移动台的一个指定信号到达若干基地发送接收站所需的时间差，就有可能确定出该移动台的位置。但是，如果来自一个移动台的信号仅仅可被单独的一个基站接收时，就不能使用这种方法。另外，还存在许多困难，这些困难与提供所需的每个基地发送接收站的定时信号，以便能确定该时间差相关。

在所提出的另一种方法中，使用了定时超前信息(timing advanceinformation)。在时分多址联接(TDMA)蜂窝网中需要定时超前信息。在时分多址联接蜂窝网中，使用了若干时隙。一帧由预定数目的许多时隙组成。对每个移动台，在每一帧内都分配给它一个指定时隙，用于该移动台与基地发送接收站进行通信。但是，与移动站和基地发送接收站距离较近时相比，当移动台距离基地发送接收站相对较远时，信号到达基地发送接收站所花费的时间也较长。

为正确地处理所接收到的来自各种移动台的信号，来自每个移动台的信号必须是在所分配的时隙内由基地发送接收站接收。为确保信号能在所分配的时隙内被接收，基地发送接收站将要向移动台提供定时超前信息。这一信息表明移动台何时应该向基地发送接收站发送自己的信号。因此，当移动台距离基地发送接收站相对较远时，该移动台将会比移动台距离基站相对较近时更早地向基站发送自己的信号。因此，由移动台发送的信号能在所分配的时隙内被基地发送接收站接收。由此，定时超前信息是移动台和基站之间距离的一种度量。但是，如果信息是来自于仅仅一个可用的基站时，这一***就不精确了。另外，这种方法不能提供任何有关诸如接收信号的方向之类的提示。如果注意到来自两个基站的定时超前信息，则这种方法可得到改善。但是，还会存在与所需的定时信号的提供相关的问题。

因此，本发明的确定实施例的目的是减少或至少减轻这些问题。

依据本发明的一个方面，提供了一种多普勒定向仪，包括：

至少一个天线，该天线与旋转点有一段距离，所述天线被设计为，在使用时能围绕所述旋转点旋转，所述至少一个天线被设计为能提供一种包含由所述至少一个天线接收到的、组合有多普勒频移分量的信号的第一输出信号；

一种用于提供一个不含多普勒频移分量的、包含所述接收到的信号的第二输出信号的装置；

一种用于处理所述第一和所述第二信号，以获取所述多普勒频移分量的装置；以及

一种用于由所述多普勒频移分量中确定出接收信号的接收方向的装置。

通过处理第一和第二信号，可解除任何接收信号的调制分量。因此，可发现，这个装置可允许多普勒定向仪的检测范围增加，同时还可允许得到更精确的结果。采用本发明的多普勒定向仪确实具有一个快速稳定时间的优点，这在无线电远程通信网中尤为有用。

在至少一个天线进行机械旋转的情况下，可获得满意的效果。但是，如果这至少一个天线是进行电旋转时，则可提供至少三个天线。最好可提供3个到10个天线，但在4个到8个天线之间可获得良好效果。

用于提供第二输出信号的装置最好包括另一个天线。这另一个天线可具有穿过旋转点的一个轴。这另一个天线可与上述至少一个旋转天线位于同一个平面上，或者也可在上述至少一个天线之上或之下。这一特征具有这样一个优点，即由这另一个天线所接收的信号与由所述至少一个旋转天线接收到的信号相比，可能会非常相似，但是它不包含多普勒频移分量。尽管在一些实施例中，这另一个天线可以绕自轴旋转，但是这另一个天线最好实质上是静止的。

在另一个实施例中，用于提供第二输出信号的装置包括将来自至少一个天线的若干信号进行组合，以提供所述第二输出信号的装置。这种方案具有这样一个优点，即对于第二信号来说，它不需要单独的天线。另外，在这些提供了若干旋转天线的实施例中，由于信号是由一个以上的天线接收的，所以减小了与信号衰落相关的问题。信号的如此合并使得所有多普勒频移分量都被除去。

所接收到的信号最好包括一个调制载波。加到载波上的这种调制可以是高斯最小偏移键控调制。因此，有可能在蜂窝通信网中使用多普勒定向仪。这个蜂窝通信网可以是一个时分多址联接网。

这至少一个天线被设计为这样，使其在使用时，能在时分多址联接网的时隙内至少转动一次。最好是，该至少一个天线能在所述时隙内至少转动两次，并从该时隙的中间期所接收的信号中确定出方向。这样，可不理睬在该时隙的开始和结尾处读取信号所引起的异常情况。

依据本发明的第二方面，本发明提供了一种多普勒定向方法，它包括以下步骤：

围绕一个旋转点旋转至少一个天线，以便能提供第一输出信号，该信号含有合并了多普勒频移分量的接收信号；

提供一个第二输出信号，该信号包括不含有多普勒频移分量的接收信号；

处理所述第一和第二信号，以获取多普勒频移分量；以及

从多普勒频移分量中确定出信号的接收方向。

依据本发明的第三方面，本发明提供了一种对时分多址联接通信网的一个蜂窝内的移动台进行定位的方法，它包括以下步骤：

使用在上文中定义的多普勒定向仪，从所接收到的由所述移动台发射的信号中，确定出信号的接收方向；

使用定时超前信息来确定移动台和基站之间的距离；以及

使用所确定出的距离和所确定出的方向来确定移动台的位置。

这种方法具有这样一种优点，即甚至是在考虑使用两个或更多个基站来确定位置时，都不需要复杂的基准时钟信号。

为更好地理解本发明以及为使其得到相同的实现，将参考通过结合以下附图所举的例子进行说明，其中：

图1显示了已知的多普勒定向仪的方框图；

图2显示了图1的信号源和天线的示意图；

图3a显示了用于图1中旋转天线的、频率变化与时间之比的图；

图3b显示了用于图1中旋转天线的、相位变化与时间之比的图；

图4显示了采用依据本发明的多普勒定向仪的方框图，该图详细地说明了接收机；

图5显示了图4的多普勒定向仪的方框图，该图详细地说明了控制单元；

图6显示了在一个时隙内，从移动台所接收到的一个典型的信号；

图7显示了当天线在一个时隙内转动两次时，所得到的相位变化与时间之比的图例；

图8显示了采用本发明的另一个多普勒定向仪的方框图；以及

图9显示了用于图8的天线的最佳排列方式。

图1说明了一个已知的多普勒定向仪2，对其进行说明是为了辅助理解本发明。多普勒定向仪2被如此设计，使其能处理经幅度调制(am)或经频率调制(fm)的信号，以便确定那些信号的接收方向。多普勒定向仪2具有四个旋转天线4，它们被设计为或者可围绕中心点3进行机械旋转，或者可围绕中心点3进行电旋转。这四个天线4被设计为正方形结构。天线4具有按照需要所选定的一个旋转速度。

为确定出信号的接收方向，现在，在说明图1的其余器件之前，将参考图2进行说明，图2说明了由图1中的多普勒定向仪2所使用的多普勒频移原理。为简单起见，假定天线4围绕中心点3进行机械转动。在图2中，一个fm或am信号源5被放置在距四个天线4有一定距离的地方。天线4围绕中心点3按箭头7的方向旋转。一般，当一个天线处于图2中所示的位置a时，顺箭头A的方向，有天线的瞬时分量。这样，在位置a处，天线的速度分量与来自源5的信号的传播总方向9垂直。因此，当处于位置a时，由天线4接收到的信号没有多普勒频移分量。

众所周知，当在信号源和接收机之间存在相对运动时，可观测到多普勒频移效应。当信号源和接收机相互靠近时，与信号源所发出的信号频率相比，接收机所接收到的信号的频率升高了。与此相反，当信号源和接收机彼此远离时，与信号源所发出的信号频率相比，接收机所接收到的信号的频率降低了。

当天线处于与位置a呈90°的位置b时，天线将顺着箭头B的方向转动而远离源5。这样，当处于位置b时，天线4的运动方向远离源5，而这正好与信号从源5传播到天线4的方向一致。因此，当处于位置b时，最大地降低了天线所接收到的信号频率。着这就是上文中所说明的多普勒频移效应的结果。

当天线4处于与位置b呈90°的位置c时，天线4在箭头C的方向上具有速度分量。这与天线处于位置a时的情况相似，当处于位置c时，天线的速度分量与对来自源5的信号的接收方向呈直角。因此，当天线处于位置c时，没有多普勒频移分量。

当天线处于位置d时，天线4在箭头D的方向上具有速度分量，箭头D的方向是向源5靠近的方向。因此，由于多普勒频移效应，所接收到的来自源5的信号具有被最大程度地提高了的频率。应该能理解，当天线转动到除上述四个位置以外的其它位置时，也能观测到多普勒频移效应。但是，所观测到的多普勒频移处在当天线位于位置b和d时所观测到的最大频移值以及当天线处于位置a和c时所观测到的零偏移值之间。

以下，将参照图3a进行说明，图3a显示了用于一个旋转天线的频率变化——时间图。同时在图3a中，还示出了在频率值中获得相应变化的天线的位置。正如能看到的那样，当天线处于位置b时，天线所接收到的信号频率最小，同时，当天线处于位置d时，所接收到的信号频率最大。应该理解，为获取图3a所示的图，来自所有四个天线的信号信息被组合。多普勒频移的频率与天线的转动频率相等。

图3b显示了所接收到的信号的相位改变与时间的关系图。应该理解，频率改变和相位改变之间的关系如下所示：

其中φ＝相位

通过识别实际角位置，有可能确定对来自源5的信号的接收方向。图1中所显示的电路图是如此设计的，使其能处理所接收到的信号，以便确定出点a。

再回到图1，多普勒定向仪2具有第一带通滤波器6。即便考虑到接收信号的多普勒频移，由天线4接收的所需信号还是要被限定在一个指定频带内。带通滤波器6是这样设计的，使其能滤除不需要的未落在指定频带内的信号。由带通滤波器输出的信号可以被看作是：

(fc+mod)±df，

其中fc是载波频率，mod是调制分量，df是多普勒频移。经滤波的信号从第一带通滤波器6中输出，并输入到放大器8。放大器8又与一个可变电阻器10相连。放大器8与可变电阻器10相组合，确定了一个自动增益控制(AGC)电路，在该控制电路中，放大器8的增益被调节，以保持其输出处于线性范围内。由放大器8和可变电阻器10所确定的AGC的输出被输入到一个混频器电路12。该混频器电路12还具有来自压控振荡器14的一个输入。振荡器14的振荡频率受晶体16的控制。振荡器14被调谐在频率fk。混频器12产生一个输出，该输出等于接收到的信号(fc+mod)±df与振荡器所产生的频率fk之间的差。所得到的信号频率为：

(fc-fk+mod)±df

fc-fk等于基频fb。众所周知，基频fb是可处理输入信号的频率。

混频器12的输出，(fb+mod)±df，被输入到第二带通滤波器18，该第二带通滤波器18被设计为能滤除由混频器12执行信号处理时可能产生的所有不需要的信号。尤其是，混频器12还可提供一个信号，该信号是两个输入信号的和。滤波器18被设计为能滤除来自这一加法的信号结果。由于来自混频器12的信号输出还包括一个调制分量，所以第二带通滤波器18的输出被连接到解调器20的输入端。解调器的输出将会是fb±df。解调器20的输出被第二放大器22放大。放大器22的输出与高通滤波器24相连。实际上，是使用以下器件中的一个或多个对信号的fb部分进行滤除：带通滤波器8、解调器20、放大器22以及高通滤波器24。

输入到控制单元26的信号可被看作是图3b中所示的信号，即只有df。控制单元26被设计为能确定出信号的df分量的零交叉点，该零交叉点是相对于a参考点的点b和d的实际角位置。应该能够理解，点a到d的实际角位置依赖于所接收到的来自源的信号方向的变化。但是，为从所接收到的信号中得出实际角方向，必须确定出点a的实际角位置。这是通过将事先确定出的点b或d的实际角位置加上或减去90°而实现的。有关所确定出的信号的接收方向的信息例如可以显示在一个显示器28上。

控制单元26还有与四个天线4相连接的一个输出，以控制天线的操作，这种操作包括控制天线的旋转速度。

但是，所说明的与图1相关的多普勒定向仪不适于处理象在GSM、DCS 1800以及PCS 1900蜂窝远程通信***中使用的GMSK(高斯最小偏移键控)这样的使用了复杂调制的信号。调制的类型越复杂，越会降低已知的多普勒定向仪的精度，同时还会降低检测范围。另外，如果信号具有复杂调制，则常规多普勒定向仪用接收到的信号确定出接收方向时所花费的时间会增加。这使得常规多普勒定向仪不可能处理来自不同源的大量的信号，并由此不适用于蜂窝通信网。现在，请参见图4和5，它们显示了采用本发明的用于象GSM、DCS 1800和PCS 1900这样的时分多址联接的蜂窝远程通信网的多普勒定向仪。应该能够理解，那些联系图1所说明的相似的原理同样适用于本发明的实施例。

在说明采用本发明的多普勒定向仪50之前，将简要说明时分多址联接(TDMA)的各种特征。一般来说，TDMA***使用数字信号。由基站发出或接收到的信号被分为若干帧，每帧又被依次分为若干时隙，例如为8个。这8个时隙构成了一帧。这些时隙中的一个可被用于通信控制信号，而剩余的7个时隙将被分配，以便与同特定的基地发送接收站相连的蜂窝或蜂窝扇区内的7个移动台进行通信。

与已知的结构相似，图4和5中显示的多普勒定向仪50包括被设计为能绕中心点53进行电子旋转的四个天线52。正如所了解的那样，在若干被设计为能电旋转的天线中，天线本身并不动，而是通过选择性地从天线中读取信号，并对其进行适当处理，从而模拟出天线的转动。这里可以使用硬开关或软开关。硬开关是在一次只选择一个天线时使用的。软开关是在同一次接通一个以上的天线时使用的。这种装置可以是这样的，即来自一个天线的信号要比来自其它天线的信号强。最好是，天线能够在每一个时隙内转动n次，其中n是一个整数。正如下文中所要说明的，在一个最佳实施例中，天线52被设计为能在每一个时隙内转动两次。天线的转动频率是如下定义的：

时隙数目×时隙频率×天线数目×在一个时隙内的旋转数目

现在请参见图6，图6显示了由移动台发射的并由基地发送接收站在一个时隙TS内所接收的典型信号。正如所看到的那样，在由接地发送接收站所接收到的信号中，在该时隙的开始和结束处分别有上斜坡区域和下斜坡区域。因此，为确定出移动台的方向，有必要在该时隙的中间区域进行测量，避免任何异常的读取。因此，在本发明的一个实施例中，四个天线被设计为能在每个时隙内完整地转动两次。这将会产生如图7所示的结果。因此，由天线52的第一次旋转所产生的信号中的前一半200以及由天线52的第二次旋转所产生的信号中的后一半202被忽略掉，而仅考虑由天线52的第一次旋转所产生的信号中的后一半204和由天线52的第二次旋转所产生的信号中的前一半206。

一般来说，天线52大约间隔1/4波长。当然也可使用其它任何合适的间距。天线52的输出被输入到第一带通滤波器54，而第一带通滤波器54又向第一放大器56和第一可变电阻器58提供一个输出。第一带通滤波器54、第一放大器56和第一可变电阻器58提供了与联系图1所说明的第一带通滤波器6、第一放大器8和可变电阻器10具有相同的功能。一般来说，带通滤波器54将会被调谐到一个合适的频带，以用于蜂窝通信网。例如，在GSM网中，频率大约为800MHz。在DCS***中，频率将会在大约1800MHz，而在PCS***中，频率大约为1900MHz。

天线52所提供的信号可被看作是(fc+mod)±df。df是多普勒频移，并且要比fc+mod低很多。mod代表调制频率，fc为载波频率。可变电阻器58的输出与第一混频器60的输入端相连。第一混频器60还具有来自压控振荡器64的一个输入。压控振荡器的振荡频率受晶体66的控制。振荡器64在等于fc+fb的频率处提供信号。fb是基带频率。第一混频器60的输出是这样的，它等于

((fc+mod)±df)-(fc+fb)＝mod±df-fb。之后，来自混频器60的输出穿过第二带通滤波器62，该第二带通滤波器62被设计为可除去任何不需要的落在所定义范围之外的频率分量。这些不需要的分量可看作是在由第一混频器60执行处理时所产生的。与图1中所说明的装置相似，第一混频器60还提供一个信号，该信号是两个输入信号的总和。滤波器60将滤除由这次求和所产生的信号。第二带通滤波器62的输出端与第二混频器68的输入端相连。

多普勒定向仪50还包括一个另外的天线70。这另一个天线70是一个固定的、不旋转的天线，其轴穿过四个旋转天线52的中心53。在一个实施例中，可将该固定天线70可设计为位于这四个旋转天线的上面或下面。在另一个实施例中，可将该固定天线70设计为处于这四个天线52的中间。该固定天线在其输出端提供信号fc+mod。换句话说，由固定天线70的输出所提供的信号与旋转天线52输出的信号的不同之处仅仅在于没有表现出多普勒频移。由于固定天线70不旋转，因而没有多普勒分量df。由固定天线70接收到的信号被输入到第三滤波器72，该第三滤波器72具有与四个旋转天线52相连的第一带通滤波器54相同的或相似的特性。必须注意，不必要求第一带通滤波器54必须与第三带通滤波器72精确匹配。所述第三带通滤波器72执行与第一带通滤波器54相同的功能，仅仅是对固定天线70所接收到的信号来说的。

第三带通滤波器72的输出与第二放大器74的输入相连，而第二放大器74本身又与第二可变电阻器76相连。与连接有四个旋转天线52的第一放大器56和第一可变电阻器相似，第二放大器74和第二可变电阻器76提供了一个自动增益控制(AGC)电路。第二放大器74一般具有与第一放大器56相同的特性。同样，第一可变电阻器58一般也具有与第二可变电阻器相同的特性。再次说明，应该能理解，第一放大器56和第一可变电阻器不必与第二放大器74和第二可变电阻器76精确匹配，但最好具有相似的特性。

第二可变电阻器76的输出与第三混频器78的输入相连。第三混频器78还接收来自压控振荡器64的一个输入，该压控振荡器64提供一个fc+fb的输入。第三混频器78的输出是这样的：(fc+mod)-(fc+fb)＝mod-fb。再次说明，第三混频器78的特性最好能与第一混频器的那些特性相似。第三混频器78的输出与第四带通滤波器80的输入相连，第四带通滤波器80将会除去由第三混频器78执行信号处理时所产生的落在所需频带外的、不需要的频率分量，例如是由输入到混频器78两个信号信号之和所得到的任意一种信号。再一次说明，第四带通滤波器80具有与第二带通滤波器62相似的特性。第四带通滤波器80的输出与第二混频器68的输入相连。这样，第二混频器68接收来自第二带通滤波器62的这样一个输入：

mod+df-fb

以及来自第四带通滤波器80的一个第二输入：

mod-fb

这样，第二混频器68提供一个±df的输出，该输出被输入到一个低通滤波器82，该滤波器82滤除由输入到混频器68的多个信号的总和而产生的任何一种信号。由于消去了接收信号中的调制分量，因此不用象图1中所示的装置那样必须提供一个解调器。第二混频器68的输出一般具有图3b所示的图形形式。

低通滤波器82的输出与一个放大器84相连，而该放大器82又与高通滤波器86相连。高通滤波器86的输出与控制单元88相连，该控制单元88可依据所接收到的输入信号，确定出所接收到的来自源的信号的接收方向。控制单元88使用联系图2、3a和3b所说明的原理，以便确定移动台的方向。与已知的装置相似，控制单元88的输出与四个旋转天线52相连。

现在，请参见图5，它更详细地显示了控制单元88的结构。应该能理解，在图5中，接收机90与图4中虚线内所示的、并被标记为参考号90的那些器件相对应。

高通滤波器86的输出被输入到一个模拟至数字(A/D)转换器92，它能将模拟形式的输入信号转换为数字形式。模拟到数字转换器92的输出被输入到第五和第六带通滤波器94和96。第五带通滤波器94用于消除模拟到数字转换器92所使用的采样频率。第六带通滤波器96是一个开关电容器滤波器，它具有来自计数器98的一个输入。来自计数器98的输入提供时钟信号，以用于控制开关电容器滤波器96，尤其是其带宽。

控制单元88还具有一个同步输入100，它允许一个同步信号输入到控制单元88。该信号可以是一个帧同步信号或一个时隙同步信号。正如先前所说明的那样，一个典型的TDMA***会使用若干帧，每帧又被分为若干时隙。例如，在每帧的开始处，可产生一个被用作同步信号的信号。应该能理解，有关帧自身的定时是由基站内的时钟控制的。换句话说或者是另外，例如可以是在每次时隙的开始处提供信号。在本发明的另一个实施例中，提供一个独立的同步信号也是可能的。

同步信号输入100与提供了两种功能的方框102相连。方框102的第一功能是将同步信号从其载波中分离出来。时钟分离和调制解调器方框102的第二功能是将来自控制电路88的输出信号加到时钟信号载波上，以提供一个调制解调器信号或一个网际信号，从而由控制电路88提供一个输出。因此输入100还被用作一个调制解调器的输出。框102的第二输出与接收所输入的同步信号的时钟框104相连。由时钟框104处理上述所输入的同步信号，以提供一个时钟信号。时钟框104的输出与受时钟信号控制的计数器98相连。正如可从图5中看到的那样，计数器98具有三个输出。第一个输出105a被送到开关电容器滤波器96。如前所述，来自计数器98的输出105a提供了时钟信号，用于控制开关电容器96，尤其是其带宽。来自计数器的第二输出105b被送到一个天线控制单元106。天线控制单元106控制四个旋转天线52的电旋转速度。来自计数器98的最后一个输出105c连接到定向和输入/输出块108，这在下文中将会详细说明。

开关电容器滤波器96的输出与放大器110的输入相连。放大器110的输出与判定执行框112相连，该判定执行框112被设计为能确定图3b中所示的信号的零交叉点。但是，由于相对于信号的接收方向来说，发生零交叉点的位置为90°，所以，提供有一个延迟框114，用于将判定执行框112所确定的值加上或减去90°。延迟框108的输出与定向框108相连，定向框108能依据延迟框108所接收的输入以及所接收到的来自计数器98的信息，而确定出信号的接收方向。来自计数器98的输入允许输入/输出框108确定发生零交叉点加上或减去90°延迟时天线的实际位置。这是由于天线52的电旋转也是由计数器控制的。这样，就可知道天线52在发生指定事件时与参考点相关的实际位置。因此，输入/输出框108可确定发生零交叉点加上或减去90°时的计数数目，并由此确定出天线52的实际的相应角位置。输入/输出框108还可能涉及有延迟，该延迟是由所接收的信号从天线52传播到输入/输出框108所花费的时间而引起的。

输入/输出框108可包括一个缓冲器，它用于存储在n个时隙之前所确定出的一个给定移动台的方向。这样，任何异常的读取都可被忽略。例如，如果由于多径传播，在一个方向上，在当前时隙所接收到的信号与x个时隙前所接收到的信号大不相同，可以确定当前的读数由于多径传播的影响，而不能表示移动台所处的实际方向。因此，出于对移动台进行定位的目的，这样一种读数可被忽略，而且这种读数可依赖于使用由在先的一个时隙或多个时隙所获得的一个读数或多个读数。输入/输出框108被输入到框102，该框102将方向信息加到调制解调器信号上，以提供一个如上所述的输出。

使用图5和6中所示的多普勒定向仪，有可能确定出信号的接收方向。但是，多普勒定向仪50不能提供象移动台与基站之间的距离这样的信息。因此，为对移动台的位置进行定位，使用了定时超前信息。如前所述，基地发送接收站(BTS)为一个移动台分配一个特殊的时隙，并且由该移动台(MS)发射的信号必须落在该时隙内。但是，与距离基地发送接收站相对较近的移动台所发出的信号的情况相比，当移动台离基站相对较远时，由移动台发送出的信号将会花费更长的时间才能被传送到基地发送接收器。因此，当移动台离BTS相对较远时，基地发送接收站所接收的来自移动台的信号不能在所分配的时隙内被完整接收。如果在其所分配的时隙内，发射到这个移动台的信号不能被完整接收，将会干扰相邻时隙内的另一个移动台接收信号。为解决这一困难，BTS将要对诸如是BTS和移动台之间的距离等执行一个估算。根据这一估算，BTS计算在后将会由移动台所使用的定时超前信息。该定时超前信息将表明该移动台何时应该向BTS发送自己的信号，以便该信号能在为其指定的时隙内被BTS接收。这样，当MS离BTS相对较远时，与MS和BTS之间的距离相对较小时相比，MS将会更早地向BTS发送其信号，以便确保由移动台发射出的信号可在其指定时隙内被BTS接收。这样，定时超前信息是BTS和移动台之间距离的一种度量，同时，多普勒定向仪对移动台的方向提供一种指示。使用这一信息，有可能将发出信号的移动台定位在、特别是小于125米的精度内。

如果来自移动台的信号可被一个以上的基站所接收，而每个基站又具有采用本发明的多普勒定向仪，则***的精度可进一步得到改善。这样，在每一个基站，都对移动台的可能的位置进行确定。通过使用来自两个或更多个基地发送接收站的这一信息，***精度提高了。如果使用后一种方法，则需要一种能控制若干基站的主控制器，以便使用来自每个基站的信息，确定出指定移动台的位置。一般来说，仅使用一个基站，可用±2°±800m的精度对移动台定位。如果使用两个基站，则精度为±2°±120m。应该理解，这些值可以随特定通信网以及蜂窝的大小而变动。

现在，请参见图8，该图显示了本发明的另一个实施例。这些与第一实施例中的器件相同的器件被标记有相同的参考号码。

与第一实施例中的情况相同，该装置包括四个可电旋转的天线120，它们能绕公共中心点122旋转。这里存在由天线装置提供的四个独立的输出124、126、128和130。尤其是，每个天线120具有其自己的独立输出124-130。124-130中的每个输出都输出到各自的带通滤波器130、132、134和136。130-136中每个带通滤波器的相应的输出被分别输入到其自己的放大器140、142以及144和146，在这些放大器中，相应的信号得到放大。放大器140到146中的每一个放大器的输出都被输入到相应的Wilkinson Fork 148、150、152和154中，它们将放大器140到146中每一个的输出都分解为两个信号，并使这两个信号彼此隔离。

与Wilkinson Fork 148到154相应的输出156、158、160和162中的一个被输入到能提供单独一个输出的单独一个信号组合器164。组合器164的信号输出等于第一实施例的天线70所提供的输出，这就是fc+mod。与本发明第一实施例的单独一个天线70相比，使用四个天线来提供不包含多普勒频移的接收信号，减轻了由于信号衰落而引起的问题。应该能理解，来自四个天线120的信号被如此组合而消除了多普勒频移分量。

每个Wilkinson Fork 148-154的另一个输出166、168、170和172被输入到相应的可变电阻器174、176、178和180。可变电阻器174-180可被看作是用来控制天线旋转的可调节衰减器。特别是，由于天线的电旋转使用了软开关，可变电阻器可被用来改变对同一时间接通的相应信号的衰减。

174-180中的每个可变电阻器都具有两个输出182-196。174-180中的每个可变电阻器的第一输出182、186、190、194被输入到控制单元198，其构造与第一实施例中的控制单元88相似。每个可变电阻器的另一个输出184、188、192、196被合并，并输入到第一带通滤波器54，该滤波器54执行一个与第一实施例中的第一带通滤波器54相似的功能。组合器164的输出被输入到一个第三带通滤波器72，该滤波器72提供一个与第一实施例中的第三带通滤波器72相似的功能。对于与图4所示第一实施例的那些器件相同的器件，就不再作进一步说明。

一个锁相环199位于压控振荡器64及与其相关的晶体66之间，以确保压控振荡器64能保持在一个信道上。控制单元198具有对第一可变电阻器58以及对第二可变电阻器76的输出，以控制相应的放大器56和74的增益。控制单元还具有用来控制锁相环199的一个输出，以控制其信道。控制单元具有与第一实施例的输入/输出100相对应的一个输入/输出197。

现在，请参见图9，它显示了四个天线52的最佳实施例。提供了一个可弯曲电路板110，四个天线中的每一个都被刻蚀在这块电路板上。在将天线部件52刻蚀到这块可弯曲电路板上之后，该可弯曲电路板弯曲，形成一个圆柱面。在这个圆柱面的中部另有一个电路板112。在这另一块电路板112上，至少提供有接收机部件的一部分。那些另外的部件可以被刻蚀到这另一块电路板112上。电路板上所提供的用于各种接收机部件的多个输入端被焊接到天线52的输出口114上。可将该装置修改为还包括第一实施例中的一个固定天线70。

应该能理解，电旋转天线的数目不一定是四，它可以是从3个一直到16个天线。旋转着的每一个天线最好是全方向的。天线52可以围绕中心点53作机械旋转，但在最佳实施例中它们是电旋转。在本发明的最佳实施例中，其中天线都是电旋转的，数据是顺次从每个天线中读出的。使用软开关，使得实际上可以在同一次，从两个以上的天线中读取数据。但是，来自天线的相应的信号的衰减可能会受到图8中电阻器的控制。在本发明的一个实施例中，提供有四个天线，对于该天线装置的一个完整旋转，它们中的每一个都接通90次。但是，也可将这一数目该为任何其它合适的数目。如果一个天线是机械旋转的，则可用一个单个的天线来实现本发明的实施例。

应该能理解，在对本发明的一种修改方案中，可在SDMA(空分多址联接)***中使用多普勒定向仪，以确定所接收到的来自移动台的信号的方向，并由此确定出应该发射给BTS的信号的方向。

本发明的实施例还可用在FDMA***(频分多址联接)、类似***或任何其它合适的***中。

在本发明的一个实施例中，用一个带有移相器的组合器来替代第二混频器。但是，混频器更简单，因而更经济，所以是最合适的。

在本发明实施例中所使用的天线可具有任意恰当的结构，例如可以是全向天线。在本发明的一个实施例中，天线是偶极子天线，但在本发明的其它实施例中，天线是盘锥形的。

应该理解，本发明的实施例还可用在具有调幅或调频信号的装置中。实际上，本发明的实施例适用于处理具有任何不同类型调制的信号。

第一实施例的单个天线被描述为固定的。但在一些实施例中，假定在没有产生多普勒频移的情况下，或是在所产生的多普勒频移分量被消去的情况下，这个天线也可以动。

Claims (18)

1.一种多普勒定向仪，包括：

至少一个天线，它距离旋转点有一定距离，所述至少一个天线被设计为在使用时，能围绕所述旋转点旋转，所述至少一个天线被设计为可以提供包括由所述至少一个天线接收到的、组合有多普勒频移分量的一个信号的第一输出信号；

用于提供包括所述接收到的不包含所述多普勒频移分量的信号的第二输出信号的装置；

用于处理所述第一和第二信号，以获取所述多普勒分量的装置；以及

用于从所述多普勒频移分量确定出所述接收信号的接收方向的装置。

2.如权利要求1所述的一种多普勒定向仪，其特征在于至少提供有三个天线。

3.如权利要求1或2所述的一种多普勒定向仪，其特征在于用来提供第二输出信号的所述装置包括另外一个天线。

4.如权利要求3所述的一种多普勒定向仪，其特征在于所述另外一个天线具有穿过所述旋转点的一个轴。

5.如权利要求3或4所述的一种多普勒定向仪，其特征在于所述另一个天线实质上是不动的。

6.如权利要求1和2所述的一种多普勒定向仪，其特征在于用来提供第二输出信号的所述装置包括这样一种装置，该装置用于对来自所述至少一个天线的若干信号进行组合，以提供所述第二输出信号。

7.如前述任意一个权利要求所述的一种多普勒定向仪，其特征在于所述处理装置被设计为能从所述接收信号中分离出所述多普勒频移分量。

8.如前述任意一个权利要求所述的一种多普勒定向仪，其特征在于所述接收信号包括一个调制载波，所述处理装置被设计为能对所述第一和第二信号进行组合，以消去接收信号中的调制分量。

9.如权利要求8所述的一种多普勒定向仪，其特征在于所述加到载波上的调制是高斯最小偏移键控调制。

10.如前述任意一个权利要求所述的一种多普勒定向仪，其特征在于所述多普勒定向仪可用在一种蜂窝通信网内。

11.如权利要求10所述的一种多普勒定向仪，其特征在于所述蜂窝通信网是时分多址联接网。

12.如权利要求11所述的一种多普勒定向仪，其特征在于将所述至少一个天线设计为在使用时，在所述时分多址联接网的一个时隙内能至少转动一次。

13.如权利要求11或12所述的一种多普勒定向仪，其特征在于所述至少一个天线在所述时隙内至少转动两次，并从在所述时隙的中间区域接收到的信号部分中确定出方向。

14.如前述任意一个权利要求所述的一种多普勒定向仪，其特征在于所述至少一个天线位于一个电路板上。

15.如权利要求13所述的一种多普勒定向仪，其特征在于所述电路板被设计为圆柱面形式。

16.如权利要求14所述的一种多普勒定向仪，其特征在于另一个电路板位于所述圆柱面内，以支撑所述多普勒定向仪的至少一部分。

17.一种多普勒定向方法，包括以下步骤：

围绕一个旋转点旋转至少一个天线，以提供一个第一输出信号，该第一输出信号包括一个接收到的组合有一个多普勒频移分量的信号；

提供一个第二输出信号，该第二输出信号包括所接收到的不含有所述多普勒频移分量的信号；

处理所述第一和第二信号，以获得多普勒频移分量；以及

从所述多普勒频移分量中确定出信号的接收方向。

18.对处于时分多址联接蜂窝通信网的蜂窝内的移动台进行定位的一种方法，包括以下步骤：

使用如前述任何一种权利要求所述的一种多普勒定向仪确定出对所述移动台发射的信号进行接收的接收方向；

使用定时超前信息来确定移动台和基站之间的距离；

使用所述确定出的距离和确定出的方向来确定移动台的位置。

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