SE522564C2 - Gruppantennkalibrering - Google Patents

Description

5222 564 n u | | - Q a ~ o « | .o Kalibrering hela vägen upp till antennanslutningarna kan realiseras genom insättning av en kalibreringssignal vid den lämpliga frekvensen någonstans längs signalvägen. Eller alternativt kan trafiksignalen själv användas för kalibreringen. Signal skulle då matas tillbaka igen ner till basstationen med antingen extra RF-kalblar (så många som antennmatningskablarna) eller genom skiftande av frekvensen till mottagningsfrekvensbandet och avläsning av signalerna med användning av de ordinarie mottagarna i basstationerna.

En internationell ansökning WO97 / 44920 visar en gruppantenn som utför självkalibrering genom tillhandahållande av viktningsfaktorer för den adap- tiva gruppen antennelement genom modulering av en smalbandskanal med en relativ bredbandig signal som innehåller en testsekvens. På detta sätt produceras en överlagrad kanal som plockas upp och bäras tillbaka genom en komplementär mottagnings- eller sändningsväg för att därefter konver- teras till basband och jämföras med testsekvensen för detektering och korrigering av möjliga fel.

Problemet med den tidigare nämnda metoden är att den ockuperar åtminstone en kanal i mottagnings- och sändningsvägen och kräver möjligen även ytterligare RF-kablar uppför och nedför antennmasten just för kalibre- ring. Vidare behöver även överföringen ner till basstationen kalibrering för RF-frekvensen som används. Allt detta gör det till ett mycket komplicerat förfarande att kalibrera gruppantenner genom användning av detta förfarande.

Ett behov ñnns därför av ett förfarande och system för förbättrad gruppantennkalibrering som på ett effektivt och enkelt sätt kommer att tillhandahålls optimal drift av en gruppantenn för en basstation.

SUMMERING Den föreliggande presentationen beskriver ett enkelt sätt att utföra fas- kalibrering, vilken behöver endast en begränsad uppsättning av ytterligare hårdvara, och kan användas under pågående trafikförhållanden. Det 5223564 | n c 4 u . . « ; .n föreslagna förfarandet i denna presentation gör det möjligt att realisera kalibrering utan väsentlig ytterligare komplexitet till basstationssystemet.

Vidare kan även antennmatningskablar kalibreras. För kalibreringen är ytterligare RF-kablar inte nödvändiga.

Ett förfarande och ett system för kalibrering a en gruppantenn visas.

Förfarandet och systemet tillhandahåller ett sensorsystem lokaliserat nära antennelementen, och uppvisar en sensor för varje antenn, varvid senso- rerna utgör enkla digitala mottagare och producerar komplexa basbands- signaler. Utgångarna från sensorsystemets digitala mottagare är mellan- kopplade för vektoraddering av de utmatade basbandssignalerna för att producera summerad likspånning (DC). Den erhållna summerade likspän- ningen styrs via en anordning, till exempel ett kluster av digitala signalprocessorer, genom justering av fasen för varje antennelements källsignal och genom att söka maximal summerad likspänning från sensorsystemet, varvid gruppantennens individuella signalvägarna kommer att kalibreras. Normalt när en kalibrering utförs skulle antennstrålen alltid behöva styras i bredsideriktningen. För att möjliggöra kalibrßering under normal drift oberoende av avsedda fasinställningar tas avsedda offsetfaser hänsyn till i kalibreringsprocessen. Dessa offsetfaser tillhandahållna för ändring av den adaptiva antennens strålriktning matas till summerings- steget för att inkorporera dessa offsetvärden i kalibreringsalgoritmen.

Ett förfarande för kalibrering av en gruppantenn i enlighet med den föreliggande uppfinningen fastställs av det oberoende patentkravet 1 och de beroende patentkraven 2 - 7 och ett system för kalibrering av en grupp- antenn fastställs av det oberoende patentkravet 8 och ytterligare utförings- former av systemet fastställs av de beroende patentkraven 9 - 14.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA Uppfinningen tillsammans med ytterligare ändamål och fördelar med denna kan bäst förstås genom hänvisning till följande beskrivning läst tillsammans med de medföljande ritningarna, i vilka: FIG. ' FIG.

FIG.

FIG.

FIG.

FIG.

FIG.

FIG. 5224 564 u o n ø ø o n u ø ø - o av visar en allmän utföringsform som illustrerar fyra antenner försedda med signalsensorer och vilka innefattar antennmatningskablar, antennelement, digital signalbearbetning och en lågspännings- överföringskabel; visar schema över en belysande basstation med en 4 elements gruppantenn, i vilken signaler plockas upp vid antennanslut- ningsnivån, konverteras ned till basband och vektoradderas för att producera en likspänning; illustrerar nerkonvertering, A/ D-konvertering, kanalindelning och summering av komplexa signaler för att bilda likspänning; illustrerar med hjälp av ett blockschema signalbearbetning i kalibreringssensorn enligt den belysande utföringsformen enligt Figur 1 för att erhålla en komplex likspänning från en RF-signal; illustrerar en signalrepresentation av 4 komplexa signaler, a2-oc4 anger fasfel mellan antennsignaler i signalvågen från generator till antennkontakt; illustrerar samma bild som i FIG. 5, men signalerna är omplacerade för enklare visualisering av vektoradditionen; illustrerar i enlighet med den föreliggande uppfinningen de komplexa signalvektorerna inriktade utan fasfel för att ge maximal amplitud när summerade; illustrerar en faskalibrering i en kalibrering två och två i vilken två signaler i det komplexa planet inriktas för att ge maximal total amplitud och maximala amplituden kommer att vara Vo = l + lpiz/pii i; 5225 564 FIG. 9 illusterar en amplitudkalibrering i kalibreringen två och två, i vilken två signaler i det komplexa planet amplitudjusteras för att ge maximal total amplitud och en amplitudjustering kommer att vara C = lpn/pizl =(Vo-1);OC1'1 FIG. 10 är ett grundläggande flödesdiagram som illustrerar huvudstegen enligt det föreliggande förfarandet för kalibrering av en grupp- antenn.

DETALJERAD BESKRIVNING Lösningen på ovanstående problem är att placera sensorer 3 vid varje antennelementmatning/ kontakt vid toppen av masten och sedan göra de nödvändiga beräkningarna på plats där sensorerna är belägna (FIG. 1). Alla erhållna signaler kan då kombineras för att ge maximal likspänning genom justring av faserna, till exempel, vid basband. Det vill säga förslaget är att använda enkla digitala mottagare som formar lika många grenar som antalet antennelement (se FIG. 2), varvid signaler plockas upp vid antennkontakt- nivån, nerkonverteras till basband och vektoradderas 5 för att producera en likspänning 6, vilken matas till basstationens kluster av digitala signal- processorer 10 (DSP) för att justera till en maximal likspänning från sensorsystemet.

Denna mottagares prestationsförmåga kan vara ganska begränsad jämfört med en ordinär trafikkanalsmottagare. Eftersom det inte finns något behov av att uppfylla några krav associerade med en kommunikationsstandard, kan enkla digitala komponenter användas, dvs. till exempel 8 bitars A/ D- omvandlare 8 i stället för 14 bitars A/D-omvandlare, som normalt kommer att vara nödvändiga för att uppfylla standarden för en basstationsmottagare.

(Se även FIG. 3 och FIG. 4).

Den grundläggande iden är att använda en resulterande komplex basbandssignal (I / Q detektorsignaler i fas/ kvadratur) från varje mottagar- gren och göra beräkningar direkt vid platsen för sensoranordningarna. 5226564 o | o u a o u u | ø n Alternativt, eftersom signalerna inte längre är RF-signaler, kan signalerna överföra till annat lämpligt ställe på ett multiplexerat sätt med användning av en enda 1ågspänningsöverföringskabel. I endera fallet omvandlas signalen till basband vid platsen för sensoranordningen så att RF-överföring undviks.

Beräkningarna utförs på de komplexa basbandssignalerna I / Q. Addering av dessa kommer att ge en resulterande ny komplex signal. Denna signal 6 kommer att ha maximal amplitud om alla de individuella signalerna har samma fas. med anda ord, har vi funnit ett sätt att kaibrera alla antenngrenarna genom att bara justera faserna vid signalkällenivän tills den resulterande amplituden för den summerade totala basbandssignalen när maximum. Den verkliga algoritmen för justeringen kan vara av flertalet typer som går från slumpsökning till en automatisk maximeringsmetod av typ Newton-Raphson.

Signalbehandling Signalbehandlingen kan ses som addering av ett antal signalvektorer i det komplexa talplanet (FIG. 5 och FIG. 6) på ett sådant sätt att summan av dessa beskriver en signalvektor som har maximal amplitud (FIG. 7).

Sökningsrutinen för detta kan vara av vilken som helst lämplig typ. Ett exempel är Newton-Raphson. Det skall noteras att denna algoritm gäller för vilken som helt periodisk signal och är inte begränsad till bara en ren sinusformad signal. För att belysa algoritmen betrakta följande huvuddrag.

Antag att vi har en fas eller frekvensmodulerad signal utsänd från basstationen. Signalen kan matematiskt illustreras genom följande uttryck: S(t) = A -cos(co -t + m(t)) Säg att vi vidare har att göra med fyra antenngrenar i gruppantennen. Då, beroende på irregulariteter, kommer det att finnas fasfel (ocg - om) som utvecklas i signalvägarna (vi antar ou = O) i enlighet med: 522 ;64 n en :nu 1,(1)=A-c0s(m-1+m(:)) Q1(t)=A-sin(w-1+m(1)) 12(1)= A-c0s(@-1+m(1)+a2) Q2(1)= A-sin(w-1+m(1)+u2) I3(t) = A-cos(co-t+m(t)+ (13) Q3(t) = A-sin(oa-t+m(t)+ 013) I4(t) = A-cos(co-t+m(t)+ 014) Q4(t) = A-sin(co-t+m(t)+a4) i vilka In(t) är komponenten för signalen i fas och Q,,(t) är kvadratur- faskomponenten för antenn nummer n.

Signalamplituden A noteras men för enkelhets skull betraktas den vara samma i alla antenngrenarna. Det är uppenbart att vid kombination av dessa två uttryck I/ Q till en komplex signal I(x)+jQ(x) erhåller vi istället följande komplexa signaler, vilka är mer hanterliga för beräkningar: S10) = I. (1)+ j - Q. (I) = Ae“”(““*'““” S2 (t) = 12 (r)+ j - Qz (t) = Ae1”(“*'*'“(')*“2) s,(1) = 13 (f)+ j - Qs (1) = Aef(°*'*'“<')*“=) S.. (I) = 14 (I)+ J - Q., (t) = A<=*°“°'*“““*“” Vi observerar nu att för att göra anspråk endast på fasbidraget behöver vi endast filtrera bort tidsberoendet i bärvågen och meddelandet. Detta kan göras genom en korsvis multiplikation känd som signalkorrelation (FIG. 7). I denna process används en av signalerna som komplexkonjugerad. Resultatet är som beskrivet nedan: š1(t)'S1(t)= P11 (Al) šl S265) = P12 z 'ej-az S305) = P13 = 'ej-al -S-l S4 (t) = P14 = 'ej-ud Vi ser att tidsberoendet klart filtreras bort i ovanstående resultat. I verkligheten för att minska inverkan av onoggrannheter och brus, är det en bättre ide att summera bidrag över en längre tidsperiod. Detta introducerar 522 564 8 no :nu u nu: en viss medelvärdesbildningseffekt i korrelationsprocessen. Vi kan därför istället skriva: 2§1-s1=p.1 =<1A1>2 z§1-s2= p” = W 2§1«1>-s3=p13 Alf-el z . š1(t1<)' S4(tk) = P14 = GADZ ell* .az '13 íÉ II Genom att nu addera alla p-faktorerna och samtidigt normalisera genom p11, har vi nu kommit till en likspänning som kommer att vara maximal om alla gruppantennsignalerna är i fas (Se även FIG. 6).

|PJL+BIÄ+BIÅ+PÄ ="L'IP11+P12 +P13 +P14I=VDC P11 P11 P11 P11 'Pul Det skall noteras att lokala maxima för den ovanstående funktionen kan uppträda. Detta är anledningen för normalisering med p11 som alltså ger en viss kontroll över algoritmen. Normalisering betyder att värdet på summan skall maximeras till ett värde lika med antalet antenngrenar (n). Till exempel med användning av fyra antenngrenar skall VDC närma sig värdet 4.

Det är uppenbart att när gruppen ges en lämplig fasfördelning för att bilda en stråle i en given riktning kommer de summerade basbandssignalerna inte ge maximal likspänning. Normalt när en kalibrering utförs, skulle antennstrålen behöva alltid styra i bredsideriktningen. För att möjliggöra kalibrering under normal operation oberoende av avsedda fasinställningar skall avsedda offsetfaser tas med i kalibreringsprocessen. Då matas summeringssteget med offsetfaserna tillhandahållna för ändring av strålrikt- ningen för att inkorporera dessa i kalibreringsalgoritmen.

Dessa avsiktliga faser Bi - [34 kan inbegripas i föregående ekvation som då kommer att modifieras till: 522 564 9 o a u « | ø | u . , ,. ßll_el'ß1 +_pL2..e.l'ßz +_%_.el'ß: +Pl.e.l'ß4 :_ P11 P11 P11 P11 1 =ß =ß =ß =ß :Iílpn 'CJ l +p12 'ej 2 +p13 'ej 3 +p14 'CJ átI=VDc 11 Faserna [51 - [34 kompenserar då för de avsiktliga fasinställningarna för inriktningen av en specifik kanal så att samma algoritm kan användas för att kalibrera gruppantennen under pågående trafik.

I FIG. 10 visas ett grundläggande flödesdiagram för det föreliggande förfarandet och informationen om de avsiktliga offsetfaserna [31 - ß4 tillhandahålls till steget med vektoraddering av basbandssignalerna eftersom dessa offsetvinklar måste kompenseras för genom vektorsubtraktion av dessa vid erhållandet av kalibreringslikspänningen.

Amplítudkalibrering Om det är alltför stor skillnad i grenarnas amplitud, då är det mera osäkert mot vilket värde maximala värdet för Vpç skall konvergera. Emellertid är algoritmen som beskrivs i detta dokument även tillämpbar på amplituden om signaler används i par om två. I detta fall justeras fasen för en av signalerna först tills ett maximalt Vnc erhålls som beskrivet av steg 1 nedan (FIG. 8). Sedan justeras amplituden för samma signal tills i stället VDC når värdet 2, som beskrivet av steg 2 nedan (FIG. 8). Kalibreringen görs för paret av två signaler med användning endast av en likspänningssignal som observationssignal. Inga ytterligare lokala maxima existerar för summering av 2 vektorer, så endast en lösning existerar för signalparet. Algoritmen upprepas med nästa signalpar tills alla signalgrenarna är kalibrerade.

Steg 1: Faskalibrering av två signaler (Se FIG. 8) 522 slqg en nan P11 = S1 'S1 P12 = šz 'S1 . 'W VIDCQÛ: 1+&2_e__ pll oz = MaximeraWlDc, a) Steg 2: Amplitudkalibrering av två signaler (Se FIG. 9) Ur maximum av VIDC mätt i Steg 1 finner vi C = i Steg 2.

Hårdvara Hårdvarulösningen kan realiseras genom användning av vanliga digitala komponenter för att definiera sensorn av typ "mjukvaru-radio". Detta innefattar nedblandning 2, analog-digital omvandling 8 och en kvadraturdemodulator 9 som beskrivet av FIG. 4. Signalen nedblandas (LO), digitaliseras (A/ D) för att erhålla en komplex basbandssignal (I/Q), till exempel genom kvadraturdetektion, decimerad till en lägre samplingsfrekvens och filtrerad till exempel med användning av ett decimerande FlR-filter. Denna typiska teknik är väl känd av fackmannen.

Signalbehandling för korrelation mot andra antennsignaler görs till exempel med hjälp av en standard digital signalprocessor 10.

Skilt från en "mjukvaru-radio" för cellulära tillämpningar är det inte nödvändigt att använda digitala högprestandakomponenter för att kalibreringsalgoritmen skall fungera. Inte heller kommer det att vara kritiskt att använda hög samplingshastighet. I en belysande utföringsform används en upplösning av 8 bitar för A/D-omvandlingen 8 av sensorsignaler.

Emellertid kan naturligtvis utnyttjas idag lätt åtkomliga A/D-omvandlare som har andra upplösningar. Vidare kan kalibreringen utföras på kana1-ti1l- kanalbasis och utföras under normal trafik. Realiseringen i form av en "mjukvaru-radio" minskar ytterligare risken för sensorn själv att vara okalibrerad. 522 56411 I - . n n v.

Fördelar med den föreliggande uppfinningen Den föreslagna lösningen tillhandahåller ett enkelt sätt att justera för fasfel vid vilken som helst punkt i signalvägen hela vägen från basbandssignalens källa till toppen av masten. Det uppmätta värdet är ren likspänning, vilken följs och tvingas bli ett maximumvärde. Likspänningen kan lätt matas tillbaka till sändarenheten med användning av samma matningskabel som den som används för Överföringen av radiofrekvens, RF.

Den föreslagna lösningen kan realiseras som en separat process som kan exekveras oberoende av pågående trafik. Lösningen kan realiseras som en långsam återkopplingsslinga för övervakning och justering av skillnader i signalvägarna. Den kan användas för att kompensera för långsam temperaturdrift liksom för deterministiska skillnader vid hårvarutillverkning.

Lösningen påverkar inte systemets prestationsförmåga.

Med faskalibrering som beskrivet i denna publikation kan kontinuerlig följning av mobiler göras. Vidare kan oönskade signaler effektivt nollas ut vid en precis vinkel mot mobilen i en tillämpning med adaptiv grupp.

Det inses att det föreslagna systemet och kalibreringsförfarandet utgör ett sätt att kalibrera hårdvaran på en kanal-till-kanalbasis. Det vill säga att ett tabelluppslag kan beräknas för att ge bästa kalibrering för varje frekvens- kanal individuellt. Det föreslagna systemet och kalibreringsförfarandet tillhandahåller ett lägkostnadsalternativ för att kalibrera en gruppantenn.

Billiga digitala komponenter med låg upplösning kan användas för ändamålet och systemet i enlighet med uppfinningen behöver ett minimum av extra hårdvara.

Det kommer att inses av fackmannen att olika modifikationer och ändringar kan göras av den föreliggande uppfinningen utan avvikelse från dess omfattning vilken definieras av de bifogade patentkraven.

Claims (14)

522 56412 PATENTKRAV

1. Förfarande för en gruppantennkalibrering, kännetecknat av stegen tillhandahållande av ett sensorsystem som uppvisar en sensor- anordning (3) vid varje antennelement (1), varvid sensoranordningarna utgör enkla digitala mottagare och varje digital mottagare producerar en respektive komplex basbandssignal I/ Q, tillhandahållande av signalfasinformation för en aktuell strålpek- vinkel och omvandling av basbandssignalerna I /Q till nya komplexa signaler motsvarande en bredsideriktning, produktion av korsvisa signalkorrelationsvården ur de erhållna nya komplexa signalerna genom en digital bearbetningsanordning för bortfilt- rering av tidberoende delar av de komplexa signalerna, normalisering och addering av erhållna signalkorrelationsvärden för att komma fram till en summerad likspänning som kommer att uppvisa ett maximum när avkånda antennelementsignaler motsvarande en bredside- riktning är i fas, justering av signalfas för varje antennelementkällsignal genom en anordning för styrning av signalfas för att erhålla maximal summerad likspänning erhållen från sensorsystemets basbandssignaler.

2. Förfarande enligt krav 1, kännetecknat av det ytterligare steget med lokalisering av sensoranordningen (3) för att uppta antennelementsignaler vid en antennkontaktnivå.

3. Förfarande enligt krav 1, kännetecknat av det ytterligare steget med användning av en 8 bitars A/ D-omvandlare i den enkla digitala mottagaren som bildar sensorsystemet för att skaffa digitala basbandssignaler I / Q.

4. Förfarande enligt krav 1, kännetecknat av det ytterligare steget med 522 seg u nu u.. h överföring, för ytterligare bearbetning, av erhållna komplexa signaler till en bearbetningsanordning i basstationen med användning av samma matningskabel som för RF-överföring till ett antennelement, vilket gör extra kablar onödiga.

5. Förfarande enligt krav 1, kännetecknat av det ytterligare steget med användning av ett digitalt signalbearbetningskluster i basstationen som bearbetningsanordning för beräkning av signalkorrelationsvärden vid bildande av den summerade likspänningen som skall maximeras, samt som anordningen för styrning av fasen för gruppantennens källsignaler för maximering av erhållen likspänning.

6. Förfarande enligt krav 1, kännetecknat av det ytterligare steget med tillämpning av en Newton-Raphson sökalgoritm för att finna maximum av den erhållna likspänningen vid justering av signalfas för varje antenn- elements källsignal.

7. Förfarande enligt krav 1, kännetecknat av det ytterligare steget med utförande av en initiell justering av antennelementets källsignaler, om de i antennsignalgrenar har för stora amplitudskillnader, genom användning av endast signaler i par från sensorsystemet och justering av fasen för en av de motsvarande två källsignalerna för en resulterande maximal likspänning härledd från två basbandsensorsignaler till ett värde två gånger värdet för en enda sensor och upprepande av detta för alla tillgängliga signalpar tills alla av signalgrenarna har kalibrerats på detta sätt.

8. System för en gruppantennkalibrering, kännetecknat av ett sensorsystem som uppvisar en lokal sensoranordning (3) vid varje antennelement (1), varvid sensoranordningarna utgör enkla digitala mottagare, och varje digital mottagare alstrar en komplex basbandssignal I/ Q, varvid erhållna komplexa basbandssignaler I/ Q omvandlas till nya komplexa signaler motsvarande en bredsidestrålriktning genom kompen- sering för aktuell strålpekvinkeloffset, 522 5e¶4 u ø . | u. en digital bearbetningsanordning för alstrande av korsvis signal- korrelationsvärden ur erhållna ny komplexa signaler för bortfiltrering av tidsberoende komponenter för de erhållna nya komplexa signalerna, varvid de erhållna korrelationsvärdena normaliseras och summeras för att komma fram till en summerad likspänning, vilken kommer att uppvisa ett maxímumvärde när de avkända antennelementsignalerna motsvarande en bredsideriktning är riktigt fasade, samt ett styrorgan för erhållande av en maximal summerad likspånning genom justering av fasen för varje antennelementkällsignal för att därmed erhålla en riktig signalfasning för gruppantennsystemet.

9. System enligt krav 8, kännetecknat av att varje sensoranordning (3) för att uppta antennelementsignaler är lokaliserad vid antenn- kontaktnivån.

10. System enligt krav 8, kännetecknat av att 8 bitars A/ D-omvandlare (8) används i den enkla digitala mottagaren som bildar sensorsystemet för att erhålla digitala basbandssignaler I / Q.

11. System enligt krav 8, kännetecknat av att erhållna digitala komplexa signaler överförs till ett bearbetningsorgan i basstationen med användning av en motsvarande matningskabel som för RF-överföring till ett antennelement vilket gör extra kablar onödiga.

12. System enligt krav 8, kännetecknat av att ett digitalt signalbearbetningskluster (10) i basstationen används som bearbetnings- organ för beräkning av signalkorrelationsvärden och som en anordning för styrning av fasen för gruppantennens källsignaler.

13. System enligt krav 8, kännetecknat av att en Newton-Raphson sökalgoritm tillämpas för att finna ett maximumvärde för den summerade likspänningen vid justering av signalfaser för varje antennelements källsignal. 522 56415 o n ~ « u nu

14. System enligt krav 8, kännetecknat av att en initiell justering av antenngrenar utförs vid stora signalskillnader i antennsignalgrenar genom användning av endast signaler i par från sensorsystemet och justering av fasen för en av de motsvarande två källsignalerna för en resulterande maximal likspänning hårledd från två basbandssensorsignaler till ett värde två gånger värdet för det för en enda sensor, varvid detta upprepas för alla tillgängliga signalpar tills alla signalgrenarna har kalibrerats på detta sätt.