专利名称：一种在强干扰环境下的智能天线多通道校准方法
技术领域：
本发明涉及一种智能天线校准方法，尤其涉及一种在强干扰环境下的智能天线多通道校准方法。
背景技术：
目前，无线通信系统工作环境很复杂，无线电波在自由空间传播时会受到不同类型的无线电发射机或者高压电弧放电等各种电子、电力设备的电磁波的干扰。在干扰比较强的情况下会严重影响无线通信系统的性能。
通常认为，如果无用信号在接收机频带内的功率比接收机灵敏度低9dB，那么即可认为该信号对接收机没有干扰，反之如果超过这个门限即认为有干扰。如果无用信号在接收机频带内功率超过了接收机灵敏度，则认为有比较强的干扰，特别是干扰信号功率高于灵敏度3dB以上时就会对接收机性能产生比较严重的影响。
目前在无线通信领域可以采用智能天线技术解决上述无用信号干扰问题。所述智能天线技术，即无线设备使用天线阵，通过计算每个用户信号在空中信道传播的空间特征向量并将此空间特征向量与各天线的接收信号加权求和，从而得到比单根天线更为显著的信号接收增益，即“上行赋形增益”；同样无线设备将空间特征向量应用到下行信道中，也可以在终端处得到比单根天线更为显著的信号接收增益，即“下行赋形增益”。由于存在上述赋形增益，使得无线系统可以使用较小的发射功率达到同样的覆盖范围，有效地降低了系统成本。
为了进一步改善智能天线系统的性能，还必须对其进行校准。校准的一个目的是控制每一个发信机的发射信号在天线口的功率大小一致，相位可由无线设备的基带处理器精确控制；另一个目的是控制每一个收信机的接收灵敏度一致。通过对每一个收发信机的测量，控制收发信机射频通道的可调增益控制器，以便进行功率的校准。一旦校准了每个收信机的幅度特性和相对的相位特性，就可以正确计算空间特征向量，从而实现下行赋形增益。
然而，在利用普通方法对智能天线进行校准的无线通信系统中仍然存在以下问题首先在强干扰环境下，即使是CDMA信号也会被干扰信号压制，在这种情况下直接依靠CDMA信号的扩频增益不足以抑制干扰；其次，无线系统的校准信号有可能被干扰信号淹没，在这种情况下，为了保证智能天线的正常工作，仍然需要对各通道进行校准。
因此，需要设计一种在强干扰环境下智能天线系统的多通道校准方法，来提高无线通信系统的抗干扰能力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够有效地抑制干扰、提高无线通信系统性能的强干扰环境下智能天线系统校准方法。
本发明的在强干扰环境下智能天线多通道校准方法包括以下步骤(1)一发信机发出校准信号，该校准信号经过智能天线耦合器耦合到至少一个收信机，所述收信机接收所述校准信号；(2)所述收信机的基带处理单元对接收到的校准信号进行相关处理从而获得一次相关处理结果；(3)重复执行步骤(2)N次，所述收信机的基带处理单元对获得的N次相关处理结果进行累加并求该累加结果的平均值；(4)所述收信机的基带处理单元根据获得的平均值确定相关峰；(5)所述收信机的基带处理单元通过获得的相关峰确定待校准通道的幅度和延迟特性并对所述待校准通道进行校准。
其中，在对接收通道进行校准时，所述发信机是校准通道发信机，所述收信机是待校准设备收信机并且所述步骤(1)进而包括以下步骤一校准通道基带处理单元控制所述校准通道发信机发出校准信号。而在对发射通道进行校准时，所述发信机是待校准设备发信机，所述收信机是校准通道收信机。
优选地，当所述收信机接收到的校准信号为强干扰条件下的信号时，所述收信机的基带处理单元对该信号进行相关处理，具体为rsy(τ)=α∫-∞+∞s(t)s(t-ζ-τ)dt+∫-∞+∞s(t)n(t-τ)dt]]>其中，s(t)为校准信号，n(t)为干扰信号。
优选地，所述收信机的基带处理单元对获得的N次相关处理结果进行累加并求该累加结果的平均值，具体为令ϵ(τ)=∫-∞+∞s(t)n(t-τ)dt,]]> =1NΣα∫+∞s(t)(t-ζ-τ)dt+1NΣϵ(τn)]]>当τ＝-ζ时，E[rsy(τ)]=α·Ps+1NE[Σ[ϵ(τn)]]]]>其中，Ps为校准信号的功率。
优选地，所述收信机的基带处理单元根据获得的平均值确定相关峰，包括选择N值，当N值比较大时，使1NE[Σ[ϵ(τn)]]≈σnN]]>其中，бn是干扰和噪声信号的功率，当所选择的N值使得干扰信号的影响可以忽略不计时，可以从E[rsy(τ)]得到相关峰的位置。
优选地，根据所要求的信噪比确定N的数值。
通过使用根据本发明的校准方法，可以使得校准信号获得比干扰信号更高的增益，从而抑制干扰信号，提高校准信号的信噪比。此外，借助本发明可以获得强干扰环境下智能天线系统的校准通道的特征矢量，从而保证智能天线系统正确调整用于校准的空间特征向量，确保智能天线系统性能的稳定性。
下面结合附图对本发明的具体实施方式
作进一步详细的描述，其中图1是示出采用本发明方法对智能天线系统进行接收通道校准的系统框图；图2是示出采用本发明方法对智能天线系统进行接收通道校准的流程图。
具体实施例方式
无线通信系统通常包括智能天线自身的无线收信机和发信机以及单独的一套校准通道，该校准通道也具有自己的收信机和发信机。在对智能天线系统进行接收通道校准的时候，需要配套使用智能天线的收信机和校准通道的发信机；反之在对智能天线系统进行发射通道校准的时候，需要配套使用智能天线的发信机以及校准通道的收信机。
图1中示出了采用本发明方法对智能天线系统进行接收通道校准的系统框图。设校准信号为s(t)，校准信号从包含校准通道基带处理单元的校准通道发信机即发端发出，通过天线耦合器耦合到收端，所述收端包括至少一个增益可调节的待校准设备收信机，所述待校准收信机中设置有待校准设备基带处理单元。应当理解还可以根据智能天线的实际配置情况在发端和收端分别设置相应的馈线和A/D转换器以及D/A转换器。
校准必须保证校准信号能够被待校准设备可靠接收，耦合器的响应必须是线性非时变的，因此所述接收到的校准信号为y(t)其相对于s(t)只有延时和幅度的损失，因此可以表示为y(t)＝α·s(t-ζ)，α和ζ所表征的就是校准通道的幅度和延迟(相位)特性。
所述收端采用下面的公式对收到的信号进行相关处理，rsy(τ)=∫-∞+∞s(t)y(t-τ)dt=α∫-∞+∞s(t)·s(t-ζ-τ)dt≤α∫-∞+∞s(t)·s(t)dt=α·Ps]]>
上式为校准信号s(t)与收端的接收信号y(t)的相关函数，它表征这两个信号之间的相似程度(相关性)，Ps是校准信号的功率，当τ＝-ζ时等号成立，因此找到相关峰(即rsy(τ)的最大值)就可以确定待校准通道的幅度和延迟特性。
在强干扰条件下，设干扰信号为n(t)，则y(t)＝α·s(t-ζ)+n(t)，rsy(τ)=α∫-∞+∞s(t)s(t-ζ-τ)dt+∫-∞+∞s(t)n(t-τ)dt]]>令ϵ(τ)=∫-∞+∞s(t)n(t-τ)dt,]]>对上式取N次的平均 =1NΣα∫+∞s(t)s(t-ζ-τ)dt+1NΣϵ(τn)]]>同样当τ＝-ζ时，E[rsy(τ)]=α·Ps+1NE[Σ[ϵ(τn)]],]]>其中由于干扰信号与校准信号不相关，当N比较大时，1NE[Σ[ϵ(τn)]]≈σnN,]]>бn是干扰和噪声信号的功率，因此，经过N次积累处理后，接收到的校准信号的信噪比会提高大约 倍，并且随着N的增大，干扰信号的影响越来越微弱，当其达到某一门限后，干扰信号的影响可以忽略不计，这时从E[rsy(τ)]就可以得到相关峰的位置，从而获得校准通道幅度和延迟特性，也就获得了校准通道的特征矢量。
校准的目标是获得待校准通道的增益和相位特性，而相关峰峰值大小反映了待校准通道接收信号的强度，延迟特性(即相关峰的位置)则反映了待校准通道的相位特性，因此得到相关峰的峰值大小和位置就可以对待校准通道实施校准。
增益校准的目标是使得待校准通道的接收信号强度达到设计指标，因此对N次相关的结果进行累加并平均就得到了某一增益下待校准通道的信号强度，通过调整待校准通道收信机的增益使得其接收信号强度与设计指标一致，增益校准就完成了。在该增益下计算N帧相关平均的峰值位置，得到待校准通道的延迟特性，就获得了待校准通道的相位特性。
通过上面的分析可知，根据本发明，在强干扰环境下对智能天线系统进行校准的原理主要利用校准信号之间的相关特性以及校准信号与干扰信号之间不相关的特征。由于校准信号彼此之间长时间都具有相关性，因此长时间累积平均使得校准信号增强，而干扰信号与校准信号不相关，因此长时间累积平均后干扰信号没有增强，这样就使得校准信号获得比干扰信号更高的增益，从而达到抑制干扰以及提高校准信号的信噪比的效果。
图2中示出了采用本发明方法对智能天线系统接收通道进行校准的流程图。如图所示，在对智能天线系统的接收通道进行校准时，校准通道基带处理单元控制校准通道发信机发射校准信号，所述校准信号通过天线耦合器耦合至待校准设备的各收信机接收，收信机的数量在系统设计时确定，校准需要对所有的收信机进行校准；各收信机通过合成或选择的方法与一个基带处理单元相连，即各个收信机通过一个合成器与基带处理单元相连或者基带处理单元从多个收信机中选择一个收信机进行校准，具体连接方法取决于待校准通道的硬件结构。此时所述收信机有可能同时收到外来的干扰信号，因此待校准设备收信机收到的是外来干扰信号与校准信号的叠加信号。待校准设备各收信机的基带处理单元采用前述计算相关函数的方法对原始校准信号与接收到的、叠加了干扰信号的校准信号进行相关处理。各收信机接收N次校准信号并做相关处理，所述被校准设备基带处理单元累积上述N个相关结果并对累积结果取平均值；所述收信机的基带处理单元根据获得的平均值确定相关峰。在确定相关峰以后，所述收信机的基带处理单元进一步根据相关峰确定待校准通道的幅度和延迟特性。
与上述采用本发明方法对智能天线系统进行接收通道校准的过程类似，还可以采用本发明方法对智能天线系统进行发射通道校准。在进行发射通道校准时，待校准设备各发信机发射校准信号，通过天线耦合器耦合，校准通道收信机接收待校准设备发射的校准信号；此时校准通道收信机有可能同时收到外来的干扰信号，因此校准通道收信机收到的是外来干扰信号与校准信号的叠加；校准通道收信机对接收到的、叠加了干扰信号的校准信号进行相关处理；校准通道收信机基带处理单元对N次相关的结果进行累加后求平均值，然后对上述平均值寻找相关峰；由相关峰确定待校准通道的幅度和延迟特性。
在上述两种校准过程中，收信机接收校准信号的次数N都取决于所要求的信噪比。对不同的系统，N的取值会有所不同，例如对于扩频系数为M的CDMA系统，因为本身就有M倍的扩频增益(信噪比提高 倍)，再加上N次积累的增益，则处理输出的信噪比比输入信噪比提升 倍，根据系统所需要的信噪比，可以计算出N的数值。对于SCDMA系统，M＝32，在SNR≥16dB时，可以认为干扰信号对校准没有影响，因此可以取N＝8。
还应当理解，根据本发明的校准方法对于各种智能天线系统都可以适用，不受智能天线阵形式以及其包含的天线单元数目的限制。并且，本方法不仅可以在TDD无线通信系统中使用还可以在其他无线通信系统中使用，同时所述校准信号也不局限于CDMA信号而可以是各种通信信号。
通过使用根据本发明的校准方法，可以使得校准信号获得比干扰信号更高的增益，从而抑制干扰信号，提高校准信号的信噪比。此外，借助本发明可以获得强干扰环境下智能天线系统的校准通道的特征矢量，从而保证智能天线系统正确调整用于校准的空间特征向量，确保智能天线系统性能的稳定性。
权利要求
1.一种在强干扰环境下智能天线多通道校准的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤(1)一发信机发出校准信号，该校准信号经过智能天线耦合器耦合到至少一个收信机，所述收信机接收所述校准信号；(2)所述收信机的基带处理单元对接收到的校准信号进行相关处理从而获得一次相关处理结果；(3)重复执行步骤(2)N次，所述收信机的基带处理单元对获得的N次相关处理结果进行累加并求该累加结果的平均值；(4)所述收信机的基带处理单元根据获得的平均值确定相关峰；(5)所述收信机的基带处理单元通过获得的相关峰确定待校准通道的幅度和延迟特性并对所述待校准通道进行校准。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在对接收通道进行校准时，所述发信机是校准通道发信机，所述收信机是待校准设备收信机。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)进而包括以下步骤一校准通道基带处理单元控制所述校准通道发信机发出校准信号。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在对发射通道进行校准时，所述发信机是待校准设备发信机，所述收信机是校准通道收信机。
5.根据前述权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，当所述收信机接收到的校准信号为强干扰条件下的信号时，所述收信机的基带处理单元对该信号进行相关处理，具体为rsy(τ)=α∫-∞+∞s(t)s(t-ζ-τ)dt+∫-∞+∞s(t)n(t-τ)dt]]>其中，s(t)为校准信号，n(t)为干扰信号。
6.根据前述权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述收信机的基带处理单元对获得的N次相关处理结果进行累加并求该累加结果的平均值，具体为令ϵ(τ)=∫-∞+∞s(t)n(t-τ)dt,]]> =1NΣα∫+∞s(t)s(t-ζ-τ)dt+1NΣϵ(τn)]]>当τ＝-ζ时，E[rsy(τ)]=α·Ps+1NE[Σ[ϵ(τn)]]]]>其中，Ps为校准信号的功率。
7.根据前述权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(4)中，所述收信机的基带处理单元根据获得的平均值确定相关峰，包括选择N值，使1NE[Σ[ϵ(τn)]]≈σnN]]>其中，бn是干扰和噪声信号的功率，当所选择的N值使得干扰信号的影响可以忽略不计时，可以从E[rsy(τ)]得到相关峰的位置。
8.根据权利要求1-7之一所述的方法，其特征在于，根据所要求的信噪比确定N的数值。
全文摘要
本发明提供了一种在强干扰环境下的智能天线多通道校准方法，其包括以下步骤(1)一发信机发出校准信号，该校准信号经过智能天线耦合器耦合到至少一个收信机，所述收信机接收所述校准信号；(2)所述收信机的基带处理单元对接收到的校准信号进行相关处理从而获得一次相关处理结果；(3)重复执行步骤(2)N次，所述收信机的基带处理单元对获得的N次相关处理结果进行累加并求该累加结果的平均值；(4)所述收信机的基带处理单元根据获得的平均值确定相关峰；(5)所述收信机的基带处理单元通过获得的相关峰对所述待校准通道进行校准。借助本发明的方法可以有效地抑制干扰、增强无线系统校准的抗干扰性能，提高强干扰环境下校准的准确性。
文档编号H01Q21/00GK101060354SQ20061007648
公开日2007年10月24日 申请日期2006年4月20日 优先权日2006年4月20日
发明者岳彦生, 高颉, 王森, 袁进 申请人:北京信威通信技术股份有限公司