背景技術(shù)：

在無線網(wǎng)絡(luò)中的波束成形系統(tǒng)(例如波束成形發(fā)射機(jī)、波束成形接收機(jī)等)通過組合由天線陣列的兩個或更多個天線單元發(fā)射或接收的信號來提供定向信號控制，使得特定角度的信號經(jīng)歷相長干擾，而其它信號經(jīng)歷相消干擾。這種方向控制提供了無線網(wǎng)絡(luò)中的改進(jìn)的覆蓋和較少的干擾。為了簡單起見，以下是涉及波束成形發(fā)射機(jī)。然而，應(yīng)當(dāng)理解，本文討論的問題和解決方案適用于使用波束成形或相位控制的任何單元，包括波束成形接收機(jī)。

波束成形發(fā)射機(jī)的方向控制可以通過控制被施加到每個天線單元的信號的相位和相對幅度來實(shí)現(xiàn)。因此，波束成形發(fā)射機(jī)的性能與每個天線單元的相位控制的精度密不可分。一些系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了本地振蕩器波束成形，其涉及對每個天線單元的本地振蕩器(lo)信號進(jìn)行相移以實(shí)現(xiàn)對應(yīng)天線單元的期望相移。lo信號的這種相位控制需要良好地控制單獨(dú)發(fā)射機(jī)之間的靜態(tài)相位差。

然而，發(fā)射機(jī)之間的靜態(tài)相位差可能難以預(yù)測。例如，集成的直接頻率上轉(zhuǎn)換無線電通常通過利用例如數(shù)字正交分頻器來對lo信號進(jìn)行分頻以產(chǎn)生頻率上轉(zhuǎn)換混頻信號。這樣的分頻器可以在其可能的內(nèi)部狀態(tài)中的任何一個狀態(tài)中啟動，其中每個狀態(tài)與不同的相位相關(guān)聯(lián)。對于波束成形發(fā)射機(jī)這是一個問題，特別是在時分雙工(tdd)系統(tǒng)中，其中每個發(fā)射機(jī)在發(fā)射時隙之間被斷電。因?yàn)槊總€天線單元具有其自己的發(fā)射機(jī)，所以由于每個天線單元的初始相位在每次發(fā)射機(jī)被重新通電時都是未知的，所得到的輻射圖將在發(fā)射時隙之間不斷地改變。tdd波束成形接收機(jī)以及多輸入多輸出(mimo)系統(tǒng)中的發(fā)射機(jī)和/或接收機(jī)也存在同樣的問題。因此，當(dāng)控制天線信號的相位時，仍然需要考慮這種啟動相位變化。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本文給出的解決方案通過在對應(yīng)射頻(rf)前端電路的混頻器中將輸入信號與混頻信號進(jìn)行混頻來確定由多個rf前端電路生成的每個輸出信號的初始相位。為此，本文給出的解決方案通過測量參考信號(對所有rf前端電路公共的)和每個混頻信號之間的時間差來測量多個rf前端電路中的每一個的時間差。然后，基于針對對應(yīng)rf前端電路測量的時間差來確定每個輸出信號的初始相位。這樣，本文給出的解決方案考慮了當(dāng)rf前端被激活時相位的任何不確定性，使得對應(yīng)的天線單元的相位能夠準(zhǔn)確地被控制。

一個示例實(shí)施例提供了一種確定由多個rf前端電路生成的每個輸出信號的初始相位的方法，所述rf前端電路中的每一個包括混頻器，所述混頻器被配置為將輸入信號與混頻信號進(jìn)行混頻以生成該rf前端電路的輸出信號。該方法包括：生成對所述多個rf前端電路公共的參考信號。對于所述多個rf前端電路中的每一個，該方法還包括：測量參考信號的起始邊沿和對應(yīng)混頻信號的停止邊沿之間的時間差。起始邊沿定義測量周期的開始，并且每個停止邊沿定義針對對應(yīng)rf前端電路的測量周期的結(jié)束。該方法還包括：根據(jù)針對對應(yīng)rf前端電路測量的時間差來確定每個輸出信號的初始相位。

一種示例無線收發(fā)機(jī)包括多個rf前端電路、參考電路和多個時間測量電路，每個時間測量電路用于一個rf前端電路。rf前端電路中的每一個包括混頻器，所述混頻器被配置為將輸入信號與混頻信號進(jìn)行混頻以生成該rf前端電路的輸出信號。參考電路被配置為生成對所述多個rf前端電路公共的參考信號。每個時間測量電路可操作地連接到對應(yīng)混頻器的輸入和參考電路。此外，每個時間測量電路被配置為測量參考信號的起始邊沿和對應(yīng)rf前端電路的混頻信號的停止邊沿之間的時間差。起始邊沿定義測量周期的開始，并且每個停止邊沿定義針對對應(yīng)rf前端電路的測量周期的結(jié)束。無線收發(fā)機(jī)被配置為根據(jù)針對對應(yīng)rf前端電路測量的時間差來確定每個輸出信號的初始相位。

在另一示例實(shí)施例中，一種被存儲在非暫態(tài)計算機(jī)可讀介質(zhì)中的計算機(jī)程序產(chǎn)品對無線收發(fā)機(jī)的多個射頻(rf)前端電路中的每一個的相位進(jìn)行控制。計算機(jī)程序產(chǎn)品包括軟件指令，所述軟件指令在無線收發(fā)機(jī)上運(yùn)行時，使無線收發(fā)機(jī)通過將輸入信號與混頻信號進(jìn)行混頻來生成每個rf前端電路的輸出信號，并生成對所述多個rf前端電路公共的參考信號。軟件指令還使無線收發(fā)機(jī)測量參考信號的起始邊沿與對應(yīng)rf前端電路的混頻信號的停止邊沿之間的時間差。起始邊沿定義測量周期的開始，并且每個停止邊沿定義對應(yīng)rf前端電路的測量周期的結(jié)束。軟件指令還使無線收發(fā)機(jī)根據(jù)對應(yīng)rf前端電路測量的時間差來確定每個輸出信號的初始相位。

附圖說明

圖1示出波束成形系統(tǒng)的示例框圖。

圖2示出根據(jù)一個示例實(shí)施例的針對波束成形發(fā)射機(jī)的框圖。

圖3示出用于圖1的波束成形系統(tǒng)的發(fā)射rf前端的示例框圖。

圖4示出根據(jù)一個示例實(shí)施例的相位確定方法。

圖5示出根據(jù)一個示例實(shí)施例的用于確定初始相位的示例信號圖。

圖6示出根據(jù)另一示例實(shí)施例的用于確定初始相位的示例信號圖。

圖7a示出tdc的一個示例電路實(shí)現(xiàn)。

圖7b示出圖7a的tdc的示例信號圖。

圖8示出根據(jù)另一示例實(shí)施例的針對波束成形發(fā)射機(jī)的框圖。

圖9示出根據(jù)另一示例實(shí)施例的用于確定初始相位的示例信號圖。

圖10示出針對圖1的波束成形系統(tǒng)的接收rf前端的示例框圖。

圖11示出根據(jù)一個示例實(shí)施例的波束成形接收機(jī)的框圖。

具體實(shí)施方式

圖1示出波束成形系統(tǒng)10，其包括具有m個天線單元22的天線陣列20，其中第m個天線單元22被耦合到第m個射頻(rf)前端30。如圖2所示，每個rf前端30包括鎖相環(huán)(pll)32。對天線單元22的波束方向進(jìn)行控制的一種方法是使pll32響應(yīng)于相對于參考時鐘被輸入到pll32的輸入控制信號來控制pll輸出信號的相位。在一些實(shí)施例中，pll控制信號指示出pll輸出信號的期望相移，其中期望相移由pll32外部的控制器(未示出)(例如陣列控制器)基于天線陣列20中的天線單元22的位置、期望的波束方向和/或期望的波束形狀來確定。在其他實(shí)施例中，pll控制信號指示天線陣列20中的天線單元22的位置、期望的波束方向和/或期望的波束形狀，并且pll32基于由pll控制信號提供的信息來確定或另外選擇期望的相移。發(fā)射機(jī)的相位以及因此波束的方向也可以或另外通過旋轉(zhuǎn)被施加到對應(yīng)rf前端30的數(shù)字或模擬基帶信號的相位來控制。例如，數(shù)字基帶信號的相位可以旋轉(zhuǎn)所期望的量。在旋轉(zhuǎn)之后，數(shù)字基帶信號可以被轉(zhuǎn)換成模擬信號并且被施加到對應(yīng)rf前端30以用于頻率上轉(zhuǎn)換和發(fā)射。

應(yīng)當(dāng)理解，圖1示出了示例波束成形系統(tǒng)10的簡化框圖。為了簡化起見，與該討論無關(guān)的其它部件已被排除在附圖之外。

以下將首先描述本文所公開的波束成形發(fā)射機(jī)100的實(shí)施例，如圖3所示的。然而，應(yīng)當(dāng)理解，本文所公開的實(shí)施例適用于其它波束成形單元(例如波束成形接收機(jī)(圖10和圖11))、和/或需要初始相位的知識用于相位控制的任何類似系統(tǒng)。

圖2示出示例rf前端30(例如，圖1所示的波束成形系統(tǒng)10的第m個rf前端)的框圖。每個rf前端30包括：鎖相環(huán)(pll)32；分頻器34，可操作地被耦合到pll32的輸出；頻率上轉(zhuǎn)換混頻器36，可操作地被耦合到分頻器34的輸出；以及放大器38，可操作地被耦合到混頻器36的輸出。pll32響應(yīng)于參考信號而以期望的pll頻率flo來輸出信號。分頻器34將pll輸出信號的頻率flo除以n來以期望的射頻實(shí)現(xiàn)混頻信號smix，其中n可以是分?jǐn)?shù)或整數(shù)。頻率上轉(zhuǎn)換混頻器36響應(yīng)于混頻信號smix的頻率而對輸入信號si進(jìn)行頻率上轉(zhuǎn)換。放大器38(例如功率放大器)放大經(jīng)頻率上轉(zhuǎn)換的信號以生成輸出信號sout(m)，例如由對應(yīng)天線單元22發(fā)射的發(fā)射信號。

如圖3所示，發(fā)射機(jī)100還包括參考電路40和多個時間測量電路50，例如時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器(tdc)，每個時間測量電路用于一個rf前端電路30。參考電路40被配置為生成對多個rf前端電路30公共的參考時鐘信號sr。參考電路40可以包括能夠以期望的頻率生成參考時鐘信號的任何已知的時鐘電路。此外，雖然不必需，但是由參考電路40輸出的參考時鐘信號sr也可以被用作鎖相環(huán)參考信號，其被提供給每個rf前端電路30中的鎖相環(huán)32。

每個tdc50可操作地被連接到參考時鐘電路40以接收公共的參考時鐘信號sr，并且被連接到對應(yīng)的rf前端電路30以接收由該rf前端電路30生成的混頻信號smix。每個tdc50測量與對應(yīng)混頻信號smix的當(dāng)前相位有關(guān)的時間差，并且基于測量的時間差來確定對應(yīng)rf前端電路30的輸出的初始相位。通過使用公共參考信號用于所有時間差測量/初始相位確定，本文給出的解決方案確保了由每個tdc50執(zhí)行的時間差測量例如與參考時鐘信號的下一個邊沿同時發(fā)生。結(jié)果，可以為每個輸出信號確定距確的初始相位。tdc50可以輸出時間差，或者可以例如根據(jù)等式(1)從時間差計算初始相位，并輸出計算出的初始相位。

更具體地，圖4示出了用于確定由多個rf前端電路30中的每一個生成的每個輸出信號sout的初始相位的示例方法200。在參考電路40生成了參考信號sr(框210)之后，tdc50通過測量參考時鐘信號sr的起始邊沿tedge(sr)和針對第m個rf前端電路30的混頻信號smix的停止邊沿tedge(smix(m))之間的差值(框220)，來測量針對第m個rf前端電路30的時間差δt(m)。發(fā)射機(jī)100根據(jù)對應(yīng)的確定的時間差來確定由每個rf前端電路30輸出的輸出信號(在這種情況下為發(fā)射信號sout(m))的初始相位(框230)。

圖5和圖6示出了示意根據(jù)各個實(shí)施例的圖4的時間測量過程的信號圖。tdc50觸發(fā)參考時鐘信號sr的邊沿，例如上升沿，并且測量該上升沿之后多長時間混頻信號smix具有上升沿。在圖5中，在檢測到參考時鐘信號sr的上升沿之后，tdc在混頻信號smix的下一個上升沿處停止測量窗口。在圖6中，在檢測到參考時鐘信號sr的上升沿之后幾個時鐘周期，tdc50在混頻信號smix的上升沿停止測量窗口。如圖6所示，在多個lo時鐘周期上的時間差的測量可以用于避免觸發(fā)邏輯中的亞穩(wěn)態(tài)，而不增加解決方案的復(fù)雜性或影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。在任一情況下，針對第m個輸出信號st(m)的初始相位δφi(m)可以根據(jù)以下計算：

其中ntdc(m)表示由tdc50在起始邊沿(例如，參考時鐘上升沿tedge(sr))和停止邊沿(例如，混頻信號上升沿tedge(smix))之間測量的tdc量化步長的數(shù)量，并且astep表示以秒為單位的tdc量化步長。應(yīng)當(dāng)理解，本文公開的實(shí)施例不要求tdc50使用混頻和參考時鐘信號的上升沿；可以可替代地使用任何信號邊沿，例如下降沿。

圖7a示出了針對tdc50的一個示例電路/邏輯實(shí)現(xiàn)，而圖7b示出了對應(yīng)于圖7a的tdc50的一個示例信號圖。如本文所述，不是所有實(shí)施例都需要裝配信號。圖7a所示的與(and)、異或(xor)和定時門的配置對輸入信號(sr、smix以及可選地裝配信號)執(zhí)行對應(yīng)的邏輯功能，以觸發(fā)測量窗口的開始和結(jié)束，并且因此使得能夠?qū)y量窗口的持續(xù)時間進(jìn)行測量。因?yàn)槊總€tdc50具有相同的輸入?yún)⒖紩r鐘信號sr和相同的裝配信號(當(dāng)被使用時)，所以測量窗口的持續(xù)時間的確定使得能夠針對每個輸出信號同時確定初始相位。

發(fā)射機(jī)100使用確定的初始相位δφi(m)來促進(jìn)對應(yīng)天線單元22的精確相位控制。為此，發(fā)射機(jī)100還可以包括用于每個rf前端電路30的相位控制電路60，如圖3所示。相位控制電路60可以從對應(yīng)的tdc50接收確定的初始相位δφi(m)。備選地，相位控制電路60可以從對應(yīng)的tdc50接收測量的時間差δt(m)，然后根據(jù)接收到的測量的時間差來計算初始相位δφi(m)。在任何情況下，相位控制電路60使用初始相位δφi(m)來對對應(yīng)的第m個rf前端電路30的相位進(jìn)行初始化或“校準(zhǔn)”，使得第m個rf前端電路30根據(jù)已知的初始相位執(zhí)行任何相位控制活動。相位控制電路60然后可以調(diào)整，例如旋轉(zhuǎn)，針對該輸出信號確定的初始相位以實(shí)現(xiàn)該輸出信號的期望相位值。例如，相位控制電路60可以使用初始相位來調(diào)整被用于控制pll輸出信號的相位的輸入控制信號。備選地，相位控制電路60可以使用初始相位來控制/調(diào)整基帶信號si的相位。因?yàn)橄辔豢刂齐娐?0根據(jù)已知的初始相位值有效地開始相位調(diào)整，所以作為結(jié)果的相位控制是精確的并且可靠地實(shí)現(xiàn)了期望的性能，例如波束成形。

圖3涉及在單個集成電路上具有所有rf前端電路30的發(fā)射機(jī)。然而，當(dāng)不同的rf前端電路30被設(shè)置在不同的集成電路上時，如圖8所示，也可以使用本文給出的解決方案。在這種情況下，發(fā)射機(jī)100還將包括用于每個集成電路的同步電路70。每個同步電路70可以例如使用利用對所有集成電路公共的時鐘來運(yùn)行的計數(shù)器來實(shí)現(xiàn)。同步電路70使在不同集成電路上發(fā)生的定時測量同步。為了使定時測量同步，每個同步電路70將如圖9所示的裝配信號提供給該集成電路上的tdc50。此外，同步電路70也被跨集成電路同步，以確保被提供給被發(fā)射機(jī)100中的每個tdc50的裝配信號被同步。如圖9所示，一旦裝配信號被激活，例如變高，則tdc50觸發(fā)參考時鐘信號sr的邊沿，例如上升沿，并且測量該上升沿之后多長時間混頻信號smix具有上升邊沿，以確定δt(m)?？梢愿鶕?jù)等式(1)來計算針對第m個輸出信號sout(m)的初始相位δφi(m)。雖然上述示例僅在發(fā)射機(jī)100的不同電路被設(shè)置在不同的集成電路上時才使用同步電路70和對應(yīng)的“裝配”信號，但是同步電路70的使用并不限于此。應(yīng)當(dāng)理解，發(fā)射機(jī)100可以使用同步電路70和對應(yīng)的裝配信號用于任何發(fā)射機(jī)配置，包括當(dāng)所有rf前端電路30都被設(shè)置在單個集成電路上時。

如上所述，本文給出的解決方案也適用于波束成形接收機(jī)。在這種情況下，相位控制電路控制了接收到的信號如何被組合以實(shí)現(xiàn)期望的波束成形優(yōu)點(diǎn)。

圖10示出了第m個天線單元22、第m個接收rf前端30和對應(yīng)的第m個tdc50的框圖。在這種情況下，天線單元22將接收到的信號提供給放大器39，放大器39生成放大的輸入信號si以用于該rf前端電路30的混頻器36。類似于發(fā)射機(jī)實(shí)施例，參考電路40(圖11)生成對多個rf前端電路30公共的參考時鐘信號sr。此外，盡管不需要，但是由參考電路40輸出的參考時鐘信號sr也可以被用作被提供給每個rf前端電路30中的鎖相環(huán)32的鎖相環(huán)參考信號。

每個tdc50可操作地被連接到參考時鐘電路40以接收公共的參考時鐘信號sr，并且被連接到對應(yīng)rf前端電路30以接收由該rf前端電路30生成的混頻信號smix。每個tdc50測量與對應(yīng)的混頻信號smix的當(dāng)前相位有關(guān)的時間差，并且基于測量的時間差來確定針對對應(yīng)rf前端電路30的輸出的初始相位。對于接收波束成形，這涉及tdc50通過測量針對第m個rf前端電路30的參考時鐘信號sr的起始邊沿tedge(sr)和混頻信號smix的停止邊沿tedge(smix(m))之間的差值來測量第m個rf前端電路30的時間差δt(m)。發(fā)射機(jī)100根據(jù)對應(yīng)的測量的時間差來確定輸出信號(在這種情況下是每個rf前端電路30輸出的接收輸出信號sout(m))的初始相位。

圖11示出了包括同步電路70的波束成形接收機(jī)的另一框圖。同步電路70向?qū)?yīng)的tdc50提供裝配信號。此外，如果存在多個同步電路70，則每個同步電路也被跨集成電路同步以確保被提供給發(fā)射機(jī)100中的每個tdc50的裝配信號被同步。一旦裝配信號被激活，例如變高，則tdc50觸發(fā)參考時鐘信號sr的邊沿，例如上升沿，并測量該上升沿之后多長時間混頻信號sr具有上升沿，以確定δt(m)。可以根據(jù)等式(1)來計算針對第m個輸出信號st(m)的初始相位δφi(m)。

本文提出的解決方案提供了一種有效和經(jīng)濟(jì)有效的方式來確定由rf電路部件(例如分頻器)引起的相位周期性地(例如每次電路被通電時)變化的情景的初始相位。通過同時確定多個rf電路的輸出信號的初始相位，本文給出的解決方案實(shí)現(xiàn)了精確的相位控制。

當(dāng)然，在不脫離本發(fā)明的基本特征的情況下，本發(fā)明可以以與本文具體闡述的不同的方式進(jìn)行。本實(shí)施例將在所有方面被認(rèn)為是說明性的并且不是限制性的，并且所附權(quán)利要求的含義和等同范圍內(nèi)的所有改變都被包含在其中。