專利名稱：多普勒定向儀以及用多普勒定向儀定向的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及多普勒定向儀，尤其涉及但不是唯一地涉及在蜂窩通信網(wǎng)站中所用的多普勒定向儀。本發(fā)明還涉及對例如是使用多普勒定向儀的移動臺進行定位的方法。
我們所了解的多普勒定向儀被設(shè)計用來從所接收到的信號中確定方向。但是，這些已知的多普勒定向儀通常被設(shè)計而工作于經(jīng)過相對簡單調(diào)制的接收信號，這些筒單的調(diào)制例如可以是頻率調(diào)制或幅度調(diào)制。已知的多普勒定向儀可能不適于用在含有相對復(fù)雜調(diào)制的接收信號，這種復(fù)雜的調(diào)制例如可以是高斯最小偏移鍵控(GMSK)。特別是，如果使用了復(fù)雜調(diào)制，則已知的多普勒定向儀需要增加許多時間，以便由所接收到的信號來確定方向。如果在定向儀必須從同時接收到的若干信號中來確定出方向的情況下，這就成為一個問題。隨著調(diào)制的復(fù)雜程度的增加，多普勒定向儀的檢測范圍和精度下降了。
在已知的蜂窩通信網(wǎng)中，一個固定的基地發(fā)送接收站(BTS)被設(shè)計為，能將信號發(fā)送到移動臺(MS)，或接收來自移動臺的信號，該移動臺例如可以是位于由上述基地發(fā)送接收站所服務(wù)的蜂窩或蜂窩扇區(qū)內(nèi)的移動電話。對于BTS和MS之間的一般通信傳輸，只要BTS和MS之間的通信質(zhì)量令人滿意，則有關(guān)蜂窩或蜂窩扇區(qū)內(nèi)的移動臺的精確位置的信息就不重要了。但是，美國權(quán)威機構(gòu)(FCC)最近引入一種規(guī)則，即要求在蜂窩或蜂窩扇區(qū)內(nèi)的移動臺呼叫一種緊急業(yè)務(wù)時，該移動臺的位置必須被定位在125米的范圍內(nèi)。已經(jīng)提出了幾種方法對蜂窩或蜂窩扇區(qū)內(nèi)的移動臺的位置進行定位。一種方法是利用信號到達的時差(TDOA)的原理。使用到達時差的方法，來自一個移動臺的信號被若干基地發(fā)送接收站接收。通過觀測來自指定移動臺的一個指定信號到達若干基地發(fā)送接收站所需的時間差，就有可能確定出該移動臺的位置。但是，如果來自一個移動臺的信號僅僅可被單獨的一個基站接收時，就不能使用這種方法。另外，還存在許多困難，這些困難與提供所需的每個基地發(fā)送接收站的定時信號，以便能確定該時間差相關(guān)。
在所提出的另一種方法中，使用了定時超前信息(timing advanceinformation)。在時分多址聯(lián)接(TDMA)蜂窩網(wǎng)中需要定時超前信息。在時分多址聯(lián)接蜂窩網(wǎng)中，使用了若干時隙。一幀由預(yù)定數(shù)目的許多時隙組成。對每個移動臺，在每一幀內(nèi)都分配給它一個指定時隙，用于該移動臺與基地發(fā)送接收站進行通信。但是，與移動站和基地發(fā)送接收站距離較近時相比，當(dāng)移動臺距離基地發(fā)送接收站相對較遠時，信號到達基地發(fā)送接收站所花費的時間也較長。
為正確地處理所接收到的來自各種移動臺的信號，來自每個移動臺的信號必須是在所分配的時隙內(nèi)由基地發(fā)送接收站接收。為確保信號能在所分配的時隙內(nèi)被接收，基地發(fā)送接收站將要向移動臺提供定時超前信息。這一信息表明移動臺何時應(yīng)該向基地發(fā)送接收站發(fā)送自己的信號。因此，當(dāng)移動臺距離基地發(fā)送接收站相對較遠時，該移動臺將會比移動臺距離基站相對較近時更早地向基站發(fā)送自己的信號。因此，由移動臺發(fā)送的信號能在所分配的時隙內(nèi)被基地發(fā)送接收站接收。由此，定時超前信息是移動臺和基站之間距離的一種度量。但是，如果信息是來自于僅僅一個可用的基站時，這一系統(tǒng)就不精確了。另外，這種方法不能提供任何有關(guān)諸如接收信號的方向之類的提示。如果注意到來自兩個基站的定時超前信息，則這種方法可得到改善。但是，還會存在與所需的定時信號的提供相關(guān)的問題。
因此，本發(fā)明的確定實施例的目的是減少或至少減輕這些問題。
依據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種多普勒定向儀，包括至少一個天線，該天線與旋轉(zhuǎn)點有一段距離，所述天線被設(shè)計為，在使用時能圍繞所述旋轉(zhuǎn)點旋轉(zhuǎn)，所述至少一個天線被設(shè)計為能提供一種包含由所述至少一個天線接收到的、組合有多普勒頻移分量的信號的第一輸出信號；一種用于提供一個不含多普勒頻移分量的、包含所述接收到的信號的第二輸出信號的裝置；一種用于處理所述第一和所述第二信號，以獲取所述多普勒頻移分量的裝置；以及一種用于由所述多普勒頻移分量中確定出接收信號的接收方向的裝置。
通過處理第一和第二信號，可解除任何接收信號的調(diào)制分量。因此，可發(fā)現(xiàn)，這個裝置可允許多普勒定向儀的檢測范圍增加，同時還可允許得到更精確的結(jié)果。采用本發(fā)明的多普勒定向儀確實具有一個快速穩(wěn)定時間的優(yōu)點，這在無線電遠程通信網(wǎng)中尤為有用。
在至少一個天線進行機械旋轉(zhuǎn)的情況下，可獲得滿意的效果。但是，如果這至少一個天線是進行電旋轉(zhuǎn)時，則可提供至少三個天線。最好可提供3個到10個天線，但在4個到8個天線之間可獲得良好效果。
用于提供第二輸出信號的裝置最好包括另一個天線。這另一個天線可具有穿過旋轉(zhuǎn)點的一個軸。這另一個天線可與上述至少一個旋轉(zhuǎn)天線位于同一個平面上，或者也可在上述至少一個天線之上或之下。這一特征具有這樣一個優(yōu)點，即由這另一個天線所接收的信號與由所述至少一個旋轉(zhuǎn)天線接收到的信號相比，可能會非常相似，但是它不包含多普勒頻移分量。盡管在一些實施例中，這另一個天線可以繞自軸旋轉(zhuǎn)，但是這另一個天線最好實質(zhì)上是靜止的。
在另一個實施例中，用于提供第二輸出信號的裝置包括將來自至少一個天線的若干信號進行組合，以提供所述第二輸出信號的裝置。這種方案具有這樣一個優(yōu)點，即對于第二信號來說，它不需要單獨的天線。另外，在這些提供了若干旋轉(zhuǎn)天線的實施例中，由于信號是由一個以上的天線接收的，所以減小了與信號衰落相關(guān)的問題。信號的如此合并使得所有多普勒頻移分量都被除去。
所接收到的信號最好包括一個調(diào)制載波。加到載波上的這種調(diào)制可以是高斯最小偏移鍵控調(diào)制。因此，有可能在蜂窩通信網(wǎng)中使用多普勒定向儀。這個蜂窩通信網(wǎng)可以是一個時分多址聯(lián)接網(wǎng)。
這至少一個天線被設(shè)計為這樣，使其在使用時，能在時分多址聯(lián)接網(wǎng)的時隙內(nèi)至少轉(zhuǎn)動一次。最好是，該至少一個天線能在所述時隙內(nèi)至少轉(zhuǎn)動兩次，并從該時隙的中間期所接收的信號中確定出方向。這樣，可不理睬在該時隙的開始和結(jié)尾處讀取信號所引起的異常情況。
依據(jù)本發(fā)明的第二方面，本發(fā)明提供了一種多普勒定向方法，它包括以下步驟圍繞一個旋轉(zhuǎn)點旋轉(zhuǎn)至少一個天線，以便能提供第一輸出信號，該信號含有合并了多普勒頻移分量的接收信號；提供一個第二輸出信號，該信號包括不含有多普勒頻移分量的接收信號；處理所述第一和第二信號，以獲取多普勒頻移分量；以及從多普勒頻移分量中確定出信號的接收方向。
依據(jù)本發(fā)明的第三方面，本發(fā)明提供了一種對時分多址聯(lián)接通信網(wǎng)的一個蜂窩內(nèi)的移動臺進行定位的方法，它包括以下步驟使用在上文中定義的多普勒定向儀，從所接收到的由所述移動臺發(fā)射的信號中，確定出信號的接收方向；使用定時超前信息來確定移動臺和基站之間的距離；以及使用所確定出的距離和所確定出的方向來確定移動臺的位置。
這種方法具有這樣一種優(yōu)點，即甚至是在考慮使用兩個或更多個基站來確定位置時，都不需要復(fù)雜的基準時鐘信號。
為更好地理解本發(fā)明以及為使其得到相同的實現(xiàn)，將參考通過結(jié)合以下附圖所舉的例子進行說明，其中

圖1顯示了已知的多普勒定向儀的方框圖；圖2顯示了圖1的信號源和天線的示意圖；圖3a顯示了用于圖1中旋轉(zhuǎn)天線的、頻率變化與時間之比的圖；圖3b顯示了用于圖1中旋轉(zhuǎn)天線的、相位變化與時間之比的圖；圖4顯示了采用依據(jù)本發(fā)明的多普勒定向儀的方框圖，該圖詳細地說明了接收機；圖5顯示了圖4的多普勒定向儀的方框圖，該圖詳細地說明了控制單元；圖6顯示了在一個時隙內(nèi)，從移動臺所接收到的一個典型的信號；圖7顯示了當(dāng)天線在一個時隙內(nèi)轉(zhuǎn)動兩次時，所得到的相位變化與時間之比的圖例；圖8顯示了采用本發(fā)明的另一個多普勒定向儀的方框圖；以及圖9顯示了用于圖8的天線的最佳排列方式。
圖1說明了一個已知的多普勒定向儀2，對其進行說明是為了輔助理解本發(fā)明。多普勒定向儀2被如此設(shè)計，使其能處理經(jīng)幅度調(diào)制(am)或經(jīng)頻率調(diào)制(fm)的信號，以便確定那些信號的接收方向。多普勒定向儀2具有四個旋轉(zhuǎn)天線4，它們被設(shè)計為或者可圍繞中心點3進行機械旋轉(zhuǎn)，或者可圍繞中心點3進行電旋轉(zhuǎn)。這四個天線4被設(shè)計為正方形結(jié)構(gòu)。天線4具有按照需要所選定的一個旋轉(zhuǎn)速度。
為確定出信號的接收方向，現(xiàn)在，在說明圖1的其余器件之前，將參考圖2進行說明，圖2說明了由圖1中的多普勒定向儀2所使用的多普勒頻移原理。為簡單起見，假定天線4圍繞中心點3進行機械轉(zhuǎn)動。在圖2中，一個fm或am信號源5被放置在距四個天線4有一定距離的地方。天線4圍繞中心點3按箭頭7的方向旋轉(zhuǎn)。一般，當(dāng)一個天線處于圖2中所示的位置a時，順箭頭A的方向，有天線的瞬時分量。這樣，在位置a處，天線的速度分量與來自源5的信號的傳播總方向9垂直。因此，當(dāng)處于位置a時，由天線4接收到的信號沒有多普勒頻移分量。
眾所周知，當(dāng)在信號源和接收機之間存在相對運動時，可觀測到多普勒頻移效應(yīng)。當(dāng)信號源和接收機相互靠近時，與信號源所發(fā)出的信號頻率相比，接收機所接收到的信號的頻率升高了。與此相反，當(dāng)信號源和接收機彼此遠離時，與信號源所發(fā)出的信號頻率相比，接收機所接收到的信號的頻率降低了。
當(dāng)天線處于與位置a呈90°的位置b時，天線將順著箭頭B的方向轉(zhuǎn)動而遠離源5。這樣，當(dāng)處于位置b時，天線4的運動方向遠離源5，而這正好與信號從源5傳播到天線4的方向一致。因此，當(dāng)處于位置b時，最大地降低了天線所接收到的信號頻率。著這就是上文中所說明的多普勒頻移效應(yīng)的結(jié)果。
當(dāng)天線4處于與位置b呈90°的位置c時，天線4在箭頭C的方向上具有速度分量。這與天線處于位置a時的情況相似，當(dāng)處于位置c時，天線的速度分量與對來自源5的信號的接收方向呈直角。因此，當(dāng)天線處于位置c時，沒有多普勒頻移分量。
當(dāng)天線處于位置d時，天線4在箭頭D的方向上具有速度分量，箭頭D的方向是向源5靠近的方向。因此，由于多普勒頻移效應(yīng)，所接收到的來自源5的信號具有被最大程度地提高了的頻率。應(yīng)該能理解，當(dāng)天線轉(zhuǎn)動到除上述四個位置以外的其它位置時，也能觀測到多普勒頻移效應(yīng)。但是，所觀測到的多普勒頻移處在當(dāng)天線位于位置b和d時所觀測到的最大頻移值以及當(dāng)天線處于位置a和c時所觀測到的零偏移值之間。
以下，將參照圖3a進行說明，圖3a顯示了用于一個旋轉(zhuǎn)天線的頻率變化——時間圖。同時在圖3a中，還示出了在頻率值中獲得相應(yīng)變化的天線的位置。正如能看到的那樣，當(dāng)天線處于位置b時，天線所接收到的信號頻率最小，同時，當(dāng)天線處于位置d時，所接收到的信號頻率最大。應(yīng)該理解，為獲取圖3a所示的圖，來自所有四個天線的信號信息被組合。多普勒頻移的頻率與天線的轉(zhuǎn)動頻率相等。
圖3b顯示了所接收到的信號的相位改變與時間的關(guān)系圖。應(yīng)該理解，頻率改變和相位改變之間的關(guān)系如下所示
其中φ＝相位通過識別實際角位置，有可能確定對來自源5的信號的接收方向。圖1中所顯示的電路圖是如此設(shè)計的，使其能處理所接收到的信號，以便確定出點a。
再回到圖1，多普勒定向儀2具有第一帶通濾波器6。即便考慮到接收信號的多普勒頻移，由天線4接收的所需信號還是要被限定在一個指定頻帶內(nèi)。帶通濾波器6是這樣設(shè)計的，使其能濾除不需要的未落在指定頻帶內(nèi)的信號。由帶通濾波器輸出的信號可以被看作是(fc+mod)±df，其中fc是載波頻率，mod是調(diào)制分量，df是多普勒頻移。經(jīng)濾波的信號從第一帶通濾波器6中輸出，并輸入到放大器8。放大器8又與一個可變電阻器10相連。放大器8與可變電阻器10相組合，確定了一個自動增益控制(AGC)電路，在該控制電路中，放大器8的增益被調(diào)節(jié)，以保持其輸出處于線性范圍內(nèi)。由放大器8和可變電阻器10所確定的AGC的輸出被輸入到一個混頻器電路12。該混頻器電路12還具有來自壓控振蕩器14的一個輸入。振蕩器14的振蕩頻率受晶體16的控制。振蕩器14被調(diào)諧在頻率fk?；祛l器12產(chǎn)生一個輸出，該輸出等于接收到的信號(fc+mod)±df與振蕩器所產(chǎn)生的頻率fk之間的差。所得到的信號頻率為(fc-fk+mod)±dffc-fk等于基頻fb。眾所周知，基頻fb是可處理輸入信號的頻率。
混頻器12的輸出，(fb+mod)±df，被輸入到第二帶通濾波器18，該第二帶通濾波器18被設(shè)計為能濾除由混頻器12執(zhí)行信號處理時可能產(chǎn)生的所有不需要的信號。尤其是，混頻器12還可提供一個信號，該信號是兩個輸入信號的和。濾波器18被設(shè)計為能濾除來自這一加法的信號結(jié)果。由于來自混頻器12的信號輸出還包括一個調(diào)制分量，所以第二帶通濾波器18的輸出被連接到解調(diào)器20的輸入端。解調(diào)器的輸出將會是fb±df。解調(diào)器20的輸出被第二放大器22放大。放大器22的輸出與高通濾波器24相連。實際上，是使用以下器件中的一個或多個對信號的fb部分進行濾除帶通濾波器8、解調(diào)器20、放大器22以及高通濾波器24。
輸入到控制單元26的信號可被看作是圖3b中所示的信號，即只有df?？刂茊卧?6被設(shè)計為能確定出信號的df分量的零交叉點，該零交叉點是相對于a參考點的點b和d的實際角位置。應(yīng)該能夠理解，點a到d的實際角位置依賴于所接收到的來自源的信號方向的變化。但是，為從所接收到的信號中得出實際角方向，必須確定出點a的實際角位置。這是通過將事先確定出的點b或d的實際角位置加上或減去90°而實現(xiàn)的。有關(guān)所確定出的信號的接收方向的信息例如可以顯示在一個顯示器28上。
控制單元26還有與四個天線4相連接的一個輸出，以控制天線的操作，這種操作包括控制天線的旋轉(zhuǎn)速度。
但是，所說明的與圖1相關(guān)的多普勒定向儀不適于處理象在GSM、DCS 1800以及PCS 1900蜂窩遠程通信系統(tǒng)中使用的GMSK(高斯最小偏移鍵控)這樣的使用了復(fù)雜調(diào)制的信號。調(diào)制的類型越復(fù)雜，越會降低已知的多普勒定向儀的精度，同時還會降低檢測范圍。另外，如果信號具有復(fù)雜調(diào)制，則常規(guī)多普勒定向儀用接收到的信號確定出接收方向時所花費的時間會增加。這使得常規(guī)多普勒定向儀不可能處理來自不同源的大量的信號，并由此不適用于蜂窩通信網(wǎng)?，F(xiàn)在，請參見圖4和5，它們顯示了采用本發(fā)明的用于象GSM、DCS 1800和PCS 1900這樣的時分多址聯(lián)接的蜂窩遠程通信網(wǎng)的多普勒定向儀。應(yīng)該能夠理解，那些聯(lián)系圖1所說明的相似的原理同樣適用于本發(fā)明的實施例。
在說明采用本發(fā)明的多普勒定向儀50之前，將簡要說明時分多址聯(lián)接(TDMA)的各種特征。一般來說，TDMA系統(tǒng)使用數(shù)字信號。由基站發(fā)出或接收到的信號被分為若干幀，每幀又被依次分為若干時隙，例如為8個。這8個時隙構(gòu)成了一幀。這些時隙中的一個可被用于通信控制信號，而剩余的7個時隙將被分配，以便與同特定的基地發(fā)送接收站相連的蜂窩或蜂窩扇區(qū)內(nèi)的7個移動臺進行通信。
與已知的結(jié)構(gòu)相似，圖4和5中顯示的多普勒定向儀50包括被設(shè)計為能繞中心點53進行電子旋轉(zhuǎn)的四個天線52。正如所了解的那樣，在若干被設(shè)計為能電旋轉(zhuǎn)的天線中，天線本身并不動，而是通過選擇性地從天線中讀取信號，并對其進行適當(dāng)處理，從而模擬出天線的轉(zhuǎn)動。這里可以使用硬開關(guān)或軟開關(guān)。硬開關(guān)是在一次只選擇一個天線時使用的。軟開關(guān)是在同一次接通一個以上的天線時使用的。這種裝置可以是這樣的，即來自一個天線的信號要比來自其它天線的信號強。最好是，天線能夠在每一個時隙內(nèi)轉(zhuǎn)動n次，其中n是一個整數(shù)。正如下文中所要說明的，在一個最佳實施例中，天線52被設(shè)計為能在每一個時隙內(nèi)轉(zhuǎn)動兩次。天線的轉(zhuǎn)動頻率是如下定義的時隙數(shù)目×?xí)r隙頻率×天線數(shù)目×在一個時隙內(nèi)的旋轉(zhuǎn)數(shù)目現(xiàn)在請參見圖6，圖6顯示了由移動臺發(fā)射的并由基地發(fā)送接收站在一個時隙TS內(nèi)所接收的典型信號。正如所看到的那樣，在由接地發(fā)送接收站所接收到的信號中，在該時隙的開始和結(jié)束處分別有上斜坡區(qū)域和下斜坡區(qū)域。因此，為確定出移動臺的方向，有必要在該時隙的中間區(qū)域進行測量，避免任何異常的讀取。因此，在本發(fā)明的一個實施例中，四個天線被設(shè)計為能在每個時隙內(nèi)完整地轉(zhuǎn)動兩次。這將會產(chǎn)生如圖7所示的結(jié)果。因此，由天線52的第一次旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的信號中的前一半200以及由天線52的第二次旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的信號中的后一半202被忽略掉，而僅考慮由天線52的第一次旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的信號中的后一半204和由天線52的第二次旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的信號中的前一半206。
一般來說，天線52大約間隔1/4波長。當(dāng)然也可使用其它任何合適的間距。天線52的輸出被輸入到第一帶通濾波器54，而第一帶通濾波器54又向第一放大器56和第一可變電阻器58提供一個輸出。第一帶通濾波器54、第一放大器56和第一可變電阻器58提供了與聯(lián)系圖1所說明的第一帶通濾波器6、第一放大器8和可變電阻器10具有相同的功能。一般來說，帶通濾波器54將會被調(diào)諧到一個合適的頻帶，以用于蜂窩通信網(wǎng)。例如，在GSM網(wǎng)中，頻率大約為800MHz。在DCS系統(tǒng)中，頻率將會在大約1800MHz，而在PCS系統(tǒng)中，頻率大約為1900MHz。
天線52所提供的信號可被看作是(fc+mod)±df。df是多普勒頻移，并且要比fc+mod低很多。mod代表調(diào)制頻率，fc為載波頻率?？勺冸娮杵?8的輸出與第一混頻器60的輸入端相連。第一混頻器60還具有來自壓控振蕩器64的一個輸入。壓控振蕩器的振蕩頻率受晶體66的控制。振蕩器64在等于fc+fb的頻率處提供信號。fb是基帶頻率。第一混頻器60的輸出是這樣的，它等于((fc+mod)±df)-(fc+fb)＝mod±df-fb。之后，來自混頻器60的輸出穿過第二帶通濾波器62，該第二帶通濾波器62被設(shè)計為可除去任何不需要的落在所定義范圍之外的頻率分量。這些不需要的分量可看作是在由第一混頻器60執(zhí)行處理時所產(chǎn)生的。與圖1中所說明的裝置相似，第一混頻器60還提供一個信號，該信號是兩個輸入信號的總和。濾波器60將濾除由這次求和所產(chǎn)生的信號。第二帶通濾波器62的輸出端與第二混頻器68的輸入端相連。
多普勒定向儀50還包括一個另外的天線70。這另一個天線70是一個固定的、不旋轉(zhuǎn)的天線，其軸穿過四個旋轉(zhuǎn)天線52的中心53。在一個實施例中，可將該固定天線70可設(shè)計為位于這四個旋轉(zhuǎn)天線的上面或下面。在另一個實施例中，可將該固定天線70設(shè)計為處于這四個天線52的中間。該固定天線在其輸出端提供信號fc+mod。換句話說，由固定天線70的輸出所提供的信號與旋轉(zhuǎn)天線52輸出的信號的不同之處僅僅在于沒有表現(xiàn)出多普勒頻移。由于固定天線70不旋轉(zhuǎn)，因而沒有多普勒分量df。由固定天線70接收到的信號被輸入到第三濾波器72，該第三濾波器72具有與四個旋轉(zhuǎn)天線52相連的第一帶通濾波器54相同的或相似的特性。必須注意，不必要求第一帶通濾波器54必須與第三帶通濾波器72精確匹配。所述第三帶通濾波器72執(zhí)行與第一帶通濾波器54相同的功能，僅僅是對固定天線70所接收到的信號來說的。
第三帶通濾波器72的輸出與第二放大器74的輸入相連，而第二放大器74本身又與第二可變電阻器76相連。與連接有四個旋轉(zhuǎn)天線52的第一放大器56和第一可變電阻器相似，第二放大器74和第二可變電阻器76提供了一個自動增益控制(AGC)電路。第二放大器74一般具有與第一放大器56相同的特性。同樣，第一可變電阻器58一般也具有與第二可變電阻器相同的特性。再次說明，應(yīng)該能理解，第一放大器56和第一可變電阻器不必與第二放大器74和第二可變電阻器76精確匹配，但最好具有相似的特性。
第二可變電阻器76的輸出與第三混頻器78的輸入相連。第三混頻器78還接收來自壓控振蕩器64的一個輸入，該壓控振蕩器64提供一個fc+fb的輸入。第三混頻器78的輸出是這樣的(fc+mod)-(fc+fb)＝mod-fb。再次說明，第三混頻器78的特性最好能與第一混頻器的那些特性相似。第三混頻器78的輸出與第四帶通濾波器80的輸入相連，第四帶通濾波器80將會除去由第三混頻器78執(zhí)行信號處理時所產(chǎn)生的落在所需頻帶外的、不需要的頻率分量，例如是由輸入到混頻器78兩個信號信號之和所得到的任意一種信號。再一次說明，第四帶通濾波器80具有與第二帶通濾波器62相似的特性。第四帶通濾波器80的輸出與第二混頻器68的輸入相連。這樣，第二混頻器68接收來自第二帶通濾波器62的這樣一個輸入mod+df-fb以及來自第四帶通濾波器80的一個第二輸入mod-fb這樣，第二混頻器68提供一個±df的輸出，該輸出被輸入到一個低通濾波器82，該濾波器82濾除由輸入到混頻器68的多個信號的總和而產(chǎn)生的任何一種信號。由于消去了接收信號中的調(diào)制分量，因此不用象圖1中所示的裝置那樣必須提供一個解調(diào)器。第二混頻器68的輸出一般具有圖3b所示的圖形形式。
低通濾波器82的輸出與一個放大器84相連，而該放大器82又與高通濾波器86相連。高通濾波器86的輸出與控制單元88相連，該控制單元88可依據(jù)所接收到的輸入信號，確定出所接收到的來自源的信號的接收方向?？刂茊卧?8使用聯(lián)系圖2、3a和3b所說明的原理，以便確定移動臺的方向。與已知的裝置相似，控制單元88的輸出與四個旋轉(zhuǎn)天線52相連。
現(xiàn)在，請參見圖5，它更詳細地顯示了控制單元88的結(jié)構(gòu)。應(yīng)該能理解，在圖5中，接收機90與圖4中虛線內(nèi)所示的、并被標(biāo)記為參考號90的那些器件相對應(yīng)。
高通濾波器86的輸出被輸入到一個模擬至數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換器92，它能將模擬形式的輸入信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式。模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器92的輸出被輸入到第五和第六帶通濾波器94和96。第五帶通濾波器94用于消除模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器92所使用的采樣頻率。第六帶通濾波器96是一個開關(guān)電容器濾波器，它具有來自計數(shù)器98的一個輸入。來自計數(shù)器98的輸入提供時鐘信號，以用于控制開關(guān)電容器濾波器96，尤其是其帶寬。
控制單元88還具有一個同步輸入100，它允許一個同步信號輸入到控制單元88。該信號可以是一個幀同步信號或一個時隙同步信號。正如先前所說明的那樣，一個典型的TDMA系統(tǒng)會使用若干幀，每幀又被分為若干時隙。例如，在每幀的開始處，可產(chǎn)生一個被用作同步信號的信號。應(yīng)該能理解，有關(guān)幀自身的定時是由基站內(nèi)的時鐘控制的。換句話說或者是另外，例如可以是在每次時隙的開始處提供信號。在本發(fā)明的另一個實施例中，提供一個獨立的同步信號也是可能的。
同步信號輸入100與提供了兩種功能的方框102相連。方框102的第一功能是將同步信號從其載波中分離出來。時鐘分離和調(diào)制解調(diào)器方框102的第二功能是將來自控制電路88的輸出信號加到時鐘信號載波上，以提供一個調(diào)制解調(diào)器信號或一個網(wǎng)際信號，從而由控制電路88提供一個輸出。因此輸入100還被用作一個調(diào)制解調(diào)器的輸出?？?02的第二輸出與接收所輸入的同步信號的時鐘框104相連。由時鐘框104處理上述所輸入的同步信號，以提供一個時鐘信號。時鐘框104的輸出與受時鐘信號控制的計數(shù)器98相連。正如可從圖5中看到的那樣，計數(shù)器98具有三個輸出。第一個輸出105a被送到開關(guān)電容器濾波器96。如前所述，來自計數(shù)器98的輸出105a提供了時鐘信號，用于控制開關(guān)電容器96，尤其是其帶寬。來自計數(shù)器的第二輸出105b被送到一個天線控制單元106。天線控制單元106控制四個旋轉(zhuǎn)天線52的電旋轉(zhuǎn)速度。來自計數(shù)器98的最后一個輸出105c連接到定向和輸入/輸出塊108，這在下文中將會詳細說明。
開關(guān)電容器濾波器96的輸出與放大器110的輸入相連。放大器110的輸出與判定執(zhí)行框112相連，該判定執(zhí)行框112被設(shè)計為能確定圖3b中所示的信號的零交叉點。但是，由于相對于信號的接收方向來說，發(fā)生零交叉點的位置為90°，所以，提供有一個延遲框114，用于將判定執(zhí)行框112所確定的值加上或減去90°。延遲框108的輸出與定向框108相連，定向框108能依據(jù)延遲框108所接收的輸入以及所接收到的來自計數(shù)器98的信息，而確定出信號的接收方向。來自計數(shù)器98的輸入允許輸入/輸出框108確定發(fā)生零交叉點加上或減去90°延遲時天線的實際位置。這是由于天線52的電旋轉(zhuǎn)也是由計數(shù)器控制的。這樣，就可知道天線52在發(fā)生指定事件時與參考點相關(guān)的實際位置。因此，輸入/輸出框108可確定發(fā)生零交叉點加上或減去90°時的計數(shù)數(shù)目，并由此確定出天線52的實際的相應(yīng)角位置。輸入/輸出框108還可能涉及有延遲，該延遲是由所接收的信號從天線52傳播到輸入/輸出框108所花費的時間而引起的。
輸入/輸出框108可包括一個緩沖器，它用于存儲在n個時隙之前所確定出的一個給定移動臺的方向。這樣，任何異常的讀取都可被忽略。例如，如果由于多徑傳播，在一個方向上，在當(dāng)前時隙所接收到的信號與x個時隙前所接收到的信號大不相同，可以確定當(dāng)前的讀數(shù)由于多徑傳播的影響，而不能表示移動臺所處的實際方向。因此，出于對移動臺進行定位的目的，這樣一種讀數(shù)可被忽略，而且這種讀數(shù)可依賴于使用由在先的一個時隙或多個時隙所獲得的一個讀數(shù)或多個讀數(shù)。輸入/輸出框108被輸入到框102，該框102將方向信息加到調(diào)制解調(diào)器信號上，以提供一個如上所述的輸出。
使用圖5和6中所示的多普勒定向儀，有可能確定出信號的接收方向。但是，多普勒定向儀50不能提供象移動臺與基站之間的距離這樣的信息。因此，為對移動臺的位置進行定位，使用了定時超前信息。如前所述，基地發(fā)送接收站(BTS)為一個移動臺分配一個特殊的時隙，并且由該移動臺(MS)發(fā)射的信號必須落在該時隙內(nèi)。但是，與距離基地發(fā)送接收站相對較近的移動臺所發(fā)出的信號的情況相比，當(dāng)移動臺離基站相對較遠時，由移動臺發(fā)送出的信號將會花費更長的時間才能被傳送到基地發(fā)送接收器。因此，當(dāng)移動臺離BTS相對較遠時，基地發(fā)送接收站所接收的來自移動臺的信號不能在所分配的時隙內(nèi)被完整接收。如果在其所分配的時隙內(nèi)，發(fā)射到這個移動臺的信號不能被完整接收，將會干擾相鄰時隙內(nèi)的另一個移動臺接收信號。為解決這一困難，BTS將要對諸如是BTS和移動臺之間的距離等執(zhí)行一個估算。根據(jù)這一估算，BTS計算在后將會由移動臺所使用的定時超前信息。該定時超前信息將表明該移動臺何時應(yīng)該向BTS發(fā)送自己的信號，以便該信號能在為其指定的時隙內(nèi)被BTS接收。這樣，當(dāng)MS離BTS相對較遠時，與MS和BTS之間的距離相對較小時相比，MS將會更早地向BTS發(fā)送其信號，以便確保由移動臺發(fā)射出的信號可在其指定時隙內(nèi)被BTS接收。這樣，定時超前信息是BTS和移動臺之間距離的一種度量，同時，多普勒定向儀對移動臺的方向提供一種指示。使用這一信息，有可能將發(fā)出信號的移動臺定位在、特別是小于125米的精度內(nèi)。
如果來自移動臺的信號可被一個以上的基站所接收，而每個基站又具有采用本發(fā)明的多普勒定向儀，則系統(tǒng)的精度可進一步得到改善。這樣，在每一個基站，都對移動臺的可能的位置進行確定。通過使用來自兩個或更多個基地發(fā)送接收站的這一信息，系統(tǒng)精度提高了。如果使用后一種方法，則需要一種能控制若干基站的主控制器，以便使用來自每個基站的信息，確定出指定移動臺的位置。一般來說，僅使用一個基站，可用±2°±800m的精度對移動臺定位。如果使用兩個基站，則精度為±2°±120m。應(yīng)該理解，這些值可以隨特定通信網(wǎng)以及蜂窩的大小而變動。
現(xiàn)在，請參見圖8，該圖顯示了本發(fā)明的另一個實施例。這些與第一實施例中的器件相同的器件被標(biāo)記有相同的參考號碼。
與第一實施例中的情況相同，該裝置包括四個可電旋轉(zhuǎn)的天線120，它們能繞公共中心點122旋轉(zhuǎn)。這里存在由天線裝置提供的四個獨立的輸出124、126、128和130。尤其是，每個天線120具有其自己的獨立輸出124-130。124-130中的每個輸出都輸出到各自的帶通濾波器130、132、134和136。130-136中每個帶通濾波器的相應(yīng)的輸出被分別輸入到其自己的放大器140、142以及144和146，在這些放大器中，相應(yīng)的信號得到放大。放大器140到146中的每一個放大器的輸出都被輸入到相應(yīng)的Wilkinson Fork 148、150、152和154中，它們將放大器140到146中每一個的輸出都分解為兩個信號，并使這兩個信號彼此隔離。
與Wilkinson Fork 148到154相應(yīng)的輸出156、158、160和162中的一個被輸入到能提供單獨一個輸出的單獨一個信號組合器164。組合器164的信號輸出等于第一實施例的天線70所提供的輸出，這就是fc+mod。與本發(fā)明第一實施例的單獨一個天線70相比，使用四個天線來提供不包含多普勒頻移的接收信號，減輕了由于信號衰落而引起的問題。應(yīng)該能理解，來自四個天線120的信號被如此組合而消除了多普勒頻移分量。
每個Wilkinson Fork 148-154的另一個輸出166、168、170和172被輸入到相應(yīng)的可變電阻器174、176、178和180?？勺冸娮杵?74-180可被看作是用來控制天線旋轉(zhuǎn)的可調(diào)節(jié)衰減器。特別是，由于天線的電旋轉(zhuǎn)使用了軟開關(guān)，可變電阻器可被用來改變對同一時間接通的相應(yīng)信號的衰減。
174-180中的每個可變電阻器都具有兩個輸出182-196。174-180中的每個可變電阻器的第一輸出182、186、190、194被輸入到控制單元198，其構(gòu)造與第一實施例中的控制單元88相似。每個可變電阻器的另一個輸出184、188、192、196被合并，并輸入到第一帶通濾波器54，該濾波器54執(zhí)行一個與第一實施例中的第一帶通濾波器54相似的功能。組合器164的輸出被輸入到一個第三帶通濾波器72，該濾波器72提供一個與第一實施例中的第三帶通濾波器72相似的功能。對于與圖4所示第一實施例的那些器件相同的器件，就不再作進一步說明。
一個鎖相環(huán)199位于壓控振蕩器64及與其相關(guān)的晶體66之間，以確保壓控振蕩器64能保持在一個信道上?？刂茊卧?98具有對第一可變電阻器58以及對第二可變電阻器76的輸出，以控制相應(yīng)的放大器56和74的增益?？刂茊卧€具有用來控制鎖相環(huán)199的一個輸出，以控制其信道?？刂茊卧哂信c第一實施例的輸入/輸出100相對應(yīng)的一個輸入/輸出197。
現(xiàn)在，請參見圖9，它顯示了四個天線52的最佳實施例。提供了一個可彎曲電路板110，四個天線中的每一個都被刻蝕在這塊電路板上。在將天線部件52刻蝕到這塊可彎曲電路板上之后，該可彎曲電路板彎曲，形成一個圓柱面。在這個圓柱面的中部另有一個電路板112。在這另一塊電路板112上，至少提供有接收機部件的一部分。那些另外的部件可以被刻蝕到這另一塊電路板112上。電路板上所提供的用于各種接收機部件的多個輸入端被焊接到天線52的輸出口114上。可將該裝置修改為還包括第一實施例中的一個固定天線70。
應(yīng)該能理解，電旋轉(zhuǎn)天線的數(shù)目不一定是四，它可以是從3個一直到16個天線。旋轉(zhuǎn)著的每一個天線最好是全方向的。天線52可以圍繞中心點53作機械旋轉(zhuǎn)，但在最佳實施例中它們是電旋轉(zhuǎn)。在本發(fā)明的最佳實施例中，其中天線都是電旋轉(zhuǎn)的，數(shù)據(jù)是順次從每個天線中讀出的。使用軟開關(guān)，使得實際上可以在同一次，從兩個以上的天線中讀取數(shù)據(jù)。但是，來自天線的相應(yīng)的信號的衰減可能會受到圖8中電阻器的控制。在本發(fā)明的一個實施例中，提供有四個天線，對于該天線裝置的一個完整旋轉(zhuǎn)，它們中的每一個都接通90次。但是，也可將這一數(shù)目該為任何其它合適的數(shù)目。如果一個天線是機械旋轉(zhuǎn)的，則可用一個單個的天線來實現(xiàn)本發(fā)明的實施例。
應(yīng)該能理解，在對本發(fā)明的一種修改方案中，可在SDMA(空分多址聯(lián)接)系統(tǒng)中使用多普勒定向儀，以確定所接收到的來自移動臺的信號的方向，并由此確定出應(yīng)該發(fā)射給BTS的信號的方向。
本發(fā)明的實施例還可用在FDMA系統(tǒng)(頻分多址聯(lián)接)、類似系統(tǒng)或任何其它合適的系統(tǒng)中。
在本發(fā)明的一個實施例中，用一個帶有移相器的組合器來替代第二混頻器。但是，混頻器更簡單，因而更經(jīng)濟，所以是最合適的。
在本發(fā)明實施例中所使用的天線可具有任意恰當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)，例如可以是全向天線。在本發(fā)明的一個實施例中，天線是偶極子天線，但在本發(fā)明的其它實施例中，天線是盤錐形的。
應(yīng)該理解，本發(fā)明的實施例還可用在具有調(diào)幅或調(diào)頻信號的裝置中。實際上，本發(fā)明的實施例適用于處理具有任何不同類型調(diào)制的信號。
第一實施例的單個天線被描述為固定的。但在一些實施例中，假定在沒有產(chǎn)生多普勒頻移的情況下，或是在所產(chǎn)生的多普勒頻移分量被消去的情況下，這個天線也可以動。
權(quán)利要求
1.一種多普勒定向儀，包括至少一個天線，它距離旋轉(zhuǎn)點有一定距離，所述至少一個天線被設(shè)計為在使用時，能圍繞所述旋轉(zhuǎn)點旋轉(zhuǎn)，所述至少一個天線被設(shè)計為可以提供包括由所述至少一個天線接收到的、組合有多普勒頻移分量的一個信號的第一輸出信號；用于提供包括所述接收到的不包含所述多普勒頻移分量的信號的第二輸出信號的裝置；用于處理所述第一和第二信號，以獲取所述多普勒分量的裝置；以及用于從所述多普勒頻移分量確定出所述接收信號的接收方向的裝置。
2.如權(quán)利要求1所述的一種多普勒定向儀，其特征在于至少提供有三個天線。
3.如權(quán)利要求1或2所述的一種多普勒定向儀，其特征在于用來提供第二輸出信號的所述裝置包括另外一個天線。
4.如權(quán)利要求3所述的一種多普勒定向儀，其特征在于所述另外一個天線具有穿過所述旋轉(zhuǎn)點的一個軸。
5.如權(quán)利要求3或4所述的一種多普勒定向儀，其特征在于所述另一個天線實質(zhì)上是不動的。
6.如權(quán)利要求1和2所述的一種多普勒定向儀，其特征在于用來提供第二輸出信號的所述裝置包括這樣一種裝置，該裝置用于對來自所述至少一個天線的若干信號進行組合，以提供所述第二輸出信號。
7.如前述任意一個權(quán)利要求所述的一種多普勒定向儀，其特征在于所述處理裝置被設(shè)計為能從所述接收信號中分離出所述多普勒頻移分量。
8.如前述任意一個權(quán)利要求所述的一種多普勒定向儀，其特征在于所述接收信號包括一個調(diào)制載波，所述處理裝置被設(shè)計為能對所述第一和第二信號進行組合，以消去接收信號中的調(diào)制分量。
9.如權(quán)利要求8所述的一種多普勒定向儀，其特征在于所述加到載波上的調(diào)制是高斯最小偏移鍵控調(diào)制。
10.如前述任意一個權(quán)利要求所述的一種多普勒定向儀，其特征在于所述多普勒定向儀可用在一種蜂窩通信網(wǎng)內(nèi)。
11.如權(quán)利要求10所述的一種多普勒定向儀，其特征在于所述蜂窩通信網(wǎng)是時分多址聯(lián)接網(wǎng)。
12.如權(quán)利要求11所述的一種多普勒定向儀，其特征在于將所述至少一個天線設(shè)計為在使用時，在所述時分多址聯(lián)接網(wǎng)的一個時隙內(nèi)能至少轉(zhuǎn)動一次。
13.如權(quán)利要求11或12所述的一種多普勒定向儀，其特征在于所述至少一個天線在所述時隙內(nèi)至少轉(zhuǎn)動兩次，并從在所述時隙的中間區(qū)域接收到的信號部分中確定出方向。
14.如前述任意一個權(quán)利要求所述的一種多普勒定向儀，其特征在于所述至少一個天線位于一個電路板上。
15.如權(quán)利要求13所述的一種多普勒定向儀，其特征在于所述電路板被設(shè)計為圓柱面形式。
16.如權(quán)利要求14所述的一種多普勒定向儀，其特征在于另一個電路板位于所述圓柱面內(nèi)，以支撐所述多普勒定向儀的至少一部分。
17.一種多普勒定向方法，包括以下步驟圍繞一個旋轉(zhuǎn)點旋轉(zhuǎn)至少一個天線，以提供一個第一輸出信號，該第一輸出信號包括一個接收到的組合有一個多普勒頻移分量的信號；提供一個第二輸出信號，該第二輸出信號包括所接收到的不含有所述多普勒頻移分量的信號；處理所述第一和第二信號，以獲得多普勒頻移分量；以及從所述多普勒頻移分量中確定出信號的接收方向。
18.對處于時分多址聯(lián)接蜂窩通信網(wǎng)的蜂窩內(nèi)的移動臺進行定位的一種方法，包括以下步驟使用如前述任何一種權(quán)利要求所述的一種多普勒定向儀確定出對所述移動臺發(fā)射的信號進行接收的接收方向；使用定時超前信息來確定移動臺和基站之間的距離；使用所述確定出的距離和確定出的方向來確定移動臺的位置。
全文摘要
多普勒定向儀包括與定位點(53)有一定距離的至少一個天線(52)。將這至少一個天線(52)安裝為使其在使用時能圍繞旋轉(zhuǎn)點(53)旋轉(zhuǎn)。這至少一個天線(52)被設(shè)計為,使其能夠提供包括由所述至少一個天線(52)接收的、合并有多普勒頻移分量的第一輸出信號。這里有用于提供包括所接收到的、不含多普勒頻移分量的信號的第二輸出信號的裝置(70)。處理裝置(54－82)處理第一和第二信號,以獲取多普勒頻移分量。確定裝置(88)從這個多普勒頻移分量中確定出來自接收信號的接收方向。
文檔編號H04Q7/34GK1246924SQ98802273
公開日2000年3月8日 申請日期1998年1月20日 優(yōu)先權(quán)日1997年2月3日
發(fā)明者米科·塔帕尼·威克斯特羅姆 申請人:諾基亞電信公司