CN100452664C - 用于码分多址信号功率估算的装置和方法 - Google Patents

Abstract

用于估算在根据CDMA标准的无线网络中工作的移动台接收机接收的信号的功率电平的系统和方法。顺序地使用模拟自动增益控制器(AGC)回路、数字滤波器和数字AGC回路来处理被放大、转换到基带并且利用模拟基带信号进行滤波后的接收的RF信号。将模拟AGC和数字AGC的线性增益值相乘以产生增益值乘积。增益值乘积的对数用于通过与预定接收信号功率估算曲线进行比较来执行功率估算功能。

Description

用于码分多址信号功率估算的装置和方法

本发明一般涉及无线电信系统，更具体地说，涉及对在根据码分多址(CDMA)(或类似的)标准工作的接收机中接收的信号功率的可靠估算，即使所述信号包括大量的干扰。当接收机采用经济上有利的直接转换体系结构时本发明尤其有用，因为与标准的超外差接收机相比，直接转换开环功率控制电路走漏的干扰更少。

发明背景

无线电信技术彻底变革了人们在远距离上的通信方式。自从19世纪现代电信系统的开始，实质上除了那些依赖视线的系统以外所有这些系统都通过电线工作。采用从电线的一端发送到另一端的一定模式的电信号，在各端的装置能够建立有效可靠的通信。更准确地说，为了贯穿长距离，电信号在很多电线上传送，这些电线由交换机互连形成网络。交换机使所连接的电线几乎能够随意地进行组合以便任何装置可以与任何其他装置连接和通信，只要它们都连接在网络上并且未被占用。这种类型的网络，开始是电报，后来成为电话，现在通常指普通老式电话系统(POTS)。类似的专用或有限接入网络目前也在使用。这种网络在诸如电话和计算机的装置之间，为通信业务(包括声音和数据)提供可靠的运载工具。POTS和类似的有线线路系统的主要缺点是这些装置必须设置在它们被物理连接到的网络接入点，并且在正在进行的通信对话期间不能改变位置。此外，不论采用哪种网络资源在主叫方和被叫方之间建立连续的连接，在对话期间网络资源必须被这样占用着——即使在没有发生实际通信的时间段中。

主要依赖无线电波的无线通信解决了这些问题。虽然第一次无线传输发生在多年前，但是仅仅在不久以前科技的进步才使无线通信被普通大众广泛使用。现在很多人预定移动以及(或代替)有线服务。通常，订户具有一个或多个能够与位于网络覆盖区域中的网络收发信机进行无线通信的移动台。移动台本身包括发射机和接收机，而且通常是电话、计算机、个人数字助理(PDA)或类似装置。当然，移动台实际上不必是可移动的，而这里所用的术语“移动台”将用于这些装置和任何其他能够与无线网络进行无线通信的类似装置。

图1是图解说明典型的无线网络100的选用的部件的方框图，可用于与实践根据本发明的接收功率估算的移动台通信。网络100包括多个服务基站(BSSs)，这里有BSS 105、BSS 110和BSS 115。虽然只示出了3个BSS，然而，在实际的网络中会有很多BSS。各BSS包括基站收发信机(BST)和基站控制器(BSC)。例如在图1中，在BSS105中包括BST106和BSC107；在BSS 110中包括BST111和BSC112；在BSS 115中包括BST116和BSC117。另一方面，单个BSC可控制多个BST。网络100的覆盖区域被分为多个小区，分别具有BST(也可能是BSC)。为了用于说明，图1列举了3个小区，分别是小区104、小区109和小区114。一般的网络具有很多这种小区，不象图1所示的，这些小区的大小可以不同并且可相互交迭。

个别订户采用诸如移动台(MS)130的移动台与网络通信，并通过网络通信，通常通过覆盖移动台当前所处的小区的BST或邻近小区的BST。这样每个用于移动台到基站通信的射频可被再用于另一个小区中类似的通信，只要另一个小区足够远以防止信号与另一个信号交叉或干扰。当然，传输功率是受到限制的，使得发生在一个小区的传输不会(以很高的电平)到达采用相同频率的另一个小区。在图1的实施例中，MS 130通过射频(RF)链路135与BSS 115进行通信。RF链路135包括：前向链路136，它执行从BST116到MS 130的传输；以及反向链路137，MS 130利用它向BST116发送信号。反向链路137即可用于传输(真实的通信)信号也可用于控制信号。前向链路136也是一样，它包括导频信道、同步信道和寻呼信道。导频信道信号被每个BST连续发送并且是移动台找到基站以便能够为实际的通信注册(使网络知道其存在)或建立语音或数据链路的手段。同步信道信息使各移动台能够获得CDMA信号的帧同步。寻呼信道用于寻呼移动台以提示有呼入以及用于类似的信息。

通常情况下，当位于小区114中时，MS 130只与BSS 115通信。当它移向例如小区109时，它检测到来自BSS 110的导频信道信息正在变强，就可与它也建立通信。(网络还还考虑到通过与邻近小区相关联的BSS进行通信，在这种情况下可以得到最靠近的BSS。)当MS 130移动位置时，这种冗余使通信能够继续下去。当移动台从一个小区移到另一个小区时，它在一个称为“越区切换”的过程中从一个BST切换到另一个。在理想的情况下，与第二个BST的通信在与原来的BST的链路断开之前被建立，这种情况下(称为“软切换”)订户将感到传输中有微小的或没有中断。

BSS可与另一个BSS，例如图1的BSS104和BSS 110直接通信，虽然它们都是通过移动交换中心(MSC)，例如MSC 120直接或间接连接。MSC 120在移动台之间交换语音呼叫，移动台与其连接的BSS通信，并通过网络(未示出)本身将呼叫切换到任何其他装置。关于区域中移动台操作的信息被存储在连接到MSC 120的来访位置寄存器(VLR)数据库122中。MSC 120还可包括分组数据交换节点(PDSN)124，所述PDSN 124以类似的方式与更现代化的移动台往返交换分组数据。

如上所述，与没有移动电话频率的再使用相比，移动电话频率的再使用使更多订户能够主动地通信。即，例如，如果所有移动台在大城市区域中的任何地方被分别分配使用其自己的频率，可用信道很快会被用尽而且会经常有忙信号。然而有了频率再使用，可以把正被一个移动台使用的相同频率信道分配给在仅仅几英里之外工作的另一个移动台。

此外，已开发了若干种多址方案。标准频分多址(FDMA)仅仅将可用传输频谱(带宽)划分为单独的信道，并按需要将这些信道分配给语音或数据通信。然而，在任何这种通信对话中，大量的时间中没有发生实际的传输；并不是在所有时间都需要信道。然而，信道被分配给所述对话时间，意味着它不能被另一个(本地)订户使用。多址方案允许工作在相同或邻近小区的用户共享频率信道。

例如，在TDMA方案中，每一个可用频率被划分为时隙，在给定频率下各个通信信道由特定的时隙定义。如果将时隙的数量保持在足够少的数量，则几乎可以发送任何传输而没有订户可察觉的延迟。采用TDMA，在给定的呼叫范围内可以发生更多的同时的通信。当然，发送站和接收台必须同步以便各自使用正确的时隙，意味着移动台必须更为复杂。尽管如此，当采用时分多址(TDMA)时还是获得了很多好处。

另一个多址方案是码分多址(CDMA)。CDMA根本不用将可用带宽划分为单独的频率信道，而是采用扩频传输方法。在扩频系统中，利用伪随机噪声(PN)码来扩展可用传输带宽上的编码传输。通过另外以称为沃尔什码的64个可用波形之一扩展所述信道来提供通道化。为每个与BSS建立联系的移动台分配沃尔什码，沃尔什码被发送到移动台并在那里用于将接收信号解码。只有将用于特定移动台的传输可以被它接收，因为分配给它的沃尔什码与其他沃尔什码(基本上)相互正交。基站和与其通信的各移动台之间需要精确的同步以确保正确的接收。为此各BST不断在同步信道上发送同步信息。然而与TDMA的情况一样，相对大量的订户可同时使用网络，这一点证明CDMA系统所需的额外的复杂性是合理的。

CDMA多址方案目前根据通称为IS-95标准的标准工作，或根据其更新的副本IS-2000工作。这两个标准基本上是兼容的，使得根据一个标准构造的设备可与根据另一个标准构造的设备通信。然而，IS-2000(有时指CDMA2000)为数据和多媒体内容提供有效的传输。本发明可有利地采用IS-95或IS-2000。因为它不是单独与那个版本关联，这里术语“CDMA”包括这两个版本以及将来的任何版本。

因为CDMA移动台采用可变传输功率方案，所以，根据本发明将最有利地使用根据CDMA标准工作的接收机。即，可以提高或降低各单独的传输的功率电平，目标是没有超功率的传输。这两种方法都能节省通常由电池提供的移动台的功率，并将交叉信道干扰最小化。这种功率控制在任何系统中都是重要的，例如CDMA，其中很多订户实际上共享相同频率。有多个用于控制移动台传输功率的方法。在开环控制中，移动台通过分析从基站接收的信号的功率电平确定将多少功率用于传输。通常，所用基站信号是通过同步信道发送的校准常数。当然，同步信道功率随距离减小，因此当从移动台到基站的距离增加时功率变小。一旦检测到这种衰减，移动台据此调节传输功率。

在估算接收的的CDMA信号的功率电平的一种开环方法中，采用了模拟自动增益控制电路。当接收信号被处理时，AGC试图使信号的功率电平在用于解调之前输送到模拟-数字(A/D)转换器时保持不变。做到这一点所需的增益值随实际接收的信号的功率电平而不同，因此前者可用于估算后者。此方法在例如传统上使用的超外差接收机中被成功地采用，如下所述。

图2是说明先技术的标准超外差接收机200的开环功率估算部件的方框图。作为上述内容范例的模拟AGC环路210用虚线表示。然而在通过所述环路之前，接收(RF)信号被低噪声放大器(LNA)220放大。放大后的信号被输入到混频器225，在那里信号被下变频为中频(IF)。如图2中的“图例”所示，混频后信号包括实数部分和虚数部分。复数IF信号被发送到表面声波(SAW)滤波器230，表面声波滤波器显著地衰减与接收的信号相关的任何干扰。然后所述信号通过第二个混频器235，混频器235将所述信号下变频为基带。然后基带信号被发送到基带模拟滤波器240，基带模拟滤波器去除了大部分(如果不是全部的话)前述与接收的信号相关联的剩余干扰。

然后滤波后的基带信号被输送到由前述AGC回路210的模拟AGC电路255控制的可变增益放大器250。模拟AGC 255的输入是A/D转换器260的输出，A/D转换器260处理来自可变增益放大器250的信号输出。应当指出，在本实施例中，AGC 255还为低噪声放大器设置了增益值。然而，被发送到可变增益放大器的增益值被接收功率估算电路270用于估算接收信号功率。换而言之，通过监视将可变增益放大器250到A/D转换器260的输出维持在恒定值所需的模拟增益值来估算接收信号功率。输入信号越强，所需的调节越少。

应当指出，在图2的超外差接收机电路200中，IF-SAW滤波器230和基带模拟滤波器240共同去除大部分或基本上全部原来存在的邻信道干扰。这意味着AGC设置的增益值也不反映与干扰关联的功率电平。如果没有完成IF滤波，增益值会更小，导致接收功率估算器220过高估计接收信号功率。

目前正在开发所谓直接转换CDMA接收机，然而，由于经济的原因并不包括IF-SAW滤波器。因此根据图2的配置进行准确的功率估算并不可行。在提供给AGC的信号中剩余的较高的干扰电平使增益值是不准确的功率估算值。因此需要准确估算接收的RF信号功率的方法。本发明正是提供了这种装置和方法。

发明内容

本发明针对用于估算无线电信网络、例如根据CDMA标准构造的无线电线网络中接收信号功率电平的装置和方法。在一方面，本发明是具有第一AGC回路和第二AGC回路的接收机电路。在优选实施例中，第一回路在第二回路之前而且是模拟AGC回路，而第二回路是通过数字滤波器与第一回路分开的数字AGC回路。系统还包括乘法器，用于将模拟AGC设置的增益值与数字AGC设置的增益值相乘以产生增益值乘积。然后通过将增益值乘积的对数应用在具有预设参数的公式中来估算CDMA功率。

在另一方面，本发明是用于估算接收的的CDMA信号的功率电平的方法，所述方法包括以下步骤：放大接收的的信号；通过模拟基带滤波器将接收的的信号滤波；以及将滤波后的信号发送到模拟AGC回路。此方法还包括以下步骤：采用数字滤波器将AGC回路的输出滤波并将数字滤波后的输出提供给数字AGC回路。把由模拟AGC回路设置的线性增益值与数字AGC回路增益值的线性值相乘以产生增益值乘积。最后，通过把增益值乘积的对数与和接收所述信号的接收机相关的功率估算曲线相比较而估算出接收信号功率。

附图简要说明

图1是说明可用于与实践根据本发明的接收功率估算的移动台通信的典型的无线电信网络的选用部件的方框图；

图2是说明先技术的典型的超外差接收机的功率估算部件的方框图；

图3是说明根据本发明的实施例配置的直接转换结构的接收机的功率估算部件的方框图；

图4是说明根据本发明的装置和方法确定的、接收信号强度与增益值乘积的对数(以10为底)的关系的接收信号功率估算曲线；以及

图5是说明根据本发明的实施例估算接收的CDMA信号的功率的过程的流程图。

详细说明

本发明提供用于估算接收的CDMA(或类似的)RF信号的功率电平的装置和方法。所估算的功率电平提供将通信信号发回到原来的发送站所需的传输功率的指示。所述发送站通常是无线网络中的基站，而且功率电平估算由连接到基站的移动台执行。调整移动台传输功率使在基站接收的不同移动台的信号相等，不论其与移动发射机的距离是多少。

图3是说明根据本发明的实施例配置的直接转换接收机300的选用部件的方框图。在此实施例中，采用两个自动增益控制(AGC)回路(用虚线绘出的模拟AGC回路320和数字AGC回路340)完成接收信号功率估算。在可变增益放大器322处产生模拟AGC回路320的输入，可变增益放大器322接收并放大来自基带模拟滤波器315的复数信号。来自可变增益放大器322的放大的复数信号成为模拟-数字(A/D)转换器324的输入。从A/D转换器324输出的复数输出又是模拟AGC326的输入。来自模拟AGC 326的输出信号是模拟增益值，用于控制可变增益放大器322。在此配置中可变增益放大器322努力将输出到A/D转换器324的功率电平在预定电平上保持恒定。

如上所述，从基带模拟滤波器315接收模拟AGC回路320的输入。滤波器接收来自混频器310的复数基带信号，在接收的RF信号被低噪声放大器(LNA)305放大后，混频器310将其下变频。LNA 305最好由LNA增益值控制，所述LNA增益值也是模拟AGC 326的输出。

应当指出，与图2的超外差接收机200相比，接收机300缺少附加的混频器225和IF-SAW滤波器230。直接转换结构不象超外差接收机那样使用中频(IF)。而在这种方式中获得一定的期望的节约，此配置还意味着来自回路320的信号输出(通过A/D转换器324)还包括大量噪声成分。当然，所述模拟增益值反映了这种情况，如果存在噪声和由所述噪声产生的功率就要求较小的放大倍数。然而，在信号处理中这时并不知道全部功率电平中的多少可归因于噪声以及有多少可归因于接收信号本身。除了可以忽略干扰的情况以外，因此，只采用模拟增益值所做的任何功率估算将给出基站比实际情况距离更近的指示，结果从移动台发送的信号对于有效通信来说会太弱。

根据本发明的解决方案，在直接转换接收机中不能准确估算接收信号功率的问题通过采用数字AGC回路340来解决。数字AGC回路340在回路320的输出信号通过数字滤波器335之后接收所述信号。然后利用由数字AGC 344输出的数字增益值在乘法器342中重新标度数字滤波后的信号。然后，把从乘法器342输出的重新标度后的信号馈送回到数字AGC 344，并且同时将所述重新标度后的信号从数字AGC回路340发送到接收机的解调器，用于进一步处理。

为了执行本发明的功率估算功能，把从模拟AGC回路320和数字AGC回路340的输出组合。具体地说，在图3的实施例中，来自AGC326的模拟增益值的线性值和来自数字AGC 344的数字增益值在乘法器350中相乘得到增益值乘积。通过实验发现，增益值乘积的对数与接收信号功率成正比。在图3的实施例中，对数函数310确定了增益值乘积的以10为底的对数，它被输出到接收功率估算电路370。接收功率估算电路370用所述值来估算接收的射频(RF)信号的功率电平。下面将提供关于接收信号功率估算功能的更详细的描述。

图4是接收信号功率估算曲线400，它说明了根据本发明的装置和方法所确定的，接收信号功率(I₀)与增益值乘积(Y)的(以10为底的)对数之间的关系。已经发现存在基本线性的关系，并且对于给定的接收机，不管邻近信道的干扰量如何，接收信号和log₁₀(增益值乘积)之间存在相同关系。如图4中曲线的图例所注明的，在本实施例中，接收信号功率估算曲线得自具有包括零(“无音”)的四个不同干扰(音调)值的校准信号。最终曲线在数量上没有差异，所述数量对于大多数应用是相当大的，并且如图4所示，最终曲看来几乎是定义了一条曲线。

当根据本发明制造直接转换接收机时，可以采用以下方法来确定接收机的log₁₀(增益值乘积)对接收信号功率(Y对I₀)的曲线：施加功率电平的信号并确定结果增益值乘积，然后绘出其对数对已知功率电平的曲线。当然，尽管最好使用多个点，但至少必须绘出两点。因为曲线基本上是线性的，可确定其斜度m和y截距q。应当指出，可在任何接收信号功率电平下任意设置产生y截距的“y轴”，然后相对于所选值确定估算功率电平。

在另一个实施例中(未示出)，Y对I₀的曲线不是直线，然而可被表示为可被接收信号功率估算电路370用于估算接收信号功率的函数。当然，这是可能的，只要出现的干扰量的变化基本上不改变所述函数。在另一个实施例中(未示出)，计算多条接收信号功率估算曲线用于变化的环境或者作为通过手工或自动方式选出的默认曲线的替代物。

图5是说明根据本发明的实施例估算接收的CDMA信号功率的方法的流程图。所述过程以“开始”步骤开始，此处假设所述接收信号功率估算曲线(或多条曲线)已根据上述步骤或其他等价方法被确定。应当指出，虽然用CDMA系统作为实例，但是，当与根据其他标准工作的系统一起使用时，如果在这种系统中使用接收信号功率估算，则本发明是同样有利的。

当接收到射频(RF)信号时开始图5的方法(步骤505)。通常，信号将从基站被发送并且在移动台中被接收，尽管根据本发明构造和工作的接收机的其他应用也会存在。然后接收信号被放大(步骤510)并通过通常在直接转换接收机(见图3)中的单个混频器被转换到基带(步骤515)。然后利用模拟基带滤波器将得到的复数信号滤波(步骤520)。然后，滤波后的信号被模拟AGC回路传递和放大(步骤525)，模拟AGC回路最好包括由模拟AGC控制的可变放大器以及在可变放大器的输出被输入到AGC之前对其进行转换的A/D转换器。

也利用数字滤波器将A/D转换器的输出滤波(步骤530)。然后，在数字AGC回路中将数字滤波器的输出重新标度(步骤535)，数字AGC回路包括将数字滤波器的输出与数字AGC设置的数字增益相乘的乘法器，数字AGC接收乘法器的输出信号作为输入。乘法器的输出还被提供给解调器电路，在那里所述输出被解调(步骤540)。

将模拟AGC增益设定的线性值与数字AGC增益设定的线性值相乘(步骤545)以产生增益值乘积。然后将增益值乘积用于根据以下关系式估算接收信号强度I₀：

这里

是估计的功率，Y＝log₁₀(增益值乘积)，而m和q分别是如上述参照图4所述步骤所确定的斜度和y截距。然后估算的接收信号功率可用于调节从移动台向基站传输的发射功率(所述步骤未示出)。然后继续执行所述方法，使得所述传输功率调节可以与最近的接收信号测定匹配。

上述装置被描述为直接转换型接收机，虽然当用于其他类型的接收机时本发明也是同样有利的。本发明为以下应用作好准备：使用这种经济的结构而同时提供估算接收信号功率的方法，所述方法具有进行CDMA(或类似CDMA的)网络中操作所需的传输功率调节所需要的准确度。最后，应当指出，以上说明提供了用于实现本发明的例示和最佳实施例。然而，不必将本发明的范围限制于本说明。本发明的范围由以下提出的权利要求书限定。

Claims (16)

1.一种用于在与电信网通信的无线电信接收机中估算接收信号功率的方法，所述信号包括未知电平的干扰，所述方法包括以下步骤：

在包括产生模拟增益值的模拟自动增益控制器的模拟自动增益控制回路中放大所述接收信号；

将所述放大的信号转换为数字信号；

在包括产生数字增益值的数字自动增益控制器的数字自动增益控制回路中重新标度所述数字信号；

将所述模拟增益值与所述数字增益值相乘以产生增益值乘积；以及

利用所述增益值乘积确定估算的接收信号功率电平

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述模拟自动增益控制回路包括由通过所述模拟自动增益控制器产生的所述模拟增益值控制的可变增益放大器。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于所述模拟自动增益控制回路包括模数转换器，所述模数转换器接收所述可变增益放大器的输出，以及所述模拟自动增益控制器使用一信号来产生所述模拟增益值，该信号是所述模数转换器的输出。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于所述转换步骤由所述模拟自动增益控制回路的所述模数转换器进行。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于还包括在模拟自动增益控制回路中的放大步骤之前的下列步骤：

放大接收信号；

将所述放大的接收信号转换到为基带信号；以及

将所述基带信号滤波。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于：放大接收信号包括在低噪声放大器LNA中放大所述接收信号。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于所述低噪声放大器由通过所述模拟自动增益控制器产生的低噪声放大器增益值控制。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于在码分多址网络中从基站接收所述接收信号。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于还包括以下步骤：通过绘制至少两个校准信号的所述增益值乘积的对数对信号的已知功率电平的曲线来建立所述接收机的接收功率估算曲线。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于所述接收功率估算曲线接近具有斜度m和y截距q的直线。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于确定所述接收信号的估算功率电平

的所述步骤由所述接收机中的处理器利用所述增益值乘积的对数Y根据以下公式执行：

12.在用于码分多址网络移动台的接收机中估算接收信号功率的装置，所述装置包括：

用于处理所述接收信号并产生模拟增益值的模拟自动增益控制回路；

用于处理经所述模拟自动增益控制回路处理之后输出的所述接收信号并产生数字增益值的数字自动增益控制回路；

用于将所述模拟增益值与所述数字增益值相乘以产生增益值乘积的乘法器；以及

用于利用所述增益值乘积产生所述接收信号功率的估计值的估算器。

13.如权利要求12所述的装置，其特征在于还包括：

用于将所述接收信号转换到基带的混频器；以及

用于在所述转换后的信号被所述模拟自动增益控制回路和所述数字自动增益控制回路处理之前对其进行滤波的基带滤波器。

14.如权利要求13所述的装置，其特征在于还包括：用于在所述接收信号被转换到基带之前对其进行放大的放大器。

15.如权利要求12所述的装置，其特征在于还包括：连接到所述模拟自动增益控制回路并且连接到所述数字自动增益控制回路的模数转换器，用于对被所述模拟自动增益控制回路处理的所述信号在其被所述数字自动增益控制回路处理之前进行转换。

16.如权利要求12所述的装置，其特征在于所述估算器根据以下公式产生所述接收信号功率

的估计值：

其中Y表示所述增益值乘积的对数，而q和m分别表示预定的接收信号估算器曲线的y截距和斜度。

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