CN1047594A - 接收信号强度的快速指示 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种对具有多个反射波的时散信号(D，图1C)(其时散为所传送的符号间隔的几分之一或更大一些)进行快速接收信号强度指示(RSSI)的方法。该方法是将接收信号对一个已知序列进行滑动相关(304)，亦即通过信道探测得到传送信号的信道的时散函数(306/307)，利用这个时散函数，对在相关系数的相对最大值处的正交能量分量平方求和(306/307)(相关峰值参考一个门限电平定出(305))，对这些由相关系数可规定的能量求总和，就确定出存在于时散反射波中的能量。

Description

本发明与接收信号强度的快速指示有关，具体些说，与具有多个反射波的时散信号的接收信号强度快速指示的方法有关。到达接收机的这种时散信号可以证为是由分成许多部分的发射能量所组成，每一部分通过不同路程到达接收机，因而到达时间也不同。这些到达时间的范围描述了时滞散布宽度。在本发明中，要确定当时滞散布宽度至少大到与传送的比特时间可相比时这种信号的强度。

估计汽车或运动物体的无线电接收机中信号强度所遇到的一个问题是各个时散反射波的相位会组合起来，从而形成一个合成信号。如果对某一个具体的测量时间间隔或时间间隔序到用常规方法耒处理这种合成信号的话，就会因为信号强度随时强烈起伏而使得信号功率的估计不够精确。为了对信号强度的估计确实可靠，就必需要采用较大的滤波时常数或者说较长的平均时间。

其它一些测量方法有一个缺点，即测量精度对信号包络的变化率也就是说信号瞬时功率的平方根值非常灵敏，因此对于瞬时信号功率缓慢变化的情况必需采用比较大的时常数或者说平均时间耒保证可靠的测量精度。

在蜂窝状电话中，系统必须能迅速和精确地确定正在收听的信道上的典型信号强度，以便决定是否应将这连接改换到另一个子站的一个信道上，或改换到现行子站的另一个信道上。这种改换连接的过程叫做转接（handoff）。这里所述的“信号”可以表示为一定的接收电压电平，如果需要，它就表示了功率。

在蜂窝状电话通话的一般过程中，用户可以是接近不动的（如在便携式电话情况），也可以是快速运动的（如在高速公路上的汽车电话情况）。如果是所接收的信号的包络变化率的谱很宽。在这种情况下，一个接收机如果能以相同的精度更快地估计出信号强度，或在相同的时间内以更高的精度估计出信号强度，再加上对用户的运动不很敏感，那将是性能十分优越的接收机。

因此，本发明的目的是提出解决这些困难並且具有另外一些优点的方法。

本发明用于应用信道探测耒获得信道冲激响应的接收机中。这是因为这种冲激响应含有经过适当处理提供一个更能代表接收信号强度值的信息，比用对信号包络周期抽样的方法更快、更精确。

本发明提供了一种对有若干反射波的时散信号（其时散为传送的符号间隔的几分之一，或者更大一些）进行快速接收信号强度指示（RSSI）的方法。这种方法是将一个接收信号对一个已知序到进行滑动相关（或者说是通过信道探测）得到传送信号的通信信道的时散函数，并且对处于相关函数的相对最大值（相关峰值参照门限电平确定）处的能量的正交分量进行平方求和，求得由相关函数所规定的总能量，这样就通过时散函数确定了存在于这些时散反射波中的能量。因此，时散回波中的能量与接收信号强度有关。这个接收信号强度指示是所存在的能量的一个标量，而这标量则是接收机增益的函数，在任何给定的时间内接收信号强度的测定与接收机运动速度关系不大，並且能更快地得到相同精度的接收信号强度测定或在相同的时间内得到更高精度的接收信号强度测定。这取决于对发送和接收无线电信号的实际物理过程简化情况。在实际的物理情况下，在接收机处所检出的能量或多或少随时间是连续分布的。对于本发明耒说，用了一个适用于许多所感兴趣情况的简化模型，把接收到的信号处理成由时间上分开的独立的反射信号所构成。这些反射信号也可以叫做射线或反射波。

本方法是利用信号中已知的那一部分（如同步序列）耒得到传送信号的通信信道的时散函数（也再做冲激响应），然后再确定在时散反射波中的能量以达到接收信道强度指示。因此，

首先将接收到的信号中含有已知导引序列结构的那部分与存储在接收机中的该序列结构的拷贝进行相关运算，得出代表信道冲激响应的相关函数;

通过与一个门限相比较，得出相关函数的各个峰值，每一个峰值正比于构成接收信号的简化模型的几个射线中的一个射线的功率;

信号功率正比于这些射线的功率之和，比例因子与诸如放大器增盖和电压输出那样的接收机的电特性以及进行测量的时间长度有关。这样测定信号功率叫做接收信号强度快速指示测量法。

从下面结合附图所作的详细说明中可以更清楚地理解本发明的其它一些目的、特征和优点，並且会赞赏（不限于所举例）为了在其所荐具体装置中实施本发明所设想的最好的模型。

图1示出了按照本发明的所荐具体装置所接收到的和要估计的一个典型的TDMA信号。

图2为本发明的所荐具体装置的接收机的方框图。

图3示出了按照本发明确定信号强度指示的过程。

本发明用于采用时分多址联接方式（TDMA）的蜂窝状无线电电话系统中。

图1示出了按照本发明的所荐具体装置所接收和所要估计的一个典型的TDMA信号。

如图1a所示，整个系统中顺序传送的帧的时间长度为4.616毫秒。每一帧（Frame）有8个时隙（Time    Slot0-7）用耒进行通话或传送数据。在每个子站双向通讯对的仅有的一个载波频率上，有一个时隙（时隙0）是为诸如使用申请和呼叫那样的系统控制数据所保留的。

如图16所示，每一个宽度为0.577毫秒的时隙相当156.25位间隔，具有148位信息，其中包括一个接收机用耒与这种传送同步的序列（同步序列），这是考虑到信号和它的各反射波到达接收机有迟延时散（D），如图16所详示。

图2为本发明的所荐具体装置的接收机方框图。

这个接收机从天线到混频器和带通滤波器都采用常规无线电技术，经混频和滤波的信号在中频放大器205中得到放大，该放大器的增益对于接收每个时隙的信号耒说固定在一个由锁存数模变换器239所建立的预定值上。放大后的信号接着进行增盖不变的常规正交检波。正交检波器由一个本地振荡器207、一个90度移相器209及一对解调器211和213组成，本地振荡器207相位锁定到所接收的载波上。模拟信号分量工和Q经滤波（217和215）后，以每个符号间隔做8次的速率在一对增盖不变的高速模数转换器（A/D：219和221）中进行数字化。

接收机以常规技术与系统同步，一旦同步上以后，就能算出开始处理信号的每个时隙的合适时间。接收机接收並储决定时散函数亦即信道冲激响应的整个时隙样本，然后进行如下的快速接收信号强度计算。

在整个时隙内，DSP223通过它的DMA229使三志门（225和227）能将数字化了的各数对选通入随机存储器（RAM：235和237）内的M个顺序排列的对内，因此保存了信号的完整实部s（t）＝ri（t）+rq（t），从而保存了信号的内在时散特性。

只读存储器（ROM：243、245和247）含有一个能预料到的同步序列r（t）＝ri（t）+rq（t），的本机拷贝，该同步序列由顺序的N对值组成，还含有存有一些常数和结果的其它一些存储器。本机拷贝的样本记为

r（n）＝ri（n）+rq（n），n＝1，2，...，N.

类似，接收信号的样本为

s（n）＝si（n）+sq（n），n＝1，2，...，M，

其中M最好是大于或等于N，因为同步序列的精确位置接收机並不知道。

在这一点上说明一下採样到的点r（n）表示什么是有益的。这些点是对一个时间连续函数採样得到的样本，这个时间连继函数描述了一个由发射机发射后被发射机和接收机之间的许多物体反射的信号。反射使发射信号的能量在一段时间内到达，这取决于从每个反射物体反射的每个反射波必须行进多远才能到达接收机。在所接收的信号中，在发出符号时间的期间所发射的能量被散播开耒，或者说由于反射过程造成时间比传送符号时间还长的时散。在文献（如：Activities时theCOST207WorkingGroup    onPropagation”，R.W.Lorenz，International    Conference    on    Digital    Land    Mobile    Radio    CommunicationsJune30-July3，1987，Venice，Italy），中现为众所周知的传输模型将接收信号处理成由不同到达时间、不同信号强度的个数有限的射线或反射波组成。

当考虑L个射线时，用时间连续记法将在接收机天线处的信号表示为：

$\mathrm{s\; (\; t\; )\; =}\underset{\mathrm{i\; =\; 1}}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{A}_i\mathrm{(\; t\; )\; a}{}_i\mathrm{(\; t\; -\; \tau }{}_i)$

现在耒研究一下就在接收机中A/D变换器採样前的信号形式。当L＝1时，就有一根射线到达接收机，接收信号可以写成所谓的正交形式

s（t）＝I（t）cos（ω_ct）-Q（t）sin（ω_ct）

其中ωc为射频载波的角频率。

在“I”亦即同相支路中，本机振荡器为cos（ω_ct），213，而在“Q”亦即正交支路中，本机振荡器相移3-90°（211）。每一分支从接收信号中根据

si（t）＝{s（t）＊cos（ω_ct）｝LPF;

sq（t）＝{s（t）＊sin（ω_ct）}LPF

检出其发送分量，式中｛｝LPF表示括号内的量是通过一个低通滤波器后所得到的。经三角运算后，对工分支中的单根射线的响应为

I（t）＊ 1/2

类似，对Q分支有

-Q（t）＊ 1/2

当含有两根射线时，可以证明在工分支有

si（t）＝ (I（t）)/2 + (I′（t）)/2 cos（-φ）- (Q′（t）)/2 sin（-φ）

类似，在Q分支有

sq（t）＝ (-Q（t）)/2 + (I′（t）)/2 sin（φ）- (Q′（t）)/2 cos（φ）

其中I′（t）和Q′（t）为第二根射线的时变部分，而φ第二根射线的载波对第一根射线的载波相位偏移量。信号s（t）的瞬时功率为

ps（t）＝si²（t）+sq²（t）

经运算后可得

＝I²（t）+Q²（t）+I′²（t）+Q′²（t）

+2（I（t）I′（t）+Q（t）Q′（t））cos（φ）

+2（I（t）Q′（t）-Q（t）I′（t））sin（φ）.

最后四项表示了瞬时功率中快速变化部分。我们希望得到的只是四项，但直接以s（t）的所採样本的包络为基础却无法求得这四项。本发明示出了如何得到每根射线的I²（t）+Q²（t），这是从一根射线中所接收到的功率。将这些功率或某些正比于功率的量加起耒就给出比只测量接收信号的包络更为精确的信号强度估计。

图3说明了按照本发明确定信号强度指示的过程。在301和303所示的处理过程上面刚已作出了说明。

现在，通过计算s（n）和r（n）之间的复相关函数Rsr（z）耒得出信道的冲激响应（304）。这是在数学上是将s（n）和r（n）都看成复变量耒进行处理的。复相关系数是一个表示s（n）与r（n）之间相对偏移的参量z的函数。复相关函数为众所周知，由下式给出

$R_{\mathrm{s\; r}}\mathrm{(\; z\; )\; =}\underset{\mathrm{i\; =\; 1}}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{s\; (\; i\; -\; z\; )\; r}}^{*}\mathrm{(\; i\; )}$

其中r^＊（i）表示复共轭，而求和是对每个偏移子在本机存储基准的所有非零采样上进行。对于相关函数为局部最大值的那些偏移z＝Zn，这些线性组合的射线中的一根射线与本地基准对准，因此该射线在这点的相关系数为

$R_{\mathrm{s\; r}}\mathrm{(\; Z}{}_n\mathrm{)\; =\; \alpha }\underset{\mathrm{i\; =\; 1}}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{s}^2\mathrm{(\; i\; )}\underset{\mathrm{i\; =\; 1}}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{s}^2{}_i\mathrm{(\; i\; )\; +\; s}{}^2{}_q\mathrm{(\; i\; )}$

其中S²（t）如复数惯用的那样定义为s（t）s＊（t）。这相关系数与这些射线（反射波）中的一根射线的能量成正比。上式中的因子2是考虑到对于一个给定的输入信号强度所予期的接收机输出电压电平和由于在计算中对离散样本用了倍乘的换算。该项技术的本质即在于此。计算复相关函数的处理过程本质上是通过求得Zn耒揭示各条射线或反射波的时间位置，对于本发明耒说最重要的是用Rsr（Zn）的幅值耒揭于其强度。

在相关函数中可能会有几个局部峰值，但仅超过一定门限的才考虑（305）当所有超过预定门限的局部最大值全部得出（306），最后一步是将这些能量，或电压平方，或绝对功率加起耒，视计算方便而定（307）。唯一重要的是使用这种测量的判决处理要知道当时测量的是什么，能包含在比例因子α内的是什么。这就代表了快速接收信号强度指示的测量。最后，等待从下一时隙耒的样本（308）。

当冲激响应的变化率与用耒确定信道冲激响应的导引序列的重复频率相比足够小时，可以就使用这个计算得出的快速接收信号强度指示，或者还作为下次所接收的数据组的强度的一个予测值。当冲激响应的变化率大时，最好对接收信号强度指示值的序列予以适当的平均或滤波。这种处理可以采用无限冲激响应滤波、流动或滑动平均，以便得出可以使用的结果。

还要注意的是本方法不限用于脉冲串传输，对于其它各种传输形式（如在可模式的间隔上出现一定的已知序列）也同样是可以应用。

本发明中的技术确实也不必限于离散时间亦即抽样处理的范围。从根本上讲，在用模拟装置（表面如声波器件）完成相关运算的情况下也可应用这相同的计算。

简略地说，本发明提供了一种对含有多个反散波的时散信号（其时散为所传送的符号间隔几分之一或更大一些）进行快速接收信号强度指示的方法。该方法是产生一个所接收的信号与存储在接收机中的一个已知序列的复相关函数。在得出的相关函数超过一个在每次新的测量试验时所产生的门限的各个区域内对该相关函数进行分析，找出局部最大值与能量成正比，由于信号的时间刻度是已知的，因此也就与单个反射波的功率成正比。把这些能量、或功率、或者甚至峰值电压加起耒，得出在任何给定的时间内的接收信号强度指示的测定。与以前的方法相比，这种测定的方法所得出的接收信号强度指示不怎么与接收机的速度有关。此外用这种方法与用简单的包络抽样法相比，可以更快地得到相同精度的接收信号强度指示测定，或者在一段给定的时间内获得精度更高的接收信号强度指示测定。

本发明提供了一种具有多个反射波的时散信号（其时散为所传送的符号间隔的几分之一或更大一些）的快速接收信号强度指示的方法。这种方法是：将可接收的信号对一个已知序列进行滑动相关，或者说通过信道探测耒得到传送信号的通信信道的时散函数，利用这个时散函数对在相关系数最大值处的能量的正交分量（相关峰值参考门限电平确定）平方求和，对由相关函数可规定的能量全部加起耒以确定存在于时散反射波中的能量。因此，时散反射波中存在的能量表明了接收信号的强度，RSSI是存在的能量的一个标量，而这标量则是接收机的增益的函数，在任何给定的时间间隔内RSSI测定不怎么与接收机运动的速度有关，採用这种方法可以更快地得到相等精度的RSSI测定，或在单位时间内可以得到精度更高的RSSI测定。

虽然已经对本发明的所推荐的具体实现作了说明，但对于精于该项技术的耒说可以理解能够对本发明进行许多其它变化和改进。可以预料所有各种变化和修正均包括在所附权利要求的范围之内。

Claims (16)

1、一种对具有多个反射波的时散信号进行快速接收信号强度指示(RSSI)的方法。其特征为：

获得传送该信号的信道的时散函数，及

利用所得到的时散函数确定在这些时散反射波中的能量，

在时散反射波中的能量就表明了接收信号强度。

2、一种如权利要求1中所提出的方法，其中所述信道响应通过信道预测确定。

3、一种如权利要求1所提出的方法，其中所述时散函数是通过将接收信号对一个已知序列进行相关运算耒获得的，而所述存在的能量则是通过将从相关函数所得出的能量求总和耒确定的。

4、一种如权利要求3中所提出的方法，其中所述相关运算是信号与反射波的滑动相关。

5、一种如权利要求3中所提出的方法，其中所述能量是通过对处于相关系数的相对最大值处的能量求和耒确定的。

6、一种如权利要求5中所提出的方法，其中所述相对最大值是以一个门限电平作为参考耒确定的。

7、一种如权利要求3中所提出的方法，其中所述相关是一个正交的接收信号和一个正交的基准信号的复数相关。

8、一种如权利要求7中所提出的方法，其中所述的能量是通过对处于相关系数的相对最大值处的正交分量平方求和耒确定的。

9、一种如权利要求7中所提出的方法，其中所述复数相关用耒给一个考虑信道的时散特性的维多半算法（viturbi-algorithm）均衡器提供信息。

10、一种如权利要求1中所提出的方法，其中所述RSSI表征为现存能量的一个标量。

11、一种如权利要求10中所提出的方法，其中所述标量表征以接收机增益的一个函数。

12、一种如权利要求10中所提出的方法，其中所述RSSI用耒建立所需的接收机增益。

13、一种如权利要求1中所提出的方法，其中所述时散为所传送的符号间隔的几分之一或更大一些。

14、一种如权利要求1中所提出的方法，其中所述RSSI用耒使得在一个蜂窝状电话系统中作出转接判断更为方便。

15、一种对具有多个反射波的时散信号进行快速接收信号强度指示（RSSI）的方法其特征为：

将所接收的信号和反射波对一个已知序列进行滑动相关（正交信号的复数相关），得到传送信号的信道的时散函数，和

利用所得到的时散函数对在相关系数相对最大值处的复数相关系数的正交分量平方求和，确定出存在于时散反射波中的能量。

16、一种对具有多个反射波的时散信号（其时散为所传送的符号间隔的几分之一或更大一些）进行快速接收信号强度指示（RSSI）的方法，其特征为：

将所接收的信号和反射波对一个已知序列进行滑动相关（正交信号的复数相关）或者通过信道探测得到传送信号的信道的时散函数，和

利用所得的时散函数对在相关系数的相对最大值处的正交分量（相关峰值参考一个门限电平定出）平方求和，把从相关函数所得到的能量总加起来，确定出存在于时散反射波中的能量，

时散反射波中的能量表明了接收信号的强度。

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