CN1088317C - 具有改善电池寿命的电池供电的无线电收发信机和操作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供用于发送和接收数字信号的电池供电的无线电收发信机以及用于减少电功率消耗，从而改善充电之间的电池寿命的操作方法。该无线电收发信机包括一个操作者接口和一个发射机，该发射机电气连接到操作者接口中的话筒，该话筒用于变换语音信号为用于传输的数字射频(RF)信号。接收机电气连接到操作者接口中的扬声器，用于从扬声器中接收数字RF信号并且变换RF信号为音频信号。微处理器电气连接到操作者接口、发射机和接收机，控制在处理电话呼叫中的这些部件的操作。电存储电池电气连接到微处理器，给微处理器并经过微处理器给操作者接口、发射机及接收机提供电源。天线组件连接到发射机和接收机，以便发送和接收RF信号。发射机包括一个数字信号处理器，它被编程以便在话筒未收到语音时断电其至少一些部件并且产生发送的仿真噪声信号。

Description

具有改善电池寿命的电池供电的无线电收发信机和操作方法
技术领域
本发明一般涉及射频(RF)通信，特别涉及具有改善电池寿命的用于发送和接收数字信号的电池供电的无线收发信机、蜂窝电话机或同类设备以及由该收发信机或蜂窝电话机为减少电功率消耗以便延长电池寿命所使用的方法。
背景技术
很多年来在数字蜂窝通信系统中已采用从用户单元(移动和便携电话终端)到服务基站的信号不连续传输，和这样的操作在诸如美国数字蜂窝(ADC)IS-54B、全球移动通信系统(GSM)和先进的移动电话系统(AMPS)之类的系统的技术规范中叙述了。但是，当双向通信或会话不在进行时，或者换句话说，当用户单元是空闲时，不是所有的时分多址(TDMA)蜂窝电话系统允许用户单元(移动和便携电话终端)以DTX模式工作。
在一些系统中不是DTX工作的一个原因是在基站和用户单元之间要求额外的消息业务量以便命令用户单元接通和关断其发射机，来检验在基站和该单元之间仍存在通信链路。在基站和用户单元之间连续传输的另一个原因是基站设备必须能够产生用于传输的舒适噪声给用户单元或者终端，避免语音图中不愉快的不连续性，诸如在该终端停止发送语音时，从背景噪声瞬变为上行链路(终端到基站)音频信号中的无声。基站设备要求来自用户单元或终端的连续信号以便产生返回舒适噪声。因此，非DTX系统相对于DTX系统的主要缺点是要求用户终端发送连续信号给基站，这导致增加功耗和减少电池寿命。
欧洲专利0 523 366号公开了一种用于减少无绳电话站的手机(handset)或移动部件的功率消耗的方法。在帧同步的一部分期间并且根据一个预置的传输信号，判断是否要发射任何信息。如果判断整个帧部分完全没有包含信息，则发出一个控制信号将手机的发射机关断。然而，该文件并没有克服与上述非DTX系统相关的缺点。
因此，当规则的语音或其它控制信号不发送到基站时，需要减少在非DTX系统中工作的终端的功耗而同时连续发送噪声或其它信号给基站。
发明内容
因此本发明的主要目的是提供一种新颖的电池操作的无线收发信机和操作方法，它不存在前述缺点。
本发明的另一个目的提供具有减少电源消耗和延长电池寿命的新颖无线收发信机和操作方法。
本发明的另一个目的提供新颖的无线收发信机和操作方法，其中当没有上行链路语音存在时，收发信机的语音编码器的至少一些部件被断电以便减少功耗和增加电池寿命。
本发明的这些和其它目的以及其特性和优点结合附图阅读以下说明书就变得清楚了，其中相同标号代表相同单元。
根据本发明的一种减少能够发送和接收数字信号的无线电收发信机中的电源消耗的方法，这些数字信号被分为帧，每帧包含表征模拟语音和噪声信号的数字参数码，所述收发信机用于数字蜂窝通信系统，在该系统中从一个用户单元到一个服务基站的信号是连续发送的，所述方法包括以下步骤：(a)确定是否存在语音；(b)当不存在语音时，对于预定数量的帧，设定每个数字参数码为至少一个确定值或选择值；(c)当不存在语音时，发送定义仿真噪声信号的确定的或选择的参数码值给基站；和(d)在发送该仿真噪声信号时，减少提供给无线电收发信机的数字信号处理器的电功率。因为在发送仿真噪声信号时，至少不要求该收发信机的一些部件处理信号和可被断电。
还根据本发明，具有改善电池寿命的用于发送和接收数字信号的电池供电无线收发信机包括一个操作者接口和电气连接到该操作者接口中的话筒的发射机，用于变换语音信号为用于传输的数字射频(RF)信号。接收机电气连接到扬声器和操作者接口，以便接收数字RF信号并且变换RF信号为音频信号，音频信号又从扬声器发送给操作者。微处理器电气连接到操作者接口、发射机和接收机以控制这些单元的操作。电存储电池电气连接到微处理器，经过该微处理器提供电源给该微处理器、操作者接口、发射机和接收机。天线组件分别接到发射机和接收机，用于发送和接收数字RF信号，该发射机包括一个数字信号处理器，当该话筒没有收到语音时，该数字信号处理器被编程以使它的至少一些部件断电和产生传输的仿真噪声信号。
附图说明
图1是能够发送和接收数字信号的无线收发信机或蜂窝电话机的方框示意图。
图2是矢量和激励的线性预测(VSELP)语音编码器的方框示意图。
图3是TDMA数字信号的语音数据帧和子帧的表示法。
图4是表示经过在RF通信或蜂窝电话系统中的基站在两个用户或收发信机单元之间通信的方框示意图。
图5是本发明的减少在无线收发信机或蜂窝电话机中的电源消耗的方法的流程图。
实施例说明
为了更好地叙述本发明，简单地叙述无线收发信机、蜂窝电话机等的例子及其操作。图1是能够发送和接收数字信号的典型无线收发信机10、蜂窝电话机之类的方框示意图。图1中的无线收发信机10也可能是双模式蜂窝电话机，即能够发送和接收模拟和数字信号；但是为了简化只示出数字发送和接收传输路径，因为在收发信机10工作在数字系统时使用本发明，该数字系统不允许蜂窝电话机10工作在不连续模式(DTX)。收发信机10包括含有显示器14的操作者接口12，提供有关收发信机10和键盘16的状态的可见信号给用户或使用者，其中键盘16允许用户传送命令给收发信机10。控制单元18装备在显示器14和键盘16之间的接口，微处理器20在存储程序控制下控制收发信机10的操作。微处理器20编码和解码控制信号并且执行呼叫处理过程。操作者接口12也包含一个话筒22和一个扬声器24。话筒22从用户接收音频信号和变换此音频信号为模拟信号用于传输到收发信机10的发射机26。扬声器24从用户单元10的接收机28中接收模拟信号并且变换此模拟信号为用户能够懂得的音频信号。
话筒22电气连接到发射机26中的模数变换器30。模数变换器30改变模拟信号为每秒104千比特(Kbps)的脉码调制(PCM)数字形式。以变换为104Kbps的每个样值13比特得到每秒8千(8K)PCM样值的信号。模数变换器30电气连接到发射机部分26中的数字信号处理器32。数字信号处理器(DSP)32包含一个语音编码器34和一个信道编码器36。语音编码器34表征和压缩104Kbps数字数据为7.95Kbps，而信道编码器36插入检错、纠错和信令信息。数字信号处理器32电气连接调相器和RF放大器38，为了清楚起见在图1中它们以单个方框表示。该调相器可能是π/4差分正交相移键控(DQPSK)调制器，它将该数字数据改变为在为射频(RF)载波中的正比相移变化。然后线性RF放大器提升该调制器的输出以便发送。发射机26的RF放大器38电气连接到天线组件40，天线组件40包括双工器42和天线44。天线组件40匹配发射机26和接收机28的阻抗，以便允许数字信号的发送和接收。双工器42从RF放大器38中接收已编码的数字信号并耦合到天线44，以便发送数字信号给基站。
天线组件40的双工器42接到接收机单元28的DQPSK接收机/放大器46。然后由天线44接收的数字信号由双工器42传送给DQPSK接收机/放大器46，它提升低电平RF数字信号到适合输入给接收机28中的另一个数字信号处理器48的电平。数字信号处理器48包括一个解调器，和一个均衡器，该解调器变换正比的频率(相位)变化为数字数据，而均衡器部分调节接收机部分42以补偿由无线电信号的传输路径产生的相位与幅度失真。信道解码器从语音数据中分离信令命令和检测与校正比特差错，而语音解码器将已压缩的8Kbps数据变换回到104Kbps的PCM数字数据。数字信号处理器48电气连接到另一个数模变换器50，该数模变换器50变换数字语音数据为其原始的模拟信号用于发送到扬声器24。
在存储程序控制下工作的微处理器20协调发射机26和接收机28的工作。微处理器20插入和提取控制消息，改变物理参数如信道频率，和与操作者接口12通信以允许用户命令和控制收发信机10的工作。微处理器20由电池52供电，电池52也提供电源给操作者接口12、发射机26和接收机28。
语音编译码器34可能是称为电码本激励的线性预测(CELP)编码器的一类语音编码器，如在1994年11月14日的“Telecommunications IndustryAssociation(TIA)Interim Specification(电信工业联盟(TIA)暂行规范)IS-136.2”第29-71页中所叙述的矢量和激励的线性预测(VSELP)语音编译码器。本发明将对照VSELP编解码器进行叙述；但是，本领域的技术人员会认识到，所述的原理很容易适应于任何类型的语音编解码器。
在图2中以方框图形式说明VSELP编码器54和为了理解本发明简要地进行叙述编码器54。VSELP54基本上将电话筒22接收的模拟语音信号变换为可被编码、调制、放大并由天线组件40发送的数字参数码。由话筒22接收的语音由A/D变换器30(也见图1)从模拟信号变换为数字信号。来自A/D变换器30的数字信号通过四阶切比雪夫(Chebyshev)II类高通滤波器56，从该信号中除去低频噪声。然后切比雪夫滤波器56的输出沿着一条传输路径60传送到协方差单元58和沿着另一条传输路径64传送到加权滤波器62。协方差单元58执行计算音频帧自相关函数的功能。从协方差单元58的输出信号中，从处理单元66中确定数字参数码之一，即帧能量R，处理单元66计算和量化该帧能量。协方差单元58的输出也接到带宽(BW)扩展器68。对BW扩展器68的输出信号进行线性预测编码(LPC)分析70以便提供LPC反射系数ri。LPC分析70是一个固定点方差晶格(fixed point variance lattice)算法FLAT，这在TIAInterim Specification IS-136.2中更详细地叙述。(十个反射系数Vi)代表短期预测器参数。每十个反射系数ri以如在TIA Interim Specification IS-136.2中所述的单独的电码本量化，而每个数字语音帧的前三个子帧的量化反射系数被内插72和与未内插的系数的第4子帧一起发送到合成滤波器H(Z)74，后者电气地接到插入器72。
数字参数码也包括长期预测器滞后(L)、第一电码本码字(I)和第二电码本码字(H)。TDMA语音帧的四个子帧的每个子帧有L、I和H参数(图4)。选择参数L、I和H以减少总的加权差错92，即选择这些参数使得数字参数码尽可能接近地代表数字地编码的语音信号。
线性预测值滞后(L)是从长期滤波器74中导出的，而码字I和H分别从电码本1和2(76和78)中选择以减少如在TIA Interim Specification IS-136.2中详细叙述的总差错。长期滤波器74、电码本1(76)和电码本2(78)输出的每个输出分别由乘法器80、82和84乘以激励增益β、r1和r2并由加法器86相加以提供激励信号ex(n)。激励增益β、r1和r2从GSPOP1电码本88中确定为长期滤波器状态74b1(n)和码字I与H以及帧能量R的函数，如在TIA IterimSpecification IS-132中详细地叙述的。
激励信号ex(n)与来自插入器72的量化反射系数一起输入合成滤波器74。从加权滤波器62来的加权数字信号中减去合成滤波器H(Z)的零输入响应90，得到结果信号P(n)。从P(n)中减去合成滤波器74的输出信号P’(n)，这里0≤n≤N-1和N等于40样值的子帧长度。从n等于0至n等于N-1相加P(n)与P’(n)之间的每个差并且平方，得到每个子帧的平方的总加权差错。
表1表示从VSELP54中确定的每个参数码的每帧的比特分配。图3表示TDMA语音帧94，它包含160 PCM样值(每个样值13比特)和持续时间20毫秒。该语音帧再分为四个子帧96，每个子帧包含40样值和持续时间或长度为5毫秒。因此由话筒22接收的所有语音由发射机26根据图3所示的协议取样并划分为帧94。
TDMA语音帧比特的分配
 符号Rr1r2r3r4r5r6r7r8r9r10L1 参数码R0LPC1LPC2LPC3LPC4LPC5LPC6LPC7LPC8LPC9LPC10滞后_1 比特/帧565544333327     定义帧能量第1反射系数第2反射系数第3反射系数第4反射系数第5反射系数第6反射系数第7反射系数第8反射系数第9反射系数第10反射系数第1子帧滞后
    L2L3L4I1I2I3I4H1H2H3H4β，r1，r2β，r1，r2β，r1，r2β，r1，r2   滞后_2滞后_3滞后_4码1_1码1_2码1_3码1_4码2_1码2_2码2_3码2_4GSPO_1GSPO_2GSPO_3GSPO_4     777777777778888     第2子帧滞后第3子帧滞后第4子帧滞后第1子帧的第1电码本码字第2子帧的第1电码本码字第3子帧的第1电码本码字第4子帧的第1电码本码字第1子帧的第2电码本码字第2子帧的第2电码本码字第3子帧的第2电码本码字第4子帧的第2电码本码字第1子帧的增益第2子帧的增益第3子帧的增益第4子帧的增益
参见图4，由VSELP 54确定的数字参数码(ri，R，L，I，H和GSPO)被输入数字信号处理器32(图1)中的编码器98中，使这些码变成合适的形式，由调相器38调制并由天线组件40发送到基站100，在呼叫期间，基站100转发该信号给另一个用户单元102或移动电话交换局(MTSO)104，移动电话交换局104又可转换该信号给另一个基站或公共电话交换网(PTSN)106并输出给有线用户108。
参见图5，根据本发明，在判定方框110，数字信号处理器32被编程以便确定语音是否存在，如果存在的话，数字信号处理器32在方框112完成正常的数字语音处理算法，确定语音信号的数字参数码特性。如果语音不存在，每个数字参数码或者设定为确定值或者设定为选择值，以便定义发送给非DTX蜂窝电话系统中的基站的仿真噪声信号。然后在无线电收发信机10发送仿真噪声信号时，VSELP 54的部分或全部可被断电以节省电池功率。当不存在语音时，激励增益r1、r2可设定为它们的中间范围值，这些值是在语音信号的实际处理期间确定的和存储的或者来自VSELP 54的全部或部分被断电之前的实际噪声的值，如在图5的方框114中所示的。长期间距预测器滞后L和长期激励增益β各可被设定为零或从实际语音或者在断电VSELP 54的全部或部分之前从数字信号处理器32中的噪声处理中确定和存储的值，方框116。如由方框118所示的，激励码字H和I设定为从电码本1(76)和2(78)中随机选择的值，而LPC反射系数ri可设定为在实际噪声信号处理期间确定和存储的值，方框120。在方框122中，帧能量R可设定为在VSELP 54被断电之前从实际语音处理或从实际噪声信号中确定和存储的平均值。当不存在语音时，可初始地估计背景噪声电平并且可从这个背景噪声中确定和存储该帧能量R。当不存在语音时，帧能量R被设定为这个存储的值，用于发送仿真噪声信号。
在不存在语音时，数字参数码的这些确定或选择值由编码器98编码，并且作为仿真信号发送给基站100(图4)(图5的方框124)，以便保持连续的通信链路，如在非DTX TDMA蜂窝电话系统中或要求连续信号的其它类型无线通信系统中所要求的。
根据本发明，在预定数量帧94(图3)之后，VSELP 54的断电部件可再加电一个预定的时间期间以便更新来自在无线电收发信机10中出现的实际噪声中的任何数字码参数(图5，方框126)。因此数字参数码可周期地更新，通过再加电VSELP 54的部件根据在收发信机10中出现的实际噪声修改仿真噪声信号，直到数字信号处理器32再检测到语音为止(方框110)。
虽然本发明已根据VSELP编解码器进行叙述了，但是本领域的技术人员认识到，本发明也可应用于任何类型的语音编解码器和本发明不限于这里叙述和图示的具体实施例。除了这里所示和叙述的以外，不同实施例和修改以及许多变化、改变和等效安排利用前面叙述的说明书及附图现在清楚了或者合理地提出，而不脱离本发明的本质和范围。虽然在这里详细地叙述本发明的优选实施例，但是应该懂得，本说明书只是本发明的说明和示例，和只是为了提供本发明的完全的和可能的公开。因此本发明仅由所附的权利要求书的精神和范围限定。

Claims (20)

1.一种减少能够发送和接收数字信号的无线电收发信机中的电源消耗的方法，这些数字信号被分为帧，每帧包含表征模拟语音和噪声信号的数字参数码，所述收发信机用于数字蜂窝通信系统，在该系统中从一个用户单元到一个服务基站的信号是连续发送的，所述方法包括以下步骤：
(a)确定是否存在语音；
(b)当不存在语音时，对于预定数量的帧，设定每个数字参数码为至少一个确定值或选择值；
(c)当不存在语音时，发送定义仿真噪声信号的确定的或选择的参数码值给基站；和
(d)在发送该仿真噪声信号时，减少提供给无线电收发信机的数字信号处理器的电功率。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(d)包括断电该数字信号处理器的语音编码器的至少一些选择的部件的步骤。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述数字参数码包括帧能量(R)，一组激励码字(H，I)，一组激励增益(β，r1，r2)，一组间距预测器滞后参数(L)和一组线性预测编码系数(ri)，以及其中步骤(b)包括步骤：
从在断电该语音编码器的至少一些选择的部件之前，确定和存储来自实际语音或噪声的R、H、I、β、r1、r2、L和ri的值；和
将R、H、I、β、r1、r2、L和ri设定到它们的存储值，以用于发送仿真噪声信号。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括周期地加电该语音编码器的被断电的选择部件的步骤，以便更新来自可能存在的实际噪声的至少一些R、H、I、β、r1、r2、L和ri。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(d)包括断电该数字信号处理器的矢量和激励的线性预测编码语音编码器的至少一部分选择部分的步骤。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述无线电收发信机的数字信号处理器或微处理器之一被预编程，以便在发送仿真噪声信号时断开到矢量和激励的线性预测语音编码器的至少一些选择部件的电源。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述数字参数码之一是帧能量，而其中步骤(b)包括步骤：
估算在存在语音时的背景噪声的电平；和
设定该帧能量为背景噪声的估计电平以便发送该仿真噪声信号。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述数字参数码包括一组激励码字，和其中步骤(b)包括从语音编码器的至少一个电码本中随机地选择每个激励码字以便发送仿真噪声信号的步骤。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述数字参数码包括一组激励增益、一组间距预测器滞后参数和一组线性预测编码系数，以及其中步骤(b)包括设定每个激励增益、间距预测器滞后参数和线性预测编码系数为在实际噪声发送期间所估算的各个相应恒定值的步骤。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括周期地更新至少一些数字参数码的步骤。
11.一种用于发送和接收数字信号、具有改善的电池寿命的电池供电的无线电收发信机，包括：
一个操作者接口；
一个发射机，电气连接到所述操作者接口中的话筒，将语音信号变换为用于传输的数字射频信号；
一个接收机，电气连接到所述操作者接口中的扬声器，所述扬声器从所述接收机中接收数字射频信号和将所述射频信号变换为音频信号；
一个微处理器，电气连接到所述操作者接口、所述发射机和所述接收机，以便控制其中的操作；
一个电存储电池，电气连接到所述微处理器，经过所述微处理器提供电源给所述微处理器、所述操作者接口、所述发射机和所述接收机；
用于发送和接收射频信号的天线组件；和
所述发射机包括一个数字信号处理器，它被编程以便在所述话筒没有收到语音时断电其至少一些部件和产生用于传输的仿真噪声信号，所述仿真噪声信号被发射至一个基站，以使所述基站产生一个返回的舒适噪声信号。
12.根据权利要求11所述的无线电收发信机，其特征在于，所述数字信号被分为帧，每帧包括表征由所述话筒接收的模拟语音和噪声信号的数字参数码，和其中所述数字信号处理器检测何时出现语音并且为预定数量的帧设定每个数字参数码为至少一个确定的或选择的值，当不存在语音时，所述确定或选择的数字参数码值定义传输给基站的所述仿真噪声信号。
13.根据权利要求12所述的无线电收发信机，其特征在于，所述数字信号处理器周期地加电其被断电的部件来更新至少一些所述确定的或选择的参数码值以产生所述仿真噪声信号。
14.根据权利要求12所述的无线电收发信机，其特征在于，所述数字参数码包括帧能量(R)，一组激励码字(H、I)，一组激励增益(β、r1、r2)，一组间距预测器滞后参数(L)和一组线性预测编码系数(ri)，和其中所述数字信号处理器被编程以便确定和存储在断电其至少一些部件之前的来自实际噪声的R、H、I、β、r1、r2、L和ri的值，并且设定R、H、I、β、r1、r2、L和ri为它们的存储值来产生所述仿真噪声信号。
15.根据权利要求14所述的无线电收发信机，其特征在于，所述数字信号处理器被编程以便周期地加电其被断电的部件，来更新来自可能存在的实际噪声的至少一些R、H、I、β、r1、r2、L和ri。
16.根据权利要求12所述的无线电收发信机，其特征在于，所述数字参数码包括一组激励码字，每个激励码字由所述数字信号处理器从至少一个电码本中随机地选择，用于产生所述仿真噪声信号。
17.根据权利要求12所述的无线电收发信机，其特征在于，所述数字参数码包括一组激励增益、一组间距预测器滞后参数和一组线性预测编码系数，分别由所述数字信号处理器设定为相应的恒定值以便产生所述仿真噪声，所述恒定值在实际噪声处理和传输期间进行估算和存储。
18.在能够发送和接收数字信号的无线电收发信机中使用的一种数字信号处理器，其中这些数字信号被分为帧，每帧包含表征模拟语音和噪声信号的数字参数码，所述数字信号处理器包括：
用于确定是否存在语音的装置；
在不存在语音时，用于为预定数量的帧设定每个数字参数码为至少一个确定的或选择的值的装置；
当不存在语音时，用于发送定义仿真噪声信号给基站的确定的或选择的参数码值的装置；和
用于断电数字信号处理器的至少一些选择部件的装置。
19.根据权利要求18所述的数字信号处理器，其特征在于，还包括用于周期地加电该数字信号处理器的被断电的选择部件以便更新至少一些数字参数码的装置。
20.根据权利要求18所述的数字信号处理器，其特征在于，还包括一个电码本激励的线性预测编码器。
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