CN1118949C - 无线通信设备 - Google Patents

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Abstract

已经知道直接变频正交接收机可用于蜂窝无线系统。这样的接收机被设计用于单个系统，但不适合用于具有不同频段和具有不同带宽的信号的其它系统。另外，已经知道具有多个适用于每个频段的接收机前端的多频段蜂窝接收机。这样的接收机不太经济，并且是昂贵和笨重的。提出一种低成本的无线多频段通信，它使得其本身能自动地适合于从特定系统接收到的信号。根据接收的想要信号的带宽，对下变频的信号选择采样带宽和或采样时间。而且，采样装置对于噪声是限带的。一个被耦合到采样装置的自适应滤波器按照所确定的相邻信道被调整到想要的信道干扰电平。

Description

无线通信设备
本发明涉及一种无线通信设备，包括用于接收射频频段中的射频信号的射频部件、用于把接收的射频信号下变频到较低的频段的变频装置、用于采样下变频信号的采样装置、以及用于存储和处理采样的较低频带信号的存储和处理装置。这样的无线通信设备可以是蜂窝电话、无绳电话、或带有无线通信部分的膝上计算机等。
以上类型的通信设备可从PCT专利申请WO 91/02421获知。在WO91/02421中，描述了移动通信系统中用于数字调制信号的接收机。在把接收的射频信号正交下变频到较低的频段以后，下变频的正交信号被采样，以及在模拟-数字转换以后，被存储起来以用于进行处理。信号的调制可以是诸如在蜂窝GSM(全球移动通信系统)系统中使用的最小高斯移位键控，或任何其它适当的调制类型。在接收信号被下变频以前，通过带有可调节放大倍数的可调谐滤波器/放大器完成对来自天线的射频信号的粗略滤波。已知的通信设备是所谓的直接变频接收机，或零IF(中频)接收机，其中下变频后的较低频段信号是基带信号。在WO 91/02421中，下变频后的基带信号包括想要的信号、来自相邻信道的信号和叠加的噪声。提供了一对用于分别滤波下变频正交信号的低通滤波器以便滤出想要的信号。在低通滤波以后，正交信号被采样、数字化、和处理。从接收机设计的观点来看，所描述的结构比起传统的超外差接收机是更可取的，因为直接变频接收机在原则上可被完全集成。
对于直接变频接收机设计，应当特别关注正交信号的相位精度、本地振荡器的泄漏问题、以及失调造成的问题。这样的无线通信设备不适合于用作为多频段接收设备，因为它只被设计来用于接收特定的频段。为此，采取所有的频率选择措施，以便得到仅仅对于该特定频段的适当的选择性。
现在，在世界的各个不同地区，安装了(或正在安装)不同类型的移动无线电系统，例如，GSM系统，CDMA(码分多址)系统，以及在美国，是D-AMPS系统(数字先进移动电话系统)。这样的系统工作在不同的频段，想要的信号在不同带宽的信道上被发射。在GSM，全双工TD/FDMA(时分/频分多址)系统中，移动设备的接收频段是925-960MHz，发射频段是880-915MHz，信道间隔是200kHz。对于CDMA(IS-95标准)，这些数字分别为869-894MHz、824-849MHz和1250kHz，而对于D-AMPS，是与CDMA相同的频段，其信道间隔是30kHz。从这些数字可以看到，不同系统的频段是不同的，更重要地，想要的信号的带宽大大地起变化。除了可变带宽的要求以外，接收机的最佳滤波取决于实际信号条件。如果相邻信道的功率电平很高，则希望把想要的信号更严格地限带到最小带宽，即使是以信号相位与信息的失真为代价。
因为人们越来越多地在世界上旅行，并确实到处想要使用他们的移动电话，所以，非常需要有多频段接收设备。现在市场上有一些多频段接收设备。大多数的这些设备具有多支路接收机，即接收机具有并行的接收机支路，它们是对于每个特定的系统最佳化的。在这样的多频段接收机中硬件和软件的共享大多数是在射频信号的变频和采样以后的。这样的设备是低效率的，因为对于不同频段的射频功能，其硬件和软件的整合只有低的水平。
本发明的一个目的是提供有效和便宜、且具有高性能的多频段无线通信设备。
为此，按照本发明的无线通信设备的特征在于该通信设备是一个被安排来从至少一个频段接收射频信号的接收设备，该接收设备包括用于预选择较低频段信号的采样带宽和/或采样时间的选择装置，该选择装置是根据需要被接收的无线信号的先前已知的带宽、或根据需要被接收的无线信号的估计的带宽而被控制的，从而使得相对于需要被接收的无线信号的带宽而进行的采样被最佳化。本发明是基于这样的观点，要处理的信号的带宽是用于得到一个最佳接收机的重要参量。如果带宽足够宽，例如，是想要的信号的信息带宽的二或三倍的量级，则可以认识到，想要的信号传送通过选择装置而几乎没有符号间干扰。还可认识到，可替换地和等价地，采样时间可被调整以达到相同的最佳结果。本发明的原理可被应用到单频段和多频段无线通信设备。
在本发明中，提出了带宽估值的实施例。在其中，实现了接收机部件本身的全自动的调整。也可获得有关当前接收的信号和系统的现有的知识。当接收机仍旧处在非最佳接收模式时，这样的现有知识可通过系统广播信道而得出。基于这样的现有的知识，选择装置被控制成使得接收机处在当前系统的最佳接收模式。
本发明的无线通信设备还具有这样的特征，即，其中要被采样的带宽通过使用可调整带通滤波器滤波较低的频段信号的多个样本而被确定的，该带通滤波器的带宽和中心频率对于具有预定带宽和中心频率的想要的信号是可调整的，带宽是从可调整带通滤波器的输出信号的能量测量平均值中进行估计的。并且，其中各带通滤波器的带宽显著地大于由各个相应的滤波器进行滤波的想要的信号的带宽，优选地是乘以二或三倍量级的因子。
在本发明中，还提出了按照本发明的限带的采样装置的实施例。由此，可以得出，采样装置没有对预选择的较低频段信号起重要的作用。这是通过以相当大的因子来有效地减小噪声带宽而得到的。例如，当接通并联的十个电容时，噪声带宽减小十倍。同样的噪声减小可通过一种平均使用数字处理装置而得到。在采样装置的输入端和输出端处的采样速率可以是可变的。
在本发明中，还提出了采样后的自适应滤波。由此，接收机可动态地自适应以改变相邻信道对干扰的水平。这样的滤波器可以是带有自适应滚降因子和/或带宽的高斯滤波器。
接收机优选地是直接变频接收机。由此可能的话，整个接收机可被集成为单个芯片的接收机。
现在将参照附图以实例描述本发明，其中
图1显示按照本发明的无线通信设备的方框图，
图2显示了用于说明按照本发明的带宽预选择的频率-时间图。
图3显示了想要的信号的频带的带宽估计的实施例，
图4显示按照本发明的采样网络，以及
图5显示修正的采样网络。
在所有图中，相同的参考数字被用于相同的特性。
图1显示按照本发明的无线通信设备1的方框图。无线通信设备1、适合于和被调整来用于各种蜂窝无线网络，例如GSM网、CDMA网、D-AMPS网、或任何其它适合的蜂窝无线通信网络，在原理上，它是一种双向通信设备，在图中详细地显示了其接收支路。发射支路(这里没有详细显示出)可以是任何适合用于多频段发射的发射支路。因为在接收支路中系统类型是确定的，发射支路中的滤波器可容易地按照在接收支路中得到的想要的信号的带宽的知识被最佳地调整。这里，正如在接收支路那样，可以达到最佳的硬件和软件共享。通信设备1也可以是单纯的接收设备，例如，多频段寻呼机接收机，诸如适合用于POCSAG(邮政代码标准化咨询组，英国标准)和ERMES(欧洲无线电消息系统，欧洲标准)的接收机，或包括一种附加的单纯设备，诸如GPS(全球定位系统)信号的地理定位接收机。
无线通信设备1包括天线2，用于接收在一个或几个系统的一个或几个射频频段上的射频信号。天线被耦合到接收/发射双工器3。在接收机是寻呼机的情况下，这样的双工器不存在。双工器被耦合到接收支路，它包括一个用于粗略限带的可调谐滤波器放大器链4。一旦这个想要的系统被确定，则滤波器放大器链4被调整到这样的系统。在输出端，链4被耦合到功率分配器5，它的各个输出被馈送到带有相应的混频器6和7的正交混频器支路。正交本地振荡器信号由可控制的合成器或压控振荡器8产生，它被耦合到移相网络9，提供同相和正交本振信号给各自的混频器6和7。另外的方块，例如对于收发信机的功能所需要的放大器或自动增益控制电路，在以下的说明中将不详细阐述。
在输出端，混频器6通过可控制的开关11，12，和13与各个分布电阻-电容滤波网络14，15，和16的多个串联装置而被耦合到采样装置10。同样地，混频器7通过开关17，18，和19与分布电阻-电容滤波网络20，21，和22而被耦合到采样装置10。这样的分布电阻-电容网络本身是已知的，并且被认为具有理想的线性幅度、以及具有线性相位和陡峭的频率滚降特性。从噪声性能的观点来看，等效电阻值Ri和等效电容值Ci可被指派给采样装置10。这些电阻和电容值然后确定采样电路的信号带宽、噪声耦合带宽、和热噪声电平。在输出端，采样装置10被耦合到自适应滤波装置23，它按照所接收的和解调的信号中所确定的信道对干扰的比值而自适应。滤波装置23可以是线性低通滤波器或高斯滤波器，其滚降因子可被调整。对于高的信道信号对相邻信道干扰的比值，频率响应的滚降被设定得比起低的信道对干扰的比值来说不太陡峭。通过调整滚降、带宽或这二者，在信道干扰比和符号间干扰之间进行折衷。滤波器23的输出信号被模拟-数字转换装置数字化。数字化的数值在存储和处理装置25中被存储和被处理，它可以是一个带有编程的非易失性存储器、用于存储和检索数据的易失性随机存储器、和输入/输出控制装置的微控制器。这样的微控制器是熟知的。编程的微控制器25可以控制这些开关11，12，和13，以及17，18，和19，并且进行如所描述的所有其它调整。微控制器25被编程来实现所有的描述的功能。
开关11，12，和13，以及17，18，和19，连同微控制器25一起按照本发明构成选择装置，用于预选择较低频段信号(优选地是零-IF信号)的采样带宽和/或采样时间。想要的采样带宽被选择成足够宽，以使得想要的信号能以零的符号间干扰来传递。在给定的例子中，选择了适当的滤波器，但也可使用一种自适应滤波器，其带宽可从一个带宽切换到另一个带宽，或在很宽的范围上连续地变化，然而这样的解决方案会遇到实现这样的滤波器的实际问题。在给定的例子中，滤波器14具有160kHz的带宽，滤波器15具有1.6MHz的带宽，以及滤波器16具有16MHz的带宽。
图2显示了用于说明按照本发明的对带宽的预选择的频率-时间图。假定混频器6和7在它们的输出端有想要的信道信息30，频谱是以零频率为中心以及在时间上从t1延伸到t2。在这个想要的信息上存在有在时间和频率上散布的干扰信号31和32。因此，将会看到，在设备1运行以前，想要的信号的带宽是未知的。图上显示了以想要的信号的带宽的两倍或三倍的量级的所选择的带宽33。
图3显示了想要的信号的频带的带宽估计的实施例。接收信号的数字采样被存储在存储器40中。在确定带宽以后，存储的数字样本被馈送到具有可调整的带宽与中心频率的带通滤波器41。调整值被处理装置25存储在带宽寄存器42和中心频率寄存器43中。由此，在那些使用了所设计的多频段设备1的系统中，可作出一种独特的标记。带通滤波器被耦合到能量检测器44，同时被存储在能量门限寄存器45中的已知的能量门限值也被馈送到该能量检测器。能量检测器44(例如快速傅利叶变换装置)把接收的信号的噪声基底及相对能量与先有的已知系统的独特的标记进行比较。由此，接收系统可被识别，因而，带宽与频带可被识别。微控制器随之选择适当的采样带宽和/或采样时间。在这方面，应当看到，在给定固定存储尺寸的情况下，采样时间和采样带宽的乘积是常数。所以，或者进行具有窄带宽、长突发的采样，或者是进行具有宽的带宽、短突发的采样。
图4显示按照本发明的采样网络50，它是限带的采样装置。网络50包括采样开关51A，51B和51C，以理想开关510和等效电阻Ri511表示，以及多个电容C1，C2…，Cn，其每个相应于一个单位电容Ci。处理装置25控制采样网络50，以使得电容可通过启动各自的开关52和53等而被并联。在网络50的输出端，提供具有想要的信号采样带宽和噪声带宽不超过该信号带宽的采样信号。噪声相对输入信号的减小的因子等于并联电容的数目。当接收到的信号的带宽小于单个开关电阻和单个采样电容Ci的带宽时，需要这样的噪声减小。如果没有这样的措施，则较大的噪声带宽将被采样，并被成倍地合并到想要的信号的信号带宽上。例如，如果开关和一个采样电容Ci的采样带宽是BWs(例如1.6MHz)，则在没有把热噪声成倍合并到信号带宽情况下的信号带宽BWs/4(即400kHz)的采样可以通过使用单个开关51和四个单位电容Ci相并联来实现。作为比较，1.6MHz频带的采样将通过单独地对每个电容取一次采样、例如在图4上通过对于每个电容使用一个开关而进行。采样带宽也可通过改变开关的串联电阻或通过加上另一个与开关串联的电阻而改变。
等效电容Ci和等效电阻Ri的数值应当被选择成使得存储电容器不会成为总噪声的组成部分。在选择装置的输出端，样本以存储带宽被存储，该存储带宽是和所选择的低通滤波器的带宽相同的。然后，等效噪声电压以kT/Ci表示，其中k是波尔兹曼常数，T是绝对温度以及Ci是等效存储电容。
下面给出一个表，用于选择Ci和Ri的数值，以使得存储电容不会产生噪声电压。
Ci/Ri  1k       10k       100k     1M欧姆
0.1pF    1600M    160M      16M      1.6M
1pF      160M     16M       1.6M     0.16M
10pF     16M      1.6M      0.16M    0.016M
40pF     4M       0.4M      0.04M    0.004M
100pF    1.6M     0.16M     0.016M   0.0016M
上表中的数值代表采样带宽，以MHz计。上表表示，如果采样装置可正确地处理整个选择的频带，则由于采样造成的噪声谱具有与理想匹配电阻的波尔兹曼噪声同样的噪声极限，即，-174dBm/Hz。在这样的情况下，频谱噪声能量密度kT是与存储电容Ci的数值无关的。
按照上表，1.6MHz的采样带宽可用10pF采样电容和10kOhm开关电阻来实施。因此，滤波器14-16和20-22的分别地预选择的带宽应当被选择为1.6MHz。这个带宽对于按照IS-95标准的CDMA蜂窝系统是可适用的。为了处理整个带宽，采样速率应当是3.2MHz。在感兴趣的带宽被减小到160kHz的情况下，对于信号和噪声的采样带宽通过连接十个并联的电容而被减小到这个值。这个效果也可以以其他的方式达到：或者通过在采样之前并联连接电容以及通过以减小的速率采样，或者通过继续以3.2MHz采样以及通过在采样后并联连接电容，或通过如以上所述的增加开关电阻来达到。然后，样本将以较低的320kHz的速率被读出。
图5显示包括附加开关以便于避免两个采样电容之间的交叉耦合的修正的采样网络。采样网络50的两个接连的电容Cj和Cj+1然后通过三个开关61，62，和63被耦合。当这些电容互相隔离时，开关61和63被断开以及开关62被闭合，这样在Cj和Cj+1之间的所有杂散电容被连接到地。由此，交叉耦合被减小为零。当电容相互耦合时，开关61和63被闭合以及开关62被断路。
不使用对于图4描述的用于噪声带宽减小的电容网络50，这样的带宽减小也可通过重新处理样本而达到。假定一个10MHz样本的输入和一个1MHz的已知信号带宽。那麽，很容易看到，N个信号样本的和在数学上可被表示为N乘上信号样本加上该和除以N个噪声样本。通过重新处理样本，有效噪声被降低N倍。
在进行上述的高线性的低噪声输入采样后，有可能构建这样一种接收机，其中大部分信道滤波可在采样后进行，并且如果可能的话，甚至在模拟-数字转换以后进行。其附加的优点在于，倘若在接收和发射突发之间有足够的时间间隔，则增强的信号处理和模拟-数字转换可以与模拟RF信号的接收或发射不同时执行，使得这些操作处理能在接收机前端和发射机部件的同一个半导体芯片上进行。
采样速率和带宽可被安排成使得，例如5MHz，2MHz，1MHz，400kHz，和200kHz的带宽可通过容易配置的(即低成本的)硬件最佳地实现。例如，GSM接收机可以具有400kHz的采样带宽，并且低达约130kHz带宽的信道滤波可以按照相邻信道功率条件根据带宽和陡峭度而自适应。通过加上另一个40kHz带宽的预滤波器和耦合另一个并联采样电容，很容易构建一个高性能接收机，能够覆盖对于IS-136的30kHz、对于GSM的200kHz、和对于IS-95 CDMA的1.25MHz的范围。而且，本原理可被推广应用于新的低成本的无线接口的开发。
鉴于上述内容，本领域技术人员将看到，可以在由附属权利要求规定的本发明的范围内作出各种修正，因此，本发明并不限于所提供的例子。

Claims (14)

1.无线通信设备，包括用于接收射频频段中的射频信号的射频部件、用于把接收的射频信号下变频到较低的频段的变频装置、用于采样下变频信号的采样装置、以及用于存储和处理采样的较低频带信号的存储和处理装置，由此，该通信设备是一个被安排来从至少一个频段接收射频信号的接收设备，该接收设备包括用于预选择较低频段信号的采样带宽和/或采样时间的选择装置，该选择装置是根据需要被接收的无线信号的先前已知的带宽、或根据需要被接收的无线信号的估计的带宽而被控制的，从而使得相对于需要被接收的无线信号的带宽而进行的采样被最佳化。
2.权利要求1中要求的无线通信设备，其特征在于，其中所述存储和处理装置被安排来存储限带的较低频样本.
3.权利要求1或2中要求的无线通信设备，其特征在于，其中通信设备是多频段接收设备。
4.权利要求1中要求的无线通信设备，其特征在于，其中要被采样的带宽通过使用可调整带通滤波器滤波较低的频段信号的多个样本而被确定的，该带通滤波器的带宽和中心频率对于具有预定带宽和中心频率的想要的信号是可调整的，带宽是从可调整带通滤波器的输出信号的能量测量平均值中进行估计的。
5.权利要求1，2或4中要求的无线通信设备，其特征在于，其中选择装置包括至少两个低通滤波器，其所具有的带宽是相对于作为想要的信号而被接收的RF信号的带宽被最佳化的，以及还包括用于把较低的频段信号耦合到选择的低通滤波器的输出端的切换装置。
6.权利要求5中要求的无线通信设备，其特征在于，其中各带通滤波器的带宽显著地大于由各个相应的滤波器进行滤波的想要的信号的带宽，优选地是乘以二或三倍量级的因子。
7.权利要求5中要求的无线通信设备，其特征在于，其中带通滤波器是具有线性通带相位响应的线性分布的电阻-电容滤波器。
8.权利要求1中要求的无线通信设备，其特征在于，其中采样装置是限带的采样装置，它被耦合到选择装置，以便于限制在选择装置的输出端处的噪声的带宽。
9.权利要求8中要求的无线通信设备，其特征在于，其中限带采样装置是一个优选地被耦合到至少一个电容的单个采样开关的网络，在至少两个电容的情况下，电容被并联、接连地切换。
10.权利要求8中要求的无线通信设备，其特征在于，其中限带采样装置是优选地由用于采集样本的单个采样开关、以及存储器与处理装置组成，处理装置被设计成用于重新处理样本，从而使得在选择装置的输出端处的噪声被显著地减小。
11.权利要求8，9，或10中要求的无线通信设备，其特征在于，其中自适应滤波装置被耦合到采样装置，通信设备被安排来确定在想要的信道内和相邻信道内的信号电平，以及被安排来调整自适应滤波装置，从而使得滤波器对于高的相邻信道与想要的信道的干扰比而言，具有比对于低的相邻信道与想要的信道的干扰比优良得多的限带特性。
12.权利要求11中要求的无线通信设备，其特征在于，其中自适应滤波装置是具有可调整滚降因子和/或带宽的高斯有限冲击响应滤波器。
13.权利要求1中要求的无线通信设备，其特征在于，其中该设备包括用于粗略限带的射频部件中的可调谐滤波器放大器链。
14.权利要求1中要求的无线通信设备，其特征在于，其中该设备是直接变频正交接收机。
CN98803115A 1997-11-07 1998-10-29 无线通信设备 Expired - Fee Related CN1118949C (zh)

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