CN1155277C - 根据载波偏移预旋的收发信机 - Google Patents

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Abstract

一种无线电话系统，含有多个无线手机和具有一基站收发信机的基站单元。每个手机具有一手机收发信机，用于在共享通道上通过基站收发信机建立与基站单元的无线链路，其中基站收发信机以载波频率向给定手机收发信机发送前向信号。每个手机收发信机具有一个接收机，一个发射机，及一个驱动手机的接收机和发射机的振荡器。手机发射机包括一预旋器，它按照载波跟踪环路检测的载波偏移预旋返回信号，从而基站收发信机将基本上无载波偏移地接收返回信号。

Description

根据载波偏移预旋的收发信机
技术领域
本发明涉及一种数字信号处理系统，尤其涉及具有独立振荡器的收发信机之间的通信。
背景技术
从发射机到接收机的数字数据传输需要各种数字信号处理技术，以使发射机能够发射数据并由接收机成功的恢复数据。在数字无线电话系统中，无线电话手机单元通过数字无线电信号与一基站单元，通信基站单元通常经由一个标准电话线连接到外部电话网。以这种方式，用户可采用无线手机通过基站单元和电话网与其他用户通电话。
多线路无线电话系统应用于各种情形，例如具有许多电话用户的业务。这种系统采用一种手机，该手机与多达N个手机同时通信，通常是利用数字通信方案，比如扩展频谱、时分多址(TDMA)。在一扩频系统中，按照所谓的Shannon理论，用带宽资源换取性能增益。扩频系统的优点包括低功率频谱密度、改善的窄带干扰抑制、内部选择性寻址能力(采用代码选择)，和固有通道多访问能力。扩频系统采用各种技术，包括直接排序(DS)、频率跳跃(FH)、线性调频脉冲系统、及混合DS/FH系统。
在TDMA系统中，采用单RF通道，在整个TDMA周期或信号出现时间内的专用时间片或时隙期间，每个手机发送并接收音频数据分组以及非音频数据分组。其他通信方案包括频分多址(FDMA)，码分多路复用/多址(CDM/CDMA)，及这些方案的结合，全双工及半双工。采用各种调制方案，如无载波幅度/相位(CAP)和正交调幅(QAM)。
这种数字数据常常以二进制数据位的形式作为调制信号在传输介质上传输，例如RF频道。(常用于数字通信的其他传输介质包括采用非对称数字用户环路(ADSL)技术或电缆调制解调器系统的双绞线系统。)数字数据常常被调制并以复数字数据的形式发送，其中所发送的数据包括可由接收机重构原始数据的码元。复数字码元数据一般包括实(同相，或“I”)数据，和虚(正交，或“Q”)数据(I，Q对)。I，Q对的每个码元可以是一个多位数，并表示相对于诸如一个象限的判定区域映射的构象(constellation)的定位。利用一个查询表(例如，一个ROM)将每个码元映射或分配给在一个四象限格栅状构象中的一个规定的坐标。依据编码方案，规定数目的码元在每个象限中占据分配的区域。根据一给定编码方案的位/码元数，该构象的每个象限包含相对于正交的I和Q轴在规定坐标上的许多码元。例如，在四相相移键控(QPSK)编码方案下，每个样本具有四个相位位置之一，每个象限一个，因此每个码元对表示两个数据位。
为了在复数据系统中发送给定输入数据值，将要发送的输入数据值映射到在具有实和虚轴I和Q的一个复信号构象上的相应构象点的码元对或坐标I，Q对。然后这些表示原始数据值的I，Q码元作为数据分组部分由调制通道传输。接收机可恢复I，Q对和判定构象定位，并执行逆映射以提供原始输入数据值或其近似值。
在扩频系统中，用一串将码元与伪随机数(PN)二进制串相乘而得到的“子码元”或“芯片”来发送每个码元。因此，这种系统的特征在于一个芯片率，它通过一个所谓的扩展因子(用于扩展原始码元数据率的因子)与码元率相关。一般，扩频系统还可用于发送任何数字数据，无论是否复数格式。
如上所述，数字数据传输需要多种数字信号处理技术使数据由发射机发射并由接收机成功地恢复。例如，必须首先建立一通信链路，其中两个收发信机彼此锁定，建立同步和其他系统参数等。扩频数字无线电话系统中的数据传输的接收机侧采用多种函数来从传输的RF信号恢复数据。这些函数可包括：码元同步的定时恢复、载波恢复(频率解调)、均衡、及增益控制。接收机包括码元定时恢复(STR)、自动增益控制(AGC)、载波跟踪环路(CTL)、及每个链路的均衡器环路。定时恢复是使接收机时钟(时基)与发射机时钟同步的方法。这允许所接收的信号以最佳时间点被采样，以减少出现与接收码元值的直接判定处理相关联的限幅误差的机会。在一些接收机中，以发射机码元率的多倍对接收信号采样。例如，一些接收机以发射机码元率的两倍对接收信号采样。在任何情况下，接收机的采样时钟必须与发射机的码元时钟同步。
均衡是一种补偿传输通道对所接收信号的干扰影响的方法。更具体地，均衡消除由传输通道干扰引起的码元间干扰(ISI)。ISI使给定码元的值因前一和下一码元的值而失真。载波恢复是在频移到较低中间通带后使所接收RF信号频移到基带以恢复调制基带信息的过程。在Edward A.Lee & David GMesserschmitt，数字通信第二版(Boston：Kluwer Academic Publishers，1994)中详细地讨论了这些及相关函数，和相关调制方案和系统。
由于每一收发信机以一个独立振荡器工作，即使频率是相同的，一个接收机发送的信号一般以一“旋转”构象、即载波频率偏移接收，该载波频率偏移由载波跟踪环路(CTL)检测并计算。因此，当一个收发信机以给定载波频率按照其本地振荡器发送时，接收收发信机的CTL下变频到较低通带并数字地消除剩余载波偏移。之后接收收发信机能够再生所发射信号中的数据流。自然，当第二收发信机将数据发送回第一收发信机时，第一收发信机也必须应用一CTL来消除剩余载波偏移。
在初始锁定以建立一个链路期间，在所有两个终端，该过程可延迟采集一被锁定的链路。一旦在其初始建立的链路之后两个收发信机得知这些载波偏移，由于每个接收机侧可利用恢复的最后一个载波偏移开始采集，所以后续通信不被同样地延迟。然而，初始链接过程可因每一个具有独立振荡器的收发信机而延迟。此外，在采用一个基站单元和多个手机的多线路无线电话系统中，每个系统具有带一个独立振荡器的收发信机，例如TDMA系统，即使在初始链路建立之后，为了避免在其时隙发生时必须再判定每个单独手机的正确载波偏移并因此延迟其采集，对于多个链路中的每一个，基站必须存储并保持跟踪载波偏移。该存储和跟踪可能是复杂的、昂贵的，导致延迟，另外或者是不需要的，但若没有它采集延迟增加。
发明内容
本发明的目的是提供一种无线电话系统，该系统具有多个无线手机和基站单元，该基站单元具有一基站收发信机。每个手机具有一个手机收发信机，用于在共享通道上通过基站收发信机建立与基站单元的无线链路，其中基站收发信机以载波频率向给定手机收发信机发送一个前向信号。由于基站和每个手机收发信机以独立振荡器工作，每个手机收发信机接收具有载波偏移的前向信号。每个手机收发信机具有一个接收机，该接收机具有用于从前向信号检测和消除载波偏移的载波跟踪环路；一个发射机，用于发射返回信号给基站收发信机；及一个振荡器，其独立于载波频率所基于的基站收发信机的基站振荡器，用于驱动手机的接收机和发射机。手机发射机包括一个预旋器(prerotator)，它按照载波跟踪环路检测的载波偏移预旋转返回信号，从而基站收发信机将基本上无载波偏移地接收返回信号。
按照本发明的一个方面，提供一种收发信机，该收发信机与一个向其发送前向信号的第二收发信机通信，该收发信机的特征在于包括：(a)一个接收机，具有从前向信号检测和消除载波偏移的载波跟踪环路；(b)一个发射机，用于向第二收发信机发射一个返回信号；以及(c)一个振荡器，与载波频率基于的第二收发信机的第二振荡器无关，用于驱动接收机和发射机，其中发射机包括一个预旋器，它按照载波跟踪环路检测的载波偏移预旋转返回信号，从而第二收发信机实质上无载波偏移地接收返回信号。
按照本发明的另一方面，提供一种用于在具有带载波跟踪环路的接收机和发射机及耦合到接收机和发射机的振荡器的收发信机中与以载波频率向该收发信机发送前向信号的第二收发信机进行通信的方法，该方法的特征在于包括下列步骤：(a)用振荡器驱动接收机和发射机，其中振荡器独立于载波频率所基于的第二收发信机的第二振荡器；(b)用接收机接收前向信号，并用接收机的载波跟踪环路从前向信号检测并消除载波偏移；(c)按照载波跟踪环路检测的载波偏移用发射机的预旋器预旋转返回信号，从而第二收发信机实质上无载波偏移的接收返回信号；以及(d)向第二收发信机发送预旋的返回信号。
按照本发明的另一方面，提供一种无线电话系统，其特征在于包括：(a)一个基站单元，具有一包括基站振荡器的基站收发信机；以及(b)多个无线手机，每个手机包括一个手机收发信机，用于建立与基站单元的无线链路，其中基站单元以载波频率向手机的手机收发信机发送一个前向信号，手机收发信机还包括：(1)一个接收机，该接收机具有用于从前向信号检测和消除载波偏移的载波跟踪环路；(2)一个发射机，用于发射返回信号给基站收发信机；以及(3)一个振荡器，其独立于载波频率所基于的基站振荡器，用于驱动接收机和发射机，其中发射机包括一个预旋器，它按照载波跟踪环路检测的载波偏移预旋返回信号，从而基站收发信机将实质上无载波偏移地接收返回信号。
附图说明
图1是按照本发明实施例的扩频TDMA多线路无线电话系统的方框图；
图2是按照本发明实施例的更详细表示图1系统和手机发射机预旋器的方框图；以及
图3是按照本发明替换实施例的FDMA多线路无线电话系统的方框图。
具体实施方式
在本发明中，一多线路无线电话系统的每个手机的收发信机发射机包括一个预旋器，它按照收发信机接收机的载波跟踪环路(CTL)确定的载波偏移，预旋发送到系统基站单元的信号。这确保在例如TDMA信号出现时间的相应时隙期间基站单元接收机从每个手机接收的信号实际上无载波偏移(或旋转)地被接收，从而加速基站单元的采集，并免除基站单元存储和跟踪每个独立手机的载波偏移的需要。以下更详细描述本发明的这些和其他细节及优点。
下面参见图1，图中示出按照本发明实施例的TDMA多路线无线电话系统100的方框图。TDMA系统100包括一个基站单元110，基站单元110具有接收机单元和发射机单元112和111，并经电话线115耦合到外部电话网116。系统100还包括N个无线手机1201，1202，…120N。每个手机具有一个发射机和接收机单元(收发信机)，例如手机1201的发射机121和接收机122。在任何给定时间，某些(或无)手机正在工作或摘机(即，在进行电话呼叫的过程中)。因此系统100提供一个无线网络或基站单元110与每个手机120i(1≤i≤N)之间的链路。在一个实施例中，系统100包括4个手机1201-1204，所有手机可以是同时有效的。在另一实施例中，系统100包括不同数量的手机，例如N＝12，其中例如多达8个可以是有效的或在某一时间工作。
每个发射机121调制和发射已调制的信号。在这种系统中可采用多种数字调制格式，包括：QAM、CAP、PSK(相移键控)，PAM(脉冲幅度调制)，VSB(残留边带调制)、FSK(频移键控)，OFDM(正交频分多路复用)，及DMT(离散多音调调制)。
在一个实施例中，本发明包括一个用于将多个收发信机通过一个信号RF通道连接到基站的TDMA系统。尤其，系统100采用一个数字TDMA方案，如以下将更详细描述的。
参见图2，其示出按照本发明实施例的更详细表示图1系统100和示范性发射机预旋器的方框图。图2为说明目的示出基站单元110的发射机单元111和接收机单元112及手机1201的发射机121和接收机122的预旋器细节。具体地，基站单元110包括基站本地振荡器215，它用作公共振荡器，以驱动上变频器211和下变频器212，即前向通道和返回通道。从基站单元传输到手机的信号或数据消息可称为前向信号，从手机发送到基站单元的信号或数据消息可称为返回信号。接收机单元112还包括去旋转器216，和(NCO)CTL/数控振荡器(NCO)217。上变频器211经天线218发送RF信号，而下变频器222则经天线218接收RF信号。
手机1201包括手机本地振荡器225，它用作公共振荡器驱动上变频器221和下变频器222。接收机122还包括去旋转器226和CTL/NCO 227。上变频器221经天线228发送RF信号到基站单元110，而下变频器222经天线228从基站单元210接收RF信号。按照本发明的实施例，手机发射机121还包括手机发射机预旋器229，手机发射机预旋器229耦合到CTL/NCO 227，以接收载波偏移信息。如将会理解的，每一手机1202-120N类似地配置为具有例如手机发射机预旋器229一类的手机发射机预旋器的1201。
因此，在基站单元110与任何给定手机如手机1201之间的链路的初始采集期间，基站单元110发射“下行链路”中的数据分组，该数据分组由手机接收机122锁住。基站单元110发射的这一信号具有一定的载波偏移或旋转，因为其本地振荡器215独立于手机本地振荡器225。CTL/NCO 227检测载波偏移并用去旋转器226数字消除它。检测的同一载波偏移还被手机发射机预旋器229用于对送回基站单元110的“返回通道链路”或“上行链路”执行逆旋转。换言之，采用作为所检测旋转的逆的一种放置来预旋“返回”通道，并从“前向”通道消除。因此，接收机单元112从发射机121接收实际上无旋转的信号，从而加速信号的采集。因此，由于其预旋，接收机单元112可更容易地锁定到返回通道，并仅需要跟踪相位误差，因为在手机上消除了频率误差。
因此，一旦已建立了链路，发射机121继续用手机发射机预旋器229预旋所发射的信号，由此免除对存储和跟踪每个单独手机1201-120N的载波偏移的需要。在一个实施例中，手机发射机预旋器229包括一个NCO，它可按照接收机122中使用的最后一个载波频率偏移预旋返回通道。
因此，在本发明中，一个收发信机例如手机测量各种前向通道参数，包括载波偏移，并利用这些参数预补偿返回通道信号以改善返回通道接收机的功能和操作。
在一替换实施例中，基站发射机单元111还包括一预旋器，尽管它没有如利用手机发射机预旋器229所实现的加速初始链路采集，但它免除了对用于存储和跟踪基站单元110的载波偏移的接收机122的需要。
本领域技术人员将会认识到，上述按照本发明原理的无线系统可以是一种蜂窝式系统，其中基站单元110表示对蜂窝式电话网络中的若干小区之一服务的基站。
除前述无线电话系统的数字通信之外，本发明还可应用于例如，二进制相移键控(BPXK)，QPSK，CAP和QAM，以及VSB调制系统，如在美国推荐使用的大同盟高清晰度电视(HDTV)系统。本领域的技术人员会识别到使所公开的发射机调制系统适应所需调制方案需要设计变化，并会理解如何设计所示范的部件在所需调制方案下工作。
除了在TDMA系统中实施本发明之外，在替换实施例中，本发明还可应用于其他系统，例如FDMA，CDM/CDMA，和这些方案的结合，均采取全双工和半双工。例如，参见图3，其中示出按照本发明替换实施例的一种FDMA多线路无线电话系统300的方框图。当采用不同的RF通道时，不会总是使用相同的振荡器。然而，如果在FDMA系统300中，前向和返回通道振荡器(合成器)被锁定到基站和手机中的公共基准振荡器(振荡器315，325)，则频率误差是合成器比率的函数。在这种情况下也可能是全双工操作。在这种系统中，仅需要一个接收机来删除载波频率偏差；因此，为了在这种FDMA系统中实现本发明，一个链路带头采集该通道，其他链路方向将快速锁定，因为载波频率偏差将被消除，这正如本领域技术人员将会理解的那样。
本领域技术人员还会知道如何应用本发明于其他像CDM/CDMA一类的系统，例如，在CDM/CDMA系统中，全双工操作是可能的，因为两个通道可在同一频带中同时操作。因此，在将本发明实现为CDM/CDMA系统时，在反向链路之间最好锁定一个链路(例如，基站到手机)。一旦建立基站到手机链路，载波偏移被测量并用在返回链路中。利用一个预旋器在基站与手机之间更均衡地分配系统的复杂性。
应理解，在不偏离所附权利要求限定的本发明的原理和范围的情况下，本领域的技术人员可对以上为了解释本发明的性质所描述和示出的各部分作出各种细节、材料、和配置上的变更。

Claims (16)

1.一种收发信机，该收发信机与一个向其发送前向信号的第二收发信机通信，该收发信机的特征在于包括：
(a)一个接收机，具有从前向信号检测和消除载波偏移的载波跟踪环路；
(b)一个发射机，用于向第二收发信机发射一个返回信号；以及
(c)一个振荡器，与载波频率基于的第二收发信机的第二振荡器无关，用于驱动接收机和发射机，其中发射机包括一个预旋器，它按照载波跟踪环路检测的载波偏移预旋转返回信号，从而第二收发信机实质上无载波偏移地接收返回信号。
2.如权利要求1所述的收发信机，其特征在于：
前向信号表示第一码元率下的顺序码元；以及
接收机用于接收表示前向信号的样本。
3.如权利要求1所述的收发信机，其特征在于：
该收发信机是第一无线手机的手机收发信机；
第二收发信机是基站单元的基站收发信机；
第一无线手机和基站单元是一个无线电话系统的一部分，该无线电话系统还包括多个其他的无线手机，每个手机包括一个手机收发信机，用于在共享通道上经由基站收发信机与基站单元建立无线链路。
4.如权利要求3所述的收发信机，其特征在于：所述无线链路是时分多址链路，其中每个手机在把时隙分配给手机的时分多址方案的专用时隙期间通信。
5.如权利要求3所述的收发信机，其特征在于：所述无线电话系统是一扩频系统，其中每个相继码元是一片表示一个复数码元的二进制扩频芯片序列。
6.如权利要求1所述的收发信机，其特征在于：预旋器耦合到载波跟踪环路的输出端，用于接收载波跟踪环路检测的载波偏移。
7.如权利要求1所述的收发信机，其特征在于：前向信号包括建立通信链路之前第二收发信机发送的下行链路数据分组；以及返回信号包括收发信机锁定到前向信号之后收发信机发送的返回通道链路数据分组。
8.一种用于在具有带载波跟踪环路的接收机和发射机及耦合到接收机和发射机的振荡器的收发信机中与以载波频率向该收发信机发送前向信号的第二收发信机进行通信的方法，该方法的特征在于包括下列步骤：
(a)用振荡器驱动接收机和发射机，其中振荡器独立于载波频率所基于的第二收发信机的第二振荡器；
(b)用接收机接收前向信号，并用接收机的载波跟踪环路从前向信号检测并消除载波偏移；
(c)按照载波跟踪环路检测的载波偏移用发射机的预旋器预旋转返回信号，从而第二收发信机实质上无载波偏移的接收返回信号；以及
(d)向第二收发信机发送预旋的返回信号。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于：
前向信号表示在第一码元率下的连续码元；以及
步骤(b)包括接收表示前向信号的样本的步骤。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于：
收发信机是第一无线手机的手机收发信机；
第二收发信机是基站单元的基站收发信机；以及
第一无线手机和基站单元是一个无线电话系统的一部分，该无线电话系统还包括多个其他的无线手机，每个手机包括一个手机收发信机，用于在共享通道上经由基站收发信机与基站单元建立无线链路。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于：所述无线链路是时分多址链路，其中每个手机在把时隙分配给手机的时分多址方案的专用时隙期间通信。
12.如权利要求8所述的方法，其特征在于：前向信号包括建立通信链路之前第二收发信机发送的下行链路数据分组；以及返回信号包括收发信机锁定到前向信号之后收发信机发送的返回通道链路数据分组。
13.一种无线电话系统，其特征在于包括：
(a)一个基站单元，具有一包括基站振荡器的基站收发信机；以及
(b)多个无线手机，每个手机包括一个手机收发信机，用于建立与基站单元的无线链路，其中基站单元以载波频率向手机的手机收发信机发送一个前向信号，手机收发信机还包括：
(1)一个接收机，该接收机具有用于从前向信号检测和消除载波偏移的载波跟踪环路；
(2)一个发射机，用于发射返回信号给基站收发信机；以及
(3)一个振荡器，其独立于载波频率所基于的基站振荡器，用于驱动接收机和发射机，其中发射机包括一个预旋器，它按照载波跟踪环路检测的载波偏移预旋返回信号，从而基站收发信机将实质上无载波偏移地接收返回信号。
14.如权利要求13所述的无线电话系统，其特征在于：
前向信号表示在第一码元率下的连续码元；以及
所述接收机接收表示前向信号的样本。
15.如权利要求13所述的无线电话系统，其特征在于：每个无线链路是一时分多址TDMA链路，其中每个手机在把时隙分配给手机的TDMA方案的专用时隙期间通信。
16.如权利要求13所述的无线电话系统，其特征在于：前向信号包括建立通信链路之前基站收发信机发送的下行链路数据分组；以及返回信号包括手机收发信机锁定到前向信号之后发送的返回通道链路数据分组。
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