CN1171871A - 用于tdd/fdd的无线通信便携式手持电话 - Google Patents

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Abstract

在一TDM/TDMA数字电话系统(5)中,一种便携式手持电话适用于在FDD模式和TDD模式下进行操作。在FDD模式下,使用不同的频率差分隔从端口(204)向便携机(201)的下行线路发射和从端口(204)向便携机(201)的上行线路发射。在TDD模式下,以不同的时隙分隔上行线路和下行线路发射,但它们处于同一频率。耳机(201)包括在相应的上行线路和下行线路信号之间的固定FDD频率差分隔的固定IF频率处进行操作的公共发射和接收电路(300)。在FDD模式下,不必在从单个端口发射和接收一个短脉冲串之间转换频率合成器(301)的频率,该合成器用于调谐到在来自不同端口的不同频率处进行发射和接收。在TDD模式下,即使上行线路和下行线路信号处于同一频率,也要在发射上行线路和接收下行线路之间转换合成器(301)的频率。

Description

用于TDD/FDD的无线通信便携式手持电话
背景技术
本发明涉及无线个人便携式通信系统，本发明尤其涉及用于此系统中的便携式手持电话单元，它适用于在两个不同的频带中进行操作，由于两个频带的性质需要不同的操作模式。
在1994年12月5日星期一的纽约时报的Business Day部分的第1页上报导了当天进行的拍卖“用于‘个人通信服务’，一种无线电话和数据服务的新家族的无线电频谱的99张许可证....预期赢得的总投标在30亿美元到150亿美元之间”。这篇文章援引联邦通信委员会(FCC)主席Reed E.Hundt的话说：“这次拍卖代表了美国和平历史时期新兴工业最大的开始时期”。对于每个地理区域，颁发的许可证将提供分别为1850-1910MHz和1930-1990MHz的低和高频带内的个人通信服务。提供服务者的许可证将用于15MHz或5MHz宽的一对的次频带，第一次频带处于低频带，而第二次频带处于高频带离第一次频带有80MHz。
公知FCC所分配的频率在1993年10月22日GEN摘要号为90-314号的“建立新的个人通信服务的委员会规则的修改”的FCC第二报告和规则中以及在1994年6月13日GEN摘要号为90-314号的“建立新的个人通信服务的委员会规则的修改”的FCC备忘录意见和规则中叫做新兴(Emerging)技术(ET)频带。第二报告和规则以及1994年6月的意见和规则把所述许可频带限定为留作同步操作用，该操作原先试图用于面向电路的话音和数据应用。它们也把1910MHz和1930MHz之间得到非许可频谱限定为其中1910到1920MHz的频带留作异步操作用原先试图用于分组数据，而1920到1930Mhz的频带留作同步操作用，再次试图用于电路。
在许可频带内，每个许可服务提供者只需要适用于宽的技术规则，在提供无线个人通信服务诸如话音和数据中使用几个候选技术中的任一个技术。此个人通信服务预计是对当前蜂窝式移动无线电系统的补充而不是代替，当前的蜂窝式移动无线电系统一般设计用于824-889MHz的低频带内的模拟话音发射。在ANSI T1和T1A的联合技术委员会(JTC)中出现了作为低层系统提议中主要候选者的PACS(个人访问通信系统)。当前的高层蜂窝式系统的特征包括高功率(＞1瓦)、大单元尺寸(半径≈2英里)和高移动率(高达100mph)，与之不同的是，PACS的特征包括低功率(＜1瓦)、小单元尺寸(半径≈200米)和低移动率(＜40mph)。有利的是，与汽车蜂窝式系统相比，许可频谱中的PACS(原先用于室外和某些室内地点诸如购物街和机场中的行人的公共访问)可提供更高的话音质量和更低的信号延迟。对于此种行人的用途，每个订户所使用的便携式无线电收发机必须是小巧、重量轻且相当便宜的。此外，其功耗必须是低的，以提供再充电后有长寿命。
针对许可频谱中许可次频带的分开结构，PACS提议使用频分双工(FDD)技术，该技术最适用于把上行线路发射(从便携式手持电话到固定的端口)与下行线路发射(从固定端口到便携式手持电话)隔开。通过在时分多路复用/时分多址(TDM/TDMA)的基础上操作多路复用无线电链路，可提供一些不同的全双工按需分配的数字通道，以使一些便携机在多路复用的基础上同时访问单个端口。尤其是，在PACS提出的布局中，每个端口在预定的下行线路载波频率上发射时分多路复用(TDM)比特流，继而，访问该端口的每个便携机通过在相应的上行线路载波频率(介于上行线路和下行线路次频带之间比上行线路频率差80MHz)发射TDMA短脉冲串来响应。
PACS的提议使用192 kbaud(384kbits/s)的频谱整形正交相移键控(QPSK)。每个数字无线电帧为2.5毫秒长，且编号为0到7的每帧包括8-312.5微秒的短脉冲串。选择如此短的帧长度对于语言可使之具有小的来回延迟，这样不需要对话音进行回声控制，对于数据可对高数据吞吐量的数据分组接收，使之具有可快速确认。它也允许以较快的速度由现行呼叫的便携机进行通道访问和切换，因为测量可进行地更快。通道数据速率的选择要满足通道延迟扩散的容差。
在120比特的短脉冲串窗口中，80比特(10 octets)分配给快速通道(FC)。FC提供32kbps的原始数据速率，适用于合理质量的话音编码器。300KHz的内部载波间隔用于上行线路和下行线路通道。便携机中发射机所使用的功率的平均功率范围在5-10毫瓦之间或更少，此功率可提供几百到一千英尺的范围。如此，获得的低辐射功率基本上对任何用户都不构成生物辐射威胁。此外，端口天线可相当小，并适用于安装在实用品或灯杆上。由此发射范围，端口一般可同时服务于20-30个位于本地的不同便携机。同一TDM下行线路通道可在端口处重新使用，只要它们相隔足够远，以把信道干扰减少到可接受的低电平，但仍保留有效的频谱。为了访问无线电话网络，每个端口一般通过常规的固定分布式的设备由铜或光纤连接接到本地总局的转换装置。
为了高性能，PACS中的便携机在接收和发射操作中都执行微观分集，这意味着确定多个发射通路中的哪个通路提供了最佳的信号性能。已示出通过使用分集技术可使信噪比的性能提高10dB。于是，每个便携机单元包括多个天线，便携机的电子装置智能地选择来自这些天线的信号以克服信号衰减效应。在接收每个短脉冲串前进行此天线选择。在FDD模式下，必须在便携机而不是在端口进行此选择步续，因为为了确定在哪根天线上接收到质量“最佳”的信号必须根据只能在便携机获得的下行线路频率处的测量值确定较佳的天线。相应地，在每个下行线路帧期间，在端口到该便携机的短脉冲串之间，必须把时间分配给该便携机，以便对两根天线上接收到的信号进行测量，接收机然后转换到“较好”的输入，以接收来自该端口的所需短脉冲串。这叫做预选分集。
PACS中高性能的需要暗示着便携机在现行呼叫期间对系统中的其它无线电端口连续地进行信号测量以支持对另一端口的移动控制切换的能力。于是，在订户把其便携机从靠近一端口的区域移到另一较近的端口时，或当改变情况导致原来端口信号质量恶化而信号质量较好的端口具有可获通道时，转换装置将被适当地编程以在便携机的指导和请求下可控且自动地从原来端口切换到较近或“较好”端口的呼叫。相应地，在每个下行线路帧期间，在从端口到该便携机的短脉冲串之间，也必须把时间分配给便携机中的频率合成器，以调谐到一端口的下行线路载波频率，而不是当前正与之通信的端口的下行线路载波频率，并在另一端口的下行频率上对两根天线进行处理。在此测量后，接收机必须返回其原来的下行线路频率，以接收来自它正在通信的原来端口的下一个短脉冲串。
在以下的已有技术专利中已论述了用于PACS的TDMA的各个方面，诸如1989年7月18日授予H.W.Arnold和N.R.Sollenberger(这里的共同发明人中的两个)的第4,849,991号名为“用于确定时分多址无线电系统的符号定时的方法和电路”的美国专利；1990年6月26日授予J.C.Chuang和N.R.Sollenberger的第4,937,841号名为“用于时分多址无线电系统的载波复原的方法和电路”的美国专利；1990年7月10日也授予J.C.Chuang和N.R.Sollenberger的第4,941,155号名为“用于时分多址无线电系统中符号定时和频率偏移估计的方法和电路”的美国专利；1992年1月28日授予S.Ariyavisitakul、L.F.Chang(也是这里的一个发明人)和N.R.Sollenberger的第5,084,891名为“用于在TDM/TDMA系统中共同进行比特同步和误差检测的技术”的美国专利；1992年10月13日授予S.Ariyavisitakul和H.W.Arnold的第5,155,742号名为“用于TDMA便携式无线电系统的具有时间反转结构的时间色散均衡器接收机”的美国专利；1993年1月5日授予H.W.Arnold和N.R.Sollenberger的第5,177,769号名为“用于对线性TDMA系统产生信号序列的数字电路”的美国专利；1993年5月18日授予J.C.Chuang和N.R.Sollenberger的第5,212,831号名为“用于在TDMA便携式无线电系统中进行自动适应频率分配的方法和设备”的美国专利；1993年6月22日授予S.Ariyavisitakul和H.W.Arnold的第5,222,101号名为“用于TDMA便携式无线电系统的相位均衡器”的美国专利；1993年7月6日授予J.C.Chuang的第5,226,045号名为“用于在TDMA便携式无线电系统中在无线电访问期间进行自动选择路径的方法和设备”的美国专利；1994年7月26日授予S.Ariyavisitakul、J.C.Chuang和N.R.Sollenberger的第5,333,175号名为“用于在TDMA便携式无线电系统中进行动态功率控制的方法和设备”的美国专利；1994年11月8日授予J.C.Chuang和N.R.Sollenberger的第5,363,375号名为“使用分层方案在无线通信系统的无线电端口中进行同步定时的方法和设备”的美国专利；以及1994年11月8日授予J.C.Chuang和N.R.Sollenberger的第55,363,376号名为“在无线通信系统的无线电端口中进行同步定时的方法和设备”的美国专利。
如上所述，FCC在其1993年10月的第二报告和规则及其1994年6月的备忘录意见和规则也对同步或基于电路的非许可无线访问产生了从1920MHz到1930MHz的10MHz的宽频带。可看出非许可频带中的PACS(PACS-UB)可用于无线Centrex或PBX设备以及私人住宅设备。对于此住宅设备，PAC-UB可替代目前的元绳电话机，但与目前可使用的元绳单元相比，具有更好的范围和话音质量。对此PACS-UB系统的主要要求是它们适用于Part 15，Subpart D中新的FCC规则，在此规则中限定了不同的系统可共同使用所分配频谱的“规定”。此规则具有两个主要目的：与当前使用该频谱(直到该频谱被清除)的现存微波系统以协调方式使新兴技术得以推广；以及使不同的系统合理地共享同一频谱。在该规则的各种限制和要求中，最大发射功率电平把PACS-UB限制于原先的室内使用。
此规则不需要把系统转换成在时分双工(TDD)模式下进行操作，在TDD模式下，同一载波频率的不同时隙用于上行线路和下行线路发射。然而，只有TDD系统可容易地在非许可频带中进行操作，因为没有足够的频率双工分隔可用于隔离每个方向的发射。虽然此规则不需要使便携式手持电话同时适用于在许可频谱和非许可频谱中进行操作，但支持便携式手持电话在许可和非许可频带之间的相互操作能力，以使许可频带的订户以非许可频带在本地环境内使用同一手持电话。向服务提供者交纳费用以获得其使用许可频带的“广播时间”的这些订户，将象如今无绳电话用户访问电话网络那样，不必交纳其访问非许可频带的有关费用。于是，与使用他们家里的蜂窝式电话进行本地呼叫并交纳此呼叫的广播时间费的当前蜂窝式电话订户不同，PACS订户可在他们的家里使用自己的蜂窝式手持电话(如果装备非许可频带终端)，而不会被其许可频带服务提供者收费。此外，如果便携式手持电话也可在许可频带中进行操作，则使用非许可频带的一个更大的吸引力在于其成本。便携式手持电话在两个频带之间的相互操作能力也将支持制造商制造用于非许可频带内的设备，如果没有此相互操作能力，制造商可能不会受到刺激来制造这些设备。
为了适用于许可和非许可频带，便携式手持电话必须能在FDD和TDD模式下进行操作。然而，用于在两种操作模式的整体设计目标是低成本、低复杂性和高性能的。于是必须使设计中加人大部分可在两种操作模式下重复使用的硬件，但该设计仍能提供所需的高性能。
在用于FDD模式或TDD模式下的便携式手持电话硬件设计的决定性元件是频率合成器。在TDD模式下，在一个现行呼叫期间，在上行线路和下行线路通道上使用同一频率。然而，在每帧周期内，必须在用于确定是否要对另一端口进行切换的其它通道上进行测量，于是需要在一帧内使合成器返回至少一个其它的通道。在FDD模式下，在一个现行呼叫期间，且在每帧周期内，为了从正在与便携机进行通信的端口发射和接收短脉冲串，必须产生分开的上行线路载波和下行线路载波频率。此外，在每帧内，切换过程也需要返回至少一个附加的下行线路载波频率。于是，在一帧的短时间周期内使用多个载波频率，需要一快速转换的合成器或多个合成器，任一个合成器都明显地增加了便携机的复杂性和成本。这些解决方法都违背设计目的。因此想要一种可适应较便宜的慢速转换合成器的无线电设计。
除了必须进行在帧周期中占重要部分的合成器调谐以外，还必须在每个帧周期中对用于所需高性能的所述分集测量分配时间。通过使用具有较长持续时间的帧结构，可容易地满足所需的调谐功能和分集测量。然而，短的帧持续时间也有许多优点。这些优点包括：不需要任何回声控制；对误差的快速话音复原；支持操作期间的较高用户速度；快速地建立呼叫和切换；以及用于数据发射、低延迟误差重新发射。于是，伴随着较长的帧持续时间将不是好的质量。
本发明的一个目的是提供一种低复杂性、高性能的便携式手持电话，它设计用于适用于在新兴技术频带的许可和非许可部分中进行操作的PACS。
发明内容
本发明的便携式手持电话可在FDD和TDD模式下进行操作，于是适用于在FCC分配的发射技术频带许可和非许可频带中操作。有利的是，手持电话接收和发射部分中的电路被两种操作模式共享，并且是高性能、低复杂性和低成本的。这可通过对两种模式都使用类似的时间多路复用周期帧结构和不必在频率之间快速转换的单个频率合成器来实现。
便携式手持电话安装了在固定中频(IF)处进行操作的接收和发射电路，该中频由FDD模式下相应的上行线路和下行线路载波之间的载波差来分隔。在FDD模式下，单个合成器频率在与发射电路IF频率相混频时产生上行线路频率，而同一合成器频率在与下行线路频率相混频时产生接收IF频率。因此，在发射和接收短脉冲串之间的每帧内不需要转换合成器的频率。于是只需要对切换测量进行合成器转换。另一方面，在TDD模式下，现行呼叫期间是在同一载波频率上从一个端口发射和接收短脉冲串。然而，由于接收和发射电路在不同的IF下进行操作，所以合成器实际上必须在发射和接收同一载波频率下的短脉冲串之间的每帧内转换频率，这与TDD模式所预期的操作是矛盾的。TDD模式下每个短持续时间帧内的这种频率转换将对FDD模式下的多个转换产生相同的问题。然而，由于发射和接收载波是相同的，所以可在端口而不是便携机处进行TDD分集，从而解放了用于分集测量的TDD模式下每帧的时间。然后该时间可用于TDD模式下的每帧，以在发射和接收时隙之间进行合成器频率转换。
附图概述
图1示出一种便携式无线通信TDM/TDMA数字电话系统，该系统具有可在许可和非许可频谱下操作的端口；
图2A和2B示出分别在FDD和TDD模式下进行操作的端口和便携式手持电话；
图3是便携式手持电话的前端电路的方框图；
图4示出在FDD模式下相互通信的端口和便携式手持电话的帧结构；
图5示出在TDD模式下相互通信的端口和便携式手持电话的帧结构；以及
图6是适用于在FDD和TDD模式下进行操作的便携式手持电话的方框图。
本发明较佳实施方式
图1中示出低功率许可/非许可便携式无线通信TDM/TDMA数字电话系统5的整体图。在许可和非许可模式下，低功率数字便携式电话利用固定的基台单元(叫做端口)和一些移动无线电收发机的手持电话(便携机)。对于许可服务，FCC许可服务提供者在特定频带和限定的服务区内提供无线电信服务。该服务提供者的订户将能通过他们的便携机访问一端口，并通过该端口访问电缆电话网络，以开始和接收电话呼叫。虽然不同的服务提供者可利用不同的技术，但前述PACS技术利用时分多址(TDMA)，以使便携机通过分开的按需求分配的TDMA频率信道在其间的时分多路复用(TDM)基础上传送双工通信。如上所述，从端口到便携机的下行线路发射是用分配给端口的下行频率按数字格式发射，该下行频率位于1930和1990MHz之间的下行线路频带的许可频谱中。便携机在介于1850和1910MHz之间上行线路频带中以短脉冲串数字方式发送到同一端口，发送频率比下行线路频率低80MHz。通过利用TDM/TDMA，每个端口可在一帧的不同时隙内与多个便携机进行通信。
每个便携机中发射机所使用的功率的范围其平均功率将在5-10毫瓦之间或更少，此功率可在端口及其每个便携机之间提供几百到一千英尺的范围。为了容纳一个相当大的服务区，可使用几个端口，随着其相应的呼叫者把其便携机从与一个端口相关的覆盖区传送到邻近端口的覆盖区，让各个呼叫相继在端口之间切换。可对位于本地终端总局的适宜开关(未示出)进行适当地编程，随着呼叫者通过与其相关的相应本地覆盖区，以可控方式切换端口之间的呼叫。
当用户在他的家或办公室的区域内，兼容的便携式手持电话也可在1920和1930MHz之间的非许可频谱内进行操作。如上所述，在此频谱内，不可能对上行线路和下行线路发射进行频率双工。此外，时分双工(TDD)是可用于将上行线路和下行线路分开发射的唯一可行操作方法。于是，在该频带内的同一频率信道上但在不同的时隙中产生上行线路和下行线路发射。由于没有一个服务提供者具有非许可频谱的独占权利，所以可能不同的服务提供者所属的多个用户会同时竞争使用可利用的频率和时隙。FCC已发布的规则是在通信前开始必须被任何装置满足的信道访问标准，以防止干扰可能使用同一频谱的固定微波系统，并测量试图操作任何端口/便携机的时间/频率窗内的干涉。这些访问标准不是本发明的一部分，这里将不再进行讨论。
当接通在许可和非许可模式下都兼容的便携式手持电话时，其可能的操作过程将是对非许可频带扫描以求得该频带内的适宜端口，用该端口可进行访问。这意味着：(a)确定在可产生通信的访问内的非许可频带中是否有一端口(即确定手持电话是否能“看见”一功率大于预定阈值的端口)；以及(b)确定便携机是否具有处于该端口的许可权利(即，确定该端口和便携机单元是否适当地相关)。如果便携式不在非许可频带中可进行访问的端口范围内，则便携机将扫描其用户服务提供者频谱内的许可频带，以找出可登记其本身的一个端口。一旦登记在非许可频带内，便携机就准备通过该端口接收指向此便携机的呼叫，或通过该端口放置呼叫。在被接通时，便携机总是“知道”它在许可频带还是在非许可频带内进行操作，以及它应处于FDD模式还是处于TDD模式。在以下的描述中，将假设便携式手持电话“知道”它是处于TDD模式还是处于FDD模式，不需要再详述确定它所处模式的过程和设备，因为它们不是本发明的一部分。
参考图1，系统5包括在许可频带中进行操作的四个端口30、40、50和70；以及在非许可频带中进行操作的三个端口60、80和90。端口60位于住宅63内，端口80和90位于办公室建筑95的不同楼层上。便携机34和36与端口30相连；便携机42与端口40相连；便携机52、54、56和58与端口50相连；以及便携机72、74和76与端口70相连。在住宅63内，便携机65与端口60相连；以及在办公室建筑95内，便携机82和84与端口80相连，便携机92和94与端口90相连。端口本身连到位于总局10内的开关，以访问电缆电话网络。此连接一般可以两种方式中的一种而产生：通过分别用于示例端口70和50的铜数字线16和18，或经由中介的铜数字线23和27到分别用于示例端口30和40的远程电子装置20和25。远程电子装置包括固定分布式和集中式设备，除了端口30和40提供的话务外，该设备用于多路复用光纤馈送线12和14上的多工话务，继而馈送到总局10。端口60可经由POTS线13连到总局10，端口80和90通过无线电端口控制器98连到建筑物95内的PBX 99，其后通过铜数字线17连到总局10。无线电端口控制器98对非许可频带内的信道进行无线切换和分配。位于总局内的开关通过干线7连到无线电话网络。
在许可频带内，端口30、40和50在使用正交相移键控(QPSK)调制且内部载波空间为300KHz的预定载波频率上发射时分多路复用(TDM)比特流。在不同的信道重复使用同一TDM信道，这些端口诸如30和70分开得足够远，以把信道相互干扰减少到可接受的低水平，但仍保持有效的频谱。然而，邻近端口的位置足够靠近，以对其各自的服务区提供适当的交叠度，从而保证在呼叫切换期间不产生覆盖损失。此外，每个端口利用适当的天线诸如用于端口30的天线31，以把其TDM发射传送到其相关的便携机，并接受来自其相关便携机的TDMA短脉冲串。使用给定的载波频率，这些天线中的每一个都相当小并适用于安装在实用品或灯杆上或安装在办公室建筑内。
在系统5中以短范围的低功率无线电线路替代本地的铜接地和电话线，移动呼叫者可获得完全的无绳访问。在其住宅内，用户65可以使用自己的便携机64通过他的基台单元60来设立和接收呼叫，就象他用目前的无绳电话那样。当在他的端口范围内通过非许可频谱通信时，该用户只要象设立来自有线手持电话的呼叫一样交费。在端口60和手持电话64之间使用TDD的时分方式中以数字短脉冲串进行通信，以分隔每个方向的发射。然而，当用户65离开其住宅时，他的便携式手持电话将自动地在离他基本最近的端口31处登记他的PACS服务提供者。然后设立到他或被他设立的呼叫将成为FDD模式下时分方式中的短脉冲串，以隔开上行线路和下行线路发射。当用户65在其服务区中漫游时，将通过此同一端口31或通过他可到达的近的另一端口保持访问。此外，在一个呼叫期间，如果发射状态的改变使他的信号质量恶化，或如果他要离开其原来家庭端口的范围，则他正在进行通话将移交给可提供较好质量连接的另一端口。
办公室建筑95中的用户85在TDD模式下以类似的方式连到其楼层上的端口80。如果她要移到该楼层以下，则他的手持电话将连到端口90。于是，她可在建筑中随着她的便携式手持电话一起移动，从而保持继续正在进行的通话并可获得输入的呼叫。如果她要离开此建筑并移到其服务区以外，则她的同一手持电话将继续提供通过端口30、40或50中的任一个访问无线网络的装置。
在许可频谱的室外环境中，当一个便携式用户想要连到电话网络，则那个人的便携机必须选择一通道并启动访问协议。选择一个通道(即，与之通信的端口)需要确定具有空闲时隙的“最好”端口。便携机确定的“最好”端口是具有最高信号-衰减(SIR)比或其它质量标准的端口。一般，这可能是最靠近便携机的端口。于是在图1中，便携机74是最类似的访问端口70。然而，各种地志和气象状态可影响发射质量，从而最靠近的端口对于被访问的便携机可能不是“最好”的端口。因此，在图1中，用于便携机74的“最好”端口可能不是最近的端口70，而可能端口40或端口50。也可能不能获得“最好”的端口。虽然图1所示的系统只示出与每个端口相关的有限数目的便携机，然而，实际上，在通信量特别高的区域中更多的便携机可通过一端口进行通信，从而占据通道上所有的空闲的时隙。因此，相对于信号质量的“最好”端口可以不是可获得的“最好”端口。1993年7月6日授权的上述第5,226,054号美国专利揭示了用于选择可获得的“最好”端口的方法和设备。
为了满足高性能的目的，非许可或许可频带中的PACS提供了微观分集。如上所述，这意味着从多个信号通路中选择信噪比最高的一个通路。已示出使用分开至少λ/2(对于2GHz的载波信号它≈3英尺)的两根天线可实现使信噪比提高10dB。图2A示出包括两根天线202和203的便携式手持电话201。由于接收机204总是接收来自多个便携机的信号且必须同时进行测量和信号检测处理，所以接收机包括两个接收机(未示出)，每个接收机与隔开的天线205和206相连。对于从每个便携机接收到的每个上行线路的短脉冲串，选择具有最高信噪比的短脉冲串。
在FDD模式下，上行线路和下行线路频率是不同的。由于对信号质量有害影响诸如信号衰减是与频率有关的因素，所以可使用根据在上行线路频率的端口处所进行测量的分集来选择对于下行线路频率处的便携机“最好”的通路。因此，在FDD模式下，便携机201必须进行分集测量，以对每个接收到的短脉冲串确定通过信号通路207在天线203上接收到的来自预选端口天线205的信号或通过信号通路208在天线202上接收到的来自同一预选端口天线的信号是否产生最高的信噪比。于是，如以下所讨论的，在FDD模式下在每帧内分配用于测量在天线203和204上接收到的信号的时间。
在TDD模式下，上行线路和下行线路发射在同一频率上。于是，所有的分集测量可在根据上行线路性能的端口上进行，且便携机处只需要一根天线，从而在每个上行线路帧中消除了多个测量所需的时间。如图2B所示，在TDD模式下，具有其两个接收机(未示出)的端口204可确定在通路211上从便携机201到天线205的接收或在通路212上从便携机201到天线205的接收是否是较好的。由于从端口204到便携机201的下行线路通路处于相同的频率，所以此上行线路确定也可反映下行线路上的性能因素诸如信号衰减。然后从端口204到便携机201的下一个短脉冲串分别在接收到“最好”上行线路信号的通路213或214上从天线205或206发射。相应地，在TDD模式下，不需要由便携机在每个上行线路帧中分配用于分集测量的时间。如上所述，FDD/TDD兼容便携式手持电话在FDD模式下在上许可频带中的一个上行线路频率发射RF信号，并在低于上行线路频率80MHz的下许可频带中相应的一个下行线路频率接收RF信号。在TDD模式下，手持电话可在非许可频带中的同一频率发射和接收RF信号。为了在两种操作模式下最大限度地利用电路，并把成本和复杂性减到最小，便携机安装了单个频率合成器，该合成器不需要在FDD模式下发射上行线路和接收下行线路之间快速转换频率，但能在常规的单回路相位锁定回路(PLL)合成器的范围内具有相当松弛的转换需求。由于必须进行的分集和切换测量使得在便携机上行线路帧中转换频率的时间受到限制，否则便需要快速转换合成器用来在发射和接收每个短脉冲串之间转换频率。然而，快速转换合成器将明显地增加便携机的成本，违背了低成本的设计目标。
为了避免在发射和接收短脉冲串时快速转换FDD模式下便携机中合成器的频率，便携机安装了设计在不同IF频率下进行操作发射机和接收机电路，如下所示，这些IF频率必须由相应的上行线路和下行线路RF信号之差80MHz来分开。在图3中示出便携机300的前端布局。其频率被输入端307上的控制信号所控制的合成器301输出具有频率fLO的信号。在发射链308中，IF电路(未示出)产生一信号，该信号在被滤波器310滤波以除去寄生信号分量时是频率fT.IF处所需的IF信号。在该IF信号被混合器302与频率fLO处的合成器信号相混频且被滤波器303滤波以除去频带外分量时，产生将要上行线路发射到以下频率处端口的RF信号：
fT＝|fLO-fT.IF|                          (1)
在接收链309中，滤波器311滤除超出下行线路频带的信号分量。然后在频率fR处获得的下行线路RF信号被混合器304与合成器频率fLO相混频。获得的信号被滤波器305滤波，从而只能使在以下频率处接收IF的分量得以通过：
fR.IF＝|fLO-fR|                          (2)
这表明：
fR-fT＝|fT.IF-fR.IF|                     (3)
由于相应的上行线路和下行线路载波频率之差fR-fT等于80MHz，所以用于便携机发射和接收电路的IF频率之差必须等于相同的80MHz。于是，例如，如果接收链中的电路被设计成以70MHz的IF信号进行操作，则发射链中的电路被设计成在150MHz的IF信号下操作。如果便携机与具有1955MHz下行线路信号和1875MHz的相应上行线路信号的端口进行通信，则合成器301的频率fLO将被调谐到2025MHz。此频率在与150MHz的发射IF频率fT.IF相混频时产生1875MHz的所需上行线路频率，在与1995MHz的接收下行线路频率相混频时产生70MHz的接收链IF频率fR。于是，合成器301不必为了在每帧内对其相关的便携机发射和接收短脉冲串而转换频率。
图4示出用于一端口的帧结构，一便携机在许可频谱内与用于FDD操作的该端口进行通信。每个2.5毫秒的发射端口帧具有八个编号为TS0到TS7的时隙，以使该端口在时间分隔的基础上在七个便携机进行发射，而其中的一个时隙TS5保留在系统广播信道以对所有的便携机提供寻呼和其它信息。同样，在相关的端口上行线路帧上，端口接收来自与其通信的七个便携机的短脉冲串，保留TS5以用于紧急呼叫访问。在端口和便携机帧的每个时隙是120比特，其中的80比特部分是在便携机和端口之间发射的短脉冲串，15比特是误差检测比特。使便携机在TS2中进行通信的相应帧结构示出便携机在其两根天线上进行分集测量，然后在具有最高信噪比或其它信号质量标准的天线上进行接收。然后便携机立即准备把上行线路发射到端口，因为合成器不需要转换频率。在发射后，合成器转换其频率，以从用于切换目的的另一个端口进行自动线路转移(ALT)信号测量。如上所述，常规合成器转换频率所需的时间大约是一个时隙。在ALT测量后，合成器把其频率转换回其原始频率，以接收来自与其进行通信的端口的下一个短脉冲串。在连续帧中，ALT测量在每个不同的端口频率处循环进行，以确定哪个端口应进行切换。
如上所述，在便携机的帧结构中没有时间允许合成器进行附加频率转换，而不限制将严重影响性能的便携机进行分集和切换测量的能力。于是，上述前端布局允许接收和发射短脉冲串，而不需要在上行线路和下行线路短脉冲串之间转换合成器的频率。
为了最大限度地增加电路效率而把成本减到最小，兼容的耳机对FDD和TDD模式使用同一接收机和发射机电路。于是，对于TDD操作，发射和接收IF频率被FDD模式下上行线路和下行线路信号之差80MHz所分隔。于是，对于TDD操作，其中的发射和接收RF载波信号是相同的，合成器必须在发射和接收一个短脉冲串之间转换每个帧内的频率，这与TDD操作所希望的相反。如上所述，在TDD模式下在非许可频带中进行操作的便携机不需要分集测量。每个TDD帧具有持续时间等于FDD模式下帧持续时间的帧结构，因此，每个TDD帧具有足够的时间来转换合成器频率。于是，虽然便携机在TDD模式下在同一频率上进行发射和接收，但图3中的合成器301在发射和接收一个短脉冲串之间转换其频率，以在同一载波频率下进行发射和接收。沿用以上例子，如果在非许可频带中在1925MHz的载波频率处进行发射和接收，则合成器301将被调谐到2075MHz，以使用一150MHz的发射机IF信号在1925MHz下发射一短脉冲串，且该合成器301必须再调谐到1995MHz，以在同一1925Mhz的频率下接收一短脉冲串，该频率将被下行变换到70MHz的接收机IF。
图5示出用于在TDD模式下在非许可频谱中进行操作的端口和便携机帧结构。与FDD模式下使用的帧结构共同的是2.5毫秒的帧结构，与许可FDDMS相同，该帧结构包括编号为TS0到TS7的八个时隙。八个时隙的端口帧结构支持四个时间双工信道。注意，在时隙TS6和TS7中，端口依次接收来自便携机0和1的一对短脉冲串，然后在时隙TS0和TS1中把这两个短脉冲串依次发射到这两个同一便携机。在时隙TS2和TS3中，从便携机2和3接收到短脉冲串，在时隙TS4和TS5中把短脉冲串发射到便携机2和3。在图5中也示出用于便携机0的相应的帧结构。与许可模式相同，端口和便携机帧结构中的每个时隙是120比特，其中的80比特部分是在便携机和端口之间发射的短脉冲串，15比特是误差检测比特。注意，在第一时隙中，便携机发射在端口时隙中接收到的短脉冲串。于是，调谐频率合成器301以把相关的IF从便携机的发射机电路上行变换到非许可频带(端口和便携机已在该频带处建立通信)中的RF载波。在第二时隙的时间周期中，为了把同一RF载波下行变换到与便携机的接收机电路相关的IF，合成器301转换其频率。然后载波在便携机的第三时隙中接收在端口时隙TS0中发射的短脉冲串。在剩下的便携机帧时间中，合成器再次转换频率以在另一载波频率处进行ALT测量，并进行测量，然后合成器的频率转换回来，以在其下一个帧中把下一个短脉冲串发射到端口。如上所述，用于不必在TDD模式下在便携机处进行分集测量，但要在端口处进行分集测量，所以便携机有足够的时间在在该帧内发射和接收一个短脉冲串之间转换合成器的频率。
图6是便携式手持电话600的示意方框图，该耳机适应于在用于非许可频带的TDD模式和用于许可频带的FDD模式下进行操作。耳机600安装了上述前端电路300。前端电路300的元件标号与图3所使用的相同。微型控制器602控制耳机600内各个电路元件的预定和运行。根据上述扫描过程，在耳机接通时，微型控制器602“知道”是在TDD模式还是在FDD模式下进行操作。于是，一旦确定耳机处于TDD模式还是FDD模式并开始定时，为了发射和接收一个短脉冲串并进行ALT测量的目的，微型控制器602就依据图4和5所示的便携机帧结构，在每帧中的适当时间控制合成器301的频率转换或不转换。由于两种模式的帧结构被同样地格式化成为每一帧具有同样数目的时隙，每一时隙具有同一数目的比特，每一短脉冲串具有相同的比特数，以及同样的检错码，所以基带编码和译码电路实质上对便携机是在FDD模式还是在TDD模式下进行操作是透明的。于是，在微型控制器602中包括依据检测到的操作模式自动加载的TDD和FDD程序，可自动地进行所有的发射和接收处理功能。
用户可通过连到微型控制器602的键盘/显示器603开始一个呼叫。他通过设置程序(不是本发明的一部分)来建立呼叫，在这里不进行描述。一旦建立呼叫，用户的话音输入到微型控制器604，获得的的模拟话音信号被话音译码器605编码并存入缓存器606。信道译码器和多路复用器607响应于来自微型控制器602的定时信号，以固定长度的短脉冲串输出被编码的话音信号和相关的信号信息，以在适当的时间包含在上行线路帧中。从用于TDD和FDD模式的便携机帧结构可看出在把一个短脉冲串发射到端口的帧中的时间依赖于便携式手持电话的操作模式。由于微型控制器602“自动”耳机处于哪个操作模式，所以它控制发射短脉冲串的定时。
获得的的输出短脉冲串被调制器608调制，以产生基带信号。基带信号通过由混合器609与晶振器610的固定频率输出信号相混频被上行变换到发射链的IF频率。前端电路300把IF频率信号上行变换到与一许可相关的上行线路频率处的RF载波上行线路信号，其中便携机已通过该端口建立通信。然后此RF信号被功率放大器611放大以发射。由用于发射和接收的微型控制器602控制的开关612通过开关615把放大的RF信号提供给天线613或614，后一个开关615也是微型控制器602控制的。如上所述，在TDD模式下，使用一根天线进行发射和接收。然而，在FDD模式下，在便携机进行分集，并根据通过每根天线对下行线路信号质量的测量值的比较确定在哪根天线上进行发射。于是，在FDD模式下，对于每个短脉冲串，开关615由微型控制器602连到该特定天线，通过该天线在同一帧中测得“最佳”信号。
耳机600的接收链包括用于把接收到的RF信号下行变换到IF信号的前端电路，把IF信号下行变换到基带的电路，以及对每个接收到的帧内的每个短脉冲串进行解调和译码的电路。于是，接收链包括对频带上接收到的信号进行放大的低噪声放大器627，以及上述前端电路300，该电路300把接收到的下行线路信号下行变换到耳机电路进行操作的预定和固定IF。然后混合器621把IF信号与晶振器620输出端处的固定频率信号相混频，以产生基带信号，该基带信号由解调器解调而产生一比特流，该比特流包括帧中所有的比特，包括用于每个短脉冲串的发射检错比特。解调器622也输出质量标准QM和以每个接收到的短脉冲串为特征的接收信号强度指示测量RSSI。如上述5,333,175号美国专利所述，QM是信号-衰减比的指示，它可通过在每个接收到的短脉冲串上测量接收到的信号样品和所期望的无噪声样品之差来获得。如上述4,941,155号美国专利所述，通过从16次过采样接收到的信号中找出特殊的定时瞬时来进行符号定时，此特殊定时瞬时产生接收短脉冲串样品的扩展和衰减差分相位角X和Y分量的最大矢量和。此最大矢量和直接与信号-衰减比相关并用于接收到的短脉冲串的质量标准QM。通过集合包括信号功率和干扰的短脉冲串上接收到的功率来获得的RSSI。
质量标准QM和RSSI比提供给微型控制器602来处理。解调的比特流提供给译码器和解多路复用器623。译码器和解多路复用器623检测短脉冲串，对从短脉冲串发射的话音比特进行译码，以及分隔短脉冲串内的相关控制比特。只有与帧中短脉冲串部分的话音信号相关的那些比特才被输入到缓存器624。如果在发射中检测到差错，则译码器623也把字差错指示WEI提供给微型控制器602。固定数目的话音比特从每个接收到的短脉冲串输入到缓存器624。这些比特被缓存器624以恒定速率连续输出到话音译码器625，译码器625把编码的话音信号转换成模拟信号，然后模拟信号被输出到便携式手持电话的扬声器626。
参考图4和6，在FDD模式下的每帧中，开关612被连接用以接收，开关615依次被连接以在天线613和614上进行接收。在头两个时隙中，接收链电路“收听”下行线路信号，该信号从与该电路建立通信的端口指向其它便携机。从天线测量期间确定的QM、RSSI和WEI标准，可确定在其上接收信号的“最佳”天线。在第三时隙中，开关615连到此“最佳”天线，在时隙TS2中被端口发射的短脉冲串被接收链电路接收和译码，用于该短脉冲串的质量标准QM、RSSI和WEI被微型控制器602存储。在下一个时隙中，开关612连到其发射一侧，由发射链电路在刚确定的“最佳”天线上发射一个短脉冲串。由于前端电路300准备发射响应于刚接收到的下行线路频率的上行线路频率处的RF信号，合成器301不必在接收和发射一个短脉冲串之间改变频率。然而，在发射一个短脉冲串后，为了切换而对其它端口进行测量时，转换合成器301的频率，确定来自另一端口的信号的RSSI和QM标准，并由微型控制器602存储。在进行了多个这样的ALT测量(在每个连续帧中进行一次测量)后，可通过把每个ALT测量期间确定的RSSI和QM标准与从通信下行线路信号测得的相同参数相比较对另一端口进行切换。在每个帧中，在进行了一个ALT测量后，在准备下一个帧时转换合成器301频率。
参考图5和6，在TDD模式下在便携机处不必进行分集测量，且开关615连到任一根天线613或614。在帧中，首先连接开关612以在上行线路频率处发射一短脉冲串。然后转换合成器301的频率以在同一频率处接收一个短脉冲串，确定它的质量标准QM、RSSI和WEI。在接收到该短脉冲串后，转换合成器302的频率以从另一端口进行ALT测量。如FDD模式，在一些帧后，可以或不可以对另一端口进行切换。在每个ALT测量后，在准备下一个帧时再次转换合成器301的频率。
上述实施例示出本发明的原理。本领域内的那些熟练技术人员也可发明其它实施例而不背离本发明的精神和范围。

Claims (14)

1.在具有多个固定端口和多个移动便携式手持电话的TDM/TDMA数字电话系统中，每个所述端口具有在多个下行线路频率的一个频率处把下行线路短脉冲串信号发射到至少一个便携式手持电话的发射机以及在多个相关的上行线路频率的一个频率处接收来自所述便携式手持电话中至少一个的上行线路短脉冲串信号的接收机，所述多个端口中的一些端口在许可频谱中在频分双工(FDD)模式下进行操作，其中下行线路频率和上行线路频率处于不同的预定频带且每个下行线路频率和相关的上行线路频率被预定的频率差所分隔，所述端口的其它端口在非许可频谱中在时分双工(TDD)模式下进行操作，其中下行线路频率及其相关的上行线路频率是相同的，且在一帧的不同时隙中接收和发射下行线路短脉冲串和上行线路短脉冲串，一种便携式手持电话既适用于与许可频谱中FDD模式下操作的那些端口进行通信的FDD模式，也适用于与非许可频谱中TDD模式下操作的那些端口进行通信的TDD模式，其特征在于兼容的便携式手持电话包括：
频率合成器装置，用于在控制信号确定的频率处产生合成器信号；
下行变频装置，通过把接收到的下行线路短脉冲串信号与所述合成器信号相混合，以把其下行线路频率下行变换到第一预定中频(IF)；
接收机电路装置，包括把所述第一预定IF处下行变换的下行线路短脉冲串信号转换成基带信号的装置，对基带信号进行解调的装置，以及对解调的基带信号进行译码的装置；
发射机电路装置，包括对要发射的信号进行编码的装置，把要发射的编码信号调制到基带信号的装置，以及把要发射的基带信号转换成具有第二预定IF的信号的装置；所述第一预定IF和所述第二预定IF之间的频率差等于所述预定频率差；
上行变频装置，通过把要发射的信号与所述合成器信号相混合，以把其第二预定IF上行变换到与下行线路频率相关的上行线路频率；以及
控制装置，用于确定便携式手持电话是在FDD模式还是在TDD模式下进行操作并产生所述控制信号，所述合成器被所述控制信号保持在把下行线路频率下行变换到所述第一预定IF以及把所述第二预定IF上行变换到所述上行线路频率的同一频率，以在所述便携式手持电话处于FDD模式时以所述预定频率差保持所述上行线路和下行线路频率之间的分隔，响应于所述控制信号，在每帧中的不同时隙之间，把下行线路频率下行变换到所述第一预定IF和把第二预定IF上行变换到所述上行线路频率之间转换所述合成器的频率，以在所述便携式手持电话处于TDD模式时保持所述上行线路和下行线路频率相同。
2.如权利要求1所述的兼容便携式手持电话，其特征在于许可频谱包括1850到1910MHz之间用于上行线路发射的频带以及1930到1990MHz之间用于下行线路发射的频带，非许可频谱包括1910MHz和1930Mhz之间的频带。
3.如权利要求2所述的兼容便携式手持电话，其特征在于所述预定频率差等于80MHz。
4.在具有多个固定端口和多个移动便携式手持电话的TDM/TDMA数字电话系统中，每个所述端口具有在多个下行线路频率的一个频率处把下行线路短脉冲串信号发射到至少一个便携式手持电话的发射机以及在多个相关的上行线路频率的一个频率处接收来自所述便携式手持电话中至少一个的上行线路短脉冲串信号的接收机，所述多个端口中的一些端口在许可频谱中在频分双工(FDD)模式下进行操作，其中下行线路频率和上行线路频率处于不同的预定频带且每个下行线路频率和相关的上行线路频率被预定的频率差所分隔，所述端口的其它端口在非许可频谱中在时分双工(TDD)模式下进行操作，其中下行线路频率及其相关的上行线路频率是相同的，且在一帧的不同时隙中接收和发射下行线路短脉冲串和上行线路短脉冲串，一种方法既适用于与许可频谱中FDD模式下操作的那些端口进行通信的FDD模式，也适用于与非许可频谱中TDD模式下操作的那些端口进行通信的TDD模式，其特征在于所述方法包括以下步骤：
在控制信号确定的频率处产生合成器信号；
把接收到的下行线路短脉冲串信号与所述合成器信号相混合，以把其下行线路频率下行变换到第一预定中频(IF)；
把所述第一预定IF处下行变换的下行线路短脉冲串信号转换成基带信号，对基带信号进行解调，以及对解调的基带信号进行译码；
对要发射的信号进行编码，把要发射的编码信号调制到基带信号，以及把要发射的基带信号转换成具有第二预定IF的信号；所述第一预定IF和所述第二预定IF之间的频率差等于所述预定频率差；
通过把要发射的信号与所述合成器信号相混合，以把其第二预定IF上行变换到与下行线路频率相关的上行线路频率；以及
确定便携式手持电话是在FDD模式还是在TDD模式下进行操作并产生所述控制信号，所述控制信号把所述合成器保持在把下行线路频率下行变换到所述第一预定IF以及把所述第二预定IF上行变换到所述上行线路频率的同一频率，以在所述便携式手持电话处于FDD模式时以所述预定频率差保持所述上行线路和下行线路频率之间的分隔，响应于所述控制信号，在每帧中的不同时隙之间，把下行线路频率下行变换到所述第一预定IF和把第二预定IF上行变换到所述上行线路频率之间转换所述合成器的频率，以在所述便携式手持电话处于TDD模式时保持所述上行线路和下行线路频率相同。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于许可频谱包括1850到1910MHz之间用于上行线路发射的频带以及1930到1990MHz之间用于下行线路发射的频带，非许可频谱包括1910MHz和1930Mhz之间的频带。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于所述预定频率差等于80MHz。
7.一种用于TDM/TDMA数字电话系统的便携式手持电话，它既可在频分双工(FDD)模式下进行操作，其中便携式手持电话分别在被预定频率差分隔的上行线路载波频率和下行线路载波频率上发射上行线路信号和接收下行线路信号，也可在时分双工(TDD)模式下进行操作，其中便携式手持电话在不同的时隙在同一上行线路和下行线路载波频率处发射上行线路信号和接收下行线路信号，其特征在于所述便携式手持电话包括：
发射机，具有相关的第一预定中频(IF)；
接收机，具有相关的第二预定IF，所述第一和第二IF被所述预定频率差分隔；
频率合成器装置，用于产生具有可调频率的合成器信号；
通过把所述第一预定IF与所述合成器信号相混频以把其上行变换到所述上行线路载波频率的装置；
通过所述下行线路载波频率与所述合成器信号相混频以把其下行变换到所述第二预定IF的装置；
在便携式手持电话处于FDD模式时把所述合成器的信号保持在用于发射上行线路信号和接收下行线路信号的同一频率，且在便携式手持电话处于TDD模式时在发射上行线路信号和接收下行线路信号之间转换所述合成器信号频率的装置。
8.如权利要求7所述的便携式手持电话，其特征在于还包括确定手持电话处于TDD模式还是FDD模式的装置。
9.如权利要求8所述的便携式手持电话，其特征在于当便携式手持电话处于FDD模式时其上行线路载波频率处于1850到1910MHz之间的频带以及其下行线路载波频率处于1930到1990MHz之间的频带，当便携式手持电话处于TDD模式时其上行线路和下行线路载波频率处于1910MHz和1930Mhz之间的频带。
10.如权利要求9所述的兼容便携式手持电话，其特征在于所述预定频率差等于80MHz。
11.在TDM/TDMA数字电话系统中，一种方法既可在频分双工(FDD)模式下操作便携式手持电话，其中便携式手持电话分别在被预定频率差分隔的上行线路载波频率和下行线路载波频率上发射上行线路信号和接收下行线路信号，也可在时分双工(TDD)模式下操作便携式手持电话，其中便携式手持电话在不同的时隙在同一上行线路和下行线路载波频率处发射上行线路信号和接收下行线路信号，其特征在于所述方法包括以下步骤：
产生具有可调频率的合成器信号；
通过把所述下行线路信号与所述合成器信号相混频以把其下行线路载波频率下行变换到所述第一预定中频(IF)；
通过把所述第二预定IF与所述合成器信号相混频以把其上行变换到上行线路载波频率；
在便携式手持电话处于FDD模式时把所述合成器的信号保持在用于发射上行线路信号和接收下行线路信号的同一频率，且在便携式手持电话处于TDD模式时在发射上行线路信号和接收下行线路信号之间转换所述合成器信号频率。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于还包括确定手持电话处于TDD模式还是FDD模式的步骤。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于当便携式手持电话处于FDD模式时其上行线路载波频率处于1850到1910MHz之间的频带以及其下行线路载波频率处于1930到1990MHz之间的频带，当便携式手持电话处于TDD模式时其上行线路和下行线路载波频率处于1910MHz和1930Mhz之间的频带。
14.如权利要求13所述的兼容便携式手持电话，其特征在于所述预定频率差等于80MHz。
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