CN1292952A - 用于在存在窄带干扰信号时改善接收机动态范围的装置、系统和方法 - Google Patents

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Abstract

在存在窄带干扰信号时,改善接收机动态范围的装置、系统和方法。计算接收信号的差错率,以及根据该差错率调节接收机的低噪声放大器的输入交叉点。检测发送功率电平,以及根据发送功率电平调节输入交叉点。还检测接收信号强度,以及根据接收信号强度调节低噪声放大器的增益。用这种方式减小交叉调制对接收信号的影响。

Description

用于在存在窄带干扰信号时 改善接收机动态范围的装置、系统和方法
背景
本发明涉及用于改善接收机动态范围的装置、系统和方法。更具体地，本发明涉及用于在有窄带干扰信号时改善接收机动态范围的装置、系统和方法。
双工无线系统(例如码分多址(CDMA)双工无线系统)使用扩频全双工传输来发送和接收蜂窝电话呼叫。在依照IS-95标准的CDMA无线系统中，要被发送的信息通常在1．23兆赫(MHz)带宽上被数字化、编码和扩频。典型的IS-95用户单元发射机使用交错四相移相键控(OQPSK)调制，它包含时变相位和幅度分量。因此，发射机的输出具有调幅(AM)分量，因而不是恒定包络的信号。CDMA基站使用带有时变相位和幅度分量的四相移相键控(QPSK)调制。在接收端，宽带扩频信号被去扩频、译码和变换回模拟形式。在用户单元中，使用被称为双工器的频率选择滤波器来将发送信号和接收信号组合在一起，以便允许发送和接收器操作的同时进行。
图1显示了常规的用户单元双工系统。该系统包括发送(TX)通道和接收(RX)通道。TX通道包括用于放大OQPSK调制信号的驱动器110，用于滤波已调制信号的TX滤波器120，以及用于放大已滤波信号的功率放大器(PA)130，以便进行发射。信号被双工器140滤波，并通过天线145发送到基站。来自基站的信号通过天线145接收，该信号被双工器140滤波。因为双工器的隔离不是绝对彻底，所以当发射机接通时，发送信号的一部分PTX-RX可能会出现在接收机的输入端。接收的信号被RX低噪声放大器(LNA)150放大，被RX滤波器160滤波，以及在混频器170中与本地振荡器(LO)的频率混频。然后接收的信号被馈送到例如IF滤波器。
由于CDMA系统被应用于使用当前高级移动电话系统(AMPS)蜂窝电话的频段的系统中，所以在由IS-95用户单元发送的宽带扩频信号与共存于同一频段中的相对窄带的AMPS信号之间存在潜在的干扰源。如果当发射机接通时，AMPS信号或任何窄带信号存在于接收机的RF通带内，则由于LNA 150中的三阶非线性，发送信号的AM分量被转移到窄带信号上。这种被称为交叉调制的效应在调幅系统中是熟知的。
因为CDMA发送信号的带宽相对较大(1．23MHz)，这个宽带TX交叉调制信号有可能出现在期望的接收信号的IF通带中，这取决于窄带干扰信号相对于期望的RX信道所处的位置。事实上，对于任何其中心频率距RX中心频率要近于TX扩频带宽加上RX信道带宽一半的窄带干扰信号，TX交叉调制的产物将落在IF带宽内。在AMPS／CDMA系统中，这意味着中心频率处在距RX中心频率1．85MHz范围内的任何窄带干扰信号在RX IF通带内会产生不期望的TX调制。这种交叉调制产物的净效应是掩盖了期望的接收信号，因而降低了接收机的灵敏度。这种效应示于图2A和2B。
图2A显示了TX调制信号。图2B显示了被转移到窄带干扰信号上的TX调制信号。从图2B的阴影可以看到，TX交叉调制落在期望的RX带宽内，掩盖了期望的接收信号，并通过实际增加接收机基底噪声而减小了接收机的动态范围。
这种效应也会出现在图1所示的混频器170中。然而，可以选择混频器170的三阶输入交叉点和RF滤波器160的衰减来充分抑制TX信号，以便使混频器170不促使任何显著的附加交叉调制产物产生。
由于窄带干扰信号而出现的TX调制的电平，随着窄带干扰信号的电平和TX调制的调制指数(％调制)以及出现在LNA输入端的TX信号幅度的平方(图1的PTX-RX)而线性地变化，并与LNA 150的三阶输入交叉点的平方成反比地变化。因此，促使交叉调制产物产生的因素是TX信号和窄带干扰信号的幅度、TX信号的调制指数以及LNA 150的三阶输入交叉点。
在促使产生不期望的交叉调制产物的因素中，调制指数是由系统确定的，它不能改变。出现在LNA输入端的TX信号的幅度可通过规定双工器140中更大的TX-RX衰减而减小。然而，在小的用户单元中，可以达到的实际隔离限制不足以消除交叉调制产物的产生。想要减小出现在RX频带中的窄带干扰信号的幅度也不实际，因为任何这样做的尝试还会减小期望的RX信号的电平。
通常，可以改变LNA 150的三阶输入交叉点而使得交叉调制产物的产生最小化。带有可变的三阶输入交叉点的LNA的一个例子是由RFMicro-Devices公司生产的RF 9986集成电路。通常，在发射机以相对较高的功率运行时，LNA的三阶输入交叉点被设置在最大值水平，然后，在发射机以降低的功率运行时，它被切换到最小值水平。这在一定程度上改善了接收机的动态范围，而且也节省了电流，因为较低的三阶输入交叉点通常仅需要较小的电源电流。除了控制LNA的三阶输入交叉点以外，LNA的增益在强信道内信号的条件下通常也被减小，这样有助于改善接收机的动态范围。
虽然传统的方法对于许多情形是有效的，但它在至少一种情形下不能提供适用的接收机的动态范围，例如，当用户单元工作在相对接近基站并且出现窄带信号时的情形。在这种情形下，用户单元发射机以减小的功率运行，并且LNA的三阶输入交叉点(它是根据发送功率电平被调节的)被设置在最小水平。如果从与CDMA基站在一起的AMPS基站、从在较大的CDMA小区内的AMPS微蜂窝小区、或从另一个源等发起的强AMPS信号或其它窄带信号出现在用户单元的RX信道周围+／-1．85MHz范围内，则强的窄带干扰信号与用户单元的TX信号混频，产生信道内的交叉调制产物。这便造成了RX信噪比的降低，并且很可能造成通信的损耗。
因此，并不是仅仅把LNA的三阶输入交叉点的控制与发射功率电平相联系便足以获得处理窄带干扰信号的最佳的动态范围，那些窄带干扰信号在实际系统运行中很可能遇到。
所以，需要在有窄带干扰信号时用于提高接收机动态范围的方法和系统，它可以克服现有技术的缺点。
概要
所以，本发明的一个目的是提供在有窄带干扰信号时用于提高接收机动态范围的装置、系统和方法。
按照示例性实施例，计算接收信号的差错率，以及根据该差错率调节接收机的低噪声放大器的输入交叉点。检测发送功率电平，以及根据发送功率电平调节输入交叉点。如果发射功率电平很低，并且计算的差错率超过预定的门限值，则输入交叉点被设置为最大值水平。如果发射功率电平很低，而计算的差错率没有超过预定的门限值，则输入交叉点被设置为最小值水平。如果发射功率电平很高，则输入交叉点被设置为最大值水平。还检测接收信号强度，并且根据接收信号强度调节低噪声放大器的增益。
附图简述
现在参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例，在图上，相同的说明标号用于指定相同的元件，其中：
图1显示传统的用户单元双工系统；
图2显示传统的双工系统的问题；
图3显示按照本发明的示例性实施例的接收机通道；
图4显示按照本发明的示例性实施例的方法；以及
图5A-5D显示按照本发明的示例性实施例的仿真。
详细说明
在本说明中，诸如具体的电路、电路部件、技术等等的特定细节是为了解释而不是限制的目的而被阐述，是为了提供对本发明的透彻的理解。本领域的一个普通技术人员应该理解，本发明可以以不同于这些特定细节的其它实施例来实施。熟知的方法、器件和电路的细节被省略，以免使本发明的描述模糊不清。
按照示例性实施例，在有窄带干扰信号时，通过根据计算的接收信号差错率来调节接收机的低噪声放大器的三阶输入交叉点，而使得接收机的动态范围最大化。
图3显示了按照本发明的示例性实施例的接收机通道。为了显示的简明性，图3上没有显示发送通道。应该理解，图3的接收机通道可以结合任何适当的发送通道(例如图1所示的发送通道)一起使用。
在图3上，接收通道包括RX LNA 155，RX滤波器160，混频器170，IF滤波器180和放大器／检波器190。RX LNA 155放大从双工器140接收的信号。RX滤波器160滤波已放大的信号，以去除噪声和抑制杂散效应，混频器170把已滤波的信号与本振频率进行混频，IF滤波器180把信号滤波成中频，以及放大器／检波器190放大和检波已滤波的信号，产生可由DSP 200处理的数字基带数据。
按照示例性实施例，RX LNA 155的三阶输入交叉点和增益可根据收发信机的运行状态而调节以使得接收机的动态范围最大化。
RX LNA 155的三阶输入交叉点可以根据几个因素来选择，例如，系统的发送功率电平、接收信号强度等等。按照示例性实施例，发送功率电平被用来调节三阶交叉点。发送功率电平可以用任何传统的方式检测，例如通过基于检测的接收信号强度的干扰来直接测量发送信号，或者通过参照DSP 200中的查找表。为了避免与现有技术相关的问题，在选择第三输入交叉点时，还可以使用接收信号的差错率，诸如误码率或帧擦除率(FER)。为此，DSP 200处理从放大器／检波器190输出的数字基带数据，并且按照传统的方式根据每个数字数据帧内的“检查和”来确定FER。DSP 200可以用例如可编程微处理器来实现。
按照IS-95标准的收发信机在约80dB的范围内动态地改变发射机功率电平。DSP 200确定检测的发送功率电平是高还是低。如果发送功率电平是高的，例如，在发送功率范围上限的10dB之内，则三阶输入交叉点被设置为最大值水平。如果发送功率电平是低的，例如比最大功率低10dBm以上，则DSP 200确定是否FER超过了预定的门限值，例如1／2％。按照示例性实施例，如果FER超过预定的门限值以及发送功率电平是低的，则LNA 155的三阶输入交叉点被设置为最大值水平。如果发送功率电平是低的，但FER没有超过预定的门限值，则三阶输入交叉点被设置为最小值水平。这样，在有窄带干扰信号时，便改善了接收机的动态范围，以及节省了接收机中的电流。
RX LNA 155的增益也可以根据接收信号强度来选择。按照示例性实施例，接收信号强度可以按照传统方式由例如DSP 200选择。
DSP 200确定检测的信号强度是否超过预定的门限值。如果接收信号强度低于预定的门限值，例如不超过接收机灵敏度之上30dB，则RX LNA 155的增益被设置为最大值水平。如果接收信号强度高于预定的门限值，例如超过接收机灵敏度之上30dB，则增益被设置为最小值水平。DSP 200通过例如控制线210和220发送适当的控制信号以调节LNA 155的增益和三阶输入交叉点。虽然在图3上为了说明的目的显示了两条控制线，但应当理解，单条控制线或两条以上的控制线都可用于这个目的。控制信号通过例如LNA 155中的晶体管开关和／或逻辑来启动增益和三阶输入交叉点的调节。
LNA 155的三阶输入交叉点和增益的选择根据收发信机的运行状态而变化。收发信机的运行状态可以如下分类：
状态1                   状态2
TX以高功率运行          TX以降低的功率运行
RX信号强度低于门限值    RX信号强度低于门限值
不使用FER               FER低于门限值
LNA增益最大             LNA增益最大
LNA输入交叉点最大       LNA输入交叉点最小
状态3                   状态4
TX以降低的功率运行      TX以降低的功率运行
RX信号强度高于门限值    RX信号强度高于门限值
FER低于门限值           FER高于门限值
LNA增益最小             LNA增益最小
LNA输入交叉点最小       LNA输入交叉点最大
状态1是指用户单元的位置距离CDMA基站很远时的情形。在这种情形下，发射机功率电平是高的，因此LNA三阶输入交叉点被设置为最大值水平，而不必考虑FER比率。另外，RX信号强度低于门限值，所以LNA增益被设置为最大值水平。
状态2是指用户单元接近CDMA基站时的情形。在这种情形下，发射机功率电平是低的，但FER仍旧在可接受的限制内，所以LNA三阶输入交叉点被设置为最小值水平。另外，RX信号强度低于门限值，所以LNA增益被设置为最大值水平。
在状态2期间，例如，如果用户单元移近AMPS电话或AMPS微蜂窝小区，则FER可能增加。如果在状态2期间，FER增加到超过门限值的点，则LNA三阶输入交叉点被调节到最大值水平。
状态3是指用户单元更加接近CDMA基站时的情形。正如在状态2中那样，发送功率电平是低的，但FER仍旧在可接受的限界内，所以LNA三阶输入交叉点被设置为最小值水平。然而，RX信号强度高于门限值，所以LNA增益被设置为最小值水平。
正如在状态2中那样，在状态3期间，FER可增加到它超过门限值的点。在这种情况下，LNA三阶输入交叉点被调节到最大值水平。
状态4是指用户单元接近窄带基站，例如AMPS基站时的情形。在这种情形下，正如在状态3中那样，RX信号强度高于门限值，所以LNA增益被设置为最小值水平。然而，发送功率电平是低的，并且FER超过了门限值，所以LNA三阶输入交叉点被设置为最大值水平。
按照本发明，为了响应增加的FER比率和减小的发送功率电平，所以增加LNA的三阶输入交叉点，从而扩展接收机的动态范围。因为不期望的TX交叉调制产物与LNA三阶输入交叉点的平方成反比地变化，所以三阶输入交叉点的小的增加会导致TX交叉调制产物较大的减小。例如，三阶输入交叉点的1dB的增加可以导致TX交叉调制产物的2dB的减小。因此，通过增加LNA三阶输入交叉点来响应高于预定门限值的FER和低的发送功率电平，实际上增加了降低FER所需要的干扰信号的电平，因此使得用于处理干扰信号的动态范围最佳化。
图4显示了按照本发明的示例性实施例，用于改善接收机动态范围的方法。该方法从步骤400开始，在此步骤，检测接收信号的接收信号强度和发送功率电平。
在步骤410，由DSP 200执行接收信号强度是否低于预定门限值的判决。如果接收信号强度低于预定的门限值，则在步骤420，LNA 155的增益被设置为最大值水平。如果接收信号强度不低于预定的门限值，则在步骤430，LNA 155的增益被设置为最小值水平。
在步骤440，由DSP 200执行发送功率电平是否为高的判决。如果发送功率电平是高的，则在步骤470，LNA 155的三阶输入交叉点被设置为最大值水平。如果发送功率电平不是高的，则在步骤450计算FER。
DSP 200从步骤450开始判决FER是否高于预定的门限值，例如1／2％。如果FER高于预定的门限值，则在步骤470，三阶输入交叉点被设置为最大值水平。如果FER没有超过预定的门限值，则在步骤480，三阶输入交叉点被设置为最小值水平。应当理解，步骤410-430和步骤440-480的顺序可以交换，即，增益可以与三阶输入交叉点同时、在它之前或在它之后进行调节。
图5A-5D显示了按照本发明的系统在不同运行状态下的仿真。用于IS-95 CDMA滤波器和增益级的典型参量被用于仿真中。此外，系统带宽被设置为1250千赫(kHz)，每比特的能量与噪声的比值(Eb／N0)被设置为4．5dB，处理增益被设置为21．07dB，以及业务信道偏移被设置为-15．60dB。
在表示状态1的图5A上，发射机以高功率运行，并且接收信号强度低于门限值。在这种状态下，LNA增益被设置为最大值水平15dB，LNA三阶输入交叉点被设置为最大值15dB。正如从图5A看到的，在这些条件下，接收机噪声系数(NF)是7．26dB，接收机输入交叉点(IPi)是-5dBm，接收机灵敏度是-106．32dBm，以及接收机增益是62．2dB。
在表示状态2的仿真的图5B上，发送功率电平是低的，以及接收信号强度低于门限值。在这种状态下，LNA三阶输入交叉点被减小10dB，达到5dB的最小值水平，但LNA增益保持在最大值水平。正如从图5B看到的，接收机的总体系统性能与状态1相比只有最小改变，唯一的改变是接收机的IPi减小到-5．13dBm。
在表示状态3的仿真的图5C上，发送功率电平是低的，以及接收信号强度高于门限值。LNA 155的增益减小-20dB，达到-5dB，但LNA三阶输入交叉点保持在最小值水平。正如从图5C看到的，尽管LNA 155是运行在减小的三阶输入交叉点上，但是减小LNA 155的增益，提高了总的系统输入交叉点。另外，LNA NF(噪声系数)从2dB到22dB的增加是由于减小LNA增益造成的。在这些条件下，系统NF从7．65dB增加到27．6dB，接收机IPi增加到8．65dBm，接收机灵敏度降低到-86．323dBm，以及接收机增益降低到42．2dB。
在表示状态4的仿真的图5D上，发送功率电平是低的，以及接收信号强度高于门限值。LNA 155的增益保持在最小值水平，但是为了响应超过门限值的FER，LNA三阶输入交叉点增加10dB，达到15dB。正如从图5D看到的，除了接收机IPi从8．65dBm增加到13．7dBm外保持了与状态3相同的系统性能。在实际运行时，这种接收机输入交叉点的增加转换为强处理能力的提高。另外，假定RX滤波器160足以阻止来自混频器170的任何重大的交叉调制，则LNA三阶输入交叉点的10dB的增加相应于不期望的交叉调制产物的20dB的减小，这便有效地提高了接收机对于这类干扰的动态范围。
应当理解，本发明并不限于以上描述和显示的具体实施例。例如，虽然上述的实施例是针对CDMA蜂窝电话网，但本发明也可应用于其它类型的无线电话系统。技术要求允许处于以下权利要求定义的本发明的范围内的任何的和所有的修改。

Claims (21)

1．用于改善接收机动态范围的装置，包括：
用于计算接收信号的差错率的处理器；以及
具有可调节的输入交叉点的低噪声放大器，其中输入交叉点根据计算的差错率进行调节。
2．权利要求1的装置，其特征在于，其中输入交叉点也根据发送功率电平进行调节。
3．权利要求2的装置，其特征在于，其中如果发送功率电平是低的，以及计算的差错率超过预定的门限值，则输入交叉点被设置为最大值水平。
4．权利要求2的装置，其特征在于，其中如果发送功率电平是低的，以及计算的差错率没有超过预定的门限值，则输入交叉点被设置为最小值水平。
5．权利要求2的装置，其特征在于，其中如果发送功率电平是高的，则输入交叉点被设置为最大值水平。
6．权利要求1的装置，其特征在于，其中计算的差错率是帧擦除率。
7．权利要求1的装置，其特征在于，其中低噪声放大器的增益根据接收信号强度进行调节。
8．用于接收和发送信号的系统，包括：
发送通道，用于处理要发射的信号；以及
接收通道，用于处理接收信号，接收通道包括具有可调节的输入交叉点的低噪声放大器以及用于计算接收信号的差错率的处理器，其中输入交叉点根据计算的差错率进行调节。
9．权利要求8的系统，其特征在于，其中输入交叉点也根据系统的发送功率电平进行调节。
10．权利要求9的系统，其特征在于，其中如果发送功率电平是低的，以及计算的差错率超过预定的门限值，则输入交叉点被设置为最大值水平。
11．权利要求9的系统，其特征在于，其中如果发送功率电平是低的，以及计算的差错率没有超过预定的门限值，则输入交叉点被设置为最小值水平。
12．权利要求9的系统，其特征在于，其中如果发送功率电平是高的，则输入交叉点被设置为最大值水平。
13．权利要求8的系统，其特征在于，其中计算的差错率是帧擦除率。
14．权利要求8的系统，其特征在于，其中低噪声放大器的增益根据接收信号强度进行调节。
15．用于改善接收机动态范围的方法，该方法包括以下步骤：
计算接收信号的差错率；以及
根据计算的差错率，调节接收机中低噪声放大器的输入交叉点。
16．权利要求15的方法，其特征在于，还包括检测发送功率电平的步骤，其中输入交叉点也根据检测的发送功率电平进行调节。
17．权利要求16的方法，其特征在于，其中如果检测的发送功率电平是低的，以及计算的差错率超过预定的水平，则输入交叉点被设置为最大值水平。
18．权利要求16的方法，其特征在于，其中如果发送功率电平是低的，以及计算的差错率没有超过预定的门限值，则输入交叉点被设置为最小值水平。
19．权利要求16的方法，其特征在于，其中如果发送功率电平是高的，则输入交叉点被设置为最大值水平。
20．权利要求15的方法，其特征在于，其中计算的差错率是帧擦除率。
21．权利要求15的方法，其特征在于，还包括以下步骤：
检测接收信号强度；以及
根据检测的接收信号强度，选择低噪声放大器的增益。
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