CN1531788A - 频率跳变系统中的天线分集装置 - Google Patents

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Abstract

一种天线分集装置，可应用到接收在多个频率信道上传输的数据分组的频率跳变接收机(34)，该多个频率信道处在被分为多个子频带的总的频率带宽中。在每个子频带中，该信道的频率特性将是基本相同的。为一具体子频带选择天线(10，12)是通过执行频率分集测量进行的，和该选择被处理为对可以是存在的或可以被动态地确定的一个时间周期是有效的。在操作中对该接收机是能识别跳变序列的，因此它能提前确定所接收的下一个数据分组的频率并能选择具有天线而不需要执行分集测量。在该时间周期结束时检验所选天线的适合性，如果必要在该接收机中更新该选择的话。

Description

频率跳变系统中的天线分集装置
技术领域
本发明涉及一个天线分集装置，具体地但并不唯一地应用到频率跳变分组数据系统，例如蓝牙，商标(TM)，其中，跳变速率是快的，但信道特性改变相对地慢。
背景技术
人们是了解天线分集系统的，并且由附图的图1和图2的方块示意图方式表示了两个典型接收机体系结构的例子。参照图1，天线10，12连接到一个转换开关14的相应端11，13。该开关的一个可移动接触点通过一个低噪声放大器16连接到混频器18的一个输入端。该混频器18的第二个输入端连接到一个本地振荡器20。混频的积加到选择在一解调器24中被解调的信号的信道滤波器22。解调输出加到基带处理级(BB)26。为使天线分集有效，一个接收信号强度指示器(RSSI)级28具有连接到该信道滤波器22输出端的一个输入端和连接到分集控制级(DIV)30的一个输出端。级30提供控制信号用于驱使该开关14的可移动触点选择天线10，12的一个或另一个。在操作一种通常称为转换分集的天线分集装置类中，天线之一保持选择，直到接收信号的强度落在低于某个可接受性极限之下为止，此时分集控制级30在天线10，12间转换以确定哪一个天线较好，并选择该天线。如果接收的信号强度保持低劣，则可频繁地重复选择过程。使用该类型体系结构和频率跳变数据分组信号的特征在于直到在已接收该数据分组之后才发生从一个天线到另一天线的转换，经过这段时间，信道特性可先于接收下一个数据分组已发生改变而使分集判定可以无效。
图2表示常称为选择分集的另一个分集装置。比较图1和2将指出图2体系结构包括两个在图1中所示的类型的接收机，每一个连接到相应的一个天线10，12。为方便参考，相同的参考号已同附加的后缀A或B一起使用。作为基本放大作用，接收机的下行混频和滤波操作与参照图1所描述的相同，为简化将不予重复。已省略了开关14，而分集控制级30具有输出控制路径SEL 10和SEL 12，用于分别从天线10，12选择一个或另一个信号路径。在信号强度测量阶段，两个接收机都是加电的，但是一旦已选择较好的信号路径，则它们中之一将断电。还可以使用该体系结构于等增益组合分集和最大比率组合分集。在频率跳变数据分组的情况中在要求两个接收机重复供能的每个数据分组上不得不进行分集判定。在例如蓝牙TM系统中，典型地接收每秒800个数据分组，功率消耗相对高，而这是所不希望的。
US专利说明书6,032,033公开了选择分集装置的如图2中所示的一种变型，它利用图1中所示的一般类型的体系结构，并具有一个接收机和可转换的天线。该变型适合于与和例如DECT(数字增强型无绳电话)或PWT(个人无线电话)应用这样的TDMA系统一起使用。在该系统中，所描述的接收信号的数字化方案是被缓冲的，以充分地允许选择分集测量进行而不劣化所要求信号的解调。当缓冲该接收信号时，单个接收机在数据脉冲串开始期间在两个天线的每一个上顺序进行性能测量，该数据脉冲串的开始是由从一个前面的脉冲串反馈的定时信号确定的。首先测量在先未使用的天线以使不得不进行两次天线转换的似然性最小。该引证的方法还要求测量在连续数据脉冲串上进行而消耗功率。
发明的公开
本发明的一个目的在于减小在操作一个天线分集装置中的功率损耗。
按本发明的第一方面，提供了一种用在一预定带宽上工作的频率跳变数据系统中的天线分集方法，包括确定和储存基本处在所说其中可允许接收发送的数据分组的、预定带宽内的多个频率子带，以确定至少2个天线的哪一个适合用在哪一个频率子带内，从而确定目前接收的信号的频率跳变序列，同时使用在该频率跳变序列中的已知的频率序列和其中通过下一频率的该子频带以确定至少2个天线的哪一个接收该数据分组。
按本发明的第二方面在于提供一种频率跳变接收机，用于接收在处在一个全频率带宽内的频率信道上发送的数据分组，包括第一和第二天线，接收装置连接到该第一和第二天线，用于确定和储存基本处在所说其中将可允许接收发送的数据分组的预定带宽内的多个子带的装置，以确定第一和第二天线的哪一个适合用在哪一个频率子带内，用于确定和储存目前接收的信号的频率跳变序列的装置，和用于使用在该频率跳变序列中的已知的频率序列和其中通过下一频率的该子频带以确定第一和第二天线的哪一个接收该数据分组的装置。
本发明是基于识别这样一个事实，即在等于称为“相干带宽”的一个频率范围上，一个信号信道的特性是相似的，该相干带宽近似等于1/(4×延迟扩展)。一个信道的延迟扩展定义成第一接收的发送射线和其最后的接收的发送射线之间经过的时间的长度。对于蓝牙TM，室内延迟扩展是10ns量级。这样通过确定两个天线的哪一个对在一个具体的相干带宽内的频率更有效和提前得知下一数据分组的跳变频率就能作出分集判定，而不必要收到连续数据分组就测量每个信道的特性。这样得到传送可靠性增加，同时节省接收机的功耗。
改变信道动态可影响分集判定的有效性。因此，根据可数学地或经验地确定的一个过去时间周期，或根据确定接收信号的质量/强度的变坏周期性地检测每个天线上的接收信号的质量/强度。该质量/强度不仅可表示为RSSI，而且可表示为位误差率(BER)或信号噪声比(SNR)。
附图简述
现在将参照附图，借助例子描述本发明，其中：
图1是具有转换天线分集装置的一个已知接收机体系结构的方块示意图，
图2是具有选择分集装置的一个已知接收机体系结构的方块示意图，
图3是蓝牙TM点对多点的，频率跳变的，数据分组的皮可-网系统(Piconet System)的方块示意图，
图4是说明对单个时隙分组在正常模式下蓝牙TM收发信机的发射机/接收机周期的图，
图5是说明表示扩展的通道交叉代码信息组的蓝牙TM标准分组定义，
图6是说明蓝牙TM通带的图，
图7是说明按本发明的方法的操作的流程图，以及
图8是表示相对于625μs(即1600跳动/秒)的蓝牙TM跳动时间的包络相关系数表。
在附图中，相同的参考标号已用来表示相应的特征。
执行本发明的模式
在图3中所示的蓝牙TM皮可网包括多个具有相关用户设备(未示)的无线站32，例如移动电话，膝上型计算机，个人计算机和一个打印机。该无线电站之一起主控机控制器MC作用，而其余的站SL1，SL2和SL3起从属站作用，这些站在时分双工(TDD)链路上与每个其他站通信。
每个无线站32基本上是相同的，并包括具有选择分集的一个频率跳变收发信机34。至少该接收机部分具有类似于图2中所示的体系结构并因此为简化起见将不进行描述。然而要理解按本发明的方法可以同例如在说明书前序中所描述的其他接收机体系结构一起使用。收发信机34连接到链路基带控制器(BBC)36，而后者连接到中央处理单元(CPU)核心38，其按序连接到外部接口(IF)40。
在许多链路基带控制器36的实施中，它包括用于执行基带处理和基本协议的硬件和接口一个蓝牙TM单元到蓝牙TM无线电设备的硬件。命令，响应和数据在以分组形式横跨该无线电接口的蓝牙TM单元之间传送。
每个从属单元SL1-SL3具有类似的体系结构，为简化起见将不描述。
图3中所示系统按蓝牙TM标准工作，其细节容易借助英特网得到。但是为方便理解本发明将给出一个简单的概述。蓝牙TM是专门在2.4GHzISM频带设计提供低成本，坚固，高容量特别话音和数据网络。通过使用基于具有1600hops/s的频率跳变方案的基于分组的转换协议提供坚固性。整个可利用的频率频谱用在除西班牙和法国之外的欧洲和美国，并且存在间隔1MHz的79个信道。一个信道在长度上被分成625μs时隙。在该时隙中，主和从单元能发送分组。该分组能和该时隙的开始对准。对于单个时隙发送的情况，使用时分双工(TDD)方案，在那里主和从单元交替发送。参照图4，主单元在偶数时隙开始其发送，而从属单元仅在奇数时隙开始其发送。TDD帧长度为1.25ms。
图5说明一个分组42的格式，它由三个信息组组成，即一个72位的访问代码44，用于同步，DC偏移补偿和识别，一个54位的报头46和包括在16和2736位间的有效负载48。更特别地，访问代码44包括由0-1模式组成的4位前文48，64位同步代码字54和由0-1模式组成的4位尾码56。
参照图6，蓝牙TM频带在始于2480MHz的80MHz的带宽上延伸，和每个蓝牙TM频道58具有1MHz的带宽。全部80MHz的带宽被表示包括相干带宽CB1，CB2和CB3。一个相干带宽是由延迟扩展导出，在多径环境中，例如一个办公室中是第一接收发送的射线和最后接收的发送射线之间经过的时间长度。对于在室内环境的蓝牙TM该经过的时间是10μs量级。相干带宽接近等于1/(4×延迟扩展)，即为25MHz。一个衰落的带宽粗略地等于相干带宽。在给定信道的特性在等于该相干带宽的一个频率范围上将是类似的条件下，按本发明的方法将利用在哪些时间，哪些频率，使用哪个天线的知识使数据的特征分组被接收而无必要进行分集测量。这将节省接收机中的功率和增加传输的质量，由此具有小的错误。数据的储存将只对与跳动序列和信道的动态相关的时间周期是有效的并将被经常更新。这将要求在该接收机的基带中的特别处理，以保持频率表，完成的分集判定，判定完成的时间和有效时间多长。如果对蓝牙TM的频率跳动选择是随机的，则在一个特征频率跳动的3个可能发生中有接近一个是在目前频率的相干带宽之内。
施加天线分集到蓝牙TM对于不从接收设备传送误差校正或重复分组请求的同步连接定向(SCO)链接是特别重要的。该类型的链接用于时间严格的音频和视频数据流。
图7中所示的流程图概述了包括在按本发明的实施方法中的操作。与由一个蓝牙TM单元开始该流程相关的块60指示它想与另一个蓝牙TM单元建立无线电链路。在块62中的初始单元处理储存在该单位中的一个跳动序列。在块64中确定用于该跳动序列的相干带宽。块66与基于该相干带宽进行和储存分集判定的单元相关。块68与确定哪一个天线用来接收下一个数据分组的单元相关。块70与接收该下一个数据分组的单元相关。
块72与被监视的信号质量相关，以确定储存的分集判定还是否有效，而块74与检测该质量是否可接受相关。如果回答是否(N)，流程图转到块66而进行新一组的分集测量。如果回答是肯定的(Y)，流程图转到块68，只要处理在进行，或要不然转到块76，其指示该处理的结束。
作为在块72中监视信号质量的改型，在块70之后流程进到块78。该块78与在一预定时间间隔期满之后重新使分集判定有效的操作相关。该时间间隔与称为一个信号的“包络相关系数”相关。由下式给定一个信号的包络相关系数Pe(Δt)与速度(V)和时间(Δt)相关
Pe(Δt)＝Jo 2(K.V.Δt)
这里K是mm-1为单位的波数
V是m/s为单位的速度
Δt是时间差。
一个相关系数1施加到可以是一个房间的静态信道，其中围绕它无任何移动物，从而形成一个静态的环境。
图8表示在蓝牙TM使用的频带中的2.4GHz上相对625μs(每秒1600跳动)的蓝牙TM跳动时间包络相关系数表，左手列表示多个625μs的跳动时间，而顶行表示m/s为单位的速度0.5，1.0，1.5和2.0。
对于DECT已得到实际结果，其中分组长度相当长，即5ms。对于转换分集，结果表示对于10dB的一个最大分集增益，对于10ms经过时间以及1m/s的发射机和接收机的相对速度该增益减小8dB。但是对于选择分集和5ms的经过时间(转换判定可早于一个分组进行)，在1m/s分集增益减小2dB。这两个结果已清楚地表示在图8中。该表示包络相关系数应为0.95量级或更高，以使在动态信道中的分集增益的损失减到最小。对于2dB分集增益损失，将此等效于蓝牙TM分组，分集应用对于一个目前分组和接着的7个分组是有效的。这是可得到的一种估计。在实际中，基于测量跟接的分组BER可以使用这种方法，或更复杂的系统，以确定分集判定有效时间多长。这可能使接收机的功率损耗减至最小。
如果蓝牙TM是一个交替的发-收系统和信道特性在给定点间的两个方向是相等的，则当发送方向转换(即每另外的分组)时按本发明的方法可用于这种情况。
虽然本发明已参照蓝牙TM加的描述，但是，应理解，该方法可以用于任何频率跳动协议中，其中分集被用来改进数据链的可靠性。为保持对一个有用时间周期的有效的分集测量，与信道改变特性相比，分组速率必须加快。
在本发明说明书和权利要求中，前辍一个元件的字“a”和“an”并不排除多个这种元件的存在。此外，字“comprising”不排除在此列举之外的其他的元件或步骤的存在。
根据阅读本发明公开，对本专业技术人员而言，其他的修改将是明显的。这样的修改可包括在设计，制造和使用分集接收机和其元件部分已经知道的其它特性，和可以使用替代或除了在此已描述的特征之外的特征。

Claims (9)

1.一种用在工作在一预定带宽上的频率跳动的数据分组系统中的天线分集方法，包括确定和储存多个基本处在所说预定带宽内的频率子带，其中一个发送的数据分组将被可接受地接收，确定至少两个天线的哪一个适于用在哪一个频率子带中，确定一个目前接收信号的频率跳动序列，和使用在该频率跳动序列中的频率序列的知识和在其中保持下一频率的子带来确定至少两个天线的哪一个接收该数据分组。
2.如权利要求1的方法，其特征在于监视一个接收的数据分组的特性，并响应检测该特性的退化，重新估计至少两个天线的哪一个适于用在哪一个频率子带中。
3.如权利要求2的方法，其特征在于周期性地重新估计至少两个天线的哪一个适合用在哪一个频率子带中。
4.如权利要求1，2或3的方法，其特征在于由选择分集实现天线分集。
5.一种用于接收在处在一个全频率带宽中的频率信道上发送的数据分组的频率跳动接收机，包括第一和第二天线，连接到该第一和第二天线的接收装置，用于确定和储存基本处在所说预定带宽中的多个频率子带，其中将可接受地接收一个发送的数据分组的装置，用于确定第一和第二天线的哪一个适用于哪一个频率子带中的装置，用于确定和储存一个目前接收的信号的频率跳动序列的装置，以及用于使用在该频率跳动序列中的频率序列的知识和其中保持下一个频率的子带确定第一和第二天线的哪一个接收该数据分组的装置。
6.如权利要求5的接收机，其特征在于用于监视一个接收的数据分组的特性和响应检测特性退化，用于重新估计第一和第二天线的哪一个适用于在哪一个频率子带中的装置。
7.如权利要求6的接收机，其特征在于用于周期性地重新估计第一和第二天线的哪一个适用于哪一个频率子带中的装置。
8.如权利要求5，6或7的接收机，其特征在于用于通过选择分集实现天线分集的装置。
9.如权利要求5，6或7的接收机，其特征在于用于由转换分集实现天线分集的装置。
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