CN1698285A - 用于分集接收通信系统的信号处理设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明通常涉及用于信号处理的设备和方法，更具体而言本发明涉及用于通信系统中分集接收的改进技术。提供一种选择用以处理的多个天线分支(802)中至少一个分支的天线分支选择器(800)，每个天线分支耦合到各自的接收天线并载有接收信号，该天线分支选择器包括：信号选择器(804)，它具有从所述多个天线分支接收信号的多个输入并具有输出选择信号以用于处理的一个输出；时域到频域转换器(810)，被配置用于从每个天线分支接收时域信号并提供相应的频域输出信号；以及控制器(820)，耦合至所述时域到频域转换器和所述信号选择器以响应于所述频域输出信号而控制所述信号选择器选择一个所述天线分支。

Description

用于分集接收通信系统的信号处理设备和方法
技术领域
本发明通常涉及信号处理的设备和方法，更具体而言，本发明涉及用于通信系统中分集接收的改进技术。
背景技术
一般的通信系统包括通过发送机和接收机之间的信道接收自发送机所发送信号的接收机。经由信道所发送的信号可能经历干扰和短暂的变化，这将使得该信号的幅度和相位都发生变化。更具体而言，发送机和接收机之间的信道可能包括多条路径诸如直接路径和包括一个或更多反射的路径。在较长的、间接路径上传播的部分信号的到达时间晚于在直接路径上传播的信号，这将会引起符号间干扰(ISI)。以上干扰将在频域中引起多径衰落，同时沿不同路径到达接收机的信号彼此干扰。多径衰落典型地产生梳状的频率响应。一般而言，符号间干扰随着数据速率的增加而变得更为恶化，这是因为不同路径之间的较短时间差能够引起与当期望另一个比特时到达的一个发送比特相关的能量。当发送机和接收机的其中之一或两者都运动时，还增加了符号间干扰和多径衰落。
有许多能够用于减轻衰落/ISI效应的技术，其中的一些相对简单而一些却非常复杂。一种普遍应用的技术是在发送机和/或接收机侧使用多根天线以增加平均信噪比(SNR)并减少信道衰落的标准偏差。因此，例如，具有一个发送天线的发送机可能和具有多个接收天线的接收机一起使用，通常的作法是从每个接收天线获得至少部分独立的衰落信号，以便当一个天线经历衰落时，而另一个天线仍具有足够的接收信号强度。但是如下所示，基于接收的信号强度选择天线对于减少实际系统的ISI效应来说只是杯水车薪。
理论上，用于组合来自多个接收天线的信号的最佳技术为最大比率组合(MRC)，该技术实际上为每个天线应用一个单独的接收机(包括均衡)，然后构造一种接收信号的线性加权组合。一种稍微简单一些的技术，等增益组合(EGC)省略了天线加权。但是，这两种技术在实现时都相对复杂和昂贵，因此，它们不适于对成本和/或功率消耗敏感的应用。
以“选择分集”广泛已知了一组较简单的技术，其中的原理是选择一个相对靠近接收机前端的天线以减少电路的重复。图1(a)概括示出了传统的选择分集接收机100，该接收机包括多个接收天线102和相应的多个接收机电路104，每个接收机电路被配置用于为与它相连接的天线测量接收信号强度指示(RSSI)。每一个电路104的输出包括RSSI测量数据和接收的信号信息，以及选择逻辑106根据RSSI测量选择其中的一个接收信号以提供给检测器108，该检测器解调所接收的信号以提供一个基带输出110。选择逻辑106通常操作用于提供具有最大接收信号强度的接收信号给检测器/解调器108。
这种思想进一步在所谓的切换分集电路中采取一个步骤，其中在进行测量之前选择来自一个天线的信号。图1(b)所示为这种电路120的一个实例，在该电路中，多个接收天线122提供各自的信号给RF(射频)切换开关124，后者可选地利用某种预处理(未示出)依次提供一个选择输出126给RSSI测量电路128。RSSI测量电路128提供RSSI测量输出130并提供接收信号输出132给检测器/解调器134，后者依次提供一个基带输出136。RSSI测量输出130被提供给比较器138，比较器的输出140控制RF切换开关124以选择性提供来自一个天线122的信号给输出126。
通常在操作中，如果来自一个选择天线的信号低于门限信号强度，该电路将切换到可替换的天线。但是，在简单的电路中，由于不监视可替换天线的信号强度，因此盲目执行这种切换。为了减少信号切换不连续性的数量，例如通过修改切换门限可将某些历史记录置入分离处理中。
再次参考图1(b)，用于切换的门限RSSI可为固定或预定的门限142或可以应用自适应门限144。例如，在自适应门限切换中，门限可以是根据先前的RSSI测量的时间平均，以便该门限根据RF环境而发生变化。这种自适应门限能够具有这种效果，即正好在衰落发生之前该电路试图切换到一个具有更高RSSI的天线。
使用图1(b)的电路120可实现许多不同切换策略。根据一种策略，当来自一个选择天线的信号降低到低于该门限时，电路(或系统)切换到其他信号中最强的信号，这将便于从衰落中迅速地恢复。根据另一个策略，当选择信号的强度降低到低于门限时，但只有当来自至少一个天线的信号超出门限电平时，系统才会切换到另一个天线。这种策略引起了较少的切换不连续性，但也更慢从衰落恢复。
上述切换和选择分集结构极其适于低成本、低功率的实现，所以，对于面向消费者的应用诸如Bluetooth(商标)来说可能是有用的。但是，Bluetooth为相对高数据速率的系统，由于引起比特错误的主要原因通常是符号间干扰而不是未来低的接收信号强度，所以根据RSSI的上述简单分集技术仅仅为有限的帮助。
发明内容
因此根据第一发明的第一方面，提供了一种天线分支选择器，用于选择处理耦合到各自接收天线并载有接收信号的多个天线分支中的至少一个，天线分支选择器包括：信号选择器，它具有从该多个天线分支接收信号的多个输入并具有输出选择信号以用于处理的一个输出；时域到频域转换器，其配置用于从每个天线分支接收时域信号并提供相应的频域输出信号；以及耦合至时域到频域转换器和信号选择器以响应于频域输出信号而控制信号选择器选择一个天线分支的控制器。
在频域而不是在时域中工作允许选择基于多径衰落和符号间干扰而不是单独地基于接收信号强度，反过来特别是在高数据速率系统中，这帮助减少了比特(或符号)错误的数量。时域到频域转换器可具有来自每一个天线分支的一个输入，即类似于选择分集系统而来自于每个天线的信号通路，或者在多个天线分支之间沿着切换分集系统的线路共享单个转换器，或者可应用混合结构。优选地，时域到频域转换器包括一个傅里叶变换设备，特别优选为一个快速傅里叶变换(FFT)设备。频域输出信号可包括例如在频率范围或库(bin)上指示接收信号功率或能量的信号。但是，在其他实施例中，时域到频域转换器可简单包括多个带通滤波器，这是因为在某些实施例中只需要相对粗的频率分辨率。
优选地，该控制器比较位于接收信号的两个频率上的接收信号电平以确定频率选择性衰落程度的指示，或等同为多径失真或符号间干扰的指示，然后相应地选择一个天线分支的信号。因此，例如，可选择具有最少衰落的信号，或者可替换地，当衰落程度大于门限值时，可取消选择一个所选择的天线分支。将会理解可能存在许多切换方案，一般来说，任何现有技术都是基于RSSI的切换方案，以及可能应用利用小的衰落代替大的RSSI作为选择(或取消选择)标准。
在优选实施例中，在频域中的两个频率处比较接收信号的电平，包括位于接收信号内的两个音调。例如，当接收信号包括包含前同步码信号部分的分组数据信号时，这种情况可能出现。这种前同步码通常包括一个预定的比特或符号图案，因此产生了频域中一组期望的音调。但是，还可以应用分组数据信号的其他部分，特别是当可能再次期望这些部分在已知频率处产生音调时。
在特别优选的实施例中，分组数据信号包括Bluetooth(商标)分组数据信号，该信号符合一种或更多版本的Bluetooth规范，诸如Bluetooth版本1.0、版本1.2、版本2.0(或以后的版本)或已知为高速率Bluetooth(或有时为Bluetooth高速率)的该组标准，或者诸如IEEE 802.15.3系列中标准的兼容美国规定的标准。
在对应于接收信号两个音调的两个频率处的信号电平之差可直接与门限电平(固定或现用的)比较以选择一个天线分支，但优选地响应于比较这种测量的电平差或一个天线和用于另一个天线的电平差而选择一个天线分支。通过相互比较天线，通常将拒绝更少的好分组和更多的坏分组(在分组数据系统中)。
有关选择哪一天线分支的判定不需要完全根据位于接收信号内的两个音调的信号电平差。例如，能够在多于两个频率处确定(期望)电平中的变化以确定两个或更多对音调的相对信号电平，或测量类似于RSSI的全部接收电平，和/或为一个天线确定信号测量与噪声/干扰之比。因此，例如，可应用位于接收信号内的音调频率处的信号电平之和来确定用于天线的全部接收功率的一个指示。同理，可应用在接收信号内的一个或更多音调频率处的信号电平与期望低音调的一个或更多频率处的信号电平之比，以提供SNR的指示。当选择一个天线时，可应用总共的接收功率和/或SNR来加权多径衰落测量，或者例如，根据接收信号电平和/或最小SNR有条件地选择一个天线分支。普通技术人员将会理解，按照这些路子可能进行许多的变型。在优选实施例中，可从频域信号中推导出信号强度和SNR值，但是在其他实施例中，可应用传统上推导的SNR和/或RSSI值，例如采用来自包括天线分支选择器的RF级接收机系统的输出。
在分组数据通信系统中，通常优选在分组的前同步码部分中选择一个天线分支以避免接收剩余的分组有效载荷(这里“有效载荷”本质上通常用于包括报头、其他数据以及有效载荷数据)过程中的不连续性。但是，当多径为特定的问题时，例如当发送机和接收机的其中一个迅速运动时，比特差错率可能足够的高以便在接收分组有效载荷的过程中判定切换天线。所以，这种切换优选取决于观测接收信号的最小频率偏移或多普勒频率，并且还优选取决于信号质量测量小于一个门限值。尽管在优选实施例中，在这种处理中，应用上述频域天线分支选择器对天线分支进行初始的确定，但是没有必要应用上述的频域技术。
因此，在另一个方面本发明提供了一种从包括多个天线的天线系统中的一个天线选择一个接收信号的系统，其中该接收信号包括分组数据信号，分组数据信号包括前同步码和有效载荷信号部分，该系统包括：用于接收在前同步码信号中所测量的信号参数的装置；用于确定接收信号的多普勒频率变化的装置；以及用于在有效载荷信号中有条件地重新选择接收信号的装置，这种选择基于所确定的频率变化大于门限频率变化。
在这样的一种系统中，用于触发重新选择天线分支的门限频率变化可能为变化的，并取决于数据分组的长度或持续时间。这是因为需要相对较大程度的多普勒位移，即相对更快速地改变信道，以当分组具有短的持续时间时，在接收分组过程中改变天线优选项。当应用信道均衡时，优选重新设置或预先确定信道均衡，或者当接收分组有效载荷的过程中从一个天线切换到另一个天线时，终止信道均衡。
在另一个方面本发明提供了一种从包括多个天线的天线系统中的一个天线选择一个接收信号的方法，该方法包括：将每个天线的接收信号从时域变换到频域；根据频域变换的信号为来自每个天线的信号确定多径衰落的测量；以及响应于确定的多径衰落测量选择一个接收信号。
本发明还提供了一种从包括多个天线的天线系统中的一个天线选择一个接收信号的方法；其中该接收信号包括分组数据信号，分组数据信号包括前同步码和有效载荷信号部分，该方法包括：在前同步码信号中测量接收信号参数；确定接收信号的多普勒频率变化；用于在有效载荷信号中有条件地重新选择接收信号的方法，这种选择基于所确定的频率变化大于门限频率变化。
普通技术人员将会理解，可能使用模拟或数字电路或者二者以实现上述的设备和方法。特别是，通常对于许多接收机来说，使用处理器诸如数字信号处理器而实现信号处理器功能，因此，本发明还例如在载体介质上诸如磁盘、CD或DVD ROM、或可编程存储器诸如只读存储器(固件)或光或电信号载体上提供了配置用于实现上述设备和方法的处理器控制代码。本发明某些实施例还使用专用集成电路(ASIC)或现场可编程门阵列(FPGA)来实现。因此，这种代码还可包括设置或控制这种设备的代码。同理，该代码可包括用于硬件描述语言的代码，诸如Verilog(商标)、VHDL(超高速集成电路硬件描述语言)或系统C的代码。如本领域的普通技术人员将会理解在使用处理器控制代码实现或部分实现时，这种代码可能分布于多个相互通信耦合的组件之间。
附图说明
现在将参考附图只是举例地更详细地描述本发明的这些和其他方面，其中：
图1到3所示为选择分集接收机系统、切换分集接收机系统、示例性的Bluetooth应用、概要框图、Bluetooth接收机、未调制及未编码的高速率Bluetooth数据分组的结构以及Bluetooth分组分段；
图4示例了在基于RSSI的两个天线分支选择分集电路中的判定处理；
图5所示为DBPSK IQ构象，以及用于Bluetooth数据分组的前同步码序列的I和Q信号；
图6所示为正如在没有衰落的理想信道上所接收的、时域和频域中的Bluetooth数据分组的前同步码序列；
图7所示为双接收天线频域切换分集通信系统的原理图；
图8所示为用于分别通过双接收天线分集接收机的第一和第二天线所接收的Bluetooth数据分组前同步码序列的快速傅里叶变换能谱；
图9所示为用于图8能谱的构象图；
图10所示为基于FFT的接收天线分支选择系统，和用于该系统的射频切换开关；
图11所示的流程图示出了图10中(a)处所示的系统的操作；
图12所示为用于两个和三个接收天线系统的Bluetooth前同步码采样结构；
图13所示为基于FFT的选择分集接收机系统；
图14所示为双天线分支分组数据分集接收机系统，和图14中(a)所示接收机系统的操作的流程图；
图15所示为包括基于FFT的天线分支选择器的接收机的比特差错率性能；
图16示出在基于频域和信号强度的接收Bluetooth分组数据的双分支分集接收机中，比特差错率与两个音调的频率处的能量差以及比特差错率与接收信号强度的关系；以及
图17所示为随Bluetooth分组数据前同步码的音调之间信号电平之差而变化的分别识别好的和坏的分组的累积概率。
具体实施方式
为了方便起见，将参考高速率Bluetooth描述本发明的实施例，但是普通技术人员将会明白本发明的应用并不局限于这种标准，而是可以应用于其他分组数据系统中，更普遍而言，可应用于其他射频数据通信系统中。
诸如Bluetooth1.0、1.2和2.0的Bluetooth标准组涉及例如在个人区域网(PAN)中代替电缆的短距离(最多到约10米)射频传输。基本标准提供了工作于0.7Mbps(V1.1)或10Mbps(V1.2)的跳频扩频(FHSS)链路。高速率Bluetooth工作于大于10Mbps的速度并与IEEE 802.15标准组尤其是IEEE 802.15.3相关。
图2(a)所示为Bluetooth概念，其中计算机10、打印机12和照相机14都通过双向Bluetooth无线电链路16而相互通信。Bluetooth还能够用于无线连接到高速语音/数据接入点。
图2(b)所示为示例性Bluetooth接收机20的概略方框图。该接收机包括耦合到前置放大器24的发送/接收天线22和提供IF(中频)输出给AGC(自动增益控制)和模拟数字转换(ADC)块28的下变换器26。然后在到虚线30右边的数字域中进行处理，ADC 28的输出被提供给数字解调器32，后者提供一个用于由Bluetooth基带控制器(未示出)进一步处理的基带输出34。普通技术人员将会明白，数字化接收信号的点达到一种取决于成本和功率要求而选择的程度。
解调器32典型包括同步到接收数据符号(可以小于符号间隔采样)的同步装置，例如基于使用最大似然序列估计的序列估计的均衡器，和错误校验器/纠错器。Bluetooth接收机20典型作为Bluetooth收发信机的一部分，并且发送机和发送/接收切换开关(在图2(b)中未示出)通常还耦合到天线22以允许发送或接收数据。
图3(a)所示为高速率Bluetooth数据分组50的通常格式。该分组包含五个字段：9字节的前同步码字段52、2字节的同步字54、11字节的报头56、包括最多4095字节用户数据的有效载荷58和2、4或6比特的尾部字段60。报头字段56包含用于分组的全部地址信息和某些附加控制信息。有效载荷58包括用户信息，并且当有效载荷足够大时，可能被细分为分段58a-d。
全部分段和报头具有用于错误检测的循环冗余码(CRC)。使用DBPSK(差分二相相移键控)调制前同步码52、同步字54和报头56；在报头中指示有效载荷的调制格式并且为DBPSK、DQPSK(差分正交相移键控)和8-DPSK中之一。当发送一个新符号时，这些调制方案分别应用π/2、π/4和π/8旋转。尾部以与有效载荷相同的格式被调制，在缺少有效载荷时，尾部以与报头相同的格式被调制即DBPSK。下文将更详细描述前同步码52、同步字54、报头56和有效载荷58字段。
前同步码52包括通过将8比特序列00001111重复9次而获得的72比特序列。前同步码旨在用于支持天线分集和AGC(自动增益控制)训练。
同步字54包括用于帧同步的具有高的自相关系数的16比特序列。该序列为：0000001001110101。
报头字段56包含地址和控制信息并具有它自己的24比特CRC，包括CRC的报头总长度为88比特。以下表1中给出了其大小为比特的报头字段及其含义：
表1
  字段   大小   含义
  HR_ID   8   高速率信道标识
  DP_ADDR   8   目的点地址
  SP_ADDR   8   源点地址
  MOD_TYPE   2   调制类型
  XTD_HDR   2   扩展报头
  P_L   12   以字节为单位的有效载荷长度
  FEC_ON   1   前向纠错
  保留   1   用于将来使用
  FLOW   1   流控制
  PKT_SAR   2   分组分段和重新组装
  PLD_MN   1   有效载荷消息编号
  ARQ_MN   1   Arq消息编号
  ACK_REQ   1   请求确认
  RN   8   请求编号
  SN_BM   8   分段错误比特映射
  H_CRC   24   报头CRC
字段HR_ID(8比特)为用于区别占用该高速率射频信道的不同高速率网络传输的高速率信道标识字段。由于收发信机只能够属于唯一的高速率网络，因此它将只接收具有相同固定的HR_ID的分组。Bluetooth设备可包括多个收发信机，每个收发信机都与不同的高速率链路相关联。
DP_ADDR字段(8比特)定义了目的点地址。参与Bluetooth高速率链路的每个设备都可能具有大量的“逻辑点”。一个Bluetooth高速率设备可经由基本的物理媒介发送信息给另一设备上的特定“逻辑点”。分组报头中的DP_ADDR字段指示分组将测试接收设备上的哪一逻辑点。通常，将给单个高速率单元分配多个逻辑点地址。因此，高速率单元能够接收旨在用于多个目的点地址的接收分组。
H_CRC字段(24比特)为报头CRC，即用于检测报头中错误的循环冗余校验。
现在参考有效载荷字段58，能够在单个分组中所发送的用户有效载荷数据的量位于0和4095字节之间。如果分组内要发送的数据量大于128字节，那么将该数据分离为一个或更多的分段，并在分组50的有效载荷部分内顺序地发送这些分段。
图3(b)所示为Bluetooth分组分段诸如分段58a-d其中之一的格式。每个分段用1个字节(8比特)的序列号SN 62编号并具有检测错误的3个字节(24比特)的CRC 64。每个分段的序列号62和CRC 64之间是包含128个字节(1024比特)的用户数据字段66。如所示例的分段实例58d，有效载荷58的最后一个分段可部分填充有用户信息，即可保持在1和128个字节之间。
再次参考上述切换和选择分集电路，在Bluetooth高速率(商标)通信系统的情况下，如果发送机和接收机之间的信道在感兴趣的周期即一个分组的持续时间上相对稳定，以及如果存在在其上面将要执行测量的前同步码，如上所述，那么可能实现基于前同步码的切换或选择分集。在数据分组的前同步码部分中利用这种方法，依次通过单个测量单元在切换分集电路中测量全部的天线。在切换分集电路中，因此从一个天线到下一天线的切换时间以及该时间的测量对于在前同步码期间所监视的全部天线必须足够的短。由于信道在分组的持续时间上有可能稳定，因此在前同步码序列期间所选择的天线还有可能适于接收数据分组的剩余部分。
在基于前同步码的使用RSSI测量的切换、选择分集中，RSSI测量可基于从在每个分组的前同步码周期中所测量的每个天线分支所接收包络的平均功率电平。通常，选择具有最高平均功率电平的分支，然后如果分组在整个分组持续时间中保持静态，则得到等同于基于在整个分组上所测量的性能。还可以在前同步码之后立即选择一个分支，以便可使用最佳天线以接收该有效载荷。
图4所示为用于基于RSSI的两个分支选择分集电路的判定处理的实例，其中最上边的曲线指示选择电路的输出以及两个较低的曲线指示选择所根据的两个分支上的接收功率电平。正如所示，在不同的时间，一个分支的接收信号强度有可能高于另一个天线分支。基于所测量的接收前同步码的平均功率(在基于RSSI的这种方案中)，选择分集电路切换到具有最高接收功率的分支。但是，这种方法不能正确地考虑到干扰的影响，这将会增加接收信号强度，使得一个分支当它实际上恶化时仍看起来不错，而且，未包括如上所述的符号间干扰(ISI)的影响。
现在更详细地参考Bluetooth高速率前同步码的实例，这种前同步码包括四个0(0000)然后是四个1(1111)的重复序列以最高达72个符号，每一个都表示一个比特或符号(在BPSK的情况下，每个符号一个比特)。在DBPSK的实例中，通过π/2调制该前同步码，例如“1”产生了加上π/2旋转以及“0”产生了减去π/2旋转。图5(a)所示为用于这种输入序列的已调制的IQ构象，图5(b)所示为这种输入序列的一部分以及相应的I和Q值。
图6所示为用于这种Bluetooth高速率前同步码的一组32(上下文关系)调制符号，及其相应的使用1024.FFD的快速傅里叶变换(FFT)能谱。正如从图6能够看出，发送符号的相位旋转表现为与载波频率相关的正和负频率变换。
更详细地参考图6的频谱，能够观测到两个主音调400、402，其对应于相对载波的正频率增加fb/4和类似的负增加fb/4，这里fb为高速率Bluetooth的符号率即用于MHz。而且，存在对应于交替的四个0(0000)和四个1(1111)序列的附加调制的四种辅助音调404、406、408、410。
现在参考图7，该图所示为工作于如下进一步所述的频域中的双接收机天线切换分集接收机的原理图。发送天线500发送由双天线接收机508的第一和第二接收机天线504、506探测的单个前同步码序列502。接收机508包括一个切换开关510以选择性提供来自天线504、506的一个或另一个天线的以用于接收信号处理的信号。该前同步码序列被划分为三个部分：初始时间部分T1 502a、切换时间部分(阴影)502b以及第二时间部分T2 502c。在接收机508，部分502a由天线RX1 504接收以及接收机然后切换到接收天线RX2 506以接收T2持续时间的前同步码的相继部分502c。在这种方法中，接收完整的前同步码，并在接收前同步码的每一部分中，在频域中执行测量和分析，然后根据这种分析的输出结果来选择天线分支。如果想要，在测量处理之后可应用在信号上或多个分组上的平均方法。
这里本文描述了一种对接收的复合高速率Bluetooth前同步码序列执行快速傅里叶变换的方法，以允许决定根据频域中的信息来确定最佳天线分支。特别是选择最佳天线分支的决定优选基于对应于前同步码的主(或辅助)音调的峰值幅度之差，因此包含了频率选择性衰落效应，该效应为多径时间分散的频域表示。如果想要，则其他的因素诸如噪声、干扰和绝对信号电平也可能包括在判定量度中。实际上，因此接收机跟踪这些峰值之间作为信道概况变化的间隔。我们还描述了对该技术的扩展，当在分组持续时间上的信道变化巨大时，这种技术支持切换分集。
现在参考图8(a)和(b)，这些图所示为存在信道噪声和衰落时，在双天线分支分集接收机的两个不同天线所接收信号的能谱。在到达接收机检测器/调制器之前，对天线分支信号采用1024点FFT以产生图8(a)和(b)的频谱。图8(a)的两个主音调标记为600a、602a，它们在图8(b)中标记为600b、602b。通过与图6进行比较能够看出，主和辅助音调的相对强度通过信道衰落来改变，而且，对于通过接收机的第一和第二天线接收的信号该相对强度是不同的。高于和低于载波频率(用于主音调或辅助音调)的峰值电平之间的差能够用作多径失真度的指示。因此，在图8(a)和(b)中，差值d1对应于主音调600a、602a之间信号电平的差，以及差值d2对应于600b和602b之间信号电平的差。应该能够看出差值d2大于差值d1，这意味着具有图8(b)频谱的信号比具有图8(a)频谱的信号遭受更严重的多径失真。因此，在图8的实例中，由于它表现出最小的衰落，所以应该选择具有对应于图8(a)的FFT频谱的信号，因此应该经历最小的符号间干扰。
图9(a)和(b)所示为分别对应于具有图8(a)和(b)频谱的信号的构象图，图中示例了无衰落的效果。特别是，利用信道衰落而顺时针和逆时针旋转用于高速率Bluetooth前同步码的图9的构象图。
为了示例图8(a)和(b)，示出了1024点FFT，但实际上没有必要复杂，并且例如可以从具有较少点的FFT而推导出所需的信息。具体如以下表2所示，表中示出了如何可以将8点FFT应用于用于高速率Bluetooth前同步码的天线选择分集系统，其中所示为将哪个FFT库(bin)分配给哪些音调或其他频率。
                                  表2
  FFT点   描述 用途
  0   最低/最高频率(±4MHz) 示出了如在该库中不存在信号的噪声和干扰
  1   低辅助音调
  2   低主音调 来自库6的差将给出信道的频率选择的一个指示(分别用于天线1和2的d1和d2)
  3   低辅助音调
  4   中心频率 示出了如在该库中不存在信号的噪声和干扰
  5   高辅助音调
  6   高主音调 来自库2的差将给出信道的频率选择的一个指示(分别用于天线1和2的d1和d2)
  7   高辅助音调
能够看出如在这些频率中不期望出现任何信号一样，FFT点或库零和4都提供了噪声和干扰电平的一个指示。而且，库2和6之和(或平均值)或者可替换地，库1、2、5、6和7将提供用于天线的接收功率的相对指示。该接收功率指示与噪声和干扰电平之比可用于确定信噪比。在该方法中，可组合信道衰落测量与从FFT数据所推导出的信号强度和/或SNR值，例如以加权判定量度或根据最小接收功率或SNR进行有条件地切换。(例如在Bluetooth的例子中，对于π/2 BPSK为9.2dB，对于DQPSK为13.9dB以及对于8PSK为19.5dB)。
现在参考图10(a)和(b)，这些图示出了可用于实现上述技术的接收机天线分支选择器系统800的一个实例。多个接收天线802可选地经由前置放大和/或滤波电路(未示出)提供各自的输入给RF切换开关804。RF切换开关804响应于线路808上的输入信号选择这些信号的其中之一以输出到线路806上。线路806上的输出提供给N-FFT设备810，该设备在输出812上提供包括频域FFT变换的数据，并为输入时域数据提供到在816的检测器/解调器的直通连接814，检测器816依次提供用于进一步基带处理诸如分组识别和分解的输出818。FFT设备810可包括根据适当程序代码控制的专用硬件或数字信号处理器，或者包括根据软件控制的专用硬件的混合。正如普通技术人员将会意识到许多适当的FFT算法和硬件设备都可供使用，这通常为DSP的标准功能。
FFT数据输出812被提供给比较位于接收信号的FFT频谱内的两个(或更多)音调电平例如以确定如参考图8所述主音调信号电平差d的值的峰值比较器820。应该将会理解，为了清楚起见，在图中已将峰值比较器820描绘为单独的方块，尽管实际上这可能以DSP上的程序代码而实现。图10(b)更详细示出了RF切换开关804的一个实施例，它在本实例中包括控制多个切换开关804b诸如FET切换开关以选择性耦合其中的一个输入到输出线路806的控制器804a。根据切换方案的复杂度，控制器804a可包括一个存储和比较来自峰值比较器820的峰值差值以便选择具有最小峰值差的天线分支的电路。可替换地，控制器804a可实现一种更为复杂的算法，然后可包括更为复杂的专用逻辑或根据存储在非易失性存储器中的控制代码的控制而工作的处理器。应该将会理解，控制器804a所实现的任何功能都可以与峰值比较器820和FFT 810功能组组合由共用的处理器执行。
为了简化起见图10(a)省略了定时信号，但是普通技术人员将会明白，这些定时信号是以传统的方式提供的。因此，通常一个工作于适当时钟速率的模数转换级将包含在FFT设备810之前。同样地，基带处理(在图10(a)中未示出)将通常包括一个配置用于识别分组前同步码序列和分组其他部分的接收分组处理器，而尽管前同步码序列还可以在接收信号链中的前级通过它的相对简单的结构而识别。前同步码序列的标识能够用于定义FFT的窗，如参考图12在以下所示，并触发用于每个天线分支的连续FFT计算。
图11所示的流程图示例了图10的电路可工作的方法。因此在步骤S900，开始识别前同步码序列以及提供前同步码定时信号来初始化每个天线分支的依次顺序选择以用于频域分析(S902)。因此，当选择每个连续分支时捕获输入信号数据的序列(步骤S904)，执行FFT(S906)并且确定切换量度(S908)。如上所述，切换量度可包括前同步码序列的两个音调之间的信号电平之差或者组合该衰落量度与其他量度诸如信号强度和/或信噪比以及信干比。一旦已经为每个天线分支确定了该量度，则在步骤S910执行比较，以及在步骤S912，为了接收分组而选择最佳的天线分支。然后程序环回到步骤S900，并等待下一个分组的前同步码开始。
图12(a)和(b)示例了分别用于两个和三个天线分支的天线分支切换策略。两幅图都示出了包括72(9×8)个符号的前同步码序列。在图12(a)中，首先的32个符号1000被提供给第一天线分支，然后允许4个符号1002的间隔用于切换到第二天线分支，接下来的32个符号1004提供给第二天线分支，然后若必要进一步提供4个符号1006的间隔以允许切换回到第一天线分支。在图12(b)中，依次处理来自三个天线分支中每一个的各组16个符号1010、1014、1018，各组由8个符号1012、1016和1020的间隔所分离开来以允许切换。在高速率Bluetooth系统中，图12(a)中的切换间隔为一微秒以及图12(b)中切换间隔为两微秒。普通技术人员将会理解沿着这些通用思路可获得许多其他的变型。但是，当天线的数量增加到2以上时，存在逐渐缩小的效果。
图13所示实例为与图1(a)中基于RSSI的分集接收机相类似的基于FFT的分集接收机的替换实施例。因此在图13中，在选择一个天线分支之前对每个天线分支执行FFT运算(来自FFT方块的输出包括FFT数据和定时的主接收信号数据)。图13的结构需要重复或至少时分复用FFT电路或处理，但是如果想要的话，提供较长的FFT间隔，以方便在分组的持续时间内监视接收信号参数。普通技术人员将会理解，一般而言，尽管对于许多应用来说因为简便通常将优选由图10所指示的结构，但是与已知的基于RSSI的结构相类似的结构也是有可能的。应该将会理解可能在上述分集接收机中应用多于两个的接收天线。
在上述系统中，在接收分组的开始执行天线选择确定并假设对于该分组的持续时间将是有效的。如果分组持续时间相对于能够根据多普勒扩展的倒数而计算的信道相干时间较小，那么假设有效。对于工作在2.4GHz的ISM(工业科学和医疗)频带的通信系统的步行用户，典型的多普勒频率大约为6Hz，该频率产生了几百毫秒级的相干时间。因此如果分组长度为几十毫秒级，在分组持续时间上相关信道的假设则有效。但是，对于高速率Bluetooth的某些应用来说，这种假设特别是在发送机和/或接收机在运动车辆中的情况之下不能保证正确。这种应用的一个实例是使用用于车辆和静止公用电话亭之间通信的Bluetooth高速率，并且这种通信信道表现出低的相干时间。
这种情况下，在初始分组前同步码周期中选择的天线在接收该分组期间可重新选择，如果信道变化足够大以至于变得显著的话。天线的初始选择优选地根据上述基于FFT的方法而执行，但是在其他结构中也能够使用基于RSSI的方法用于初始选择一个天线，如以上参考图1(a)和(b)所述。在接收分组期间从一个天线到另一个天线的切换可盲目执行或根据上述非盲目性的但更为复杂的其中之一的方法而执行。
图14(a)所示为配置用于在接收数据分组期间进行天线选择的Bluetooth高速率分集接收机1200的概略方框图。两个射频天线前端1202a、1202b提供各自的接收信号输出给一个信号选择器1204，每一个前端进一步还提供例如通过监视每个符号的相位增量而推导出的频率偏移输出信号1206a、1206b，该相位增量与前端1202a、b中的频率偏移校正电路(未示出)相关联。频率偏移信号提供一个输入给控制器1208，控制器提供输出信号给选择器1204以控制从其中的一个前端1202a、b选择一个接收信号。选择的输出信号被提供给解码器1210，以及用于提供输入给解码器1210用于信道均衡的信道估计器1212，诸如MLSE估计器。控制器1208优选提供一个输出给信道估计器1212，并且可选地将该输出提供给解码器1210以复位对切换天线中间分组的信道估计。解码器1210提供了经调制的输出信号给识别图3(a)分组结构并提取有效载荷数据的分组处理器1214。在所示接收机的例子中，处理器1214还识别前同步码序列的开始并提供前同步码定时输出1216，该输出提供到控制器1208的输入以用于例如如上所述初始选择一个天线。
在图14(b)的流程图中示出了一种图14(a)中电路的操作模式。因此在步骤S1200，该接收机如上所述使用数据分组的前同步码数据选择一个天线分支，然后接收机利用选择的天线开始接收分组数据(步骤S1202)。在接收机接收分组数据期间或在图14(a)的实施例中，控制器1208基于从接收机前端提供的频率偏移数据以确定信道的多普勒频率(步骤S1204)，在步骤S1206校验是否该频率大于门限频率，例如进行选择以便多普勒频率的倒数可与分组持续时间相比。如果多普勒频率不大于该门限，那么处理环回到步骤S1202并继续利用所选天线接收数据。如果多普勒频率大于该门限，处理继续到步骤S1208，然后接收机确定一个周期上所接收数据的质量的量度。适当的质量量度包括接收信号强度的量度和比特差错率或分段差错率。在步骤S1210判定是否质量小于所准许的门限；如果为否处理再次返回到步骤1202。但是，质量量度中的持续恶化将导致处理继续进行到步骤S1212，接收机因此切换天线，如在图14(a)所示例的实施例中执行盲目天线切换。然后处理返回到步骤S1208监视新天线的性能以确定是否已经提高信号质量，如果仍未提高，那么接收机应该切换回来。在替换的实施例中，在接收信号链中接收机前端电路和频率偏移校正结构可能位于选择器1204之后而不是位于选择器之前以获得接收机的简化，这是因为两个接收天线的多普勒频率通常将会几乎相同。
如图天线切换开关发生在中间分组，则改变信道，因而信道估计器1212所确定的信道估计信息不再为精确的估计(精确度损耗取决于接收机天线之间的间隔和有关信道相关)。因此，在应用信道均衡(本方法可能不应用它)，当切换天线时应该清空信道存储器。这可能被称之为面向伪相干判定的切换技术。优选监视新的天线信号来确定是否性能提高，否则切换回来。
图15所示的系列曲线示例了图10切换分集接收机的性能，在一个实施例中，在FFT 810的输出端根据用于每个天线分支的两个主峰值(在频域中)之间的幅度差进行判定。因此，图15的结果涉及“只有FFT差”结构的简单例子。更具体而言，图15比较基于FFT的分集接收机与基于理论上最佳比特差错率(BER)的切换分集策略的比特差错率性能。因此，曲线1302a和b涉及双分支分集接收机以及曲线1304a和b表示三分支分集接收机，曲线1302a和1304a示出了基于FFT的分集接收机的性能以及曲线1302b和1304b示出了理论上最佳的接收机的性能。能够看出基于FFT的接收机接近于理论上最佳的性能。为了完整起见，曲线1306示出了存在加性白高斯噪声(AWGN)时所期望的单个天线接收机的比特差错率(对于8PSK)。更具体而言，图15示出了基于FFT的频域切换低于基于最佳BER的切换方法大约为1dB，这是对于双和三分支分集在10-4的BER时的情况，如上所述，在所有环境下最佳技术切换到具有最低的BER的天线。根据这些图的正常规则，在Y轴上使用对数标度示出了比特差错率(BER)，并在X轴上示出了信噪比(Eb/No，单位dB)。
现在参考图16(a)，该图示以对数标度出了瞬时比特差错率与Bluetooth高速率前同步码序列中音调的信号电平之差进行比对的曲线。利用指数衰减脉冲响应从无噪声环境的仿真中推导出图16(a)的曲线。检查图16(a)发现在小于1(绝对值)的音调之间的相对差时，表现出无任何误码；尽管超过1，但是音调信号电平差和比特差错率之间几乎没有直接的关系。这能够与图16(b)的曲线相比较，该图所示为用于相同信道的瞬时比特差错率与接收信号强度(在对数标度上)的关系，其中信道增益归一化为1。在图16(b)的例子中，没有不发生任何错误的可辨识的RSSI门限，这表明通过与音调信号电平差进行对比，RSSI不能用作由于RSSI而引起比特错误的指示。
图17涉及正确识别好的即无错误以及坏(错误)的数据分组的概率，其中在Y轴上示出了概率，并在X轴上示出了两个音调之间的信号电平差(单位dB)。图中示出了两条曲线，涉及好的或无错误分组的曲线1500，和涉及坏的包含有错误的分组的曲线1502。图17的曲线基于仿真的结果并通过测量无错误分组的数量以及包括错误的分组数量而获得。
更具体而言，图17的曲线示出了坏分组错误判定的累积概率。例如，如果假设大于-10dB的音调之间的差将总是导致一个错误，那么系统将正确地确定(并标记为清除)全部的错误分组。但是，错误地将无错误的分组识别为有错误分组的概率将会非常高(图17中为64％)。利用更实际的门限值，能够看出存在一种正确识别好的(正确的)和坏的(错误的)分组的合理概率。例如，如果假设差大于14dB的全部分组为“坏的分组”，该标准将只有17％的实例错误(例如在室内音调电平的差通常小于14dB；差越大则性能越低)。同理，假设差小于14dB的所有分组为“好的分组”，这将会存在16％的错误分类。
在实际系统中，通常执行用于(两根或更多)天线的音调信号电平差的相对比较，并选择具有音调之间的最小差的天线(分支)。在这种情况下，当执行一个相对的而不是绝对的测量与门限之比时，系统将趋于比图17更好的工作，这表明将应用较好/较差的测量而不是一般的好/坏的测量。
已经参考Bluetooth高速率描述了本发明的实施例，但这里所述的分集技术、系统和方法还可以应用于其他射频数据通信系统诸如无线LAN网络(例如IEEE 802.11)，以及数字移动电话通信系统。将会理解这种技术可应用于移动终端和(网络)接入点。更广泛而言，普通技术人员将会进一步理解上述技术可用于任何射频通信系统中，尽管其特别有用于出现ISI问题的环境中的数字射频通信。
毫无疑问，对于普通技术人员来说将会产生许多其他的有效选择，应该将会明白本发明并不局限于所述的实施例，而是包括对于本领域普通技术人员显而易见的修改，这些修改都位于附属权利要求书所规定的精神和范围之内。

Claims (25)

1、一种选择用以处理的多个天线分支中至少一个的天线分支选择器，每个天线分支都耦合到各自的接收天线并载有接收信号，所述天线分支选择器包括：
信号选择器，具有从所述多个天线分支接收信号的多个输入并具有输出所选择信号以用于处理的一个输出；
时域到频域转换器，被配置用于从每个所述天线分支接收时域信号并提供相应的频域输出信号；以及
控制器，耦合至所述时域到频域转换器和所述信号选择器，以响应于所述频域输出信号而控制所述信号选择器选择一个所述天线分支。
2、根据权利要求1所述的天线分支选择器，其中所述控制器被配置用于响应于用于天线分支的所述频域输出信号中第一频率处的信号电平与第二频率处的信号电平之差而选择一个所述天线分支。
3、根据权利要求2所述的天线分支选择器，其中所述第一和第二频率包括所述接收信号的频率。
4、根据权利要求3所述的天线分支选择器，其中所述接收信号在频域中具有至少两个音调，其中所述第一和第二频率包括所述音调的频率。
5、根据权利要求4所述的天线分支选择器，其中所述接收信号包括一个包含有前同步码信号部分的分组数据信号，其中所述音调包括所述前同步码信号部分的音调。
6、根据权利要求5所述的天线分支选择器，其中所述接收信号包括Bluetooth兼容的信号。
7、根据权利要求2到6中任何一项所述的天线分支选择器，其中所述控制器被配置用于响应于比较用于一个所述天线分支的所述信号电平之差与用于另一个所述天线分支的所述信号电平之差，而选择一个所述天线分支。
8、根据权利要求3到7中任何一项所述的天线分支选择器，其中所述控制器进一步配置用于确定用于所述天线分支的接收功率的指示，其中所述控制器还配置用于响应于所述接收功率指示而选择一个所述天线分支。
9、根据权利要求3到7中任何一项所述的天线分支选择器，其中所述控制器进一步配置用于响应于在用于一个天线分支的所述频域信号中的第三频率和第四频率处的信号电平之差，而选择一个所述天线分支，其中所述第三频率包括所述接收信号的一个频率，以及第四频率包括一个这样的频率，在其上基本上不期望来自所述接收信号的任何信号电平。
10、根据权利要求8所述的天线分支选择器，其中所述控制器响应于在多个所述第三频率处的信号电平之和。
11、根据权利要求1到10中任何一项所述的天线分支选择器，其中所述接收信号包括含有一个有效载荷信号部分的分组数据信号，其中所述控制器还配置用于在所述有效载荷信号部分期间控制所述信号选择器。
12、根据权利要求11所述的天线分支选择器，其中在所述有效载荷信号部分期间对所述信号选择器的所述控制取决于所述接收信号的多普勒频移大于一个门限值。
13、一种包括如任何上述权利要求所述的天线分支选择器的接收机。
14、当运行时实现如权利要求1到12中任何一项所述的天线分支选择器的处理器控制代码。
15、一种从包括多个天线的天线系统的一个天线选择一个接收信号的方法，该方法包括：
将来自每个所述天线的接收信号从时域变换到频域；
根据所述频域变换信号为来自每个所述天线的信号确定多径衰落的测量；以及
响应于所述确定的多径衰落测量而选择一个接收信号。
16、根据权利要求15所述的方法，其中所述确定包括比较两个或更多频率处的所述接收信号的电平。
17、根据权利要求16所述的方法，其中所述接收信号包括包含有前同步码部分的分组数据信号，其中在所述前同步码信号期间执行所述确定。
18、根据权利要求17所述的方法，其中所述两个频率包括所述前同步码信号的音调。
19、根据权利要求15到18中任何一项所述的方法，还包括为来自每个所述天线的信号根据所述频域变换的信号而确定接收信号强度的测量，其中所述选择还响应于所述确定的接收信号强度的测量。
20、根据权利要求15到18中任何一项所述的方法，还包括为来自每个所述天线的信号根据所述频域变换信号而确定接收信号与噪声和/或干扰比的测量，其中所述选择还响应于所述确定的接收信号与噪声和/或干扰比的测量。
21、根据权利要求17或19所述的方法，其中所述分组数据信号包括有效载荷部分，所述方法还包括在接收所述有效载荷部分期间监视接收信号指示符，并响应于所述监视而选择一个接收信号。
22、根据权利要求21所述的方法，还包括监视接收信号频率变化参数，其中响应于所述监视的所述选择一个接收信号响应于所述频率变化参数。
23、一种从包括多个天线的天线系统的一个天线选择一个接收信号的系统，所述接收信号包括包含有前同步码和有效载荷信号部分的分组数据信号，该系统包括：
用于在所述前同步码信号期间测量的接收信号参数的装置；
用于确定所述接收信号的多普勒频率变化的装置；以及
用于在所述有效载荷信号期间，取决于所述确定的频率变化大于一个门限频率变化而重新选择所述接收信号的装置。
24、一种从包括多个天线的天线系统的一个天线选择一个接收信号的方法，所述接收信号包括包含有前同步码和有效载荷信号部分的分组数据信号，该方法包括：
在所述前同步码信号期间测量的接收信号参数；
确定所述接收信号的多普勒频率变化；以及
用于在所述有效载荷信号期间，取决于所述确定的频率变化大于一个门限频率变化而重新选择所述接收信号的手段。
25、根据权利要求24所述的方法，其中所述门限频率变化取决于一个所述分组的持续时间。
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