CN1981437A - 用于无线通信的接收机及使用该接收机的方法和终端 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无线接收机，包括：输入信号路径(101)；电路(113)，用于产生同相和正交分量；以及估计器(204)，用于周期性地估计同相和正交分量之间的幅度失衡，并且用于施加相关的幅度调节，从而对所检测到的失衡进行补偿，其中所述估计器(204)操作用于(204)：(i)将同相分量I(t)的样本Ii和对应的正交分量Q(t)的样本Qi分为块；(ii)对于每个块，计算与样本I_i的平方值的和相对应的块幂值I_n；(iii)根据所述块幂值I_n和Q_n，计算块幅度失衡值；(iv)计算块幅度失衡值集合的平均值。

Description

用于无线通信的接收机及使用该接收机的方法和终端

技术领域

本发明涉及一种在无线通信中使用的接收机以及涉及使用该接收机的方法和终端。具体来说，本发明涉及一种直接转换接收机，该直接转换接收机通过分解和使用调制信号的同相(I)和正交(Q)分量，能够对频率调制(FM)的RF(射频)信号进行解调。

背景技术

使用直接转换架构构建以检测接收信号的I分量和Q分量的常规FM无线接收机具有如下问题。如以下说明的，该接收机可能会在I分量和Q分量之间的相对相位和幅度中产生误差。通常被称为′正交失衡′的该误差可能会使所获得的输出音频信号产生失真。特别是在接收信号遭受雷利衰落(此处称为“衰落”)和/或在接收信号具有低信噪比的情况下，所述的失真对于用户来说是无法接受的。现有技术不能提供一种令人满意的解决正交失衡问题的方案。

本发明具体涉及正交失衡的幅度失衡分量。

US5705949提出了一种用于移除I分量和Q分量之间的幅度或增益误差的方法。该过程需要复合处理能力，并且在衰落环境中很难令人满意。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种根据所附权利要求书的权利要求1的无线接收机。

根据本发明的第二方面，提供了一种根据所附权利要求书的权利要求12的无线通信方法。

根据本发明的第三方面，提供了一种根据所附权利要求书的权利要求13的无线通信终端。

现在将通过参考附图举例来描述本发明的实施例，其中：

附图说明

图1示出了已知的直接转换RF接收机的示意性电路框图。

图2示出了应用本发明的直接转换RF接收机的示意性电路框图。

具体实施方式

图1示出了已知的RF直接转换FM接收机100，该RF直接转换FM接收机说明了将要由本发明解决的问题。输入的FM信号x(t)经由具有分路连接103、105的输入路径101，分别传送到两个混频器107、109。本地振荡器111产生参考信号，该参考信号具有与输入信号x(t)载波频率相同的频率。参考信号的第一分量被直接施加到混频器107，在混频器107处，使用该第一分量乘以输入信号x(t)。将参考信号的第二分量施加到移相器113，并且移相器113的相移输出被施加到混频器109，在该混频器109处，使用相移输出乘以输入信号x(t)。尽管与混频器107和109相组合的移相器113预期在施加到混频器107和109的参考信号各分量之间引入具有增益为“1”的90度相移，但是，实际上所引入的相移与90度稍有偏差，以及增益与“1”会出现稍许不同。将来自混频器107的输出信号传送通过低通滤波器(LPF)115，从而产生输出同相分量信号I(t)，以及将来自混频器109的输出信号传送通过低通滤波器(LPF)117，从而产生输出正交分量信号Q(t)。引入到混频器109的输出中的幅度失衡在方框119中被示出为失衡增益A。

图1所示的结构的数学分析如下：

输入信号可以表示为：

x(t)＝cos(wt+φ(t)+γ)    x(t)＝cos(wt+φ(t)+γ)

                          其中ω是输入RF信号x(t)的RF载波频率，γ是振荡器的任意相位以及φ(t)是将被检测的x(t)的频率调制。

此外，x(t)＝I(t)+j*Q(t)，其中I(t)和Q(t)是x(t)的同相分量和正交分量。

$I\left(t\right)=2\cos (\mathrm{wt}+\mathrm{\φ}\left(t\right)+\mathrm{\γ})\cos \left(\mathrm{wt}\right)=$

$Q\left(t\right)=2A\cos (\mathrm{wt}+\mathrm{\φ}\left(t\right)+\mathrm{\γ})\sin (\mathrm{wt}+\mathrm{\α})=$

其中A表示幅度失衡，且α表示I(t)和Q(t)的相角之间的相位失衡角度。

根据本发明的实施例，将按照如下方式对将要描述的分量I(t)和Q(t)进行处理，即，将描述对其进行估计并施加调节以消除幅度失衡A。例如，如在申请人的共同未决的英国专利申请编号0411888.1中描述的，还对相位失衡进行估计并消除了相位失衡。对得到的调节后的分量进行组合，从而构造调制信号φ(t)，从而提供音频信号输出。

图2示出了应用本发明的、用在直接转换FM接收机中的电路200的示意性框图。与图1中的各分量具有相同参考数字的各个分量具有与该分量相同的功能，并且不会再对其进行描述。

利用连接201对通过低通滤波器(LPF)115的输出信号I(t)进行采样，并且利用连接203对通过低通滤波器(LPF)117的输出信号Q(t)进行采样。通过连接201和203获得的各个采样信号被提供作为处理器204的各个输入，所述处理器204执行幅度失衡算法，这将在稍后描述。来自处理器204的输出信号是幅度失衡校正信号，其指出了1/A的值。该校正信号经由连接202施加到幅度修正器205，以消除所检测到的幅度失衡A，其中所述幅度修正器205利用因数1/A对Q(t)的幅度进行修正。

例如按照申请人共同未决的英国专利申请编号0411888.1中所描述的方式，使用I(t)和Q(t)样本的相位调节处理电路(未示出)对I(t)和Q(t)之间的相位失衡进行估计，并产生了相移控制信号，该相移控制信号与该估计的相位失衡的相等值或相反值相对应。以这种方法估计的相位调节信号由移相器207施加。与正交分量Q(t)相对应的信号经由连接226从低通滤波器117施加到移相器207。由此移相器207执行相角调节，所述相角调节对所检测到的相位失衡角度α进行补偿。与Q(t)的相位调节值相对应的移相器207的输出被施加到处理器209。经由连接224，与同相分量I(t)相对应的信号还被用作处理器209的输入。处理器209根据其各个输入计算商Q(t)/I(t)的值，并将表示该结果的信号提供给处理器211。处理器211计算由处理器209的输入信号所表示的商参数的反正切(arctg)值。来自处理器211的输出信号被施加到进一步处理器213，该处理器213计算处理器213的输入信号相对于时间t的微分。最后，来自处理器213的输出信号被施加到音频输出215。音频输出215包括诸如音频扬声器的变换器(未具体示出)，该变换器将来自处理器213的电子信号输出转换为例如语音信息的音频信号。

由处理器204执行的幅度失衡算法如下。按照20k采样/秒的频率获取分量I(t)和Q(t)的样本。因此，每个采样的持续时间是1/20k＝50微秒。在500毫秒的采样周期上执行采样。因此样本的总数是500毫秒/50微秒＝10000个样本。样本被分为块。根据操作条件选择块的大小，该操作条件例如接收信号的强度或S/N(信噪比)。例如，对于等于或大于阈值的接收信号强度或接收S/N来说，可以将块的大小设置为第一值，以及对于小于阈值的接收信号强度或S/N来说，可以将块的大小设置为较大的第二值。例如，对于等于或大于阈值15dB的S/N来说，每个块可以存在15个样本。因此在采样周期中存在10000/15＝666个块。对于小于阈值15dB的S/N来说，可以存在100样本/块。因此存在10000/100＝100个块。在衰落环境中使用较小的块，能够使该算法表现得更好。

对于每个样本的块，计算I $(I_n=\underset{i=1}{\overset{\mathrm{block}\_\mathrm{size}}{\mathrm{\Σ}}}{I}_i^2)$ 的幂值和Q $(Q_n=\underset{i=1}{\overset{\mathrm{block}\_\mathrm{size}}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_i^2)$ 的幂值。

对于每个块，使用以下算式，根据I的幂和Q的幂计算幅度失衡值： $A_n=\sqrt{\frac{Q_n}{I_n}}$

由此，A_n的块值是Q的幂除以I的幂的平方根值。

对于给定的块集合(例如1000个块)中每个块所求得的幅度失衡值被按照从最低到最高的顺序排序。

丢弃排序后集合中45％的最高块幅度失衡值的子集，并且丢弃排序后集合中45％的最低块幅度失衡值的子集，而仅仅保留所丢弃的子集之间的10％的块失衡值的子集。因此例如在集合中有1000个块，则450个最高块幅度失衡值和450个最低块幅度失衡值的结果被丢弃，而保留100个块幅度失衡值进行进一步处理。

根据剩余的K个失衡结果，其中K是剩余子集中的块数目，例如在上述实例中评估的块集合中的10％，利用如下算式得出几何平均值：

$A_{\mathrm{corr}}=\sqrt[K]{\underset{n=1}{\overset{K}{\mathrm{\Π}}}{A}_n}$

其中A_corr是将被校正的幅度失衡。由此，A_corr等于A的k个采样结果彼此相乘的乘积的k阶方根。

处理器204输出对应于1/A_corr的信号，以供幅度修正器205施加。在接收信号的周期期间，对所接收的FM调制信号连续且自适应性地执行所述算法。

当通过接收机200接收任何接收话音信号和相关的子音频信号传递时，可以对处理器204进行操作。然而，如果期望的话，也可以仅仅在接收机200接收特定输入信号的时候选择性地执行所述算法。例如，接收机可以对自RF发射机接收的已知模拟FM信号进行操作。例如，根据工业标准TIA603，这可以是标准FM调制信号。

对于处理在衰落环境中接收的信号来说，按照该方式将处理器204处理的多个样本分为块是有益的。如果不采用分块，则不可能丢弃由于衰落而不正确的结果。在衰落环境中，在信号包络线中存在快速变化。当信号处于深度衰落之中时，商Q/I的结果(当适用该情况时对处理过的块而言)可能会非常大(I接近于零)或者非常小(Q接近于零)。分块、排序以及丢弃高或低的结果，使得允许在幅度失衡估计中不会包含有由衰落而导致的不正确的结果。实际上，无线终端很可能总是工作在衰落环境中。

块的大小也是很重要的：对于快速衰落来说，较小的块大小是最优的，而对于低的S/N来说，较大的块大小是最优的。接收机200可以利用已知的RSSI(接收信号强度指示)不断地测量接收信号的功率。可以将结果提供给估计器204，该估计器204可以利用所提供的结果进行操作，从而自动地调节块的大小。假定在接收信号功率和接收S/N之间存在某种关系而使得对于高的接收功率来说S/N也是大的。使用接收功率阈值进行判断：当所述接收功率值等于或大于阈值时使用小的块大小，或者当所述接收功率值小于阈值时使用较大的块大小。

仅仅使用所选择的块幅度失衡结果的子集(例如在该实例中仅仅使用10％的结果)还具有这样的优点，即可以显著地降低处理器204所执行的算法的复杂性，且由此降低了所需的信号处理量。结果，这减小了并入有接收机200的终端的电池功耗。

由于得出算术平均会将偏差值引入到结果中从而给出不正确的幅度失衡估计，因此认为得出几何平均优于得出算术平均。说明该结论的实例如下：

假设对于块1Q1＝3且I1＝2，以及对于块体2Q1＝2且I1＝3并且A为1。A1＝3/2并且A2＝2/3。对A使用算术平均将得到(3/2+2/3)＝1.0833，这是不正确的结果。然而，对A使用几何平均：将得到sqrt((3/2)*(2/3))＝1，这是正确的结果(其中‘sqrt’是平方根)。

图2示出了各种处理器。如本领域技术人员所公知的，这些处理器可以是所示出的各个分立的处理器，或者两个或更多处理器的功能可以被组合到一个处理器中，例如，被编程具有计算软件的数字信号处理器。

结果

在仿真和实际的模拟FM记录信号上对处理器204执行的算法进行测试。参考图2，利用以该方式操作的直接转换接收机对实际信号进行记录。按照％测量幅度失衡(Amp IM)

Amp IM[％]＝100e其中e由下式给出：

Q(t)＝Asin(φ(t)+γ+a)＝(1+e)sin(φ(t)+γ+a)

应用所述算法时，误差的目标性能是最大误差为Amp IM＝0.5％。

对于在450MHz处的衰落环境中各种真实记录的60dbm的信号来说，测量了Amp IM误差且结果落在从0.08％到最大0.45％的范围内，且具有0.2％的平均误差。类似地，对信噪比范围为15dB到35dB的各种仿真信号进行Amp IM误差估计，且误差范围是0.08％(35dB SNR)到0.2％(15dB SNR)。

不同的是，我们也使用已知的算式

对幅度失衡误差进行了估计。在衰落信号环境中，我们使用已知的过程，得到了Amp IM为4％的平均误差值。

当在无线电接收机中使用本发明时，在制造了无线电设备存储器之后可以对其编程，从而存储初始失衡值相对于RF频率的表。在无线电设备操作期间，失衡值(幅度和相位)将随时间变化。由此，可以在该实施例的使用期间收集更新后的失衡信息，并使用该信息以提供适当的补偿，从而保持质量恰当的音频输出信号。还可以将所更新的失衡信息存储在无线电设备的存储器中，用以代替初始存储的信息。

概述

总之，已经提供了一种直接转换接收机中的自适应幅度失衡补偿的改进方法，以及提供了使用该方法操作的接收机。

在接收信号遭受噪音和/或衰落的情况下，所述方法对所需的失衡补偿的估计作出了实质上的改进。

可以在与接收机相关的存储器中对初始幅度失衡值相对于RF频率的查找表进行编程，例如，在使用接收机的移动站的存储器中。这可以是例如所谓的代码插入(codeplug)，其存储了移动站的操作程序和数据。

在使用接收机期间，作为频率函数的幅度失衡将随时间逐渐变化。处理器204收集的信息可以用于对存储器中的存储信息进行更新。

本发明改善了具有接收机的无线终端中的音频性能，其中所述接收机是在直接转换模式下的FM模拟信号上操作的。

Claims (10)

1.一种无线接收机，该无线接收机用于利用直接转换过程对频率调制的RF信号进行接收和解调，所述无线接收机包括：输入信号路径，用于传送RF输入接收信号；电路，用于产生所述接收信号的同相和正交分量；以及估计器，用于周期性地估计所述同相和正交分量之间的幅度失衡，以及用于对幅度施加相关调节，以对所检测到的失衡进行补偿，其中所述估计器操作用于操作用于

(i)将所述同相分量I(t)的样本I_i和对应的正交分量Q(t)的样本Q_i分为块；

(ii)对于每个块，计算与所述样本I_i的平方值的和相对应的块幂值I_n，以及计算与所述样本Q_i的平方值的和相对应的块幂值Q_n；

(iii)根据所述块幂值In和Qn，计算块幅度失衡值 $A_n=\frac{Q_n}{I_n}$ ；以及

(iv)计算块幅度失衡值集合的平均值。

2.根据权利要求1的接收机，其中由所述估计器计算了平均值的所述块幅度失衡值集合是从较大的块幅度失衡值集合中选择的子集。

3.根据权利要求2的接收机，其中所述估计器操作用于，丢弃块幅度失衡值的至少一个其他子集。

4.根据权利要求3的接收机，其中所述估计器操作用于，按照块幅度失衡值的大小对其进行排序，并且丢弃(i)大小大于第一阈值的块幅度失衡值的第一子集，以及(ii)丢弃大小小于第二阈值的块幅度失衡值的第二子集，其中所述第一和第二阈值中的每一个都对应于具有预定数目的块幅度失衡值的子集。

5.根据权利要求4的接收机，其中所述估计器进一步操作用于，从排序后的集合中选出块幅度失衡值的第三子集，所述第三子集具有满足如下条件的块幅度失衡值，即，所述块幅度失衡值小于所述第一子集的块幅度失衡值并且大于所述第二子集的块幅度失衡值。

6.根据权利要求1的接收机，其中所述估计器操作用于，计算所述块幅度失衡值的几何平均。

7.根据权利要求1的接收机，其中所述接收机操作用于，选择预定形式的接收信号，从而估计所述同相和正交分量之间的电流幅度失衡。

8.根据权利要求1的接收机，其中所述估计器操作用于，根据接收信号的检测属性中的至少一个来选择样本块的大小。

9.根据权利要求8的接收机，其中所述估计器操作用于，根据如下条件选择样本块的大小，所述条件是：所述接收信号的信噪比或接收信号强度是否被检测为下述各项中的至少一个：即a)高于或低于给定阈值，以及b)等于或高于给定阈值，以及所述估计器操作用于，根据如下条件选择样本块的第二较大的大小，所述条件是：所述信噪比或信号强度是否低于给定阈值。

10.根据权利要求1的接收机，其中包括：装置，用于周期性检测所述同相和正交分量之间的同相失衡，以及用于施加相对相位，以对所述所检测的失衡进行补偿。

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