CN1998213B - 用于幅度不敏感的分组检测的方法和电路 - Google Patents

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Abstract

本发明一般地涉及无线通信领域，具体涉及一种用于在数字接收器中检测所接收的数据分组的存在的方法和器件。本发明提出了一种通过在保持相位相关的同时消除对幅度波动的相关性的简化相关方法。关键改进包含：将复正交幅度调制(QAM)前同步信号在应用到匹配的复相关器之前映射为量化的相移键控(PSK)星座。这个所提出的处理本质上“幅度标准化”输入信号，而没有与除法器相关联的使用或复合。这种简化的标准化方案使得所述算法相对在输入信号的幅度变化是强壮的，同时仍然考虑了好的相关性输出。在将干扰叠加在I/Q输入信号上的应用中，本发明相对自动增益控制(AGC)标准化方法改善了检测能力。

Description

用于幅度不敏感的分组检测的方法和电路
技术领域
本发明一般地涉及无线通信领域，具体涉及一种用于在数字接收器中检测所接收的数据分组的存在的方法和器件。
背景技术
在便携通信市场中的迅速增长已经推动设计者来寻求对于按照IEEE802.11a-1999第11部分的射频(RF)收发器的低成本、低功率、高度集成的解决方案，IEEE 802.11a-1999第11部分：“无线局域网介质访问控制(MAC)和物理层(PHY)规范——在5GHz频带中的高速物理层”，其在此通过引用而被并入。本领域内的技术人员将会理解，任何无线接收器的一个重要方面是检测数据分组的存在的能力，其中，所接收的信号可能作为多径衰落和/或存在噪音的结果而变差。
使用数字解调方法的无线射频接收器通常检测能量的存在，以便启动定时机器来控制无线信号的适当获取。这个获取通常包含确定射频前同步信号或所谓的“签字”信号。
获取包含将输入信号施加到与原始RF签字“匹配”的滤波器，并且对于所述被匹配的滤波器的输出查看“峰值”以表示检测到了具有有效签字的信号。如本领域内的技术人员将会明白的，某些射频应用通过将射频信号划分为表示同相(I)和正交(Q)信道(I/Q信道)的信号分量来执行信号处理操作。如果将RF信号解调为复I/Q基带，则所述匹配的滤波器在基带也必须为复I/Q。这个处理被定义为“复匹配滤波器相关”或简称为“相关”。
如果射频信号在获取处理期间经历了迅速的自动增益控制(AGC)波动，则相关峰值的质量将变差，并且有效签字的确定可能妥协。本领域内的技术人员将会明白，AGC电路是这样的电路，通过它，作为诸如所接收的信号强度(RSSI)之类的特定参数的函数，以特定方式来自动调整增益。
以往的解决方案通过除以在接收器列(line-up)中的AGC增益的估计而将基带I或Q标准化。这种方法的问题是它需要增益值的估计。这个增益估计花费时间，并且如果有限的时间可用则通常是有噪声的，因此在其中有限时间可用的应用中(像在IEEE 802.1la中那样)，必须使用差的估计，导致有噪音的相关器输出和提高的错误检测概率。
差增益估计意味着传统的标准化将产生或者太大或者太小的相关器输出，这依赖于在输入信号的幅度和增益估计的值之间的差。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷，提供了一种相关性(correlation)的简化方法，它在保持相位关联的同时消除了与输入信号幅度波动的相关性(dependency)，这对于所述相关性处理是重要的。本发明消除了对于完全标准化的要求，所述完全标准化通常是由复乘法器电路进行，并且将其用具有M个离散复I/Q相位输出的简单查找表(LUT)取代。
按照本发明的一个方面，在一种数字无线接收器中，提供了一种用于检测在所接收的射频(RF)信号中的数据分组的存在的方法，其包括以下步骤：将所述RF信号分离为同相(I)和正交(Q)基带信号；从所述I和Q基带信号去除直流偏移以形成校正的I和Q基带信号；将校正的I和Q基带信号映射至量化的相移键控(PSK)星座；经由复相关器将被映射的I和Q基带信号与基准信号相比较；检测所述复相关器输出的峰值；并且如果所述复相关器输出的峰值大于预定门限值，则指示已经接收到数据分组，否则对于随后接收的RF信号执行所述下变换、去除DC偏移、映射和比较。
按照本发明的第二方面，在无线数字接收器中提供了一种用于检测在所接收的射频(RF)信号中的数据分组的存在的电路，包括：直流(DC)偏移模块，用于校正在从所接收的RF信号得到的同相(I)和正交(Q)基带信号中的本地振荡器(LO)泄露；获取模块，与DC偏移模块通信，包括：M元相移键控(PSK)映射器，用于将所述I和Q基带信号映射为量化的PSK信号星座；复相关器，用于从所述M元PSK映射器接收输入，以将被映射的I和Q信号与一个基准相比较；以及检测器，用于从复相关器接收输入以确定正确的签字的存在。
优选的是，所述检测器还包括：复到极坐标(C2P)流转换器，用于将复相关器的输出转换为幅度和相位值；幅度计算模块，用于确定所转换的输出的信号大小；以及峰值检测模块，与幅度计算模块通信以确定信息比特的存在。
根据本发明的第三方面，提供一种用于检测在所接收的正交幅度调制(QAM)的射频(RF)信号中的数据分组的存在的方法，该方法包括：通过以下步骤将所接收的QAM RF信号映射到量化的相移键控(PSK)星座：从自接收的QAM RF信号得到的I和Q基带信号消除直流(DC)偏移以形成校正的I和Q基带信号；将校正后的I和Q基带信号映射到PSK星座。该方法还包括通过以下步骤在匹配的复相关器中进行处理以检测数据分组的存在：经由复相关器将所述映射的I和Q基带信号与基准信号相比较；检测复相关器输出的峰值；以及如果所述峰值在预定门限值之上，则指示已经接收到数据分组。
根据本发明的第四方面，提供了一种无线数字接收器中用于检测在所接收的射频(RF)信号中的数据分组的存在的电路，该电路包括：直流(DC)偏移模块，配置用于校正在从所述接收的RF信号得到的同相(I)和正交(Q)基带信号中的本地振荡器(LO)泄露；M元相移键控(PSK)映射器，配置用于将校正的I和Q基带信号映射到量化的PSK信号星座；复相关器，配置用于将所述被映射的I和Q基带信号与基准相比较；以及检测器，配置用于响应于所述复相关器而确定与所述数据分组关联的签字。
本发明的优点现在容易是明显的。这种简化的标准化方案使得所述算法相对在输入信号的幅度变化是强壮的，同时仍然考虑了好的相关性输出。在将干扰叠加在I/Q输入信号上的应用中，本发明相对AGC标准化方法改善了检测能力。
附图说明
通过参照下面的附图而考虑下面的详细说明，将获得对本发明更好的理解，附图中：
图1是数字接收器的方框图；
图2是在图1的数字接收器中包含的数字解调器的方框图；
图3是在图2的数字解调器中包含的数字解调器前端的方框图；
图4是在图3的数字解调器前端中包含的本发明的分组检测系统的方框图；
图5是图4的分组检测系统的获取块的方框图；
图6是I/Q基带信号星座(constellation)；并且
图7是在图5的获取块中包含的检测器的方框图。
具体实施方式
参见图1，它描述了其中应用本发明的数字接收器10。优选的数字接收器10可以是例如由IceFyre半导体公司提供的ICE5350数字接收器，它执行在IEEE 802.11a标准中详细说明的所有物理层功能，但是本发明不意味着限于这种接收器。数字接收器10位于RF接收器前端12和物理介质访问控制(PHY/MAC)14之间。RF接收器前端12连接到天线A和B。如图所示，在数字接收器10中的两个主要块是数字解调器16和基带解码器18。数字解调器16通过下述方式来恢复基带信号：去除载波偏移，定时偏移，补偿信道损害和将数字调制的信号去映射(demapping)。这个块位于模数接口(未示出)和基带接口(未示出)之间。基带解码器18去交织所述基带信号，通过软判定维特比(Viterbi)算法来提供纠错，并且将所纠正的比特流破译以通过PHY/MAC14。这个块位于基带接口(未示出)和PHY/MAC接口(未示出)之间。
图2描述了图1的数字解调器16。如图中所示，模数接口位于块ADC/DAC 20。在所述图中在软判定去映射器22也可以看到基带接口。在所述图中也可以看到数字解调器16被快速傅立叶变换(FFT)电路24清楚地划分为两个部分。左面是数字解调器前端(DFE)26，而右面是数字解调器后端(DBE)28。本发明被应用到数字解调器前端26中。
图3提供了数字解调器前端26的更详细的概览。如图中所示，在所述前端中有四个主处理路径(以圈数字1-4表示)：
1)信号检测路径，其目的是确定何时存在脉冲并且选择最佳的天线供使用；
2)短码元相关路径，其目的是确定脉冲定时和进行粗频率估计，并且将所述估计传送到模拟块本地振荡器；
3)长码元相关路径，其目的是进行细频率估计，并且初始化所述数字本地振荡器；以及
4)数据检测路径，其目的是下采样正交频分复用(OFDM)码元，校正中心频率，并且去除保护间隔(GI)。
本发明涉及数据检测路径。
图4是本发明的分组检测系统的方框图。如上所述，本发明提出了一种通过下述方式的简化相关方法：消除对于输入RF信号幅度波动的相关性，同时保持相位相关性。关键改进包含：将复正交幅度调制(QAM)前同步信号在应用到匹配的复相关器之前映射为量化的相移键控(PSK)星座。这个处理本质上“幅度标准化”输入信号，而没有与除法器相关联的使用或复合。如将参照图5而更详细地讨论的，来自PSK映射器的输出可以采用在单位圆上的M个相位的任何一个，但是仅仅具有一幅度(unity magnitude)。
具体而言，如图4中所示，所述系统包括I和Q直流(DC)偏移模块30、32和获取块34。I和Q基带信号的每个必须具有在一定程度上被去除的DC偏移，因为DC偏移可能使得获取块的性能失真。本领域内的技术人员将会明白，DC偏移产生自本地振荡器(LO)泄露或馈入(feedthrough)。所述泄露信号与LO信号混合，由此产生DC分量。如果直接被放大，则所述偏移电压可使得电路饱和，抑制期望信号的放大。因此，需要偏移消除的某种手段。DC估计模块36、38估计被应用到进入的I和Q基带信号的所需要的偏移。本领域内的技术人员将会明白，一种偏移消除方法包括：使用在数字无线标准中的空闲时间间隔来执行偏移消除。
获取模块在图5中得到描述，并且包括M元相移键控(PSK)相位映射器40、复相关器42和检测器44。在数字RF系统中，通过数字基带信号来调制载波。本领域中公知的一种这样的调制技术是相移键控，其中，按照被发送的数据，载波的相位相对于获得基准相位或者紧前的信号元素的相位而离散地改变。最简单的方法二进制PSK(BPSK)仅仅使用两个信号相位：0和180度。有时有益的是，使用多级数字信号(与二进制信号相对)来调制载波。这种形式的信令被称为M元信令，其中M是用于表示所选择的相位的数量的参数。在本发明中使用的M元PSK是多级调制技术，其中，调制多个相位角(例如0、+45、-45、+90、-90、+135、-135、180)。
如在背景技术部分中所示，在解调后，所接收的信号被下转换为同相(I)和正交(Q)基带分量，分别表示余弦和正弦分量的幅度。在也称为极坐标图或Argand图的所谓的“星座”图上观看这些信号是很有帮助的——在X轴上具有同相(I)和在Y轴上具有正交(Q)的二维表示。在任何时刻，所述信号的两个值可以被表示为在这个X/Y图上的一个点。在本发明的情况下，M元PSK相位映射器42将特定的I/Q星座点映射为位于单位圆上的定义的输出I/Q，如图6中所示。如图6所示，描述了用于量化相位角和将幅度限制为“1”的几个映射。所述处理本质上“幅度标准化”输入信号，而不需要另外的分量。可以通过提高在M元PSK映射器42中的相位M的数量来获得更好的性能。
跟随所述M元PSK映射器42的是复相关器44，它将M元PSK映射器42的输出与正确(即无噪音)基准信号的所存储的复本相比较。在图7中更全面地描述的检测器46用于将复相关器44的输出转换为幅度，并且检测峰值。如果所述峰值大于预定义的门限值，则判定分组检测。检测器46包括复到极坐标(C2P)转换器48，它将从复相关器44接收的每个值转换为幅度和相位值。C2P 48的幅度输出被馈送到可选的幅度计算模块50，它按照公式(mag)^2来计算信号功率。平方幅度的计算不是绝对必要的，例如，所述幅度可以用于一些应用中。模块50的输出然后被馈送到峰值检测模块52，峰值检测模块52确定是否所述相关器峰值幅度超过某个最小的预定义的门限值。如果超过这个最小的门限值，则它指示接收到正确的“签字”，并且信息比特存在。可以获得快速峰值检测技术，如峰值信号包络检测，并且这些对于本领域内的技术人员是公知的，并且意味着要被包括在本发明的范围中。
本领域内的技术人员将会明白，本发明涉及集成电路，其中分组检测电路与其他部件组合来用于在集成电路中执行有用的功能。在上述的实施例中使用的各个电子和处理功能分别为本领域内的技术人员所公知。读者要明白，可以由技术人员设计多种其他实现来进行替换，并且在此要求保护的本发明意欲涵盖所有这样的替代实现、替换及其等效。在射频和集成电路设计领域中的技术人员将能容易地将本发明应用于对于给定应用的适当实现。
因此，要明白，在此通过举例说明而示出和描述的特定实施例不意欲限制由发明人/受让方要求保护的本发明的范围，所述范围由权利要求限定。

Claims (14)

1.在一种数字无线接收器中，一种用于检测在所接收的射频(RF)信号中的数据分组的存在的方法，包括：
将所述RF信号下变换为同相(I)和正交(Q)基带信号；
从所述I和Q基带信号去除直流(DC)偏移以形成校正的I和Q基带信号；
将校正的I和Q基带信号映射至量化的相移键控(PSK)星座；
经由复相关器将被映射的I和Q基带信号与基准信号比较；
检测复相关器输出的峰值；并且
如果所述复相关器输出的所述峰值大于预定门限值，则指示已经接收到数据分组，否则对于随后接收的RF信号执行所述下变换、去除DC偏移、映射和比较。
2.按照权利要求1的方法，其中所述检测复相关器输出的峰值包括：
将所述复相关器输出从复坐标值转换为极坐标值；
计算所述极坐标值的信号幅度；以及
确定复相关器峰值幅度。
3.按照权利要求2的方法，其中，所述计算包括使用所述极坐标值的信号幅度的平方。
4.按照权利要求3的方法，其中，所述确定包括：使用峰值信号包络检测技术。
5.按照权利要求2的方法，其中，所述如果所述复相关器输出的所述峰值大于预定门限值，则指示已经接收到数据分组包括：如果所述信号幅度超过最小门限值，则指示接收到正确的签字。
6.在一种无线数字接收器中，一种用于检测在所接收的射频(RF)信号中的数据分组的存在的电路，该电路包括：
直流(DC)偏移模块，用于校正在从所接收的RF信号得到的同相(I)和正交(Q)基带信号中的本地振荡器(LO)泄露；和
获取模块，与所述DC偏移模块通信，其中该获取模块包括：
M元相移键控(PSK)映射器，用于将所述I和Q基带信号映射至量化的PSK信号星座；
复相关器，用于从所述M元PSK映射器接收输入，并将所述被映射的I和Q基带信号与一个基准相比较；和
检测器，用于从所述复相关器接收输入并确定正确的签字的存在。
7.按照权利要求6的电路，其中，所述检测器包括：
复坐标到极坐标转换器，用于将所述复相关器的输出转换为幅度和相位值；
幅度计算模块，用于确定所述转换的输出的信号大小；以及
峰值检测模块，与所述幅度计算模块通信以确定信息比特的存在。
8.按照权利要求7的电路，其中，所述接收的RF信号包括正交幅度调制(QAM)信号。
9.一种用于检测在所接收的正交幅度调制(QAM)的射频(RF)信号中的数据分组的存在的方法，该方法包括：
通过以下步骤将所接收的QAM RF信号映射到量化的相移键控(PSK)星座：
从自接收的QAM RF信号得到的I和Q基带信号消除直流(DC)偏移以形成校正的I和Q基带信号；
将校正后的I和Q基带信号映射到PSK星座；以及
通过以下步骤在匹配的复相关器中进行处理以检测数据分组的存在：
经由复相关器将所述映射的I和Q基带信号与基准信号相比较；
检测复相关器输出的峰值；以及
如果所述峰值在预定门限值之上，则指示已经接收到数据分组。
10.按照权利要求9的方法，其中，所述检测复相关器输出的峰值还包括：
将所述复相关器输出从复坐标值转换为极坐标值；
计算所述极坐标值的信号幅度；并且
确定复相关器峰值幅度。
11.按照权利要求9的方法，其中，所述如果所述峰值大于预定门限值，则指示已经接收到数据分组包括：响应于所述复相关器峰值幅度达到或超过最小门限值，而指示接收到正确的签字。
12.在一种无线数字接收器中，一种用于检测在所接收的射频(RF)信号中的数据分组的存在的电路，该电路包括：
直流(DC)偏移模块，配置用于校正在从所述接收的RF信号得到的同相(I)和正交(Q)基带信号中的本地振荡器(LO)泄露；
M元相移键控(PSK)映射器，配置用于将校正的I和Q基带信号映射到量化的PSK信号星座；
复相关器，配置用于将所述被映射的I和Q基带信号与基准相比较；以及
检测器，配置用于响应于所述复相关器而确定与所述数据分组关联的签字。
13.按照权利要求12的电路，其中，所述检测器包括：
复坐标到极坐标转换器，配置用于将所述复相关器的输出转换为幅度和相位值；
幅度计算模块，配置用于确定所述转换的输出的信号大小；以及
峰值检测模块，配置用于响应于所述转换的输出的信号大小来确定签字的存在。
14.按照权利要求13的电路，其中，所述接收的RF信号包括正交幅度调制(QAM)信号。
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