低中频预前置码天线分集接收机
发明领域
本发明涉及天线分集接收机,涉及具有这种接收机的终端,并且涉及通过这种通信终端运营通信业务的方法。
背景技术
无线电通信***常常受到多径传输效应的困扰,这是从发射机发送的信号通过多条路径到达接收机。解决这个问题的一种方法是天线分集,为接收机提供两根或两根以上接收天线。假设天线之间的距离分得足够开,使得到达某根天线的接收信号基本上与另一根天线的接收信号无关,则当某根天线接收不到信号时另一根天线可能接收到很好的信号。利用天线分集的无线电通信的一个很好的例子是蓝牙(Bluetooth)网络,它是根据蓝牙特别兴趣组(BluetoothSpecial Interest Group)所定义的一套规范运行的。这种网络的目的在于在移动PC(移动个人计算机)之间、移动电话和其它设备之间提供低价格的、短距离的无线电链路,无论这些设备是不是便携式的。蓝牙网络使用的是无须牌照的ISM波段,频率在2.45GHz附近。在这些频率下,几个厘米数量级的天线间隔已经足以成功实现天线分集操作。
在天线分集接收机中,例如在美国专利No.5940452所公开的接收机中,分集控制器根据对信号质量的测量结果选择能够提供最佳信号的天线,即最通用的RSSI(Received Signal StrengthIndication,接收信号强度指示)。可以使用其它信道质量测量方法,例如在某种情况下,在DECT(Digital Enhanced CordlessTelecommunication,数字式增强型无绳通信)***中使用检查和(checksum)方法。在数据以分组形式发送的无线电通信***中,分集控制器最好是一个分组一个分组地选择最佳天线。在诸如如蓝牙这样的跳频***中特别应该这样,因为前后相继的分组可以用不同的频率发送,它们的特性将互不相关。
但是,在逐个数据分组的基础上实现天线分集要求轮流测量来自每根天线的信号质量(除非提供多台接收机,一般情况下不是实际的解决方法)。因此,在已知的接收机中一个接着一个地采用RSSI测量过程会花费太长的时间,特别是如果每个分组的前置码很短的话(例如,在蓝牙中只有4微秒长)。因此,在专利申请WO 0203570中提出一种天线分集接收机,可以同时比较来自两根天线的信号质量,无须使用多台接收机。其机理涉及改变开关的设定,选择来自第一根天线或第二根天线的信号,并将所述信号同时耦合到同相和正交的信道。经过改变后的开关可以将来自第一根天线的信号引导到其中一个信道,将来自第二根天线的信号引导到另一个信道中。所述结果信号围绕零频率对折,因而不能够被解调,但有效的信号强度测量仍然可以针对每一根天线进行。在发送数据的前置码期间,分集控制器能够比较来自两根天线的信号质量,并决定使用哪一根天线来发送数据的其余部分。
同一个专利申请表明,在低IF(中频)体系结构中采用多相滤波器,而不是采用低通滤波器,需要额外的电路来从I和Q信道的每一个信道导出信号,然后通过多相滤波器。每一个这样导出的信号需要通过单独的信道滤波器,滤除相邻信道的信号,然后才可以进行关于信道质量的测量。这样的花费更大,更加复杂。在任何情况下,选择使用哪一根天线的问题仍然难以解决,因为前置码太短,使得在前置码存在期间内,选择过程非常容易受到随机噪声的影响。
发明概述
本发明的目的在于提供改进的装置或方法来解决上述问题。根据本发明的第一方面,提供一种使用两根或两根以上天线的分集接收机,令其以低中频接收方式以及分集选择方式工作。所述接收机具有:中频信道;开关装置,用于在进入接收方式时将天线之一耦合到各信道;分集控制器,用于在分集选择方式工作期间比较同时从不同的天线所接收的信号质量,并且根据比较的结果,通过开关装置控制在接收方式下对天线的选择;接收机,它配置成在接收到所需信号的前置码之前,在接收载波期间以选择方式工作。
通过使用可能未经解调的载波,而不是仅仅使用前置码来进行测量,显然有更多的时间来获得更好的信道质量测量结果。更长的时间意味着沿时间平均的效果更好,因而减小对噪声的敏感性。更长的时间还允许使用速度较慢的或精确度较低的元件,从而可以降低成本。
零IF(中频)接收机不能用同样的方式获得上述这些好处,因为未经解调的载波会产生直流接收信号,无法与不需要的直流偏置充分区开来,后者将存在于两个信道滤波器的输出端。
很明显,可以同时测量来自两根或所有天线的信号,与传统的依次测量一根天线然后再测量另一根的方案相比这是有优越性的。这意味着总体使用的时间可以缩短,通常只用一半。这样做的后果是可以降低电力消耗,这对用小型电池供电的接收机来说是特别重要的。还有,利用同时测量,作为整体测量时间一部分的单个信号的测量时间就可以延长,如果信号强度随时间而变化的话,测量值就可以针对更长的时间段来平均,因而可以获得更强的对噪声的免疫力,如果信号强度随时间改变的话,测量精确度更高。还有,通过同时测量,由于信号强度在测量时间段内变化导致两根天线测量不精确性就不存在。
很明显,测量是否应该在前置码到来之前完成并不是至关重要的。在前置码到来之前,如果没有可能决定哪一根天线具有最强的信号的话,则测量可以继续在前置码期间进行。当然,这意味着只有接收机转换到接收方式之后前置码(或信号的任何一部分)的接收才能可靠地进行。
某些实施例另一个特征是:具有复滤波器(complex filter)的信道,实现信道之间的交叉耦合,用于在接收方式下输出非对称的滤波后信道信号,为了在选择方式下进行比较,控制器设置成使用独立的低通滤波的信道信号,此时不存在信道之间的耦合,。
虽然原则上可以使用其它滤波器配置,或用其它信号进行比较,但毕竟没那么方便,实现起来也较昂贵。
某些实施例另一个特征是:所述滤波器是复滤波器形式的多相滤波器,它具有以低中频为中心的不对称的频率响应,信道之间的交叉耦合是可控的,控制器设置成使用多相滤波器的输出,同时,在选择方式期间交叉耦合受到抑制。
这种方法特别有用的地方在于保持尽量小的附加电路,从而保持低价格和小体积。这样做还有一个好处是,在以选择方式工作时,通过切断交叉耦合的电源可以降低多相滤波器的功率消耗。由于多相滤波器的非耦合部分具有低通特性,所以再没有必要为信道中用于比较的信号单独提供低通滤波了。
某些实施例另一个特征是:分集控制器设置成测量在接收方式下从选择的天线接收的信号的质量。这可以用来验证在选择方式下对未调制载波的测量结果。
某些实施例另一个特征是:分集控制器设置成当在接收方式下信号的质量下降到某个阈值以下时,使开关装置将另一根天线耦合到信道中。当对所接收的信号进行的测量受到比对载波的测量更大的干扰时,这是有用的。
某些实施例另一个特征是:在选择方式下将多相滤波器的通带扩宽。这在以下方面是有用的:确保测量精度不会由于信号的各个部分在被测量之前经滤波器的抑制而下降。这种情况可能发生在例如前置码之前的载波受到连续不变”1”的调制,或中频明显高于信号的带宽的极各别情况。
某些实施例另一个特征是:分集控制器设置成按照预先确定的时间间隔来控制选择方式和接收方式之间的切换。这通常设置成与根据接收机类型的标准一致。原则上,可供选择的或附加的方法是根据接收的信号来确定时序。
某些实施例另一个特征是:接收机是与蓝牙标准兼容的。这是在商业上更重要的有价值的标准之一。
某些实施例另一个特征是:控制器设置成针对每个信号确定所接收信号的强度指示。这是一个合适的,普遍使用的措施。
某些实施例另一个特征是:这样设置用于放大来自每一根天线信号的放大器,使得在接收方式下断开对应于未被使用天线的放大器。这可以将功率消耗保持在低水平,这对于那些使用小电池供电的移动终端来说是特别重要的。
某些实施例另一个特征是:具有用于与来自天线的信号作正交混合的本地振荡器,所述本地振荡器设置成具有用于所述选择方式的不同的频率,以保证零中频工作。这是一种不同于切断滤波器之间交叉耦合的替换方法,但它的缺点是速度较慢而且需要更多的电路,因而成本更高。另一种替换方法是在选择方式期间使用较低的本地振荡频率,配合切断交叉耦合,使得在选择方式时,来自两根天线的信号在两个低通滤波器的通带内以最优方式通过。在接收方式期间,可以与较高的本地振荡频率一起使用较高的中频。
某些实施例另一个特征是:所述控制器设置成使用滤波器前的信道信号,并且把低通滤波应用于每一个信号以便确定所述信号的质量。这是另一个替代切断交叉耦合的方法,但它的缺点是需要更多的电路。
某些实施例另一个特征是:以一块或多块集成电路的形式来实现所述接收机。
本发明的另一方面是提供一种移动终端,它具有:天线;任何先前权利要求的接收机,它连接到所述天线;以及处理器,它连接到所述接收机,用于处理由所述接收机接收的数据。这明确地申明:所述优点的贯彻能够制造更好终端,其附加价值比只有接收机元件本身的价值大得多。
本发明得另一方面是利用所述终端提供通信服务的方法。这再次明确地申明:所述优点的贯彻可以提供改进的服务,其附加价值比只有接收机元件本身的价值大得多。
可以将上述任何特征组合在一起,或者将其与本发明的任何方面相结合。这对于本专业的技术人员将是明显不过的。本专业的技术人员可以明白其它优点,尤其是发明者所不知道由于先有技术的其他优点。
附图说明
现在将通过示例,结合参考附图来描述本发明的实施例,附图中:
图1表示用于无线链路和网络的接收机的实施例;
图2表示接收机的工作;
图3表示处于选择方式下的接收机的实施例;
图4表示选择方式下可切换多相滤波器的频率响应曲线;
图5表示处于接收方式下的接收机的实施例;
图6表示处于接收方式下的多相滤波器的频率响应曲线;以及
图7表示多相滤波器的示例。
详细说明
图1,接入网络的接收机的实施例
图1表示接收机60的实施例,接收机60通过无线链路与另一台可以被包括在任何类型装置中的无线终端3连接。所述链路可以是蓝牙或其它类型,另一台终端可以是独立的装置,也可以连接到网络90。一种特定的应用是接收与通信业务有关的数据,所述数据由操作人员通过网络提供,例如话音业务或信息业务。在本示例,接收机被包括在移动终端70中,虽然原则上它可以应用于基站。移动终端包括适合于空间分集接收的一对天线1、2。移动终端的其它部件如用户接口、数据或话音处理功能等等用部件80表示。所述接收机可以用于任何类型的终端。通常情况是,接收机被包括在收发信机中,虽然为清晰起见,其发射部分没有被显示出来。
所述接收机包括:开关装置10;I和Q信道20、30;以及分集控制器50。接收机还有其它任选部件(例如信道的带通处理)没有展示。接收机的一个特征是,在正常接收中需要使用两个信道(通常是I和Q),但在信号质量测量和比较期间,可以把不同的信号馈送给每个信道。开关负责连接天线,使得在接收方式下一根天线同时耦合到两个信道。在选择方式下,来自每根天线的信号被单独处理,使得可以同时测量各自的信号质量并加以比较。在接收方式下会使用质量较好的天线。当接收条件改变的时候,分集控制器进入选择方式后常常会更新选择,特别是当移动终端正在移动的时候。例如,可以在每一个分组之前重复或者在一串分组之前重复更新选择。
在接收方式下使用的相同的I和Q信道可以被切换并且用于处理这些信号,以便获得信号质量的测量结果,如图解说明的。或者,在原则上可以使用复制信道,虽然这会增加电路和成本。所述接收机可以用集成电路实现。
图2接收机的工作
图2表示图1所示接收机的工作步骤。左边的一列表示天线的信号状态。中间的一列表示开关装置的状态。右边的一列表示分集控制器的工作。在第一行,所接收的信号是未调制的载波信号或其它不想要的信号或所需信号之间的信号。分集控制器起控制开关装置将不同天线的信号馈送到不同信道的作用。控制器测量这些信号并比较信号的质量。所述测量可能持续一段时间,以便基于平均质量作出判断,以便获得关于哪根天线用来接收后继的所需信号的决定。所需信号前面可能还有前置码,如图2的第2行所示。在前置码之前或进行期间的任何时候完成对信号质量的测量之后,控制器完成从选择方式到接收方式的转换。前置码可以定义为预加在信号的信息部分前面的接收信号序列,其目的是定时同步和/或接收机中的所需信号识别。
改变第二行所示的开关装置,以便将一根天线(作为先前选择方式的结果选中的那一根)同时耦合到两个信道。前置码取决于空中接口标准,可以提供足够的时间来测量解调信号的实际信号强度。这可以根据RSSI标准来测量,正如蓝牙或其它无线规范中所定义的那样,或者其它任意的信号强度测量都可以用来驱动分集控制器,如果需要的话,也可以转换为所需的RSSI格式。这可以选择让控制器去执行并与阈值作比较。如果信号强度太低,则控制器会在所需信号到达之前设法转换到其它天线。第三行表示以数据分组形式出现的所需信号,分组形式与抵达天线的通信业务有关。处于接收方式下的分集控制器及时让接收机接收需要接收的数据分组中的每一个数据比特。设定开关装置,让选择的天线同时耦合到两个信道。在分组或分组串之后,控制器可以返回到选择方式。
图3、4选择方式下的接收机实施例
图3是表示选择方式下的接收机实施例的方框示意图。同样的实施例会在图5表示并使用相应的标号,但此时处于接收方式。所述接收机可以是图1所示的接收机或其它接收机的示例。射频(RF)信号被第一和第二天线100、110所接收,通过天线滤波器120、130,并被相应的低噪声放大器(LNA)170、160所放大。在这一级,射频(RF)信号包括第一频带,所述频带包括所需的信号,而第二和第三频带则包括不想要的相邻频带的信号。
低噪声放大器(LNA)的输出经由以第一和第二双向开关180、190形式出现的开关装置,被耦合到正交相关混合器220、210。这是在分集控制器(DC)230控制下完成的,分集控制器230还负责比较所接收的信号质量。分集控制器(DC)还连接到低噪声放大器(LNA),当在接收方式有未使用的LNA时,就切断通向所述LNA的电源。当两个开关同时处于”上”位置时,这种情况如图5所示并继续在下面讨论,接收机的行为与传统的低中频接收机没有区别,它接收并处理来自第一天线的信号。同样,当两个开关都处于”下”位置时,只接收来自第二根天线的信号。虽然这里展示了两根天线,但是完全可以具有多于两根的天线,通过多位开关和更为复杂的分集控制器(DC)来执行例如多重比较等任务。
一对正交相关混合器分别接收同相(I)、正交(Q)和本地振荡器(LO)信号。LO信号由压控振荡器(VCO)200产生,由具有稳定的参考信号源140的频率合成器(SYN)150驱动。LO信号偏离包含所需信号的频带的中心频率,这样,混合器将信号混合成中频。信号现在具有的频带包含所需信号的频率,以及在上下两边包括其它相邻信道信号的频带。
来自I和Q混合器的输出信号接下来被中频放大器250、240放大,然后被多相I和Q信道滤波器260滤波。所述滤波器作为接收方式下的信道滤波器和选择方式下的一对低通滤波器。多相滤波器是复有源滤波器,它具有以低中频为中心的对称的频率响应,如图6所示。它们之所以有用,是因为它们能够用在低中频接收机,在这种接收机中,在解调器的输出端简单地利用一只电容器阻隔无用的DC频率偏移,并且交流耦合所接收的信号。这在典型的零中频接收机中,比DC复位电路较为容易实现(或比容许DC偏置更好)。多相滤波器通常用运算放大器、电阻或用回转器(gyrator)和电容器来实现,如图7所示。在所有两种情况下,多相滤波器实际上由I和Q通道各一只低通滤波器,加上将I交叉耦合到Q以及从Q到I的元件组成。其尺寸是单独两只真正的低通滤波器的两倍。正是交叉耦合将频率响应偏移到所需的中频。如果交叉耦合被切断或被断电,如图4所示,则通带的中心频率就偏移到零中频,而带宽则保持不变,除非作如下所述的变更。
当第一开关180处于”上”位置而第二开关190处于”下”位置时,可以进行同时的信号质量测量(或比较)。来自第一天线的信号被馈送到I混合器,混合后降低到中频频率并滤波。所产生的信号不能解调,但仍然可以进行有效的信号强度测量。类似地,来自第二天线的信号被馈送到Q混合器210,经滤波后可以对其进行信号强度测量。来自第一天线的信号与同相本地振荡(LO)信号混合而来自第二天线的信号与正交的本地振荡(LO)信号混合这一事实并无大碍,因为它对所测量的信号强度没有影响。
分集控制器在所发送数据的前置码到来之前可以比较来自两根天线的信号质量,并决定使用哪一根天线来接收余下的数据。从选择方式到接收方式的转换时间将根据空中接口标准,按照预先确定的时间间隔来设定。对于蓝牙标准来说,在一定的容差范围内,接收机知道什么时候可以收到一个分组,在分组到达之前的前置码的时间有多长。这些时间设定受到分集控制器(DC)的监控。如果比较过程不能及时完成,则DC可以选择将选择方式延长到前置码中去。
一般来说,在前置码到来之前所接收的信号通常比前置码的延续时间长得多,也许甚至比分组长,至少对蓝牙信号来说是如此。这是因为它需要长的时间来将发射本地振荡器锁定到所需的频率并在允许的容差范围内,而且因为启动接收机中的功率放大器会将本地振荡器(LO)的频率拉离,因而在启动功率放大器的同时需要(细)调谐本地振荡器(LO),因此,这时它发射信号,而接收机可以看到所述信号。
图5、6接收方式下的接收机实施例
图5表示在接收方式下与图3一样的实施例。当完成比较来自所有天线的信号并作出了决定的时候,分集控制器(DC)进入接收方式,如图5所示,相应地设定开关,并控制多相滤波器使所述接收机的性能如同一台普通的低中频接收机。分集控制器(DC)还控制低噪声放大器(LNA),使在接收数据期间,断开与未被使用天线连接的LNA,籍此将接收机的功率损耗降到最小。分集控制器(DC)的这些功能可以用带有模拟和数字器件的传统电路实现,例如与接收机其它器件一样,用集成电路实现。
在接收方式下,来自多相滤波器的输出信号被电容器290、280耦合到I和Q限幅器300、310,然后由I和Q单比特模拟到数字转换器(ADC)330、320转换成数字信号。这些限幅器在将信号输入到ADC之前,去除其幅度信息。然后数字信号通过带通处理模块(BB)340,在那里它们被解调。频谱折叠的效应可以利用I和Q信道的带通处理去除。
与传统的低中频接收机相比,这里所展示的本实施例的接收机只需要少量的附加电路(在所示的实施例中,是一只低噪声放大器LNA和两只开关),因而接收机的功率损耗只增加一点点,特别是如果像上面提到的,在数据接收期间断开多余的LNA(低噪声放大器)更是这样。
可以构想出所述接收机的可供替换的结构,例如,可以先将信号解调后再通过基带部分。所提到的部件,例如限幅器、交流耦合和数字模拟转换器等,全都是可以根据所需的实现方案来决定的。
图7多相滤波器
图7表达上述实施例或其它实施例中使用的多相滤波器的示例。它呈现使用回转器和电容器的双低通滤波器结构,两滤波器电路之间存在交叉耦合。众所周知,回转器是用来仿真电感的,它由晶体管和电容器组成,用集成电路很容易制造出来,与电感器不一样。在本示例中,每个滤波器结构由回转器链400组成,横跨每个回转器的输入端有并联耦合电容器450。交叉耦合的实现靠将每个回转器的输入端耦合到另一个滤波器结构的回转器链的对应部分来实现。每一个交叉耦合链接由另一个回转器420来提供。出现在每一个链环的输入端的是信号源430和输入阻抗440。链环的长度可以根据所要求的滤波器特性,遵循既定的原则来确定。为了让所述多相滤波器可切换,提供一种可以抑制交叉耦合的机构,简单地降低或除去交叉链接回转器420的电力供应,或者通过其它手段,如在链接处设置开关就可以实现。
所述滤波器的频率响应如上面提到的图4和图6所示。其中一个进一步的改进是在选择方式时修改频率响应,拓宽通带的宽度。所述措施用于处理极个别的情况,如前置码到来之前的信号被连续的”1”所调制,这可以令信号超越目前的低通滤波器的通带,其结果可能会减弱信号的强度,使得测量精确度降低。因为同样的情况会同时在两根天线发生,比较会仍然有效。还有,可测量的RSSI(接收信号强度指示)将会明显低于可以有效解调的信号电平(也是说,在灵敏度信号强度之下)。这样,即使下降例如16dB,强度仍然足以被测量出来。尽管如此,通过扩展滤波器的带宽,以及令其在选择方式下成为低通的,这种事情就可以避免。无论如何,通常配备可变带宽是内置的功能,它允许根据处理范围的扩展作最佳调节,其做法是根据现行的设计原理,将滤波器的某些元件用开关接入或去除。
其它变化及结论
可以对接收机的设计作出改变。例如,可以将限幅器去除;用多比特模拟数字转换器(ADC)代替单比特ADC;直接从接收机的数字部分测量信号的强度等。上面所公开的实施例是一种直接转换型接收机,在那里射频(RF)被直接转换到中间频率。然而,本发明可以应用于低中频结构,正如在那些采用两级下变频接收机那样。权利要求中的信道可以由所示元件链的全部或一部分来实现。
已经参考蓝牙规范阐述了各种实施例,但很明显,它可以应用于其它采用天线分集的通信***。例如,UMTS(Universal MobileTelecommunication System,通用移动通信***),GSM(Global Systemfor Mobile communications,全球移动通信***)或DECT。
多相滤波器实际上可能存在的一个缺点是,当被转换为两个低通滤波器工作时,它不再排斥来自负向邻近信道的干扰信号。如果存在负向邻近信号,则将基于所需信号和干扰信号的组合来选择天线。如果干扰信号远大于所需信号,则根据对干扰信号的RSSI(接收信号强度指示)的估值来选择供所需信号使用的最佳天线,因而出错。通常干扰信号会被调制,而所需信号则不会。干扰信号强度被滤波器削减的程度将大于所需信号。在蓝牙接收机中,由干扰信号引起问题的可能性很小。假定有79个蓝牙信道,则最坏的情况是,偶然选中一根不是最佳的天线。对蓝牙而言预期到达时间的误差为±10微秒。因此***应能至少提前10微秒做好准备(进入接收方式,换句话说,单天线IQ方式)。如果因强烈的负向邻近干扰造成选错天线,则在适当接收所需信号的时候,测量得的RSSI将会下降。如果RSSI下降到灵敏度电平以下,信号就不能被接收。如果蓝牙信号没有提前到达,则可能仍然有时间去测量RSSI,如果所述值太低,转换到另一根天线,期望它会好些。这种改进措施有助于减轻这种干扰问题。
还有一种选择是”无源多相滤波器”。这是另一种类型的滤波器,它只使用无源元件,即不用电流。它没有低通频率响应,它改而只拒斥负向频率,而使所有正向频率通过。如果信号在通过有源多相滤波器之前或以后通过一只无源多相滤波器,所做的事情与在选择方式或接收方式没有什么不同,故它对接收方式没有影响(除了可能有助于减小由于IQ不均衡的不足造成的镜像外)。但在选择方式下,它会排斥负向邻近信道,从而解决了根据强大的负向邻近干扰来选择天线的问题。这要求更多的电路来实现,但至少它不需要消耗额外的电流。
正如上面已经阐明的,天线分集接收机具有低中频接收方式和分集选择方式,以及开关装置,用于在处于接收方式时将天线之一耦合到中频信道并在选择方式将每一个信道耦合到一根不同的天线。分集控制器负责比较在选择方式期间同时从不同天线接收来的信号质量,并在接收方式下控制开关装置,以便使用较好的天线。信号质量的测量在接收所需信号前置码之前的载波时进行,以便有更长的时间来获得更好的信号质量测量,而且使相对于时间取平均的效果更好。各信道具有多相滤波器,信道之间存在可切换的交叉耦合,这样在选择方式下,它的作用是两个独立的低通滤波器。其它的变化和示例在权利要求书范畴内对本专业的技术人员而言,是显而易见的。