專利名稱：估計功率的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)區(qū)段本發(fā)明通常涉及移動通信系統(tǒng)。特別是，本發(fā)明涉及一種估計通信信號或形成子波束的信號組的功率的系統(tǒng)和方法。本發(fā)明最常用于使用衛(wèi)星的移動通信系統(tǒng)，其中衛(wèi)星功率跟蹤十分重要。
背景技術(shù)：
衛(wèi)星通信系統(tǒng)是一種將信息傳送很遠距離的手段。典型的衛(wèi)星通信系統(tǒng)使用稱為網(wǎng)關(guān)的基站，并且一個或多個衛(wèi)星在網(wǎng)關(guān)和一個或多個用戶終端之間中繼通信信號。網(wǎng)關(guān)為從一個用戶終端到另外一個用戶終端或其他連接著的通信系統(tǒng)(例如公用電話交換網(wǎng))中的用戶提供了通信鏈路。用戶終端可以是固定的也可以是移動的，例如移動電話，并且位于任何可以和衛(wèi)星通信的地方。
衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器是衛(wèi)星中接收和發(fā)送網(wǎng)關(guān)和用戶終端之間信號的部分。一個衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器為了成本效益必須能同時承載大量用戶。不同的衛(wèi)星接入方案例如時分多址(TDMA)和碼分多址(CDMA)擴頻允許大量用戶接入轉(zhuǎn)發(fā)器。數(shù)字CDMA優(yōu)于其他的衛(wèi)星訪問方案，因為能以較低的成本和較高的質(zhì)量載傳送較多的通信信號。其部分原因在于CDMA系統(tǒng)能用低功率的信號，從而使交叉信道干擾最小化，并且保存了衛(wèi)星功率。
在典型的擴頻通信系統(tǒng)中，在用戶信息信號調(diào)制到載波作為通信信號發(fā)射前，用預(yù)選的偽噪聲(PN)碼序列將其調(diào)制或“擴展”在預(yù)定的頻帶上，PN擴頻作為一種擴展頻譜傳輸，本領(lǐng)區(qū)段的技術(shù)人員已熟知。
在典型的CDMA擴頻通信系統(tǒng)中，信道化碼用于區(qū)分前向鏈路(也就是從基站或網(wǎng)關(guān)到用戶收發(fā)機的信號路徑)上同一區(qū)內(nèi)不同用戶的信號，或衛(wèi)星波束或子波束中發(fā)送的用戶信號。即，區(qū)分是每個用戶收發(fā)機。
在一個CDMA系統(tǒng)中，每個客戶、訂戶或用戶終端通過使用“覆蓋”或“信道化”正交碼來分配一個單獨、正交的通信信道。Walsh函數(shù)通常用來實現(xiàn)信道化碼，典型的長度為陸地系統(tǒng)是64碼片，而衛(wèi)星系統(tǒng)128碼片。CDMA系統(tǒng)將各單獨的碼信道組合為單一的窄帶信道，以便同一波形散布大量信道。結(jié)果，多個客戶或用戶同時分享同一“窄帶信道”，在這里可以互換稱為“CDMA信道”“子波束”或“載波”。因為多個客戶或用戶分享同一子波束，如果一個或多個客戶或用戶信號的功率比同信道上的別的客戶或用戶預(yù)定的信號功率高，可能會導(dǎo)致不可接受的運行的干擾就可能發(fā)生，除非子波束上的用戶人數(shù)減少。更重要的是，這種額外功率減少了其他用戶信號可獲得的功率，以及全部的容量。
在典型的CDMA系統(tǒng)中，網(wǎng)關(guān)和衛(wèi)星的通信通過空間上劃分成很多(例如16個)正向和反向波束(也稱為鏈路)的鏈路實現(xiàn)。在正向鏈路上，被網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)男畔⑼ǔＪ抢妙l分和極化復(fù)用傳輸。在一種示范系統(tǒng)設(shè)計中，前向鏈接使用C-波段頻帶，這種頻帶分為使用右圓極化(RHCP)的8個單獨16.5MHz“信道”或“波束”，和使用左圓極化(RHCP)的8個單獨16.5MHz“信道”或“波束”。這種單獨16.5MHz信道又由13個帶寬各為1.2MHz的“子信道”或“子波束”組成，這些子信道通過頻分多路復(fù)用(FDM)一起形成波束。這些FDM子波束是上述的窄帶信道，通過合并很多碼信道形成。
為了傳輸給衛(wèi)星，單獨的FDM子波束被一起頻率多路復(fù)用，來創(chuàng)建一個寬帶信道。寬帶信道具有預(yù)先為特定衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計的帶寬。在這個例子中，采用160MHz帶寬，包含有104個子波束，其數(shù)量是13個子波束的8倍。寬帶信道承載104個子波束的能力依賴于限制每個子波束的功率，只要達到高質(zhì)量傳輸?shù)谋仨氉钚」β示涂梢粤?。子波束的功率控制不僅對于高質(zhì)量傳輸是必須的，而且對于確保寬帶信道上所允許的子波束最大數(shù)目的功率有效使用也是必須的。
一種使用寬帶功率測定來控制單獨窄帶信道(子波束)的增益的系統(tǒng)和方法已經(jīng)發(fā)展起來。那種系統(tǒng)和方法使用傳輸功率跟蹤回路(TPTL)，通過調(diào)整應(yīng)用在被傳輸信號上的增益來控制單獨窄帶信道(子波束)的功率。這種系統(tǒng)和方法在美國專利號為09/150,545，名為“使用寬帶功率測定的單獨窄帶信道增益控制系統(tǒng)和方法”(System And Method For Gain Control Of Individual NarrowbandChannels Using A Wideband Power Measurement)中有描述，這項專利已經(jīng)轉(zhuǎn)讓給受讓人，按參考資料在此全部引用。開環(huán)和閉環(huán)功率控制在TPTL中都被應(yīng)用。閉環(huán)控制需要每個單獨子波束的功率控制。為了控制每個子波束的功率，就有必要決定每個子波束功率。然而，在需要有效控制增益的時間幀中，測定單獨子波束功率有一些困難。另外，執(zhí)行這樣的功率估計是非常密集的計算，尤其是對于控制軟件執(zhí)行。因此，需要一種判斷和估計單獨子波束功率的替代系統(tǒng)和方法。
單獨子波束功率的判斷可以被用于監(jiān)測接收子波束的衛(wèi)星的功率消耗。衛(wèi)星需要功率來接收和中繼子波束。衛(wèi)星通過存儲在電池中由太陽能板所收集太陽能來提供功率。因為衛(wèi)星僅僅在太陽照射下才充電，衛(wèi)星的能量受限于其暴露在太陽前的時間。
因為衛(wèi)星的有限能量，所以衛(wèi)星可能會耗盡其能量。為了正常運作衛(wèi)星，了解每個被傳輸子波束的功率消耗是有必要。例如，為了在服務(wù)提供者中分配功率，就有必要了解在單獨子波束基礎(chǔ)上傳輸所需的功率大小。并且，為了保護衛(wèi)星避免過載所帶來的損失，也有必要了解每一子波束上傳輸所需的功率。
對衛(wèi)星電池的適當(dāng)管理對于衛(wèi)星群的壽命十分重要。為了處理通信量而減少的電池能量必須在太陽照射衛(wèi)星時充電補充。如果處理通信量而減少太多的電池能量，衛(wèi)星必須在太陽的照射下停留更多的時間或必須開取電池儲備能量。當(dāng)接用電池儲備能量時，電池的運行壽命就會減少。衛(wèi)星能量估計質(zhì)量部分取決于每個子波束功率估計。具體而言，衛(wèi)星功率使用率可以通過測定發(fā)送給衛(wèi)星的信號功率來測定出。這是因為衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器所發(fā)送的信號功率和轉(zhuǎn)發(fā)器所接收的信號功率成比例。
因而，估計從網(wǎng)關(guān)到衛(wèi)星之間傳輸?shù)拿總€子波束功率是必要的。這些估值可以用于決定功率消耗，并且可以用于調(diào)節(jié)每個子波束功率的控制系統(tǒng)。具體而言，需要估計每個子波束功率，以便跟蹤衛(wèi)星中功率消耗和利用率。另外，估計子波束功率對于限制每個子波束功率也是必要的。而且，估計子波束功率對于分配服務(wù)提供者的容量，以及提供帳單信息也是必要的。更進一步，估計子波束功率對于避免衛(wèi)星過載以及避免違反發(fā)射流強度限制也是必要的。
估計功率的系統(tǒng)應(yīng)該消耗最小數(shù)量的功率，并且有比較低的復(fù)雜度，從而占用最小的空間。這時因為用于執(zhí)行功率估計的系統(tǒng)的集成電路或芯片的尺寸，以及芯片處理時的功率大小是有限定的。另外，芯片越大，也就是說芯片上有越多的邏輯門，那么制造芯片的花費也越大。另外，芯片上有越多的邏輯門，那么所需驅(qū)動這些門的功率也越大。因為芯片僅僅能耗散不多的功率，具有太多邏輯門的芯片也將產(chǎn)生太多的熱量，引起芯片失效。另外，驅(qū)動芯片所需的功率越大，驅(qū)動芯片的花費也就越高。因而，減少芯片上的邏輯門數(shù)量可以減少制造成本以及芯片功率消耗，增加芯片的可靠性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是關(guān)于一種在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中估計信號功率的系統(tǒng)和方法。信號通過分隔裝置與多個區(qū)段進行比較并分到這些區(qū)段。每個區(qū)段都分配特定的輸出值。輸出值大約是依據(jù)已知輸入信號特征的輸入信號的平方。用低通濾波器對多個輸出值進行平均。在一個實施例中，低通濾波器包括無限脈沖響應(yīng)濾波器。
本發(fā)明的一個特征在于用預(yù)定數(shù)量的二進制位代表輸入信號時，由于預(yù)定數(shù)量的二進制位兩倍的二進制位代表分配的輸出值。
本發(fā)明的另一個特征在于用預(yù)定數(shù)量的二進制位代表輸入信號時，由少于預(yù)定數(shù)量的二進制位的二進制位代表分配的輸出值。
本發(fā)明的另一特征在于由四相移鍵控(QPSK)調(diào)制器的I信道和Q信道產(chǎn)生輸入信號時，該調(diào)制器產(chǎn)生的信號的總功率可以依據(jù)I信道功率與Q信道功率的比率來決定。
本發(fā)明的再一個特征在于分隔裝置的輸出代表輸入信號的瞬時功率，并且濾波器的輸出代表輸入信號的平均功率。
本發(fā)明的另一個附加特征在于分隔裝置的輸出與輸入信號的瞬時功率成比例，并且濾波器的輸出與輸入信號的平均功率成比例。


圖1說明在移動通信系統(tǒng)中網(wǎng)關(guān)和用戶終端之間通信鏈路的示范實施例。
圖2A是根據(jù)本發(fā)明測定信號功率系統(tǒng)的高級框圖。
圖2B是根據(jù)本發(fā)明使用12位信號采樣估計信號功率系統(tǒng)的高級框圖。
圖3是根據(jù)本發(fā)明一實施例來說明信號功率估計系統(tǒng)的高級框圖。
圖4是根據(jù)本發(fā)明一實施例來說明信號功率估計系統(tǒng)的高級框圖。
具體實施例方式
本發(fā)明是一種估計信號功率的系統(tǒng)和方法，該信號功率例如由隨時間變化的電壓或電流值代表。信號瞬時功率可以通過信號量化表現(xiàn)的平方來決定。這時因為功率與電壓的平方成比例。對時間的平均功率可以依據(jù)這些瞬時功率判斷來決定。可用數(shù)字平方電路對信號進行平方?？捎玫屯V波器對平方電路的輸出進行平均。
在以數(shù)字技術(shù)實現(xiàn)時，如果精度沒有丟失，平方電路輸出需要的是輸入位的兩倍。這個輸出，代表瞬時功率，輸入到低通濾波器在時間上對其進行平均。依據(jù)用于代表輸入信號的位數(shù)，平方電路會在邏輯門方面大得驚人，并且消耗太多的能量。進一步，用很多位代表平方輸出，平方電路之后的低通濾波器內(nèi)部會需要大量的位，以使所有輸入避免量化噪聲支配濾波器輸出。另外，濾波時間常數(shù)(與采樣率倒數(shù)相關(guān))大，如果使用太少的位來代表反饋支路，會導(dǎo)致不穩(wěn)定。
本發(fā)明利用稀疏查表(LUT)來代替上述平方電路。具體而言，用稀疏查表來分隔輸入信號到多個區(qū)段中去，其中每個區(qū)段都分配特定的輸出值。這些輸出值大約是依據(jù)已知輸入信號特征的輸入信號的平方?？梢酝ㄟ^在稀疏LUT中選擇多個區(qū)段，并且了解所需估值的精度時，使用已知輸入信號的特征來大大減少代表這些輸出值所需的位數(shù)。通過減少代表輸出的位數(shù)，用于平均瞬時功率估值的低通濾波器可以更加容易地在集成電路上制造，該濾波器內(nèi)部具有適合的位數(shù)。另外，稀疏LUT數(shù)字化所使用的邏輯門比平方電路要少，這將導(dǎo)致更少的功率消耗和更小的整數(shù)字電路尺寸。通過減少芯片上的邏輯門數(shù)量，制造和運行芯片的成本可以減少，并且可以增加電路或芯片的可靠性。
在其他應(yīng)用中，本發(fā)明可以適用于不同的無線通信系統(tǒng)中，包括衛(wèi)星電話系統(tǒng)。在本較佳實施例中，本發(fā)明直接估計從網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)叫l(wèi)星的子波束功率。特別是，較佳的應(yīng)用是在碼分多址(CDMA)無線擴頻衛(wèi)星通信系統(tǒng)中。下面是本發(fā)明所使用的系統(tǒng)的概述。
I、系統(tǒng)概述圖1說明了在移動通信系統(tǒng)100中網(wǎng)關(guān)102和用戶終端104之間通信鏈路的示范實施例。所要補充的是通信系統(tǒng)100使用CDMA類型通信信號，但本發(fā)明并不需要。在圖1所說明的通信系統(tǒng)的一部分中，衛(wèi)星106以及相關(guān)的網(wǎng)關(guān)102被展示用于實現(xiàn)與遠端的用戶終端104通信。這種系統(tǒng)中網(wǎng)關(guān)和衛(wèi)星的總數(shù)依賴于期望的系統(tǒng)容量，以及本領(lǐng)區(qū)段所熟悉的其他因素。
用戶終端104和衛(wèi)星106之間的通信鏈路被稱作用戶鏈路，而網(wǎng)關(guān)102和衛(wèi)星106之間的鏈路被稱為饋線鏈路。正向的通信過程是先通過正向饋線鏈路110從網(wǎng)關(guān)102上傳，隨后通過正向用戶鏈路112從網(wǎng)關(guān)102下載到用戶終端104。而返回或“反向”通信過程是通過返回用戶鏈路114從用戶終端104上傳到衛(wèi)星106，并且隨后通過返回饋線鏈路從衛(wèi)星106下載到網(wǎng)關(guān)102。
在正向鏈路110上，信息通過網(wǎng)關(guān)102利用頻分以及極化復(fù)用來傳輸。如上所述，在示范實施例中，所使用的頻帶被分成使用右圓極化(RHCP)的8個16.5MHz的單獨“信道”或“波束”，以及使用左圓極化(LHCP)的8個16.5MHz的單獨“信道”或“波束”。這些單獨16.5MHz信道又由一些帶寬各為1.23MHz的頻分多路復(fù)用(FDM)“子信道”或“子波束”組成。在本實例中，有13個這樣的子信道，而應(yīng)該了解的是更多或更少一些信道也能被使用。每個FDM子波束由單獨的調(diào)制器電路產(chǎn)生，并且具有相關(guān)信道或波束功率。每個FDM子波束用CDMA類型擴頻系統(tǒng)中的正交碼或TDMA型系統(tǒng)中的時隙，劃分成用戶信道。本發(fā)明并不局限于信道調(diào)制的特定類型。在CDMA通信系統(tǒng)中，每個碼信道，例如一個128 Walsh覆蓋信道，代表用于服務(wù)正向鏈路上的用戶所消耗的功率。一些正交碼信道也可能由導(dǎo)頻信號使用，該導(dǎo)頻信號提供相位基準(zhǔn)和時間基準(zhǔn)，以及其他額外開銷信號。
在相反方向，用戶終端104根據(jù)空間分隔波束模式來傳輸。衛(wèi)星106接收這些信號，并且對它們頻分多路復(fù)用于衛(wèi)星到網(wǎng)關(guān)的饋線鏈路106。
II、網(wǎng)關(guān)網(wǎng)關(guān)102通過在用戶終端和當(dāng)?shù)匾苿与娫捊粨Q局(MTSO)(沒有展示)、公用交換電話網(wǎng)(PSTN)(沒有展示)、或其他連接的所知期望通信系統(tǒng)之間使用衛(wèi)星106來提供通信鏈路。網(wǎng)關(guān)102從本地MTSO或PSTN接收打算給系統(tǒng)用戶的電話呼叫、數(shù)據(jù)和/或傳真數(shù)據(jù)、或其他信息，并且生成上述的碼信道、子波束和波束來傳輸給衛(wèi)星106。衛(wèi)星106隨后將這些信號重發(fā)給一個或多個用戶終端104。在返回或反向鏈路，網(wǎng)關(guān)102使用衛(wèi)星106接收從用戶終端104來的語音、數(shù)據(jù)、傳真數(shù)據(jù)、或其他信息，并且將用戶通信鏈路或呼叫連接到MTSO或PSTN，這些能將用戶終端104連在標(biāo)準(zhǔn)電話系統(tǒng)、其他移動電話系統(tǒng)或其他已知連接類型的通信系統(tǒng)。
網(wǎng)關(guān)102調(diào)制例如從PSTN或MTSO到來的預(yù)定給用戶終端的信號，并通過衛(wèi)星106發(fā)送給用戶終端104。網(wǎng)關(guān)102也從衛(wèi)星106接收并解調(diào)信號。網(wǎng)關(guān)102中的發(fā)送電路或裝置包括產(chǎn)生子波束的調(diào)制器。這些調(diào)制器接收信道數(shù)據(jù)，并擴頻調(diào)制這些信道數(shù)據(jù)。被調(diào)制的信號隨后被送到上變頻器。網(wǎng)關(guān)102中的每個調(diào)制器都與相應(yīng)用于對從中頻帶(IF)到期望射頻帶(RF)的被調(diào)制信號進行上變頻的上變頻器相連。上變頻器與將單獨的子波束信號相加為寬波束信號的加法器相連。要尋求更詳細的調(diào)制器信息，可以參閱美國專利號5,103,459，其名為“CDMA蜂窩電話系統(tǒng)中用于產(chǎn)生信號波形的系統(tǒng)和方法”(System and Method forGenerating Signal Waveforms in a CDMA cellular Telephone System)，該文件按參考資料在此引用。并不局限于這種應(yīng)用，本發(fā)明可能被用于估計這些子波束的功率。
III、衛(wèi)星衛(wèi)星106是組成低地球軌道(LEO)衛(wèi)星系統(tǒng)的許多衛(wèi)星中的一個。一種示范的LEO衛(wèi)星系統(tǒng)計劃包括48或更多的繞大約離地球表面763英里，包含了對赤道傾斜50度范圍的低地球軌道運行的衛(wèi)星。除LEO衛(wèi)星外，任何接收和發(fā)送來往于天線之間的信息的通信設(shè)備，包括位于其他距離和軌道上的衛(wèi)星系統(tǒng)，也可以在本發(fā)明中應(yīng)用。
衛(wèi)星106接收信號，并對其去復(fù)用。這些信號可能使用兩個正交極化，來獲得分別具有預(yù)選帶寬的M個單獨信號，這些預(yù)選帶寬對應(yīng)于期望的空間分隔波束模式。通常，一個衛(wèi)星的覆蓋區(qū)中有16個信號或波束(M＝16)，每個具有16.5MHz的帶寬。如上所述，每個“波束”包含或被分為13個單獨頻率上運作的“子波束”。因而，衛(wèi)星106處理大約208個子波束(16×13)。然而本領(lǐng)區(qū)段的熟練技術(shù)人員可以理解，可以根據(jù)每個通信系統(tǒng)以及衛(wèi)星群的設(shè)計應(yīng)用較少的或更多的波束和子波束。
衛(wèi)星106需要功率來接收和中繼子波束。衛(wèi)星106通過存儲在電池中由太陽能板120所收集太陽能來提供能量。衛(wèi)星106僅僅在太陽照射下才充電，因而衛(wèi)星106的能量受限于其暴露在太陽前的時間。因為衛(wèi)星106的能量有限，所以衛(wèi)星106可能會耗盡其能量。為了更好的運作衛(wèi)星106，了解給定時間周期內(nèi)衛(wèi)星106所使用的能量的多少是有必要。衛(wèi)星106功率使用率可以通過測定發(fā)送給衛(wèi)星106的信號功率來測定出。這是因為每個衛(wèi)星收轉(zhuǎn)發(fā)器發(fā)送的信號功率和衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器所接收的信號功率成比例。
如上所述，衛(wèi)星106具有一發(fā)送子波束給下面的用戶終端和網(wǎng)關(guān)的轉(zhuǎn)發(fā)器。如果發(fā)送給衛(wèi)星106的子波束功率已知，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器所使用的功率也就能決定。因為收發(fā)器通常對其接收的信號功率作出可預(yù)測的響應(yīng)，所以控制從網(wǎng)關(guān)102發(fā)送的信號功率電平來控制衛(wèi)星106使用多少功率。網(wǎng)關(guān)102和衛(wèi)星106之間的距離可以從衛(wèi)星106發(fā)送給網(wǎng)關(guān)102的位置識別信息確定。知道了這個距離、衛(wèi)星收發(fā)器的增益以及天線的增益，可確定由網(wǎng)關(guān)102發(fā)送到衛(wèi)星106的信號功率期望量或最佳量。使用本發(fā)明確定的子波束估計功率可以用于最佳調(diào)節(jié)子波束的功率。需要注意的是，優(yōu)化和決定子波束最佳功率的特定方法超出了本發(fā)明的范疇。另外，依據(jù)發(fā)送給衛(wèi)星的子波束功率來決定衛(wèi)星功率使用的特定方法也超過了本發(fā)明的范疇，而是與那些衛(wèi)星設(shè)計和操作領(lǐng)區(qū)段的熟練技術(shù)人員所了解的技術(shù)相關(guān)。
也需要知道按照單獨子波束發(fā)送所用的功率大小，以便在服務(wù)提供者之間分配容量。因為衛(wèi)星功率是衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的緊缺資源，功率消耗可以作為對服務(wù)提供者所使用衛(wèi)星106的收費的基礎(chǔ)(例如，服務(wù)提供者可以支付更多的費用來獲得更多可使用的功率)。具體而言，如果服務(wù)提供者按照子波束分配容量，測定每個子波束的功率可以提供有用的收費信息。
而為了保護衛(wèi)星避免衛(wèi)星過載而帶來的損失，了解每個信道上所傳輸?shù)墓β识嗌僖彩呛苡斜匾?。還必須測定和控制功率，以免違反發(fā)射流強度限制。
IV、功率估算量一種估計電壓波形的方法包括對波形采樣，將采樣的波形輸入平方電路，并隨后對平方電路的輸出濾波。圖2A是使用這種方法的系統(tǒng)的高級框圖。如圖所示，采樣波形202被輸入平方電路204。平方電路204的平方電路輸出206被輸入濾波器208。濾波器208的濾波輸出210代表采樣波形202的平均功率。
波形采樣必須具有達到估值期望精度要求的分辨率。為了舉例說明，我們假設(shè)12位的波形采樣提供了足夠的分辨率。這12位代表當(dāng)對波形采樣時，波形的電壓(振幅)。因為采樣的長度為12位，所以可以代表212(4096)個不同級別。這些不同級別換算成最大電壓。例如，如果最大電壓為2伏而最小電壓為-2伏，那么電壓的范圍為4伏。鑒于4÷4096＝9.8*10-4，那么采樣的精度為±4.9*10-4伏。將波形的振幅分成預(yù)定數(shù)目的離散振幅等級的處理過程稱作量化。得到的波形稱為待量化波形。
圖2B是使用12位波形采樣估計電壓波形功率的高級框圖。如圖所示，輸入到平方電路214的采樣波形212的長度為12位。為表示12位的平方，就需要多達24位。那就是說，在以數(shù)字技術(shù)實現(xiàn)時，如果精度沒有丟失，平方電路需要的輸出位是輸入位的兩倍。因而，平方電路214的輸出316示為24位。這個輸出代表瞬時功率。由于需要24位，平方電路在邏輯門方面變得很大，并且能消耗太多的功率。進一步，由于許多位代表平方輸出，平方電路214之后的低通濾波器218內(nèi)部需要大量的位，以使所有輸入避免量化噪聲支配濾波器輸出220。如前所述，濾波時間常數(shù)(與采樣率倒數(shù)相關(guān))大，如果使用太少的位來代表反饋支路，會導(dǎo)致不穩(wěn)定。
濾波器218，通常是低通無限脈沖響應(yīng)(IIR)濾波器，用來對平方電路214的輸出216進行平均。具體而言，濾波器218限定了平方電路214產(chǎn)生的瞬時功率波形的帶寬。為說明用于代表濾波器218中的反饋支路的大量位，每個支路上都顯示了其位數(shù)?？梢钥匆?，由于代表平方電路216的是24位，平方電路214之后的低通IIR濾波器218內(nèi)部需要大量的位，以使所有輸入避免量化噪聲支配濾波器輸出220。也是因為濾波器218可能濾波時間常數(shù)(與采樣率倒數(shù)相關(guān))大，如果使用太少的位來代表反饋支路，會導(dǎo)致不穩(wěn)定。
本領(lǐng)區(qū)段的熟練技術(shù)人員可以理解，除了IIR類型的濾波器可以實現(xiàn)濾波器218，其他類型的低通濾波器也可以使用。然而，在較佳實施例中，濾波器218是一種包括多重二分支加權(quán)的IIR濾波器。通過只使用多重二分支加權(quán)，所有的IIR濾波器218的內(nèi)部增益級可以通過右移寄存器實現(xiàn)。另外，因為IIR濾波器使用反饋，制造濾波器，例如當(dāng)在集成電路芯片上實現(xiàn)時，就需要較少的邏輯門。然而，使用反饋的缺點在于可能誘發(fā)不穩(wěn)定因素。這是因為已知反饋的使用會使濾波器遭受振蕩且周期有限。為了避免不穩(wěn)定，濾波器內(nèi)部必須維持足夠的位，以便當(dāng)產(chǎn)生振蕩時，振幅小。
另一種可以被使用的濾波器類型是不使用反饋的有限脈沖響應(yīng)(FIR)濾波器。FIR濾波器的一個優(yōu)點是比IIR濾波器更穩(wěn)定。然而，F(xiàn)IR濾波器的使用可能是不實際的，或至少是不夠優(yōu)化。因為FIR濾波器不使用反饋，為了能具有平均大量采樣(例如幾千)的能力，F(xiàn)IR濾波器必須要有很多邏輯門，從而變得十分巨大，又增加了尺寸、成本以及復(fù)雜度。
圖3是說明本發(fā)明的一個具體實施例的高級框圖。圖2B和圖3一個明顯的區(qū)別就是圖2B中的平方電路214由起稀疏或粗略查表(LUT)304作用的電路所替代。LUT 304的傳遞函數(shù)實例如下面表1所示。
表1


傳遞函數(shù)可以通過對輸入波形302統(tǒng)計表的經(jīng)驗和詳盡了解來建立。對于本實例，使用10位代表平方輸出306是依據(jù)對系統(tǒng)的了解以及對系統(tǒng)簡化操作決定的。例如，如果輸入波形302是CDMA波形，并且已知CDMA波形具有高斯分布，就可建立具有期望精度的傳遞函數(shù)。具體而言，知道分布為高斯分布后，可建立傳遞函數(shù)，使接近平均值的值精度較高，遠離平均值的值精度低。另外，傳遞函數(shù)可以考慮偏差小、消耗衛(wèi)星功率少的波形，因而這些小波形所允許的差錯比較大功率的波形所允許的要大。
表1的傳遞函數(shù)用于具有平均值為0的輸入信號X。從表1可以看到，對于絕對值區(qū)段在0到120之間的輸入信號存在6個不同的輸出，在絕對值區(qū)段在120到320之間的輸入信號僅僅存在2個輸出，并且絕對值區(qū)段在320或大于320的輸入信號僅僅存在1個輸出。因此，我們可以從表1得出結(jié)論輸入信號X的絕對值在0到120之間的可能性最大，而信號X超過320的可能性最小。
表1的每個區(qū)段可以看作是一個“箱”。那就是說，“14≤|X|＜20”是一個箱。而“62≤|X|＜75”是另一個箱。表1僅由9個箱組成。當(dāng)平均很多采樣估計功率時，只要整個估計的總數(shù)提供了需要的精度，每個采樣功率估計的精度要求不高。這就允許使用較小數(shù)量的箱或范圍(例如，上述實例中的9個箱)。箱越少實現(xiàn)函數(shù)需的邏輯門的越少。
如上所述，表1通常針對高斯分布輸入波形進行優(yōu)化。只要輸入波形代表的是大量用戶(一種將導(dǎo)致顯著功率消耗的情況)，就證明高斯波形的假設(shè)正確。而本發(fā)明并不局限于高斯分布的信號。本發(fā)明可以適用于任意具有可預(yù)測分布的信號。其他的分布的實例有正弦分布和均勻分布。使用這些分布的任意一種，就可優(yōu)化類似表1的LUT，以便用數(shù)量較少的邏輯門產(chǎn)生期望的精度。
實現(xiàn)表1(即LUT 304)的電路，可以使用比較器和/或其他已知的邏輯門以單塊集成電路或“芯片”的形式制造，為“片內(nèi)”制作。在一個實施例中，電路可以使用超高速集成電路(VHSIC)硬件描述語言來設(shè)計和制造。VHSIC是一種用于為制作單片電路決定理論優(yōu)化門布局的大型高級VLSI設(shè)計語言。
和24位相比，減少輸出306為僅10位，允許低通濾波器308在其內(nèi)部以合理數(shù)目的位制作在芯片內(nèi)。為了說明相對于上述濾波器208，濾波器308中用于表示反饋支路的位數(shù)的減少，對濾波器308中每一支路都標(biāo)明位數(shù)。通過減少芯片上的邏輯門的數(shù)量，制造和驅(qū)動芯片的成本可以減少，并且芯片的可靠性可以提高。
本發(fā)明并不局限于表示輸入和輸出的位數(shù)。而是僅局限于功率估計所需和期望的精度，以及所用具體濾波器內(nèi)維持穩(wěn)定所需的位數(shù)。
本發(fā)明可以用于估計任何信號的功率。而在較佳實施例中，本發(fā)明被用來估計子波束或在通信系統(tǒng)中(例如使用衛(wèi)星的系統(tǒng))CDMA信道的功率。圖4是本發(fā)明的較佳實施例的框圖。圖4和圖3的相似之處在于LUT 404與LUT 304本質(zhì)上是一樣的，而濾波器408與濾波器308本質(zhì)上也是一樣的。在描述圖4之前，提供了CDMA系統(tǒng)的簡要概述。
CDMA擴頻系統(tǒng)在本領(lǐng)區(qū)段中為人們所熟知。通過使用PN碼傳送的擴頻傳輸方法在本領(lǐng)區(qū)段也是為人們所熟知，CDMA系統(tǒng)所提供傳輸信號的帶寬比數(shù)據(jù)信號的帶寬寬很多。具體而言，為了產(chǎn)生一個子波束，在用戶信息調(diào)制在載波上作為通信信號發(fā)射前，用一個或多個預(yù)選的偽噪聲(PN)碼序列將其調(diào)制或“擴展”到預(yù)定頻帶。產(chǎn)生子波束的細節(jié)在先前提到的’459專利中有描述。而為了完整性，CDMA擴頻系統(tǒng)的實例將在下面討論。
在一種典型的CDMA擴頻系統(tǒng)中，用正交信道化碼來區(qū)別在正向鏈路(例如從網(wǎng)關(guān)到用戶終端收發(fā)器信號路徑)中一個子波束里傳輸?shù)牟煌脩粜盘?。Walsh函數(shù)通常用來實現(xiàn)信道化碼。每個編成正交、Walsh碼的用戶信號隨后通過增益控制單元。緊接在控制單元后，將所有的這些信號加在一起，形成一個復(fù)合數(shù)據(jù)流。這個復(fù)合數(shù)據(jù)流隨后分成兩個數(shù)據(jù)流，一個是四相移鍵控(QPSK)調(diào)制器的同相信道(I信道)而另一個是正交相信道(Q信道)。QPSK調(diào)制器為本領(lǐng)區(qū)段人員所熟知。而為了完整性，這里將簡要概述QPSK調(diào)制器。每個數(shù)據(jù)流(一個在I信道上，一個在Q信道上)與獨立的PN序列相乘。在與PN序列相乘后，I信道的數(shù)據(jù)和Q信道的數(shù)據(jù)每個都通過各自的余弦和正弦信號上變頻成相位相互偏移90度，并且隨后相加來產(chǎn)生復(fù)合波形。這個復(fù)合波形就是一個子波束。
如圖4所示，以及上面所述，在調(diào)制器中產(chǎn)生同相信道(I信道)414和正交相信道(Q信道)412。所得信號相加形成一個子波束。在QPSK波形中，如果I信道和Q信道之間的功率比已知，測定I信道(或Q信道)的功率就足夠估算出整個信號的功率。在較佳實施例中，子波束的功率由僅僅估計I信道414或Q信道412的功率來確定。隨后使用已知或測定的I信道和Q信道功率之間的比值，可確定復(fù)合信號416(就是子波束)的總功率。在較佳實施例中，I信道和Q信道之間的比值為1∶1。因此，該較佳實施例中，總功率是I信道414或Q信道412之一的估計功率的兩倍。本領(lǐng)區(qū)段熟練技術(shù)人員容易理解，當(dāng)然比率不需要一定為1∶1，也可依據(jù)每個期望通信系統(tǒng)的設(shè)計來定。
具體而言，如圖4所示，表示Q信道412信號電壓的12位采樣輸入到稀疏LUT404。10位表示的LUT 404輸出406輸入到低通濾波器408。在較佳實施例中，濾波器408是等效于上述討論的濾波器308的IIR濾波器。濾波器408輸出表示Q信道412的平均功率。I信道414和Q信道412的總和信號416功率能依據(jù)兩個信道414、412之間的比率決定。總和信號416是一子波束。
雖然，上面討論了本發(fā)明的不同實施例，但必須了解它們僅是用于舉例，并沒有局限性。本發(fā)明的范疇和廣度并不局限于上述的任何一個示范實施例，而是由下面相應(yīng)的權(quán)利要求及其等效內(nèi)容所確定。
權(quán)利要求
1.一種用于無線通信系統(tǒng)的數(shù)字功率估值器，其特征在于，包括分隔裝置，用于將輸入信號分成多個區(qū)段，每個區(qū)段都分配特定輸出值，所述輸出值大約是依據(jù)已知輸入信號特征的輸入信號的平方；和耦合至所述分隔裝置的輸出上的平均裝置，用于對從所述分隔裝置輸出的多個輸出值進行平均。
2.如權(quán)利要求1所述的數(shù)字功率估值器系統(tǒng)，其特征在于，所述平均裝置包括低通濾波器。
3.如權(quán)利要求2所述的數(shù)字功率估值器系統(tǒng)，其特征在于，所述分隔裝置的輸出代表輸入信號的瞬時功率，并且所述濾波器的輸出代表輸入信號的平均功率。
4.如權(quán)利要求2所述的數(shù)字功率估值器系統(tǒng)，其特征在于，所述分隔裝置的所述輸出與所述輸入信號的瞬時功率成比例，并且所述濾波器的輸出與輸入信號的平均功率成比例。
5.如權(quán)利要求2所述的數(shù)字功率估值器系統(tǒng)，其特征在于，所述低通濾波器包括無限脈沖響應(yīng)濾波器。
6.如權(quán)利要求5所述的數(shù)字功率估值器系統(tǒng)，其特征在于，所述無限脈沖響應(yīng)濾波器僅包括多重二分支加權(quán)，因而能使用移位寄存器實現(xiàn)所述濾波器。
7.如權(quán)利要求1所述的數(shù)字功率估值器系統(tǒng)，其特征在于，所述輸入信號的已知特征包括高斯分布特征。
8.如權(quán)利要求1所述的數(shù)字功率估值器系統(tǒng)，其特征在于，所述輸入信號由預(yù)定的位數(shù)表示，并且所述分配的輸出值由少于所述預(yù)定位數(shù)的位數(shù)表示。
9.如權(quán)利要求1所述的數(shù)字功率估值器系統(tǒng)，其特征在于，所述輸入信號由預(yù)定的位數(shù)表示，并且所述分配的輸出值由少于所述預(yù)定位數(shù)兩倍的位數(shù)表示。
10.如權(quán)利要求1所述的數(shù)字功率估值器系統(tǒng)，其特征在于，所述輸入信號通過四相移鍵控(QPSK)調(diào)制器的I信道和Q信道之一產(chǎn)生，并且所述調(diào)制器所產(chǎn)生的信號總功率可以依據(jù)所述I信道與Q信道的比率來決定。
11.一種衛(wèi)星通信系統(tǒng)，其特征在于，包括至少一個網(wǎng)關(guān)；至少一個用戶終端；至少一個用于在所述網(wǎng)關(guān)和用戶終端之間提供通信鏈路的衛(wèi)星；在所述網(wǎng)關(guān)內(nèi)部的調(diào)制器，用來調(diào)制通過衛(wèi)星傳送給所述用戶終端的數(shù)據(jù)，其中所述調(diào)制器的輸出包括子波束；用于估計子波束功率的裝置，包括分隔裝置，用于將輸入信號分成多個區(qū)段，每個區(qū)段都分配特定輸出值，輸出值大約是依據(jù)已知輸入信號特征的輸入信號的平方；和耦合至所述分隔裝置的輸出上的平均裝置，用于對從所述分隔裝置輸出的多個輸出值進行平均。
12.如權(quán)利要求11所述的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，其特征在于，所述調(diào)制器包括I信道和Q信道，其中輸入信號通過I信道和Q通道之一產(chǎn)生，并且所述調(diào)制器所產(chǎn)生的子波束總功率可以依據(jù)所述I通道與Q通道的比率來決定。
13.如權(quán)利要求12所述的數(shù)字功率估值器系統(tǒng)，其特征在于，所述均值裝置包括低通濾波器。
14.如權(quán)利要求13所述的數(shù)字功率估值器系統(tǒng)，其特征在于，所述低通濾波器包括無限脈沖響應(yīng)濾波器。
15.如權(quán)利要求14所述的數(shù)字功率估值器系統(tǒng)，其特征在于，所述無限脈沖響應(yīng)濾波器僅包括多重二分支加權(quán)，因而能使用移位寄存器實現(xiàn)所述濾波器。
16.如權(quán)利要求15所述的數(shù)字功率估值器系統(tǒng)，其特征在于，所述輸入信號的已知特征包括高斯分布特征。
17.如權(quán)利要求11所述的數(shù)字功率估值器系統(tǒng)，其特征在于，所述輸入信號由預(yù)定的位數(shù)表示，并且所述分配的輸出值由少于所述預(yù)定位數(shù)兩倍的位數(shù)表示。
18.如權(quán)利要求11所述的數(shù)字功率估值器系統(tǒng)，其特征在于，所述分隔裝置的所述輸出與所述輸入信號的瞬時功率成比例，并且所述濾波器的輸出與輸入信號的平均功率成比例。
19.一種在無線通信系統(tǒng)中估計功率的方法，其特征在于，包括以下步驟將輸入信號與多個區(qū)段進行比較，其中每個區(qū)段對應(yīng)多個輸出值中特定的一個；依據(jù)所述比較步驟的結(jié)果，將特定輸出值分配給輸入信號，其中輸出值大約是依據(jù)已知輸入信號特征的輸入信號的平方；將配置的多個輸出值平均。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，所述平均步驟包括將所述分配步驟的輸出值輸入低通濾波器。
21.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，所述輸入信號通過四相移鍵控(QPSK)調(diào)制器的I信道和Q通道之一產(chǎn)生，并且進一步包括依據(jù)所述平均步驟中確定的平均值以及所述I信道與Q信道的比率來估計子波束功率的步驟。
全文摘要
一種用于估計信號功率的系統(tǒng)和方法。信號與多個區(qū)段比較并分到這些區(qū)段。每個區(qū)段分配特定的輸出值。輸出值大約是依據(jù)已知輸入信號特征的輸入信號的平方。用低通濾波器對多個輸出值進行平均。
文檔編號H04B7/26GK1354922SQ00805406
公開日2002年6月19日 申請日期2000年3月27日 優(yōu)先權(quán)日1999年3月25日
發(fā)明者S·莫倫科普夫 申請人:高通股份有限公司