專利名稱：用于分集接收機的相位組合方法和設(shè)備的制作方法
一般來說，本發(fā)明涉及無線電話中的分集接收機，更為具體地講，是涉及數(shù)字或模擬無線電話中用于組合至少兩個接收信號，從而得到優(yōu)越性能的方法和設(shè)備。
檢測后選擇的分集接收機是一種為了改善射頻信號的接收而至少利用兩個天線的接收機。每個天線和相應(yīng)的接收機共同產(chǎn)生一個接收信號。從至少兩個接收的有效信號中選擇出一個信號。一般來說，目前存在著兩種類型的可以利用的檢測后選擇的分集接收機。在第一種類型中，一個接收信號的選擇取決于接收信號的信號強度RSS。這種類型的分集接收機是公知的電平比較分集技術(shù)。第二種類型的選擇取決于相位誤差的估值。第二種類型的檢測后選擇的分集接收機是公知的相位似然比較技術(shù)。
在電平比較分集技術(shù)中，檢測每個接收信號的接收信號強度RSS并與其它信號進行比較。具有最高RSS值的接收信號被選擇用于無線電話。這種簡單的系統(tǒng)在瑞利Rayleigh衰落環(huán)境中是相當(dāng)有效的，并優(yōu)于具有單一天線及接收機的系統(tǒng)。然而，電平比較分集技術(shù)在靜態(tài)環(huán)境下對于單一天線系統(tǒng)來說并末提供任何優(yōu)點。
相位似然比較技術(shù)利用一種來自各個接收信號的相位誤差估值，選擇具有最小估值相位誤差信號。這一實施例是日本電報電話公司(NipponTelegramandTelephoneCorporation)于1989年3月28日申請的名稱為“分集接收電路(DiversityReceptionCircuit)”的日本專利申請HE12-253727的主題。即首先檢測每一接收信號的相位，然后將相位標(biāo)注在一個適當(dāng)?shù)男盘栮嚵兄?。陣列含有符號判決點。在標(biāo)注的相位失量與最近的符號判決點之間產(chǎn)生一個相位誤差失量。每個接收信號都產(chǎn)生相位誤差失量，具有最小相位誤差失量的接收信號被無線電話用作進一步處理。其他的接收信號則被忽略。應(yīng)注意的是相位似然比較技術(shù)不利用RSS信息。
在“全數(shù)字自適應(yīng)載波跟蹤相干解調(diào)器AllDigitalAdaptiveCarrierTrackingCoherentDemodulator”的文章中(作者ShigekiSaito，HaruiYamamoto，YasushiYamao，NTT無線通信系統(tǒng)實驗室，1991，2月)描述了相位似然比較技術(shù)的發(fā)展與提高的技術(shù)方案。
這一提高的技術(shù)方案是在兩個分支分集接收機中結(jié)合起來使用了RSS信息和相位誤差信息。各接收信號的RSS彼此被比較。若RSS值之間的差超過了一個預(yù)定的門限值，則利用具有較大RSS值的接收信號。若各RSS值之間的差小于該預(yù)定的門限值，則利用相位誤差信息以上文描述的方式進行選擇。這一提高技術(shù)方案提供了優(yōu)于單純相位似然比較技術(shù)的改善性能。然而在性能方面的進一步改善仍然是需要的。另外，產(chǎn)生相位誤差估值的要求限制了相位似然比較技術(shù)用于數(shù)字相位調(diào)制的信號。
當(dāng)前的市場正迫使無線電話的制造者們在提高無線電話的性能指標(biāo)的同時減小其體積、重量和功耗。因此，要求有一種簡單的分集接收機電路，該電路與目前常規(guī)作用的電路相比改善了接收信號的性能。
本發(fā)明包括一種用于組合第一和第二接收信號相位的裝置。每個接收信號具有相位和信號質(zhì)量指示符。該設(shè)備解調(diào)接收信號從而從每個接收信號中提取相位，并產(chǎn)生兩個相位信號。該裝置組合這兩個相位信號形成第三相位信號。而后該裝置選擇這三個相位信號中最合適的一個。所選擇的相位信號用于恢復(fù)信息。


圖1是使用本發(fā)明的無線電話系統(tǒng)的方框圖。
圖2是使用在本發(fā)明中的分集相位組合內(nèi)的方框圖。
圖3是用于圖2方框圖中的相位組合器。
圖4是用于圖2方框圖中的相位選擇電路。
圖5是用于圖4電路中的狀態(tài)表。
圖6是在靜態(tài)環(huán)境下對于本發(fā)明的、相位似然比較分集和電平比較分集的比特差錯概率相對于信噪比的模擬性能圖。
圖7是在平坦的瑞利衰落環(huán)境下對于本發(fā)明的、相位似然比較分集的、電平比較分集的和一個單分支檢測器的比特差錯概率相對于信噪比的模擬性能圖。
圖8是在每個象限都具有符號判決點的一個QPSK陣列。
本發(fā)明包括用于無線電話的分集接收機的相位組合電路。分集接收機包含用于接收電磁波的至少兩個天線。每個天線具有相應(yīng)的接收機并試圖接收信號，得到兩個接收信號，每個接收信號具有相位和信號質(zhì)量指示符。相位組合器用于組合這兩個接收信號的相位，從而產(chǎn)生第三相位信號。信號質(zhì)量指示符包括RSS、過零抖動、相位誤差估值或任何其他等效的足夠的指示符。從而選定的信號質(zhì)量指示符或一種組合被用于確定這三個相位信號中的哪一個用于解碼，以解出含在該接收信號中的數(shù)據(jù)。在優(yōu)選實施例中，RSS被選為信號質(zhì)量指示符。
雖然本發(fā)明能夠在利用模擬或者數(shù)字相位調(diào)制方案的任何通信系統(tǒng)中實施，然而在本發(fā)明的說明書描述的優(yōu)選實施例是工作在利用數(shù)字無線電話的通信系統(tǒng)中的。在使用數(shù)字調(diào)制方案系統(tǒng)中測量其性能的方法是測量接收信號的比特差錯率(BER)。與上文描述的相位似然比較分集技術(shù)和電平比較技術(shù)相比較，這個實施例在恢復(fù)數(shù)據(jù)的BER方面得到改善。
性能的改善是通過執(zhí)行一種混合分集技術(shù)實現(xiàn)的，這種技術(shù)組合了最高比率組合(MRC)和電平比較選擇分集的各種因素。事實上，相位組合分集是MRC的一種有效的近似。從理論上講MRC是最佳分集技術(shù)，但是，兩個分支的MRC變得非常復(fù)雜，包括接收信號和復(fù)數(shù)信道增益相乘得到的如下方程
RMRC(t)＝〔a21(t)S(t)+a1(t)n1′(t)〕+〔a22(t)S(t)+a2(t)n2′(t)〕其中a1(t)是信道增益，n1(t)是復(fù)數(shù)高斯噪聲，S(t)是在組合器輸入端的信號分量，和n1′(t)和n2′(t)是n1(t)和n2(t)的相移變型。
在兩個接收信號電平相差很大的情況下，a1＞＞a2，或a2＞＞a1，則MRC的輸出可以近似于電平比較選擇分集，即若a1＞＞a2，RMRC(t)≈a21(t)S(t)+a1(t)n1′(t);或若a2＞＞a1，RMRC(t)≈a22(t)S(t)+a2(t)n2′(t)。
如果兩個接收信號近似相等，a1≈a2≈a，則MRC輸出相位可以按兩個相位信號的柄2π平均值來近似，如下所示RMRC(t)≈〔a2(t)S(t)+a(t)n1′(t)〕+〔a2(t)S(t)+a(t)n2′(t)〕;若a1≈a2≈a≈A1(t)ejθ1(t)+A2(t)ejθ2(t)其中Ai(t)是單獨分支的幅度，和θi(t)是單獨分支的相位。
為了消除分支幅度的依賴性，利用A1(t)≈A2(t)≈A(t)的近似，利用Hejx＝2Cos(X/2)ej(x/2)的恒等式，若a1≈a2≈a，則θMRC(t)≈〔θ1(t)+〔θ2(t)-θ1(t)〕mod2x/2〕mod2x。
因此，在這里執(zhí)行的相位組合技術(shù)是理想的最高比率組合器輸出的近似值。
圖1是利用來發(fā)明的無線電話系統(tǒng)的框圖。在該無線電話系統(tǒng)中，固定場地的收發(fā)信機103對包含在某一地理區(qū)域中的移動和便攜無線電話設(shè)備發(fā)送和接收電磁波。無線電話設(shè)備101是包含在該地理區(qū)域由該固定場地的收發(fā)信機103服務(wù)的一個那種無線電話設(shè)備。
無線電話設(shè)備101包括兩個天線105、107，該無線耦合從固定場地收發(fā)信機103發(fā)送來的電磁波，將電磁波變換為電的射頻RF信號。接收機111、113接收電的RF信號為無線電話101內(nèi)部所利用。接收的信號含有相位和RSS。來自兩個接收機111、113和RSS指示經(jīng)由信號127，129和接收信號經(jīng)由信號115、117分別傳送到分集相位組合器119。
分集相位組合器119對接收信號115、117進行解調(diào)，從而從每個接收信號115、117中使復(fù)相位并產(chǎn)生兩個相位信號。將該兩個相位信號組合產(chǎn)生第三相位信號。這三個相位信號中的一個被選擇，將被用于使復(fù)合在接收信號115、117中的信息。相位信號的選擇依據(jù)兩個接收信號115、117的RSS。在優(yōu)選實施中，所選的相位信號被解碼為一些符號，而后通過符號信號123將這些符號輸出到處理器121，諸如可以是Motorola公司制造的商品化的處理器MC68000和輸出附帶的存儲器。在模擬系統(tǒng)實施的其他實施例可以利用相等的充分的解調(diào)方案。
處理器121用于在用戶接口125、發(fā)送器109和接收機115、117之間形成數(shù)據(jù)。用戶接口125中包含有微音器、揚聲器和鍵盤。當(dāng)接收到解調(diào)數(shù)據(jù)時，處理器121通過用戶接口125利用數(shù)據(jù)符號再生供使用的話音或數(shù)據(jù)。
當(dāng)發(fā)送時，數(shù)據(jù)或話音信號從用戶接口125輸入到處理器121。在處理器121中信號被數(shù)字化、編碼和定時，并傳送到發(fā)送器109，發(fā)送器將數(shù)據(jù)變換為電的RF信號。電的RF信號被變換為電磁波并通過天線輸出。電磁波被固定場地的收發(fā)信機103接收。在本優(yōu)選實施中利用了兩個天線105、107，然而多個兩個天線也可以用于某一已知的無線電話中。
圖2是圖1的分集相位組合器119的框圖。接收的信號115、117輸入到單獨的相位解調(diào)器201、203。相位解調(diào)器201、203產(chǎn)生相應(yīng)于包含在接收信號115、117中相位的數(shù)字信號。該相位信號211、209被輸入到相位組合器207。相位組合器207產(chǎn)生第三相位信號213，第三相位信號是輸入到相位組合器207的兩個相位信號211、209的模2π平均值(modulo-2πaverage)。
另外，相位信號211、209輸入到相位選擇電路215，該電路用于從三個可用相位信號211、213、209中選擇一個相位信號。相位信號的選擇取決于電平比較電路205的輸出信號。
電平比較電路205將第一接收信號127的RSS與第二接收信號129的RSS相比較。若第一接收信號的RSS與第二接收信號的RSS之間的差大于一個預(yù)定的門限值，則具有較高RSS的接收信號被相位選擇電路215所選中。若第一接收信號的RSS與第二接收信號的RSS之間的差小于該預(yù)定的門限值，則組合的相位信號213被選擇。在本優(yōu)選實施例中，該預(yù)定的門限值設(shè)置為3dB，然而，該門限值可以調(diào)整以適應(yīng)任何具體的應(yīng)用。選擇的相位輸出信號217輸入到符號限制器219。
在本優(yōu)選實施例中，符號限制器219用于確定所選信號的信息內(nèi)容，它取決于該通信系統(tǒng)的調(diào)制技術(shù)。本優(yōu)選實施例利用了正交相移鍵控(QPSK)調(diào)制方案。其他實施例可以利用相等的充分信息恢復(fù)技術(shù)和調(diào)制技術(shù)，例如高斯最小相移鍵控GMSK(Gaussianminimumshiftkeying)。利用在如圖8所示的QPSK陣列中標(biāo)注所選信號的相位來進行確定。該QPSK陣列具有由I軸809和Q軸811形成的四個象限。從I軸開始從0至360度圍繞四個象限逆時針旋轉(zhuǎn)來測量相位。含在每一象限中的是位于兩個軸之間45度角上的符號判決點801、803、805、807。所標(biāo)注的所選相位信號217落入一個象限中，該信號被解釋為離標(biāo)注的相位失量最近的所選擇的四個可能的符號中的一個符號判決點。例如，具有48度相位的選擇的相位信號217將落入第一象限，從而該信號將被解碼為符號801。如果所選的相位信號217的相位為91度，則該信號將從第二象限被解碼為符號803。各符號判決在信號221上被輸出到處理器121，以使解碼和恢復(fù)為話音或數(shù)據(jù)。
圖3是如圖2所示的相位組合器207的框圖。相位組合器207產(chǎn)生第三相位輸出信號213，該信號是兩個相位信號209、211的模2π平均值。該平均值的實現(xiàn)包括模運算加上被二除。這種實現(xiàn)僅要求一個加法器、一個減法器和除二裝置。相位組合器207可以以數(shù)字信號處理器或簡單邏輯硬件的任何方式實現(xiàn)。
圖4表示如圖2所示的相位選擇電路213的硬件實現(xiàn)。相位選擇電路是由電平比較電路205啟動的三路乘法器。如圖5的狀態(tài)圖所表示的那樣電平比較電路205輸入三狀態(tài)兩比特信號。若來自第一接收信號115的相位信號211是所要求的相位信號，則信號D1和D0的輸出都是零。若來自第二接收信號217的相位信號209是所要求的相位信號，則信號D0和D1都輸出1。若組合相位信號213是要求的，則信號D1的輸出是零，信號D0的輸出是1，并在217端產(chǎn)生適當(dāng)?shù)男盘栞敵觥?br> 在本說明書中描述的兩個分支分集接收技術(shù)被用于改善無線電話系統(tǒng)的性能。相位組合技術(shù)提供的性能改善優(yōu)于在背景技術(shù)中所描述的兩個實施例，即，電平比較分集和相位似然比較分集。一般來說存在兩種用于評價分集接收性能的環(huán)境。第一，靜態(tài)環(huán)境用于模擬一種靜態(tài)的無線電話的環(huán)境，其特點是在兩個天線上呈現(xiàn)恒定的相等電平的信號。第二，理論上的瑞利衰減環(huán)境用于模擬在移動的汽車中無線電話設(shè)備的移動，其特點是接收的信號受獨立的瑞利分布隨機過程調(diào)制。由這兩種規(guī)范測量的分集接收機的性能說明了無線電話的基本性能特點。圖6和7是以曲線形式表示分別在靜態(tài)和瑞利衰落環(huán)境下對單一分支檢測、電平選擇分集、相位似然分集和相位組合器分集的模擬結(jié)果。圖6和7的結(jié)果是假設(shè)具有理想延遲檢測的π/4QPSK調(diào)制。
圖6是在靜態(tài)環(huán)境下上述三種分集接收機中接收信號的比特差錯概率相對于信噪比的曲線表示。從圖中可以看出，利用相位組合分集接收機時，比特差錯的概率低于上文描述的其他分集接收機。相位組合分集由曲線605表示，曲線603表示在背景技術(shù)中描述的相位似然比較分集的性能，曲線601也是在本說明書的背景技術(shù)中所描述的簡單的電平比較分集的性能。如圖6所示，電平比較選擇分集相對于一個單一分支檢測器來講，在靜態(tài)環(huán)境中未提供BER的改善。在靜態(tài)環(huán)境下，相位似然比較分集優(yōu)于電平比較分集，但劣于相位組合分集。
圖7的曲線表示在瑞利衰落環(huán)境下比特差錯概率相對于信噪比的情況。電平比較分集、相位似然比較分集和相位組合分集的結(jié)果分別由曲線703、705和707表示。在這種環(huán)境中，所有的三種分集接收機都顯示出很大的優(yōu)于一個單一分支檢測器701。然而，相位組合分集接收機保持相對于其他分集接收機的微弱性能優(yōu)勢。
本發(fā)明披露了一種相位組合分集技術(shù)，該技術(shù)提供優(yōu)于上文描述的選擇分集方法的優(yōu)越的靜態(tài)和瑞利衰落性能。另外，相位組合分集能夠很容易地在數(shù)字信號處理器或數(shù)字硬件檢測器中實施。不同于相位似然比較分集，相位組合分集可以在任何模似或數(shù)字調(diào)制技術(shù)的系統(tǒng)中使用。最后，本發(fā)明能夠擴展到具有多于兩個分集分支的多個接收機。
權(quán)利要求
1.一種用于組合具有相位和信號質(zhì)量指示符的至少一個第一和一個第二接收信號的設(shè)備，上述設(shè)備包括用于解調(diào)第一信號的裝置，從而提取它的相位并產(chǎn)生第一相位信號；用于解調(diào)上述第二信號的裝置，從而提取它的相位并產(chǎn)生第二相位信號；用于組合上述第一相位信號和上述第二相位信號，形成第三相位信號的裝置；用于從包含上述第一、上述第二和上述第三相位信號的一組信號中選擇一個相位信號的裝置；和用于從上述選擇的相位信號中恢復(fù)信息的裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中上述用于恢復(fù)信息的裝置還包括用于選擇表示上述所選相位信號的符號的裝置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中用于從上述第一和上述第二相位信號組合相位的上述裝置還包括對上述第一相位信號和上述第二相位信號取模2π平均值(modulo-2π average)的裝置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中上述用于組合上述第一和第二相位信號的裝置還包括一個有效最高比率組合(MRC)的裝置。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中上述用于從包含上述第一、上述第二和上述第三相位信號的一組信號中選擇一個相位信號的裝置還包括用于將第一接收信號的信號質(zhì)量指示符與第二接收信號的信號質(zhì)量指示符進行比較的裝置，包括確定第一信號的信號質(zhì)量指示符與第二信號的信號質(zhì)量指示符之間的差并確定較高的信號質(zhì)量指示符;當(dāng)確定的上述差小于一個預(yù)定的門限值時，用于選擇上述第三相位信號的裝置;和當(dāng)確定的上述差大于上述預(yù)定的門限值時，用于選擇具有較高的信號質(zhì)量指示符的接收信號的裝置。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的設(shè)備，其中上述預(yù)定的門限值等于3分貝(dB)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5的設(shè)備，其中上述信號質(zhì)量指示符是接收信號強度。
8.一種無線電話設(shè)備，包括至少一個第一和一個第二天線，至少一個第一和一個第二射頻接收機和一個分集相位組合器，該第一和第二射頻接收機分別與第一和第二天線相耦合，第一和第二射頻接收機輸出第一和第二接收信號，每個接收信號具有一個接收信號強度(RSS)和一個相位，該無線電話設(shè)備包括用于解調(diào)上述第一接收信號的裝置，從而提取它的相位并產(chǎn)生一個第一相位信號;用于解調(diào)上述第二接收信號的裝置，從而提取它的相位并產(chǎn)生一個第二相位信號;用于組合上述第一和上述第二相位信號，形成一個第三相位信號的裝置;用于從包括上述第一、上述第二和上述第三相位信號的一組信號中選擇一個相位信號的裝置;用于選擇表示上述所選相位信號的符號的裝置;用于將上述所選符號變成聲音模式的裝置;和用于將上述聲音模式的信號傳送給用戶的裝置。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的無線電話設(shè)備，其中用于組合上述第一和上述第二相位信號的上述裝置還包括一個有效最高比率組合(MRC)的裝置。
10.根據(jù)權(quán)利要求8的無線電話設(shè)備，其中上述用于從包括上述第一、上述第二和上述第三相位信號的一組信號中選擇一個相位信號的裝置還包括用于將第一接收信號的RSS與第二接收信號的RSS進行比較的裝置，包括確定第一信號的RSS與第二信號的RSS之間的差并確定較大的RSS;當(dāng)確定的上述差小于一個預(yù)定的門限值時，用于選擇上述第三相位信號的裝置;和當(dāng)確定的上述差大于上述預(yù)定的門限值時，用于選擇具有較大RSS的接收信號的裝置。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于分集接收無線電話的相位組合方法和設(shè)備。該相位組合方法和設(shè)備是一種混合分集技術(shù)，這種技術(shù)組合了最高比率組合(MRC)和電平比較選擇分集的各因素，這種技術(shù)導(dǎo)致能簡單而有效地實施具有優(yōu)良性能的分集接收機。該分集接收機解調(diào)接收的信號(115，117)、提取其相位，形成兩個相位信號(209、211)。然后組合兩個相位信號(209、211)以形成第三相位信號(213)。選擇這三個相位信號中的一個，以便在正交相移鍵控(QPSK)陣列中用于符號的解釋。該選擇過程是依據(jù)接收信號的接收信號強度進行的。
文檔編號H04B7/26GK1070778SQ9211075
公開日1993年4月7日 申請日期1992年9月17日 優(yōu)先權(quán)日1991年9月18日
發(fā)明者克里斯特弗·P·拉羅塞, 邁克爾·J·卡尼 申請人:莫托羅拉公司