使用模擬相關提高數字接收機靈敏度的方法
2023-05-01 22:01:01
專利名稱：使用模擬相關提高數字接收機靈敏度的方法
技術領域：
本發明總體上涉及通信電子領域，具體是涉及使用模擬相關提高數字接收機靈敏度的方法。
擴頻是廣泛應用於軍事和商業應用的通信技術。在擴頻通信系統中，在信道上發送之前，所發送的調製要被在帶寬上擴展(即增加)，然後在接收機中被在帶寬上解擴(即減少)相同的量。
擴頻的一個目標應用是用於分開的電子設備之間的無線或無線電通信。例如，一個無線區域網(WLAN)是使用無線電技術在空中發送和接收數據，從而減小或最小化對於有線連接的需要的靈活的數據通信系統。在典型的WLAN中，為一個接入點提供一個從固定位置連接一個有線網的收發信機。終端用戶通過收發信機連接到WLAN，該收發信機典型地作為膝上計算機中的PC卡或者用於桌上型計算機的ISA或PCI卡來實現。該收發信機也可以集成在諸如手提計算機、個人數字助理等的任何設備中。
目前市場上可用的WLAN產品主要是目標為工作在900MHz和2.4GHzISM頻帶上的垂直應用的專用擴頻解決方案。這些產品包括上面提及的無線適配器和PCMCA、ISA和客戶PC板平臺中的接入點。典型的擴頻收發信機包括連接到基帶處理器的傳統的IF無線電電路，該基帶處理器提供在收發信機中要發送的信號的所要求的調製以及所接收的信號的所要求的解調。這樣，例如基帶處理器可以執行一個指定的擴頻調製技術，諸如直接序列(DS)調製、跳頻(FH)調製、跳時(TH)調製或者將一個或多個不同方案混合在一起的混合調製。
在已知的遵照IEEE 802.11 WLAN標準設計的擴頻收發信機中，基帶處理器典型地包括單板、雙並聯(或者「快速」)模數(A/D)轉換器，用於處理所接收的來自無線電部件中的正交IF解調器的I(同相)和Q(正交)信號。與連續近似相反，快速A/D轉換器在一個步驟中執行模數轉換。具體是，快速A/D轉換器同時比較輸入模擬電壓與2n-1個閾值電壓，以產生代表該模擬電壓的一個n比特數字碼。典型地，基帶處理器還包括另一個快速A/D轉換器，用於轉換從無線電部件中的接收信號強度指示器(RSSI)提供的模擬信號。
但是，給出信號功率指示的RSSI對於當信號在噪聲電平(例如在一個IEEE 802.11b接收機中的-95dBm)或者在該噪聲電平附近時的低概率錯誤檢測是無效的。在一個典型的廉價的接收機(例如，在諸如IEEE802.11b的ISM 2.4GHz系統中)中，RSSI通常工作在如
圖1所示的輸入信號的整個範圍內。在中頻段工作中，可以從RSSI輸出信號確定一個接收的信號出現。不過，在只有噪聲的情況下，VRSSI在Vmin時，信號的出現將不能被檢測到，除非該信號比噪聲功率大10dB，以便錯誤檢測的概率很低。這也可以在圖1中說明。這樣，用低概率錯誤檢測判定信號是否在噪聲電平或者在噪聲電平附近(即當RSSI不可靠時)的唯一方法是進行一個單獨相關。這進而又需要快速A/D轉換器被維持在開(ON)狀態，即使這些轉換器在消息發送之後也不能被關閉(OFF)。快速A/D轉換器消耗大量電流，從而功率消耗很大。
希望提高擴頻收發信機的接收機部分的靈敏度，以便當信號出現在噪聲電平上或者噪聲電平附近時，不需要先將快速A/D轉換器打開以「察覺(sniff)」所接收的信號。本發明針對這一需要。
將模擬相關技術用於擴頻收發信機的數字接收機部分，以確定當所接收的信號出現時，何時打開指定的數字接收機部件。根據一個特定實施例，一個模擬相關器接收來自無線電部件的模擬I和Q輸出，並試圖將一個本地偽隨機數(PN)序列鎖定到所接收的信號中的一個類似序列。當模擬相關器排列該PN序列時，並且如果相應的相關峰值足夠大，則打開接收機部分中的快速A/D轉換器。實際上，因為當信號在噪聲或噪聲附近時，無線電信號強度指示器(RSSI)無法用低概率錯誤告警來檢測所接收的信號出現，所以模擬相關器「察覺」所接收的信號。
在一個示例實施例中，對於每個I和Q信道，模擬相關器包括一個模擬乘法器、一個積分器和速放電路、一個抽樣-保持電路和一個模擬平方形成電路。在所選擇的延遲應用之後，一個偽隨機(PN)序列發生器提供一個指定的PN序列給每個信道。PN序列發生器是用於以預定碼片速率擴展每個數據比特以提供擴頻調製的發生器。在典型的實施例中，PN序列是巴克(Barker)PN序列。在工作中，當信號在噪聲電平或者噪聲電平附近時，在PN序列鎖定之後，相關器輸出在所選擇的延遲上的指定的相對相關峰值上。當指定的相對相關峰值超過一個閾值時，一個控制信號就從模擬相關器輸出以打開數字接收機中的快速A/D轉換器。結果是，只有當所接收的信號出現並且相對相關峰值在一個指定閾值之上時，才激活大功耗快速A/D轉換器。在現有技術中，它們不需要被激活以察覺所接收的信號。
以上概述了本發明的一些更相關的目的和特徵。這些目的和特徵只是用來說明本發明的一些更顯著的特徵和應用的。通過以不同的方式來應用所公開的發明或者如下所述修改本發明，可以獲得許多其它有利的結果。因此，通過參考下列的詳細描述可以更完整地理解本發明及其其它目的。
為了更完整地理解本發明及其優點，下面連同附圖來討論本發明的詳細描述，其中圖1表示在傳統的擴頻接收機中所接收的信號強度指示器電壓和信號強度之間的關係；圖2是現有技術的典型的擴頻收發信機的結構框圖；圖3是圖2的擴頻收發信機的基帶處理器的部件的框圖；圖4是說明本發明的基本工作原理的模擬相關器的框圖；以及圖5是說明根據本發明，當信號強度在噪聲電平或者噪聲電平附近時，一個模擬相關器是如何用於控制數字接收機電路的更詳細的框圖。
圖2表示一個已知的其中可以實現本發明的無線收發信機200。該收發信機可以根據所建議的IEEE 802.11標準用於2.4GHz ISM頻帶中的WLAN應用，儘管這不是本發明的限制。該收發信機包括連接到RF功率放大器和發送/接收開關204的可選擇的天線202。一個低噪聲放大器206也有效地連接到天線。該收發信機還包括連接到低噪聲放大器206和RF功率放大器以及發送/接收開關204的上/下轉換器208。上/下轉換器208連接到雙頻合成器210和正交IF調製器/解調器212。眾所周知，IF調製器/解調器212包括用於提供RSSI監視或者「察覺」功能的所接收信號強度指示器(RSSI)功能。還可以提供一個或多個濾波器214和壓控振蕩器(VCO)216。上述部件包括擴頻收發信機的傳統的無線電部分。假設已知這種部件的操作。
一個擴頻基帶處理器218連接到無線電部分，並含有本領域眾所周知的全雙工或者半雙工基於分組的擴頻通信所需要的所有功能。具體是，該處理器有用於從IF調製器212接收同相(I)和正交(Q)信號的單板雙快速A/D轉換器220和222。基帶處理器還包括用於處理從IF調製器212接收的信號強度指示器(RSSI)電壓的另一個A/D轉換器224。一個無幹擾信道估計(CCA)電路226提供一個無幹擾信道估計功能，以避免數據碰撞並最優化網絡吞吐量。快速A/D轉換器輸出被提供給解擴所接收的信號的解調器228。調製器230執行眾所周知的擴展功能。接口電路232連接到解調器228和調製器230以與去往/來自基帶處理器的數據接口。同樣，上述部件對於本領域的普通技術人員來說是眾所周知的。
一種類型的擴頻技術是直接序列調製。為了說明的目的，採用直接序列基帶處理器來描述本發明，儘管可以看到，這並非是本發明的限制。直接序列調製是將偽隨機數(PN)發生器的輸出序列線性調製成脈衝序列，每個脈衝具有稱作碼片時間的時長。為此使用一個11比特的巴克序列(即+++---+--+-)。當然，使用11比特的巴克序列只是為了示範的目的。巴克序列是長度為n的二進位{-1，+1}序列{s(t)}，其具有非周期的自相關值|ρs(τ)|＜1(對於所有τ，-(n-1)＜τ＜n-1)。典型地，這種類型的調製用於二進位相移鍵控(BPSK)信息信號。通過將BPSK信號與直接序列調製相乘，得到一個直接序列BPSK信號。為了解調一個所接收的BPSK信號，一個本地PN隨機發生器(它產生在接收機中用於解擴的PN波形)必須被同步到所接收的BPSK信號的PN波形的一個碼片內。由一個搜索例程來執行該功能，該例程利用一個碼片的一部分在時間上順序地逐段安排本地PN波形，並在每個位置上搜索所接收的和本地PN參考波形之間的高度相關。當相關達到一個指定的閾值(該閾值表明已經獲得了粗略的對準)時，搜索停止。當兩個PN波形粗略對準之後，使用延遲鎖定或者τ抖動跟蹤換回來維持一個較好的對準。有關該過程的細節可以參見例如The Communications Handbook(通信手冊)，16.4(1997)，CRC出版社，這裡將其包含作為參考。
圖3表示基帶處理器300及其相關的快速A/D轉換器302和304。理論上，快速轉換器302和304可以在消息(EOM)傳輸結束之後被關閉(OFF)，除非期待一個確認。不過，在現有技術中，這還是不實用的。特別地，假設當信號在RSSI的噪聲之上小於10dB時，在輸出端的故障告警的可能性較大，則不可能使用RSSI輸出端來有效地確定所接收的信號強度何時會在噪聲基底(floor)(大約-95dBm)之上小於大約10dB。這樣，在現有技術中，快速A/D轉換器必須保持開(ON)，以「察覺」到在噪聲基底附近(在大約-95到-85dBm)所接收的信號開始。該相關所需的快速A/D轉換器消耗大量電流。為了克服這個問題，並減少數字接收機的整體功耗，本發明通過用一個低功率模擬相關器來察覺所接收的信號以提高數字接收機的靈敏度。當模擬相關器檢測到指示所接收的信號出現的相關峰值時，主基帶處理器中的快速A/D轉換器被打開(ON)。模擬相關器的部件是低功率設備，作為限制快速A/D轉換器的使用的結果，收發信機的整體功耗相對於現有技術來說被大大降低了。
圖4表示模擬相關器400的基本操作。通常，模擬相關器被用於將一個本地PN序列(例如一個11比特巴克)同步到被抽樣的下變換同相和正交相位信號VI和VQ中的一個類似PN序列。當模擬相關器對準該PN序列並且如果相對的相關峰值大於一個閾值時，接收機部件中的數字部分中的快速A/D轉換器被打開(ON)。這些轉換器通常在EOM傳輸之後被關閉(OFF)。
在本圖中，只給出了來自IF解調器的同相(I)信號被處理。當然，相關器400包括用於處理正交相位(Q)信號的類似迴路。如圖所示，來自IF解調器級的VI信號被在模擬乘法器402中與在該序列被延遲電路406延遲τ之後由11比特移位寄存器404產生的巴克序列混合。11比特移位寄存器工作在一個指定頻率(例如11MBz)上。模擬混合器402的輸出被相加電路408相加，然後被抽樣電路410抽樣。本例中的抽樣速率是每11個碼片。然後，被抽樣的輸出在平方電路412中被平方，並與對於Q信號類似得出的輸出相加，其結果提供給控制電路414。在操作中，移位寄存器輸出被同步到所接收的VI信號和所接收的VQ信號中的巴克波形中的一個碼片中。然後，控制電路產生一個信號來調整由延遲電路406提供的延遲τ，以維持巴克對準。當序列被對準時，相關器具有一個指定的處理增益(在所示的例子中大約是11)。當該處理增益指示在一個指定閾值上的相關峰值時，所接收的信號開始出現，且快速A/D轉換器被激活。
圖5表示本發明的模擬相關器500的一個優選實施例，該相關器用於當所接收的信號到達一個指定的噪聲電平(或該電平附近)時，檢測到該信號的出現。該相關器包括一個I信道分支，該信道分支包括模擬乘法器502、積分器和速放電路504、抽樣和保持電路506以及模擬平方電路508。Q信道分支包括模擬乘法器510、積分器和速放電路512、抽樣和保持電路514以及模擬平方電路516。每個分支被提供各自的VI和VQ信號與由PN發生器518提供的巴克(或其它PN)序列一起。如圖4所示，由延遲電路520對該PN序列延遲一個指定的量τ。控制電路525產生一個控制信號，該信號被慢速A/D轉換器522轉換成數字形式，並被用於控制延遲電路520。A/D轉換器522和延遲電路520包括一個傳統的τ高頻顫動跟蹤迴路。在操作中，當PN序列(來自PN發生器和每個相應的I和Q信號)在一個碼片內時，出現一個峰值相關。在這一點，控制電路525產生一個輸出信號，該信號由跟蹤迴路用來設置延遲τ，以便相關保持在峰值。當相關峰值在一個指定閾值之上時，控制電路525就產生一個輸出，以激活快速A/D轉換器524和526到開(ON)狀態。如上所述，在一個EDM傳輸之後，轉換器524和526通常被關閉(OFF)。
可以用任何便利的方式來實現控制電路，如軟體驅動的處理器、微控制器、有限狀態機、硬線邏輯、專用集成電路(ASIC)、現場可編程門陣列(FPGA)、數位訊號處理器(DSP)等。一旦確定了延遲，控制電路就將該值提供給數字接收機以便於由數字部件的相關。
模擬相關器操作以檢測所接收的信號何時到達一個指定的噪聲電平(或該電平附近)(當RSSI無效時)。當一個相關峰值出現時，快速A/D轉換器被打開(ON)。該快速A/D轉換器的智能控制改善了基帶處理器中的功率管理，從而提高了擴頻收發信機的整體性能。
本領域的普通技術人員應當認識到，從單獨的檢測觀點來看，模擬相關是相當低質量的；相反，相應的巴克相關(在數字接收機電路中執行的)提供了一個高質量的信號檢測。這樣，概括而言，本發明的技術使用一個用於低質量信號檢測的模擬相關器和一個用於高質量信號檢測的普通數字相關器。
以上描述了本發明，下面提出本發明的權利要求。
權利要求
1.一種包括一個連接到基帶處理器(218)的無線電電路(208，212)的擴頻收發信機(200)，該基帶處理器包括一個擴頻解擴器和快速A/D轉換器(220，222)，用於對從所述無線電電路接收的下變換的同相和正交相位信號進行抽樣，改進包括用於檢測一個接收的信號何時到達一個指定的噪聲電平(或該電平附近)的模擬相關器(400)；以及連接到所述模擬相關器以選擇地激活快速A/D轉換器的控制電路(414)。
2.如權利要求1所述的擴頻收發信機，其中所述模擬相關器包括一個偽隨機數(PN)序列發生器(518)、一個同相部件和一個正交相位部件。
3.如權利要求2所述的擴頻收發信機，其中同相部件包括一個模擬乘法器(502)，用於從所述無線電電路接收下變換的同相信號以及由PN序列發生器產生的比特序列，並相應於此，產生一個第一信號；一個積分器和速放電路(504)，用於對所述第一信號在一個指定的時間段中進行積分以產生一個第二信號；一個抽樣和保持電路(506)，用於對所述第二信號進行抽樣並產生一個第三信號；以及一個模擬平方電路(508)，用於對所述第三信號進行平方並產生一個第四信號。
4.如權利要求2所述的擴頻收發信機，其中正交相位部件包括一個模擬乘法器(510)，用於從所述無線電電路接收下變換的正交相位信號以及由PN序列發生器產生的一個比特序列，並響應於此，產生一個第一信號；一個積分器和速放電路(512)，用於對所述第一信號在一個指定的時間段中進行積分以產生一個第二信號；一個抽樣和保持電路(514)，用於對所述第二信號進行抽樣並產生一個第三信號；以及一個模擬平方電路(516)，用於對所述第三信號進行平方並產生一個第四信號。
5.如權利要求2所述的擴頻收發信機，其中PN序列發生器產生一個巴克序列。
6.如權利要求5所述的擴頻收發信機，其中巴克序列是一個11比特巴克。
7.如權利要求2所述的擴頻收發信機，還包括一個跟蹤迴路(522，520)，用於維持從PN序列發生器輸出的PN序列與從所述無線電電路接收的下變換的同相和正交相位信號中的一個PN序列對準。
8.一種收發信機，包括一個無線電電路(208，212)；一個基帶處理器(218)，它連接到所述無線電電路並包括一個解調器和A/D轉換器，用於對從所述無線電電路接收的下變換的同相和正交相位信號進行抽樣；一個PN序列發生器(404)；一個模擬相關器(400)，用於檢測一個所接收的信號何時到達一個指定的噪聲電平(或該電平附近)；一個跟蹤迴路(406)，用於在檢測到所接收的信號之後，維持從PN序列發生器輸出的PN序列與從所述無線電電路接收的下變換的同相和正交相位信號中的一個PN序列對準；以及一個控制電路(414)，它連接到模擬相關器，以選擇地將快速A/D變換器從關(OFF)狀態切換到開(ON)狀態。
9.一種用於在無線區域網(WLAN)中的擴頻收發信機，包括一個無線電電路(208，212)；一個基帶處理器(218)，它連接到所述無線電電路並包括一個擴頻解擴器和數字電路，用於進行高質量信號檢測；一個模擬相關器(400)，用於察覺到所接收的信號；以及電路(414)，它連接到所述模擬相關器以選擇地激活所述數字電路以使得能夠進行高質量信號檢測。
10.一種用於提高數字接收機的靈敏度的方法，該接收機包括一個無線電電路(208，212)和一個連接到該無線電電路的基帶處理器(218)，該方法包括當指定的數字接收機部件被關閉時，執行一個模擬相關(400)以檢測一個所接收的信號何時到達一個指定的噪聲電平(或該電平附近)；以及當檢測到所接收的信號時，打開(414)指定的數字接收機部件。
全文摘要
模擬相關技術用於一個擴頻收發信機的數字接收機部分,以確定何時打開(ON)指定的數字接收機部件。根據一個特定實施例,一個模擬相關器接收來自無線電部分的下變換的同相和正交相位輸出,並確定一個所接收的信號何時到達一個指定的噪聲電平(或該電平附近)。一個控制電路被連接到相關器以選擇地激活基帶處理器中的數字接收機部分的快速A/D轉換器。模擬相關器代替RSSI來「察覺」是否一個所接收的信號出現。
文檔編號H04B1/16GK1348633SQ00806583
公開日2002年5月8日 申請日期2000年11月16日 優先權日1999年12月22日
發明者R·莫欣德拉 申請人:皇家菲利浦電子有限公司