時隙式模式操作的自動增益控制的製作方法

2023-07-08 22:44:11 1

專利名稱：時隙式模式操作的自動增益控制的製作方法
技術領域：
本發明涉及通信系統並特別涉及在無線電通信系統中使用的自動增益控制電路。
在許多無線電接收機中，自動增益控制(AGC)電路用於控制接收信號的動態範圍。典型的AGC電路可以記錄接收信號的變化並且相應地設置接收機的增益。這種AGC電路可以加入例如在碼分多址(CDMA)系統的無線電通信系統中諸如蜂窩電話或車載行動電話的移動站所使用的接收機中。
諸如手持終端(「蜂窩電話」)或類似的可攜式終端的移動站的無線電接收機的不同部分中的動態範圍由於涉及節電的要求因而是重要的。便攜終端一般是電池供電的並且因而存在對於保存其中的電力的普遍考慮。本領域眾所周知，通過限制接收機內的接收信號的動態範圍，可以實現電力保持。例如，輸入到A/D變換器的無線電信號輸入的動態範圍應該儘可能地限制以便能夠在接收機中使用低解析度，低功率的A/D變換器。而且，模擬放大器和濾波器部分的功率消耗與輸入信號的動態範圍成正比。因此，在模擬和數字電路領域都存在對限制輸入信號的動態範圍的有效的AGC電路的普遍需要。
數字AGC電路一般跟蹤接收信號的變化以便優化有用的動態範圍的使用。信號功率一般有利地作為控制參數因為它最直接地影響接收機中的功率使用。在一般的接收機中，接收的信號功率的變化可能因為快速衰落而遮蔽(例如，通過建築物，和類似的外部幹擾近點角的信號的遮蔽)，或者接收的信號功率可能由於內部系統功率控制事件和由於內部幹擾源的影響而變化。而且接收信號功率的變化可能是由於與各種蜂窩拓撲結構有關的頻率信道變換。
蜂窩無線電系統經常使用分層的網孔結構以便通過分配網孔布局和基於用戶類型的頻率重新使用實現優勢。這種分層的網孔結構在名稱為「簡明的HCS」、申請號為08/872,065，於1997年6月10日申請的美國專利申請中另外描述，並且上述申請文件在此結合作為參考。因為移動用戶陷入不同的使用類別例如快速移動和慢速移動(例如基於汽車的移動用戶和走著的移動用戶)，不同的網孔結構可以使用不同的操作參數例如最佳適應快速移動和慢速移動用戶的不同網孔類別中的頻率分配。一般地，在分層的蜂窩系統中，用於慢速移動用戶的網孔可以是為快速移動用戶指定的較大網孔的子集，並且可以例如表示為「微微蜂窩區」，這在名稱為「自調諧信號強度閾值」，申請號為08/179,958，於1998年10月28日申請的美國專利申請中另外描述，並且該文件在此結合參考引用。但是，因為快速移動用戶變成慢速移動用戶是似乎可能的，反之亦然，並且為了便於在正常的操作過程中網孔到網孔的越區切換，對於移動站來說經常有必要監視網孔轉接或越區切換的預期的相同和/或其它頻率信道。並且當執行這種預期切換的監視時判斷AGC增益值的一些系統存在於現有技術中。一個這種系統公開在Tuutijarvi等人於1996年6月4日申請的美國專利申請號5,524,009中。Tuutijarvi等人公開了使用接收信號強度(RSS)測量過程的快速AGC設置。在Tuutijarvi等人的專利中，當切換命令由基站發送給移動站時，「空」時間片用於測量信號強度以便在移動站轉換信道之前設置AGC。雖然這種系統可以提高切換時間，但是它不能實際改變AGC電路的時間常數並且可能在經常監視其它無線電信道的接收機中變成過載。
在CDMA系統中，接收信號可能包括所需的信號和幹擾。一般地，幹擾在接收信號中佔優勢，特別是當考慮寬擴頻方法的使用時。因此，AGC電路將不僅記錄信號功率而且記錄幹擾功率。在CDMA系統中，可以預期移動站執行多頻信道上的測量，以便準備頻率間切換。接收信號功率由於不同的幹擾電平、不同的負載和可能的不同無線電網絡拓撲結構而可能顯著不同。還可以預期移動站在與其他無線電通信系統有關的頻率信道上執行測量以便執行系統間切換。不管切換的動機，他們應該儘可能快地執行，以便例如，不幹擾與正在進行的通話有關的話音質量，或者完全沒有丟失呼叫連接的危險。
情況還可能在CDMA系統有意改變幹擾電平和/或所需信號電平中出現。例如，在一些無線電通信系統中，移動站可以轉接為接收用於定位目的的其他信號。定位可以在移動站中通過測量來自該移動站內的接收機上的多個基站的不同頻率信號實現。測量信號與接收該信號的基站有關的已知位置一起，被用於使用已知的方法例如三角測量來計算該接收機的位置。在這種測量中，減少起源於所需信號的相同基站或來自相鄰基站的幹擾信號的功率可能是有利的。可以重複執行測量並且移動站可能需要多次測量以便計算和/或更新其位置，特別是當移動時，這樣導致了正常接收和面向位置的測量方式、切換方式等之間的快速的轉接。識別非同步源還可能需要接收機在不同接收信號之間轉接，這另外在supra的相關的美國專利申請號09/093,315中描述，該文獻在此結合作為參考。
但是問題發生在接收機中當在新的頻率上啟動AGC電路，特別是當突然改變頻率信道時。因為典型的AGC電路包括一個控制環並且依賴濾波連續的信號採樣，它可以取某一個時間周期用於AGC電路調整。這可以叫做AGC「置位時間」。最小化AGC置位時間以便最小化AGC控制信號電平不在目標範圍期間的時間是所希望的。如果多個切換，或頻率轉接經常或連續地出現，AGC置位時間可以佔據整個轉接時間的很大比例並且成為保持信號質量和節省功率的嚴重阻礙。
因而，本領域應該懂得使儘可能快地測量和調整接收機增益的AGC電路具有最小的置位時間。這種電路會使在提高有效通話連接上的質量測量的同時降低功率。
發明概述因此本發明的一個目的是提供具有改進的數字AGC電路的接收機，該AGC電路使AGC控制的信號電平在目標範圍之外期間的時間最小化。
本發明的另一個目的是提供當在多個接收信號之間轉接時數字AGC電路的減小的置位時間，使得接收信號的動態範圍儘可能快地由數字AGC電路限制，從而實現節電。
因此，根據本發明的一個方面，前面的和其他的目的在具有用於其中數字AGC電路在多個接收信號之間轉接的蜂窩通信系統的數字AGC電路的接收機中實現。該接收機可以包括一個頻率合成器，用於改變耦合到控制處理器的頻率。該控制處理器耦合到用於存儲AGC參數的存儲器。該信號輸入可以在不同的頻率信道上接收多個接收信號。例如，在分層蜂窩系統中，多個接收信號可以代表來自例如用於切換目的被監視的各個蜂窩的信號。耦合到頻率合成器，存儲器和數字AGC電路的控制器可以實現從多個接收信號的第一個信號到該多個接收信號的第二信號的轉接。該控制器還可以實現存儲的AGC參數的第一置位和存儲的AGC參數的第二置位以及第一系統狀態和第二系統狀態之間的轉換。該控制器還可以例如當接收機最後轉換到第二系統狀態時，將與第二系統狀態有關的控制參數加到增益控制參數已經被預先存儲的數字AGC電路。
根據本發明一個實施例的數字AGC電路還可以包括一個數字濾波器，其特徵在於一組係數和內部狀態，並且存儲的AGC參數可以包括該組係數和用於多個頻率信道的每個信道的數字濾波器的內部狀態和/或系統狀態的最後已知值。包括濾波器係數的第一組參數還可以與第一系統狀態和與多個接收信號的第一個信號有關的增益值有關。包括第二組濾波器係數的第二組參數可以與第二系統狀態和與多個接收信號的第二個信號有關的第二增益值有關。該第一增益值可以在接收第一信號期間調整，並且第二增益值可以在接收第二信號期間調整。
在本發明的一個實施例中，該控制器可以將接收機從接收與第二系統狀態有關的第二信號轉接到與第一系統狀態有關的多個接收信號的第一信號，檢索與存儲器中的第一系統狀態有關的先前存儲的增益值，並且將檢索到的與第一系統狀態有關的第一增益值應用到該數字AGC電路，並且可以更新和接著存儲與第二系統狀態和第二接收信號有關的第二增益值。
在本發明的的一個可選實施例中，該控制器還可以採用一個線性預測器並且該存儲器可以用於存儲與在線性預測中使用的每個系統狀態有關的一個或多個以前的AGC參數。在轉接到與第一系統狀態有關的第一接收信號的過程中，該控制器可以提供與第一系統狀態有關的存儲的前一個值給線性預測器以便產生可以加到該數字AGC電路的第一增益值的當前值，從而數字AGC電路的置位時間關於該多個接收信號的第一個信號減小。第一系統狀態還可以包括一個定時器值，該值使控制器確定第一AGC參數存儲在存儲器中的時間長度，從存儲器中檢索第一增益值並且只有當該時間長度低於預定閾值時，將該第一增益值加到該數字AGC電路。因此脫離其有效性的狀態值不可以採用。但是，如果該增益值已經存儲的時間長度高於預定閾值，則一個預設的增益值可以加到數字AGC電路。
在本發明的再一個實施例中，控制器可以配置為使該數字AGC電路適合於第一測量間隔期間的第一接收信號。在適合第一接收信號以後，數字AGC電路可以在存儲器中存儲與該數字AGC電路有關的第一組參數，第一輸入信號和第一測量間隔。第一組參數可以包括系統狀態，該系統狀態例如可以通過參考或結合，特別是存儲器中的第一接收信號而確定，該系統狀態例如包括信號頻率或頻道號，第一測量間隔例如包括定時器值，和相關的系統狀態，具有與數字AGC電路有關的狀態，例如包括與此有關的係數和參數。在根據本發明的操作過程中，控制器可以另外配置為從第二輸入信號轉換回第一輸入信號，此時，控制器可以將該數字AGC電路設置為從該第一存儲狀態得到的狀態。應該知道以從第一存儲狀態得到的狀態設置數字AGC電路將對於數字AGC電路的設置時間，特別是當第一輸入信號的特性已經嚴重改變時取得有利的效果。該控制器可以另外配置為使數字AGC電路適合於第二測量間隔期間的第一輸入信號。還可以知道，例如在適合第二和連續的測量間隔期間以後，與數字AGC電路有關的狀態，第一信號，和第二以及連續的測量間隔還可以以與上面參考第一測量間隔描述的相似方式存儲。
附圖的簡述該發明的目的和優點將通過閱讀結合附圖的下面的詳細描述理解，其中

圖1描述了在宏蜂窩區/微蜂窩區分層設計中的移動終端。
圖2是無線終端的方框圖。
圖3描述根據本發明的一個示例實施例的數字增益控制的接收機。
圖4A描述根據本發明的數字增益控制的放大器的一個例子。
圖4B描述根據本發明的數字增益控制的放大器的另一個例子。
圖5說明可以結合本發明使用的復模數變換器。
圖6是根據本發明的一個示意實施例的平均信號電平檢測器。
圖7是根據本發明的一個示意實施例的一階AGC控制環。
圖8說明根據本發明的模式轉換自動增益控制系統。
詳細描述在下面的描述中，為說明而非限制的目的，闡述了具體的細節，例如特定的電路、電路組件、技術等。以便提供對本發明的全面的理解。但是，本領域技術人員顯而易見本發明可以以脫離這些具體細節的其他實施例實現。在其他情況下，省略了公知方法、設備和電路的詳細描述，以便不使本發明的描述模糊不清。
圖1示出行動網路體系結構中的行動電話10，該行動網路體系結構包括屬於宏蜂窩區，或長距離系統的基站11，和屬於微蜂窩區或短距離系統的基站12。宏蜂窩區一般提供距離範圍10-30KM的通信服務。而微蜂窩區一般用於提供室內覆蓋，例如在商場購物中。微蜂窩區通常包括在宏蜂窩區中，從而避免兩個系統之間的幹擾，使用不同的頻率信道，例如宏蜂窩區的頻率信道F1和用於微蜂窩區的頻率信道F2。行動電話10應該自動檢測何時行動電話處於微蜂窩區12的範圍內並且從通過宏蜂窩區的接收服務轉換到通過微蜂窩區的的接收服務。這優化了整個系統的性能，因為如果行動電話10繼續宏蜂窩區的接收服務，那將拒絕另一個行動電話在擴展的宏蜂窩區的覆蓋區域上使用頻率信道F1，而切換到微蜂窩區的接收服務拒絕另一個行動電話只在有限的微蜂窩區的覆蓋區域上使用頻率F2。
叫做「越區切換」的從一個網孔到另一個網孔的移交服務的通常習慣，是行動電話將測量不同傳輸的信號強度，例如在頻率F1和F2上接收的信號強度，並且報告該測量強度給其當前的服務基站或蜂窩。接著網絡注意到每個頻率和每個蜂窩區的有效容量，決定是否實現越區切換，並且向該行動電話發出適當命令。
當行動電話已經在通話中佔線時越區切換適用。當已經通過例如話音業務時，需要避免由需要測量其他頻率信道引起的對話音業務的過多中斷。還需要避免在小的，低成本和電池供電的行動電話中的單獨業務接收機和測量接收機的複雜性。因此通過臨時重新調諧接收機從F1到F2和從F2到F1執行測量。還可以有應該在其上進行測量的若干頻率信道，即，多於兩個信道，並且應該進行測量的頻率信道的列表從服務基站傳送到移動站，並且可以包括與相鄰宏蜂窩區、微蜂窩區、專用微微小區、家用系統或辦公系統或通信衛星有關的頻率。
當行動電話空閒時，即當前未在通話中佔線，它間歇地監視來自當前選擇的基站發射機的具有預先同意的佔空因數的信號，該佔空因數被選擇用以保存電池功率的最大值。該基站可以只在知道被收聽的期間中，叫做其「靜止模式時間片」，呼叫一個特定的行動電話。不同的行動電話被分配給不同的靜止模式時間片以便使呼叫負載的時間變化平坦。在其靜止模式時間片中，行動電話具有在其他頻率信道上進行信號測量的足夠的剩餘時間，但是需要能夠儘可能快地實現這些以便最小化接收機加電並從電池取得電流的時間。
因此，本發明的一個目的是減少與在其他基站頻率上進行測量有關的接收機接通時間數。
從圖1中，可以知道在行動電話分別到宏蜂窩區基站和微蜂窩區基站之間的距離比可以很大，例如10KM100m。信號強度已知根據大約距離的四次冪變化。微蜂窩區還可以使用與宏蜂窩區相比不同的天線增益和高度以及不同的發射功率電平，並且因此這種差別與行動電話位置的不確定性的結合可以導致行動電話必須對付信號電平中的大的變化。接收機可以應付的信號電平中的變化量常規稱作其「動態範圍」。通常，需要自動增益控制(AGC)的一些形式包含大的動態範圍，其中AGC電路將放大的接收機輸出信號與需要的閾值作比較並且自動增加或減小放大倍數以便保持所需範圍內的輸出信號。名稱叫做「logpolar信號處理」的一種可選的方法在Dent的美國專利5,048,059中描述，該專利在此結合作為引用。Logpolar技術在諸如FDMA或TDMA接收機的窄帶接收機中更容易使用並且不必要同樣適合例如CDMA接收機的寬帶接收機。
接收機的另一重要特性可以叫做「瞬時動態範圍」。當接收機接收一個調幅(AM)信號，或非等幅信號時，幅值變化包含重要的信息並且，因此，不應該失真。因此，在AM信號上工作的AGC系統控制放大的接收機輸出信號的相對長期平均值，以便不使更快速的承載幅值變化的信息失真。因而AGC系統通常包含一個低通濾波器以便分離由於例如從由於信號調製引起的較快變化的幅值變化中衰落引起的較慢變化的幅值改變。在採用具有4兆赫範圍的片速率的射頻載波的線性調製的CDMA系統中，原則上從低於1千赫的衰落分量中分離這些高調製分量沒有困難。當平均信號電平被控制為某些值時，例如，一個伏特或一個單位，並且該信號是類似噪聲的信號時，例如許多CDMA信號的總和，其瞬時幅值可以容易地到達平均值的三倍或更多。實際上，一個真正類似高斯噪聲的信號峰值是無限的。然而實際的接收機放大器會將這些信號限制在某些電平因此引起了失真，並且AGC的目的則是控制信號的平均或均方根(rms)電平為例如3倍rms電平的峰值不被限幅。接收機的平均控制信號電平和限幅電平之間的比是瞬時動態範圍。
現代蜂窩電話系統使用數字傳輸方法，諸如TDMA或CDMA以便得到較高的傳輸特性和質量。在接收機中處理這些信號包括將該信號放大、濾波和下變換為一個適當的低中頻，甚至變換為DC中心周圍的基帶I和Q信號，叫做復基帶(complex baseband)，並且接著使用模數變換器數位化該信號，該變換器保持該無線電信號的相位和幅值變化的復向量表示。數位化寬帶CDMA信號所需的高速模數變換器是耗電的，並且需要限制這種設備的位解析度以便省電。因為CDMA信號以遠小於1的信號噪聲加幹擾比是可解碼的，從量化噪聲的觀點考慮所需的模數變換器字長並不是很長，例如每個I和Q比特流，是兩個比特加符號位。但是，如果該信號的rms值是低於在無失真情況下應該表示的峰值的3的因數，則需要一個另外的因數3或1.5比特的淨空高度，給出3-4比特加符號位表示。這假設AGC系統已經成功地使用以便控制發給模數變換器的信號的rms電平以便準確地得到正確範圍。如果AGC系統只能將信號電平控制在+/-3dB之內，則在模數變換器中需要另一個解析度比特。沒有AGC，圖1的情況下的信號電平的變化當然會比+/-3dB大很多。因此寬帶CDMA接收機相對於它必須對付的可能的信號電平的整個動態範圍可以具有很有限的瞬時動態範圍。
根據本發明的可以實現的該發明的AGC系統和方法的一般的無線電話方框圖示在圖2中。信號通過行動電話天線100以蜂窩頻帶中的各種頻率被接收，並且通過雙工器101傳送到接收機RF電路104，該電路可以包括固定的和可變的增益放大器，濾波，外插下變換和模數變換以便產生信號處理106的複數樣本。頻率合成器105由控制處理器107控制以便產生外插下變換的各個本振頻率，換句話說叫做混頻，因此控制被選擇用於信號處理而被變換的接收信號的頻率。在各個不同瞬間的控制處理器107可以因此控制接收機接收和處理包含第一頻率信道上的編碼話音信號的通信信號，並且可選地在第二頻率信道上進行第二頻率信道的信號強度測量。
當圖2的接收機突然變換為接收和處理在第二頻率上信號時，第二頻率信號比剛才在第一頻率上處理的信號強很多，該接收機的瞬時動態範圍可能瞬間超過其他，導致模數變換器激勵為滿標值並且因此被限幅。該信號真正比限幅電平強的量對信號處理則是看不見的。相反地，如果接收機從第一頻率突然轉換到第二頻率時，第二頻率上的信號強度弱得多，在模數變換器的輸入端的減少的信號電平可能不會到達幅值的最低有效位以便該模數變換器輸出一個零值字符串。第二信號比第一信號弱的量對信號處理則也是不可見的。
假設AGC在使用中，AGC檢測器將最終檢測上面的條件之一併且因此減少或增加增益直到輸入到模數變換器的信號輸入電平再一次處於其最佳範圍的中間。但是，由於需要一個低通濾波器從減慢的衰落分量中分離所需的調幅分量，所以常規的AGC系統不能瞬時適應該信號電平的變化。
部分克服上面問題的一個方法是在其他信號的測量期間加速AGC系統，與通過改變AGC的帶寬處理業務信號相反。當AGC只需要測量信號電平並且不需要解碼該信息時，該AGC無需避免高頻、承載信息的、調幅分量失真。然而，該AGC的帶寬通過具有存儲器的一個元件，例如電容確定。如果需要可變的AGC，則數字存儲器元件比模擬元件例如電容器更適合。而且，在業務模式中使用的低通濾波器的存儲器元件中存儲的值應該在測量模式期間保存並且為了恢復業務模式而被重新調用。
因此，根據提供的本發明，一個數字AGC系統包括存儲器元件，用於存儲與第一操作模式例如解碼在第一頻率上接收的業務信號有關的記憶的AGC值；和包括存儲器元件，用於存儲與第二操作模式，例如解碼在第二頻率上進行信號強度測量有關的記憶的AGC值。一般地，有一個存儲器用於存儲可能的系統狀態表，此處系統狀態可以包括表示操作模式(業務模式、測量模式等)的多個值；與該狀態有關的頻率信道；與該狀態有關的AGC濾波器係數，和最後知道的AGC濾波器存儲器元件值，例如與該狀態有關的增益值。本發明還包括信號處理，例如信號處理器106或控制處理器107中的軟體程序，用於從存儲器中檢索以前狀態並且將該檢索到的值裝載到該AGC系統的工作寄存器中，頻率合成器和數字控制的增益放大級。該信號處理在退出該狀態時存儲該更新狀態並檢索到不同的存儲狀態之前，還利用檢索到的濾波器係數處理接收到的信號採樣以便更新檢索狀態值，例如增益值或其他濾波器存儲元件值。任選地，該信號處理可以包括線性預測，根據在以前情況下確定為最佳的增益，預測對於當前在給定頻率信道上接收信號最佳的增益。該線性預測還可以任選地採用一個定時器值，表示從確定前次增益值為最佳起的經過時間。當前的定時器值以及在未來的線性預測中使用的更新增益值還可以存儲在狀態寄存器中。當相關的存儲定時器值表示大於閾值的經過時間時，該發明還可以包括不使用預測的或檢索的增益值，並且在這種情況下，使用預設的增益值或執行預設的使用的增益值的計算。
圖3示出實現本發明的示意實施例的數字增益控制的接收機的方框圖。來自天線的接收信號通過發射/接收雙工器傳輸到低噪聲放大器(LNA 50)。在RF濾波器51中另外濾波之後，接收的信號通過在混頻器52中外插混頻被轉換為中頻，混頻器52具有一個來自可編程的頻率合成器的本振信號。然後該中頻(IF)信號在IF濾波器53中帶通濾波以便限制該信號帶寬為實質上一個無線電信道。
該IF信號利用數字增益控制的IF放大器60另外被放大一個可變量。該IF信號另外可以在方塊70中處理用於模數變換，導致根據慣例如果以笛卡爾表示由(I，Q)表示的複數流。
可以可選使用Polar或Logpolar表示。信號處理器106/107處理該複數流以便解碼接收信息並且產生數字控制比特給數字增益控制的放大器60以保持發送到模數變換器的信號電平處於最佳範圍。
圖4a和4b示出根據本發明的示意實施例的數字增益控制的放大器60的兩個可能的設計。在圖4a中，電壓或電流控制的IF AGC放大器鏈61a，61b，61c放大該輸入信號以便根據由數模轉換器62提供給放大級的一個模擬控制信號(電壓或電流)產生放大一個數量的輸出信號。在多級AGC放大器中，可以提供一個增加的AGC控制信號以便逐漸減少整個增益，首先從減少末級增益開始，接著減少用於另外增益減少的前置級的增益，並且最後當需要大的增益減少時，減少第一級的增益。這個所謂的「延遲的AGC」系統避免了在該信號仍然弱於中等信號電平的同時，使放大器的噪聲係數降級過多。通過在信號處理器106中存儲一個查找表，增益對控制比特的控制曲線可以安排為任意所需的，該查找表被預先校準以便將所需的增益減少因數映射為正確的控制比特。例如，該查找表可以安排為將以0.5分貝步長表示的增益減少因數映射為加到數模變換器62的控制比特碼型，接著給出分貝的線性控制特性。
圖4b示出可以由多個控制比特b1，b2，b3直接增益控制的放大器。雙極電晶體TR1，TR2是每個具有四個發射極(在這個例子中)、一個基極和一個集電極的多發射極電晶體。這種電晶體可以在讓發射極單獨的同時，通過並聯四個雙極電晶體的基極和集電極端產生。該兩個電晶體形成平衡輸入基極端之間的差分放大器，平衡輸入基極端具有出現在平衡集電極輸出端的平衡輸入信號(Vin，-Vin)和放大的輸出信號電流(Iout，-Iout)。從輸入電壓+/-Vin到輸出電流+/-Iout的放大由下式給出Iout＝Vin/R，此處R是發射極端之間的等效電阻。R可以通過控制電流源I1，I2，I3而變化，上述電流源分別具有為ON或OFF的控制比特b1，b2，b3。例如，如果b1表明接通I1，則整個發射極電阻R等於與R1並聯的Ro(由於Io總是ON，所以它總是存在)R＝R0R1/(R0＋R1)作為選擇，比特b2或b3，或比特b1和比特b2，比特b1和比特b3等甚至給出8種可能R值的所有三個比特可以表明它們是可以選擇的。可以選擇R1，R2，R3和R0的值以便當控制比特通過其八個可能值而增加時給出線性電導級數。作為選擇，可以作出接近8，0.5分貝的步長。
圖4b的放大器可以是類似的放大器鏈中的一個放大器.在那種情況下，如果包含在該鏈中的第一放大器提供8個0.5分貝步長，則在該鏈中的另一個放大器可以提供大約4分貝步長，並且如果第二放大器提供8個4分貝的步長，則第三放大器提供大約32分貝步長，以此類推。因此分貝相對控制比特碼的近似線性控制特性可以通過適當級聯圖4b所示類型設計的放大器提供。在圖4a和圖4b的兩種情況下，可以使用電容器平滑離散增益值之間的階梯躍變。一般地，在包括許多片周期的一個CDMA碼元周期保持接近固定增益是希望的，因而適當的階梯躍變持續時間例如將是64片碼元周期，或4兆赫的片速率的16uS。這可以通過慢動電流源I1、I2和I3的接通和切斷速率，或通過數模變換器62的輸出電壓線的電容提供。
圖5示出根據本發明可以使用的復模數變換器62。來自AGC控制的放大器60的放大的IF信號加到由同相混頻器71a構成的正交下變換器的輸入端，它將該輸入信號乘以局部產生器72產生的IF中心頻率的餘弦波，並且加到正交混頻器71b的輸入端，此處它乘以來自產生器72的正弦波。該混頻器輸出在濾波器73a、73b中低通濾波以便消除雙-IF分量和補充已經由IF濾波器53部分執行的信道濾波。接著濾波器73a、73b的輸出饋入快閃變換器74a、74b，此處該信號被量化為四個比特值，即在最大可能正電平和最大可能負電平之間分布的16個最接近的可能的電平。可以預期製造快閃變換器的各種方法，例如使用16比較器以便將該輸入信號與16個電平的每個比較，作為選擇，使用將該信號和0作比較的比較器以便確定信號符號，並且接著使用8個比較器量化數值為3比特，給出符號數值表示。量化電平可以不一致地隔開，接著該四比特的輸出使用一個查找表被變換為它們表示的實際電平，該查找表指定該電平為比4大的一個較大比特數。為統一隔開量化間隔的電平，電平可以表示+/-1單位、+/-3單位、+/-5單位、+/-7單位、+/-11單位、+/-13單位或+/-15單位。該發明的AGC系統的一個目的是保證信號保持在快閃變換器的16個可能的電平平均的中間，例如在電平+5和電平-5之間擺動，同時不超過最大正電平+15或最大負電平-15。因此信號處理器106/107確定平均(例如，rms或均方)信號電平，並且如果值太高，則放大器60的增益將通過改變該控制比特而減少，可選地如果該平均信號太低，則該增益將增加。
可以採用數位化無線電信號的其他方法，例如上面結合的美國專利5,048,059的logpolar方法，或作為選擇，Puckette等人的美國專利4,888,557的正交採樣方法，在此結合作為參考。
圖6示出可以由信號處理器106/107使用以執行前述功能的一種類型的平均信號電平檢測器。其中，4比特I信號被加到平方邏輯(Square logic)80a和Q信號同樣被加到平方邏輯80b。4比特量化可以通過將它們加到給出平方的16值查找表而被平方。在符號幅值表示中，只有3比特幅值需要被加到8單元查找表以便得到平方。該平方值被加入加法器81中。應該懂得I平方加Q平方是復向量無線電信號的瞬間幅值的平方的測量，該值對於純調相的信號而言將是常數。但是由於非不變幅度調製的原因而該結果將以高頻率波動，並且高頻波動應該消除以便產生一個均方信號電平的平滑值。一階(單極)低通濾波器在圖6中示出，它實現算法下一個平均值＝最後平均值＋(輸入值-最後平均值)/2n選擇除數2n以便可以通過簡單的n位右移實現，並且確定低通濾波器能夠多快地跟蹤輸入的改變。預期在不同的接收機模式中將需要不同的濾波器速度，作出規定通過設置處理器106/107中的濾波器速度改變「n」。同樣，預期接收模式改變可能需要存儲當前的累加器值並且通過從存儲器中檢索以前的值替換，作出規定將累加器設置為處理器106/107中的值。當然該低通濾波器完全可以被構造成可編程的數位訊號處理器中的一個適當的軟體程序。
如果需要，表示均方信號幅值的累加器輸出值，在需要均方根時，可以進行平方根操作，或如果該平均信號電平以分貝表示則執行算邏功能。以其他方式測量平均信號電平也是可能的，例如，以符號幅值表示，可以使用I和Q幅度的和並且低通濾波；作為選擇，I和Q超過最大正或負電平的次數可以觀察到並且用作控制參數。在上面使用的方法中，無論用什麼方式表示是很不重要的，AGC系統的一個目的是控制參數，使之平均等於以相同方式表達的目標值。
圖7示出用於控制信號電平接近目標平均值的一階控制環。該測量的信號電平，不管用什麼方法定義和測量，通過比較器88中的減法與以相同方式定義的目標信號電平作比較。該差是與所需目標值的差異或誤差。通過在定標器89中除以2m定標誤差並且接著通過累加加法器91的定標值和累加器92中的前一個累積值在積分器90中求積分，在適當時鐘或時基的每個滴答。注意到有關在CDMA碼元間隔上保持固定增益的願望，時鐘周期可以適合一個CDMA碼元周期例如16uS。
如果該累加值是正的，表示該信號持續處於大於該目標電平的電平的一種趨勢，從累加器92中提取的控制比特控制AGC放大器60以便實現增益減少。相反地，如果該累加的誤差值是負的，表示該信號持續處於過低電平的趨勢，則從累加器92的控制比特將表示增加的增益。因此，負的累加值選擇高增益，而正的累加值選擇低增益。當然，這種符號規約在需要時可以容易地顛倒，或通過在累加器92和AGC放大器60之間插入一個查找表改變成任何規約以便使該累加器比特格式適合於控制AGC放大器所期望的格式。例如，該查找表可以線性化該AGC放大器的分貝增益控制特性。
定標1/2m確定AGC反映信號電平變化的速度。預計最佳反映速度在不同的接收機操作模式中是不同的，作出規定通過將其設置為處理器106/107的值來改變「m」。同樣，預期該累加器值應該在從一個接收機模式改變為另一接收機模式的過程中存儲，通過重新調用以前存儲的值用於新模式來替換它，作出規定設置該累加器值，它還從處理器確定接收機的增益。輸入給比較器88的測量的平均信號電平可以在輸入到AGC之前進行下採樣以便適應低通濾波器和AGC中不同的採樣速率。
因此在圖6和圖7的組合中，已經識別出四個AGC有關的參數，這些參數可以方便地與從接收機第一操作模式向接收機第二操作模式的改變相關聯地存儲並且重新調用和在變回第一模式的過程中復位。這些參數是1.涉及信號強度測量平滑濾波器時間常數的「n」；2.用於平滑濾波器的累加器值(V)；3.與AGC控制環速度有關的「m」；和4.與當前增益設置有關的累加器值(G)。
這四個參數使用一階平滑濾波器和一階控制環發生。當然可以使用高階濾波器和控制環。例如，可以使用二階無限衝擊響應(IIR)平滑濾波器，該濾波器由兩個係數定義並且具有存儲的兩個內部存儲器狀態。同樣可以使用二階控制環，該控制環具有串聯的兩個累加器-積分器和衰減期限以保證穩定性，如從鎖相環理論公知的。二階控制環特徵也在於確定該環的固有頻率和衰減係數的兩個係數，並且具有可以方便存儲的兩個內部存儲器狀態(累加器值)。但是，當該環包含一個飽和元件時，二階控制環可能是不穩定的，並且該低解析度模數變換器表示這種元件。
圖8表示上述的元件的組合以便形成根據本發明的一個模式自適應AGC系統。反饋控制環的操作描述作為圖3給出；但是，成為該環特徵的性能和當前狀態的標號為「n」，V，「m」和「G」的參數示出連接到存儲器100，存儲器100還耦合到模式選擇控制器101。存儲器100，模式選擇控制器101，平滑濾波器(圖6)和環積分器(圖7)可以都是圖2的信號處理器106或控制處理器107的一部分，它因此也控制其他方框例如頻率合成器105。
具體化根據本發明的示例實施例的圖8的電路的接收機可以在圖8中說明性標為MODE 1、MODE 2、MODE 3和MODE 4的多種模式下工作。圖1的宏蜂窩區/微蜂窩區情況中描述的兩個示例模式，分別解碼小區的信息信號，並且瞬間切換頻率到另一個小區的頻率以便測量其他小區的整個信號強度。但是可以展望其他模式，例如靜止模式，其中空閒模式中的行動電話功率下降以便節約電池和例如在每秒20毫秒的指定的尋呼時間片中，定期喚醒，以便確定呼叫報警消息是否寫著由網絡發射的地址。當從靜止模式喚醒時，可能需要使用不同的AGC參數，例如更快地重新調整對於該信號電平的接收機增益，該參數可能在1秒內顯著改變，與業務模式相比，此處AGC幾乎連續地可操作。然而根據本發明可以處理的另一個可能模式，是加電之後的初始捕獲，其中該行動電話，優選地以知道的似然性，查找無線電信號的頻率表，並且處理找到的試圖同步和解碼由網站發射的廣播控制信號的最強信號。初始捕獲需要接收機模式靈活，並且這種操作在美國專利申請序列號為09/236,083(Dent於1999年1月25日申請的)中描述並且標題為「具有並行執行的多級CDMA同步」，在此結合作為參考。
確定AGC參數對於每種模式最佳不是這個發明的目的，本發明的目的是期望它們將是不同的並且提供對於每種模式單獨存儲和檢索它們的機制。該存儲由控制器101控制下的存儲器100提供並且在與選擇不同模式或頻率信道的同步中由控制器101實現檢索。
當改變模式時，例如從靜止模式喚醒，或當瞬間中斷的業務模式間歇地掃描另一個頻率信道時，以前存儲的對於新模式的適當的參數組被從存儲器100中重新調用。雖然係數不能動態地改變參數，但是濾波器和控制器狀態參數(例如V和G)可能由於沒被允許連續地測量採樣的信號而變得過時。因此產生從過去的測量或過去的增益值預測將來情況的增益值G的需要，並且還可能需要復位V為用於開始新信號平滑的一預設值。預測一般包括確定從過去歷史的變化率並外插，外插需要知道經過時間。外插中的成功還依賴於包含的時間長度。如果該經過時間太長，則即使外插的存儲的參數，可能也不是準確的預測。在這些情況下，需要檢測預測何時是可疑的並且需要回復到預設的操作模式，例如用於設置預設的增益，或通過建立首次大的增益步長來擴大對於正確增益值的擴大查找，注意該測量的信號強度是否為零或使檢測器已經飽和，並且如果那樣則繼續減小增益步長大小直到該信號強度落入該信號強度檢測器的範圍之內並且該環可以閉合。因此對於定時器的需要是明顯的以便確定從最後修改存儲的參數組的經過時間。該定時器例如可以由控制器101在退出一種模式時存儲參數組的時候讀出。在下一次恢復模式時，當前的定時器值將與存儲值作比較以便確定所經過的時間，該時間將與一個閾值作比較。如果所經過的時間大於閾值，則將調用確定初始AGC參數的預設方法，否則如果所經過的時間小於該閾值，則AGC參數將根據存儲的參數和經過的時間預測。
本領域以不同的方式公知預測以前值的參數的各種方法諸如線性預測、自回歸，或卡爾曼濾波。卡爾曼濾波器例如可以同時設計為估計未來信號強度和信號的信號強度變化速率。該信號強度及其導數還可以由增益G及其導數代替，因為以前使用的增益與信號強度密切相關。這種2階可變卡爾曼濾波器包括由P表示的2×2矩陣，初始化其具有大的對角線項並且接著在每次測量後連續更新。P階矩陣元幅度確定在每次反映改進的估計值的每次測量之後，允許每次新的測量影響變量和縮減的估計的程度的多少。防止P階矩陣進入0，如果允許其為0，將恰好導致提供變量的平均值，而不是記錄變化值。為了允許跟蹤變化值，在每次測量之後通過加一個通常由Q表示的常數矩陣來「增加」P矩陣。Q矩陣反映允許濾波器以多快速度記錄變化值。明顯地，存儲器100還可以擴展為存儲一個卡爾曼P矩陣、一個Q矩陣、定時器值和增益導數以及增益值，以及諸如模式指示器和頻率信道號的其他指示器，以便該發明被配備成用於執行增益或信號強度值的線性預測，從而提高間歇接收信號的增益匹配。這種計算還可以通過存儲在信號處理器106或控制處理器107中適當的軟體程序執行。
本領域技術人員在無須脫離由下面權利要求書描述的發明的精神和範圍的前提下，可以利用有關上面教導中給出的主題的許多改變構造一種模式自適應的AGC系統。
權利要求
1.一種接收機，包括一個天線用於接收信號；一個增益控制的放大器，用於放大所述接收信號；一個模數變換器，用於將所述放大信號變換為數字值的流；和一個處理器，用於和接收所述數字值並且當所述接收機工作在第一模式時使用第一組參數值選擇性地控制所述增益控制放大器的增益和當所述接收機工作在第二模式時使用第二組參數值。
2.權利要求1的接收機，其中所述第一模式是用於接收分配給所述接收機的業務信道上所述信號的業務模式並且所述第二模式是用於測量其他信道上信號的測量模式。
3.權利要求1的接收機，其中所述第一模式是靜止模式，其中所述接收機工作在第一功率電平，所述第二模式是工作模式，其中所述接收機工作在大於所述第一功率電平的第二功率電平。
4.權利要求1的接收機，其中所述處理器確定由使用低通濾波器的所述模數變換器輸出的平均信號電平。
5.權利要求4的接收機，其中所述低通濾波器是一階濾波器並且其中所述第一組參數值包括一個第一濾波器時間常值並且所述第二組參數值包含不同於所述第一濾波器時間常值的第二濾波器時間常值。
6.權利要求5的接收機，所述第一模式是用於接收分配給所述接收機的業務信道上的所述信號的業務模式並且所述第二模式是用於測量其他信道上的信號的測量模式，並且其中所述第一濾波器時間常數值提供比所述第二濾波器時間常數值小的濾波器帶寬。
7.權利要求5的接收機，其中所述一階濾波器包括一個可設置的累加器，其中可以由所述處理器使用根據所述接收機是否分別工作在所述第一或第二操作模式下的所述第一和第二組參數值中選擇的值設置累加器。
8.權利要求4的接收機，其中所述低通濾波器是二階或更高階濾波器。
9.權利要求4的接收機，其中所述處理器還包括一個控制環，用於將所述平均信號電平與目標平均信號電平作比較並且根據所述比較控制所述增益，所述控制環至少包括一個可變參數，該參數使用根據所述接收機是否分別工作在所述第一或第二操作模式下的所述第一和第二組參數值中選擇的值設置。
10.權利要求9的接收機，其中所述至少一個可變參數是確定執行自動增益控制速度的比例因數。
11.權利要求9的接收機，其中所述控制環包括一個可設置的累加器的值作為所述至少一個可變參數。
12.權利要求1的接收機，還包括用於存儲所述第一和第二參數值的一個存儲器裝置。
13.權利要求12的接收機，其中每個所述第一和第二組參數值包括與濾波器時間常數有關的第一值，與濾波器的累積值有關的第二值，與比例因數有關的第三值，與積分器的累積值有關的第四值。
14.權利要求12的接收機，其中所述處理器還是可操作的以便根據至少一個另外操作模式調整並且其中所述存儲器裝置包括用於每個所述至少一個另外操作模式的一組參數值。
15.權利要求1的接收機，還包括一個定時器，用於確定從所述第一和第二組參數值之一由所述處理器使用起的經過時間；其中如果所述經過時間大於一個閾值，則所述處理器使用一組預設的參數值，並且其中如果所述經過時間小於所述閾值，則所述處理器根據一組存儲的參數值和所述的經過時間預測一組參數值。
16.一種用於控制接收機中數字自動增益控制(AGC)電路的方法，該方法包括步驟從所述接收機的第一操作模式轉換成所述接收機的第二操作模式；通過使用一組與所述第二操作模式有關的參數值控制與所述接收機中放大器有關的增益以便處理在所述接收機被轉換為工作在所述第二模式之後的接收信號，其中所述第一模式的該組參數值不同於所述第二模式的參數值。
17.權利要求14的方法，其中所述轉換步驟還包括步驟操作所述第一模式中的所述接收機以便接收分配給它的業務信道上的信號；轉換成所述第二模式；和操作所述第二模式中的所述接收機以便測量與除所述業務信道以外的信道有關的信號強度。
18.權利要求14的方法，其中所述轉換步驟還包括步驟操作靜止模式中的所述接收機以便定期喚醒和在分配的尋呼信道時隙中接收信號；從所述靜止模式轉換成其中所述接收機使用較多功率的活動模式；和操作所述活動模式中的所述接收機以便接收業務信號。
19.權利要求14的方法，還包括步驟將所述放大器輸出進行模/數變換以便產生數位訊號；和確定使用低通濾波器的所述數位訊號的平均信號電平。
20.權利要求17的方法，其中所述低通濾波器是一階濾波器並且其中所述第一模式的所述參數值組包括第一濾波器時間常值並且所述第二模式的所述參數值組包括不同於所述第一濾波器時間常值的第二濾波器時間常值。
21.權利要求18的方法，其中所述第一模式是用於接收分配給所述接收機的業務信道上的所述信號的業務模式並且所述第二模式是用於測量其他信道上信號的測量模式，並且其中所述第一濾波器時間常值提供比所述第二濾波器時間常值小的濾波器帶寬。
22.權利要求18的方法，其中所述一階濾波器包括一個可設置的累加器，其中累加器可以由所述處理器利用從根據所述接收機是工作在所述第一還是第二操作模式下的所述第一和第二組參數值中選擇的值設置。
23.權利要求17的方法，其中所述低通濾波器是二階或較高階濾波器。
24.權利要求17的方法，還包括步驟將所述平均信號電平與目標平均信號電平作比較；和根據所述比較控制所述增益，所述控制環至少包括一個可變參數，使用從根據所述接收機是分別工作在第一操作模式還是第二操作模式下的第一和第二組參數值中選擇的值設置該參數。
25.權利要求22的方法，其中所述至少一個可變參數是確定執行自動增益控制的速度的比例係數。
26.權利要求22的方法，其中所述至少一個可變參數是可設置的累加器的值。
27.權利要求14的方法，還包括步驟分別存儲與所述第一和第二模式有關的第一和第二組參數值。
28.權利要求25的方法，其中每個所述第一和第二組參數值包括與濾波器時間常數有關的第一值，與濾波器的累加器值有關的第二值，與比例係數有關的第三值，和與積分器的累加器值有關的第四值。
29.權利要求14的方法，還包括步驟確定從由所述處理器使用所述第一和第二組參數值之一時起經過的時間；其中如果所述經過時間大於閾值，則所述處理器使用預設的參數值組並且其中如果所述經過時間小於所述閾值，則所述處理器根據存儲的參數值組和所述的經過時間預測一組參數值。
30.權利要求1的接收機，其中所述第一模式是空閒模式，將該接收機從該模式中喚醒以便接收第一信道上的控制信道信號和所述第二模式是空閒模式，將該接收機從該模式中喚醒以便測量第二信道上的信號強度。
全文摘要
公開一種具有數字自動增益控制(AGC)電路的接收機用於包括分層蜂窩系統的蜂窩通信系統中。該接收機包括一個控制器,它根據系統工作模式在增益控制值之間轉換。這樣,該AGC可以被最佳化用於不同類型的接收處理操作,例如話務接收和其他信道的測量。
文檔編號H03G1/00GK1333945SQ9981583
公開日2002年1月30日 申請日期1999年11月17日 優先權日1998年11月24日
發明者K·古斯塔夫松, P·登特, H·埃利松 申請人:艾利森電話股份有限公司