专利名称：用于补偿抽样信号中的变化直流偏差的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于通信系统的诸如便携式蜂窝电话机、无绳电话机、寻呼机等的直接变换接收机。
诸如无线电信号的通信信号的解调和模数(A/D)变换能利用有时也称为零拍接收机的直接变换接收机来执行。通过使接收机的本振频率与接收的载波信号频率相同来直接解调信号并将信号频谱下变换为基带。由于直接接收机不具有任何中频(IF)级，所以能省略或简化许多滤波器。实际上，所有的滤波和信号处理能利用数字逻辑来完成，与相应的模拟处理相比，这可以减少硬件费用和设计复杂性。
在十九世纪50年代，直接变换引入到单边带无线电接收机，但此技术不限于这样的系统。直接变换能与许多不同的调制方案一起使用，并且特别适合于今天的正交调制方案，诸如最小移频键控(MSK)和正交振幅调制(QAM)。
直接变换或零拍接收机的各个方面描述在授与Lindqvist的美国专利No.5530929和授与Dent的美国专利No.5241702以及Lindquist等人的允许美国专利申请No.08/401127和Lindqvist等人的美国专利申请No.08/365037中，将这些文件特意引入在此作为参考。
对常规的直接变换无线电接收机的操作可结合
图1进行描述如下。具有中心频率fc和带宽BWrf的射频(RF)信号由天线10接收并随后利用带通滤波器20进行滤波，将由带通滤波器产生的滤波信号由最好具有低噪声的放大器30放大以改善接收机总噪声系数。
由放大器30产生的放大的滤波信号随后由平衡混频器40、50下变换为同相(I)信道与正交相位(Q)信道中的基带。利用由合适的分频器与移相器70从本机振荡器60生成的正弦信号中产生的各个正弦(I)与余弦(Q)分量驱动该混频器。根据直接变换原理，L0信号也具有频率fc。
混频器40,50有效地将来自放大器30的信号与本机振荡器的I、Q分量相乘，每个混频器产生具有是放大的滤波接收信号与本机振荡器信号的频率的和与差的频率的信号。每个差(下变换的)信号具有在零频率(d.c.)周围折叠的并从d.c.(直流)扩展至1/2BWrf的频谱。
对由混频器产生的I与Q信号利用低通滤波器80、90进行滤波。低通滤波器80、90除去该和(上变换的)信号以及由于在RF信号附近而要除去的分量。滤波器80、90设置接收机中的噪声带宽并从而设置总噪声功率。随后通常由放大器100、110放大I与Q基带信号并提供给模数变换器120、122与数字信号处理(DSP)装置130。
利用图1所示的结构，通过适当地编程DSP装置130来控制正交I与Q信号的数字样值能检测几乎任何类型的调制。这样的处理可包括相位解调、振幅解调、频率解调或混合解调方案。将认识到可将DSP装置130实施为硬布线逻辑电路或最好实施为集成数字信号处理器，诸如特殊应用的集成电路(ASIC)。当然，应理解ASIC可以包括执行所要求的功能是最佳的硬布线逻辑电路，这是在速度或另一个性能参数比可编程的数字信号处理器的通用性更重要时通常选择的装置。
常规的直接变换接收机的主要问题是混频器产生干扰信号(例如，在相同的和靠近的RF通信信道上的信号)的二级积。这些二级积的一个分量位于基带上，并因而干扰所需的基带信号，降低性能。在某些情形中，这个问题完全阻塞用于当今的时分多址(TDMA)数字蜂窝系统的高性能、直接变换接收机中的通信。
对于输入信号Vin，诸如混频器的非线性装置将产生理论上由下式给定的输出信号VoutVout=aVin+bVin2+...
如果输入信号Vin是由下式给定的干扰信号Vin=Vmcos(ωct)其中Vm是干扰信号的最大振幅，并且Wc对应载频fc，则二级积bVin2由下式给定bVin2=bVm22[1+cos(2ωct)]]]>
从上式中可看出右边第一项是例如在混频器40、50之后的基带所需信号上的失真。由于右边第二项代表由滤波器80、90除去的中心频率在载频二倍附近的上变换的(和)信号，所以能忽略此项。
如果干扰信号或仅是单载波fc或是恒定包络、频率或相位调制的信号，则失真是直流分量。这样的直流偏差能以许多方式来除去，诸如授予Dent的US专利No.5241702中所述的方法，将此专利在上面引入作为参考。
如果干扰信号在某种程度上是振幅调制的(AM)信号，即如果Vm不是恒定的，则该二级积不再仅仅引入恒定的直接偏差。这由于其使用实AM信号和/或其使用单载波或调频或调相信号的开/关转换而出现在所有的数字通信系统中。由强的无线电发射机引入在基带信号中的直流偏差与所需的基带信号相比可以是非常大的。由于在许多情况中直流偏差由于干扰发射机快速接通与关断而快速变化，产生基带信号的直流电平中大的阶跃，而这很难进行补偿。
在移动电信中，不同的操作者使用相同的频带来进行无线电传输。在例如根据全球移动通信系统(GSM)标准操作的系统的时分多址(TDMA)通信系统中，基站发射机能被接通和关断而无需相互同步。出现在由基站发送给移动站的脉冲串或时隙中间的来自另一基站的大阶跃在移动站装备有零拍接收机时严重损害连接质量。对这个变化的直流电平必须进行检测并除去。
在移动电话与其他的实时应用中，执行这样的检测与除去所需的时间周期也是重要的。可使用没有复杂的引入延迟的后处理方法，也可能限制数据存储能力，这是许多便携式接收机的典型情况。
本发明的一个目的是减少直接变换接收机中所需信号中变化直流偏差的影响。
本发明的另一个目的是实现用于现代蜂窝通信系统的直接变换接收机，不会由于强的干扰信号而使性能降低。
根据申请人发明的一方面，在直接变换接收机中提供用于补偿具有可变的直流电平的基带信号的当前样值的设备，此设备包括用于生成基带信号样值的装置；用于形成基带信号样值的平均估算值的装置；用于根据当前样值检测基带信号的直流电平中的变化的装置；和用于通过形成当前样值与估算值之间的差来生成补偿样值的装置，从而基本上除去直流电平中的变化。
在本申请人发明的另一方面中，此设备中的检测装置包括用于确定上限值与下限值的装置和用于比较基带信号的当前样值与上限和下限值的装置。该上限和下限值可以是基于基带信号样值之中最大一个样值，并且在当前样值超过一个极限值时检测基带信号直流电平中的变化。另外，平均估算值可以从对应是否己检测到直流电平中的变化的许多样值中自适应地形成。
在本申请人发明的另一方面中，提供补偿具有可变直流电平的基带信号的当前样值的方法，此方法包括步骤生成基带信号的样值；形成基带信号样值的平均估算值；根据当前样值检测基带信号直流电平中的变化；和通过形成当前样值与估算值之间的差来生成补偿样值，从而基本上除去直流电平中的变化。
在此方法中，所述检测步骤可以包括步骤根据基带信号样值中最大一个样值确定上限值与下限值；并将基带信号的当前样值与上限和下限值比较。在当前样值超过一个极限值时，检测基带信号直流电平中的变化。而且，平均估算值可以从对应是否已检测到直流电平中的变化的许多样值中自适应地形成。
通过结合附图阅读此说明将会理解申请人的发明，其中图1是直接变换接收机的方框图；图2a,2b是直接变换接收机的I与Q信道中信号的时间图；图3是根据申请人的发明补偿基带信号样值的方法流程图；和图4是根据申请人的发明检测基带信号的直流电平中变化的方法流程图。
虽然下面的描述有关具有正交信道的无线电接收机，但将认识到申请人发明能以其他形式的诸如具有单信道的有线线路接收机的通信接收机进行实施。
在GSM中，接收的信号是利用GMSK调制的相位，并且最好在935-960MHZ的接收频带内不出现AM。然而，强的调相干扰信号(接收频带内的阻塞信号)能在基带中引入干扰所需信号的直流偏差，接通与断开这样的强干扰信号能引起两个不同直流偏差之间的阶跃(即，AM)。在GSM中，指定接通与关断的时间，并因此在时域中知道AM失真。(大约影响三个比特周期)。
对于GSM移动接收机，也知道这样的干扰信号在接收的脉冲串期间仅能被接通或关断一次。因此，对于每个GSM操作者以及服务移动站的操作者，在任一个接收的脉冲串期间只能有一个直流偏差阶跃。例如，在瑞典，在GSM频段中目前有三个操作者并且在任一个接收的脉冲串期间有两个直流偏差阶跃的可能性，本申请人的发明能处理如此的多阶跃。
如图2a与2b所示，基带I与Q信道信号中产生二级积的干扰信号在时域中将自身表示为利用具有公知特性的斜坡连接的两个不同电平(由于接通或关断)。在图中，理想信号是没有二级积的信号，并且总的接收信号是理想信号与二级积的和。横坐标上的时间刻度和纵坐标上的幅度刻度是任意的。
虽然抽样的基带信号具有恒定的直流电平，但样值Xi的大小围绕平均值Xmean上下变化。例如从图2a、2b中所示的信号中导出的抽样值将在大约±1之间变化，并且平均值对于0与20之间的时间周期将近似为零。补偿这样的抽样信号包括根据下式生成补偿样值XcompiXcompi=Xi-Xmean其中标引值i表示当前样值。生成补偿样值所必需的操作由DSP装置130利用A/D变换器120、122产生的抽样I与Q信道信号在逐个样值基础上完成，这些操作利用是根据本申请人发明的方法流程图的图3与图4来表示。补偿的I与Q信道抽样信号随后在DSP装置130中进行进一步处理以获得所需的信息信号。
利用基带信号的样值(图3中的方框301)，几种不同的方法能用于估算Xmean值，即样值的平均值(方框303)。例如，根据下式通过形成预定数量N的最近接收样值的平均值能确定可变XmeanXmean=N-1∑Xi-n其中对范围从1至N的n的值进行相加。在TDMA系统中，平均的样值数由于实际原因并由于更准确率一般不必要而可限制为约150至约170的范围。(GSM类型通信系统中的每个脉冲串包括大致150-170个数据比特)。然而，具有希望(如果不必要的话)例如在监视频率校正脉冲串时处理大量比特的情形。在GSM中，每帧51个时隙中的5个时隙用于发送未调制的载波(“频率校正脉冲串”或FCH)，移动站可以利用窄带滤波器检测此载波以便得到粗略定时和频率误差估算。由于Xmean是可变平均值，所以原则上处理的比特数是不受限制的。
通过选择上限Xmax和下限Xmin并将当前样值Xi与这些极限值进行比较能检测直流电平中的变化(步骤305)。这个检测直流电平变化的方法表示在图4中，其中步骤401表示选择上与下限，而步骤403表示比较当前样值与极限值。如果当前抽样值大于Xmax或小于Xmin，则表示直流电平中的变化(步骤405)。极限值Xmax、Xmin能以几种方式进行选择，例如通过将Xmax、Xmin设置为最近的预定时间周期中观察到的最高与最低抽样值来选择Xmax、Xmin。另外，将明白；可利用上面引用并引入作为参考的美国专利申请号08/365037中所述的任何一种技术来检测干扰信号的存在。
在正常的信号处理中，即在Xmean中没有大变化时，通过平均大量的抽样值能高精确性地确定平均值。而且，如果适当地选择Xmax与Xmin值，所有的抽样值将在这两极限值内。例如，能根据实际的信号幅度(在这种情况中是Xcompi和此幅度的典型的或期望的变化的了解选择Xmax、Xmin。
如果没有变化，发现一个或更多的样值在极限值Xmax、Xmin外面时，就认为表示直流电平中的变化。为了更快地跟踪此变化，则通过给当前样值更大的加权来自适应地确定平均值(方框307)。为了获得非常快的跟踪，平均值能设置为等于当前的抽样值，这不给以前的平均值任何加权。当变化已过去时，例如，在重建前面的平均值时，可以利用逐渐增大数量的样值N来继续平均值的确定，直至获得所需的高精确性。在任何情况中，根据上面的表示式通过查找当前样值与平均值之间的差异形成基带信号的补偿样值(方框309)。
作为申请人发明的方法的特定示例，假定Xmean是根据下式确定的可变平均值Xmean(新)=Xmean(旧)·(N-1)/N+Xi/N其中Xmean(新)是当前样值Xi确定的Xmean值；Xmean(old)是以前样值确定的Xmean值；和N是样值数。将明白系数(N-1)/N和1/N是加权系数。在正常情况中，即当不接通或关断干扰信号时，能认为直流电平是恒定的并且能使用大的N值，假定Xmean的估算具有高准确性。例如，假定N=32，这得到
Xmean(新)=Xmean(旧)·31/32+Xi/32另外，假定极限值Xmax、Xmin是以前最大样值的两倍，这也就是说Xmax=Xmean+2max|x-Xmean︳和Xmin=Xmean-2max|x-Xmean︳其中样值X的范围为当样值Xi至前一样值，诸如前一样值Xi-N。
如上所指出的，发现一个或多个在极限值Xmax、Xmin外面的样值表示直流电平中的阶跃，并引起值N的减小以便更好地跟踪此阶跃。例如，N能从32减至2，得到Xmean(新)=Xmean(旧)/2+Xi/2当当前样值Xi返回到极限值Xmax、Xmin内时，增加值N。对于返回到极限值内的第一样值，N设置为4；对于极限值内的第二个连续样值，N设置为8；对于极限值内的第三个连续样值，N设置为16；并且对于极限值内的第四个连续样值，N返回为32。
将认识到在陡峭阶跃期间接收的样值将不准确地进行解调。在许多的诸如移动通信的应用中，这可能不是一个问题，健全的信息编码和纠错方法能在有限时间内不损耗整体通信质量处理误码。在最坏的情况中，由于补偿的与实际的基带信号之间的差异而可能丢失一些信息码元，这在具有键全的信道编码与交错的诸如GSM与DCS1800系统的通信系统中通常能被忽略。
将理解根据申请人发明的方法很适合于但不限于除去零拍无线电接收机中的基带直流偏差，这样的方法适于校正抽样值序列而不管其长度如何，并且此方法能处理任何类型的直流偏差，不管是变化的或是恒定的偏差，此方法也能处理直流偏差中重复的斜坡或阶跃。不需要数据的后处理，这对于要求实时操作的诸如蜂窝电话的应用是重要的。连续执行信号处理而没有明显地延迟输出，并且此方法可以非常有效地在硬件中，例如在仅具有所需的小量区域的集成电路中实施，不需要大的数据存储单元和不需要复杂的复术处理。
本领域的普通技术人员将意识到本发明能以其他形式实施而不脱离其基本特性。因此，上述的实施例必须在所有方面认为是示意性的而非限制性的。本发明的范围由下面的权利要求书进行定义。
权利要求
1．在直接变换接收机中，用于补偿具有可变直流电平的基带信号的当前样值的一种设备，包括用于生成基带信号样值的装置；用于形成样值的平均值估算值的装置；用于根据当前样值检测基带信号直流电平中变化的装置；和用于通过形成当前样值与估算值之间的差来生成补偿样值的装置，从而基本上除去直流电平中的变化。
2．根据权利要求1的设备，其中检测装置包括用于确定上限值与下限值的装置，此上限与下限值是基于基带信号的最大一个样值；和用于将当前样值与上限和下限值进行比较的装置，在当前样值超过一个极限值时检测基带信号直流电平中的变化；并且其中估算值形成装置包括用于自适应地确定许多基带信号样值平均值的装置，样值数量对应是否已检测到直流电平中的变化。
3．用于补偿具有可变直流电平的基带信号的当前样值的一种方法，包括以下步骤生成基带信号样值；形成样值平均值的估算值；检测基带信号的直流电平中的变化；和在检测到变化时，通过形成当前样值与估算值之间的差来生成补偿的样值，从而基本上除去直流电平中的变化。
4．根据权利要求3的方法，其中检测步骤包括以下步骤根据基带信号的最大一个样值确定上限值与下限值，和比较当前样值与上限和下限值，在当前样值超过一个极限值时检测基带信号直流电平中的变化；并且其中形成估算值的步骤包括以下步骤自适应地确定基带信号的许多抽样值的平均值，样值数量对应是否已检测到直流电平中的变化。
全文摘要
描述用于检测、估算和补偿直接变换接收机中抽样信号中不要的直流偏差的方法和设备,这些方法和设备能用于改变直流偏差、斜坡和阶跃以实现用于现代蜂窝通信系统的不会由于强的干扰信号而导致性能降低的直接变换接收机。
文档编号H04L25/06GK1228895SQ9719739
公开日1999年9月15日 申请日期1997年7月4日 优先权日1996年7月8日
发明者A·库尔拉 申请人:艾利森电话股份有限公司