用于改进接收的无线电信号质量的系统的制作方法

专利名称：用于改进接收的无线电信号质量的系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及无线电系统，更具体地涉及改进作为降低在信号传播的封闭区中的衰落效应的技术的跳频的效率。
移动台从基地台接收的信号的质量经常受到使用无线电信号进行通信中的固有自然现象的影响。涉及无线电接收的大多数问题的公共因素是接收机上所要求的信号与热噪声相比或与干扰信号相比太弱。可将干扰信号表征为接收机在与所要求的信号的同一信道上接收的任何不想要的信号。
在蜂窝式无线电系统的情况中，可利用的带宽中的所有频率都是在整个蜂窝式网格(grid)中重复使用的，无线电系统的效率通常受到所接收的干扰无线电信号而不是热噪声量的限制。
无线电系统内出现的限制所接收的信号的质量的一种现象是路径损耗。即使在发射天线与接收天线之间没有障碍物，由于基地台与移动台之间距离的增加，所接收的信号也逐渐减弱。所接收的信号功率是同发射与接收天线之间的距离的平方与四次方之间某处的值成反比的。
用于存在诸如建筑物等物体的环境中的移动无线电系统中的更普遍的传输问题是对数正态衰落。这一现象的产生是由于位于移动台与基地台的发射与接收天线之间的建筑物及诸如小山等自然障碍物的屏蔽效应。当移动台在这一环境中到处移动时，所接收的信号强度作为在这一时刻上在发射与接收天线之间的障碍物类型的函数而增加与减小。名词“对数正态”来自所接收的信号强度的对数在某一平均值周围呈正态分布的形式；其最小值称作衰落谷，它们之间的距离可在30至60英尺的数量级上。
影响在城市环境中操作的移动系统内的信号强度的第三种现象为Rayleigh衰落。当广播信号采取从发射天线到接收天线的一条以上路径而使得移动台的接收天线接收不只一个而是若干信号时，出现这种信号衰变。这多个信号之一可直接来自发射天线，但若干其它信号在到达接收天线之前首先从建筑物及其它障碍物反射，从而互相在相位上略有延迟。接收同一信号互相相移的若干版本导致信号的矢量和成是在接收天线上实际接收的合成复合信号。在一些情况中接收信号的矢量之和可以非常低，甚至接近零，得出其中所接收的信号实际上消失的衰落谷。在移动移动台的情况中，由Rayleigh衰落引起的两个连接的衰落谷之间流逝的时间取决于所接收的信号的频率及移动台的移动速度两者。由Rayleigh衰落引起的两个衰落谷之间的距离对于900兆赫无线电频带可以在7英寸的数量级上。
参见

图1A与1B，其中示出了在典型的移动无线电工作环境中的频率/距离接收的信号衰落模式的透视模型。图1A表示在100兆赫频率上城市区内工作的无线电信号的接收信号场，而图1B表示以300兆赫的信号频率在城市区中工作的无线电信号。从这两个图中能看出信号强度如何变化，建立同距离与频率两者都相关的周期性衰落谷。
在数字无线电系统的情况中，诸如其中采用时分多址(TDMA)调制的系统，产生了其它无线电传输困难。这些困难之一称作时间扩散，在表示某种数字信息的信号在接收天线上受到由原始信号从远离接收天线的物体的反射引起的不同的、接连传输的符号的干扰时产生。因而，接收机难于决定当前正在检测的是哪一个实际符号。采用TDMA调制中固有的另一种传输现象是，由于各移动台必须只在TDMA帧的特定的分配时隙中发射而在其余时间中保持沉默这一事实引起的。否则，该移动台将与分配在同一帧的不同时隙中其它移动台的呼叫干扰。
已研制出一系列技术用来与出现在无线电传输系统中的信号衰退现象作斗争。与来自对数正态衰落及Rayleigh衰落两者的数字无线电信号衰落问题作斗争所采用的一种解决方法是编码与交错。这是将其中表示数字信息的各种项目的信息组织成块，并将一系列块的接连的项目，诸如各4位，组织成帧的技术。如果与语音编码器生成的相同次序发送信息的各接连的位，则衰落谷的出现会完全删去信息的若干接连的位，从而从通信流中丢失它们并导致要从它们再生的语音中的空隙。然而，利用交错技术，信息的接连的位是对称地互相分隔开的并重新排列在传输流中，在其中它们不是互相连接而是在时间上互相分开构成信息的独立的块中的一位的。在传输流的另一端上，在所传输的数据块中取出该重新排列的位，并重新构成再度互相连接的。当将表示语音数据的各位与在时间上正常地连接的其它位分开，并将它们“交错”在时间上不是正常地连接的其它位中时，则在衰落谷期间从传输流中丢失整块的位，至少能从因为它们被交错到其它由于衰落不丢失的块中，而从在低谷期间不丢失的位中构成该丢失的块的某一部分。在移动移动台的情况中，当移动台通过衰落区并回到良好接收区中时，衰落谷只出现非常短的时段。
用来保障数字无线电传输不受干扰的一种技术是纠错编码，其中要传输的信息位是与校正码一起编码的，从而如果在传输期间丢失了位，在接收机处用纠错码电路能以相对高的精确度重建它们。数字信号传输流的纠错编码中所用的过程的一部分便是交错。
在采用带纠错编码的交错技术中的固有假设是移动台是移动的，从而它较快地通过衰落谷并只经受当它位于衰落谷区中时由衰减引起的较小块的数字信息的丢失。在诸如会议中心或办公楼等室内传输环境的情况中，移动台是较慢地移动或可能甚至是静止的。因而，如果移动台碰巧在遭遇衰落台的物理位置中，它并不快速通过该谷从而由于衰落丢失了大量信息。只用交错及纠错编码不能纠正大块信息的丢失。
用来补偿无线电系统中的传输困难的另一种技术为跳频。在使用跳频时，一个瞬间无线电发送与接收在一个载波频率上，然后在非常短的时间之后将发送与接收“跳”到不同的频率上。当在不同的载波频率上发射无线电信号时，它不易遇到相同的衰落模式，因为这些模式是与频率相关的并从而对不同的频率不同。因此，在一种载波频率的衰落谷谷底上的静止移动台有可能在不同频率上得到相对好的接收。以这一方式，用跳频进一步将信号丢失量限制在实际传输时间跨度的相对短的段上，并从而允许信号处理电路用交错与纠错编码通过重构传输的丢失部分来补偿广播信息的丢失。
跳频的一个重要方面在于，为了在不同的频率上经受独立的衰落，信号在其间成功地跳动的两个或多个载波频率之间必须各相隔一定的最小量。换言之，信号在其间跳动的频率必须是互相充分地不同的，以便如果在一个频率上所接收的信号是在衰落谷中，在另一频率上它不应在衰落谷中。如果两个频率非常靠近，由于在两个频率上的衰落而信号很有可能是弱的。然而，如果两个频率互相隔开充分大的值，则所接收的信号在两个频率的衰落谷中的可能性较小。足以得到互相独立的衰落的两个跳频之间的间隔称作相干带宽。如果用于跳频的两个载波频率的各个在相干带宽之内，在这两个频率的各个上接收的信号将是高度相关的。如果载波频率相隔大于相干带宽，则在这两个频率的各个上接收的信号可能是不相关的并从而在同一时间上不在衰落状态中，如果两个频率互相不相关，当频率之一在衰落状态中时，无线电接收机在另一频率上可能不经受衰落。
当在TDMA无线电信号中正在使用跳频时，并且信号是在若干接连的TDMA时隙的各个中跨越不同的频率跳动的，且各不同的载波频率互相间隔合理地远，则非常有可能在各时隙中接收的信号是完全互不相关的。再者，如果跨在其中接收信号的连续的时隙采用纠错编码及交错，在两个接连的时隙中所接收位的至少一半将不遭受衰落状，在这一情况中，仅管从两个时隙之一中丢失了内容，纠错编码及交错将完成重物完整的信号内容的令人满意的作业。
在为跳频应用考虑相干带宽及相关因子中，相干带宽与传输信道的时延扩展成反比。时延扩展由于多路径传播而出现。时间差是在最早与最迟多路径信号之间，主视距信号与由于一次或多次反射延迟的同一信号构成包含主信号及其包含绝大部分信号能量的主要回波的时间跨度。
信号的相干带宽与信号的时延扩展成反比。在室内实现无线电信道的情况中，时延扩展是极小的，例如，在50至100ns的数量级上。因此，这些信号的相干带宽会非常大，例如，在10兆赫的数量级上。因而，为了在跳频环境中得到独立的衰落，两个载波信号之间的频率差必须在10兆赫的数量级上，远大于大多数实际系统的带宽。在需要30至40兆赫带宽的三或四个分开的频率上跳动信号的载波频率甚至是更大的问题。
对相干带宽问题一种现有解决方法为通过使用第二发射机来建立广播信号的明显回波。通过在第二发射机上延迟传输符号为周期的数量级，第二信号作为第二与第一天线之间的间隔的函数与第一信号无关地衰落。虽然接收机能分辨这两个信号，但为了处理信号回波需要更复杂的接收机。TDMA信号需要均衡器而CDMA信号则需要Rake组合器。
另一种解决方法为在两根分开的发射天线之间不使用延迟，而是改变它们之间的相位差。这导致接收机上的衰落随时间改变。然而，由于接收机的移动性，组合效果能导致衰落在时间上变化快得令接收机处理电路不能对付它。例如，如果接收机拥有信道跟踪装置用于相干解调，如果衰落在时间上变化太快它有可能不能正常工作。此外，如果将移动台设计成静止的，则接收机不能跟踪时变相位。
因而，需要在诸如室内实现的无线电系统等环境中允许在有限的带宽上实现跳频来纠正平坦衰落信道的某种机制。
本发明的系统通过不用建立明显的信号回波或信号中的明显时间变化而导致衰落在载波频率上不同来解决上述一些问题。在本发明的一个实施例中，多个发射天线以不同相位广播同一信号。在另一实施例中，在改变其中之一或两者的相位之后将在多个接收天线上接收的信号组合。在各例中，相位差是作为载波频率的函数改变的。这些相位改变可利用天线之间的固定延迟或利用在脉冲串期间不改变而在脉冲串之间一定改变的移相器来实现。
在另一方面中，本发明的系统包含在数字无线电信号中建立时延扩展，以便减小信号的相干带宽，从而可在诸如室内环境等移动较慢地移动台的环境中实现跳频来校正衰落损耗。
通过参考下面结合附图作出的最佳实施例的详细描述，可获得本发明的方法与系统的更完整的理解，附图中图1A与1B为展示在两个不同频率上作为距离的函数的移动无线电环境中的衰落损耗的图；图2为按照本发明构成的系统的一个实施例的方框图；图3为按照本发明的教导构成的系统的另一实施例；图4按照本发明构成的系统的不同实施例；以及图5为展示通过在调制之前旋转I与Q波形将相位延迟引入到基带信号中的方框图。
在本发明的系统与方法的实现中，将相位改变引入到两条相同的无线电信号路径中，并且改变的程度是该信号的载波频率的函数。一种示范性方法为采用固定的延迟，从而相位改变等于载波频率(Hz)乘延迟，产生两根不同发射天线之间与频率相关的相位关系。这一延迟可用诸如表面声波(SAW)器件实现。与先有技术系统不同，引入的延迟是非常小的，从而不生成可分辨的信号回波。延迟只是以导致随跳频不同而不同的相位改变。
更具体地，在移动台相对慢地移动或静止的有限带宽环境中广播的信号中建立“人工延时扩展”中，本发明的系统采用两根分开的天线。到达两根天线中各根的信号相对于另一个延迟了，从而所接收的信号呈现为包含主信号及二次信号。两个接收的信号之间的相位差范围是作为跳动的信号的载波频率的函数变化的。
在图2中所示的本发明的环境中，发射机21通过分裂成两条路径23与24的输出导线22广播信号。该信号沿路径23通过调相器25行进到广播天线26。例如，可采用发射滤波器，以便引入随频率变化的选择的相位延迟。另一信号沿线路24通过到不同的天线27。在符号率的分数的数量级上引入相位修正到信号之一上，从而在从天线26与27广播的相应信号之间模拟小延迟扩展。接收机31在单根接收天线32上接收来自天线26与27的两个相移的信号。在接收天线32上呈现为似乎发生了小量的时延扩展，从而不需要均衡器或Rake组合器。而是，取决于接收机的位置与载波频率，这两个信号或者相长地相加或者相消。
下面参见图3，其中示出了本发明的一个实施例，其中信号发射机41在单根发射天线42上广播。该信号被第一天线43及第二天线44两者接收。来自第一天线的输出信号通过调相器45然后进入组合器46，在其中与来自天线44的未调相信号组合。然后将组合信号引入处理这两个信号的接收机47。在组合器46中组合来自天线43的调相的信号及来自天线44的未调相的信号以模拟能在接收机47中处理的两个接收信号之间的时延扩展。这一模拟的时延扩展产生较小的相干带宽，它允许在相对适中的带宽上的有效跳频来与封闭环境中的信号衰落作斗争。
图4中所示的本发明的实施例类似于图3中的，其中连接在发射天线42上的信号发射机41发射在第一接收天线43及第二接收天线44上接收的信号。将这两个信号引入到接收机47中，这两个信号之一与另一个无关地加以处理以引入延迟45并再一次模拟延迟扩展。这减小了两个信号的相干带宽，允许在合理的频率带宽上跳频以校正某些衰落损耗。
可以用其它方式实现本发明的系统。例如，替代采用延迟，可采用随频率跳动改变的某种相位偏移。在发射机中可通过在调制之前旋转I与Q波形在基带上引入这一延迟，如图5中所示。最好旋转0、90、180与270度增量，使旋转的信号，I与Q以下述简单方式与原始信号相关I’＝I； Q’＝Q(0°)。
I’＝-Q； Q’＝Q(90°)。
I’＝-I； Q’＝-Q(180°)。
I’＝Q； Q’＝-I(270°)。
可逐个跳动随机选择或作为跳频控制信号的函数或遵照某种有规律固定模式选择旋转度数。
当存在两个接收信号时可采用类似的技术。例如，可将信号简单地相加(0°)，或者可取两个信号之差以及修正信号的其它措施。在以Paul W.Dent的名义并转让给本发明的受让人的名为“分集式接收系统”的美国专利申请序号07/585,910中，采用有选择的分集来选择接收系统内的最佳组合。然而，在本发明中并不在乎实际的最希望的组合。只有与以随机的或已知的方式的接连的频率跳动的组合的变化才启动信道编码与交错来消除由衰落引起的损耗。在本发明中只需要比上面引用的Dent申请的有选择的分集优化系统较不复杂的电路执行这些功能。
在采用多根接收机天线的本发明的实施例中，所选择的信号延迟有可能在符号周期的数量级上。在这一情况中如果解调器能处理回波信号，则不需要跳频便能得到分集的优点。虽然难以用多达一个符号周期来延迟天线信号之一，这能通过利用带不同群时延特征的滤波器的接收机处理来完成。
应指出上面的发明虽然是对无线电系统描述的，它也适用于其它无线通信系统。从而，如上所述，天线可指称从发射机向传输介质或从该传输介质向接收机传送信号的任何设备。同时，虽然出现跳频，跳动内的多址联接方法可以是FDMA、TDMA或CDMA。
虽然已在附图中展示及在上文的详细描述中描述了本发明的方法与装置的最佳实施例，但应理解本发明不限于所公开的实施例，能具有许多重新配置、修改与替换而不脱离用下面的权利要求书所陈述与定义的发明精神。
权利要求
1.一种在第一频率的信号与第二频率的信号之间启动跳频的方法，包括从第一发射天线发射该信号；延迟该信号预选的时段之后；从第二发射天线发射同一信号；在接收机中处理来自第一与第二发射天线的接收的信号；以及将传输频率从第一频率跳到第二频率上。
2.根据权利要求1中所述的在相对地窄的系统带宽内的第一频率的信号与第二频率的信号之间启动跳频的方法，其中所发射的信号为TDMA信号。
3.根据权利要求1中所述的在第一频率的信号与第二频率的信号之间启动跳频的方法，还包含下述附加频作为要发射的信号的频率的函数改变延迟的时段。
4.根据权利要求1中所述的在第一频率的信号与第二频率的信号之间启动跳频的方法，其中从第一与第二发射天线发射的信号之间的延迟相对于数字通信信号的符号周期是小的。
5.一种在第一频率的信号与第二频率的信号之间启动跳频的方法，包括从第一发射天线发射该信号；在接收机的第一天线上接收该发射的信号；在所述接收机的第二接收天线上接收同一信号；将所述第二天线接收的信号延迟预选的时段；组合在所述第一天线上接收的信号与在所述第二天线上接收的延迟的信号以生成组合信号；在所述接收机中处理所述组合信号；以及从第一频率跳动传输频率到第二频率。
6.根据权利要求5中所述的在第一频率的信号与第二频率的信号之间启动跳频的方法，其中所接收信号为TDMA信号。
7.根据权利要求5中所述的在第一频率的信号与第二频率的信号之间启动跳频的方法，还包含下述附加步骤作为所接收的信号的频率的函数改变延迟的时段。
8.根据权利要求5中所述的在第一频率的信号与第二频率的信号之间启动跳频的方法，其中在不同天线所接收的信号之间所用的延迟相对于该信号的符号周期是小的。
9.一种用于在第一频率的信号与第二频率的信号之间启动跳频的系统，包括用于从第一发射天线发射该信号的装置；用于在延迟该信号预选的时段之后从第二发射天线发射同一信号的装置；用于在接收机中处理从第一与第二发射天线接收的信号的装置；以及用于从第一频率跳动传输频率到第二频率上的装置。
10.根据权利要求9中所述的用于在第一频率的信号与第二频率的信号之间启动跳频的系统，其中所发射的信号为TDMA信号。
11.根据权利要求9中所述的用于在第一频率的信号与第二频率的信号之间启动跳频的系统，还包括用于作为要发射的信号的频率的函数改变延迟的时段的装置。
12.根据权利要求9中所述的用于在第一频率的信号与第二频率的信号之间启动跳频的系统，其中在从不同天线发射的信号之间所用的延迟相对于该信号的符号周期是小的。
13.一种用于在第一频率的信号与第二频率的信号之间启动跳频的系统，包括用于从发射天线发射该信号的装置；用于在接收机的第一天线上接收所发射的信号的装置；用于在所述接收机的第二接收天线上接收该同一信号的装置；用于将所述第二天线所接收的信号延迟预选的时段的装置；用于组合在所述第一天线上接收的信号与在所述第二天线上所接收的延迟的信号以生成组合信号的装置；用于在所述接收机中处理所述组合信号的装置；以及用于从第一频率上跳动传输频率到第二频率上的装置。
14.根据权利要求13中所述的用于在第一频率的信号与第二频率的信号之间启动跳频的系统，其中所接收的信号为TDMA信号。
15.根据权利要求13中所述的用于在第一频率的信号与第二频率的信号之间启动跳频的系统，还包含用于作为所接收的信号的频率的函数改变延迟的时段的装置。
16.根据权利要求13中所述的用于在第一频率的信号与第二频率的信号之间启动跳频的系统，其中不同天线所接收的信号之间所用的延迟相对于该信号的符号周期是小的。
17.一种慢速频率跳动数字通信系统，其发射机包括用于生成慢速频率跳动的数字通信信号的装置；以及用于在多个不同天线上发射所述信号的装置，从各天线发射的各信号与其它信号相隔作为跳动频率的函数变化的相位差。
18.根据权利要求17中所述的慢速频率跳动数字通信系统，其中要从不同天线广播的信号之间的相位改变是在基带上作出的，及要广播的信号通过多条分开的发射链。
19.根据权利要求18中所述的慢速频率跳动数字通信系统，其中所述相位延迟是通过在调制之前旋转原始信号的I与/或Q波形，作为相位偏移引入要发射的信号中的。
20.根据权利要求17中所述的慢速频率跳动数字通信系统，其中所述相位延迟是用表面声波(SAW)器件引入到要发射的信号中的。
21.一种慢速频率跳动数字通信系统，其接收机包括用于在多根不同天线上接收慢速频率跳动数字通信信号的装置；以及用于引入作为跳动的频率的函数变化的相位差到从不同天线的相应一根接收信号中的装置；用于处理所述相位分隔的信号以增强跳频信号的有效相干带宽的装置。
22.根据权利要求21中所述的慢速频率跳动数字通信系统，其中不同天线所接收的信号之间所用的相位差相对于该数字通信信号的符号周期是小的。
23.根据权利要求21中所述慢速频率跳动数字通信系统，其中所述相位延迟是用表面声波(SAW)器件引入接收信号中的。
24.在慢速频率跳动数字通信系统接收机中，其组合包括多个天线产生多个接收信号；用于偏移至少一个所述接收信号以产生至少一个相位偏移信号的装置；用于组合所述接收信号与所述相位偏移信号以产生复合接收信号的装置；以及用于用所述复合接收信号检测信息符号的装置。
25.根据权利要求24中所述的慢速频率跳动数字通信接收机，其中所接收的信号与该至少一个相位偏移信号之间所用的相位差相对于该数字通信信号的符号周期是小的。
26.根据权利要求24中所述的慢速频率跳动数字通信系统，其中所述相位偏移是用表面声波(SAW)器件引入所接收的信号中的。
27.在慢速频率跳动数字通信系统中，其方法包括生成慢速频率跳动数字通信信号；以及在多个不同天线上发射所述信号，各信号是与其它信号隔开作为跳频的函数变化的相位偏移从各天线发射的。
28.根据权利要求27中所述慢速频率跳动数字通信系统中的方法，其中在从不同的天线发射的信号之间所用的相位差相对于该数字通信信号的符号周期是小的。
29.根据权利要求27中所述的慢速频率跳动数字通信系统中的方法，包括下述附加步骤使信号之间的相位偏移从不同天线在基带上广播；将要广播的信号传递通过多条分开的发射链。
30.根据权利要求29中所述的慢速频率跳动数字通信系统中的方法，其中所述相位偏移是通过在调制之前旋转该信号的I与/或Q波形而引入要发射的信号中的。
31.根据权利要求27中所述的慢速频率跳动数字通信系统中的方法，其中所述相位偏移是用表面声波(SAW)器件引入要发射的信号的。
32.在慢速频率跳动数字通信系统中，其方法包括在多个不同天线上接收慢速频率跳动数字通信信号；将作为跳频的函数变化的相位偏移引入从不同天线的相应一条所接收的信号中；以及处理所述相位分隔的信号以增强该频率跳动的信号的有效相干带宽。
33.根据权利要求32中所述的慢速频率跳动数字通信系统中的方法，其中不同天线所接收的信号之间所用的相位偏移相对于该数字通信信号的符号周期是小的。
34.根据权利要求32中所述的慢速频率跳动数字通信系统中的方法，其中所述相位偏移是用表面声波(SAW)器件引入所接收的信号中的。
35.在慢速频率跳动数字通信系统中的接收机具有多根天线来生成多个接收信号，该方法包括偏移所述接收信号中至少一个的相位以生成至少一个偏移信号；组合所述接收信号与所述偏移信号以生成复合的接收信号；以及用所述复合的接收信号检测信息符号。
36.根据权利要求35中所述的慢速频率跳动数字通信接收机中的方法，其中在接收信号与至少一个延迟信号之间所用的相位差相对于该数字通信信号的符号周期是小的。
37.根据权利要求35中所述的慢速频率跳动数字通信系统中的方法，其中所述相位偏移是用表面声波(SAW)器件引入所接收的信号中的。
全文摘要
在数字无线电信号中建立延迟扩展以减小相干带宽并方便跳频以减少封闭传播环境内衰落效应损耗。以若干方法将延迟扩展引入到信号中。所公开的一种技术采用带两根分开的天线(26、27)的发射机(21),天线之一发射该数字信号而另一天线发射将相位延迟(25)引入该信号后的同一信号。信号的载波频率是在至少两个频率之间跳动的,而接收机处理得出的信号。在另一实施例中,使用单根发射天线(42)但用两根不同的天线(43、44)接收信号,从天线之一输出的信号在与另一个组合(46)供接收机电路(47)处理之前是相位延迟(45)的。通过在调制前旋转波形的I与Q分量还将相位延迟(115)在基带上引入要发射的信号。
文档编号H04B7/06GK1245600SQ97181698
公开日2000年2月23日 申请日期1997年12月15日 优先权日1996年12月17日
发明者S·钦纳克舒, G·E·波托姆莱, P·W·登特 申请人:艾利森公司