位置感知软件定义无线电优化架构的制作方法

本申请一般涉及被设计为适应各种全球无线电标准的宽带宽无线电系统，更具体地，涉及一种采用单循环器、可编程带通采样射频(rf)前端和能够支持所有当前蜂窝无线接入协议频带的优化数字基带的组合的蜂窝无线电架构。

背景技术：

传统的蜂窝电话采用已经通过将多个不同的无线电前端和基带处理芯片集成到诸如支持全球移动通信系统(gsm)、通用分组无线电业务(gprs)等的三波段或四波段用户手持装置的平台中在硬件中被支持的不同的操作模式和波段。虽然已知的蜂窝接收器已经集成了一些天线和基带数据路径，但尽管如此，用于大规模移动式车载无线电部署的现有技术仍然是多种静态信道化方式。这种静态架构主要取决于窄带滤波器、双工器以及到中频(if)级的标准特定的下变频。这种信道化方式的主要缺点在于其相对于不断变化的标准和操作模式的不灵活性。随着蜂窝通信行业已经从2g、3g、4g及以上演进，每个新的波形和模式都需要重新设计接收器的rf前端以及扩展基带芯片组能力，因此需要新的手持装置。对于汽车应用而言，支持新兴用途的这种不灵活性是成本极高，对终端用户来说是个麻烦。

从汽车制造商的角度来看，提供可靠的汽车无线接入具有挑战性，因为蜂窝连接方法和架构在全球各地不同。此外，标准和技术不断变化，并且通常具有比车辆的平均使用寿命快几倍的演进周期。更具体地，用于车载无线电的当前rf前端架构被设计用于特定rf频带。以适当频率调谐的专用硬件需要安装在用于无线电预期操作的特定频带的无线电平台上。因此，如果蜂窝提供商改变其特定频带，则可能具有15至20年的寿命的前一波段调谐的特定车辆可能无法在新波段上有效地操作。因此，这需要汽车制造商维持无数的无线电平台、部件，并且需要供应商支持每个部署标准，并且随着蜂窝景观的变化提供可升级的路径，这是一件昂贵而复杂的事情。

已知的软件定义无线电架构通常侧重于无缝基带操作以支持多个波形，并且假设类似的下变频至基带的规范。类似地，对于发射器侧来说，用于不同频带的并行功率放大器链路通常用于支持不同的波形标准。因此，接收器前端架构通常直接采用具有适度性能规范的直接采样法或单级混合法。具体地，先前的应用不需要具有相关ip3因子和功率处理要求的不大110db的动态范围，正是因为这种性能需求尚未通过互补金属氧化物半导体(cmos)模拟技术实现。目前尚不清楚如何使用cmos装置的现有架构来实现这些度量，因此，多位模数转换器(adc)和数模转换器(adc)的动态范围、灵敏度和多模式交织基本上是一个比较困难的问题。

δ-σ调制器在数字接收器中变得越来越普遍，因为除了提供宽带高动态范围操作之外，调制器还具有许多使其成为可重新配置系统的良好候选的可调谐参数。期望有可以和软件定义无线电架构一起使用的新型射频情境感知工具，以改进提供给移动通信用户的服务。具体地，期望改进将用于多功能收发器的汽车应用中的承载选择和优化协议。

技术实现要素：

本公开描述了一种方法，其包含确定位置、确定与位置相关联的波形参数、根据波形参数配置软件定义无线电以及根据波形参数解码所编码信号。

本公开进一步描述了一种设备，其包含用于确定位置的位置传感器、用于存储波形参数的存储器以及用于响应于检索位置的波形参数以及用于配置响应于波形参数的软件定义无线电的软件定义无线电，软件定义无线电进一步操作用于根据波形参数解码信号。

通过以下描述和所附权利要求并结合附图，本发明的附加特征将变得显而易见。

附图说明

图1示出了已知的多模式、多波段蜂窝通信手持装置架构的框图；

图2示出了可应用的软件可编程蜂窝无线电架构的框图；

图3示出了用于实施位置感知软件定义无线电(sdr)优化架构的示例性系统。

图4示出了用于实施位置感知软件定义无线电(sdr)优化架构的示例性方法。

图5是用于实施位置感知软件定义无线电(sdr)优化架构的收发器。

具体实施方式

针对蜂窝无线电架构的本发明的实施例的以下讨论在本质上仅仅是示例性的，并且绝不旨在限制本发明或其应用或使用。例如，本发明的无线电架构被描述为具有用于车辆的应用。然而，如本领域技术人员将领会的，无线电架构可具有除汽车应用之外的应用。

除了蜂窝无线技术，本文讨论的蜂窝无线电架构还适用于例如wifi(ieee802.11)技术。进一步，蜂窝无线电架构被呈现为全双工无线系统，即既能发射也能接收的无线系统。对于仅接收的无线服务，例如全球定位系统(gps)、全球导航卫星系统(gnss)和诸如am/fm、数字音频广播(dab)，siriusxm等的各种娱乐无线电，只有本文讨论的接收器设计将是必需的。此外，所述无线电架构设计将使一个无线电硬件设计能够在全球范围内运行，通过软件更新来适应各种全球无线标准。通过使无线电在市场上部署时能够适应新的无线标准，还可以延长无线电硬件设计的有用寿命。例如，4g无线电技术的发展和频率分配是非常动态的。因此，在市场中部署的无线电硬件仅在一两年之后可能就变得过时了。对于诸如汽车领域的应用来说，寿命可能超过十年。本发明使固定硬件平台能够通过软件更新来更新，从而延长了硬件的有用寿命和全球重用。

图1是用于典型蜂窝电话已知的多模式、多波段蜂窝通信用户手持装置架构10的框图。架构10包括在感兴趣的频带上接收和发射rf信号的天线结构12。架构10还包括在架构10的极前端处的开关14，其选择所发射或接受的信号当前用于哪个特定信道并且引导信号通过由用于特定信道的框16表示的专用的滤波器和双工器组。模块18提供接收和发射信号的多模式和多波段模拟调制和解调，并且将信号分解为发送至或接受自收发器20的同相和正交相位信号。收发器20还将模拟接收信号转换为数字信号，并且将数字发射信号转换为模拟信号。基带数字信号处理器22为用于特定应用的发射或接收信号提供数字处理。

图2是提供如下将详细讨论的软件可编程能力的蜂窝无线电前端架构30的示意性框图。架构30包括能够例如在400mhz-3.6ghz的范围内接收和发射本文讨论的蜂窝频率信号的天线结构32。由天线结构32接收和发射的信号通过多路复用器34，多路复用器34包括三条信号路径，其中每条路径被设计用于由每条路径中的频率选择滤波器36确定的特定频带。在该实施例中，已经选择了三条信号路径，然而，架构30可以扩展到任何数量的信号路径。每条信号路径包括分离和引导接收和发射信号的循环器38，并且提供隔离，使得被发射的高功率信号无法进入接收器侧并且饱和那些频带处的接收信号。

架构30还包括在多路复用器34后面的前端收发器模块44，并且包括处理接收信号的接收器模块46和处理发射信号的发射器模块48。接收器模块46包括三个接收器信道50，每个接收器信道50用于通过多路复用器34的每个信号路径，如图所示，其中不同的一个接收器信道50连接至不同的一个循环器38。如下面将要详细讨论的，每个接收器信道50包括δ-σ调制器52，其接收特定频带上的模拟信号，并且通过使用与在极高时钟频率下操作的大量n位量化器电路结合的交织处理生成代表性的数字数据流。如将进一步讨论的，δ-σ调制器52比较接收信号与反馈信号之间的差异，以生成代表正在接收的数字数据的误差信号。数字数据位被提供给提取数字数据流的数字信号处理器(dsp)54。数字基带处理器(dbp)56接收和操作数字数据流，从而以本领域技术人员所熟知的方式进行进一步的信号处理。发射器模块48接收将从处理器56发射的数字数据。模块48包括具有将数字数据从数字基带处理器56转换为模拟信号的δ-σ调制器的发射器电路62。模拟信号由可调谐带通滤波器(bpf)60滤波以去除带外发射，并且被发送至开关66，开关66将信号引导至针对发射信号频带优化的所选功率放大器64。在该实施例中，已经选择了三条信号路径，然而，发射器模块48可以使用任何数量的信号路径来实施。放大信号根据正在发射的频率被发送至多路复用器34中的特定循环器38。

从下面的讨论将会显而易见，架构30的配置通过高性能δ-σ调制器提供软件可编程能力，δ-σ调制器在感兴趣的信号波段中提供优化的性能并且可以在宽范围的载波频率上调谐。架构30通过将频率范围划分为三个非连续波段，满足0.4-2.6ghz频率范围内的当前蜂窝无线接入协议。然而，应当注意，信号路径和带宽的其它组合当然也是可能的。多路复用器34通过将在天线结构32处接收的rf载波传送到三条信号路径中的一个来实施频域解复用。相反，发射信号通过多路复用器34被多路复用到天线结构32上。对于车载无线接入应用来说，这种低成本的集成装置是受期望的，以降低零件成本、复杂性和过时性并且在全球实现无缝部署。

δ-σ调制器52可位于天线结构32附近，以将rf接收信号直接转换为接收器模块46中的位，并且将位转换为发射器模块48中的rf信号。在接收器信道50中使用δ-σ调制器52的主要优点是允许可变信号捕获带宽和可变中心频率。如下面将要讨论的，这是可能的，因为架构30使得调制器滤波器系数的软件操纵能够改变信号带宽并且在rf波段内调谐滤波器特性。

架构30允许改变信号捕获带宽的能力，其可以被利用以使得能够接收连续的载波聚合波形而不需要附加硬件。载波聚合是一种技术，通过该技术，与用于正常独立信道的多个载波相关联的数据带宽为单个用户而组合，以提供比单个载波更大的数据速率。与mimo一起，该特征是现代4g标准中的要求，并且由允许有效频谱使用的波形的正交频分复用(ofdm)系列来实现。

通过δ-σ调制器52的架构30可以通过带通带宽的软件调谐来处理精确的载波聚合场景和波段组合的情况，从而实现多分段捕获能力。对于更宽的带宽来说，动态范围减小，其中更多的噪声进入采样带通中。然而，假设当用户具有良好的信噪比时，载波聚合通常是有意义的，而当连接本身可能是边缘的时，载波聚合不是单元边界边缘。应当注意，带间载波聚合由架构30自动处理，因为多路复用器34在信道50中馈送独立的调制器。

循环器38将发射信号从发射器模块48路由至天线结构32，并且还提供高功率发射信号与接收器模块46之间的隔离。尽管循环器38提供显着的信号隔离，但提供发射器模块48与接收器模块46之间的信号路径的循环器38中存在一些端口至端口泄漏。由于来自天线结构32的反射以及收发器中的可能的其它部件而导致出现第二非期望信号路径。因此，由于传输线阻抗与天线的输入阻抗之间的失配，发射信号的一部分将从天线结构32反射。该反射能量遵循与入射期望信号相同的信号路径回到接收器模块46。

架构30也灵活地适应其它无线通信协议。例如，可以提供由dbp56控制的一对开关40、42，以通过诸如全球移动通信系统(gsm)rf前端模块或wifi前端模块的专用固定rf装置58引导接收和发射信号。在该实施例中，一些选择信号路径经由常规rf装置来实施。图2仅示出了一个附加信号路径，然而，根据使用情况和服务，该概念可以扩展到任何数量的附加信号路径。

δ-σ调制器是用于实施模数转换的众所周知的装置类型。所利用的基本特性是过采样和误差反馈(δ)，累加(σ)误差反馈来将期望信号转换为脉冲调制流，该脉冲调制流随后可以被滤波以读取数字值，同时有效地经由成形减小噪声。已知δ-σ调制器的关键限制是脉冲转换过程中的量化噪声。δ-σ转换器需要大的过采样比率，以便为给定输入产生足够数量的位流脉冲。在直接转换方案中，采样比率大于rf载波频率的四倍以简化数字滤波。因此，所需多ghz采样速率限制了在较高频率应用中δ-σ调制器的使用。减少噪声的另一种方式是使用较高阶δ-σ调制器。然而，虽然第一阶规范δ-σ架构是稳定的，但更高的阶数可以是不稳定的，特别是考虑到较高频率下的公差。由于这些原因，现有技术中的较高阶δ-σ调制器已经被限制在音频频率范围内，即时间交织δ-σ调制器，以用于音频应用或高频下的专用交织。

δ-σ调制器的滤波器特性可有效地被修改以补偿多普勒频移。当信号的发射器相对于接收器移动时，发生多普勒频移。相对移动会使信号的频率偏移，使接收器的频率与发射器的频率不同。根据本公开的示例性系统利用软件定义无线电架构来快速估计载波频率中的频移并且在信号中断或降级之前重新集中滤波器。在正常操作中，调制器滤波器的陷波以所接收信号的预期载波频率为中心，信号波段信息以载波频率为中心并且不超过调制器滤波器的带宽。多普勒频移将使载波偏移量δf，导致可能的信号内容衰减，波段一侧的噪声增加。根据本文描述的方法和系统，无线蜂窝通信系统中的收发器可以适应rf载波频率的变化，并且可通过将滤波器陷波偏移与载波频率相同的量来维持信号完整性。

对于覆盖多个所分配频带的本文讨论的蜂窝应用来说，需要具有多模式和多波段覆盖的发射器。此外，许多当前应用需要在单个通信链路的操作期间在频带之间快速切换的发射器，这对典型的基于本地振荡器(lo)的发射器解决方案构成了重大挑战。这是因为基于lo的发射器的切换时间通常由受约1mhz左右的频率合成器的环路带宽的控制的lo信道切换时间决定。因此，可实现的信道切换时间大约为几微秒，遗憾的是这对于捷变无线电来说太长了。本领域已知的基于全数字pwm的多标准发射器遭受高失真，并且信道切换时间仍然由载波频率下的lo确定。dds可以用作lo源来提高切换速度，然而，该设计消耗了大量功率，并且可能不能传送具有低杂散分量的高频lo。替代地，单边带混频器可以用于通过使用公共锁相环路(pll)生成具有不同中心频率的多个lo，其信道切换时间可以很快。然而，这种方式只能支持有限数量的lo选项，并且覆盖宽范围的预期4g波段的任何附加信道将需要额外的混合物。如所讨论的，本领域已经提出了σ-δ调制器以用作rf发射器来克服这些问题。然而，在基本架构中，由于适度的时钟频率，σ-δ调制器不能在宽带操作中提供极高的动态范围。正是因为时钟频率受到当前技术的约束，这种高频操作模式不能被支持。

现在参照图3，示出了用于实施位置感知软件定义无线电(sdr)优化架构的示例性系统。所提出的方法是软件定义无线电的四个通常不同的子系统的互补集成：sdr前端350、波形数据库310、位置传感器320、诊断系统330和处理器340。sdr前端350包括可调谐rf部件。位置传感器320可通过使用gps接收器和/或包括flexrf前端的其它芯片组来实施，flexrf前端可以提供准确或近似的位置信息。波形数据库310是含有特定载波协议、波形数据库和用户简档的固件/数据库。处理器用于实施将用作系统的中央处理引擎的机器学习和处理算法。

软件定义无线电提供了灵活的无线电参数设置的可能性，然而，为特定场景或“使用情况”有效地设置这些参数需要对使用情况的情境感知以及任何约束。期望利用传统汽车远程信息处理和感测基础设施的其它不同部件，将其与真正的软件定义无线电的宽rf感测能力相结合，并且使用可以指导sdr的灵活性的智能和学习计算引擎，以有效地生成所需的rf情境感知。此外，该反馈驱动处理环路随后可以引导汽车sdr的操作，并且动态地调整操作参数以考虑变化的条件。

所公开的系统可操作用来改进移动用户设备(ue)初始化过程，并且使得这些无线电能够动态地适应变化场景，该动态适应是汽车应用共同的。目前，对于移动通信装置来说，在签约地外漫游的正常手机或安装在车辆中的那些装置，当汽车处于世界上特定位置时将用于该装置的波形和其它rf物理层参数必须预先编程为运营商或服务级别协议的一部分，或者需要由本地蜂窝网络基础设施通过公共信道接口编排。ue无线电对于真实的rf情境通是“盲”的，并且可能在其可以操作的信道以及因此其可以支持的数据速率/服务中被过度约束。基于动态变化的信道条件、汽车/ue故障预测和健康状况以及任何其它用户可设置条件，期望促进一种快速有效的方法来根据非常特定的用户的位置和参照点以及可能的运营商和策略选择来确定rf环境，并且提供高度优化和细粒度的方式来控制正在进行的无线电操作。

处理器340实施中央优化引擎，其从无线电的3个模块接收输入数据并且指导软件定义无线电的前端的操作。处理器340可以以两种模式操作：1)初始化，以及2)动态适应。在移动装置上电期间执行初始化模式。查询位置传感器320以确定装置的物理位置，并且位置数据耦合至处理器。替代地，在位置传感器不可用的情况下，sdr前端350可配置为位置传感器以接收gps信息，或者也可配置为具有合适后端软件的wi-fi接收器，据以确定位置信息。因此，在实践中，如果汽车中不存在gps或wi-fi芯片组，则sdr前端350可作为初始化操作的一部分来执行位置感测操作。位置信息用于降低rf扫描要求，因为随后优化引擎可以将位置与存储在波形数据库310中的特定地理区域的载波和用户简档数据库规则中的信息相匹配。根据运营商、用户和服务提供商之间的各种服务级别协议，位置信息用于确定电话可以在其中操作的实际波段。

优化引擎可操作用来启动更复杂的系统优化过程。鉴于用户简档设置的基本操作约束，sdr前端随后可以基于质量和性能需求智能地扫描rf信道。例如，鉴于汽车条件(移动、静止、故障预测或健康状况)或用户或应用需求(语音、视频、映射数据请求、诊断等)，可以构建rf映射来对待使用信道、编码速率、mimo和载波集聚等以及应用层参数的其它物理层作优先级排列，以平衡服务与数据需求。此外，学习简档可以用时间序列历史构建，以进一步优化算法的性能，并根据使用情况定制简档。最后，该优化引擎可以向在装置上托管的其它应用提供api，该装置根据用户指导的应用需求定制手机的操作。同当前可能的4g或预期5g蜂窝电话架构相比，使用该架构更可以影响细粒度的、可定制的无线电控制。

在动态适应模式中，周期性地执行反馈环路以基本上执行上述初始化操作的子集。rf前端用于在汽车运动时周期性地监测和更新rf映射，或者随时间而变化的应用或用户偏好。考虑到约束和移动用户需求，目标是提供最佳信道和链路质量。

现在参照图4，示出了用于实施位置感知软件定义无线电(sdr)优化架构400的示例性方法。该方法可响应于指示系统操作以接收信号的启动指令405而开始。响应于信号丢失或周期性系统过程，启动指令405可由系统启动、重新配置过程来触发，以确保最佳系统性能。

响应于启动指令405，该方法首先检索位置信息410。位置信息410可从位置传感器、存储器检索到，或者可响应于对位置信息的请求而被接收。替代地，sdr可以在没有位置传感器的情况下接收位置信息的方式来配置。sdr可配置为从无线通信提供商接收无线网络信息、gps数据或位置信息。

一旦检索到位置信息，则该方法可操作用于将位置信息与数据库进行比较，以确定期望的波形参数420。波形参数与待接收期望信号相关联，待接收期望信号与位置和/或期望的服务提供商相关联。然后该方法可操作用于检索期望的波形参数，以及可选地诸如先前描述的与该位置相关的其它信息。然后该方法可操作用于检索期望的波形参数430。

一旦检索到波形参数，该方法应用波形参数，以配置sdr来检索期望的信号440。该配置可包括为期望信号选择信号路径和处理器、选择带通滤波器、选择合适的本地振荡器频率以及设置诸如带宽和中心频率的附加滤波器参数。一旦sdr被适当地配置用于期望信号，则该方法可操作用于对期望信号450进行解码。

现在参照图5，示出了用于实施位置感知软件定义无线电(sdr)优化架构500的收发器。数字基带和处理引擎540可操作用于经由车辆远程信息处理总线550来请求、发射和/或检索不同车辆系统的信息。该信息可提供用户输入、诸如移动、静止、故障预测或健康状况的汽车条件、以及诸如语音、视频、映射数据请求、诊断等的应用环境。此外，从波形数据库555接收信息，波形数据库555包括诸如运营商简档、用户简档、服务协议信息和相关联的波形信息的信息。此外，波形数据库可包括用于配置sdr530和/或软件可定义发射器520的波形参数。数字基带和处理引擎540可进一步操作用于从诸如gps接收器、wi-fi或其它位置确定传感器的车辆位置传感器560接收信息。

在系统启动时，或者根据需要周期性地，使用数字基带和处理引擎540来优化和配置sdr530和/或软件可定义发射器520，以便接收和/或发射期望信号。该配置可包括为期望信号选择信号路径和处理器、选择带通滤波器、选择合适的本地振荡器频率以及设置诸如带宽和中心频率的附加滤波器参数。

该系统可操作用于在天线505或另一个信号输入处接收期望信号。期望信号被无线地发射至设备并在天线505处被接收。然后期望信号可耦合至循环器510，循环器510部分地用于将收发器的接收信号路径与收发器的发射信号路径隔离。然后，数字基带和处理引擎540可操作用于连续地优化和调整发射和接收链路，以便最佳地接收期望信号。数字基带和处理引擎540可进一步操作用于周期性地监测、请求或检索更新的位置数据，并且将该更新的位置数据与波形数据库进行比较，以确保正在接收最期望的信号。在信号丢失的情况下，数字基带和处理引擎540可操作用于确定新的期望信号，响应于位置信息和波形数据库内的信息。

如本领域技术人员将会很好理解的，本文讨论的用于描述本发明的几个和各种步骤和过程可是指由计算机、处理器或使用电现象来操纵和/或转换数据的其它电子计算装置执行的操作。这些计算机和电子装置可采用各种易失性和/或非易失性存储器，包括其上存储有可执行程序的非暂时性计算机可读介质，非暂时性计算机可读介质包括可由计算机或处理器执行的各种代码或可执行指令，其中存储器和/或计算机可读介质可包括所有形式和类型的存储器和其他它计算机可读介质。

上述讨论所公开并描述的仅仅是本发明的示例性实施例。根据这些论述以及附图和权利要求书，本领域技术人员将很容易认识到，在不偏离由以下权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可在其中作出各种改变、修改和变型。