专利名称：用于分集接收机的相位组合方法和设备的制作方法
一般来说，本发明涉及无线电话中的分集接收机，更为具体地讲，是涉及数字或模拟无线电话中用于组合至少两个接收信号，从而得到优越性能的方法和设备。
检测后选择的分集接收机是一种为了改善射频信号的接收而至少利用两个天线的接收机。每个天线和相应的接收机共同产生一个接收信号。从至少两个接收的有效信号中选择出一个信号。一般来说，目前存在着两种类型的可以利用的检测后选择的分集接收机。在第一种类型中，一个接收信号的选择取决于接收信号的信号强度RSS。这种类型的分集接收机是公知的电平比较分集技术。第二种类型的选择取决于相位误差的估值。第二种类型的检测后选择的分集接收机是公知的相位似然比较技术。
在电平比较分集技术中，检测每个接收信号的接收信号强度RSS并与其它信号进行比较。具有最高RSS值的接收信号被选择用于无线电话。这种简单的系统在瑞利Rayleigh衰落环境中是相当有效的，并优于具有单一天线及接收机的系统。然而，电平比较分集技术在静态环境下对于单一天线系统来说并末提供任何优点。
相位似然比较技术利用一种来自各个接收信号的相位误差估值，选择具有最小估值相位误差信号。这一实施例是日本电报电话公司(NipponTelegramandTelephoneCorporation)于1989年3月28日申请的名称为“分集接收电路(DiversityReceptionCircuit)”的日本专利申请HE12-253727的主题。即首先检测每一接收信号的相位，然后将相位标注在一个适当的信号阵列中。阵列含有符号判决点。在标注的相位失量与最近的符号判决点之间产生一个相位误差失量。每个接收信号都产生相位误差失量，具有最小相位误差失量的接收信号被无线电话用作进一步处理。其他的接收信号则被忽略。应注意的是相位似然比较技术不利用RSS信息。
在“全数字自适应载波跟踪相干解调器AllDigitalAdaptiveCarrierTrackingCoherentDemodulator”的文章中(作者ShigekiSaito，HaruiYamamoto，YasushiYamao，NTT无线通信系统实验室，1991，2月)描述了相位似然比较技术的发展与提高的技术方案。
这一提高的技术方案是在两个分支分集接收机中结合起来使用了RSS信息和相位误差信息。各接收信号的RSS彼此被比较。若RSS值之间的差超过了一个预定的门限值，则利用具有较大RSS值的接收信号。若各RSS值之间的差小于该预定的门限值，则利用相位误差信息以上文描述的方式进行选择。这一提高技术方案提供了优于单纯相位似然比较技术的改善性能。然而在性能方面的进一步改善仍然是需要的。另外，产生相位误差估值的要求限制了相位似然比较技术用于数字相位调制的信号。
当前的市场正迫使无线电话的制造者们在提高无线电话的性能指标的同时减小其体积、重量和功耗。因此，要求有一种简单的分集接收机电路，该电路与目前常规作用的电路相比改善了接收信号的性能。
本发明包括一种用于组合第一和第二接收信号相位的装置。每个接收信号具有相位和信号质量指示符。该设备解调接收信号从而从每个接收信号中提取相位，并产生两个相位信号。该装置组合这两个相位信号形成第三相位信号。而后该装置选择这三个相位信号中最合适的一个。所选择的相位信号用于恢复信息。
图1是使用本发明的无线电话系统的方框图。
图2是使用在本发明中的分集相位组合内的方框图。
图3是用于图2方框图中的相位组合器。
图4是用于图2方框图中的相位选择电路。
图5是用于图4电路中的状态表。
图6是在静态环境下对于本发明的、相位似然比较分集和电平比较分集的比特差错概率相对于信噪比的模拟性能图。
图7是在平坦的瑞利衰落环境下对于本发明的、相位似然比较分集的、电平比较分集的和一个单分支检测器的比特差错概率相对于信噪比的模拟性能图。
图8是在每个象限都具有符号判决点的一个QPSK阵列。
本发明包括用于无线电话的分集接收机的相位组合电路。分集接收机包含用于接收电磁波的至少两个天线。每个天线具有相应的接收机并试图接收信号，得到两个接收信号，每个接收信号具有相位和信号质量指示符。相位组合器用于组合这两个接收信号的相位，从而产生第三相位信号。信号质量指示符包括RSS、过零抖动、相位误差估值或任何其他等效的足够的指示符。从而选定的信号质量指示符或一种组合被用于确定这三个相位信号中的哪一个用于解码，以解出含在该接收信号中的数据。在优选实施例中，RSS被选为信号质量指示符。
虽然本发明能够在利用模拟或者数字相位调制方案的任何通信系统中实施，然而在本发明的说明书描述的优选实施例是工作在利用数字无线电话的通信系统中的。在使用数字调制方案系统中测量其性能的方法是测量接收信号的比特差错率(BER)。与上文描述的相位似然比较分集技术和电平比较技术相比较，这个实施例在恢复数据的BER方面得到改善。
性能的改善是通过执行一种混合分集技术实现的，这种技术组合了最高比率组合(MRC)和电平比较选择分集的各种因素。事实上，相位组合分集是MRC的一种有效的近似。从理论上讲MRC是最佳分集技术，但是，两个分支的MRC变得非常复杂，包括接收信号和复数信道增益相乘得到的如下方程
RMRC(t)＝〔a21(t)S(t)+a1(t)n1′(t)〕+〔a22(t)S(t)+a2(t)n2′(t)〕其中a1(t)是信道增益，n1(t)是复数高斯噪声，S(t)是在组合器输入端的信号分量，和n1′(t)和n2′(t)是n1(t)和n2(t)的相移变型。
在两个接收信号电平相差很大的情况下，a1＞＞a2，或a2＞＞a1，则MRC的输出可以近似于电平比较选择分集，即若a1＞＞a2，RMRC(t)≈a21(t)S(t)+a1(t)n1′(t);或若a2＞＞a1，RMRC(t)≈a22(t)S(t)+a2(t)n2′(t)。
如果两个接收信号近似相等，a1≈a2≈a，则MRC输出相位可以按两个相位信号的柄2π平均值来近似，如下所示RMRC(t)≈〔a2(t)S(t)+a(t)n1′(t)〕+〔a2(t)S(t)+a(t)n2′(t)〕;若a1≈a2≈a≈A1(t)ejθ1(t)+A2(t)ejθ2(t)其中Ai(t)是单独分支的幅度，和θi(t)是单独分支的相位。
为了消除分支幅度的依赖性，利用A1(t)≈A2(t)≈A(t)的近似，利用Hejx＝2Cos(X/2)ej(x/2)的恒等式，若a1≈a2≈a，则θMRC(t)≈〔θ1(t)+〔θ2(t)-θ1(t)〕mod2x/2〕mod2x。
因此，在这里执行的相位组合技术是理想的最高比率组合器输出的近似值。
图1是利用来发明的无线电话系统的框图。在该无线电话系统中，固定场地的收发信机103对包含在某一地理区域中的移动和便携无线电话设备发送和接收电磁波。无线电话设备101是包含在该地理区域由该固定场地的收发信机103服务的一个那种无线电话设备。
无线电话设备101包括两个天线105、107，该无线耦合从固定场地收发信机103发送来的电磁波，将电磁波变换为电的射频RF信号。接收机111、113接收电的RF信号为无线电话101内部所利用。接收的信号含有相位和RSS。来自两个接收机111、113和RSS指示经由信号127，129和接收信号经由信号115、117分别传送到分集相位组合器119。
分集相位组合器119对接收信号115、117进行解调，从而从每个接收信号115、117中使复相位并产生两个相位信号。将该两个相位信号组合产生第三相位信号。这三个相位信号中的一个被选择，将被用于使复合在接收信号115、117中的信息。相位信号的选择依据两个接收信号115、117的RSS。在优选实施中，所选的相位信号被解码为一些符号，而后通过符号信号123将这些符号输出到处理器121，诸如可以是Motorola公司制造的商品化的处理器MC68000和输出附带的存储器。在模拟系统实施的其他实施例可以利用相等的充分的解调方案。
处理器121用于在用户接口125、发送器109和接收机115、117之间形成数据。用户接口125中包含有微音器、扬声器和键盘。当接收到解调数据时，处理器121通过用户接口125利用数据符号再生供使用的话音或数据。
当发送时，数据或话音信号从用户接口125输入到处理器121。在处理器121中信号被数字化、编码和定时，并传送到发送器109，发送器将数据变换为电的RF信号。电的RF信号被变换为电磁波并通过天线输出。电磁波被固定场地的收发信机103接收。在本优选实施中利用了两个天线105、107，然而多个两个天线也可以用于某一已知的无线电话中。
图2是图1的分集相位组合器119的框图。接收的信号115、117输入到单独的相位解调器201、203。相位解调器201、203产生相应于包含在接收信号115、117中相位的数字信号。该相位信号211、209被输入到相位组合器207。相位组合器207产生第三相位信号213，第三相位信号是输入到相位组合器207的两个相位信号211、209的模2π平均值(modulo-2πaverage)。
另外，相位信号211、209输入到相位选择电路215，该电路用于从三个可用相位信号211、213、209中选择一个相位信号。相位信号的选择取决于电平比较电路205的输出信号。
电平比较电路205将第一接收信号127的RSS与第二接收信号129的RSS相比较。若第一接收信号的RSS与第二接收信号的RSS之间的差大于一个预定的门限值，则具有较高RSS的接收信号被相位选择电路215所选中。若第一接收信号的RSS与第二接收信号的RSS之间的差小于该预定的门限值，则组合的相位信号213被选择。在本优选实施例中，该预定的门限值设置为3dB，然而，该门限值可以调整以适应任何具体的应用。选择的相位输出信号217输入到符号限制器219。
在本优选实施例中，符号限制器219用于确定所选信号的信息内容，它取决于该通信系统的调制技术。本优选实施例利用了正交相移键控(QPSK)调制方案。其他实施例可以利用相等的充分信息恢复技术和调制技术，例如高斯最小相移键控GMSK(Gaussianminimumshiftkeying)。利用在如图8所示的QPSK阵列中标注所选信号的相位来进行确定。该QPSK阵列具有由I轴809和Q轴811形成的四个象限。从I轴开始从0至360度围绕四个象限逆时针旋转来测量相位。含在每一象限中的是位于两个轴之间45度角上的符号判决点801、803、805、807。所标注的所选相位信号217落入一个象限中，该信号被解释为离标注的相位失量最近的所选择的四个可能的符号中的一个符号判决点。例如，具有48度相位的选择的相位信号217将落入第一象限，从而该信号将被解码为符号801。如果所选的相位信号217的相位为91度，则该信号将从第二象限被解码为符号803。各符号判决在信号221上被输出到处理器121，以使解码和恢复为话音或数据。
图3是如图2所示的相位组合器207的框图。相位组合器207产生第三相位输出信号213，该信号是两个相位信号209、211的模2π平均值。该平均值的实现包括模运算加上被二除。这种实现仅要求一个加法器、一个减法器和除二装置。相位组合器207可以以数字信号处理器或简单逻辑硬件的任何方式实现。
图4表示如图2所示的相位选择电路213的硬件实现。相位选择电路是由电平比较电路205启动的三路乘法器。如图5的状态图所表示的那样电平比较电路205输入三状态两比特信号。若来自第一接收信号115的相位信号211是所要求的相位信号，则信号D1和D0的输出都是零。若来自第二接收信号217的相位信号209是所要求的相位信号，则信号D0和D1都输出1。若组合相位信号213是要求的，则信号D1的输出是零，信号D0的输出是1，并在217端产生适当的信号输出。
在本说明书中描述的两个分支分集接收技术被用于改善无线电话系统的性能。相位组合技术提供的性能改善优于在背景技术中所描述的两个实施例，即，电平比较分集和相位似然比较分集。一般来说存在两种用于评价分集接收性能的环境。第一，静态环境用于模拟一种静态的无线电话的环境，其特点是在两个天线上呈现恒定的相等电平的信号。第二，理论上的瑞利衰减环境用于模拟在移动的汽车中无线电话设备的移动，其特点是接收的信号受独立的瑞利分布随机过程调制。由这两种规范测量的分集接收机的性能说明了无线电话的基本性能特点。图6和7是以曲线形式表示分别在静态和瑞利衰落环境下对单一分支检测、电平选择分集、相位似然分集和相位组合器分集的模拟结果。图6和7的结果是假设具有理想延迟检测的π/4QPSK调制。
图6是在静态环境下上述三种分集接收机中接收信号的比特差错概率相对于信噪比的曲线表示。从图中可以看出，利用相位组合分集接收机时，比特差错的概率低于上文描述的其他分集接收机。相位组合分集由曲线605表示，曲线603表示在背景技术中描述的相位似然比较分集的性能，曲线601也是在本说明书的背景技术中所描述的简单的电平比较分集的性能。如图6所示，电平比较选择分集相对于一个单一分支检测器来讲，在静态环境中未提供BER的改善。在静态环境下，相位似然比较分集优于电平比较分集，但劣于相位组合分集。
图7的曲线表示在瑞利衰落环境下比特差错概率相对于信噪比的情况。电平比较分集、相位似然比较分集和相位组合分集的结果分别由曲线703、705和707表示。在这种环境中，所有的三种分集接收机都显示出很大的优于一个单一分支检测器701。然而，相位组合分集接收机保持相对于其他分集接收机的微弱性能优势。
本发明披露了一种相位组合分集技术，该技术提供优于上文描述的选择分集方法的优越的静态和瑞利衰落性能。另外，相位组合分集能够很容易地在数字信号处理器或数字硬件检测器中实施。不同于相位似然比较分集，相位组合分集可以在任何模似或数字调制技术的系统中使用。最后，本发明能够扩展到具有多于两个分集分支的多个接收机。
权利要求
1.一种用于组合具有相位和信号质量指示符的至少一个第一和一个第二接收信号的设备，上述设备包括用于解调第一信号的装置，从而提取它的相位并产生第一相位信号；用于解调上述第二信号的装置，从而提取它的相位并产生第二相位信号；用于组合上述第一相位信号和上述第二相位信号，形成第三相位信号的装置；用于从包含上述第一、上述第二和上述第三相位信号的一组信号中选择一个相位信号的装置；和用于从上述选择的相位信号中恢复信息的装置。
2.根据权利要求1的设备，其中上述用于恢复信息的装置还包括用于选择表示上述所选相位信号的符号的装置。
3.根据权利要求1的设备，其中用于从上述第一和上述第二相位信号组合相位的上述装置还包括对上述第一相位信号和上述第二相位信号取模2π平均值(modulo-2π average)的装置。
4.根据权利要求1的设备，其中上述用于组合上述第一和第二相位信号的装置还包括一个有效最高比率组合(MRC)的装置。
5.根据权利要求1的设备，其中上述用于从包含上述第一、上述第二和上述第三相位信号的一组信号中选择一个相位信号的装置还包括用于将第一接收信号的信号质量指示符与第二接收信号的信号质量指示符进行比较的装置，包括确定第一信号的信号质量指示符与第二信号的信号质量指示符之间的差并确定较高的信号质量指示符;当确定的上述差小于一个预定的门限值时，用于选择上述第三相位信号的装置;和当确定的上述差大于上述预定的门限值时，用于选择具有较高的信号质量指示符的接收信号的装置。
6.根据权利要求5的设备，其中上述预定的门限值等于3分贝(dB)。
7.根据权利要求5的设备，其中上述信号质量指示符是接收信号强度。
8.一种无线电话设备，包括至少一个第一和一个第二天线，至少一个第一和一个第二射频接收机和一个分集相位组合器，该第一和第二射频接收机分别与第一和第二天线相耦合，第一和第二射频接收机输出第一和第二接收信号，每个接收信号具有一个接收信号强度(RSS)和一个相位，该无线电话设备包括用于解调上述第一接收信号的装置，从而提取它的相位并产生一个第一相位信号;用于解调上述第二接收信号的装置，从而提取它的相位并产生一个第二相位信号;用于组合上述第一和上述第二相位信号，形成一个第三相位信号的装置;用于从包括上述第一、上述第二和上述第三相位信号的一组信号中选择一个相位信号的装置;用于选择表示上述所选相位信号的符号的装置;用于将上述所选符号变成声音模式的装置;和用于将上述声音模式的信号传送给用户的装置。
9.根据权利要求8的无线电话设备，其中用于组合上述第一和上述第二相位信号的上述装置还包括一个有效最高比率组合(MRC)的装置。
10.根据权利要求8的无线电话设备，其中上述用于从包括上述第一、上述第二和上述第三相位信号的一组信号中选择一个相位信号的装置还包括用于将第一接收信号的RSS与第二接收信号的RSS进行比较的装置，包括确定第一信号的RSS与第二信号的RSS之间的差并确定较大的RSS;当确定的上述差小于一个预定的门限值时，用于选择上述第三相位信号的装置;和当确定的上述差大于上述预定的门限值时，用于选择具有较大RSS的接收信号的装置。
全文摘要
本发明公开了一种用于分集接收无线电话的相位组合方法和设备。该相位组合方法和设备是一种混合分集技术，这种技术组合了最高比率组合(MRC)和电平比较选择分集的各因素，这种技术导致能简单而有效地实施具有优良性能的分集接收机。该分集接收机解调接收的信号(115，117)、提取其相位，形成两个相位信号(209、211)。然后组合两个相位信号(209、211)以形成第三相位信号(213)。选择这三个相位信号中的一个，以便在正交相移键控(QPSK)阵列中用于符号的解释。该选择过程是依据接收信号的接收信号强度进行的。
文档编号H04B7/26GK1070778SQ9211075
公开日1993年4月7日 申请日期1992年9月17日 优先权日1991年9月18日
发明者克里斯特弗·P·拉罗塞, 迈克尔·J·卡尼 申请人:莫托罗拉公司