专利名称：便携式无线电话中提供无线分集的方法和装置的制作方法
背景技术：
Ⅰ．发明领域本发明涉及通信系统，特别是包括蜂窝电话、专用通信业务(PCS)、无线专用小交换机(PBX)和无线本地环路电话系统的无线通信系统。本发明尤其涉及用于蜂窝和微蜂窝通信系统的新的改进的分布天线系统，用以在地面环境中进行可靠的信号接收。Ⅱ．相关技术的描述采用码分多址(CDMA)调制技术是便于有大量系统用户通信的几种技术中的一种。其中多址通信系统技术，如跳频扩展谱、时分多址(TDMA)、频分多址(FDMA)和幅度调制(AM)方案(如幅度压扩单边带(ACSSB))，在本领域中是熟知的。然而，CDMA扩展谱调制技术比起多址通信系统的这些调制技术来，具有明显的优点。在多址通信系统中采用CDMA技术见转让给本发明受让人的、标题为“采用卫星或地面转发器的扩谱多址天线系统”的美国专利4,901,307，该专利在此引述供参考。
在上述专利中，在所揭示的多址技术中，大量的移动电话系统用户采用码分多址(CDMA)扩展谱通信信号通过卫星转发器或地面基站(称为小区站、区站，或简称之小区)进行通信，每一用户有一个收发机。采用CDMA调制技术，频谱可以重复使用多次，从而使系统用户容量增加。采用CDMA调制技术使得比起采用其他的多址技术来能够获得高得多的频谱效率。
地面信道经受的信号衰落是由Rayleigh衰落来表征的。地面信道信号中的Rayleigh衰落特征是因来自许多不同物理环境特征所发射的信号而引起的。结果，信号从许多方向到达移动单元接收机，具有不同的传输延迟。在通常用作移动无线通信(包括那些蜂窝移动电话系统)的超高频(UHF)频带内，会在沿不同路径传播的信号中出现明显的相位差。可能会出现信号的有害相加，出现偶尔的深度衰落。
地面信道衰落是很强烈依赖于移动单元物理位置的函数。移动单元位置小小变化会改变所有信号传播路径的物理延迟，这又导致每一路径相位的不同。所以，移动单元通过该环境的移动会导致很快的衰落过程。例如，在850MHz的蜂窝射频带内，这一衰落通常会快到每小时每英里的车辆速度，每秒一个衰落。这样严重的衰落对于地面信道中的信道是极其有害的，会导致差的通信质量。移动单元处的衰落问题还会由于用户的头或手干扰天线图形和增益而加剧。
美国专利4,901,307中揭示的直接序列扩展谱CDMA调制技术比起采用卫星或地面转发器的天线系统中使用的窄带调制技术具有许多的优点。地面信道对任何一个天线系统，特别是对多径信号，提出了特别的问题。采用CDMA技术通过减小多径的负作用(例如衰落)并且同时利用其优点而克服了地面信道的这些特别的问题。
在CDMA天线系统中，同一宽带频率信道可以由所有的基站用来进行通信。通常，在一个频带用作从基站到远端站或移动站(前向链路)的通信而另一频带用作从远端站或移动站到基站(后向链路)的通信时，可以使用频分方案。提供处理增益的CDMA波形特性也用来鉴别占用同一频带的信号。另外，高速伪随机(PN)调制使得许多不同的传播路径被分开，使得路径延迟的差异超过PN片元的持续时间，即，1/带宽。如果在CDMA系统中采用近似1MHz的PN片元速率，那么，等于扩展带宽与系统数据速率之比的全速率频谱处理增益可以用来鉴别相互间路径延迟超过1微秒的不同路径。1微秒的路径延迟差异对应于近似1,000英尺的路径距离差异。乡村环境中的路径延迟差异通常超过1微秒，某些地方还有多达10-20微秒的报导。
在窄带调制系统如传统的电话系统采用的模拟FM调制中，多径的存在导致严重的多径衰落。然而，采用宽带CDMA调制，可以在解调过程中鉴别不同的路径。这一鉴别大大减小了多径衰落的严重性。因为对于特定系统来说，偶尔会有具有小于PN片元持续时间延迟差异的路径，所以，衰落不全是用CDMA鉴别技术来估计的。具有这一数量级的路径延迟的信号是无法在解调器中鉴别的，从而导致某种程度的衰落。
所以，要求在这些通信系统中提供某种形式的分集，使得系统能够减小衰落。分集是减缓衰落的不利影响的一种方法。有三种主要类型的分集时间分集、频率分集和空间分集。
时间分集最好通过采用重复、时间交错和检错以及是一种重复方式的校正编码来获得。通过在宽带宽上对信号能量进行扩展，具有宽带信号内在本质的CDMA提供了一种形式的频率分集。所以，频率选择衰落仅影响一小部分的CDMA信号带宽。通过两个或更多个基站往返于一个移动用户的同时链路，提供多径信号路径可以获得空间分集或路径分集。另外，使具有不同传播延迟而到达的信号能够分开接收和处理，通过扩展谱处理来利用多径环境，可以获得路径分集。区站采用上述每一种类型分集的CDMA通信系统见转让给本发明受让人的、标题为“CDMA微蜂窝电话系统和用于该电话系统的分布天线系统”的美国专利5,280,472，该专利在此引述供参考。在上述专利中，分集是通过其中具有多个接收机的“瑞克”接收机结构来实现的，每一接收机能够接收经不同路径传播因而具有不同延迟的信号。
实现分集的一种方式是如美国专利5,280,472中所描述的那样采用共同配置的天线。在上述专利中，揭示了一种通信系统，这种通信系统在小区基站中采用共同配置天线来提供分集。其一种方式是将天线放置成相隔一定的距离。距离的远近应当使得两个天线基本上覆盖相同大小的区域，并且其间距足以提供独立的衰落。但是，由于移动单元的体积相当小，因而共同配置天线会靠得太近而无法仅根据物理间距来提供衰落特征的合适的独立性。在移动单元中实现接收分集的一种更好的途径是使一组共同配置天线中的每一天线具有不同的极化，如纵向极化和横向极化。
标准地面环境包含具有许多不同角度的反射面的许多物体。这些物体既包括人造结构，如建筑物，也包括自然地理特征，如山谷。所以，地面环境中的移动单元具有各种信号路径往返于位于区站处的固定天线。这里，各种信号路径包含从地面环境内的物体反射表面产生的多次反射。根据反射角度的不同，每次信号反射会使反射信号的极化方向旋转。所以，从同一组表面反射的具有不同极化方向的两个信号形成具有不同相位特征的两个信号路径。由于这些信号具有不同的相位特征，所以，这些信号也具有不同的衰落特征。由于这一过程，具有两个不同极化方向的共同配置天线即使相互很靠近也在衰落中具有高度的独立性。
上述美国专利5,280,472中使用的另一种分集方法是路径分集。在路径分集中，信号从多个天线辐射出去，具有一个以上的传播路径。如果两个或更多个天线可以向移动单元接收机提供可接受的通信路径，那么可以通过路径分集来减弱衰落。与此类似，可以通过路径分集来增强后向链路通信。
上述专利和专利申请揭示了一种新的多址技术，这种技术采用可以多次使用频谱的码分多址扩展谱调制，使得大量的移动单元电话系统可以通过卫星转发器和地面基站进行通信。产生的系统设计与采用以前的多址技术相比具有高得多的频谱效率。
发明概述本发明在移动单元中含有分集天线系统，通过提供时间、空间和天线图形分集来减弱移动单元处的衰落作用。该系统由多个天线组成。多个天线由分集天线和主天线组成。主天线和分集天线分开，并且其取向使得这些天线具有不同的天线增益图形。在第一个实施例中，分集天线仅用作接收天线，而主天线既用作发射天线也用作接收天线。在第二个实施例中，主天线和分集天线均发射和接收信号。延迟电路使分集天线与加法器耦连，加法器分别将主天线接收的信号与分集天线接收的信号相加。
将主天线信号和分集天线信号相加因两个天线之间的间距而提供空间分集。当主天线和分集天线的取向使得它们的图形/增益很不相同时，或者当天线不同极化时，相加还提供天线图形分集。在分集信号与主信号相加之前在分集信号中引入延迟提供了时间分集，从而通过移动单元的瑞克接收机可以鉴别这两个信号。
将加法器的输出提供到CDMA移动单元的标准接收电路。瑞克接收机将信号分解成其组成分量主信号和分解信号。分集组合器和译码器接着使信号分量时间对齐、将这些信号相加并对合成的信号进行译码。这样，与由多个接收路径产生的信号的其他组合一样，可以以完全相同的方式由现有的移动单元接收电路来处理主信号和分集信号。采用现有移动单元接收电路来处理本发明的相加信号，可以避免多个接收链的尺寸、费用和重量的额外增加，并且还保留了由分集天线所实现的各种形式的分集的优点。采用本发明对于CDMA移动单元现有射频(RF)电路所克服的另一个缺点是人们可以避免因采用开关在与独立天线耦合的多个接收路径间进行选择中所固有的损耗。
附图简述在结合附图对本发明进行了详细描述以后，读者将清楚地了解本发明的特征、目的和优点。图中，相同的标号意义相同。
图1描绘的是本发明分集天线系统的第一个实施例。
图2描绘的是本发明分集天线系统的第二个实施例。
图3描绘的是能够与本发明的分集天线系统一起使用的CDMA移动单元。
较佳实施例的详细描述如图1所示，第一个实施例采用主天线100用来传送和接收信号以及分集天线105仅用于接收。主天线100与双工器115耦合。双工器115将发射和接收电路与主天线100耦合。发射电路通过功率放大器140与双工器115耦合。双工器115的接收输出通过第一低噪声放大器120与加法器135耦合。
分集天线105上接收的信号经带通滤波器110滤波以消除所要求的接收带宽以外的寄生接收信号，并且随后由第二低噪声放大器125放大。延迟器130介于低噪声放大器125和加法器135之间。延迟器130提供所需的时间分集，从而可以由接收电路中的瑞克接收机从主天线100上接收的信号中鉴别出分集天线105上接收的信号。这一点将在以后讨论(见图2)。在本较佳实施例中，这一延迟在5-10微秒之间，以便在瑞克接收机处提供用于恰当接收的恰当的时间分集，而不会干扰从主天线100反射的大信号。在延迟器130处延迟以后，将在分集天线105处接收的信号提供到加法器135，将在分集天线105上接收的信号与在主天线100上接收的信号相加。
移动单元中采用本发明的分集天线技术的第二个实施例见图2所示。与图1所示的第一个实施例的情况相反，除了主天线200以外，第二个实施例采用分集天线205，既用来发送信号还用来接收信号。与图1所示的第一个实施例的情况类似，双工器200将发射和接收电路均耦合到主天线200。然而，在第二个实施例中，双工器220还将发射和接收电路与分集天线205耦合。
主天线200通过加法器235与双工器220耦合。分集天线205通过延迟器230和加法器235与双工器220耦合。与图1所示第一个实施例一样，延迟器230在分集天线205接收的信号中提供时间延迟，提供所需的时间延迟，从而由移动单元接收电路中的瑞克接收机可以从主天线200上接收的信号中鉴别出分集天线205上接收的信号。主天线200和分集天线205接收的信号在输入到双工器220之前由加法器235相加。双工器220的发射输入通过功率放大器240与移动单元的发射电路耦合。双工器220的接收输人通过低噪声放大器250与移动单元的接收电路耦合。
图2所示的第二个实施例与图1所示的第一个实施例的不同点在于，当移动单元进行发射时，主信号和经延迟分集的信号均由移动单元发射。该第二实施例在后向链路上既提供时间分集也提供空间分集。能够采用移动单元提供的时间分集和空间分集的CDMA基站将上述美国专利5,280,472中的描述。
在上述两个实施例中，主天线100和200以及分集天线105和205是在物理上隔开的天线，在接收中提供空间分集。从区站到移动单元的前向链路上的信号会在主天线100和200或分集天线105和205处产生衰落。但是，由于前向链路上的路径长度对于主天线100和200以及分集天线105和205来说是不同的，所以上述实施例中的任何一个中的两个天线不可能在相同的时间内经受衰落。另外，上述实施例中的分集天线105和205的极化或对移动单元的实际取向可以使得它们的增益图形与主天线100和200的增益图形是很不相同的。一种方法是沿与主天线105和205正交的方向安装分集天线105和205。这时，可以减小由于移动单元操作位置的取向而产生的极化损耗。另一种方法是采用两种不同类型的天线，例如，环路天线和棒状天线。这样一种情况下，与棒状天线相比，环路天线会具有不同的天线图形。
与没有分集天线的情况相比，上述实施例中具有分集天线105和205使得移动单元接收链的整体噪声数值下降。另外，在第二个实施例中，分集天线205同时用作发射和接收，因而分集天线205的存在使移动单元的整体发射功率下降。这些因素是在移动单元的设计中在天线分集和与天线相关的损耗间的折衷。为了实现这一折衷，本发明的每一实施例可以将分集信号以不同于主信号的权重分别在各个加法器135和235中相加。这在第二个实施例中是特别有用的，其中的分集天线既用作发射也用作接收。例如，如果在噪声特性和发射功率中的3dB损耗是不希望的，那么可以将分集天线205接收的信号可以用比主天线200接收的信号更低的权重在加法器230中相加。这时，分集天线205提供的分集益处会低于在理论上是可能的值，但它会仍然提供可接受的性能。例如，当移动单元在靠近用户头部的地方工作时天线图形中深达20到30dB的零点是很普通。如果分集信号是在比主信号低10dB的地方相加的，那么零深度可以限制在近似10dB，而不会由于分集天线205的存在而出现显著的噪声特性或发射功率损耗。
在上述实施例中，通过将分集信号在将它们与加法器135和235中的主信号相加之前在延迟器130和230中延迟来提供时间分集。由于CDMA波形中使用的正交PN序列的本质，这一时间分集是可能的。正如下面所描述的那样，通过将主信号和分集信号分开、将它们时间上对齐以及随后将它们重新组合起来，可以处理加法器135和235产生的合成求和信号。
应当注意，另一些实施例可以在瑞克接收机前的接收路径中的任一点处执行相加功能。例如，在下变频(IF处)以后执行相加功能的优点是，在IF处比RF处更易于进行时间延迟。然而，相对于相加点前分集接收路径中的重复电路来说，也会有相关的折衷问题。
图3是以方框图的形式描绘了可以采用本发明的分集天线技术的CDMA移动单元。接收机304从上述任何一个实施例的接收路径中接收RF频率信号用于放大和下变频。这些信号还经过滤波和数字化，用以提供到数字数据接收机310A-310N以及搜寻接收机314。接收机304、310A-310N和314的进一步细节见转让给本发明受让人的、标题为“在CDMA蜂窝移动电话系统中产生信号波形的系统和方法”的美国专利5,103,459以及标题为“CDMA蜂窝电话系统中的分集接收机”的美国专利5,109,390。
接收机304还具有调整移动单元的发射功率的功率控制功能。接收机304产生提供到发射功率控制电路308的模拟功率控制信号。
模拟接收机304的输出处的数字化信号含有上述实施例的主信号和经时间延迟的分集信号，并且还含有带有当前基站和相邻基站发射的导频载波的许多正在呼叫的信号。接收机310A-310N的功能是使这些数字化信号与合适的PN序列相关。该相关过程提供了一种在本领域中熟知的“处理增益”的特性，提高了与合适的PN序列匹配的信号的信噪比，但不增强其他的信号。随后，用来自最靠近的基站的导频载波作为载波相位基准以同步检测相关输出。该检测过程的结果是一编码数据码元序列。
用在本发明中PN序列的特性是，在分集信号(包括地面环境中的多径传输引起的信号以及本发明的经时间延迟的分集信号)中提供鉴别。当信号通过一条以上的路径或者在本发明中通过多于一个天线传送以后到达移动接收机时，信号的接收时间存在差异。如果该时间差超过一个片元的持续时间，那么相关过程就在信号间进行鉴别。数据接收机可以跟踪和解调较早或较迟到达的信号。如果有两个或更多个接收机(通常是三个)，那么可以并行跟踪和处理多条独立的路径。
搜寻接收机314在控制处理器316的控制下为其他的多径导频信号连续扫描基站接收的导频信号标称时间周围的时域。接收机314在该标称时间以外的时间内测量任何接收的所要求的波形的强度。接收机314比较接收信号的信号强度。接收机314向控制处理器316提供信号强度信号，指示最强的信号。处理器316向数据接收机310A-310N中的每一个提供控制信号，以处理最强信号中的每个不同的信号。
接收机310A-310N被提供到分集组合器和译码器电路318。电路318中含有的分集组合器电路将两个接收码元流的定时调整成对齐，并将它们相加。这一叠加过程可以通过将两个接收码元流乘以与两个码元流的相对信号强度对应的数来进行。这一运算可以被认为是最大比值分集组合器。接着，用也包含在电路318中的前向纠错(FEC)对合成组合的信号流进行译码。常用的数字基带设备是数字声码器系统。CDMA系统被设计成适合于各种不同的声码器设计。
基带电路320通常包括一个数字声码器(未图示)，该数字声码器可以是可变速率类型的。基带电路320还用作与手机或任何其他类型的外围设备的接口。基带电路320还按照从电路318提供的信息向用户提供输出信息信号。
在移动单元-基站链路(后向链路)中，用户模拟话音信号通常是通过手机提供作为基带电路320的输入的。基带电路320包括将模拟信号转换成数字信号的模-数(A/D)转换器(未图示)。数字信号被提供到数字声码器，进行编码。声码器输出被提供到前向纠错(FEC)编码电路(未图示)。在本较佳实施例中，实施的纠错编码是一种传统的编码方案。经数字化编码的信号从基带电路320输出到发射调制器322。
发射调制器322对发射数据进行编码(在本较佳实施例中是一个基于沃尔什码的64阵列的正交信令技术)，随后将经编码的信号调制到PN载波信号上，其PN序列在所有的移动单元中是共同的，但具有为所有呼叫而分配到移动站的不同的编码相位偏置。另一种方法是，可以按照为该呼叫而分配的地址函数来选择PN序列。PN序列是根据基站发射并由接收机310A-310N和控制处理器316译码的呼叫建立信息由控制处理器316确定的。控制处理器316将PN序列信息提供到发射调制器322以及接收机310A-310N，进行呼叫译码。更详细地说，一个外PN码可以用在PN扩展信号上。有关数据调制的进一步的细节见上述美国专利5,103,459。
发射调制器322接着将经调制的信号转换成模拟形式，调制到IF载波上。将从发射调制器322输出的IF信号提供到发射功率控制电路308。在电路308中，传输功率信号受从接收机304提供的模拟功率控制信号的控制。由基站发送的呈功率调整命令形式的控制位由数据接收机310A-310N处理，并提供到控制处理器316。这些功率调整命令由控制处理器316用在移动单元发射中的功率电平设置。响应于这些命令，控制处理器316产生数字功率控制信号，提供到电路308。有关接收机310A-310N和314、控制处理器316以及发射功率控制器308与功率控制的关系的进一步信息可参见转让给本发明的受让人的、标题为“控制CDMA蜂窝移动电话系统中的发射功率的方法和装置”的美国专利5,056,109。发射功率控制电路308将功率受控调制信号输出到本发明的发射功率放大器电路140和240。
上文中较佳实施例的描述使得本领域的技术人员可以使用本发明。很明显，还可以对这些实施例进行各种修改，其基本原理可以在没有发明专门人员的帮助下应用于其他的实施例。所以，本发明并非仅限于上述实施例，本发明的最大保护范围应以所揭示的原理和新特征为准。
权利要求
1．一种移动无线电中的分集天线系统，所述移动无线电工作在包含至少一个发射通信信号的基站的无线通信环境中，其特征在于，所述分集天线系统包含发射无线信号以及接收所述通信信号的主天线，所述主天线响应于所述接收的通信信号提供一主天线信号；接收所述通信信号的至少一个分集天线，所述至少一个分集天线响应于所述接收的通信信号提供一分集天线信号；与所述至少一个分集天线耦合的延迟电路，用来对所述分集天线信号进行时间延迟；以及加法器，它具有与所述主天线耦合的加法器主输入端和与所述延迟电路耦合的加法器分集输入端并具有一加法器输出端，所述加法器用来响应于所述主天线信号和所述分集天线信号的和产生一和信号。
2．如权利要求1所述的分集天线系统，其特征在于，它还包含一个耦接在所述主天线和所述加法器主输入端之间的双工器，用来接收所述主天线，并将所述无线信号提供到所述主天线。
3．如权利要求2所述的分集天线系统，其特征在于，它还包含第一低噪声放大器，它连接在所述双工器和所述加法器的主输入端之间，用来放大所述主天线信号；以及第二低噪声放大器，它连接在所述分集天线和所述延迟电路之间，用来放大所述分集天线信号。
4．如权利要求3所述的分集天线系统，其特征在于，它还包含一种带通滤波器，所述带通滤波器连接在所述分集天线和所述第二低噪声放大器之间，用来提高所述分集天线信号的频谱纯度。
5．如权利要求1所述的分集天线系统，其特征在于，所述至少一个分集天线安装在与所述主天线正交的所述移动无线电内。
6．如权利要求1所述的分集天线系统，其特征在于，它还包含一个双工器，所述双工器与所述加法器输出耦合，用来接收所述和信号，并将所述无线信号提供到所述主天线和所述至少一个分集天线。
7．一种具有接收电路和发射电路的移动无线电中的分集天线系统，其特征在于，所述系统包含接收和发送无线信号的主天线；接收和发送无线信号的分集天线；与所述分集天线耦合的延迟电路，用来对所述分集天线接收和发送的无线信号进行时间延迟；与所述主天线和所述延迟电路耦合的组合电路，用来将所述主天线接收的无线信号与所述延迟电路延迟接收无线信号相加；以及双工器，所述双工器具有与所述组合电路耦合的输入端/输出端、与所述发射电路耦合的输入端和与所述接收电路耦合的输出端。
8．如权利要求7所述的分集天线系统，其特征在于，所述分集天线安装在与所述主天线正交的所述移动无线电上。
9．一种在具有主天线和至少一个分集天线的移动无线电中提供分集接收的方法，所述移动无线电工作在含有发射无线信号的至少一个基站的无线通信环境中，其特征在于，所述方法包含下述步骤在所述主天线上接收所述无线信号；在所述至少一个分集天线上接收所述无线信号；对所述至少一个分集天线接收的所述无线信号进行时间延迟；以及将所述主天线接收的所述无线信号与所述经时间延迟的无线信号相加。
10．如权利要求9所述的方法，其特征在于，它还包含下述步骤在将所述主天线接收的所述无线信号与所述经时间延迟的无线信号相加之前，放大所述主天线接收的所述无线信号；以及在将所述主天线接收的所述无线信号与所述经时间延迟的无线信号相加之前，放大所述分集天线接收的所述无线信号。
11．如权利要求10所述的方法，其特征在于，它还包含对所述分集天线接收的所述无线信号进行带通滤波的步骤。
全文摘要
一种在移动单元中提供时间、空间和天线图形分集以减弱CDMA移动单元处的衰落影响的分集天线系统。该系统由分集天线(105)和主天线(100)组成。主天线(100)和分集天线(105)是在物理上分开的,并且其取向使得它们具有不同的天线增益图形。在第一个实施例中,分集天线(105)仅用作接收天线,而主天线(100)执行发射和接收功能。在第二个实施例中,主天线(100)和分集天线(105)均发射和接收信号。延迟电路(130)使分集天线(105)与加法器(135)耦合,加法器(135)将主天线(100)接收的信号和分集天线(105)接收的信号相加。
文档编号H04B7/06GK1208521SQ96199339
公开日1999年2月17日 申请日期1996年12月23日 优先权日1995年12月28日
发明者理查德·K·科恩费尔德 申请人:夸尔柯姆股份有限公司