專利名稱：頻率跳變系統(tǒng)中的天線分集裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一個天線分集裝置，具體地但并不唯一地應(yīng)用到頻率跳變分組數(shù)據(jù)系統(tǒng)，例如藍牙，商標(TM)，其中，跳變速率是快的，但信道特性改變相對地慢。
背景技術(shù)：
人們是了解天線分集系統(tǒng)的，并且由附圖的

圖1和圖2的方塊示意圖方式表示了兩個典型接收機體系結(jié)構(gòu)的例子。參照圖1，天線10，12連接到一個轉(zhuǎn)換開關(guān)14的相應(yīng)端11，13。該開關(guān)的一個可移動接觸點通過一個低噪聲放大器16連接到混頻器18的一個輸入端。該混頻器18的第二個輸入端連接到一個本地振蕩器20?；祛l的積加到選擇在一解調(diào)器24中被解調(diào)的信號的信道濾波器22。解調(diào)輸出加到基帶處理級(BB)26。為使天線分集有效，一個接收信號強度指示器(RSSI)級28具有連接到該信道濾波器22輸出端的一個輸入端和連接到分集控制級(DIV)30的一個輸出端。級30提供控制信號用于驅(qū)使該開關(guān)14的可移動觸點選擇天線10，12的一個或另一個。在操作一種通常稱為轉(zhuǎn)換分集的天線分集裝置類中，天線之一保持選擇，直到接收信號的強度落在低于某個可接受性極限之下為止，此時分集控制級30在天線10，12間轉(zhuǎn)換以確定哪一個天線較好，并選擇該天線。如果接收的信號強度保持低劣，則可頻繁地重復(fù)選擇過程。使用該類型體系結(jié)構(gòu)和頻率跳變數(shù)據(jù)分組信號的特征在于直到在已接收該數(shù)據(jù)分組之后才發(fā)生從一個天線到另一天線的轉(zhuǎn)換，經(jīng)過這段時間，信道特性可先于接收下一個數(shù)據(jù)分組已發(fā)生改變而使分集判定可以無效。
圖2表示常稱為選擇分集的另一個分集裝置。比較圖1和2將指出圖2體系結(jié)構(gòu)包括兩個在圖1中所示的類型的接收機，每一個連接到相應(yīng)的一個天線10，12。為方便參考，相同的參考號已同附加的后綴A或B一起使用。作為基本放大作用，接收機的下行混頻和濾波操作與參照圖1所描述的相同，為簡化將不予重復(fù)。已省略了開關(guān)14，而分集控制級30具有輸出控制路徑SEL 10和SEL 12，用于分別從天線10，12選擇一個或另一個信號路徑。在信號強度測量階段，兩個接收機都是加電的，但是一旦已選擇較好的信號路徑，則它們中之一將斷電。還可以使用該體系結(jié)構(gòu)于等增益組合分集和最大比率組合分集。在頻率跳變數(shù)據(jù)分組的情況中在要求兩個接收機重復(fù)供能的每個數(shù)據(jù)分組上不得不進行分集判定。在例如藍牙TM系統(tǒng)中，典型地接收每秒800個數(shù)據(jù)分組，功率消耗相對高，而這是所不希望的。
US專利說明書6,032,033公開了選擇分集裝置的如圖2中所示的一種變型，它利用圖1中所示的一般類型的體系結(jié)構(gòu)，并具有一個接收機和可轉(zhuǎn)換的天線。該變型適合于與和例如DECT(數(shù)字增強型無繩電話)或PWT(個人無線電話)應(yīng)用這樣的TDMA系統(tǒng)一起使用。在該系統(tǒng)中，所描述的接收信號的數(shù)字化方案是被緩沖的，以充分地允許選擇分集測量進行而不劣化所要求信號的解調(diào)。當緩沖該接收信號時，單個接收機在數(shù)據(jù)脈沖串開始期間在兩個天線的每一個上順序進行性能測量，該數(shù)據(jù)脈沖串的開始是由從一個前面的脈沖串反饋的定時信號確定的。首先測量在先未使用的天線以使不得不進行兩次天線轉(zhuǎn)換的似然性最小。該引證的方法還要求測量在連續(xù)數(shù)據(jù)脈沖串上進行而消耗功率。
發(fā)明的公開本發(fā)明的一個目的在于減小在操作一個天線分集裝置中的功率損耗。
按本發(fā)明的第一方面，提供了一種用在一預(yù)定帶寬上工作的頻率跳變數(shù)據(jù)系統(tǒng)中的天線分集方法，包括確定和儲存基本處在所說其中可允許接收發(fā)送的數(shù)據(jù)分組的、預(yù)定帶寬內(nèi)的多個頻率子帶，以確定至少2個天線的哪一個適合用在哪一個頻率子帶內(nèi)，從而確定目前接收的信號的頻率跳變序列，同時使用在該頻率跳變序列中的已知的頻率序列和其中通過下一頻率的該子頻帶以確定至少2個天線的哪一個接收該數(shù)據(jù)分組。
按本發(fā)明的第二方面在于提供一種頻率跳變接收機，用于接收在處在一個全頻率帶寬內(nèi)的頻率信道上發(fā)送的數(shù)據(jù)分組，包括第一和第二天線，接收裝置連接到該第一和第二天線，用于確定和儲存基本處在所說其中將可允許接收發(fā)送的數(shù)據(jù)分組的預(yù)定帶寬內(nèi)的多個子帶的裝置，以確定第一和第二天線的哪一個適合用在哪一個頻率子帶內(nèi)，用于確定和儲存目前接收的信號的頻率跳變序列的裝置，和用于使用在該頻率跳變序列中的已知的頻率序列和其中通過下一頻率的該子頻帶以確定第一和第二天線的哪一個接收該數(shù)據(jù)分組的裝置。
本發(fā)明是基于識別這樣一個事實，即在等于稱為“相干帶寬”的一個頻率范圍上，一個信號信道的特性是相似的，該相干帶寬近似等于1/(4×延遲擴展)。一個信道的延遲擴展定義成第一接收的發(fā)送射線和其最后的接收的發(fā)送射線之間經(jīng)過的時間的長度。對于藍牙TM，室內(nèi)延遲擴展是10ns量級。這樣通過確定兩個天線的哪一個對在一個具體的相干帶寬內(nèi)的頻率更有效和提前得知下一數(shù)據(jù)分組的跳變頻率就能作出分集判定，而不必要收到連續(xù)數(shù)據(jù)分組就測量每個信道的特性。這樣得到傳送可靠性增加，同時節(jié)省接收機的功耗。
改變信道動態(tài)可影響分集判定的有效性。因此，根據(jù)可數(shù)學(xué)地或經(jīng)驗地確定的一個過去時間周期，或根據(jù)確定接收信號的質(zhì)量/強度的變壞周期性地檢測每個天線上的接收信號的質(zhì)量/強度。該質(zhì)量/強度不僅可表示為RSSI，而且可表示為位誤差率(BER)或信號噪聲比(SNR)。
附圖簡述現(xiàn)在將參照附圖，借助例子描述本發(fā)明，其中圖1是具有轉(zhuǎn)換天線分集裝置的一個已知接收機體系結(jié)構(gòu)的方塊示意圖，圖2是具有選擇分集裝置的一個已知接收機體系結(jié)構(gòu)的方塊示意圖，圖3是藍牙TM點對多點的，頻率跳變的，數(shù)據(jù)分組的皮可-網(wǎng)系統(tǒng)(Piconet System)的方塊示意圖，圖4是說明對單個時隙分組在正常模式下藍牙TM收發(fā)信機的發(fā)射機/接收機周期的圖，圖5是說明表示擴展的通道交叉代碼信息組的藍牙TM標準分組定義，圖6是說明藍牙TM通帶的圖，圖7是說明按本發(fā)明的方法的操作的流程圖，以及圖8是表示相對于625μs(即1600跳動/秒)的藍牙TM跳動時間的包絡(luò)相關(guān)系數(shù)表。
在附圖中，相同的參考標號已用來表示相應(yīng)的特征。
執(zhí)行本發(fā)明的模式在圖3中所示的藍牙TM皮可網(wǎng)包括多個具有相關(guān)用戶設(shè)備(未示)的無線站32，例如移動電話，膝上型計算機，個人計算機和一個打印機。該無線電站之一起主控機控制器MC作用，而其余的站SL1，SL2和SL3起從屬站作用，這些站在時分雙工(TDD)鏈路上與每個其他站通信。
每個無線站32基本上是相同的，并包括具有選擇分集的一個頻率跳變收發(fā)信機34。至少該接收機部分具有類似于圖2中所示的體系結(jié)構(gòu)并因此為簡化起見將不進行描述。然而要理解按本發(fā)明的方法可以同例如在說明書前序中所描述的其他接收機體系結(jié)構(gòu)一起使用。收發(fā)信機34連接到鏈路基帶控制器(BBC)36，而后者連接到中央處理單元(CPU)核心38，其按序連接到外部接口(IF)40。
在許多鏈路基帶控制器36的實施中，它包括用于執(zhí)行基帶處理和基本協(xié)議的硬件和接口一個藍牙TM單元到藍牙TM無線電設(shè)備的硬件。命令，響應(yīng)和數(shù)據(jù)在以分組形式橫跨該無線電接口的藍牙TM單元之間傳送。
每個從屬單元SL1-SL3具有類似的體系結(jié)構(gòu)，為簡化起見將不描述。
圖3中所示系統(tǒng)按藍牙TM標準工作，其細節(jié)容易借助英特網(wǎng)得到。但是為方便理解本發(fā)明將給出一個簡單的概述。藍牙TM是專門在2.4GHzISM頻帶設(shè)計提供低成本，堅固，高容量特別話音和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。通過使用基于具有1600hops/s的頻率跳變方案的基于分組的轉(zhuǎn)換協(xié)議提供堅固性。整個可利用的頻率頻譜用在除西班牙和法國之外的歐洲和美國，并且存在間隔1MHz的79個信道。一個信道在長度上被分成625μs時隙。在該時隙中，主和從單元能發(fā)送分組。該分組能和該時隙的開始對準。對于單個時隙發(fā)送的情況，使用時分雙工(TDD)方案，在那里主和從單元交替發(fā)送。參照圖4，主單元在偶數(shù)時隙開始其發(fā)送，而從屬單元僅在奇數(shù)時隙開始其發(fā)送。TDD幀長度為1.25ms。
圖5說明一個分組42的格式，它由三個信息組組成，即一個72位的訪問代碼44，用于同步，DC偏移補償和識別，一個54位的報頭46和包括在16和2736位間的有效負載48。更特別地，訪問代碼44包括由0-1模式組成的4位前文48，64位同步代碼字54和由0-1模式組成的4位尾碼56。
參照圖6，藍牙TM頻帶在始于2480MHz的80MHz的帶寬上延伸，和每個藍牙TM頻道58具有1MHz的帶寬。全部80MHz的帶寬被表示包括相干帶寬CB1，CB2和CB3。一個相干帶寬是由延遲擴展導(dǎo)出，在多徑環(huán)境中，例如一個辦公室中是第一接收發(fā)送的射線和最后接收的發(fā)送射線之間經(jīng)過的時間長度。對于在室內(nèi)環(huán)境的藍牙TM該經(jīng)過的時間是10μs量級。相干帶寬接近等于1/(4×延遲擴展)，即為25MHz。一個衰落的帶寬粗略地等于相干帶寬。在給定信道的特性在等于該相干帶寬的一個頻率范圍上將是類似的條件下，按本發(fā)明的方法將利用在哪些時間，哪些頻率，使用哪個天線的知識使數(shù)據(jù)的特征分組被接收而無必要進行分集測量。這將節(jié)省接收機中的功率和增加傳輸?shù)馁|(zhì)量，由此具有小的錯誤。數(shù)據(jù)的儲存將只對與跳動序列和信道的動態(tài)相關(guān)的時間周期是有效的并將被經(jīng)常更新。這將要求在該接收機的基帶中的特別處理，以保持頻率表，完成的分集判定，判定完成的時間和有效時間多長。如果對藍牙TM的頻率跳動選擇是隨機的，則在一個特征頻率跳動的3個可能發(fā)生中有接近一個是在目前頻率的相干帶寬之內(nèi)。
施加天線分集到藍牙TM對于不從接收設(shè)備傳送誤差校正或重復(fù)分組請求的同步連接定向(SCO)鏈接是特別重要的。該類型的鏈接用于時間嚴格的音頻和視頻數(shù)據(jù)流。
圖7中所示的流程圖概述了包括在按本發(fā)明的實施方法中的操作。與由一個藍牙TM單元開始該流程相關(guān)的塊60指示它想與另一個藍牙TM單元建立無線電鏈路。在塊62中的初始單元處理儲存在該單位中的一個跳動序列。在塊64中確定用于該跳動序列的相干帶寬。塊66與基于該相干帶寬進行和儲存分集判定的單元相關(guān)。塊68與確定哪一個天線用來接收下一個數(shù)據(jù)分組的單元相關(guān)。塊70與接收該下一個數(shù)據(jù)分組的單元相關(guān)。
塊72與被監(jiān)視的信號質(zhì)量相關(guān)，以確定儲存的分集判定還是否有效，而塊74與檢測該質(zhì)量是否可接受相關(guān)。如果回答是否(N)，流程圖轉(zhuǎn)到塊66而進行新一組的分集測量。如果回答是肯定的(Y)，流程圖轉(zhuǎn)到塊68，只要處理在進行，或要不然轉(zhuǎn)到塊76，其指示該處理的結(jié)束。
作為在塊72中監(jiān)視信號質(zhì)量的改型，在塊70之后流程進到塊78。該塊78與在一預(yù)定時間間隔期滿之后重新使分集判定有效的操作相關(guān)。該時間間隔與稱為一個信號的“包絡(luò)相關(guān)系數(shù)”相關(guān)。由下式給定一個信號的包絡(luò)相關(guān)系數(shù)Pe(Δt)與速度(V)和時間(Δt)相關(guān)
Pe(Δt)＝Jo2(K.V.Δt)這里K是mm-1為單位的波數(shù) V是m/s為單位的速度Δt是時間差。
一個相關(guān)系數(shù)1施加到可以是一個房間的靜態(tài)信道，其中圍繞它無任何移動物，從而形成一個靜態(tài)的環(huán)境。
圖8表示在藍牙TM使用的頻帶中的2.4GHz上相對625μs(每秒1600跳動)的藍牙TM跳動時間包絡(luò)相關(guān)系數(shù)表，左手列表示多個625μs的跳動時間，而頂行表示m/s為單位的速度0.5，1.0，1.5和2.0。
對于DECT已得到實際結(jié)果，其中分組長度相當長，即5ms。對于轉(zhuǎn)換分集，結(jié)果表示對于10dB的一個最大分集增益，對于10ms經(jīng)過時間以及1m/s的發(fā)射機和接收機的相對速度該增益減小8dB。但是對于選擇分集和5ms的經(jīng)過時間(轉(zhuǎn)換判定可早于一個分組進行)，在1m/s分集增益減小2dB。這兩個結(jié)果已清楚地表示在圖8中。該表示包絡(luò)相關(guān)系數(shù)應(yīng)為0.95量級或更高，以使在動態(tài)信道中的分集增益的損失減到最小。對于2dB分集增益損失，將此等效于藍牙TM分組，分集應(yīng)用對于一個目前分組和接著的7個分組是有效的。這是可得到的一種估計。在實際中，基于測量跟接的分組BER可以使用這種方法，或更復(fù)雜的系統(tǒng)，以確定分集判定有效時間多長。這可能使接收機的功率損耗減至最小。
如果藍牙TM是一個交替的發(fā)-收系統(tǒng)和信道特性在給定點間的兩個方向是相等的，則當發(fā)送方向轉(zhuǎn)換(即每另外的分組)時按本發(fā)明的方法可用于這種情況。
雖然本發(fā)明已參照藍牙TM加的描述，但是，應(yīng)理解，該方法可以用于任何頻率跳動協(xié)議中，其中分集被用來改進數(shù)據(jù)鏈的可靠性。為保持對一個有用時間周期的有效的分集測量，與信道改變特性相比，分組速率必須加快。
在本發(fā)明說明書和權(quán)利要求中，前輟一個元件的字“a”和“an”并不排除多個這種元件的存在。此外，字“comprising”不排除在此列舉之外的其他的元件或步驟的存在。
根據(jù)閱讀本發(fā)明公開，對本專業(yè)技術(shù)人員而言，其他的修改將是明顯的。這樣的修改可包括在設(shè)計，制造和使用分集接收機和其元件部分已經(jīng)知道的其它特性，和可以使用替代或除了在此已描述的特征之外的特征。
權(quán)利要求
1.一種用在工作在一預(yù)定帶寬上的頻率跳動的數(shù)據(jù)分組系統(tǒng)中的天線分集方法，包括確定和儲存多個基本處在所說預(yù)定帶寬內(nèi)的頻率子帶，其中一個發(fā)送的數(shù)據(jù)分組將被可接受地接收，確定至少兩個天線的哪一個適于用在哪一個頻率子帶中，確定一個目前接收信號的頻率跳動序列，和使用在該頻率跳動序列中的頻率序列的知識和在其中保持下一頻率的子帶來確定至少兩個天線的哪一個接收該數(shù)據(jù)分組。
2.如權(quán)利要求1的方法，其特征在于監(jiān)視一個接收的數(shù)據(jù)分組的特性，并響應(yīng)檢測該特性的退化，重新估計至少兩個天線的哪一個適于用在哪一個頻率子帶中。
3.如權(quán)利要求2的方法，其特征在于周期性地重新估計至少兩個天線的哪一個適合用在哪一個頻率子帶中。
4.如權(quán)利要求1，2或3的方法，其特征在于由選擇分集實現(xiàn)天線分集。
5.一種用于接收在處在一個全頻率帶寬中的頻率信道上發(fā)送的數(shù)據(jù)分組的頻率跳動接收機，包括第一和第二天線，連接到該第一和第二天線的接收裝置，用于確定和儲存基本處在所說預(yù)定帶寬中的多個頻率子帶，其中將可接受地接收一個發(fā)送的數(shù)據(jù)分組的裝置，用于確定第一和第二天線的哪一個適用于哪一個頻率子帶中的裝置，用于確定和儲存一個目前接收的信號的頻率跳動序列的裝置，以及用于使用在該頻率跳動序列中的頻率序列的知識和其中保持下一個頻率的子帶確定第一和第二天線的哪一個接收該數(shù)據(jù)分組的裝置。
6.如權(quán)利要求5的接收機，其特征在于用于監(jiān)視一個接收的數(shù)據(jù)分組的特性和響應(yīng)檢測特性退化，用于重新估計第一和第二天線的哪一個適用于在哪一個頻率子帶中的裝置。
7.如權(quán)利要求6的接收機，其特征在于用于周期性地重新估計第一和第二天線的哪一個適用于哪一個頻率子帶中的裝置。
8.如權(quán)利要求5，6或7的接收機，其特征在于用于通過選擇分集實現(xiàn)天線分集的裝置。
9.如權(quán)利要求5，6或7的接收機，其特征在于用于由轉(zhuǎn)換分集實現(xiàn)天線分集的裝置。
全文摘要
一種天線分集裝置，可應(yīng)用到接收在多個頻率信道上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分組的頻率跳變接收機(34)，該多個頻率信道處在被分為多個子頻帶的總的頻率帶寬中。在每個子頻帶中，該信道的頻率特性將是基本相同的。為一具體子頻帶選擇天線(10，12)是通過執(zhí)行頻率分集測量進行的，和該選擇被處理為對可以是存在的或可以被動態(tài)地確定的一個時間周期是有效的。在操作中對該接收機是能識別跳變序列的，因此它能提前確定所接收的下一個數(shù)據(jù)分組的頻率并能選擇具有天線而不需要執(zhí)行分集測量。在該時間周期結(jié)束時檢驗所選天線的適合性，如果必要在該接收機中更新該選擇的話。
文檔編號H04B1/69GK1531788SQ02811055
公開日2004年9月22日 申請日期2002年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2001年6月1日
發(fā)明者A·G·斯潘塞, K·R·博伊爾, C·B·馬沙爾, A G 斯潘塞, 博伊爾, 馬沙爾 申請人:皇家菲利浦電子有限公司