CN1348633A - 使用模拟相关提高数字接收机灵敏度的方法 - Google Patents

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Abstract

模拟相关技术用于一个扩频收发信机的数字接收机部分,以确定何时打开(ON)指定的数字接收机部件。根据一个特定实施例,一个模拟相关器接收来自无线电部分的下变换的同相和正交相位输出,并确定一个所接收的信号何时到达一个指定的噪声电平(或该电平附近)。一个控制电路被连接到相关器以选择地激活基带处理器中的数字接收机部分的快速A/D转换器。模拟相关器代替RSSI来“察觉”是否一个所接收的信号出现。

Description

使用模拟相关提高数字接收机灵敏度的方法
本发明总体上涉及通信电子领域，具体是涉及使用模拟相关提高数字接收机灵敏度的方法。
扩频是广泛应用于军事和商业应用的通信技术。在扩频通信系统中，在信道上发送之前，所发送的调制要被在带宽上扩展(即增加)，然后在接收机中被在带宽上解扩(即减少)相同的量。
扩频的一个目标应用是用于分开的电子设备之间的无线或无线电通信。例如，一个无线局域网(WLAN)是使用无线电技术在空中发送和接收数据，从而减小或最小化对于有线连接的需要的灵活的数据通信系统。在典型的WLAN中，为一个接入点提供一个从固定位置连接一个有线网的收发信机。终端用户通过收发信机连接到WLAN，该收发信机典型地作为膝上计算机中的PC卡或者用于桌上型计算机的ISA或PCI卡来实现。该收发信机也可以集成在诸如手提计算机、个人数字助理等的任何设备中。
目前市场上可用的WLAN产品主要是目标为工作在900MHz和2.4GHzISM频带上的垂直应用的专用扩频解决方案。这些产品包括上面提及的无线适配器和PCMCA、ISA和客户PC板平台中的接入点。典型的扩频收发信机包括连接到基带处理器的传统的IF无线电电路，该基带处理器提供在收发信机中要发送的信号的所要求的调制以及所接收的信号的所要求的解调。这样，例如基带处理器可以执行一个指定的扩频调制技术，诸如直接序列(DS)调制、跳频(FH)调制、跳时(TH)调制或者将一个或多个不同方案混合在一起的混合调制。
在已知的遵照IEEE 802.11 WLAN标准设计的扩频收发信机中，基带处理器典型地包括单板、双并联(或者“快速”)模数(A/D)转换器，用于处理所接收的来自无线电部件中的正交IF解调器的I(同相)和Q(正交)信号。与连续近似相反，快速A/D转换器在一个步骤中执行模数转换。具体是，快速A/D转换器同时比较输入模拟电压与2n-1个阈值电压，以产生代表该模拟电压的一个n比特数字码。典型地，基带处理器还包括另一个快速A/D转换器，用于转换从无线电部件中的接收信号强度指示器(RSSI)提供的模拟信号。
但是，给出信号功率指示的RSSI对于当信号在噪声电平(例如在一个IEEE 802.11b接收机中的-95dBm)或者在该噪声电平附近时的低概率错误检测是无效的。在一个典型的廉价的接收机(例如，在诸如IEEE802.11b的ISM 2.4GHz系统中)中，RSSI通常工作在如图1所示的输入信号的整个范围内。在中频段工作中，可以从RSSI输出信号确定一个接收的信号出现。不过，在只有噪声的情况下，VRSSI在Vmin时，信号的出现将不能被检测到，除非该信号比噪声功率大10dB，以便错误检测的概率很低。这也可以在图1中说明。这样，用低概率错误检测判定信号是否在噪声电平或者在噪声电平附近(即当RSSI不可靠时)的唯一方法是进行一个单独相关。这进而又需要快速A/D转换器被维持在开(ON)状态，即使这些转换器在消息发送之后也不能被关闭(OFF)。快速A/D转换器消耗大量电流，从而功率消耗很大。
希望提高扩频收发信机的接收机部分的灵敏度，以便当信号出现在噪声电平上或者噪声电平附近时，不需要先将快速A/D转换器打开以“察觉(sniff)”所接收的信号。本发明针对这一需要。
将模拟相关技术用于扩频收发信机的数字接收机部分，以确定当所接收的信号出现时，何时打开指定的数字接收机部件。根据一个特定实施例，一个模拟相关器接收来自无线电部件的模拟I和Q输出，并试图将一个本地伪随机数(PN)序列锁定到所接收的信号中的一个类似序列。当模拟相关器排列该PN序列时，并且如果相应的相关峰值足够大，则打开接收机部分中的快速A/D转换器。实际上，因为当信号在噪声或噪声附近时，无线电信号强度指示器(RSSI)无法用低概率错误告警来检测所接收的信号出现，所以模拟相关器“察觉”所接收的信号。
在一个示例实施例中，对于每个I和Q信道，模拟相关器包括一个模拟乘法器、一个积分器和速放电路、一个抽样-保持电路和一个模拟平方形成电路。在所选择的延迟应用之后，一个伪随机(PN)序列发生器提供一个指定的PN序列给每个信道。PN序列发生器是用于以预定码片速率扩展每个数据比特以提供扩频调制的发生器。在典型的实施例中，PN序列是巴克(Barker)PN序列。在工作中，当信号在噪声电平或者噪声电平附近时，在PN序列锁定之后，相关器输出在所选择的延迟上的指定的相对相关峰值上。当指定的相对相关峰值超过一个阈值时，一个控制信号就从模拟相关器输出以打开数字接收机中的快速A/D转换器。结果是，只有当所接收的信号出现并且相对相关峰值在一个指定阈值之上时，才激活大功耗快速A/D转换器。在现有技术中，它们不需要被激活以察觉所接收的信号。
以上概述了本发明的一些更相关的目的和特征。这些目的和特征只是用来说明本发明的一些更显著的特征和应用的。通过以不同的方式来应用所公开的发明或者如下所述修改本发明，可以获得许多其它有利的结果。因此，通过参考下列的详细描述可以更完整地理解本发明及其其它目的。
为了更完整地理解本发明及其优点，下面连同附图来讨论本发明的详细描述，其中：
图1表示在传统的扩频接收机中所接收的信号强度指示器电压和信号强度之间的关系；
图2是现有技术的典型的扩频收发信机的结构框图；
图3是图2的扩频收发信机的基带处理器的部件的框图；
图4是说明本发明的基本工作原理的模拟相关器的框图；以及
图5是说明根据本发明，当信号强度在噪声电平或者噪声电平附近时，一个模拟相关器是如何用于控制数字接收机电路的更详细的框图。
图2表示一个已知的其中可以实现本发明的无线收发信机200。该收发信机可以根据所建议的IEEE 802.11标准用于2.4GHz ISM频带中的WLAN应用，尽管这不是本发明的限制。该收发信机包括连接到RF功率放大器和发送/接收开关204的可选择的天线202。一个低噪声放大器206也有效地连接到天线。该收发信机还包括连接到低噪声放大器206和RF功率放大器以及发送/接收开关204的上/下转换器208。上/下转换器208连接到双频合成器210和正交IF调制器/解调器212。众所周知，IF调制器/解调器212包括用于提供RSSI监视或者“察觉”功能的所接收信号强度指示器(RSSI)功能。还可以提供一个或多个滤波器214和压控振荡器(VCO)216。上述部件包括扩频收发信机的传统的无线电部分。假设已知这种部件的操作。
一个扩频基带处理器218连接到无线电部分，并含有本领域众所周知的全双工或者半双工基于分组的扩频通信所需要的所有功能。具体是，该处理器有用于从IF调制器212接收同相(I)和正交(Q)信号的单板双快速A/D转换器220和222。基带处理器还包括用于处理从IF调制器212接收的信号强度指示器(RSSI)电压的另一个A/D转换器224。一个无干扰信道估计(CCA)电路226提供一个无干扰信道估计功能，以避免数据碰撞并最优化网络吞吐量。快速A/D转换器输出被提供给解扩所接收的信号的解调器228。调制器230执行众所周知的扩展功能。接口电路232连接到解调器228和调制器230以与去往/来自基带处理器的数据接口。同样，上述部件对于本领域的普通技术人员来说是众所周知的。
一种类型的扩频技术是直接序列调制。为了说明的目的，采用直接序列基带处理器来描述本发明，尽管可以看到，这并非是本发明的限制。直接序列调制是将伪随机数(PN)发生器的输出序列线性调制成脉冲序列，每个脉冲具有称作码片时间的时长。为此使用一个11比特的巴克序列(即+++---+--+-)。当然，使用11比特的巴克序列只是为了示范的目的。巴克序列是长度为n的二进制{-1，+1}序列{s(t)}，其具有非周期的自相关值|ρs(τ)|＜1(对于所有τ，-(n-1)＜τ＜n-1)。典型地，这种类型的调制用于二进制相移键控(BPSK)信息信号。通过将BPSK信号与直接序列调制相乘，得到一个直接序列BPSK信号。为了解调一个所接收的BPSK信号，一个本地PN随机发生器(它产生在接收机中用于解扩的PN波形)必须被同步到所接收的BPSK信号的PN波形的一个码片内。由一个搜索例程来执行该功能，该例程利用一个码片的一部分在时间上顺序地逐段安排本地PN波形，并在每个位置上搜索所接收的和本地PN参考波形之间的高度相关。当相关达到一个指定的阈值(该阈值表明已经获得了粗略的对准)时，搜索停止。当两个PN波形粗略对准之后，使用延迟锁定或者τ抖动跟踪换回来维持一个较好的对准。有关该过程的细节可以参见例如The Communications Handbook(通信手册)，16.4(1997)，CRC出版社，这里将其包含作为参考。
图3表示基带处理器300及其相关的快速A/D转换器302和304。理论上，快速转换器302和304可以在消息(EOM)传输结束之后被关闭(OFF)，除非期待一个确认。不过，在现有技术中，这还是不实用的。特别地，假设当信号在RSSI的噪声之上小于10dB时，在输出端的故障告警的可能性较大，则不可能使用RSSI输出端来有效地确定所接收的信号强度何时会在噪声基底(floor)(大约-95dBm)之上小于大约10dB。这样，在现有技术中，快速A/D转换器必须保持开(ON)，以“察觉”到在噪声基底附近(在大约-95到-85dBm)所接收的信号开始。该相关所需的快速A/D转换器消耗大量电流。为了克服这个问题，并减少数字接收机的整体功耗，本发明通过用一个低功率模拟相关器来察觉所接收的信号以提高数字接收机的灵敏度。当模拟相关器检测到指示所接收的信号出现的相关峰值时，主基带处理器中的快速A/D转换器被打开(ON)。模拟相关器的部件是低功率设备，作为限制快速A/D转换器的使用的结果，收发信机的整体功耗相对于现有技术来说被大大降低了。
图4表示模拟相关器400的基本操作。通常，模拟相关器被用于将一个本地PN序列(例如一个11比特巴克)同步到被抽样的下变换同相和正交相位信号VI和VQ中的一个类似PN序列。当模拟相关器对准该PN序列并且如果相对的相关峰值大于一个阈值时，接收机部件中的数字部分中的快速A/D转换器被打开(ON)。这些转换器通常在EOM传输之后被关闭(OFF)。
在本图中，只给出了来自IF解调器的同相(I)信号被处理。当然，相关器400包括用于处理正交相位(Q)信号的类似回路。如图所示，来自IF解调器级的VI信号被在模拟乘法器402中与在该序列被延迟电路406延迟τ之后由11比特移位寄存器404产生的巴克序列混合。11比特移位寄存器工作在一个指定频率(例如11MBz)上。模拟混合器402的输出被相加电路408相加，然后被抽样电路410抽样。本例中的抽样速率是每11个码片。然后，被抽样的输出在平方电路412中被平方，并与对于Q信号类似得出的输出相加，其结果提供给控制电路414。在操作中，移位寄存器输出被同步到所接收的VI信号和所接收的VQ信号中的巴克波形中的一个码片中。然后，控制电路产生一个信号来调整由延迟电路406提供的延迟τ，以维持巴克对准。当序列被对准时，相关器具有一个指定的处理增益(在所示的例子中大约是11)。当该处理增益指示在一个指定阈值上的相关峰值时，所接收的信号开始出现，且快速A/D转换器被激活。
图5表示本发明的模拟相关器500的一个优选实施例，该相关器用于当所接收的信号到达一个指定的噪声电平(或该电平附近)时，检测到该信号的出现。该相关器包括一个I信道分支，该信道分支包括模拟乘法器502、积分器和速放电路504、抽样和保持电路506以及模拟平方电路508。Q信道分支包括模拟乘法器510、积分器和速放电路512、抽样和保持电路514以及模拟平方电路516。每个分支被提供各自的VI和VQ信号与由PN发生器518提供的巴克(或其它PN)序列一起。如图4所示，由延迟电路520对该PN序列延迟一个指定的量τ。控制电路525产生一个控制信号，该信号被慢速A/D转换器522转换成数字形式，并被用于控制延迟电路520。A/D转换器522和延迟电路520包括一个传统的τ高频颤动跟踪回路。在操作中，当PN序列(来自PN发生器和每个相应的I和Q信号)在一个码片内时，出现一个峰值相关。在这一点，控制电路525产生一个输出信号，该信号由跟踪回路用来设置延迟τ，以便相关保持在峰值。当相关峰值在一个指定阈值之上时，控制电路525就产生一个输出，以激活快速A/D转换器524和526到开(ON)状态。如上所述，在一个EDM传输之后，转换器524和526通常被关闭(OFF)。
可以用任何便利的方式来实现控制电路，如软件驱动的处理器、微控制器、有限状态机、硬线逻辑、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)等。一旦确定了延迟，控制电路就将该值提供给数字接收机以便于由数字部件的相关。
模拟相关器操作以检测所接收的信号何时到达一个指定的噪声电平(或该电平附近)(当RSSI无效时)。当一个相关峰值出现时，快速A/D转换器被打开(ON)。该快速A/D转换器的智能控制改善了基带处理器中的功率管理，从而提高了扩频收发信机的整体性能。
本领域的普通技术人员应当认识到，从单独的检测观点来看，模拟相关是相当低质量的；相反，相应的巴克相关(在数字接收机电路中执行的)提供了一个高质量的信号检测。这样，概括而言，本发明的技术使用一个用于低质量信号检测的模拟相关器和一个用于高质量信号检测的普通数字相关器。
以上描述了本发明，下面提出本发明的权利要求。

Claims (10)

1.一种包括一个连接到基带处理器(218)的无线电电路(208，212)的扩频收发信机(200)，该基带处理器包括一个扩频解扩器和快速A/D转换器(220，222)，用于对从所述无线电电路接收的下变换的同相和正交相位信号进行抽样，改进包括：
用于检测一个接收的信号何时到达一个指定的噪声电平(或该电平附近)的模拟相关器(400)；以及
连接到所述模拟相关器以选择地激活快速A/D转换器的控制电路(414)。
2.如权利要求1所述的扩频收发信机，其中所述模拟相关器包括一个伪随机数(PN)序列发生器(518)、一个同相部件和一个正交相位部件。
3.如权利要求2所述的扩频收发信机，其中同相部件包括：
一个模拟乘法器(502)，用于从所述无线电电路接收下变换的同相信号以及由PN序列发生器产生的比特序列，并相应于此，产生一个第一信号；
一个积分器和速放电路(504)，用于对所述第一信号在一个指定的时间段中进行积分以产生一个第二信号；
一个抽样和保持电路(506)，用于对所述第二信号进行抽样并产生一个第三信号；以及
一个模拟平方电路(508)，用于对所述第三信号进行平方并产生一个第四信号。
4.如权利要求2所述的扩频收发信机，其中正交相位部件包括：
一个模拟乘法器(510)，用于从所述无线电电路接收下变换的正交相位信号以及由PN序列发生器产生的一个比特序列，并响应于此，产生一个第一信号；
一个积分器和速放电路(512)，用于对所述第一信号在一个指定的时间段中进行积分以产生一个第二信号；
一个抽样和保持电路(514)，用于对所述第二信号进行抽样并产生一个第三信号；以及
一个模拟平方电路(516)，用于对所述第三信号进行平方并产生一个第四信号。
5.如权利要求2所述的扩频收发信机，其中PN序列发生器产生一个巴克序列。
6.如权利要求5所述的扩频收发信机，其中巴克序列是一个11比特巴克。
7.如权利要求2所述的扩频收发信机，还包括：
一个跟踪回路(522，520)，用于维持从PN序列发生器输出的PN序列与从所述无线电电路接收的下变换的同相和正交相位信号中的一个PN序列对准。
8.一种收发信机，包括：
一个无线电电路(208，212)；
一个基带处理器(218)，它连接到所述无线电电路并包括一个解调器和A/D转换器，用于对从所述无线电电路接收的下变换的同相和正交相位信号进行抽样；
一个PN序列发生器(404)；
一个模拟相关器(400)，用于检测一个所接收的信号何时到达一个指定的噪声电平(或该电平附近)；
一个跟踪回路(406)，用于在检测到所接收的信号之后，维持从PN序列发生器输出的PN序列与从所述无线电电路接收的下变换的同相和正交相位信号中的一个PN序列对准；以及
一个控制电路(414)，它连接到模拟相关器，以选择地将快速A/D变换器从关(OFF)状态切换到开(ON)状态。
9.一种用于在无线局域网(WLAN)中的扩频收发信机，包括：
一个无线电电路(208，212)；
一个基带处理器(218)，它连接到所述无线电电路并包括一个扩频解扩器和数字电路，用于进行高质量信号检测；
一个模拟相关器(400)，用于察觉到所接收的信号；以及
电路(414)，它连接到所述模拟相关器以选择地激活所述数字电路以使得能够进行高质量信号检测。
10.一种用于提高数字接收机的灵敏度的方法，该接收机包括一个无线电电路(208，212)和一个连接到该无线电电路的基带处理器(218)，该方法包括：
当指定的数字接收机部件被关闭时，执行一个模拟相关(400)以检测一个所接收的信号何时到达一个指定的噪声电平(或该电平附近)；以及
当检测到所接收的信号时，打开(414)指定的数字接收机部件。
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