專利名稱：接收機的自動增益控制及其方法
技術領域：
本發(fā)明與自動增益控制有關，并且特別地與用于接收機的自動增益控制和信道的分配有關。
已知有許多包括收發(fā)信機的設備，它們與其它兼容的設備通信使用。這樣的設備的例子包括象可以是無繩或蜂窩的無線電話，雙向無線裝置，基站，尋呼機和象調制解調器，數據終端或類似的有線或電纜通信設備。這些設備典型地包括一個用來控制發(fā)送和接收路徑增益的電路以便接收信號以基本相同的信號電平被輸出。
在無線通信系統中提供功率控制特別難，原因是環(huán)境本身不停地變化。在移動設備之間或一個移動設備和一個基站之間的距離是容易經常變化的。此外，由于障礙物進入在移動設備和另一個設備之間的發(fā)射路徑，發(fā)射路徑也會改變。例如，隨著移動設備的移動，建筑物，小山和其它障礙物移入或移出一個蜂窩式無線電話的發(fā)射路徑。這些障礙物在通信交換期間將負面地影響由基站和移動設備接收的信號的電平。
相應地，象用于移動通信的全球系統(GSM)的系統需要射頻(RF)功率控制。這樣的功率控制的目的是獲得用于合適的無線通信質量所需的最小的功率量。通過限制被通信的信號的電平，由周圍移動設備和基站所檢測的RF功率譜能量的平均量被降低。這具有降低干擾的效果，原因是對一個RF信道的干擾的電平是來自所有RF源的貢獻的總和。
RF功率控制的目的是為此降低在每個信道上出現的信道干擾的量。這增加了鏈接可靠性和信道的容量。
例如，用于電路交換話音電話的GSM標準規(guī)定基站子系統(BSS)RF功率被控的范圍從基站的最大值到最大值以下30dB。標準規(guī)定了用于移動站的類似的規(guī)范，這取決于移動設備的功率輸出級別。
然而，對于通用包無線服務(GPRS)，要獲得功率控制明顯地更難。這由于數據包的可變長度和在基站和移動臺之間以GPRS模式的發(fā)送的數據包之間的時間周期的變化。
在GSM GPRS的例子中規(guī)定的用于從基站到移動臺的發(fā)送的控制方法要求BTS必須以相同的功率電平發(fā)送組成一單個數據塊的4個突發(fā)脈沖。然而，該標準也允許基于信道質量報告按塊對基站收發(fā)信機站(BTS)進行控制。
在這個示例性的標準下，對數據塊的發(fā)送功率控制的程度可以從一個基站收發(fā)信機站在一個廣播控制信道(BCCH)上發(fā)送的輸出功率值到在BCCH載波以下的一個30dB電平。此外，需要一個GPRS移動臺來接收在不止一個時隙上的下行鏈路數據塊。例如，2個各組成一個數據塊的4突發(fā)脈沖的間隔的幅度會有不同。
這些因素合并起來，使得在移動臺中要實現一個有效的AGC功能很困難。有一個建議是在一個發(fā)送中提供指示相對于BCCH載波的RF功率電平要衰減的量，下一個基站收發(fā)機站的數據塊就以此來發(fā)送。
然而，與接收這種類型的信息相關聯的還有問題。例如，難以獲得自動增益控制(AGC)的起始捕獲。還有問題是在沒有可解碼的信號(例如分布在整個下行鏈路傳輸過程的間歇解碼錯誤)時如何設置AGC電平。另外當企圖對在不止一個時隙中的數據進行解碼時也會出現另外的問題。然而，最大的問題是分配動態(tài)時隙配置用于移動發(fā)送，其中為了接收它將在哪個上行鏈路時隙上發(fā)送的分配，需要移動臺來監(jiān)控所有時隙，盡管其中一些時隙是分配給其它移動臺。
相應地，在一個動態(tài)系統的接收機中需要一種提供自動增益控制的改進的方法。


圖1是以方框圖形式示意一個通信系統的電路圖。
圖2是以方框圖形式示意一個發(fā)射機和處理器的電路圖。
圖3是以方框圖形式示意一個接收機和處理器的電路圖。
圖4是示意一個移動無線電話系統的圖形。
圖5是代表GPRS數據的圖形。
圖6是代表一個數據轉發(fā)序列的圖形。
圖7是代表多個移動數據幀分配的圖形。
圖8是示意移動接收幅度為一個距離的函數。
圖9示意數據包。
圖10代表相對于一個BCCH載波的PDCH載波。
圖11代表用于基站的一個分區(qū)的信道分配。
一個接收機的自動增益控制包括一個具有一個控制輸入并響應自動控制信號，用于調整接收機的輸出電平的可變增益接收機。一個控制器被連到可變增益接收機?？刂破鞅O(jiān)控被接收的信號質量和被接收的信號的功率電平?？刂破鞲鶕盘栙|量和載波功率電平來控制可變增益接收機的增益。控制器根據接收的信號功率電平和接收的信號質量選擇性地控制增益。增益控制確保接收機的放大器工作在線性部分。隨后接收機為要傳送給遠程接收機的數據塊產生一個合適的可解碼的信號。
一個通信系統100(圖1)包括一個由一個通信鏈路106連接的本地收發(fā)信機102和一個遠程收發(fā)信機104。本地收發(fā)信機102可以在象調制解調器，一個基站，一個數據終端或類似的任何一個通信設備中。遠程收發(fā)信機104可以在象便攜式電話，調制解調器，衛(wèi)星電話，數據終端或類似的任何一個通信設備中。通信鏈路106可以是有線，電纜或無線空中連接或其它傳輸媒介。
示意的遠程收發(fā)信機104包括一個連接到一個處理器114的一個麥克風110和一個揚聲器112。收發(fā)信機104包括連接到天線120的一個發(fā)射機116和一個接收機118。遠程收發(fā)信機被連接到一個發(fā)射機132，一個接收機134和一個開關136?！伴_關”可以是象路由器，開關或信號源的任何把信號從處理器130輸入或輸出的通信設備。發(fā)射機132和接收機134被連接到天線138。
示意的本地收發(fā)信機102的發(fā)射機132包括一個由處理器130控制的可變增益放大器202(圖2)。放大器202響應來自處理器130的控制信號來控制從本地收發(fā)信機102發(fā)出的用于與遠程收發(fā)信機104通信的信號的幅度。遠程收發(fā)信機104的接收機118在處理器114的控制之下工作。處理器或控制器114，130每個可以使用數字信號處理器(DSP)，微處理器，微控制器，可編程邏輯單元(PLU)；邏輯電路或它們的組合來實現。
遠程接收機118包括一個混頻器302(圖3)，一個可變增益放大器304，一個混頻器306，一個可變增益放大器308，一個濾波器310和一個可變增益放大器312?；祛l器302和304被提供來解調和下變頻希望的載波信號頻率(例如，從一個蜂窩系統中的通信信道，下變頻到一個中頻)?？勺冊鲆娣糯笃?04，308和312響應來自處理器114的增益控制信號來控制被接收的信號的增益，以便在314的信號輸出處于一個希望的幅度以確保在處理接收信號的收發(fā)信機中的放大器的線性工作。濾波器310去除在希望的接收信號頻率外的信號。
由本地收發(fā)信機102啟動的系統的自動增益控制首先確定相對于廣播載波信道(BCCH)的包數據信道(PDCH)將發(fā)射機132的功率電平設置在何處。根據從遠程站104接收的信號質量測量和由遠程收發(fā)信機104往回報告給本地收發(fā)信機102的接收的載波功率BCCH載波，在處理器130中作判決。
特別地，存在這樣一個功率電平，此后即使增加本地站102的發(fā)射功率也不會使遠程收發(fā)信機104的接收信號的質量增加。這是因為被發(fā)送的所有數據在發(fā)射機132的發(fā)送功率上由遠程接收機118恰當地解調和恢復。
處理器130確定在接收機118上由處理器114測量的接收信號質量中出現明顯的降級之前，本地收發(fā)信機132的發(fā)送功率可以降低到多低。在由收發(fā)信機104的處理器114作出的信號質量測量(例如可以是由遠程接收機測量的比特誤碼率)的基礎上，作出這個決定。比特誤碼率指示由接收機118接收的數據是否被正確地解碼。如果是這樣，那么收發(fā)信機132的增益可以變低直到比特誤碼率下降。當發(fā)送功率的降低產生了由遠程收發(fā)信機104往回報告給本地收發(fā)信機102的比特誤碼率的增加時，出現了臨界門限?；谶@些標準，本地收發(fā)信機可以為在DPCH上發(fā)送的數據包設置它的發(fā)送功率電平。
當發(fā)射機132不能再降低它的增益而接收機正在最優(yōu)門限(到達最優(yōu)門限后，即使再加增益不會導致收發(fā)信機104的性能增加)之上輸出一個信號，則遠程收發(fā)信機104的接收機118提供附加的自動增益控制。這個接收機自動增益控制被提供來確保由在314輸出的接收的信號電平不是太大以致于接收機的放大器(示出和未示出的)不是工作在他們的線性范圍內，從而引起接收數據的失真導致比特誤碼。接收機自動增益控制例如通過監(jiān)控比特誤碼率和接收的載波信號或指示對通信鏈路106的干擾電平的另一個信號的幅度來使用對接收信號質量的測量。這些測量可以有利地是與如上面描述的要送回本地收發(fā)信機的相同的測量。
特別地，如果報告的載波信號功率與比特誤碼率測量的比小于或等于最佳門限電平(在此電平上功率電平的增加不會產生象由遠程收發(fā)信機104測量的信號質量的增加)，則在接收機中不應用附加的功率控制。如果然而，如果載波信號與比特誤碼率的比在最佳門限電平之上，那么接收機的增益被例如以步進方式衰減直到它的最大衰減電平。
進一步可以想象的是遠程接收機118可以跟蹤由本地站點廣播的一個BCCH載波的值。BCCH載波是當它被本地收發(fā)信機102發(fā)送時，具有一個預定的固定電平的連續(xù)被發(fā)送信號。由于固定的發(fā)送電平，當它在遠程收發(fā)信機104處被接收時，BCCH載波的幅度指示通信信道信號的損失。通過成反比地設置接收機的增益與接收的載波信號的幅度，當遠程收發(fā)信機在接收一個更弱的信號時，接收機的增益被增加。
如果報告的在遠程收發(fā)信機104處測量的信號質量大于最佳門限電平并且最佳的和報告的信號電平之間的差值小于或等于本地發(fā)射機132能夠加到發(fā)送中的功率降低的最大量，那么在遠程收發(fā)信機104處，在處理器114的控制之下，使用功率控制來維持由接收機增益控制304，308，312輸出的門限功率電平。
這樣，增益控制系統可以同時運用本地收發(fā)信機102和遠程收發(fā)信機104的增益控制。自動增益控制跟蹤來自本地收發(fā)信機的BCCH載波電平的值。如果報告的C與I信號測量大于最優(yōu)的信號電平，并且最佳的和報告的信號質量測量之間的差值大于一個基站能夠應用到一個下行鏈路傳輸中的功率降低的最大量，那么在接收機118處應用功率控制。在接收機中的自動增益控制(AGC)將接著跟蹤本地發(fā)射機的BCCH載波電平的值來提供在接收機中的自動增益控制。
通過在遠程接收機104處檢測從期望的本地收發(fā)信機134廣播的希望的載波信號電平來測量載波信號?？梢灶A想，希望的載波信號可以被編碼以便它是可以識別的。以此方式，遠程收發(fā)信機可以辨識和測量來自希望的源的載波信號。
干擾可從許多不同的源產生。在圖4中示意了一個蜂窩系統400。本地收發(fā)信機102位于基站內。遠程收發(fā)信機104在一個便攜無線電話中。干擾除了希望的本地收發(fā)信機外，可從來自基站402的發(fā)送中產生。在一個時分系統中，干擾可以從用于在同一頻率但在其它時隙中通信的其它便攜式蜂窩電話404-408的發(fā)送中產生。干擾也可以從工作在其它頻率的其它設備產生。
可以預想，干擾可以由比特誤碼率來測量。例如已知GSM系統使用一種已知為C與I之比的用于移動輔助越區(qū)切換的干擾測量。這個比是載波與干擾的測量之比。
用于GSM系統的GPRS數據轉發(fā)特性使得自動增益控制特別麻煩。數據的轉發(fā)是通過包交換來提供的。從本地收發(fā)信機到遠程收發(fā)信機的每個轉發(fā)數據不是使用一個專門的時隙而是使用如在圖5中表示的具有一個起動序列，數據和一個拆卸序列的包來實現。在數據包之間的時間周期的長度可被用于為工作在同一載波頻率的其它遠程設備提供服務。在這個GPRS系統中，沒有保證在任何指定時間，提供一個信號給蜂窩無線電話(由遠程收發(fā)信機104代表的)。
在圖6中示意了GPRS數據傳輸。在包之間的時間周期取決于移動應用的數據轉發(fā)要求或另一個移動者的需要由可以是幾微秒或幾小時的間隔來分隔。此外，用于每個發(fā)送的周期(標記為“D”)是不統一的，盡管用于每個包的起動和拆卸可以是基本上統一的。這使得很難及時設置本地接收機的增益來接收和解碼包的數據部分。
在圖7中，示意了對移動設備(無線電話)104，404，405的幀分配。在GPRS中，有的時候移動無線電話104，404，405需要收聽所有下行鏈路數據塊來對地址域解碼，這是一種移動設備確定數據塊是否是給它的方法。
功率控制的基本目的是降低包含本地收發(fā)信機102的基站的天線138往四周輻射的平均RF能量的量，從而降低對共享同一信道的移動設備104，404和405的共信道干擾的量。來自一組移動無線電話的透視圖的共信道干擾越低，在一個環(huán)境中一個基站可以服務的移動無線電話的數目越多，這個環(huán)境例如是一個蜂窩環(huán)境，其中在若干個共信道基站站點上使用下行鏈路功率控制。
基站下行鏈路功率電平被降低得越多，對在由其它的基站覆蓋的小區(qū)的邊緣區(qū)上的移動臺104，404，405的共信道干擾越低。根據移動臺正在如何接收基站信號(這例如如上討論的可以通過從移動臺測量的信號質量來確定)，基站降低他們到移動臺的下行鏈路功率電平。
在基站本地收發(fā)信機102和移動的遠程站104之間的通信鏈路106越長，沿路徑106的信號衰減越大。如已知的，移動遠程站104距離基站本地收發(fā)信機102越近，基站應用的功率控制越多，從而降低了傳遞給移動遠程收發(fā)信機102和其它無線電話的功率的量。
在圖8中示意了用于在某種密集環(huán)境，象一個市內的蜂窩環(huán)境中的一個移動設備的功率控制的圖形。上面的曲線代表如果基站本地收發(fā)信機102以全功率發(fā)送，由移動遠程收發(fā)信機104接收的希望的信號的電平。功率電平隨距離增加而減少。下面的曲線代表在本地收發(fā)信機102以它的最大衰減電平發(fā)送時，由移動遠程收發(fā)信機104接收的希望的信號的電平。
在圖9中示意了當基站本地收發(fā)信機102有功率控制時，由移動遠程收發(fā)信機104接收的信號。由于BCCH載波以一個恒定幅度發(fā)送，由移動臺檢測的BCCH電平會隨著移動臺移近基站而增加。在點T1之間，發(fā)送的PDCH載波與BCCH載波相同。由于接收的信號電平在門限電平上，在這點上在移動臺中不使用功率控制，其中，信號電平的下降導致C與I之比下降到一個不能接受的電平。C與I電平測量在干擾報告中被作為一個比特誤碼率指示和接收的載波信號電平通告給基站。
在間隔2期間，基站在PDCH上把數據通信給更接近天線138的另一個移動設備404。在間隔3中，本地收發(fā)信機102的發(fā)射機132對發(fā)送給移動遠程收發(fā)信機104的PDCH進行衰減，原因是C與I之比能承受一個更低的發(fā)送電平而不會影響數據解碼。發(fā)射機于是使用可變增益控制202來降低PPCH功率電平以便接收的信號處于一個可接受的質量電平。在間隔4期間，基站發(fā)送給移動無線電話404。在隨后的間隔5期間，基站以附加的衰減發(fā)送給移動遠程收發(fā)信機104。
提供了一種附加的算法來顯著改進系統的性能。附加的算法是在移動遠程收發(fā)信機104的接收機118中執(zhí)行的AGC。接收機118使用用來設置本地站發(fā)射機132的增益的載波與干擾比來周期地設置接收機增益，這有助于確保接收機的放大器工作在它的傳輸曲線的線性區(qū)。這依次確保對送給移動遠程收發(fā)信機104的被解調數據的正確解碼。
例如，GSM GPRS規(guī)范需要無線電話104，404，405重復地進行信號測量并把這個信息通知給基站。特別地，可以預想，如果由移動臺報告給基站的載波信號與比特誤碼率的比值足以支持這樣的功率控制，基站將相對于BCCH載波功率降低在PCDH上的下行鏈路載波功率。此外，可以預想，如果由移動臺報告給基站的被接收的BCCH載波電平在某一門限以上，在該載波電平，降低發(fā)送功率仍能使移動臺處的信號被正確地解碼。
在接收機上的功率控制現在將描述如下C是BCCH載波的測量；I是干擾測量最好是接收的數據的比特誤碼率；
Vb是被接收的BCCH載波的值；Co是最佳的C與I之比的值；Cr是遠程收發(fā)信機報告的實際測量的C與I之比；Rm是本地收發(fā)信機可以應用的下行鏈路功率降低的最大允許值(例如，在發(fā)射機132中的30dB)；Copt指示報告的C與I之比是最佳的；Cm指示C與I之比是最大的(超過此點，增加被接收的信號功率不會導致可獲得的利益)；P是由本地收發(fā)信機102應用的功率控制的電平；并且Pm指示功率控制被應用在最大允許電平(Vb-Rm)。
功率控制按如下進行如果Cr小于Co，那么C比I不是最佳的并且在接收機118處不應用功率控制，而且AGC跟蹤與本地收發(fā)信機102相關聯的BCCH載波電平的值。
如果Cr大于Co，并且Cr-Co小于Rm，那么在遠程收發(fā)信機的接收機118處應用功率控制來維持Co以便在接收機中的AGC跟蹤值Vb-(Cr-Co)。
如果Cr大于Co，并且Cr-Co大于Rm，在接收機中以最大允許程度應用功率控制，以便AGC功能跟蹤服務的小區(qū)的BCCH載波電平減去在接收機中功率控制的最大允許的功率電平。
隨著移動臺隨時間前進穿過圖10的底部接近基站，BCCH載波電平增加。直到由報告的C與I之比和BCCH載波電平之間的比值確定的信號質量足以確保在下行鏈路PDCH上的功率控制，PDCH和BCCH載波電平是相等的(在區(qū)域1中)。PDCH的功率電平在發(fā)射機到移動臺中被降低以維持具有最小發(fā)送功率電平的最佳的C與I之比，這樣減少了干擾并增加了小區(qū)的占有率。
一旦移動臺如此接近基站發(fā)送天線，以致已達到功率控制的最大范圍，PDCH載波電平將等于BCCH載波電平減去30dB(由區(qū)域3代表)。在系統工作的這點上，接收機的信號電平會引起接收機工作在非線性區(qū)。就是在這個點上，接收機自動增益控制在接收機中提供了附加衰減來去除這個失真。
進一步可以預想，在與本地收發(fā)信機104相關聯的基站中提供了信道的動態(tài)分配以便具有一個共同距離(信號路徑損耗)的移動臺在一個共同的信道上。這樣移動臺將根據他們距離天線138的距離放置在一個信道上。特別地，在基站的小區(qū)中的移動臺會被分配給小區(qū)的各個分區(qū)。在相同分區(qū)內并且因此而有類似距離的所有移動臺被放置在一個共同的信道上。這允許對系統性能的額外的改進。
特別地，服務于許多個遠程設備104，404，405的基站本地收發(fā)信機可以以共同距離對無線電話分組為共同的分區(qū)。圖10示意了分區(qū)1，2，3和4?？梢苑峙涞谝恍诺澜o共享分區(qū)1的那些移動臺。提供給發(fā)送到分區(qū)1中的無線電話的包的功率控制于是可以在相同電平。這使得基站可以以一個相同的基站衰減給在它的分區(qū)中的所有移動臺提供一個信號，降低了用于發(fā)送到不同的移動臺所需的改變量和允許分區(qū)以更好的性能為更多的移動臺服務并提供了降低的共信道干擾。
相應地，可以看出，公布了一個改進的增益控制系統。在例如蜂窩系統的系統中，包傳輸的增益控制是很困難的。對這樣的系統，本發(fā)明提供了顯著的改進。
權利要求
1.接收機的自動增益控制，包含具有一個控制輸入并響應控制信號用于調整接收機的輸出電平的可變增益接收機；和一個連到可變增益接收機的控制器，控制器監(jiān)控被接收的信號的質量和被接收的信號的功率電平，控制器產生一個作為信號質量和功率電平的函數的用于控制可變增益接收機的增益的控制信號，控制器以被接收的信號的功率電平的函數來控制增益并選擇性地以信號質量的函數來控制增益。
2.如權利要求1中定義的接收機自動增益控制，其中當信號質量測量超過一個預定的門限時，控制器以信號質量測量的函數來控制可變增益接收機。
3.如權利要求2中定義的接收機自動增益控制，其中信號質量測量是作為信號干擾的函數來產生的。
4.如權利要求3中定義的接收機自動增益控制，其中信號質量的測量是被接收的信號電平和信號干擾的比的函數。
5.一種給遠程收發(fā)信機提供信道分配的方法，包含步驟確定用于許多個遠程收發(fā)信機的增益控制分區(qū)；和分配一個信道給在一個共同的增益控制分區(qū)中的那些移動臺。
全文摘要
一個接收機自動增益控制包括一個具有一個控制輸入并響應用于調整接收機的輸出電平的一個增益控制信號的可變增益接收機(304,308,312)。控制器(114)被連到可變增益接收機?？刂破鞅O(jiān)控被接收的信號的質量和被接收的信號的功率電平?？刂破鳟a生一個作為信號質量和功率電平的函數的用于控制可變增益接收機的增益的控制信號?？刂破饕员唤邮盏男盘柕墓β孰娖降暮瘮祦砜刂圃鲆娌⑦x擇性地以信號質量的函數來控制增益。
文檔編號H03G3/20GK1263384SQ00100960
公開日2000年8月16日 申請日期2000年1月12日 優(yōu)先權日1999年1月12日
發(fā)明者馬克·艾德華·皮森 申請人:摩托羅拉公司