用于无线通信系统的TDMA控制器及其操作方法

摘要

一种时分多址(TDMA)控制器及其操作方法，所述控制器包括帧位置模块，用于生成帧位置信号。所述控制器还包括：信号模块，其生成信号on信号和信号off信号；以及比较模块，其基于所述帧位置信号、所述信号on信号和所述信号off信号来生成定时控制信号。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请是2006年10月12日递交的美国申请No.11/546,671的继续申请，上述美国申请No.11/546,671要求2006年1月30日递交的美国临时申请No.60/766,591的优先权。上述申请的公开内容通过引用被整体上结合于此。

技术领域

本发明涉及通信系统，更具体而言，涉及在无线系统中使用时分多址(TDMA)进行通信的通信系统和方法。

背景技术

这里提供的“背景技术”的描述出于一般地给出本发明的上下文的目的。就“背景技术”部分所描述的程度而言，本申请的发明人的工作以及在递交时可能尚未限定为现有技术的各方面描述既不明示也不暗示承认为针对本申请的现有技术。

诸如蜂窝系统和无线系统之类的通信系统允许用户在用户之间和/或在用户和蜂窝台站之间无线地发送和接收数据。通常，蜂窝和无线系统必须在特定频率上并在特定功率电平之下工作。在这些限制之内，蜂窝和无线系统尝试使针对单独用户的数据传输最大化，同时适应共享该蜂窝或无线系统的所有其他用户的需求。因此，每个无线设备必须明智地使用分配的带宽来使数据传输最大化。这些系统的设计者还可能受限于对低成本设备的市场需求以及不断发生的操作成本。

已经开发出多种方法用于在使得蜂窝和无线用户之间的干扰最小化的同时使分配的带宽的使用最大化。例如，一种方法包括利用时分多址(TDMA)来分配可用带宽。TDMA是一种数字信号传输方案，其允许多个用户访问单个射频(RF)信道。信道之间的干扰通过在每个信道内向每个用户分配特有的时隙而得以避免。其他方法包括扩展频谱技术，所述扩展频谱技术将发送信号扩频或分割到多个不同的频率上并且在接收机处重组信号。扩展频谱方法通常更复杂，并且可能增大无线设备的成本和整体操作成本。

各种不同类型的通信系统采用TDMA。例如，蜂窝系统经常使用TDMA。一种使用TDMA的蜂窝系统是个人手持电话系统(PHS)，该系统是工作在1.88-1.93GHz频带内的移动电话系统。PHS已经由于市场上对于低成本蜂窝电话和操作成本的强烈需求而逐渐流行起来，PHS是一种无线电话系统，其具有将信号从一个小区越区切换到另一小区的能力。PHS小区比使用全球移动通信系统(GSM)的蜂窝电话系统的小区要小。

通常，PHS具有500mW的传输功率以及10-100米的范围。PHS在具有大呼叫流量的区域(例如商业区、市区等等)中以最小拥塞提供服务。这是通过以每隔100-200米的径向距离安装小区台站来实现的。因此，PHS尤其适用于城市区域。

基于PHS的电话可以在家中、办公室和户外使用。PHS相对于使用地面线路的传统电话系统提供了一种划算的替代方案。另外，基于PHS的电话可以与传统的电话系统接口连接。因此，在传统电话系统的地面线路无法达到订户的物理位置时，订户可以使用PHS达到传统电话系统并与传统电话系统服务的其他订户建立通信。

PHS使用时分多址(TDMA)作为无线电接口并使用自适应差分脉冲编码调制(ADPCM)作为语音编解码器(codec)。编解码器包括模数转换器(ADC)和数模转换器(DAC)，用来在模拟和数字格式之间翻译信号。TDMA是一种数字信号传输方案，其允许多个用户访问单个射频(RF)信道。信道之间的干扰通过在每个信道内向每个用户分配特有的时隙而得以避免。例如，一个PHS帧包括四个信道：一个控制信道和三个流量信道。

不同于直接量化语音信号的PCM编解码器，ADPCM编解码器量化语音信号和由语音信号构成的预测(prediction)之间的差值。如果预测是准确的，实际和预测语音之间的差值则可能具有比实际语音中的方差更低的方差。另外，与量化实际语音所需的比特数目相比，差值可以用更少的比特被准确地量化。在解码时，经量化的差值信号被添加到预测信号以重建原始语音信号。编解码器的性能通过使用自适应预测和量化而被辅助，从而使得预测器和差值量化器能够适应被编码的语音特性的改变。

现在参考图1，PHS电话系统包括具有天线12的PHS电话10和具有天线13的小区台站11。示例性的PHS电话10包括信号处理模块16、存储器22、电源24和I/O模块26，其中信号处理模块16包括发送模块18和接收模块20。I/O模块26可以包括各种用户接口，例如麦克风26-1、扬声器26-2、显示器26-3、键盘26-4、照相机26-5等等。

发送模块18将来自麦克风26-1的用户输入转换成PHS兼容的信号。接收模块20将接收自天线12的数据转换成用户可识别的格式并经由扬声器26-2输出。信号处理模块16使用存储器22来处理发送到和接收自天线12的数据。电源24向电话10提供电力。

数字数据通常用比特表示。数据一般是通过利用基带信息承载信号调制载波信号的幅度、频率或相位来传送的。正交相移键控(QPSK)是在通信系统中常用的一种相位调制形式。在QPSK中，信息比特被成对组合，称之为双比特(dibit)。因此，QPSK使用四种符号，这四种符号代表双比特值00、01、10和11。QPSK将这四种符号映射到四个固定的相位角。例如，符号00可被映射到(+3π/4)。另一方面，π/4-DQPSK使用差分编码，其中符号和相位角之间的映射有所不同。另外，π/4-DQPSK将四种符号中的每一个映射到一个实相位角和一个虚相位角，从而产生一个八点星座图。

现在参考图2A-2B，发送模块18包括ADPCM模块50、成帧器模块52、串并转换模块54、DQPSK映射模块56、平方根升余弦(SRRC)滤波器模块58和上采样模块60。接收模块20包括下采样模块70、自动增益控制(AGC)模块72、包括载波获取模块74和均衡模块76的解调器75、解映射器和并串转换器模块78、解帧器模块80和ADPCM模块82。

当在信道上从电话10发送数据时，ADPCM模块50将音频和/或视频信号转换成数字数据的比特。成帧器模块52将数字数据分成帧。串并转换模块54将帧中的比特转换成符号。DQPSK映射模块56将每一帧中的四个符号的四个实数值和四个虚数值映射到总共八个相位角并生成一个复数的基带信号，其中所述DQPSK映射模块56可以利用诸如π/4-DQPSK之类的调制方案。

SRRC滤波器模块58本质上是一种Nyquist脉冲整形滤波器，其限制信号的带宽。另外，SRRC滤波器模块58从复数基带信号中删除混频乘积。上采样模块60包括正交载波振荡器，其被用于将经相位调制的基带信号转换成经相位调制的载波信号。上采样模块60以大于Nyquist频率两倍的采样频率在信道上发送经相位调制的载波信号。

当电话10接收到来自天线12的信号时，下采样模块70利用异步振荡器对信号进行下采样。下采样模块70将信号从经相位调制的载波信号向下转换成经相位调制的基带信号。AGC模块72使得信号的增益不管输入信号强度由于传输损耗、噪声、干扰等如何变化都保持相对恒定。

载波获取模块74对信号解调，获取载波相位信息并从信号中解码出符号值。均衡模块76校正信号中出现的任意失真。解映射器和并串转换器模块78解映射解调后的信号并将其转换成串行比特流。解帧器模块80将帧解分割成数字数据比特。ADPCM模块82将数字数据比特转换成音频和/或视频数据并将数据输出到电话10的扬声器26-2和/或显示器26-3。

诸如个人手持电话系统(PHS)之类的遗留通信系统被配置得简单而且低成本。在PHS TDMA系统中，由于不精确的定时问题，控制电路允许每隔一个时隙被用于通信过程。利用改进技术更新PHS系统可以大大提高性能。

发明内容

在本发明的一个方面中，时分多址(TDMA)控制器包括帧位置模块，用于生成帧位置信号。所述控制器还包括：信号模块，其生成信号on信号和信号off信号；以及比较模块，其基于所述帧位置信号、所述信号on信号和所述信号off信号来生成定时控制信号。

在该通信系统的另一方面，所述帧位置模块包括基本计数器，并且所述帧位置信号包括多个计数器信号。这多个计数器信号可以包括时隙内计数器信号、时隙计数器信号、帧计数器信号和多帧计数器信号。

在另一方面中，个人台站可以包括上述通信系统，以及基于定时控制信号来选择通信时隙的收发器。所述收发器基于定时控制信号选择相邻的通信时隙。

在另一方面中，个人手持电话系统可以包括上述个人台站。

在另一方面中，时分多址系统可以包括上述通信系统。

在另一方面中，通信系统可以包括：信号on寄存器，其有选择地生成信号on信号；以及信号off寄存器，其有选择地生成信号off信号。

在所述通信系统的另一方面中，所述比较模块通过将帧位置信号与信号on信号和信号off信号相比较来生成定时控制信号。

在所述通信系统的另一方面中，当帧位置信号达到信号on信号时，定时控制信号被导向on电平，当帧位置信号达到信号off信号时，定时控制信号被导向off电平。

在本发明的另一方面中，一种操作通信系统的方法包括：生成帧位置信号；生成信号on信号和信号off信号；以及基于所述帧位置信号、所述信号on信号和所述信号off信号来生成定时控制信号。

在该方法的一个方面中，生成帧位置信号包括生成时隙内计数器信号、时隙计数器信号、帧计数器信号和多帧计数器信号。

在另一方面中，该方法包括基于定时控制信号来选择通信时隙或相邻的通信时隙。生成定时控制信号可以包括通过将帧位置信号与信号on信号和信号off信号相比较来生成定时控制信号。

在另一方面中，所述方法可以包括当帧位置信号达到信号on信号时，将定时控制信号导向on电平，并且当帧位置信号达到信号off信号时，将定时控制信号导向off电平。

在本发明的另一方面中，一种通信系统包括：帧位置装置，用于生成帧位置信号；信号装置，用于生成信号on信号和信号off信号；以及比较装置，用于基于所述帧位置信号、所述信号on信号和所述信号off信号来生成定时控制信号。

在另一方面中，所述帧位置装置包括基本计数器装置，并且所述帧位置信号包括多个计数器信号。

在又一方面中，所述多个计数器信号包括时隙内计数器信号、时隙计数器信号、帧计数器信号和多帧计数器信号。

在又一方面中，一种个人台站可以包括上述通信系统，以及用于基于所述定时控制信号来选择通信时隙的收发器装置。所述收发器装置可以包括用于基于所述定时控制信号选择相邻的通信时隙的装置。

在又一方面中，一种个人手持电话系统可以包括上述个人台站。

在又一方面中，一种时分多址系统可以包括上述通信系统。

在另一方面中，所述信号装置包括：信号on装置，用于有选择地生成所述信号on信号；以及信号off装置，用于有选择地生成所述信号off信号。

在所述通信系统的另一方面中，所述比较装置包括用于通过将帧位置信号与信号on信号和信号off信号相比较来生成定时控制信号的装置。

在所述通信系统的另一方面中，还包括控制装置，用于当帧位置信号达到信号on信号时，将定时控制信号导向on电平，并且当帧位置信号达到信号off信号时，将定时控制信号导向off电平。

在本发明的另一方面中，一种用于操作通信系统的存储在有形计算机介质上的计算机程序包括如下步骤：生成帧位置信号；生成信号on信号和信号off信号；以及基于所述帧位置信号、所述信号on信号和所述信号off信号来生成定时控制信号。

在计算机程序的另一方面中，生成帧位置信号的步骤包括生成多个计数器信号的步骤、生成时隙内计数器信号的步骤、生成时隙计数器信号的步骤、生成帧计数器信号的步骤和生成多帧计数器信号的步骤。

在另一方面中，计算机程序包括基于定时控制信号选择通信时隙或基于定时控制信号选择相邻的通信时隙的步骤。

在另一方面中，生成定时控制信号的步骤包括通过将帧位置信号与信号on信号和信号off信号相比较来生成定时控制信号。

在另一方面中，所述计算机程序包括当帧位置信号达到信号on信号时，将定时控制信号导向on电平，并且当帧位置信号达到信号off信号时，将定时控制信号导向off电平的步骤。

从下文提供的详细描述中，本发明的其他应用领域将变得显而易见。应该理解，以下详细描述和特定示例虽然指示出本发明的优选实施例，但是仅仅希望其出于举例说明的目的，而不希望限制本发明的范围。

附图说明

从以下详细描述和附图中，可以更全面地理解本发明，其中：

图1是根据现有技术的示例性个人手持电话系统(PHS)电话的功能框图；

图2A是根据现有技术在图1的PHS电话中使用的示例性发射机的功能框图；

图2B是根据现有技术在图1的PHS电话中使用的示例性接收机的功能框图；

图3是本发明中采用的元件的框图；

图4是图3中的TDMA引擎的框图；

图5是图4中的基本计数器的框图；

图6是图4中的基本定时生成模块的框图；

图7是示出用于同步基站和个人台站之间的定时的方法的流程图；以及

图8是根据本示例的TDMA系统的时序图。

具体实施方式

以下描述本质上仅仅是示例性的，并且决不希望限制本发明、其应用或用途。为了清晰起见，附图中使用的相同标号标识类似元件。这里所使用的术语模块、电路和/或设备指的是执行一个或多个软件或固件程序的专用集成电路(ASIC)、电子电路、处理器(共享的、专用的或群组的)和存储器、组合逻辑电路和/或提供所述功能的其他合适的组件。这里所使用的短语“A、B和C中的至少一个”应该被理解为逻辑(A或B或C)，其中使用非排他性的逻辑“或”(or)。应该理解，方法中的步骤可以按不同顺序执行而不会改变本发明的原理。

本发明可应用于通信系统。例如，本发明可应用于无线通信系统。本发明还可应用于时分多址(TDMA)系统。在以下描述中，本发明论述个人手持电话系统(PHS)。下面针对用于PHS通信系统和标准(2G遗留移动系统)的示例性实施例来描述本发明。但是，本发明并不局限于PHS系统。

现在参考图3，个人台站(PS)100的接收数据路径的一部分的框图被示出。个人台站100包括与功率放大器104和低噪声放大器106通信的控制模块102。功率放大器104与天线108通信。功率放大器104对将由个人台站100发送的信号进行放大。在接收模式中，受控于控制模块102(随后将描述)的开关110有选择地关闭低噪声放大器106和天线108之间的电路，从而使得信号可以被接收。虽然功率放大器104、低噪声放大器106和开关110被示为在控制模块102外部，但是控制模块102可以包括这些组件。

控制模块102包括数字基带处理模块120，该数字基带处理模块120包括数字信号处理器122。数字基带处理模块120与时分多址(TDMA)引擎模块124通信。TDMA引擎模块124与收发器126和任意模拟前端模块(AFE)128通信。模拟前端模块128与数字基带处理模块120通信。收发器126向模拟前端模块128发送和从模拟前端模块128接收I和Q数据信号。

收发器126分别通过功率放大器104和低噪声放大器106接收和发送通信信号。滤波器132可被用于过滤去往功率放大器104的信号和过滤接收自低噪声放大器106的信号。时钟电路134与TDMA引擎模块124和收发器126通信。如下所述，收发器126可以包括锁相环模块136和压控振荡器电路138。

在2006年5月30日递交的题为“Method and System for EqualizingReceived Signals in a Communications System”的共同未决美国申请No.11/442,838中公开了一种可以将本发明作为元件并入的采用了带有自适应均衡的相干解调的接收机系统的示例性实施例，该美国申请的公开内容通过引用被完整地结合于此。

现在参考图4，TDMA引擎模块124的框图被进一步详细示出。TDMA引擎模块124包括具有基本计数器146的帧位置模块145，以及存储传入控制信号和传出控制信号149的使能控制寄存器148。控制信号生成模块132响应于基本计数器146、与其相关联的定时和使能控制寄存器148中的控制信号来生成控制信号149。

帧位置模块145生成参考帧中的定时位置。帧位置模块145生成相对参考帧信号。参考帧可以在基本计数器146中确定。更具体而言，帧位置模块145的基本计数器146是一种时标，其根据发送和接收的信号的数据结构进行计数。这包括针对通信信号中的时隙内计数、时隙计数、帧计数和多帧计数。虽然本示例是针对个人手持电话系统来提出的，但是该方法可应用到其他类型的通信系统。

控制信号生成模块132包括基本定时生成模块140和DSP输入142。响应于DSP输入142和基本计数器146所提供的计数，控制信号149根据在基本定时生成模块140中生成的定时控制信号被生成。

使能控制寄存器148从(图3中的)控制模块102中的各个元件和模块接收输入。使能控制寄存器148包括基本计数器调整控制信号150、收发器(Tx/Rx)模拟前端使能控制寄存器152、收发器硬件加速器使能控制寄存器154、功率放大器使能控制寄存器156、锁相环使能控制寄存器158、收发器RF使能控制寄存器160、压控振荡器使能控制寄存器162和发送温度补偿(TCXO)使能控制寄存器164。

控制信号149包括收发器模拟前端控制模块信号174、收发器硬件加速器模块控制信号176、功能放大器控制信号178、锁相环控制信号180、收发器RF模块控制信号182、压控振荡器控制信号184和温度补偿控制信号(TCXO)186。

图3的收发器126接收收发器AFE和硬件加速器信号174、176。功率放大器控制信号178被传输到图3的功率放大器104。锁相环控制信号180被传输到图3的锁相环136。收发器RF模块控制信号182被传输到收发器126。压控振荡器控制信号184被传输到图3的压控振荡器138。温度补偿信号TCXO被耦合到时钟134，以用于时钟信号的温度调整。

现在参考图5，基本计数器146被耦合到时钟电路134。本示例中的时钟电路134是576k时钟。本领域技术人员将意识到，其他时钟速度可被使用。

基本计数器146包括时隙内计数器200、时隙计数器202、帧计数器204和多帧计数器206。计数器200-206被组织成从低到高的四级。时隙内计数器200具有九个比特以及625us的周期。时隙内计数器200提供指示时隙内的时间的时间计数。时隙内计数器200的九比特长度从0到359计数，然后循环返回。应该注意，在本示例中，每个时隙中提供120个符号。通过三倍过采样，时隙内计数器200提供360个样本。

时隙计数器202是一个三比特计数器，其对时隙数目进行计数。当时隙内计数器200经过其最大计数时，时隙计数器202递增。时隙计数器202具有预定周期，例如5ms。由于时隙计数器202是三比特的，因此该时隙计数器从0到7计数。

帧计数器204包括五比特并且对应于100毫秒的周期。当时隙计数器202增大超过其最大计数时，帧计数器204递增。

多帧计数器206包括四比特并且对应于1.2秒周期。当帧计数器204增大到其最大计数时，多帧计数器206递增。

基本计数器146可以接收基本计数器调整控制信号150。图4的基本计数器调整控制信号150被用于与PHS系统的基站同步。同步偏置(synchronization bias)优选地在少于2微妙内被执行。基本计数器调整控制信号150允许计数器200-206被调整以提供适当的通信并且将个人台站的时隙与特定基站对准。

现在参考图6，图4的基本定时生成模块140被更详细示出。来自图5中的多个计数器200-206的计数器信号被作为输入提供到基本定时生成模块140，作为参考帧。到模块140的另一输入是使能控制信号244。使能控制信号244是从图4的使能控制寄存器148得到的。这些信号中的至少一个处在使能电平上，以允许基本定时生成模块140在除了off之外的任意电平上提供定时控制信号250。最终，使能控制寄存器148受控于图3的数字信号处理器(DSP)122。

控制信号发生器245包括信号on寄存器246和信号off寄存器248，这两个寄存器分别存储用于控制系统中的某些事件的信号on值信号和信号off值信号。信号on寄存器246和信号off寄存器248中的值根据系统需求而受控于图3的DSP122。

比较逻辑242从图3的数字信号处理器122接收使能控制信号244以允许进行比较。比较逻辑242将基本计数器146中的计数器200-206的帧位置输出与信号on寄存器246和信号off寄存器248中的信号值相比较。当来自基本计数器146中的计数器200-206的值匹配或达到信号on寄存器值时，定时控制信号被置于on电平上。当来自基本计数器146中的计数器200-206的值匹配或达到信号off寄存器值时，定时控制信号被置于off电平上。

一旦个人台站已经与基站同步，信号on寄存器和信号off寄存器就被配置为获取所需定时并生成所需的定时控制信号250。由于信号中的精确定时是已知的，因此可以相对于时间精确地控制定时控制信号，以提高系统性能。定时控制信号250被图4的控制信号生成模块132用于生成各个模块中的相应控制信号。例如，收发器AFE使能控制寄存器152被用于配置收发器模块控制信号174的生成，以利用所需时隙通信。

控制信号生成模块132根据相关的控制寄存器150-164生成所有模块控制信号149。在美国申请No.11/442,838中提出一种合适控制的示例，该美国申请已在上文中通过引用并入。该申请描述了当载波恢复已经完成并且来自信号的数据正被解调时，通过设置控制寄存器152中的比特来旁路掉载波恢复模块。

现在参考图7，调整PHS系统的基站和个人台站之间的定时的方法被示出。在步骤300中，在个人台站处获取来自基站的定时信息。在步骤302中，基本计数器146中的计数器200-206在个人台站中被调整，以与基站同步。在步骤304中，信号on和信号off寄存器被配置以获取所需定时。在步骤306中，信号on寄存器和信号off寄存器被与基本计数器值相比较。当基本计数器中的计数器200-206的值与信号on寄存器相匹配时，定时控制信号被移动到on电平。当基本计数器计数与信号off寄存器值匹配时，定时控制信号被移动到off电平。由于基本计数器具有很高精度，因此定时控制信号被精确地控制。这允许系统中的数据速率增大。

现在参考图8，示出四个发送时隙的示例性实施例被提出。时隙被标记为0-3并且相应的信号被标记为320、322、324和326。信号320对应于时隙0，信号322对应于时隙1，信号324对应于时隙2，并且信号326对应于时隙3。鉴于基本计数器提供的精确知识，图6的两个寄存器246和248可以被用于精确地控制系统的on和off时间。

在前述系统中，只有不相邻时隙中的信号(例如信号320和324)被使用。这允许系统对定时精确性的缺乏进行补偿。由于基本计数器146允许更精确地确定定时和关联的时隙和帧，因此信号可被用在每个时隙中。就是说，相邻时隙可被使用。在当前示例中，可以在个人手持电话系统中提供每秒128千比特。这是现有系统中的每秒64千比特的两倍。

本领域技术人员现在可以从前面的描述中意识到，本发明的广泛教导可以用多种形式来实现。因此，虽然本发明包括了特定示例，但是本发明的真实范围不应该局限于此，因为在本领域技术人员研读了附图、说明书和所附权利要求书之后可以发现其他修改。