自配置多模式通信终端 本发明一般涉及蜂窝电话通信的改进。更具体地讲，是涉及一种适应于其环境的通信终端，而不必要包含多个与其不同格式和协议相联系的不同标准的物理传输设施。响应于所检测的指示有待使用的协议和格式的接收信号的特性的一种单一的硬件实现利用软件算法和数字处理自动地重新改变程序。
无线通信的各种不兼容标准的激增，迫使许多用户购买和租用多个每个仅能按照一种特定标准工作的终端。使用特定标准终端的问题对于国际移动通信用户来说是特别困难的，这些用户在不同地时间会遇到不同的系统。不知道在什么地方是比在蜂窝电话区域中有更为严重的问题，其中在世界的各个不同部分和甚至在各个不同的国家中，高级移动电话业务(AMPS)、次高级移动电话业务(NAMPS)、时分复用连接(TDMA)、全球移动通信系统(GSM)、码分多址连接(CDMA)和其他各种系统以不同的成功程度进行着竞争。
在蜂窝电话区域中某些系统具有对与早期系统反向兼容性的要求，使得新标准的移动终端必须也能够工作在使用较老标准的系统中。这种“双模式”能力明显地描述在对于TDMA/AMPS移动通信系统的IS-136规范中。在过去双模式的工作要求比实现任何一种标准需要更多的硬件。本发明描述了一种方法，使得多种工作模式可能利用少量硬件的或者不增加硬件来实现，和该方法使得工作模式自动地适应所接收信号的标准。
在过去已经建议过双模式或多模式电话或无线电设备的操作。例如，授予Durtler等人的美国专利No.5438682可以根据蜂窝电话用户的位置在模拟模式与TDMA模式之间变化。但是，这种方法涉及蜂窝电话的容量并且专用硬件需要用于不同系统的不同标准。
还有授予Dent的美国专利No.5535432的工作在陆基蜂窝的蜂窝电话与在轨卫星系统之间转换的和涉及可以提供对于不同系统带宽的宽和窄的信道间隔的频率合成器的系统，该系统是能在各个系统之间进行转换的双模式蜂窝电话。但是，Dent的专利不适合于不同的标准，除非各种标准的参数已被存储在蜂窝电话中了。此外，Dent的专利还要依靠实施两个天线和专用的硬件。
无需不同标准的每种格式和协议的专用硬件，便可以自动地转换不同标准的模式的蜂窝电话系统将会克服上述各个专利的不足。
因此，本发明一个目的是允许一个终端能符合若干不同标准地进行操作，而不必须含有多个标准的专用硬件。
本发明的另一个目的是通过符合当前的和未来的的操作标准的范围，而又不必在任何时间中含有实现所有这些标准的软件，从而降低了终端的成本。
本发明还有一个目的是允许该终端自身自动地适应其所被利用的网络或链路的操作特性。
在主要的通信网中，存在着在一个方向上的信号的协议和在另外一个方向上信号的协议之间的直接对应关系。在大多数情况下，如果从信号特性可以确定接收的信号的标准管理协议的话，则用于呼叫建立和拆除和其他监视和控制功能也可以被推演出来。仅仅在接收终端中需要少量的核心功能软件就能识别出该标准。
本发明采取这种核心功能的有限范围，加上利用基于数字处理的设计可能作出信号的智能处理和分析，利用少量的硬件和软件来实现标准的识别。一旦标准被识别，则所有要求的终端功能和操作参数都可以知道和可以实现适当的可执行码。由于多数功能是由软件或者软件组成的硬件实现的，则终端可以自行配置来在这种模式些进行操作，而无须按硬件实现的各种终端类型的大量增加，和也无须用户介入。
软件实现的功能的大量使用减少了在终端中所须的物理部件的数量和使可能增强通信链路的性能和可靠性。核心功能软件还使得其可能“下载”用于各种当前的和未来的标准的适当可执行码，而不要求在终端中的物理改变。这种特点可以被用于限制在数字处理电路的非易失存储器中本机所带有的软件码的数量。软件实现配置终端可以到这样一种程度，即它可以发送对适合的标准的下载请求，和对于非本地带有的适当的可执行码接收下载。这种特点在许多通信链路协议的系统中都是可用的是一个显著的优点，但需要具有一种固定的公知格式和协议的控制信道。
图1是一种通信终端系统的概括图。
图2是一种优选的通信终端系统的射频部分的例子。
图3是一种优选的通信终端系统的射频接口。
对于本专业的技术人员来说通过下面的优选实施例的描述和各个附图其他各个目的、特点和优点将是显而易见的。
参照图1，表示出本发明的概括框图。图1表示一个通信终端系统中的不同的部件。在图中，通信终端表示为包括6个主要功能：天线100、射频(RF)部分101(见图2的实施例)、射频接口102(见图3的实施例)、数字处理部分103、用户接口104和电源部分105。
该终端通过经由天线100分别进行辐射和进行接收，发射已调制射频载波和接收已调制射频载波与其他各终端和各通信节点进行通信。RF部分101处理载波信号的发射和接收。RF部分101产生被发射的载波和下变频和滤波所接收的载波为中频(IF)信号106。被发射的载波的调制是由调制信号107控制的，而载波的频率和功率是由RF控制总线108设置的。RF控制总线108还控制接收机的定时和在接收通路中的增益。
射频接口102含有多个模拟到数字(“A/D”)、数字到模拟(“D/A”)变换器和数字控制寄存器。IF信号106被这些A/D变换器之一数字化以便进一步被数字滤波和解调。数字化的信号经数字接口总线109被提供到数字处理部分103。基于来自数字处理部分103的数字输入利用D/A变换器产生在RF控制总线108上的调制信号107和模拟信号。射频接口102中的数字控制寄存器提供附加的用于RF控制总线108的数字控制信号，而来自RF部分101的模拟监视信号被在射频接口102中的附加的A/D变换器变换成数字值。因此，射频接口102用作RF部分101的基本上模拟电路与数字处理部分103的数字处理和控制功能之间的一种信号格式变换接口。射频接口102容易地按照一个单个芯片来实现，且甚至可以集成为包含数字处理部分103和用户接口104的主要部分的一个较大的芯片。
发射和接收信号的大多数标准专门处理都发生在数字处理部分103中。这种处理完全是数字的和经由软件算法执行的。因此很容易修改操作模式和操作参数。这种修改必须简单地选择用于数字处理功能的不同的可执行码。如果可以识别接收信号的格式和对应的所选择的可执行码，则可以很容易地适应各种符号速率、数据格式和调制类型。在许多系统中，如果接收的协议可以被识别，则也可以识别正确的发送协议。数字处理电路通过比较所接收的信号特性与存储在非易失性存储器中的至少一组信号特性来识别接收信号的标准。在另外一些实施例中，终端可能必须选择码，以便正确地滤波、解调和全面解码所接收的信号，从而获得关于正确发射载波频率、协议和带宽的信息。在任何一种情况下，在接收处理中仅需要少量的公共核心功能，就能识别接收载波的通信标准。
用户接口104至少含有下列部件，和可以的附加的一些项目：键盘(或电键盘)、字母数字(或CRT)显示器、LED、扬声器、麦克风、音调传感器。用户接口104还含有接口这些部件到数字处理部分103的电子电路。用户接口104一般包括A/D和D/A变换器、增益控制放大器、LED驱动器和显示器驱动器。在本发明的示例实施例中，用户接口104是蜂窝移动通信的手机，用户接口104含有所有这些部件。
电源部分105含有可能是一个电池的功率电源。它还包含一个或多个DC到DC的变换器，产生规定的等于额定功率电源的电压和/或高于或者低于这个电压的电压。此外，包括一些电子开关，以响应来自用户接口104或者数字处理部分103的输入接通和关断各种输出电压。电源部分105输出提供电压到图1的方框部分101到104。
参照图2，图中表示出图1的RF部分101的示例性实施例。这个实施例表示一种工作在1900MHz频段(工作在1900MHz的IS-137ATDMA和PCS-1900)的双模式蜂窝移动电话手机。虽然没有表示出对于AMPS/TDMA的800/1900MHz双频段功能的双模式特点，但通过增加适当的硬件到RF部分101中，如果加入相应的软件或下载的话，则该设备可以很好地工作在AMPS模式下。
在图2中，到达和来自天线的RF信号被表示为200。在这个导线上的RF能量由双工器201进行频段分割。在1930MHz到1990MHz范围的频率具有从导线200到导线220的路径，而在1850MHz到1910MHz范围的频率具有从导线239到导线200的路径。在导线200上的接收信号在被施加到接收机带通滤波器(BPF)203前由低噪声放大器(LNA)202进行放大。
在该示例性实施例中，BPF203具有1960MHz的中心频率和+/-32MHz的带宽，它允许在标准137A和PCS-1900中分配给移动通信接收的频率通过该滤波器，但阻止双工器的输入端从导线239漏泄到在输出端的导线220的发射载波的任何残余通过。BPF203的输出经导线222传送到混频器204。到混频器204的第二输入通过导线227并由主合成器208产生的载波信号组成。如果BPF205具有67.71MHz的中心频率，则在导线227上的信号具有在1997.75MHz到2057.75Mhz范围的频率。
混频器204的输出含有等于其两个输入频率的和与差的频段的信号。差频段覆盖67.71MHz，该频段位于BPF205选择的这个频段中的一段，中心在67.71MHz。因为在导线227上的频率可以进行变化，在移动通信接收频段中的任何信道都可能出现在该滤波器的中心频率。
BPF205具有180KHz的带宽，刚好足够通过PSC-1900的一个信道，但大大都宽于IS-137A TDMA所要求的信道。对于IS-137ATDMA方式，高于所期望信道62dB的干扰信号在离在滤波器的带宽的中心的信道60KHz处呈现。期望信道则低于干扰电平62dB。这个事实在射频接口102的描述中将会涉及到。
BPF205的输出被自动增益控制放大器(AGC)206进行放大。AGC206的增益受在导线226上的电压电平控制。这个电压是保持在导线225上的峰-峰摆幅大体上恒定的的控制环的输出，该摆幅即使在导线224上的放大器输入可以有宽范围的信号振幅的情况下也保持恒定。该放大器在其整个80dB的增益控制范围的信号转移特性上保持良好的线性。导线225是从RF部分101到射频接口102的中频(IF)输出(见图1)。
在导线227上的信号是由主合成器208产生的。频率的调谐是通过经数字输入总线230的软件控制实现的。主合成器208是按10kHz步进可调谐的。在TDMA模式下，它实际上是按30kHz步进调谐的，而PCS-1900模式下是按200kHz步进调谐的。这些数据反映了在相应标准中的信道间隔。
主合成器208的调谐精度是由在导线229上的频率基准的精度决定的。这个精度在数字处理部分103中经由软件通过实现一个控制环可以做得非常高。该控制环应用在导线228上的一个精密电压，使得压控晶体振荡器(VCXO)207产生精确的输出频率。
主合成器208的输出还施加到混频器209，该混频器作为其另一个输入端具有来自频差合成器(Offset Synthesizer)210的信号。频差合成器210产生在一个频率上的信号，该频率是当由混频器209从导线227上的信号频率减去该频率时，在导线232上产生一个正好是所发射的信道的频率的输出。混频器209是按一种单边带混频器实现的，显著地减少了混频器的在频率上等于两个输入频率之和的输出分量。在示例性实施例中，频差合成器210产生具有147.75MHz频率的信号。这使得当在导线227上的信号被调谐在1997.79MHz-2057.67MHz范围时，被发射的载波落入1850.04MHz-1909.92MHz范围。对于偏移频率的147.75MHz的选择保证了没有这个信号的谐波落入1930到1990MHz的接收载波频段。对于双频段操作而言，当设备工作在800MHz频段时，频差合成器210被调谐到112.71MHz。这再次将信号的谐波置于接收RF频段之外。
频差合成器210经混频器209被用于产生发射载波。一个合成器不能用于直接产生等于高功率发射载波的频率，因为这样将容易受到在载波上的调制的“牵引”。这个问题通过利用固定的频差和混频器予以解决。
混频器209的输出经导线232馈送到I/Q调制器211。作为在其两个模拟基带输入导线233和234上的电压操作的结果，这个正交调制器可以产生在其输入导线232上的载波的调制的任何形式。取决于其基带输入的特性由I/Q调制器211产生按照137A标准，或按照PCS-1900的高斯最小频移键控(GMSK)的FM信号或正交相移键控(QPSK)信号。在射频接口102的描述期间，描述GMSK信号的产生。
I/Q调制器211的输出被馈送到电压增益放大器(VGA)212。VGA 212的增益受在导线236上的电压的控制，该电压被进行调整，以设置发射载波的功率。VGA 212的输出被馈送到BPF 213，允许1850-1910MHz的信号通过，而阻止来自调制器211的2140-2200MHz信号的残余。该残余是由于混频器209的不良单边带特性造成的。
在放大和滤波以后已调制发射载波被馈送到功率放大器214。通过去掉经导线240到该功率放大器的馈电电压，实际发射的完全关闭得以实现。当没有发射载波将被产生时，直流功率被去掉时，进一步利用降低VGA 212的增益到最小，通过功率放大器214漏信号的幅度被减至最小。当通过给予直流电源电压进行启动时，功率放大器214馈送发射载波到双工器201，在双工器择径到达导线200和天线100。由于双工器201的频带分割特性的结果，非常小的发射载波出现在导线220上。因此这种硬件能够同时发射和接收，以及时间交错地实现有效地发射/接收。
参照图3，更为详细地表示出如图1的方框图所表示的射频接口102。来自射频部分101的模拟67.71MHz的IF信号通过导线225到达A/D变换器300。这个10比特A/D变换器利用一个取样速率执行IF副取样，该取样速率在PCS-1900模式中是符号速率的8倍，在IS-137A TDMA模式中是符号速率的大约89.16倍。取样速率大约是2.1667MHz。该取样速率还接近期望信道的IF频率被31.25除。这些数目的重要性下面要进行解释。
A/D变换器300的输出是一个10比特字，经10比特并行总线320连接到数字复下变频器307。设置在导线321上的取样脉冲提供A/D变换器300的输出控制。该取样脉冲速率大约是2.1667MHz。数字信号处理电路的数字信号处理器调整取样信号的相位，以获得对于PCS-1900模式的最佳取样。在TDMA模式中，2.1667MHz取样被允许自由运行。这种机制是由数字处理部分103执行的比特定时恢复算法的一部分。
A/D变换器的取样速率是2.1667MHz，而被取样IF的频带的中心是67.71MHz。IF频带为180KHz宽。因为IF信号在远低于耐奎斯特速率下被取样，在被取样的信号中产生许多都是180MKHz宽的假频带。这些频带具有在等于IF载波频率+/-取样频率的N倍的各个频率点上的中心频率。对于N＝31的频带具有(67.71-31*2.1667)MHz，或者543.333KHz的中心频率。其他假信号具有高于1MHz的频率，和在下变换、滤波和抽样处理中，这些频率都被滤掉。
数字复下变换器307利用被4除的取样速率分别变换543.333KHz载波为基带I和Q信号322和323。被4除的取样速率是541.666KHz，该频率低于载波频率1.667KHz。因此，I和Q信号提供给具有1.667KHz载波相位旋转余量的抽选低通滤波器306，即使在由数字处理部分103进行取样定时调整的情况下。这在数字处理部分103中以后校正。I和Q信号仍然具有2.1667MHz的取样速率，和对于TDMA模式它们含有来自多个接收信道的信号。
抽选(decimating)低通滤波器306的滤波特性可以被控制，以满足不同信号标准的要求。在本发明的示例性实施例中，该抽选低通滤波器306具有两组内置的系数：一组满足PCS-1900模式的工作，和另一组满足IS-137A的TDMA模式。这些是通过检测在导线324上的除以4的取样速率自动进行选择的。在另外一些实施例中，为全数字实现的抽选低通滤波器306可以具有其按照实现各种滤波特性宽度范围的需要从数字处理部分103装入的各个参数。
在PCS-1900模式中，抽选低通滤波器306执行一个小量的滤波，实现两个抽选因子。在这种模式中，仅一个载波提供给RF部分101(见图2)中的BPF205的带宽中，该部分101执行对于PCS-1900模式的滤波的主要部分。对于I和Q的10比特字的每符号4个样值，每秒1.0833兆样值的每个都被变换为10.833Mbs的串行格式，以便数字信号处理。数字信号处理器利用其串行口帧脉冲标出字边界。
在TDMA模式中，抽选低通滤波器306执行滤波的基本量，还实现2.1667MHz主取样速率与被滤波的信道的97.2KHz取样速率的同步。滤波器以符号速率的89倍对TDMA载波每秒取样24.3千符号。这种滤波提供了对于邻近的和另外的一些信道的足够的衰减，以满足IS-137A标准的要求。被滤波的信号然后由97.2KHz的时钟信号327再取样，并具有由数字处理部分比特定时恢复算法进行控制的相位。因为97.2KHz不是2.1667MHz除以一个整数的数，所以该再次取样等效于一个符号的峰峰之间的取样抖动的大约1.1％。这种抖动量不会明显影响解调性能。
对于TDMA模式，该滤波器的输出具有对I和Q样值的10比特的每个的972kbps的串行比特速率，通过多导线线路325连接这些信号到数字处理部分103。
12比特D/A变换器301含有一个由数字处理部分103写入的内部12比特寄存器。该寄存器的内容被变换为控制在RF部分101(见图2)的AGC放大器206的增益的模拟信号。在导线327上的脉冲导致12比特并行数据的写入。
8比特D/A变换器302含有一个由数字处理部分103写入的内部8比特寄存器。也在该D/A变换器的内部，寄存器的内容控制脉宽调制器(PWM)，该调制器连接着一个低通滤波器，变换脉冲的占空周期为一个对应的直流电平。该直流电平被用作自动频率控制(AFC)，精细调谐RF部分101中的VCXO 207(见图2)。
合成器接口303变换来自数字处理部分103的输入的格式为串行格式，用于控制RF部分101中的主合成器208和频差合成器210(见图2)。
8比特PWM D/A变换器304是与8比特PWM D/A变换器302一样的。它变换由数字处理部分103写入的8比特字为一个模拟直流电压，用于在RF部分101中控制所发射载波的功率电平。
双8比特D/A变换器305含有由数字处理部分103写入的两个内部8比特寄存器。每个寄存器的信息分别是数字化滤波的I和Q发射信号。更新速率是每个寄存器每个符号4次。数据是从数字处理部分103的串行口按串行形式到达的。在变换为模拟形式后，该I和Q信号被低通滤波，去除在RF部分101中被施加到I/Q调制器211前由于数字字速率产生的各个频率分量。
地址解码和定时发生器308被连接到数字处理部分103，允许数字处理部分103写入到射频部分102中的各个电路。
在本发明的优选实施例中，数字处理部分103含有具有数字信号处理器和微处理器电路的数字处理电路、易失和非易失存储器、核心功能软件和表示至少一个标准的至少一组信号特征。数字处理电路实现与发射和接收载波信号的调制和解调相关的数字信号处理任务。如上所述，它还控制RF部分101和射频接口102的功能。核心功能软件中的一些包括与呼叫处理、频带扫描，用户接口104和电源部分105的控制相关的各个功能。这些功能的大多数是现有技术所公知的，不是本专利的主题。因此，它们将不进行详细地描述。但是，包括在数字处理部分103中的某些功能是本发明的实质部分，和在示例性实施例中予以说明。其重要的项目是：(a)对接收的已调制射频信号进行智能化处理，在若干个可能的标准中识别其传输标准为一个具体的标准和(b)自动配置接收机和发射机的能力，使得其按照与所接收的载波信号相关的标准一致的适当的格式和协议进行操作，而不一定含有对于每个标准的具体的硬件，或者甚至于软件。
在上述项目(a)的内容中，下列硬件描述说明怎样使不作物理修改的相同的硬件就可以被用于实现不同的发射和接收标准。终端接收已调制射频载波信号，该信号被滤波和变换为数字射频信号、数字I和Q数据。数字处理部分103从射频接口102接收数字射频信号，在各个信道之中调谐主合成器208，直至找到一个已调制射频信号。然后本发明试图锁定该比特/符号定时恢复环到该接收的信号上。如果在一种模式上这种锁定不成功，则系统对于另一种标准重新配置抽选低通滤波器306和其自身的数字比特/符号定时恢复环和重新偿试。在相同符号速率被应用于多于一种标准的情况下，附加的信号分析算法可以被结合到核心功能软件中，在它们之间进行鉴别。通过利用的核心功能软件，所接收的载波的标准可以被揭示出来。此外，数字处理电路可以调谐主合成器208来找到各个附加信号和可以识别它们的工作标准。在另外的实施例中，数字处理电路可以具有存储在非易失存储器中的不同工作系统的不同的格式和协议和可以在各个标准之间进行转换。
标准识别要求一个驻留的核心功能软件的适合的量。全面地符合一个标准的所有的工作要求需要的更多，尤其在在载波跳频、脉冲串/帧同步、传输协议等等的方面。一旦相关的标准被识别出来，数字信号电路可以从一个可用的资源开始安装适合的可执行码到数字处理电路的易失存储器，这个可用资源可能在或者可能不在本地。这对应于上述的项目(b)。
在另外的优选实施例中，虽然不是本发明的蜂窝电话的示例性实施例，但是一个公共的系统信令信道是存在的，该信道具有一个特定的恒定格式，即使各个业务信道可能是各种各样的格式。在这样一种系统中，仅非常少的软件现有驻留在该自配置通信终端中。对于一种具体的传输链路标准的可执行码的请求可用经由系统信令信道发送到一个远端的中央网络管理系统。该可执行码经这个信道的的返回路径被接收和该可执行码被存储在数字处理电路的非易失存储器中。在终端中仅需要保持足以每次一个可执行码的存储器。但是，附加的非易失存储器可用被用于存储附加的可执行码。在这样的系统中，相当大的自由度留给修改、升级和添加该终端可用处理的各种标准，而不必改变该终端本身。
利用驻留在终端中的更多的码，使该终端可以利用内置码适应一种较低级别协议的标准具体格式。通过选择正确的可执行码和利用标准具体格式请求和接收较高级别的协议码，该终端还可以处理多种格式，而不必须含有对于所有这些协议的驻留完整软件。在另外的优选实施例中，较高级别的软件还可以被进行修改、升级和增加，也不必须物理地访问该终端。软件还可以通过重新配置非易失存储器进行升级。本发明的示例性实施例可以落入这样的范畴。可下载的可执行码可以由基站提供，或者一旦需要的码已经被识别，可下载的可执行码可以是经终端(蜂窝手机)拨号数据库进行使用的。该处理对于可执行码来自基站或者来自数据库两者是相同的，该码被终端的接收电路进行接收和被存储在数字处理电路的非易失性存储器中。
在大多数普通的转移的情况下，终端可以遵守的每个标准的完整的可执行码被包含在内置的非易失存储器中。当标准被识别时，对于相关标准的可执行码作为操作码被访问和被发送到易失存储器中。即使在这种情况下，经由一种下载功能通过使用非易失存储器的可写入性，修改、升级和增加也是可能的。通过制造时提供对于各种规模只读存储器(ROM)或非易失存储器的选择，以成本有效的方式，使得相同的硬件设计可以使手机成为按照一种标准或另外一种标准专用功能的，或者按照由检测所接收信号的特性具有自动适应两种或多种标准的能力。
虽然，此刻本发明的大多数的直接应用是蜂窝电话，但是对于本专业的技术人员来说，本发明的固有原理可以被应用到存在多种通信标准的任何场合。
因为传统上由专用硬件实现许多功能被软件执行所代替，所以与现有技术比较所产生的终端的成本、尺寸和耗电都降低了，而同时性能和可靠性却提高了。