用插入的声频信号实现移动电话 天线重对准的方法和装置 发明领域
本发明涉及通信系统，具体地说是涉及与地面基站或者轨道卫星通信的移动无线电话通信系统。
发明背景
无线通信系统正越来越多地用于无线移动通信。无线通信系统使用与地面基站或者轨道卫星通信的移动无线电话。移动无线电话的一个实例是蜂窝电话系统。蜂窝电话系统是采用频率复用方式的广域通信网络。Blecher在IEEE车载技术会刊(IEEE Transaction onVehicular Technology)的1990年5月Vol.VT29,No.2,pp.238-244内题为“高级移动电话业务”的文章中描述了模拟蜂窝电话系统的设计和工作。模拟蜂窝电话系统也称作“AMPS”系统。
最近，也已经提出了数字蜂窝电话系统并且采用时分多址(TDMA)结构实现了上述数字蜂窝电话系统。电子工业协会(EIA)和电信工业协会(TIA)也已经提出了用于美国的数字蜂窝(ADC)结构的标准，上述数字蜂窝(ADC)结构是符合EIA/TIA文件IS-54B的双模模拟及数字系统。本发明的受让人目前正在市场上推销已实现了IS-54B双模结构的电话。欧洲已经颁布了适用于数字蜂窝电话系统的不同标准。欧洲数字蜂窝系统也称作GSM，它也是使用TDMA结构。
对于本技术领域的人员已经众所周知的是移动无线电话包括天线和用于经由移动无线电话天线接收无线电话通信的收发信机。在车载移动无线电话内，天线一般装载于车体上。在手持移动无线电话内，天线一般从手持无线电话壳体上突出出来。无线电话通信信号相关的天线的正确的定向对于无失真或者掉话而且清楚的接收是十分重要地。正如众所周知的，经常略微地改变天线的方向将导致无线电话接收的显著改善。例如，当从用户头部的另一侧接收发送时，手持电话将遭受信号强度的损失。头部的阻挡能够引起6dB的信号损失。
因为天线的方向在移动无线电话中是如此地重要，所以许多移动无线电话提供了所收到的无线电话通信信号的信号强度显示，它能够提示用户重新定向天线。此外，在模拟或者未编码的数字移动无线电话系统内所收到信号的质量趋向于随天线不对准增加逐渐地恶化。因此，噪声电平趋向于逐渐地增加，它能够提示用户重新定向天线。藉此方法移动车载或者手持无线电话能够减少上述噪声。
目前在无线通信系统内采用数字语音编码或者数字纠错编码以便改进通信效率是比较普遍的。上述数字编码在较好质量降低到低至2dB或者更低的信噪比的情况下允许通信，而在此门限之下将急剧地截止。因此，失去了模拟FM或者未编码系统恶化的舒适感，并且以门限之下锐截止方式代替了恶化的舒适感。在此类数字编码无线通信系统内，较差的定向能够引起信号强度降至门限之下以致通信突然地截止。信号强度的降低不会伴随可提示天线需重新定向的噪声电平的增加。
发明综述
因此，本发明的一个目的是提供用于对准与已收到移动无线电话通信相关的移动无线电话天线方向的系统及方法。
本发明的另一个目的是提供用于在采用编码技术及因此产生一个信号截止的门限之下的数字移动无线电话中定向天线的方法及系统。
根据本发明，由把声频对准方向信号插入声频无线电话通信内的移动无线电话提供了这些及其它目的，上述声频对准方向信号是无线电话天线方向的函数。声频对准方向信号提示无线电话用户以便重新对准无线电话天线方向来改善与无线电话通信源相关的方向。
具体说来，收到的无线电话通信具有收到信号的强度，它是无线电话天线位置的函数。根据本发明，声频对准方向信号是无线电话通信的收到信号强度的函数，它插入声频无线电话通信。声频对准方向信号可以是收到信号强度的直接函数或者可以是间接地依赖于信号强度的另一个参数的函数，例如失真或噪声电平。声频对准方向信号最好是与无线电话通信信号一起插入无线电话扬声器内的人造噪声，藉此恢复收到无线电话通信的主观舒适感恶化的性能。通过人为地恢复主观舒适感恶化的性能，本发明提示用户以便重新对准无线电话天线方向来接收无线电话通信。
根据本发明的移动无线电话包括用于接收无线电话通信的装置，上述移动无线电话包括天线及无线收发信机。信号强度指示装置响应用于产生信号强度指示的接收装置，上述信号强度指示是收到无线电话通信的信号强度的函数。正如上面所描述的，信号强度指示可以是一个信号强度的直接或间接函数。声频传感装置响应接收装置和信号指示装置来产生一个结合了收到无线电话通信和信号强度指示的声频信号以便与声频无线电话通信一起提供声频信号强度指示，上述声频传感装置一般包括一个或者多个扬声器或耳塞扬声器以及可以包括话音编译码器和其它电路。
本发明对数字编码无线电话或者其它移动无线电话特别地有用，其中接收装置是一个锐截止接收装置，当收到无线电话通信信号处于门限之上时，上述接收装置产生声频无线电话通信信号，以及当收到无线电话通信信号处于门限之下时，上述接收装置抑制或者截止声频无线电话通信信号。对此类无线电话，信号强度指示装置产生告警信号，上述告警信号是无线电话通信信号的收到强度的函数以便通知收到信号的强度接近于门限。
信号强度指示装置最好包括用于产生人造噪声的装置，上述人造噪声的增加作为无线电话通信信号的收到信号强度降低的函数，藉此表示收到信号强度正在恶化或者正在接近于门限。人造噪声的增加最好作为从低于门限的收到信号强度的门限之上的收到信号强度中的收到信号强度降低的函数，藉此表示收到信号强度正在接近于门限以及已经通过了门限。然而，也可以使用随信号强度增加的强度增加的声频指示。因此，即使在已经抑制了无线电话通信信号，人造噪声电平依然能够提示用户以便天线重新对准方向，上述天线重新对准方向将恢复通信。
人造噪声可以是任何不同于收到无线电话通信和作为天线方向函数变化的信号。例如，人造噪声可以是宽带白噪声或者典型噪声、单个按照幅度或者频率作为信号强度降低而变化的正弦频率或者多个按照幅度或者频率作为信号强度降低而变化的正弦频率。或者，人造噪声可以是周期信号以便表示收到信号强度正在恶化或者正在接近于门限，例如卡搭声(Click)或者湫湫声(Chirp)，它们重复的周期变化作为无线电话通信信号的收到信号强度变化的函数。上述变化的周期信号可以类似于无线调谐指示。人造噪声可以是合成的话音消息，例如声频的词“移动”，它按照幅度或者频率作为收到信号强度强度降低而增加。
本发明对与在发射机(地面基站或者卫星)处一起使用的自动功率控制(APC)的移动无线电话也特别地有用。上述发射功率控制系统引起发射机增加其功率以便响应来自移动无线电话的移动无线电话正在收到一个较低信号强度的指示。此自动功率控制系统提供了一个更加严格的门限，因为它防止自动功率控制系统能够跟踪的收到信号强度的缓慢降低直到不再提供更多的功率。
根据本发明，发射机与无线电话通信一起发射功率指示信号。根据响应无线电话所收到的发射功率指示信号也产生声频对准方向信号，藉此产生一个信号强度指示，上述信号强度指示是收到无线电话通信的信号强度的函数和收到无线电话通信的发射功率的函数。因此，随着发射功率的增加，例如，插入人造噪声的量也增加，藉此提示重新对准天线方向以便能够使用降低的发射功率。
本发明通过把声频人造噪声信号插入声频无线电话通信来提示用户重新对准无线电话的天线方向以便得到更高的接收。能够提示用户在达到声频恶化通信之前重新对准天线方向，藉此提供了改进的移动无线电话通信。
附图简述
图1是一个可用于本发明的移动无线电话的方框图。
图2是一个接收数字信号处理器(DSP)的方框图，它产生根据本发明的对准方向信号。
图3说明了根据本发明产生第一个对准方向信号的工作。
图4说明了根据本发明产生第二个对准方向信号的工作。
图5是一个根据本发明的第二实施方案处理收到信号的方框图。
图6是一个根据本发明的第二实施方案的解调器的方框图。
优选实施方案发明详述
此后参照附图将更加详尽地描述本发明，本发明的优选实施方案示于附图中。然而，也可以以许多不同的形式实现本发明并且不应释作仅限制于此处提出的实施方案。反之，提供这些实施方案是为了此处公开的内容更加全面和完善，并且将全面地向本技术领域的人员表达本发明的范围。所有附图中凡同样的编号指的是同样的单元。
现在参照图1，它示出了可以用于本发明的移动无线电话的功能方框图。移动无线电话100可以是车载移动无线电话，但是最好是手持移动无线电话。移动无线电话100一般从地面基站155或者进入轨道的卫星(没有示出)接收无线电话通信。图1是双模蜂窝无线电话的简化表示，在共同的发明者Paul W.Dent和Bjorn Ekelund并且授予给本代理人母公司的U.S.专利申请序列号No.07/967,027，题为“多模信号处理”中更加详尽地描述了上述双模蜂窝无线电话，此处公布的内容将据此结合作为参考。
简而言之，天线145、无线收发信机140以及接收数字信号处理器(DSP)125的功能是作为用于接收无线电话通信150的装置。接收DSP125处理经由DSP接口135从无线收发信机收到的信号，并且它产生能够加载至话音编译码器115以便通过声频传感器(例如扬声器110)发送数字声频信号。发送DSP120接收经由话音编译码器115来自麦克风105的数字话音信号，并且它产生该信号由无线收发信机140及天线145发送给DSP接口。微控制器130控制移动无线电话100的某些或者所有的器件。移动无线电话100的设计对本技术领域的人员是众所周知的，在此不必详尽地描述。
本发明最好部分地实施为一个接收DSP125上可执行的存储程序，例如上述接收DSP125可以是德克萨斯州仪器C53数字信号处理器(Texas Instruments C53 DSP)。然而，也可以实现本发明或者部分地实现作为微控制器130或者另一个处理器上可执行的存储程序。可选择地，可以使用定制的逻辑设计或者软件及硬件的组合。在模拟无线电话系统中可以使用模拟器件。
现在参照图2，将描述根据本发明配置的图1的接收DSP125的方框图。正如图2中所示，接收DSP125包括通信信号产生装置210，上述装置210根据从DSP接口135收到的无线电话通信产生数字接收无线通信(话音)信号250。通信信号250加载至话音编译码器115以便转换成为模拟信号，提供上述模拟信号给扬声器110以便产生声频无线电话通信。通信信号产生装置210可以包括数字语音译码和纠错功能以便使用本技术领域的人员所已知的技术来产生锐截止的接收机。在此类编码数字系统中，当无线电话通信收到信号的强度处于第一个门限之上时，产生声频无线电话通信信号，并且当收到信号的强度处于第一个门限之下时，抑制声频无线电话通信信号。
仍然参照图2，接收DSP125也包括对准方向信号产生装置220。对准方向信号产生装置220可以从DSP接口135接收已收到信噪比的指示。正如本专业技术领域的人员所理解的，无线收发信机140可以产生已收到信号强度的指示信号。或者，接收DS1P125或者微控制器130可以根据已收到无线通信产生已收到信号强度的指示信号。已收到信号强度的指示信号的产生对本专业技术领域的人员是众所周知的并且不必进一步地描述。对准方向信号产生装置220产生对准方向信号或者告警信号240，它是无线电话通信信号的已收到信号强度的函数。
通过在求和器230处合并数字收到无线通信信号250和对准方向信号240来把对准方向信号240插入声频无线通信信号。求和器230产生提供给话音编译码器115以便转换成为模拟信号及经由扬声器110广播的已合并信号260。可以理解的是不必要合并无线通信信号250和对准方向信号250，然而只要把声频对准方向信号插入声频无线电话通信，那么分别地提供上述无线通信信号250和对准方向信号250给一个或者多个扬声器或耳机110。在图2的实施方案中，对准方向信号处理装置220和求和器260构成了用于把是无线电话天线方向性的函数的声频对准方向信号插入声频无线电话通信的插入装置。声频传感器装置如扬声器110和话音编译码器115，它们响应接收数字处理125以便产生合并收到无线电话通信信号250和对准方向信号240的声频信号以便把声频信号强度指示插入声频无线电话通信。
现在参照图3，下面将描述用于产生对准方向信号(图2的方框220)第一个实施方案的工作。具体地说，在方框310处，产生一个作为降低收到信号强度函数的增加信号。在方框320处，由在方框310处产生的信号产生和按比例或放大一个人造噪声信号。因此，产生其幅度作为降低收到信号强度函数的增加的人造噪声，据此提供了信号强度渐变恶化的人造指示。在方框330处，把已放大的人造噪声插入声频无线电话通信。
本技术领域的人员可以理解的人造噪声信号可以是白噪声、典型噪声或者任何其它类型的宽带噪声，或者可以是单个频率或者多个频率的噪声，例如正弦噪声或者多个正弦噪声，它们的幅度随收到信号强度的降低而增加或者降低。最好选择随信号强度增加的声频指示具有“舒适感”的特性，例如音乐主和弦音，然而，随恶化信号增加的声频指示将具有“不舒适感”的特性，例如白噪声或者不调和音。在提供了低于通信停止的截止门限的数字系统内，人造噪声信号最好在门限之上时变为声频并且当收到信号强度超过了门限时变得更强，而低于门限时提示用户重新对准无线电话天线方向以便恢复通信。
现在参照图4，下面将描述图2的产生对准方向信号220的第二个实施方案。在方框410处，产生第一个作为降低收到信号强度函数的增加信号，正如已经结合方框310所描述的。在方框420处，产生作为增加发射功率的函数而增加的第二个信号。
本技术领域的人员可以理解的在使用了自动发射功率控制的移动无线电话系统内，基站155(图1)或者卫星响应移动无线电话100正在收到低于所需信号强度的指示以便增加其发射功率，并且它响应移动无线电话100正在收到大于所需信号强度的指示以便降低其发射功率。根据本发明，在由移动无线电话所接收的无线电话通信150的下行链路的发送方向提供了基站或者卫星发射功率的指示。因此，在方框220处，产生作为来自网络增加发射功率的函数而增加的第二个信号。因此，来自网络的反馈控制声频指示提示用户重新对准其天线方向以便改进或者上行链路或者下行链路。
继续图4的描述，在方框430处，合并第一个和第二个信号以便产生作为第一个和第二个信号的函数而变化的第三个信号。例如，第三个信号将作为降低收到信号强度的函数而增加，并且它也作为增加发射功率的函数而增加。因此，当增加发生功率时，对准方向信号将增加来提示用户重新对准天线方向以便发射机能够产生较低的发射功率。在方框440处，产生对准方向信号。在方框440处，人造噪声信号是周期性的信号，例如正弦波或者卡搭声(Click)，它的频率是基于第三个信号的值而变化。因此，上述可变频率的人为噪声信号提供了调谐的指示，例如，其中较高的频率表示较低的信号强度和较高的发射功率。在方框450处，把人造噪声插入无线电话通信。
因此，本发明产生了一个声频对准方向信号，此声频对准方向信号是无线电话天线(也可能是基站或者卫星的发射功率)的方向性的函数，它表示接收无线电话通信的无线电话天线是对准方向或者没有对准方向。随后提示用户重新对准天线的方向以便对准方向信号降低。本发明提供了能够用于模拟系统的舒适感恶化指示以便在实际系统噪声开始插入之前提供舒适感恶化指示器，并且本发明也提供了能够用于采用编码的数字系统以便指示即将接近了或者已经通过了截止门限。提示用户重新对准天线的方向并且恢复高质量的信号。
现在参照图5，说明了本发明的第二个实施方案。图5说明了接收信号处理或者在无线电话内或者在发射机(地面基站或者卫星)内的方框图的不同布局。图5是对应于图1的硬件布局的功能布局图。
天线145接收信号包括噪声及干扰并且由无线收发信机140下变换上述信号包括噪声及干扰，以及数字化上述信号包括噪声及干扰以便得到适合于数字信号处理的信号表示。接收DSP125处理已变换的收到信号以便执行解调和纠错译码功能500来得到表示编码语音的数字符号。在DSP125内进一步译码编码语音并且由CODEC115转换上述编码语音成为模拟语音，上述CODEC115的功能命名为图5的方框510。方框510也译码命令消息并且把它们传递给控制处理器130。方框500也产生一个表示已译码比特传递至语音译码510的无错误概率的信号质量指示。
语音译码器510可以包括忽略表示不可靠的比特能力和输出缺省语音声音或者否则由已知的“语音参数内插”方法隐藏错误比特效应的能力。错误隐藏可以包括在不可靠信号期间输出的“舒适感”噪声。舒适感噪声避免了突然地终止所有的声频输出，上述声频输出给出了“截去”了语音的所不需要的印象。根据本发明的实施方案，解调及译码功能500能够另外地输出表示在译码过程中所剔除的无线噪声的信号，正如下面将要描述的。
根据授予给联合发明人Dent，于1994年9月14日提交的U.S.专利申请序列号No.08/305,727，题为“信道独立的均衡器装置”，可以由最大似然序列估计器执行解调及纠错译码，其公布的内容据此结合于此处作为参考。参考图6，Viterbi序列最大似然序列估计器包括用于存储多个假设已收到符号序列与每个表示累积概率的路径测度一起的状态存储器65。处理包括使用发射机模块60，上述发射机模块60可以包括根据处理称作训练序列或者符号码子的已知比特序列所得到的传播信道的模型。在状态存储器的参考矢量阵中实现了后者的信息。
发射机模型60计算预期的信号值，上述预期的信号值在每个轮次对应于前一次假设为真的假设基础上的一个新的比特假设。预期的信号值在比较器61内与收到信号值比较以便得到差值。差值是假设与实际收到信号样值之间的错误度量，其中上述错误是只由于在假设正确的情况下无线噪声所导致的。增加失配指示至对应于已测试假设的前一次路径度量以便得到一个新的累积失配或路径度量。
加法器62构成了来自含有在当前假设存储器最左边比特等于二进制“0”状态的新路径度量，此时加法器64构成了用于对应当前假设的上述存储器最左边比特位置是二进制“1”的新路径度量。比较器比较两个新的路径度量并且选择相关状态存储器的较低者及所有相应的内容以便采用从当前假设的最左边比特的左移(根据给定较低路径度量的状态，它可能是0或者可能是1)以及进入存储器已经处理的部分而成为状态存储器的新内容。采用“0”和“1”两者作为对新比特的假设以便测试所有的前一次假设，并且在处理了所有的假设之后，余下状态的数量将与以前的相同，进而将更新所有的路径度量为两个比较度量的较低者并且推进一个符号的译码。
结合本专利申请更详尽地描述了图6的工作。根据本发明的实施方案能够修改上述描述以便提供调谐噪声的指示。
正如前面的描述，比较器61计算假设信号值与实际收到信号值之间的差值，上述差值是由于在假设信号值为真的情况下只有无线噪声所导致的。不是丢弃上述计算的差值，而是本发明的实施方案一起记录差值与状态存储器的已经处理部分的每个数据符号。当纠错编码产生每个即将发送的原始数据比特的几个已发送的样值时，发射机模型60将同样地产生用于比较的几个信号样值并且比较器61将测试上述多个样值以便得到几个差值。这些差值通常按照平方和进行合并以便在丢弃之前得到失配指示。
根据本发明的实施方案，差值对应于每个已处理的比特判决存储于状态存储器65。当由Viterbi方法选择两个已比较的假设之一来作为幸存者时，允许来自一个状态的已存储差值覆盖另一个状态的已存储差值。由Viterbi MLSE处理器执行的最终比特判决是使差值平方和最小的比特。因此，余下的误差可能是由于只是无线噪声而不是不正确的比特判决所导致的。因此，已存储的差值等于收到的无线噪声并且可以输出至语音译码器510。语音编码器510能够增加无线噪声样值至声频信号以便用户将听到随信噪比而不是由译码过程的锐截止门限来按比例地变化的无线噪声特性的准确表示。
采用语音信号数字化的数字无线电话经常不仅插入了检错编码而且插入了纠错编码，例如，经常在数字语音传输内添加循环冗余校验码(CRC)至最敏感重要的比特。当CRC校验失败时，通过各种同样地已经已知的“去嗝”错误掩蔽策略来防止错误比特引起不需要的声频人为产物。当CRC失败达到5％时间量时，此类去嗝技术能够保持有用的语音质量。对于多于5％时间量的CRC失败检测能够用来触发给电话输出自动地添加声频信号质量指示以便引起用户采取正确的操作。
上面描述的实施方案说明了能够在原理上从解调和译码过程中提取任意接近于真正无线噪声的噪声表示并且人为地重新引入声频信号以便给出上升或者下降信号质量的真正指示，它们独立于解调器的门限特性。
可能需要的是提供以相对于信噪比的加重方式上升或者下降的信号质量的声频指示。例如，可能需要的是应该通过以人为增加的声频指示的3dB或者6dB向用户表示信噪比1dB的减少。采用来自译码过程的已存储路径度量或者可选择地采用已存储的无线噪声波形能够实现上述内容。路径度量正比例于无线噪声的均值平方并且可以用来根据无线噪声或者确实地根据无线噪声电平的任何次幂按比例决定声频指示。
如果需要减少解调器及译码过程的复杂度，那么藉此按比例决定的声频指示能够是一个预存储的声频波形。正如前面所说明的，当表示正在下降的信号质量时，可以选择此种波形是一个“不舒适的”声音。反之，当反比例决定即除以路径度量的幂次方时，可以使用一个“舒适的”波形，例如主音乐和弦，以便其强度随正在上升的信号质量而增加。也可以使用随噪声电平而增加的不舒适声音和随信号电平而增加的舒适声音此两者的组合，但是当用户选择了即将使能的“声频调谐指示”时，至少“舒适”声音应该是声频以便在与不是较好信噪比的话音通话期间能够防止其引起分散注意力。
网络可选择地或者另外地可以发送如前面描述的命令消息给控制器130以便远程地打开或者关闭声频指示以便重新定向天线方向。可以由网络或者基于移动电话所测量的信号强度并发送作为给网络的信号强度报告或者可以基于网络接收机收到移动电话的发送所测量到的信号强度或者上述两者的组合来发布此种命令。
也可能需要的是声频音向用户表示信号质量没有处于通话状态，此时其电话在通话信道上周期地收到信号脉冲串。为了节省电池功率，移动电话在空闲方式不是连续地接收而是只有在网络预先分配给每个移动单元的此处称作睡眠模式下才唤醒。例如，这可能按照只有1秒(s)的间隔出现。网络知道移动接收机何时将处于醒着的状态并且给接收机的呼叫提醒只有在上述时间内才发送。按照只有1秒(s)的间隔采用收到的信号可能太慢了一点以致不能提供通过移动天线位置来优化的空闲状态的信号质量指示给用户。如果必要，能够要求用户通过按下一个键来使能声频指示，当电话处于空闲模式时，上述按下键能够暂时地使接收机连续地或者至少足够频繁地工作以便测量用于意图在于对准天线方向的信号强度。
当不处于通话状态时，提供各种“舒适感”的声频指示没有不足之处，例如上述各种舒适感可以是随改进信号质量强度而上升的音乐嗡嗡音(Hum)。随后能够缩写在设备用户手册内“用于最大嗡翁音对准”的指令，它是用户易于遵循的指令。能够提供不同的“嗡嗡音”，依赖于电话所锁定的网络站的特性，例如，当电话锁定于基于陆地的蜂窝系统时，一个“间隔的嗡嗡音”。
根据附图及详细说明，公开了本发明的典型优选实施方案，尽管采用了特定的术语，但是使用它们具有一般及描述意义而不是为了限制的目的，本发明提出的范围将在下列的权利要求中。