CN100518158C - 一种基于恢复数据的频率跟踪的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种在移动站的接收机中根据恢复数据进行频率跟踪的方法，可用于自动频率控制子系统。这种方法利用从恢复数据中得到的频偏信息来确定移动站中的本地压控振荡器的偏转方向和偏转量，从而实现对基站精确的频率跟踪。

Description

一种基于恢复数据的频率跟踪的方法和装置

技术领域

本发明涉及无线通讯领域中移动站频率跟踪技术，更确切地说是在移动站接收机上利用从恢复数据中推导出信息来调整本地基准压控振荡器。

背景技术

在无线通讯系统中，空中接口通常包括一个基站，一个移动台，以及基站和移动台之间的无线信道。GSM是移动通讯中使用最广泛的一种通讯标准。在具体的实现中，GSM通常使用两个预留的25MHz带宽来实现通信的，其中890-915MHz带宽是用于从用户端到基站的传输(反向链路)，935-960MHz带宽是用于从基站到用户端的传输(正向链路)。然而如果有其它额外的带宽用于GSM协议将会更好。GSM协议是采用频分复接和时分多址(TDMA)来实现基站的多个用户同时接入。正向链路、反向链路传输的数据速率都大约为270Kbps，采用二进制高斯最小相移键控(GMSK)调制方式。每个链路包括业务信道和控制信道，业务信道负责传送数字化语音和用户数据，控制信道负责传送网络管理和控制信息，如频率校正信道。

当移动站加电时，它将自动搜索各个控制信道以找出信号最强的信道，接着移动站将会监听这个信道，找到这个信道的的FCCH。频率校正信道包含一个频率校正脉冲，恒定占据第一个GSM帧的T0时隙，并且在控制信道复帧里每10个帧就重复发送一次。FCCH作用是使得每一个移动站的本地频率(本地晶体振荡器)可以同步到基站的精确频率上去。

通常，移动站的压控振荡器比基站的要差。这就导致频率会随着压控振荡器的温度变化而上下浮动，当然其他因素也可能造成波动，如振荡器自身的老化。但与温度因素比较起来，老化等因素相对影响较小。随着时间的增加，这种频率的上下浮动会引起移动站接收器的性能下降。自动频率控制子系统可以被用于提高移动站接收器的稳定性。例：在GSM11.10技术规范要求移动站的载波频率在基站参考频率偏差在0.1ppm之内。一种常用比较准确方法是最大似然方法，这种方法可以很准确的实现频率跟踪，但同时这种方法需要复杂的计算和较大的数据量。另一种常用的频偏估计的方法是时间域偏差，这种方法的缺点是对采样速度要求高，且需要较大的数据量。而移动站中接收机的自动频率控制子系统需要一种高效、简单的方法来降低频差。

附图说明

在以下详细说明和图示的帮助下，我们将更明晰的理解本发明的优点：

图1给出了基带发射机的原理图；

图2给出图1中基带发射机等效原理图；

图3给出了自动频率控制子系统的原理图；

图4给出基于恢复数据的频率跟踪装置的原理图。

具体实施方式

在下面的描述中，给出大量的技术细节以便对该发明体系有一个全面的理解。本领域内的专业人士将会看出，没有一个或多个技术细节、或者和其它方法、组件等一起使用，该发明仍可实现。另一方面，大家熟知的结构或操作没有详细地给出，以免对该发明主体起到喧宾夺主的不利影响。

在本发明里至少有一个实现形式，它具有与之结合的某一个特定的特点、结构或属性，在本技术说明里采用“一个实施例”来表示某个实现形式。因此在全篇文章的多个地方，术语″在一个实施例中″并不表示同一个实现实体；而且特定的特点、结构或属性可以结合在某个或多个实体的任何适当的形式里。

图1给出了基带发射机100，它首先对数据{a_k}102采用高斯最小相移键控(GMSK)调制方式调制。被调制的数据通过空中信道ch(t)110到接收端，在接收端数据加入噪声n(t)112，得到数据y(t)114，y(t)114也就是最终移动站接收到的数据。在移动站接收机恢复数据时，我们把经过GMSK调制过程是把旋转数据p_k106通过滤波器f(t)108滤波。即，我们采用的是对GMSK调制方法的线性逼近，如图1中的虚线框所示。

p_k106可表示为下式：

p_k＝a_k·j^k

其中，a_k是发送的数据，且a_k非1则-1。K是数据的下标，j^k是调制相移。

图2是一个等价信道h(t)204，这个等效信道是图1中滤波器f(t)108和空中信道ch(t)110的串联，它可以被表示为下式：

h(t)＝f(t)*ch(t)

其中，f(t)是滤波器f(t)108和ch(t)是空中信道ch(t)110。

当移动站接收到数据y(t)114时，它将首先将其解调，解调后的数据中有一频偏，最后得到r(k)。但是这里的频偏没有考虑到多普勒频移，因为在现有技术条件下不能跟踪多普勒频移，而且这一点在GSM技术规范中也没做要求。y(t)114可以被表示为下式：

r(k)＝y(k)·e^jωk

其中，e^jωk是频偏，ω是频偏角度，k是数据下标。

AFC子系统是移动站接收机的一个重要部分，它保证移动站的本地压控振荡器可以同步到基站频率上去。

图3给出了AFC子系统的原理图。数据r(k)304是频率跟踪框32k2的输入，322用于确定输入数据的频差。数据r(k)304是信道估计框306的输入，信道估计框306用于获得信道抽头

308。维特比均衡器310负责处理数据r(k)304，以获得硬判结果

312。

在进行频率跟踪之前，我们先对数据r(k)304进行信道估计，以期获得信道抽头

308。这里的使用的是p(k)中的训练序列。信道抽头

308可以被表示成下列式子：

$\hat{h}\left(k\right)=\frac{1}{16}\underset{l=5}{\overset{20}{\mathrm{\Σ}}}r(k+l)p^{*}\left(l\right)$

其中，k＝-5，-4，...，0，1，...，5.频偏对于-500Hz到500Hz的信道估计几乎没有影响，因此弱抽头可以被屏蔽。

图3所示的一种实现形式中，频率跟踪机制322利用接受到的数据r(k)304、估计出来的信道抽头

308和硬判维特比输出312来确定相位的偏转方向，这个方向非正则负。每个数据突发包的相位旋转方向是由频差确定的。当正向偏转的数量大于一个预定门限值，将本地压控振荡器朝负方向调整一个频率步长；当负向偏转的数量大于一个预定门限值，则将本地压控振荡器朝正方向调整一个频率步长。

图3所示的另一种实现形式中，频率跟踪机制322利用接收数据r(k)304、信道抽头

308和被恢复并经卷积编码输出320(虚线框中部分)来确定移动站的压控振荡器的调整方向。在这里，硬判或软判的维特比均衡器输出

312是维特比解码器316的输入，维特比解码器316的输出被输入到卷积编码器318，卷积编码器318的输出结果为

320。

每个数据突发包的相位旋转方向是由频差确定的。对于给定数量的一批数据突发包，分别计算出其中正向和负向的旋转的突发包的个数。当正向偏转的突发包数量大于一个预定门限值，会将本地压控振荡器朝负方向调整一个频率步长；当负向偏转的数量大于一个预定门限值，将本地压控振荡器就朝正方向调整一个频率步长。

下面解释本专利所提出方法的详细流程。首先在步骤10，把输入数据r(k)恢复数据

做相关，

通过信道抽头得到恢复数据

可以是维特比衡均器的硬判决输出

也可以是卷积编码的恢复数据

接下来，在步骤20对第一次相关的结果做延迟；然后在步骤30对在步骤20的输出作第二次相关。第二次相关操作是为了计算频偏造成的角度偏转。然后在步骤40为第二次相关的数据的虚部进行累加并取其符号。如果在步骤40累加的结果的符号函数是正值，则正值寄存器加一；如果在步骤40处累加的结果是负值，则负值寄存器加一。重复上述步骤N次(有N个数据突发包)。

N个数据突发包全部处理结束，如果正值寄存器的值大于预定门限值，将压控振荡器将向负向偏转一步；如果负值寄存器的值大于预定门限值，将压控振荡器将向正向偏转一步。此后将正负累加器清零。

图4给出了频率跟踪系统的原理图。在一种实现形式中，数据恢复操作402的输入是估计信道抽头

308和恢复数据的卷积编码输出

320。输入可以是维特比均衡器硬判决输出

312，也可以是恢复数据的卷积编码输出

320。这个输入可以被表示为下式：

${\hat{p}}_k={\hat{a}}_k\·j^k$

通过

308得到恢复数据

404，

404可被表达为下式：

$\hat{r}\left(k\right)=\hat{p}\left(k\right)*\hat{h}\left(k\right)=\hat{y}\left(k\right)$

被表示成下式：

$z\left(k\right)=r\left(k\right)\·\mathrm{conj}\left(\hat{r}\left(k\right)\right)=(y\left(k\right)\·e^{\mathrm{j\ωk}}+n\left(k\right))\·\mathrm{conj}\left(\hat{y}\left(k\right)\right)\≈{\left|y\left(k\right)\right|}^2\·e^{\mathrm{j\ωk}}+n^{\′}\left(k\right)$

其中，ω是频偏的角度， $\·n^{\′}\left(k\right)=n\left(k\right)\·\mathrm{conj}\left(\hat{y}\left(k\right)\right)$

在414处对z(k)410和z(k)410的延迟结果z(k+L)412做相关。其中L是延迟样本数，通常这么做是为了达到更精确的估计。

第二次相关的结果s′(k)416可以被表示成：

s′(k)＝z(k+L)·conj(z(k))

s′(k)的虚部表示为：

s(k)＝imag{z(k+L)·conj(z(k))}

把虚部s(k)累加并取其符号得到d420，表示为下式：

$d=\mathrm{sign}\left(\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}s\left(k\right)\right)$

其中M是s(k)的长度。

在422处统计出N个数据突发包中d＞0的个数和d＜0的个数。如果d＞0的个数大于一个预置门限值，那么将压控振荡器向负向偏转一个频率步长；如果d＜0的个数大于一个预置门限值，那么将压控振荡器向正向偏转一个频率步长。

为满足GSM11.10技术规范中所规定的性能要求，移动站中我们取L＝100；M＝40，N取100或200，预置门限值的取值应大于N的一半。

综上所述，我们给出了详细的关于本发明的描述。但是，从本发明的思想和范围出发，可以有各种各样的变化。因此，本发明并不仅限于下面的具体实施之中。

Claims (24)

1.一种自动频率控制子系统的频率跟踪方法，该方法包括：

(a)把接收数据和恢复数据相关得到第一次相关数据；

(b)对步骤(a)中的第一相关数据做延迟，产生延时的第一相关数据；

(c)把步骤(a)的所述第一相关数据与步骤(b)的所述延时的第一相关数据做相关，得到第二相关数据；

(d)把所述第二相关数据的虚部加到步骤(c)的所述第二相关数据上，得到一个表示所述接收数据频率波动的判断数据；

(e)如果所述判断数据大于0，对一正值寄存器加一；

(f)如果所述判断数据小于0，对一负值寄存器加一；

(g)重复步骤(a)-(f)N次；

(h)如果所述正值寄存器大于预定门限值，把压控振荡器向负向调整一个频率步长；

(i)如果所述负值寄存器大于预定门限值，把压控振荡器向正向调整一个频率步长。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述接收数据包括加了频偏的经解调的输入数据。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述频偏是e^jωk.

4.如权利要求2所述的方法，其特征于，所述频偏包含移动站的无线载波和基站的无线参考载波的差值。

5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述接收数据是通过下式计算得出的：

r(k)＝y(k)·e^jωk

其中，y(k)是被解调的输入数据，e^jωk是被加到解调输入数据的频偏，r(k)是接收的数据。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述恢复数据包含通过估计信道抽头的被旋转的估计输入。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述被旋转的估计输入包含维特比均衡器硬判决输出。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述维特比均衡器硬判决输出是

9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述被旋转的估计输入包含被恢复的卷积编码器的输出。

10、如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述被恢复的卷积编码器的输出是

11、如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述被旋转的估计输入由下式确定：

${\hat{p}}_k={\hat{a}}_k\·j^k$

其中，k＝-5，-4，...，0，1，...，5。

12、如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述估计信道抽头由下式确定：

$\hat{h}\left(k\right)=\frac{1}{16}\underset{l=5}{\overset{20}{\mathrm{\Σ}}}r(k+l)p^{*}\left(l\right)$

13、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述恢复数据由下式确定：

$\hat{r}\left(k\right)=\hat{p}\left(k\right)*\hat{h}\left(k\right)=\hat{y}\left(k\right).$

14、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一相关数据由下式确定：

$z\left(k\right)=r\left(k\right)\·\mathrm{conj}\left(\hat{r}\left(k\right)\right)=(y\left(k\right)\·e^{\mathrm{j\ωk}}+n\left(k\right))\·\mathrm{conj}\left(\hat{y}\left(k\right)\right)\≈{\left|y\left(k\right)\right|}^2\·e^{\mathrm{j\ωk}}+n^{\′}\left(k\right)$

其中，ω是频偏的角度， $\·n^{\′}\left(k\right)=n\left(k\right)\·\mathrm{conj}\left(\hat{y}\left(k\right)\right).$

15、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二相关数据由下式确定：

s′(k)＝z(k+L)·conj(z(k))

其中L是延迟样本数。

16、如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述参数L为100。

17、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二相关数据的虚部由下式确定：

s(k)＝imag{z(k+L)·conj(z(k))}。

18、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述判断数据由下式确定：

$d=\mathrm{sign}\left(\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}s\left(k\right)\right)$

其中，M是s(k)的长度。

19、如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述参数M为40。

20、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述重复次数N为100。

21、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述重复次数N为200。

22、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预定的门限值大于所述重复次数N的一半。

23、一种自动频率控制子系统的频率跟踪方法，该方法包括：

(a)把接收数据和恢复数据按下式相关得到第一相关数据；

$z\left(k\right)=r\left(k\right)\·\mathrm{conj}\left(\hat{r}\left(k\right)\right)=(y\left(k\right)\·e^{\mathrm{j\ωk}}+n\left(k\right))\·\mathrm{conj}\left(\hat{y}\left(k\right)\right)\≈{\left|y\left(k\right)\right|}^2\·e^{\mathrm{j\ωk}}+n^{\′}\left(k\right)$

其中，ω是频偏的角度， $\·n^{\′}\left(k\right)=n\left(k\right)\·\mathrm{conj}\left(\hat{y}\left(k\right)\right);$

(b)对步骤(a)中得到的所述第一相关数据做延迟，得到经延时的第一相关数据；

(c)把步骤(a)中的所述第一相关数据与步骤(b)中的所述经延时的第一相关数据按下式做相关，得到第二相关数据：

s′(k)＝z(k+L)·conj(z(k))

其中，L是延迟样本

(d)按下式，把所述第二相关数据的虚部加到所述步骤(c)的所述第二相关数据上，产生一个判断数据：

$d=\mathrm{sign}\left(\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}s\left(k\right)\right)$

M是s(k)的长度

(e)如果所述判断数据大于0，则一正值寄存器加一；

(f)如果所述判断数据小于0，则一负值累加器加一；

(g)重复步骤(a)到(f)N次；

(h)如果所述正值寄存器大于预定门限值，把压控振荡器向负向调整一个频率步长；

(i)如果所述负值寄存器大于预定门限值，把压控振荡器向正向调整一个频率步长。

24、一种移动站频率跟踪的装置，包括：

(a)一相关器，把恢复数据和接收数据做相关，获得第一相关数据；

(b)一延时单元，把所述第一相关数据做延迟；

(c)一相关器，把所述第一相关数据和经过延迟处理后的第一相关数据做相关；

(d)一加法器，把所述第二相关数据的虚部加到所述第二相关数据上，以获得判断数据；

(e)一个正值寄存器，如果判断数据大于0，则该正值寄存器加一；

(f)一个负值寄存器，如果判断数据小于0，则该负值寄存器自动加一；

(g)一计数器，用于确定是否已到了循环次数N；

(h)一判定单元，用于确定所述正值寄存器的值是否大于预置的门限值，以便把压控振荡器向负方向偏转一个频率步长；

(i)所述判定单元还用于确定所述负值寄存器的值是否大于预置的门限值，以便把压控振荡器向正方向偏转一个频率步长。

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