CN100534076C - 具有初始频率估计值和反馈路径的频率误差修正系统 - Google Patents

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Abstract

一种接收单元，包括一同步数据检测部分及一频率误差修正部分。该同步数据检测部分检测所接收通讯信号中包含的预定义的同步数据，并计算所接收通讯信号的频率误差的初始估计值(300)。该频率误差修正部分根据各频率误差估计值而修正所接收通讯信号的频率(330)从该同步数据检测部分接收用于第一频率误差修正的初始频率误差估计值(320)。

Description

具有初始频率估计值和反馈路径的频率误差修正系统
技术领域
本发明大致涉及一种频率误差修正单元及方法，尤其涉及一种在无线局域网络(Wireless Local Area Network，简称WLAN)通讯系统中的接收机。
背景技术
在通讯系统中，对接收机重要的是要与发射机同步，以便在发射机与接收机之间成功地交换信息。在一无线电通讯系统中，尤其重要的是要将接收机调谐到发射机的频率，以便得到最佳的接收。
无线局域网络(以下简称为WLAN)是一种被实施成有线局域网络的延伸或替代的可弹性使用的数据通讯系统。WLAN系统利用射频或红外线技术而经由空气传输及接收数据，以便尽量减少对有线联机的需求。因此，WLAN系统将数据联机能力与用户移动能力结合。
目前大部分的WLAN系统使用扩频(spread-spectrum)系统，这是一种为了用于可靠且安全的通讯系统而开发的宽带射频技术。扩频技术被设计成以频宽效率来换取可靠性、完整性、及安全性。目前经常使用了两类的扩频无线电系统：跳频(frequencyhopping)及直接序列(directsequence)系统。
在直接序列扩频系统中，是利用具有高许多的频率及信息位速率的字码(code word)或符号将每一数据位编码，而实现扩频。将在一较宽的频宽中的信号进行扩频时，将产生一较低的功率谱密度(powerspectrum density)，因而其它的通讯系统较不可能受到传输该直接序列扩频信号的装置的干扰。直接序列扩频采用发射机及接收机都知道的一虚拟随机噪声字码来扩展数据。该字码包含被要传输的信息位进行乘法运算(或互斥运算exclusive-ORed)的一个＂片＂(＂chips＂)的序列。许多无线网络符合IEEE802.11标准，该标准采用公知的Barker码对数据进行编码及扩展。Barker字码包含一预定序列的十一个片。其在由一包含信息的符号所占用的时间间隔中传输一个完整的Barker字码。
为了可进行较高数据传输速率的传输，IEEE802.11标准被扩展到IEEE802.11b。除了11位的Barker片之外，IEEE802.11b标准将8位互补码移位键(Complementary Code Keying，简称CCK)算法用于高数据传输速率的传输。
采用包括正交相移键控(Quadrature Phase-Shift Keying，简称QPSK)调制的较高阶调制技术，即可将数据传输速率提升到高于符号速率。根据此种调制技术，以一较大数目的可能相位来代表每一位。因此，发射机产生两个信号，亦即被称为＂同相(in-phase)＂(I)信号或＂I频道＂的第一信号、以及其为在相同频率上的90°相移正弦载波且被称为＂正交(quadrature)＂(Q)信号或＂Q频道＂的第二信号。
使用直接序列扩频技术的无线LAN的IEEE802.11标准采用一训练(train)前置码来训练接收机至发射机。每一传输的数据信息包含一初始训练前置码、及接续的数据域位。该前置码包含一同步字段，用以确保接收机可执行必要的同步作业。对于前置码长度而言，已界定了两个选项，亦即一长前置码及一短前置码。所有符合802.11b的系统都必须支持长前置码。该标准中提供了短前置码选项，以便在传输诸如语音及视讯等的特殊数据时改善网络传输率的效率。长前置码的同步字段包含128个位，而短前置码的同步字段包含56个位。
接收机检测同步符号，并使接收机的内部频率对准该同步字段中的符号，以便建立一固定的基准帧时帧，且利用该固定的基准帧时帧来解译该前置码之后的传输帧结构中的各字段。在每一信息(数据封包)开始时传输其中包括同步字段的前置码。
当操作一无线LAN接收机时，码同步是必要的，这是因为该码是将所需的信息解扩频(despreading)的解钥。当到达接收机的编码后信号在其码帧面(pattern)位置及其片生成率上都符合精确的时序时，即实现了一良好的同步。
接收机及发射机中的振荡器由于制造上的不完美及不同的温度等的因素，可能会提供不同的频率，因而将造成基频带信号的频率漂移。此种频率差异或频率偏移以接收机端的频率误差修正单元修正。
现在请参阅图1，重复地取得一频率误差估计，并根据所取得的频率误差估计而对输入信号执行一频率误差修正，即可获得频率同步。此种修正程序系在一反馈循环中重复地执行。
现在将参照图2而说明用来执行图1所示的频率误差修正的频率误差修正单元。该频率误差修正单元是用来获得所接收信号的频率同步的处理回路。所接收的信号200被施加到混频器210。混频器210的输出被传送到频率误差检测器230，以便计算频率误差。经由具有一预定滤波功能的回路滤波器240及数值控制振荡器250(Numerically ControlledOscillator；简称NCO)处理频率误差检测器230的输出。该数值控制振荡器(NCO)的输出也被施加到混频器210，而完成用来修正所检测到的频率误差的该频率回路。
频率误差修正单元仍然有若干问题。一个问题是：该频率误差修正单元需要若干耗时的反复步骤，以便获得接收机频率与输入信号间的频率同步。此外，只有在完成了该反馈循环之后，才可能进行第一频率误差修正。
发明内容
本发明提供一种可较快地获得频率同步的改进的频率误差修正。
本发明的一个方面，设有一频率误差修正单元，用以根据所接收的通讯信号的检测的频率误差而修正该通讯信号的频率。该频率误差修正单元具有：用来接收该通讯信号的第一输入端、用来接收初始频率误差估计值的第二输入端、以及用来接收反馈频率误差估计值的第三输入端。该频率误差修正单元的输出端提供频率修正后的通讯信号，其中系根据该初始频率误差估计值而执行对该输入信号的第一频率误差修正。
本发明的另一个方面，通讯系统中设有接收单元，用以接收通讯信号，该通讯信号包含预定义的同步数据。该接收单元包含同步数据检测部分及频率误差修正部分。该同步数据检测部分检测所接收通讯信号中的该预定义的同步数据，并计算该通讯信号的频率误差的初始估计值。该频率误差修正部分根据各频率误差估计值而修正所接收通讯信号的频率，其中自该同步数据检测部分接收初始频率误差估计值。
本发明的另一个方面，提供一种在通讯系统中的频率误差修正方法，用以修正其中包含预定义的同步数据的所接收的通讯信号的频率。在检测该预定义的同步数据期间，取得所接收通讯信号的初始频率误差估计值。根据所取得的初始频率误差估计值，而对所接收通讯信号的频率执行初始修正。然后，接收反馈频率误差估计值，并由此执行频率误差修正。
本发明的另一个方面，提供一种在通讯系统中的接收通讯信号的方法。该通讯信号包含预定义的同步数据。在接收到该通讯信号之后，在检测所接收的该通讯信号的预定义的同步数据期间，计算初始频率误差估计值。根据该初始频率误差估计值，而对所接收通讯信号的频率执行第一修正。然后，取得若干反馈频率误差估计值，并由此执行频率误差修正。
在又一个实施例中，相位差误差检测器依近似值计算决定该初始频率误差估计值。
在又一个实施例中，该相位差
Figure C03806760D00081
从接收的通讯信号的复数信号分量I和Q利用下述的公式作逼近：
Figure C03806760D00082
在又一个实施例中，该相位差
Figure C03806760D00083
从接收的通讯信号的复数信号分量I和Q利用下述的公式作逼近：
Figure C03806760D00084
在又一个实施例中，在获得传送帧同步期间计算初始频率误差估计值。
在又一个实施例中，该接收单元为无线LAN接收器。
本发明的另一个方面，提供一种在通讯系统中的接收通讯信号的方法。该通讯信号包含预定义的同步数据。在接收到该通讯信号之后，在检测所接收的该通讯信号的预定义的同步数据期间，计算初始频率误差估计值。根据该初始频率误差估计值，而对所接收通讯信号的频率执行第一修正。然后，取得若干反馈频率误差估计值，并由此执行频率误差修正。
在又一个实施例中，相位差误差检测器依近似值计算决定该初始频率误差估计值。
在又一个实施例中，该相位差
Figure C03806760D00091
从接收的通讯信号的复数信号分量I和Q利用下述的公式作逼近：
Figure C03806760D00092
在又一个实施例中，该相位差从接收的通讯信号的复数信号分量I和Q利用下述的公式作逼近：
Figure C03806760D00094
在又一个实施例中，在获得传送帧同步期间计算初始频率误差估计值。
附图说明
各附图包含在本说明书中，且构成本说明书的一部分，以便解说本发明的原理。不得将这些附图视为对本发明的限制，而只是用来例示并说明如何制作并使用本发明的一些例子。若参照前文中对本发明较详细的说明，并配合各附图，将可易于了解进一步的特征及优点，这些附图有：
图1是频率误差修正程序的流程图；
图2是频率误差修正单元的各组件的方块图；
图3是修正接收的通讯信号中的频率误差的程序的流程图；
图4是通讯系统的接收单元中包含的频率误差修正单元的各组件的方块图；
图5是图4的频率误差修正单元的组态中所示的回路滤波器模块组态的一部分的方块图；
图6是图4所示组态中包含的数值控制振荡器模块的一组态的方块图；
图7是图4的组态中所示的一混频器模块的一组态的方块图；
图8表示在采用第一近似法则时频率误差计算的近似法的一例；以及
图9表示在采用第二近似法则时频率误差计算的近似法的一例。
具体实施方式
现在将参照各附图而说明本发明的实施例。
现在请参阅各附图，尤其请参阅图3，图中示出将于本文中说明的用于频率误差修正的处理序列。首先，在步骤300中，自所接收的通讯信号取得初始频率误差估计值。在步骤310中，输入的通讯信号根据该初始频率误差估计值而接受第一频率误差修正。该初始频率误差估计提供用来启动该频率误差修正单元的频率误差估计值。由于一开始就对通讯信号进行了修正，因而可减少使所接收通讯信号的频率与接收机频率同步所需的反复步骤的数目，所以该处理架构可有利地缩短后续传统的频率误差修正程序。
在该第一频率误差修正之后，在一闭循环中使输入的通讯信号的频率同步，该闭循环包含下列步骤：估计经过频率修正后的通讯信号的频率误差(步骤320)；以及修正输入的通讯信号的频率(步骤330)。通过提供初始频率误差估计及修正(步骤300、310)，即可采用较小数目的修正步骤且在一段较短的时间中，获得频率同步。
用来执行上文所述获得频率同步的过程的接收机架构表示于图4的方块图。所接收的通讯信号410被施加到一同步数据检测器420及一混频器430。数值控制振荡器440(NCO)的输出亦被传送到混频器430。混频器430的经过频率修正的输出信号被施加到频率误差检测器450，以便进行频率误差估计。自同步单元420或频率误差检测器450接收的各频率误差估计值被施加到一回路滤波器460。回路滤波器460选择其中一个所测量的频率误差估计值，且该频率误差估计值又被施加到数值控制振荡器440(NCO)，而完成了用来修正所检测的频率误差的频率回路。
现在将参照图4的方块图而说明获得频率同步的过程。输入的通讯信号的每一传输的数据信息都包含初始训练前置码。利用一调制架构来传输其中包括由128或56个符号构成的同步字段的该前置码，而在该调制架构中，I频道及Q频道包含这些数据信息。接收机检测这些同步符号，并使接收机的内部频率对准该同步字段中的这些符号，以便建立固定的基准时帧，且利用该固定的基准帧时帧来解译该同步字段之后的各字段。同步单元420(特指前置码检测器PDT)首先检测无线LANIEEE讯帧。前置码检测单元420亦提供对会造成传输的与接收的通讯信号间的频率误差的发射机及接收机中的各自本机振荡器间的频率误差的估计。可根据将于下文中更详细地概述的一些预定近似法而计算该初始频率估计值。
然后经由具有一预定义的滤波功能的回路滤波器460及数值控制振荡器440(NCO)处理该频率误差估计值。该混频器430被连接而接收将要进行频率修正的输入的通讯信号410，且该混频器430被连接到数值控制振荡器440，以便控制混频器430的作业。混频器430根据数值控制振荡器440提供的接收信号，而使所接收的通讯信号接受频率修正。
在该初始频率误差修正之后，由自混频器430接收反馈输出的频率误差估计单元450、回路滤波器460、数值控制振荡器440、及混频器430构成频率同步回路，而完成该回路。该同步作业相当于前文中参照图2所述的频率误差估计及修正程序。
上文所述的配置可有利地改进传统无线LAN接收机之处在于：尤其通过取得一从位于传统通讯信号频率同步处理部分上游的独立处理部分提供给该同步回路的第一频率误差估计值，而缩短的频率同步。将立即把一开始即取得的频率估计值用来作为该频率误差修正单元中的初始值，因而加速了同步程序。
图5是根据本发明一实施例的回路滤波器460的一部分的较详细的方块图。回路滤波器460自两个不同的来源接收频率误差估计值，亦即，接收来自外部来源的初始频率误差估计值、以及经由一反馈路径而提供的后续频率误差估计值。为了选择用来控制输入的通讯信号的频率误差修正的适当的频率估计值，回路滤波器460包含一选择器500。
选择器500连接到诸如根据本发明的较佳实施例的前置码检测器420的外部来源，以便接收初始频率误差估计值。此外，选择器500连接到位于反馈路径中的频率误差检测器450，以便接收后续的频率误差估计值。此外，选择器500还连接到控制单元(图中未示出)，该控制单元提供信号，用以针对现有的频率误差估计值而选择适当的来源。选择器500根据所接收的控制信号530而输出一适当的频率误差估计值，且将该频率误差估计值施加到数值控制振荡器440。于初始阶段，在检测到传输讯帧的前置码之后，选择器500提供自该前置码检测器接收的初始频率误差估计值。然后，将频率误差检测器450所产生的频率误差信号施加到数值控制振荡器440。
请参阅图6，图中示出一数值控制振荡器440(NCO)的一实施例。该数值控制振荡器自回路滤波器460接收的输入信号540被传送到一积分器610。可将积分器610被设定成将其延迟后的输出信号加到其接收的输入信号540。该积分器的输出被连接到查询表(LUT)装置620、630，以便提供复数输出信号640、650，且这些复数输出信号640、650被施加到混频器430。
请参阅图7，图中示出混频器430的一实施例。混频器430使所接收的复数通讯信号接受频率修正，并输出经过频率修正的复数信号。如图7所示，将该复数通讯信号乘以数值控制振荡器440所产生的复数信号。更具体而言，是将系将每一输入样本的复数输入信号乘以自该数值控制振荡器接收的共轭复数值。每一输入信号被各别地连接到四个乘法器710、720、730、740中的一个乘法器，且每一乘法器被连接到输入复数通讯信号的一个分量及复数修正信号的一个分量。
在该无线LAN接收机中是以若干额外的处理模块(图中未示出)进一步处理混频器430的输出信号，在此同时，反馈频率误差估计并进行修正。
根据一实施例，在前置码检测器420中的前置码检测期间计算频率误差估计值。该前置码检测器提供前置码检测信号、及频率误差的初始估计值，作为输出信号。该前置码检测器提供初始频率误差估计的额外工作并不会使硬件配置有大幅增加的复杂性，这是因为前置码检测运行本身即可提供取得第一频率估计值所需的信号成分。
该前置码检测器量测所接收通讯信号的一个相位差误差，亦即，所接收的及经差动解调的通讯信号相对于理想信号集的旋转角。
可根据下列方程式来计算作为频率误差的典型近似法的相位差误差：
其中Q及I对应于在对前置码检测器内的所接收通讯信号进行差动解调之后的各复数分量。
采用诸如下文所述的两种近似法中的一种近似法，即可计算出上述方程式的近似结果。所述的第一种近似法是基于下列假设：
arc tan x≈x
根据该假设，可将相位差计算近似为下式：
Figure C03806760D00132
当所采用的硬件配置中可使用除法运算时，最好是使用此类的相位差计算近似法。
在第二种近似法中，假设接收单元的功率标准化(powernormalization)正确地运作。在此种状况下，下列的假设是有效的：
Q≈Qo≈1
I≈Io≈1
根据这些假设，可将相位差近似为下式：
因为所述的该第二种近似法只需最低的硬件配置因而可能是有利的。
上述的两种近似法将产生不同程度的近似误差。图8及图9中分别示出这两种近似法所产生的近似误差。如图8及图9所示，当采用第二种近似法时，近似误差的量增加了。因此，在所产生的近似误差超过所需的一个近似误差范围时，应选择第一种相位差近似法。
虽然已参照前文所述的两种近似法说明了由一前置码检测器执行的相位差误差检测，但是并非将本发明限制在这些近似法。熟习此项技术者当可了解，亦可采用其它的近似法，或者甚至可以不采用任何近似法。
工业上的应用
显然，本发明益于使用在工业制程和产品上。

Claims (10)

1.一种在通讯系统中用来修正所接收的通讯信号的频率的频率误差修正单元，包含：
用来接收通讯信号的第一输入端；
用来接收初始频率误差估计值的第二输入端；
用来接收反馈频率误差估计值的第三输入端；以及
用来提供经频率误差修正后的通讯信号的输出端；
其中于该第二输入端接收的该初始频率误差估计值在同步数据检测期间被计算，该同步数据包括在该通讯信号中；
其中该频率误差修正单元进一步包括为输出频率误差估计值而接收该初始频率误差估计值和该反馈频率误差估计值并由此进行频率误差修正的选择器(500)，该选择器(500)首先选择该初始频率误差估计值并随后选择该反馈频率误差估计值，以便根据初始频率误差估计值而对通讯信号的频率进行初始的修正，再根据反馈频率误差估计值而进行后续的频率修正。
2.如权利要求1所述的频率误差修正单元，其中该第二输入端连接到一同步数据检测装置(420)，以便检测通讯信号中包含的同步数据。
3.如权利要求2所述的频率误差修正单元，其中该同步数据包含在该通讯信号中的传输帧的前置码中，且该同步数据检测装置(420)是前置码检测器。
4.如权利要求3所述的频率误差修正单元，其中该初始频率误差估计值是在获得传输帧同步期间被确定。
5.如权利要求1所述的频率误差修正单元，其中该第三输入端被连接到经过后续频率修正的通讯信号的反馈路径中所设的频率误差检测器(450)。
6.一种在通讯系统中的接收单元，用以接收通讯信号，该通讯信号包含预定义的同步数据，该接收单元包含：
同步数据检测部分(420)，用以检测所接收通讯信号中的该预定义的同步数据，并计算所接收通讯信号的频率误差的初始估计值；
频率误差修正部分(430，440，450，460)，用于根据各频率误差估计值而修正所接收通讯信号的频率，其中自该同步数据检测部分(420)接收初始频率误差估计值；以及
该频率误差修正部分(430，440，450，460)包括频率误差检测器(450)，用于检测反馈频率误差估计值；
其中该频率误差修正部分(430，440，450，460)进一步包括选择器(500)，用于选择该初始频率误差估计值并随后选择该反馈频率误差估计值，以便根据初始频率误差估计值而对该通讯信号的频率进行初始修正，再根据反馈频率误差估计值而进行后续的频率修正。
7.如权利要求6所述的接收单元，其中从位于经过后续频率修正的通讯信号的反馈路径中的该频率误差检测器(450)取得在该初始频率误差估计值之后的所述反馈频率误差估计值。
8.如权利要求6所述的接收单元，其中该同步数据检测部分(420)包含一相位差误差检测器，用于确定该初始频率误差估计值。
9.一种在通讯系统中的频率误差修正方法，用于修正所接收的通讯信号的频率，该通讯信号包含预定义的同步数据，该方法包含下列步骤：
接收该所接收的通讯信号的初始频率误差估计值并接收反馈频率误差估计值，其中该所接收的通讯信号的该初始频率误差估计值是在检测该所接收的通讯信号中的该预定义的同步数据期间取得；
选择该所接收的通讯信号的该初始频率误差估计值或该反馈频率误差估计值两者之一，其中先选择该初始频率误差估计值其次选择反馈频率误差估计值；
根据先选择的该初始频率误差估计值，而对该所接收的通讯信号的频率进行初始修正(310)；以及
随后依据该其次选择的反馈频率误差估计值修正(330)该所接收的通讯信号的频率。
10.如权利要求9所述的频率误差修正方法，其中该同步数据是该通讯信号中包含的传输帧的前置码的一部分。
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