CN101119354B - 估算整数频偏的方法与整数频偏估算装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供估算整数频偏的技术，其中包括：根据多个子载波理想位置以及最大整数频偏推估多个子载波可能位置；依照所述子载波可能位置抽取前导信号以产生多个可能前导图样；计算所述可能前导图样与多个特定前导图样的相关性，令相关性最高的特定前导图样为正确前导图样、并且令与该正确前导图样相关性最高的可能前导图样所依循的子载波可能位置为估算子载波位置；根据该正确前导图样判断所属扇区；根据所属扇区，找出正确子载波位置；以及计算该正确子载波位置与该估算子载波位置之间的偏移量，其值即该整数频偏。

Description

估算整数频偏的方法与整数频偏估算装置
技术领域
本发明涉及一种估算发射器(transmitter)与接收器(receiver)的整数频偏(Integer Carrier Frequency Offset，ICFO)的方法与装置。
背景技术
图1示出了一无线通信系统100(wireless communication system)，其中包括一发射器102以及一接收器104。该发射器102将令一信号s(t)与一信号
Figure GSB00000252880300011
混频，然后由一天线106传播。该天线106所发射的信号将由该接收器104的天线108接收。该天线108所接收的信号将与一信号
Figure GSB00000252880300012
混频。混频后得到的信号为r(t)，其中，
Figure GSB00000252880300013
fΔ为该发射器102与该接收器104之间的一频偏(carrier frequency offset)。该频偏fΔ经此无线通信系统的子载波间距(subcarrier spacing)分割后，将成一整数部分fint与一小数部分ffrac，即fΔ＝fint+ffrac。本发明所欲讨论部分即该整数部分fint，又称整数频偏(Integer Carrier Frequency Offset，ICFO)。
目前已有多篇专利着墨于整数频偏的估算。以美国专利案6,807,241为例，其中采用了七帧信号方求得该整数频偏fint，相当费时。以美国专利案6,058,101为例，其中采用大量的反相傅立叶转换装置(Inverse Fast FourireTransform devices，IFFT devices)将信号转至时域，导致所采用的系统相当复杂。因此，本领域迫切需要得以克服上述传统技术缺点的整数频偏估算技术。
发明内容
本发明提供估算发射器与接收器的整数频偏的方法与装置。本发明仅利用单一帧接收信号内的前导信号即求得发射器与接收器的整数频偏。此外，本发明的信号皆在频域中运算，故不需要使用到反相傅立叶转换装置。
在一种实施方式中，本发明所提出的整数频偏估算方法包括：根据多个子载波理想位置、以及发射器与接收器的最大整数频偏，推估出多个子载波可能位置；依照所述子载波可能位置抽取前导信号，以产生相对的多个可能前导图样；计算所述可能前导图样与多个特定前导图样的相关性；根据正确前导图样判断该前导信号所属的扇区，其中，该正确前导图样即与所述可能前导图样相关性最高的特定前导图样；根据该前导信号所属的扇区，自所述子载波理想位置中找出正确子载波位置；以及计算该正确子载波位置与估算子载波位置之间的偏移量，以求得发射器与接收器的整数频偏，其中，该估算子载波位置即与该正确前导图样相关性最高的可能前导图样所依循的子载波可能位置。
本发明更揭露应用上述整数频偏估算方法的整数频偏估算装置。
为让本发明的上述和其它目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举出数个实施例，并配合附图作详细说明。
附图说明
图1示出了一无线通信系统；
图2示出了WiMAX系统的传播单元的结构；
图3标示WiMAX系统中不同扇区所对应的子载波理想位置；
图4示出了第一扇区的前导信号的子载波理想位置；
图5示出了最大整数频偏为±1的WiMAX系统的子载波可能位置；
图6示出了一说明例，其中比较一正确子载波位置与一估算子载波位置之间的偏移量；以及
图7为本发明的整数频偏估算装置的一种实施方式。
附图符号说明
100-无线通信系统；
102-发射器；
104-接收器；
106、108-天线；
602-正确子载波位置；
604-估算子载波位置；
702-整数频偏估算装置；
704-可能前导图样产生器；
706-传播单元搜寻与整数频偏计算器；
708-前置信号；以及
710-快速傅立叶转换装置。
具体实施方式
在本发明的一实施方式中，本发明所揭露的方法可应用于一正交频分多址(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)技术的相关系统中。此类系统包括正交频分多址存取系统(Orthogonal Frequency DivisionMultiple Access，OFDMA)，如全球微波互通存取系统(WorldwideInteroperability for Microwave Access，WiMAX)。图2示出了WiMAX系统的传播单元的结构(cell structure)。各传播单元可划分为一第一扇区、一第二扇区、以及一第三扇区。该第一扇区所对应的扇区编号为0；该第二扇区所对应的扇区编号为1；并且该第三扇区所对应的扇区编号为2。不同扇区(sector)所传递的前导信号(preamble)在频域上位于不同的位置。图3示出了不同扇区的前导信号的子载波理想位置，其所遵循的公式为n+3k。n代表该扇区的扇区编号。k为整数，其值由0至q。q的大小与该无线通信系统所采用的快速傅立叶转换(Fast Fourier Transform，FFT)装置的尺寸有关。用于传送该前导信号的子载波(subcarrier)的总数为q+1。如图3所示，该第一扇区(该扇区标号n为0)的前导信号的子载波理想位置位于子载波索引0、3、...、(0+3k)、...、(0+3q)。该第二扇区(该扇区标号n为1)的前导信号的子载波理想位置位于子载波索引1、4、...、(1+3k)、...、(1+3q)。该第三扇区(该扇区标号n为2)的前导信号的子载波理想位置位于子载波索引2、5、...、(2+3k)、...、(2+3q)。
在整数频偏为零的状况下，各扇区的前导信号在频域上所在的位置如图3所示的子载波理想位置。若发射器与接收器之间存在整数频偏，各扇区的前导信号于频域上所在的位置将偏离上述子载波理想位置。
在一种实施方式中，系统的子载波间距(subcarrier frequency spacing)约为11kHz，并且其频偏容忍度(tolerable CFO)约为±2ppm。当载波频率约为3.5GHz时，最大的频偏约为14kHz，此值约为该子载波间距的1.25倍。当载波频率约为2.5GHz时，最大的频偏约为10kHz，约为该子载波间距的0.896倍。综上所述，可得知本通信系统的最大整数频偏(ICFO)为±1。当发射器与接收器的整数频偏为+1时，前导信号的子载波位置将由子载波理想位置向右位移一子载波间距。当整数频偏为-1时，前导信号的子载波位置将由子载波理想位置向左位移一子载波间距。图4以第一扇区的前导信号的子载波位置为例。图4最上方波形为第一扇区的前导信号的子载波理想位置，其起始子载波索引为0。图4中间的波形为整数频偏为+1的状况，该子载波理想位置向右位移1，导致起始子载波索引为+1。图4最下方的波形为整数频偏为-1的状况，该子载波理想位置向左位移1，导致起始子载波索引为-1。由图4可知，在最大整数频偏为±1的状况下，第一扇区的前导信号的子载波可能位置有三种，其起始子载波索引分别为-1、0、与+1。同样地，在最大整数频偏为±1的状况下，第二、与第三扇区的前导信号的子载波可能位置亦各有三种。对第二扇区而言，其子载波可能位置的起始子载波索引分别为0、+1、与+2。对第三扇区而言，其子载波可能位置的起始子载波索引分别为+1、+2、与+3。因此，在此例中，若所接收的信号所属的扇区为未知，则前导信号共有五个子载波可能位置，其起始子载波索引分别为-1、0、+1、+2、与+3。图5示出了此五个子载波可能位置，其波形分别为A、B、C、D、与E。
在本发明的一种实施方式中，为了辨别接收器所接收到的信号属于哪一个扇区、并且辨别发射器与接收器之间的整数频偏，必须根据上述所有子载波可能位置抽取接收到的信号，以产生相对上述子载波可能位置的多个可能前导图样。举例说明之，在最大整数频偏为±1的全球微波互通存取系统(WiMAX)中，必须先根据图5所示的子载波可能位置A、B、C、D、与E抽取所接收到的前导信号。抽取动作完毕后所产生的五组信号为分别对应所述子载波可能位置A、B、C、D、与E的五组可能前导图样。表格1为2048-FFT(全球微波互通存取系统的一种规格)所调变的信号的多个特定前导图样，其总数为114个，编号为0至113。表格1中，第一、第二、与第三扇区分别具有38个特定前导图样。藉由所述特定前导图样与所述可能前导图样的相关性，使用者可以判断出所述特定前导图样与所接收到的前导信号的相关性，进而得到一传播单元识别码(Cell ID)以及扇区编号(segment)。该传播单元识别码将指出使用者所在的传播单元。该扇区编号将指出使用者所接收到的信号属于哪一个扇区。
表格1
以最大整数频偏为±1的全球微波互通存取系统为例，根据所述子载波可能位置A、B、C、D、与E所抽取出的五个可能前导图样为A’、B’、C’、D’、与E’(未以图示标示)。由于子载波可能位置A仅可能为第一扇区的信号位移-1的子载波位置，因此其所对应的可能前导图样A’仅需与第一扇区的38个特定前导图样作相关性计算。由于子载波可能位置B可能为第一扇区信号的子载波理想位置、又可能为第二扇区的信号位移-1的子载波位置，故所对应的可能前导图样B’不仅需要与第一扇区的38个特定前导图样作相关性计算，亦必须与第二扇区的38个特定前导图样作相关性计算。由于子载波可能位置C可能为第二扇区的子载波理想位置、又可能为第一扇区或第三扇区的信号位移后的子载波位置，故所对应的可能前导图样C’必须跟所有特定前导图样(共114个)作相关性计算。由于子载波可能位置D可能为第三扇区的子载波理想位置、又可能为第二扇区的信号位移+1的子载波位置，故所对应的可能前导图样D’必须跟第二扇区的38个特定前导图样与第三扇区的38个特定前导图样作相关性运算。由于子载波可能位置E仅可能为第三扇区的信号位移+1后的子载波位置，故所对应的可能前导图样E’仅需跟第三扇区的38个特定前导图样作相关性运算。综上所述，计算可能前导图样与特定前导图样的相关性的过程中，考虑到的特定前导图样的总数将随着上述可能前导图样所依循的子载波可能位置改变。
任何适合的相关性计算方法皆可应用于所述可能前导图样(A’、B’、C’、D’、与E’)与所述特定前导图样(如表格1所示)的相关性计算上。比较双方的相关性后，本发明的一种实施方式将与所有可能前导图样(A’、B’、C’、D’、与E’)具有最高相关性的特定前导图样命名为一正确前导图样。查询表格1，可得该正确前导图样所对应的传播单元识别码与扇区编号。该传播单元识别码将指出使用者所在的传播单元。该扇区编号将指出使用者所接收到的前导信号属于哪一个扇区。根据该前导信号所属的扇区，可得知该扇区的子载波理想位置(如图3所示)，本发明将其命名一正确子载波位置。然而，由于此系统有整数频偏存在，故该正确子载波位置所对应的可能前导图样与该正确前导图样的相关性可能不是所有可能前导图样中最高的。因此，本发明将与该正确前导图样相关性最高的可能前导图样所依循的子载波可能位置命名为一估算子载波位置。该估算子载波位置与该正确子载波位置之间的偏移量即发射器与接收器之间的整数频偏。
举例说明之，假设表格1中第31个特定前导图样与所述可能前导图样A’、B’、C’、D’、与E’具有最高相关性(即此第31个前导图样为该正确前导图样)；并且可能前导图样A’与该正确前导图样(第31个前导图样)具有最高相关性。查询表格1第31个特定前导图样所对应处，其所属扇区为第一扇区(扇区编号为0)。图6上方波形602为第一扇区的子载波理想位置，亦即此说明例的正确子载波位置。图6下方波形604为该可能前导图样A’所依循的子载波可能位置，亦即此实施例的估算子载波位置。比较该正确子载波位置602与该估算子载波位置604，可发现其中具有一偏移量-1。该估算子载波位置604为该正确子载波位置602向左位移1子载波间距而得。由上述分析，可得知本说明例的发射器与接收器之间的整数频偏为-1。
除了根据前导信号所属的扇区得到一扇区编号外，本发明的一种实施方式更将根据上述估算子载波位置指定一估算位置编号。此实施方式将根据该估算位置编号与该扇区编号计算出发射器与接收器之间的整数频偏。
以上述全球微波互通存取系统为例，该第一扇区所对应的扇区编号为0；该第二扇区所对应的扇区编号为1；并且该第三扇区所对应的扇区编号为2。该估算位置编号与该估算子载波位置的一起始子载波索引有关。参阅图5，当该估算子载波位置为A时，该起始子载波索引为-1，故该估算位置编号为-1。依照同样规则，当该估算子载波位置为B、C、D、与E时，该起始子载波索引分别为0、1、2、与3，故该估算位置编号分别为0、1、2、与3。在此实施方式中，该估算位置编号减去该扇区编号后所得的结果即发射器与接收器之间的整数频偏。以图6为例，由于前导信号属于第一扇区，故该扇区编号为0。观察该估算子载波位置604，可发现其起始子载波索引为-1，故该估算位置编号为-1。该整数频偏的值即为(-1)-0＝-1。
图7为本发明的整数频偏估算装置的一种实施方式。该整数频偏估算装置702包括一可能前导图样产生器704以及一传播单元搜寻与整数频偏计算器706。接收器所接收到的一前置信号708将经由一快速傅立叶转换装置710转换至频域。该可能前导图样产生器704将根据多个子载波可能位置抽取一前导信号以产生对应的多个可能前导图样。其中，所述子载波可能位置乃由多个子载波理想位置、以及发射器与接收器的一最大整数频偏推估而得。所述可能前导图样将输入该传播单元搜寻与整数频偏计算器706。该传播单元搜寻与整数频偏计算器706将计算所述可能前导图样与多个特定前导图样的相关性。其中，与所述可能前导图样相关性最高的特定前导图样称为一正确前导图样。根据该正确前导图样，该传播单元搜寻与整数频偏计算器706可判断出该前导信号所属的扇区，并且根据该前导信号所属的扇区自所述子载波理想位置中找出一正确子载波位置。此外，该传播单元搜寻与整数频偏计算器706将找出与该正确前导图样相关性最高的可能前导图样所依循的子载波可能位置，本发明称之为一估算子载波位置。该传播单元搜寻与整数频偏计算器706将计算该正确子载波位置与一估算子载波位置之间的偏移量，其值即发射器与接收器的一整数频偏。在此实施方式中，该传播单元搜寻与整数频偏计算器706所输出的信号712包括该整数频偏与一传播单元搜寻结果。上述整数频偏估算所使用到的前导信号属于单一帧信号，与传统技术需要多帧接收信号相较，其计算速度较快。
以上述全球微波互通存取系统为例，该第一、第二、与第三扇区所对应的扇区编号分别为0、1、与2。该估算位置编号与该估算子载波位置的一起始子载波索引有关。参阅图5，当该估算子载波位置为A时，该起始子载波索引为-1，故该估算位置编号为-1。依照同样规则，当该估算子载波位置为B、C、D、与E时，该估算位置编号分别为0、1、2、与3。在本发明的一种实施方式中，该传播单元搜寻与整数频偏计算器706更包括一减法器(未显示于图中)，用以将该扇区编号自该估算位置编号中减去，以求得该估算子载波位置与该正确子载波位置的偏移量，所得结果即发射器与接收器之间的整数频偏。
本发明虽以数个实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明的范围，任何熟习此项技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视本发明的申请专利范围所界定者为准。

Claims (20)

1.一种估算发射器与接收器的整数频偏的方法，包括：
根据多个子载波理想位置、以及发射器与接收器的最大整数频偏，推估出多个子载波可能位置，所述子载波理想位置是指在所述发射器与接收器之间整数频偏为零的状况下各扇区的前导信号的所述子载波在频域上所在的位置，所述子载波可能位置是指在所述发射器与接收器之间可能存在的整数频偏的取值依次从0值取到最大整数频偏时产生的相应于该可能存在的整数频偏的取值的所述前导信号的子载波在频域上所在的位置；
依照所述子载波可能位置抽取当前接收到的前导信号，以产生相对的多个可能前导图样，所述可能前导图样是指依据多个子载波可能位置对接收到的前导信号进行抽取，所产生的与所述多个子载波可能位置相对应的前导图样；
计算所述可能前导图样与多个特定前导图样的相关性，所述特定前导图样即为IEEE802.16规范中关于全球微波互通存取系统WiMAX规格的伪噪声码；
根据正确前导图样判断该当前接收到的前导信号所属的扇区，其中，该正确前导图样即与所述可能前导图样相关性最高的特定前导图样；
根据该当前接收到的前导信号所属的扇区，自所述子载波理想位置中找出正确子载波位置，所述正确子载波位置是指所述多个子载波理想位置中该当前接收到的前导信号所属的扇区中的子载波理想位置；以及
计算该正确子载波位置与估算子载波位置之间的偏移量，以求得发射器与接收器的整数频偏，其中，该估算子载波位置即与该正确前导图样相关性最高的可能前导图样所依循的子载波可能位置。
2.如权利要求1所述的方法，其中，该前导信号属于单一帧。
3.如权利要求1所述的方法，应用于估算正交频分多址存取系统的发射器与接收器的整数频偏。
4.如权利要求1所述的方法，应用于估算全球微波互通存取系统的发射器与接收器的整数频偏。
5.如权利要求1所述的方法，其中，更包括判断代表该当前接收到的前导信号所属的扇区的扇区编号，以及判断代表该估算子载波位置的估算位置编号，该扇区编号是指所接收到的信号属于哪一个扇区，其中，将第一扇区的前导信号的子载波理想位置的起始子载波所对应的子载波索引设置为0时，该估算子载波位置的起始子载波所对应的子载波索引值即为该估算位置编号。
6.如权利要求5所述的方法，其中，该正确子载波位置与该估算子载波位置之间的偏移量的计算与该估算位置编号和该扇区编号之间的差值有关。
7.如权利要求3所述的方法，其中，该正交频分多址存取系统内各传播单元的第一扇区、第二扇区、以及第三扇区所对应的扇区编号分别为0、1、与2。
8.如权利要求7所述的方法，其中，更包括根据该估算子载波位置的起始子载波索引确定估算位置编号，其中，将第一扇区的前导信号的子载波理想位置的起始子载波所对应的子载波索引设置为0时，该估算子载波位置的起始子载波所对应的子载波索引值即为该估算位置编号。
9.如权利要求8所述的方法，其中，该正确子载波位置与该估算子载波位置之间的偏移量的计算方法为自该估算位置编号减去该扇区编号。
10.如权利要求1所述的方法，其中，计算所述可能前导图样与多个特定前导图样的相关性的过程中，考虑到的特定前导图样的总数随着上述可能前导图样所对应的子载波可能位置改变。
11.如权利要求1所述的方法，其中，所述可能前导图样的总数为五。
12.一种整数频偏估算装置，其中包括：
可能前导图样产生器，根据多个子载波可能位置抽取前导信号以产生对应的多个可能前导图样，其中，所述子载波可能位置乃由多个子载波理想位置、以及发射器与接收器的最大整数频偏推估而得，所述子载波理想位置是指在所述发射器与接收器之间整数频偏为零的状况下各扇区的前导信号的所述子载波在频域上所在的位置，所述子载波可能位置是指在所述发射器与接收器之间可能存在的整数频偏的取值依次从0值取到最大整数频偏时产生的相应于该可能存在的整数频偏的取值的所述前导信号的子载波在频域上所在的位置；
传播单元搜寻与整数频偏计算器，计算所述可能前导图样与多个特定前导图样的相关性，根据正确前导图样判断当前接收到的前导信号所属的扇区，该正确前导图样即与所述可能前导图样相关性最高的特定前导图样，根据该当前接收到的前导信号所属的扇区自所述子载波理想位置中找出正确子载波位置，以及计算该正确子载波位置与估算子载波位置之间的偏移量以求得发射器与接收器的整数频偏，该估算子载波位置即与该正确前导图样相关性最高的可能前导图样所依循的子载波可能位置，所述可能前导图样是指依据多个子载波可能位置对接收到的前导信号进行抽取，所产生的与所述多个子载波可能位置相对应的前导图样，所述特定前导图样即为IEEE802.16规范中关于全球微波互通存取系统WiMAX规格的伪噪声码，所述正确子载波位置是指所述多个子载波理想位置中该当前接收到的前导信号所属的扇区中的子载波理想位置。
13.如权利要求12所述的整数频偏估算装置，其中，该前导信号属于单一帧。
14.如权利要求12所述的整数频偏估算装置，应用于正交频分多址存取系统。
15.如权利要求12所述的整数频偏估算装置，应用于全球微波互通存取系统。
16.如权利要求14所述的整数频偏估算装置，其中，该正交频分多址存取系统内各传播单元具有第一扇区、第二扇区、以及第三扇区，当该当前接收到的前导信号属于该第一、第二、或第三扇区时，该传播单元搜寻与整数频偏计算器更将分别指定扇区编号为0、1、或2。
17.如权利要求16所述的整数频偏估算装置，其中，该传播单元搜寻与整数频偏计算器更将根据该估算子载波位置的起始子载波索引确定估算位置编号，其中，将第一扇区的前导信号的子载波理想位置的起始子载波所对应的子载波索引设置为0时，该估算子载波位置的起始子载波所对应的子载波索引值即为该估算位置编号。
18.如权利要求16所述的整数频偏估算装置，其中，该传播单元搜寻与整数频偏计算器更包括减法器，用以自一估算位置编号减去该扇区编号，以计算该正确子载波位置与该估算子载波位置之间的偏移量，其中，将第一扇区的前导信号的子载波理想位置的起始子载波所对应的子载波索引设置为0时，该估算子载波位置的起始子载波所对应的子载波索引值即为该估算位置编号。
19.如权利要求12所述的整数频偏估算装置，其中，该传播单元搜寻与整数频偏计算器计算上述可能前导图样与多个特定前导图样的相关性的过程中所考虑到的特定前导图样的总数将随着上述可能前导图样所对应的子载波可能位置改变。
20.如权利要求12所述的整数频偏估算装置，其中，所述可能前导图样的总数为五。
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