CN101401380B - 一种用于确定在无线通信接收机处的频率偏移的方法、装置及接收机 - Google Patents

Abstract

提供了一种频率跟踪方法和装置。接收机接收OFDM符号并且确定相关的频率偏移。频率误差估计器选择互相关窗，以便基于定时偏移来确定频率偏移。符号定时估计器用于确定定时偏移。

Description

一种用于确定在无线通信接收机处的频率偏移的方法、装置及接收机

技术领域

本发明的公开一般涉及电子通信，更具体地，涉及无线通信中的频率跟踪技术。

背景技术

典型地，接收在无线通信信道上发送的信号包括校正频率偏移。频率偏移可以由各种问题引起，例如，发射机和接收机处的不同的振荡器频率、通信信道误差、多普勒频移，或其它通信问题。一般，基于OFDM符号中的采样之间的互相关来实现OFDM符号的频率跟踪，以便检测频率偏移。通常，形成OFDM符号，使其在符号的开头和结尾之间具有直接相关。

在动态通信环境中，OFDM符号边界可以从一个符号改变到另一个。然而，传统频率跟踪方法将符号边界视为恒定的。因此，在本领域中需要一种改进的频率跟踪处理，其在跟踪以及校正频率偏移时考虑改变的符号边界。

发明内容

用于动态地跟踪通信系统中的频率的接收机的一个实施例包括：用于选择互相关窗并且确定与接收符号相关联的频率偏移的频率误差估计器，用于确定与接收符号相关联的定时偏移的时间跟踪设备，以及解调器，其中频率误差估计器至少部分地基于时间跟踪设备所提供的数据来选择相关窗。

用于动态地跟踪无线通信网络中的频率的频率跟踪装置的一个实施例包括：用于计算与接收数据符号相关联的频率偏移的相关装置，以及用于从将要用来计算频率偏移的接收数据符号中确定多个采样的频率控制窗确定单元，其中，频率控制窗确定单元接收用于指示定时偏移的数据，并且多个采样是基于定时偏移的。

公开了一种用于确定无线通信接收机处的频率偏移的方法的一个实施例，其中该接收机接收OFDM符号，该方法包括：确定是否存在与OFDM符号相关联的定时偏移，并且确定与OFDM符号相关联的频率偏移，其中，如果存在定时偏移，那么用定时偏移的量来确定频率偏移。

公开了一种包含指令集的计算机可读存储介质的实施例，处理器用该指令集来执行用于确定无线通信接收机处的频率偏移的方法。指令集包括：用于接收指示与数据符号相关联的定时偏移的数据的例程，用于至少部分地基于定时偏移来从数据符号选择多个采样的例程，以及用于使用所选择的多个采样来执行互相关运算以确定频率偏移的例程。

接收机的另一个实施例包括：用于接收指示与数据符号相关联的定时偏移的数据的模块，用于至少部分地基于定时偏移来从数据符号选择多个采样的模块，以及用于使用选择的多个采样来执行互相关运算以确定频率偏移的模块。

要理解的是，通过以下详细的描述，本发明的其它实施例将对本领域的技术人员变得显而易见，其中通过示例显示并且描述了本发明的各种实施例。我们将要认识到，在不脱离本发明的精神和范围的前提下，本发明能够具有其它不同的实施例，并且其各种细节能够具有多方面的修改。因此，将附图和详细的描述视为本质上示例性的并且不是限制性的。

附图说明

图1是示出了与接收机通信的发射机的实例的概念性的方框图；

图2是示出了OFDM调制器的功能的概念性的方框图；

图3是OFDM符号的图像示例图；

图4是同步/信道估计框的概念性的方框图；

图5是符号定时检测器和频率误差估计器的概念性的方框图；

图6是示出了用于选择互相关窗的处理的定时图；

图7是示出了当存在定时偏移的时候选择互相关窗的处理的定时图；

图8是示出了频率误差估计器的操作的流程图；以及

图9是频率误差估计器的概念性的方框图。

具体实施方式

提供了用于在无线电信系统中确定频率偏移的频率跟踪设备和方法。可以使用诸如多址系统的一种或多种类型电信系统来实现该设备和方法。多址系统的是实例包括码分多址(CDMA)、正交频分复用(OFDM)以及其它多址方法。下文给出了包括OFDM系统的示例性实施例。

图1描绘了在通信网络中与接收机120通信的发射机110的概念性的方框图。发射机110可以包括传输处理器112、调制器114和传输单元116。接收机120可以包括接收单元122、解调器124、接收机处理器126和信道估计/定时同步单元128。

传输处理器112接收引入数据并且处理该数据以生成多个数据符号。还可以处理导频数据以生成导频符号。处理数据可以包括使用一个或更多已知通信编码方案来对数据进行编码。然后，将处理的数据符号发送到调制器114。

调制器114将数据和导频符号多路复用到恰当的子带和符号周期，以生成调制符号。传输单元116将调制符号转变成模拟信号。传输单元116也可以用于放大、滤波以及上变频模拟信号，以生成调制信号。可以将调制信号经由天线发送到接收机120。

可以通过天线来接收来自发射机110的调制信号，并将其提供给接收单元122。接收单元122处理接收信号并且将已处理的信号数字化，以产生输入采样流。该处理可以包括滤波、放大以及下变频信号。

解调器124在输入采样上执行解调，以获取接收数据和导频符号。解调器124也可以在接收符号上用信道估计执行检测，以获取数据符号，该数据符号是对发射机110发送的数据符号的估计。解调器124向接收机处理单元126提供检测符号，接收机处理单元126处理检测数据符号并且提供解码数据。

信道估计/定时同步单元128从接收单元122接收输入采样，并且处理该采样以确定信道估计和符号定时。将符号定时和信道估计提供给解调器124，并且还可以将其提供给接收机处理单元126。解调器124可以使用符号定时来解调采样和信道估计，以检测接收数据符号。

正交频分复用(OFDM)是电信系统可以实现的技术的实例。OFDM 是一种在以精确的频率间隔开的大量载波上分发数据的技术。该间隔提供了“正交性”，该“正交性”防止接收机看到除了该接收机所需要的频率之外的频率。可以使用其它电信技术。

图2示出了OFDM调制器114。OFDM调制器200可以包括符号到子带映射单元202、离散傅里叶逆变换(IDFT)单元204、并串变换器206和循环前缀生成器208。

将处理的符号，以数据、导频和零符号的形式，提供给符号到子带映射单元202。符号到子带映射单元202基于所提供的子带控制信号，将这些符号映射到恰当的子带。针对每个OFDM符号周期，映射单元202在用于数据或导频传输的每个子带上提供一个数据或导频符号，以及对于每个未用的子带提供零信号。另外，映射单元202向N个总子带提供N个发送符号，其中每个发送符号可以是数据符号、导频符号或零符号。

离散傅里叶逆变换(IDFT)单元204在每个符号周期接收发送符号并且用N点IDFT将发送符号变换为时域，并且提供包含N个时域采样的变换符号。每个采样是在一个采样周期发送的复数值。如果N是2的幂，那么执行N点快速傅里叶逆变换(IFFT)而非IDFT。

并串变换器(P/S)206将每个变换符号的N个采样串行化。然后，循环前缀生成器208在符号的开头插入变换符号的循环前缀采样的结尾部分的复本。生成的循环前缀用于抵抗由通信信道中的长时间延迟扩展所引起的符号间干扰和载波间干扰。在一个实施例中，循环前缀的长度可以为512，同时变换符号的大小是N＝4096个采样。

图3描绘了OFDM符号的图形实例。如302所绘，可以通过IDFT单元204对符号到子带映射单元202所接收的N个导频/数据/零符号进行变换，并且将其串行化以生成具有N个采样的变换符号，如304处所绘。循环前缀生成器208通过拷贝来自变换符号的末端的C个采样并且将这些采样放置到该符号的开头以形成循环前缀，完成OFDM符号，如306处所绘。OFDM符号具有N+C个采样。

图4更详细地描绘了信道估计/定时同步单元128。信道估计/定时同步单元128可以包括频率误差估计器404、频率校正单元406、信道估计器408，以及符号定时估计器410。

将来自接收单元122的输入采样提供给频率误差估计器404和频率校正单元406两者。频率误差估计器404可用于估计出现在接收OFDM符号中的频率偏移。该频率偏移可以是由于各种源(例如，发射机和接收机处的振荡器)的频率的不同、多普勒频移或其它信道条件所导致的。频率误差估计器404可用于对符号边界中通过符号定时估计器410所检测的改变做出反应，并且可以至少部分地基于这些改变来确定频率偏移。可以将频率误差估计器404的输出应用到频率校正单元406，以校正检测的频率偏移。

符号定时检测器410可用于估计符号边界中的改变，并且确定与该改变相关联的定时偏移。可以提供OFDM采样计数器(未显示)，用于保持跟踪采样索引。符号定时检测器410可以用于调整OFDM采样计数器以校正定时偏移。

可以将信道估计器408用于计算时域信道估计。只要有效时域信道估计可用，信道估计器408就可以通过发送用于指示信道估计已经准备好的信号来通知符号定时检测器410。也可以将信道估计器408用于周期性地向符号定时检测器410发送更新请求。一旦接收更新请求，符号定时检测器410基于时域信道估计，计算定时偏移。可以将定时偏移反馈到信道估计器408，并且也可以将其提供给频率误差估计器404，如下文所描述。还在解调器124内使用定时偏移，以确定接收的OFDM符号的N个采样的有用部分。符号定时检测器410也可以向频率误差估计器404提供用于指示第一和最后符号到达路径(分别是FAP和LAP)的信息。FAP是来自发射机的第一反射路径的到达相对于当前定时参考的延迟，其中当前定时参考是由观察的符号边界所给出的。类似地，LAP是来自发射机的最后的反射路径的到达相对于当前定时参考的延迟。这在图6中绘出了。

图5描绘了符号定时检测器410和频率误差估计器404之间的交互。符号定时检测器410可以包括信道估计接收单元502和时间跟踪器504。频率误差估计器可以包括相关窗确定单元512、互相关器514，以及频率估计计数器516。

信道估计接收单元502可以用于从信道估计器408接收时域信道估计。此外，信道估计接收单元502从信道估计器408接收更新请求。一旦接收 更新请求，信道估计接收单元502向时间跟踪器504通知需要确定新的定时偏移。时间跟踪器504计算定时偏移并且向频率误差估计器404处的窗确定单元512提供符号定时信息，例如，FAP、LAP和定时偏移。

窗确定单元512可以确定用于执行互相关的采样的数量L。时间跟踪器504向窗确定单元512提供定时偏移信息，以及用于指示第一和最后到达符号路径的信息。根据一些实施例，L可以是基于定时偏移的。可以通过用户或管理者来配置定时偏移值和L之间的关联。以下是确定L的值得一个实例：

当上文所述的用于跟踪采样索引的独立OFDM计数器达到计数的值开头的时候，频率估计计数器516可以开始计数。然后，在开头的时刻开始收集L个采样。该开头可以是基于延迟扩展、循环前缀中的采样的数量、第一到达路径和采样窗L的。例如，可以基于以下方程式来计算该开头：

其中FAP是第一到达路径的位置，偏移是定时偏移中的采样的数量，D是延迟扩展，CP是循环前缀中的采样的数量，以及L是相关窗中的采样的数量。可以在同一OFDM符号期间计算开头和L的新值，其中在该相同的OFDM符号期间，时间跟踪器计算新偏移值。

当OFDM符号计数器达到开头时，频率估计计数器516从零开始计数，并且一直计数到N-1+L(其中N是符号大小)之后停止。在相关窗L中使用的采样是与频率估计计数器516值[0，L-1]和[N-1+L]相对应的采样。

互相关器514使用确定的采样执行互相关运算，以确定频率偏移。可以使用以下方程式计算第m个OFDM符号的频率偏移：

其中，是频率偏移，G_D是检测器增益，r是OFDM符号的接收采样以及k是采样索引。

现在参考图6，将描述了用于当未提供定时偏移时选择用于确定频率误差估计的互相关窗的处理。如602处所绘的，OFDM计数器在观察符号边界处开始计数。使用可从时间跟踪器得到的LAP和FAP信息，可以选择希望的采样集用于频率互相关。

可以选择相关窗，使得使用来自第一和最后到达路径的循环前缀内容的相等部分。将其示为有用的互相关能量604。如所示，有用的采样x的数量为

$x=\frac{1}{2}(L+\mathrm{CP}-D)$

其中，L是相关中的采样的数量，CP是循环前缀以及D是延迟扩展。因为没有时间偏移，所以开头的采样为

图7示出了定时偏移是非零的情况。假设符号定时估计器已经检测到符号边界中的改变并且已经计算出定时偏移小于零。通过OFDM采样计数器获取OFDM符号边界中导致的改变，其中对其进行调整以反映偏移。即，从当前OFDM采样计数器值减去定时偏移。

702处绘出了FAP和LAP之间的实际中点。然而，希望的中点可以位于704处绘出的D_mid处，并且其导致观察符号边界的移动量为时间偏移的量。在信道的位置和符号边界的地点之间存在相关。

如图7中所绘，L的值几乎等于CP。这样，在计数器翻转点处的偏移所引起的OFDM采样计数器校正使得前一个符号的第二相关区域与当前符号的第一相关区域重叠。从这里，很清楚，L应该小于CP以避免缓冲问题。然而，选择了L使得其与有用的相关能量有一些重叠。根据本公开的一个实施例，而不是如上文所述的变化的L，只要预计到当前符号的结尾处有定时相关，就可以将L保持在预定值，例如384。在一些实施例中，除了正在利用定时偏移的符号之外，可以对所有符号保持L值恒定。在其它实施例中，可以确定L，使其总是与不导致缓冲问题的最大值相对应。例如，可以将L定义为L＝min{CP，CP+偏移}。

图8是示出了频率误差估计器的操作的流程图。在步骤802中，接收 用于指示与数据符号相关联的定时偏移的数据。在步骤804中，至少部分基于定时偏移，选择来自数据符号的多个采样。在步骤806中，使用选择的多个采样来执行互相关运算以确定频率偏移。

图9是频率误差估计器的概念性方框图。频率误差估计器404包括用于接收数据的模块，其中该数据指示与数据符号902相关联的定时偏移，以及用于从数据符号904选择多个采样的模块。至少部分地基于该定时偏移选择多个符号。频率误差估计器404进一步包括用于执行互相关运算906的模块。互相关运算使用所选择的多个采样来确定频率偏移。

可以通过通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其它可编程逻辑组件、离散门或晶体管逻辑、离散硬件组件或用于执行本文所述功能的任意组合来现实或执行结合本文所公开的实施例所述的各种示例性逻辑块、模块、电路、元件和/或组件。通用处理器可以是微处理器，但是可替代地，该处理器可以是任意常规处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器也可以实现为计算组件的组合，例如，DSP和微处理器、多个微处理器、具有DSP核的一个或更多微处理器或任意其它这种配置的组合。

可以将结合本文所公开的实施例所描述的方法和算法直接包含在硬件、处理器所执行的软件模块或两者的组合中。软件模块可以位于RAM存储器、闪速存储器、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM或本领域公知的任意其它形式的存储介质。可以将存储介质耦合到处理器，以便处理器能够从存储介质读取信息以及向存储介质写入信息。可替换地，存储介质可以是处理器的一部分。

提供以上说明来使得本领域任何技术人员能够实现在此所述的各种实施例。对这些实施例的不同修改对于本领域技术人员来说是很明显的，在此定义的一般性原理可以用于其它实施例。因而，权利要求不是意图限于在此所示的实施例，而是与符合语言表达的权利要求的完整范围相一致，其中，除非明确表述了，否则对单数的元件的提及不是想要意味着“一个且仅有一个”，而是指“一个或多个”。将对本领域普通技术人员已知的或稍后会了解的、本公开全文中所述的各种实施例的元件的所有结构和功能的等价物明确合并于此作为参考，并意图被权利要求所涵盖。而且，在此 公开的内容不是意图奉献给公众的，不管这种公开是否在权利要求中明确表述。没有权利要求要素可以根据35U.S.C.§112第六段的条款来解释，除非该要素被用短语“用于...的装置”来明确表述，或者在方法权利要求的情况下，该要素被用短语“用于...的步骤”来表述。

Claims (18)

1.一种用于动态地跟踪通信系统中的频率偏移的接收机，包括：

时间跟踪设备，用于检测符号边界中的改变，并且根据在一个时间段期间接收的符号的多个采样来确定与在所述时间段期间接收的所述符号相关联的定时偏移，其中所述定时偏移对应于所检测的所述符号边界中的改变；以及

频率误差估计器，用于至少部分地基于所述定时偏移来选择将被包括在互相关窗中的采样的数量，并且通过仅在位于所选择的窗中的、在所述时间段期间接收的所述符号的采样之间执行互相关来确定频率偏移。

2.如权利要求1所述的接收机，其中，所述频率误差估计器用于基于第一到达采样路径和最后到达采样路径之间的延迟扩展以及所述确定的定时偏移来选择将在所述互相关窗中使用的所述采样的数量。

3.如权利要求1所述的接收机，其中

所述接收符号是具有循环前缀的OFDM符号，所述循环前缀是在所述OFDM符号的结尾部分复制的，以及

通过在所述循环前缀中的多个采样与所述循环前缀中的所述多个采样的副本之间执行互相关运算，确定所述频率偏移。

4.如权利要求3所述的接收机，其中，所述频率误差估计器包括用于选择将在所述互相关窗中使用的所述采样的数量的计数器，其中所述计数器在起始位置开始计数，所述起始位置是至少部分地基于第一到达采样路径的位置、定时偏移和估计信道延迟扩展来确定的。

5.如权利要求1所述的接收机，其中，所述频率误差估计器包括锁频环。

6.一种用于动态地跟踪无线通信网络中的频率的频率跟踪装置，包括：

相关装置，用于通过仅在一个符号周期期间接收的数据符号的多个采样之间执行互相关，来计算与在所述符号周期期间接收的所述数据符号相关联的频率偏移；以及

频率控制窗确定单元，用于确定将被用于计算所述频率偏移的、来自在所述符号周期期间接收的所述数据符号的多个采样，其中所述频率控制窗确定单元接收用于指示定时偏移的数据，并且所述多个采样是基于所述定时偏移的，其中所述定时偏移与符号边界中的改变相关联，其中，用于计算所述频率偏移的采样的数量是至少部分地基于所述定时偏移而确定的。

7.如权利要求6所述的频率跟踪装置，其中，选择所述多个采样以包括来自与第一到达符号路径和最后到达符号路径相关联的循环前缀的内容。

8.如权利要求7所述的频率跟踪装置，其中，所述多个采样包括等于来自与所述第一到达符号路径和所述最后到达符号路径相关联的所述循环前缀的相同数量的采样。

9.如权利要求6所述的频率跟踪装置，其中，用于计算所述频率偏移的采样的数量是恒定的。

10.如权利要求6所述的频率跟踪装置，其中，用于计算所述频率偏移的采样的数量小于所述循环前缀中的采样的数量。

11.如权利要求6所述的频率跟踪装置，进一步包括：

计数器，用于确定用于计算所述频率偏移的所述多个采样中的第一采样的位置。

12.如权利要求11所述的频率跟踪装置，其中，所述计数器在起始索引处开始计数，所述起始索引是至少部分地基于第一到达采样路径的位置、定时偏移和估计信道延迟扩展来确定的。

13.如权利要求6所述的频率跟踪装置，其中，所述数据符号是OFDM符号。

14.一种用于确定在无线通信接收机处的频率偏移的方法，其中，所述接收机在一个时间段期间接收OFDM符号，所述方法包括以下步骤：

接收指示与所述OFDM符号相关联的定时偏移的数据，其中所述定时偏移对应于所检测的符号边界中的改变；

至少部分地基于所述定时偏移来从在所述时间段期间接收的所述OFDM符号中选择多个采样的数量；以及

仅在所述时间段期间接收的所述OFDM符号的所选择数量的所述多个采样之间执行互相关运算，以确定与所述OFDM符号相关联的频率偏移。

15.如权利要求14所述的方法，还包括：

接收用于指示所述第一到达采样路径和所述最后到达采样路径的所述起始采样索引的值，

其中，所选择数量的所述多个采样包括来自所述第一到达采样路径和所述最后到达采样路径的采样。

16.如权利要求14所述的方法，其中，所选择的所述多个采样的数量表示第一相关窗，并且选择第二相关窗使得在所述第一相关窗的结尾之后开始4096个采样。

17.一种用于确定无线通信接收机处的频率偏移的方法，包括：

接收数据，所述数据指示与在一个时间段期间接收的数据符号相关联的定时偏移，其中所述定时偏移指示符号边界中的改变；

至少部分地基于所述定时偏移来从在所述时间段期间接收的所述数据符号中选择多个采样的数量；以及

仅使用在所述时间段期间接收的所述数据符号的所选择数量的所述多个采样来执行互相关运算以确定所述频率偏移。

18.一种频率误差估计器，包括：

用于接收数据的模块，所述数据指示与在一个时间段期间接收的数据符号相关联的定时偏移，其中所述定时偏移指示符号边界中的改变；

用于至少部分地基于所述定时偏移来从在所述时间段期间接收的所述数据符号中选择多个采样的数量的模块；以及

用于仅使用在所述时间段期间接收的所述数据符号的所选择数量的所述多个采样来执行互相关运算以确定所述频率偏移的模块。