CN101860499A - 一种纠正频偏的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种纠正频偏的装置，由自动频率控制(AFC)电路和基带处理模块组成，基带处理模块位于AFC电路的后端，用于对AFC电路输出的频率进行基带处理，估计出频偏，并根据频偏对AFC电路输出的频率进行纠正，将纠正后的频率反馈给AFC电路；AFC电路用于在基带处理模块之前，对输入AFC电路的信号进行自动频率控制。本发明还公开了一种纠正频偏的方法，实现了对高速运动中所产生多普勒频移的实时有效纠正，使得UE能够正确还原基站发送的信号，提高通信质量。

Description

一种纠正频偏的方法和装置
技术领域
本发明涉及无线通信中的频率控制技术，尤其涉及一种纠正频偏的方法和装置。
背景技术
自动频率控制(AFC，Automatic Frequency Control)是一种使输出信号的频率与给定频率保持确定关系的频率控制方法。实现自动频率控制的AFC电路，也称AFC环，如图1所示，主要由频率比较器10、低通滤波器20和可控频率器件30等构成。可控频率器件30通常采用压控振荡器，用以产生本地受控振荡频率fo；频率比较器10的作用是将输入信号的频率fc与可控频率器件30产生的本地受控振荡频率fo进行比较，检测频偏，并输出误差电压；低通滤波器20，用以对频率比较器输出的误差电压进行干扰及噪声滤除，保留低频信息。闭环时，频率比较器10输出误差电压使可控频率器件30的振荡频率fo偏离减小，从而将AFC电路的输出信号频率拉向额定值。
AFC电路的工作过程为：fo与fc在频率比较器10中进行比较，当fo＝fc时，频率比较器10无误差电压输出，控制电压为0，可控频率器件30的振荡频率保持不变；当fo≠fc时，频率比较器10有误差电压输出，该误差电压正比于频率误差|fc-fo|，误差电压经过低通滤波器20滤除干扰及噪声后，得到控制电压，控制电压控制可控频率器件30输出的本地受控振荡频率fo发生变化，从而使得频率误差|fc-fo|减小到一定值f′，自动控制过程随即停止，可控频率器件30即稳定于fo＝fc±f′上，环路进入锁定状态，锁定状态的f′称为稳态频率误差。
这种通过频率负反馈的作用，并经过AFC环的反复循环调节，能够最终达到平衡状态，从而使系统的工作频率保持稳定且偏差很小。然而，传统的AFC电路通常是针对频率和相位不变的输入信号而言，如果输入信号的频率和相位在不断的变化，则必须通过一定的方法，使可控频率器件30的频率和相位不断跟踪AFC环的输入信号的频率和相位变化。
如上所述，现有技术中输入信号的频率变化范围非常小，而在高速运动场景中，如高速列车中的用户终端(UE，User Equipment)与地面上的基站进行通信时，由于存在多普勒频移使得输入信号的频率变化范围增大。例如：输入信号的起始频率为fc，由于多普勒频移的影响，在信道中频率变化为：fc′＝fc+Δf，其中Δf表示多普勒频移，此频率fc′即AFC电路中输入信号的频率。假如原先AFC电路已达到平衡状态，那么输入信号的频率突然大幅改变，会导致输入信号的频率与本地受控振荡频率fo的频率差突然变大，系统在短时间内很难达到平衡状态，从而影响AFC的性能。
为了解决上述问题，一方面，需要增大频率差的变化范围，使系统能纠正更大范围内变化的频率差，这可以通过调节各元器件的参数来实现；另一方面，则需要能够实时调整在信道中产生偏差的频率信息(多普勒频移)，然而，如何实时的对高速运动中产生偏差的频率信息进行纠正，现有技术还无法提供一种行之有效的方法。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种纠正频偏的方法和装置，以实时纠正由于高速运动引起的多普勒频移。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
本发明提供了一种纠正频偏的装置，该装置由自动频率控制AFC电路和基带处理模块组成，其中，
所述基带处理模块位于所述AFC电路的后端，用于对所述AFC电路输出信号进行基带处理，估计出频偏，并根据所述频偏对所述AFC电路输出的频率进行纠正，将纠正后的频率反馈给所述AFC电路；
所述AFC电路，用于在所述基带处理模块之前，对输入所述AFC电路的信号进行自动频率控制。
所述基带处理模块包括：频偏纠正模块、信道估计模块和频偏估计模块，其中，
所述频偏纠正模块，用于接收所述AFC电路输出的频率，并根据所述频偏估计模块反馈的频偏，对所述AFC电路输出的频率进行纠正；
所述信道估计模块，用于根据所述频偏纠正模块输出的频率信息和已知的发送信号的信息，估计信道的系统冲激响应；
所述频偏估计模块，用于根据时变的信道的系统冲激响应估计出频偏，并将所述频偏反馈给所述频偏纠正模块。
所述AFC电路由频率比较器、低通滤波器和可控频率器件组成。
该装置进一步包括：频率处理模块，连接所述基带处理模块和频率比较器，用于将所述基带处理模块输出的频率上变频到高频，并反馈给所述频率比较器；相应的，所述频率比较器用于根据所述频率处理模块反馈的频率，调整误差电压以控制所述可控频率器件的频率输出。
所述可控频率器件连接所述基带处理模块，用于根据所述基带处理模块反馈的频率，控制自身的频率输出。
本发明还提供了一种纠正频偏的方法，该方法包括：
基带处理模块对AFC电路输出的频率进行基带处理，估计出频偏，并根据所述频偏对所述AFC电路输出的频率进行纠正，将纠正后的频率反馈给所述AFC电路；
所述AFC电路根据所述基带处理模块反馈的频率执行AFC处理。
该方法进一步包括：所述基带处理模块输出的频率上变频到高频后反馈给所述AFC电路的输入端。
该方法进一步包括：所述基带处理模块输出的频率反馈给所述AFC电路的输出端，控制所述AFC电路的频率输出。
所述基带处理和估计频偏的操作具体为：
根据所述AFC电路输出的频率信息和已知的发送信号的信息，估计信道的系统冲激响应；
根据时变的信道的系统冲激响应中相邻时间点的相位差估计出频偏。
该方法进一步包括：根据基于导频的非盲估计算法估计信道的系统冲激响应。
本发明所提供的纠正频偏的方法和装置，在AFC电路后端增设基带处理模块，将基带的处理作为AFC电路的整体进行考虑，基带处理后的经过频偏纠正的频率反馈回AFC电路，以控制AFC电路的自动频率控制操作，从而提高了频率控制的精确度，实现了对高速运动中所产生多普勒频移的实时有效纠正，使得UE能够正确还原基站发送的信号，提高了通信质量。
附图说明
图1为现有技术中AFC环的组成结构示意图；
图2为本发明一种纠正频偏的方法的流程图；
图3为本发明一种纠正频偏的装置的组成结构示意图；
图4为本发明中基带处理模块的组成结构示意图；
图5为本发明另一种纠正频偏的装置的组成结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进一步详细阐述。
为实现对高速运动中产生的多普勒频移的实时纠正，本发明在传统AFC电路的后端增设基带处理模块，以消除AFC电路输出端频率中的多普勒频移，将频偏纠正后的频率反馈给AFC电路，以提高AFC电路自动频率控制操作的精确度。本发明提供的一种纠正频偏的方法如图2所示，该方法主要包括以下步骤：
步骤201，基带处理模块对AFC电路输出的频率进行基带处理，估计出频偏，并根据频偏对AFC电路输出的频率进行纠正，将纠正后的频率反馈给AFC电路。
传统的AFC电路由频率比较器、低通滤波器和可控频率器件组成，本发明的基带处理模块与可控频率器件的输出端相连接，由基带处理模块对可控频率器件输出的频率进行基带处理，消除该频率中的多普勒频移，再将频偏纠正后的频率反馈给AFC电路。基带处理的具体操作包括：根据可控频率器件输出的频率对信道的系统冲激响应进行估计；根据信道的系统冲激响应估计出频偏，该频偏即由高速运动中的多普勒频移引起；根据得到的频偏对可控频率器件输出的频率进行纠正，从而得到频偏纠正后的频率。
步骤202，AFC电路根据基带处理模块反馈的频率执行AFC处理。
经过基带处理，能够将AFC电路输入信号的频率在信道中的失真还原，由基带处理模块反馈的经过频偏纠正后的频率更接近于AFC电路输入端信号的基站发送频率，从而可以提高AFC电路自动频率控制操作的精确度。
需要指出的是，基带处理模块反馈频率给AFC电路的实现方式可以有多种，其中一种为：将基带处理后的频率反馈给AFC电路的输入端，即频率比较器，以调整频率比较器中进行比较的反馈频率，从而利用频率比较器产生的误差电压控制可控频率器件的频率输出；另一种为：将基带处理后的频率反馈给AFC电路的输出端，即可控频率器件，以直接控制AFC电路的频率输出，从而达到纠正输出信号的频偏的目的。
对应基带处理后的频率反馈给AFC电路输入端的实现方式，其纠正频偏的装置如图3所示，该装置应用于UE中，由AFC电路、基带处理模块40和频率处理模块50组成，且构成一个封闭的环路。
AFC电路包括：频率比较器10、低通滤波器20和可控频率器件30。频率比较器10，作为AFC电路的输入端，用于接收基站发送的信号，还用于接收基带处理模块40通过频率处理模块50反馈的频率，将反馈的频率与输入信号的频率进行比较，产生误差电压输出给低通滤波器20。该误差电压正比于进行比较的频率差。低通滤波器20，用于对频率比较器10输出的误差电压进行滤除干扰及噪声处理，得到控制电压输出给可控频率器件30。可控频率器件30根据接收到的控制电压产生输出频率。
基带处理模块40由频偏纠正模块41、信道估计模块42和频偏估计模块43组成，且构成一个封闭的环路，如图4所示。频偏纠正模块41，用于接收可控频率器件30输出的频率，并根据频偏估计模块43反馈的频偏，对接收到的频率进行纠正。信道估计模块42，用于根据频偏纠正模块41输出的频率信息和已知的发送信号的信息，估计信道的系统冲激响应。频偏估计模块43，用于根据时变的信道的系统冲激响应估计出频偏，并将频偏反馈给频偏纠正模块41。
需要指出的是，在实际应用中对信道的系统冲激响应h进行估计的方法可以有多种，本发明采用基于导频(pilot)的非盲估计算法，即利用接收机已知的发送信号的信息来进行估计，如时分同步的码分多址(TD-SCDMA，Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access)系统中的导频码选取为midamble码(训练序列)，此训练序列为一组由发射机发送过来的并且接收机已知的数据。这一组包含128个基本码的训练序列可由已知的表格查得。由这组数据的发送通过各种信道估计的方法来估计信道的系统冲激响应。估计的效果取决于采用的估计准则的不同，采用的估计准则如最小平方(LS，Least Square)算法等。最小平方算法的原理是：选择h，使其输出信号与接收信号间的误差的平方最小；在假设误差的平方最小时求出h，即为估计出来的信道的冲激响应。
经信道估计模块42得到的信道的冲激响应是一个时变的序列，这个时变的序列由于多普勒频移、晶振造成相位偏移因子，其相位的偏移量随时间成线性变化。因此，可以通过相邻时间点的相位差估计出频偏，且频偏的精确度可以由相位差的大小来控制。
另外，由于经低通滤波器20处理后的数据为低频数据，因此在基带处理模块40和频率比较器10之间还需要增设一个频率处理模块50，用于将基带处理模块40输出的频率上变频到高频，再反馈给频率比较器10。
对应基带处理后的频率反馈给AFC电路输出端的实现方式，其纠正频偏的装置如图5所示，基带处理后的频率不再经过频率处理模块50，而是直接反馈给AFC电路的可控频率器件30，以直接控制AFC电路的频率输出，从而达到纠正输出信号的频偏的目的。图5中基带处理模块40的内部结构如图4所示，与图3所示装置中的基带处理模块40的内部结构和各模块的实现功能相同，此处不再赘述。相比图3所示的装置，图5的装置缺少了频率处理模块50，从而减少了将基带处理后的频率进行上变频的操作，可以减少系统处理时间。
综上所述，本发明在AFC电路后端增设基带处理模块，将基带的处理作为AFC电路的整体进行考虑，基带处理后的经过频偏纠正的频率反馈回AFC电路，以控制AFC电路的自动频率控制操作，从而提高了频率控制的精确度，实现了对高速运动中所产生多普勒频移的实时有效纠正，使得UE能够正确还原基站发送的信号，提高了通信质量。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种纠正频偏的装置，其特征在于，该装置由自动频率控制AFC电路和基带处理模块组成，其中，
所述基带处理模块位于所述AFC电路的后端，用于对所述AFC电路输出信号进行基带处理，估计出频偏，并根据所述频偏对所述AFC电路输出的频率进行纠正，将纠正后的频率反馈给所述AFC电路；
所述AFC电路，用于在所述基带处理模块之前，对输入所述AFC电路的信号进行自动频率控制。
2.根据权利要求1所述纠正频偏的装置，其特征在于，所述基带处理模块包括：频偏纠正模块、信道估计模块和频偏估计模块，其中，
所述频偏纠正模块，用于接收所述AFC电路输出的频率，并根据所述频偏估计模块反馈的频偏，对所述AFC电路输出的频率进行纠正；
所述信道估计模块，用于根据所述频偏纠正模块输出的频率信息和已知的发送信号的信息，估计信道的系统冲激响应；
所述频偏估计模块，用于根据时变的信道的系统冲激响应估计出频偏，并将所述频偏反馈给所述频偏纠正模块。
3.根据权利要求1或2所述纠正频偏的装置，其特征在于，所述AFC电路由频率比较器、低通滤波器和可控频率器件组成。
4.根据权利要求3所述纠正频偏的装置，其特征在于，该装置进一步包括：频率处理模块，连接所述基带处理模块和频率比较器，用于将所述基带处理模块输出的频率上变频到高频，并反馈给所述频率比较器；相应的，所述频率比较器用于根据所述频率处理模块反馈的频率，调整误差电压以控制所述可控频率器件的频率输出。
5.根据权利要求3所述纠正频偏的装置，其特征在于，所述可控频率器件连接所述基带处理模块，用于根据所述基带处理模块反馈的频率，控制自身的频率输出。
6.一种纠正频偏的方法，其特征在于，该方法包括：
基带处理模块对AFC电路输出的频率进行基带处理，估计出频偏，并根据所述频偏对所述AFC电路输出的频率进行纠正，将纠正后的频率反馈给所述AFC电路；
所述AFC电路根据所述基带处理模块反馈的频率执行AFC处理。
7.根据权利要求6所述纠正频偏的方法，其特征在于，该方法进一步包括：所述基带处理模块输出的频率上变频到高频后反馈给所述AFC电路的输入端。
8.根据权利要求6所述纠正频偏的方法，其特征在于，该方法进一步包括：所述基带处理模块输出的频率反馈给所述AFC电路的输出端，控制所述AFC电路的频率输出。
9.根据权利要求6、或7、或8所述纠正频偏的方法，其特征在于，所述基带处理和估计频偏的操作具体为：
根据所述AFC电路输出的频率信息和已知的发送信号的信息，估计信道的系统冲激响应；
根据时变的信道的系统冲激响应中相邻时间点的相位差估计出频偏。
10.根据权利要求9所述纠正频偏的方法，其特征在于，该方法进一步包括：根据基于导频的非盲估计算法估计信道的系统冲激响应。
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