CN101867538B - 具有时钟漂移估计和补偿的接收设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有时钟漂移估计和补偿的接收设备和方法。本发明涉及用于在通信系统中接收信号的接收设备(1)，其中基于帧发射信号，每帧包括包含数据块的数据部分，其中所述数据块分别由保护序列分隔，所述接收设备(1)包括：关联装置(14)，适合于对所接收信号的保护序列执行关联；时钟漂移估计装置(15)，适合于基于来自关联装置(14)的关联结果在频域中执行时钟漂移估计；以及时钟漂移补偿装置(16)，适合于基于时钟漂移估计补偿所接收信号的时钟漂移。本发明还涉及对应的接收方法。

Description

具有时钟漂移估计和补偿的接收设备和方法

技术领域

本发明涉及用于在通信系统中接收信号的接收设备和接收方法，其中估计和补偿时钟漂移。通信系统可以是无线或非无线(即电缆基础)系统。然而，在本说明书通篇，我们将在无线系统中描述本专利申请。本发明同样可用在非无线系统中。 

背景技术

本发明具体地说涉及基于时域帧发射信号的无线通信系统。每帧由此包括数据块以及附加同步序列和/或信道估计序列，这些序列在每帧中在数据块之前，并且它们是必要的并用在接收侧用于自动增益控制、帧定时、频率同步、信道估计和/或其它必要的处理步骤。发射器与接收器之间的时间差通常在接收器中通过执行时间同步，例如通过使用来自信道估计序列等的关联结果进行调整。然而，由于在大多数应用中，发射器时钟和接收器时钟不运行在正好相同的频率，所以存在附加时钟漂移，其降低了接收器中的性能。这对于时间帧长度相当长的无线通信系统特别如此，例如在一帧包含多于100个FFT(快速傅里叶变换)块的情况下，每个FFT块包含几百个符号。例如，使用SC-FDE(单载波频域均衡)的高数据速率单载波无线系统，帧长度例如可包含256个FFT块，每个FFT块包含512个符号。当发射器时钟与接收器时钟之间的时钟漂移是10ppm，并且帧中的数据部分的长度是32000个符号时，帧内的采样漂移大约为0.32个符号，这显示时钟漂移补偿或符号跟踪是必要的。 

可使用时域序列的关联实现符号跟踪或时钟漂移补偿，但是这将导致附加开销。此外，与符号率相比为高的高过采样(oversampling)率，即ADC采样率将是必要的，导致更复杂的结构。 

发明内容

本发明的目的因此是提出一种用于在无线通信系统中接收信号的接收设备和接收方法，其中基于帧发射信号，每帧包括包含数据块的数据部分，这使得实现了简单但有效的时钟漂移估计和补偿。 

以上目的是通过根据本发明的接收设备和接收方法实现的。 

本发明提出了一种用于在无线通信系统例如无线或有线通信系统中接收信号的接收设备，其中基于帧发射信号，每帧包括包含数据块的数据部分，其中所述数据块分别由保护序列分隔，所述接收设备包括：关联(correlation)装置，适合于对所接收信号的保护序列执行关联；时钟漂移估计装置，适合于基于来自关联装置的关联结果在频域中执行时钟漂移估计；以及时钟漂移补偿装置，适合于基于时钟漂移估计补偿所接收信号的时钟漂移。 

本发明还涉及一种用于在通信系统中接收信号的接收方法，其中基于帧发射信号，每帧包括包含数据块的数据部分，其中所述数据块分别由保护序列分隔，所述接收方法包括如下步骤：对所接收信号的所述保护序列执行关联；基于来自关联步骤的关联结果在频域中执行时钟漂移估计；以及基于所述时钟漂移估计补偿所接收信号的时钟漂移。 

本发明因此提出使用保护序列，即在每帧的数据部分中的数据块之间排列的间隔，以在接收侧在频域中执行时钟漂移估计。在频域中执行时钟漂移估计相比在时域中实现时钟漂移估计具有更高分辨率且更简单和更有效实现的附加优点。术语“保护序列”由此用于表征任何类型的重复序列、循环前缀、公共字等，其排列在每帧的数据部分中的数据块之间。在一些文档中，术语“数据块”用于表征保护间隔和数据块的组合(或者数据块中的两个保护间隔)。然而，本发明意图涵盖描述具有数据部分(或更多数据部分)的时间帧(temporal frame)的所有这些不同方式，每个数据部分包括由相应保护间隔分隔的数据块。保护间隔由此可包括相应相等的保护序列，或者可包括变化的保护序列。通常，保护序列将具有相应相等的长度。数据块通常也将具有相应相等的长度。如所提到的，具有良好关联属性的任何类型的适当序列可用于保护序列，诸如但不限于格雷(Golay)序列、伪噪声序列等等。在正常实现中，相应保护序列或保护间隔的长度被设置成使得接收器能够处理时间色散信道，即，信道脉冲响应应比保护间隔短。 

关联装置适合于对所接收信号的帧的第一保护序列执行第一关联，并对同一帧的第二保护序列执行第二关联，其中时钟漂移估计装置适合于基于第一和第二关联的关联结果执行时钟漂移估计。通过比较来自帧中第一保护序列和第二保护序列的关联结果，接收设备能够确定时钟漂移。由此，第一和第二保护序列可彼此相邻，即可仅由单个数据块分隔，或者可由几个数据块和这些数据块之间的相应保护序列分隔。有利的是，时钟漂移估计装置适合于基于第一与第二关联结果之间的相差执行时钟漂移估计。通常在时域执行关联。然而，在时域中计算时钟漂移是相当复杂的。本发明因此提出在频域中执行时钟漂移估计，即，在关联结果或来自时钟漂移估计装置的至少一部分相应关联结果的时频变换之后，使得能够以相对简单但非常有效的方式基于第一与第二关联结果之间的相差来估计时钟漂移。 

有利的是，时钟漂移估计装置适合于仅基于来自关联装置的(一个或多个)关联结果的一部分执行时钟漂移估计。由此，有利的是，时钟漂移估计装置适合于基于(一个或多个)关联结果的最高峰值执行时钟漂移估计。 

还有利的是，由时钟漂移估计装置所执行的第一与第二关联之间的时间距离是可变的。换句话说，所接收帧中的保护序列中的各个序列将用于关联和随后的时钟漂移估计的选择是灵活的，即，用于时钟漂移估计的帧数据部分中的第一与第二保护序列之间的时间距离是可变的。由此，由时钟漂移估计装置所执行的第一与第二关联之间的时间距离有利地例如可取决于时钟差，即，发射器与接收器时钟之间的差。例如，时钟差越大，第一与第二关联之间的时间距离需要越小。另一方面，如果时钟差越小，则优选的是，第一与第二关联之间的时间距离越长。 

还有利的是，所述关联装置14适合于对所述帧的至少一个另外保护序列执行至少一个另外关联，并且其中所述时钟漂移估计装置15适合于基于第一、第二和至少一个另外关联的平均关联结果执行所述时钟漂移估计。由此，可减少噪声的负效应。例如，关联装置可适合于对保护序列的相应对，例如第一和第二保护序列，然后是第二和第三保护序列，执行所述关联，并且然后时钟漂移估计装置可适合于对每对的关联结果执行时钟漂移估计，然后执行各种估计结果之间的平均，以便获得最终时钟漂移估计结果。可以任何适当的方式执行平均。 

要理解到，本发明的接收设备和接收方法可实现在任何类型的适当装置、单元、设备等中，如果必要的话，结合相应应用所必需的其它特征和功能性。例如，接收设备可实现为适合于在任何类型的无线通信系统中通信的便携式、手持、独立、永久等装置。无线通信系统可以是通过无线接 口发射和接收任何类型数据的任何类型无线通信系统。例如，无线通信系统可以是任何类型多载波系统，或者可以是任何类型单载波系统。例如，接收设备和方法可包括频域均衡，即发生在频域中的均衡，并且可实现在单载波通信系统中。然而，本发明的接收设备和接收方法不限于这些示例。另外，接收设备可以是适合于在无线通信系统中接收和发射信号的通信设备的一部分。本说明书通篇所用的术语“装置”打算表征适合于执行相应功能的功能单元中的任何类型实现，诸如但不限于任何类型的单元、元件、装置，最后结合其它功能性，并且可以用任何适当的软件、固件或它们的任何适当混合来实现。进一步地，本发明涉及在时间帧中发射和接收信号的任何类型无线通信系统，每帧包括具有数据块的一个或多个数据部分，这些数据块由保护间隔或保护序列分隔。每帧可以包括或者可以不包括附加部分，诸如同步序列或同步模式、信道估计序列、训练序列等。 

附图说明

在结合附图对优选实施例的下面描述中更详细地说明了本发明，附图中： 

图1示出了本发明中所用的帧结构的示意性示例， 

图2示出了本发明的接收设备的示意性框图， 

图3示出了关联结果的示意性示例， 

图4示出了图3的关联结果的部分的示意性示例， 

图5示出图4的示意示例，具有说明时钟漂移估计的附加信息， 

图6示出了根据本发明在时钟漂移估计中所用的相差计算的示意性示例。 

具体实施方式

本发明的优选实施例的如下描述涉及实现单载波频域均衡的接收设备和接收方法。然而，本发明不限于单载波系统，而是还可用在多载波系统中。进一步地，本发明的实现在具有时域均衡的系统中也是有可能的。 

图1示出了在本发明的接收设备和方法中所用的无线通信系统中发射和接收的信号的帧结构的示意性示例。帧结构的所示示例示出了包括同步部分(SYNC)的帧，其后面是帧首定界符(start frame delimiter)(SFD)，SFD后面是信道估计序列(CES)，CES后面则是数据部分，数据部分包括一个 或多个数据块。数据块分别由保护间隔或保护序列分隔，每一个保护序列都具有相同的长度和内容，例如具有良好关联属性的任何类型的适当序列，诸如伪噪声序列、格雷序列或任何其它适当的序列。数据块的相应内容通常是变化的。 

应该理解，本发明的帧可包括几个数据部分，每个数据部分包括分别由保护序列分隔的几个数据块。再者，帧可以仅由一个数据部分或者几个数据部分(分别包括由保护序列分隔的数据块)构成。备选地，每帧可包括在诸如图1所示示例中的接收器中的处理所必需的附加信息、序列等。在图1的示例中，SYNC部分用在所示的接收设备1中，并且相对于图2进行说明，用于自动增益控制和粗帧定时。SFD指示同步序列的结束和CES的开始。CES可包括接收设备1中信道估计所用的任何类型适当的专用信道估计序列。然而，如所提到的，本发明不限于图1所示的帧结构。例如，SYNC、SFD和CES部分可排列在特别专用的帧中，并且数据块可排列在排他地由所描述的数据块和保护序列构成的帧中。然而，其它排列也是可能的。 

图2示出了根据本发明用于在无线通信系统中接收信号的接收设备1的实施例的示意性框图。已经注意到，图2和以下说明仅涉及为理解本发明所必需的接收设备1的元件和功能性。在实际实现中，接收设备将包含用于正常操作的附加功能性和元件。 

接收设备1包括适合于在无线通信系统中接收无线信号的天线2。所接收信号被转发到适合于将所接收信号从射频向下转换到基带的RF(射频)单元3等。应该注意，本发明不限于射频，可以使用任何类型的频带。来自RF单元3的向下转换的信号被转发到模拟脉冲滤波器4，其通常具有与所发射脉冲相同的脉冲形状。脉冲形状的信号然后被转发到模数转换器5，其适合于用适当的采样率将所接收信号转换成数字样本，例如复样本(complex sample)，其例如可等于所接收信号的符号率，可两倍于所接收信号的符号率，四倍于所接收信号符号率，等等。模数转换器5的采样率由给时钟信号提供“2”采样率的时钟13确定。 

从模数转换器5输出的数字样本被分成几个分支，由此，图2为了清楚起见仅示出4个不同的分支。第一分支通往帧定时装置7，向其提供每帧的SYNC部分的数字样本。帧定时装置7适合于执行时间同步，例如通过对SYNC部分执行自关联或互关联，或者任何其它适当处理，以便获得 指示每帧中信道估计序列的起始位置的同步峰值。有关信道估计序列的起始位置的信息被从帧定时装置7提供到信道估计装置6，其是第二分支的一部分。 

经第二分支，信道估计装置6从模数转换器5接收信道估计序列的数字样本。由此，信道估计装置6执行自关联、互关联或任何其它适当处理，以便获得基于时域的信道估计，其例如是信道(I和Q)时延谱(delay profile)的复估计(complex estimation)。 

接收设备1的第三分支是处理所接收信号的数据块的内容数据的分支(图2未示出的实际实现中的其它分支可包含执行频率偏移补偿的处理块，等等)。来自模数转换器5的内容数据的数字样本被提供给向下采样装置9，其适合于将数字样本向下采样到所接收信号的符号率。例如，如果模数转换器5执行两倍过采样，即，用两倍于所接收信号符号率的采样率来采样所接收信号，则向下采样装置9以之前的两倍执行向下采样。相同功能性被实现在向下采样装置8中，其向下采样从信道估计装置6输出的数字样本，之后它们被转发到时频变换装置11。类似地，从向下采样装置9输出的向下采样的数字样本被转发到时频变换装置12。由此，在时频变换装置11和12中所执行的时频补偿的起始位置分别经向下采样装置8和9控制，装置8和9分别由峰值检测器和定时控制装置10控制，其适合于检测在信道估计装置6中所确定的信道时延谱的起始位置。由此，在时频变换装置11中时频变换的信道时延谱的起始位置由峰值检测器和定时控制装置10控制，并且在时频变换装置12中时频变换的数据的起始位置也由峰值检测器和定时控制装置10控制。从时频变换装置11输出的频域信道时延谱被转发到均衡装置17，其适合于在频域中执行从时频变换装置12输出的内容数据的均衡。 

时频变换装置11和12例如是快速傅里叶变换(FFT)装置或任何其它适当装置。均衡装置17适合于执行任何类型适当均衡，例如最小均方均衡(MMSE)或任何其它适当处理。从均衡装置17输出的均衡数据被转发到频时变换装置18，其例如执行逆快速傅里叶变换(IFFT)或任何其它适当处理。此后，时域均衡的内容数据例如由解调装置19和相应应用所必需的任何其它适当处理来进一步处理。 

在均衡装置17前和时频变换装置12后，时钟漂移补偿装置16位于第三分支，其适合于在均衡之前对频域内容数据执行时钟漂移补偿。时钟 漂移补偿装置由此补偿在发射在根据本发明的接收设备1中接收的信号的发射器中所用的时钟与在根据所接收的模拟信号生成数字(复)样本的接收器中所用的时钟(例如时钟13)之间的漂移。时钟漂移由此是发射器时钟与接收器时钟之间的频率差或采样率差。时钟漂移补偿装置16适合于基于从时钟漂移估计装置15获得的时钟漂移估计补偿频域数据样本中的时钟漂移。时钟漂移估计装置15是图2所示接收设备的第四分支的一分部。在第四分支中，存在关联装置14，其适合于对所接收信号的帧中的数据部分中所包括的保护序列执行关联。从模数转换装置5输出的保护序列的数字化样本被提供到关联装置14，其在指示相应保护序列的起始的峰值检测器和定时控制装置10的定时控制下适合于对保护序列执行关联，诸如自关联或互关联。来自关联装置14的关联结果，即，包括例如图3所示的一个或多个关联峰值的信道时延谱，然后被转发到时钟漂移估计装置15。在实际时钟漂移估计之前，对应的时频变换装置将来自关联装置14的信道时延谱样本从时域变换到频域，该时频变换装置是时钟漂移估计装置15的一部分，或位于关联装置14与时钟漂移估计装置15之间的单独单元。换句话说，时钟漂移估计装置15操作在频域。 

如所提到的，有关每个保护序列的开始的信息从峰值检测器和定时控制装置10获得，该装置10检测多路径环境中的最强通信路径。关联装置14然后通过自关联或通过互关联，即通过比较所接收保护序列与所存储版本的保护序列，将所接收帧的数据部分的所接收第一保护序列进行关联。由此，关联装置14获得例如图3所示的信道时延谱，其中存在几个峰值。信道时延谱，或者更具体地说是表示信道时延谱的数字复样本，然后被从时域变换到频域，并在时钟漂移估计装置15中进一步处理。 

由此，时钟漂移估计装置15仅使用信道时延谱中最高关联峰值周围的小区域或一部分信息。这种区域在图3中显示为区域20。图4示出了放大表示的具有最高关联峰值的区域20。由此，由关联装置14对于第一保护序列获得的信道时延谱中最高关联峰值周围区域20内的数字复样本由四点a、b、c和d表示。两点b和c表示关联峰值。小尺寸的区域20是指例如只有4、6或8个样本包含在所述区域20中，这是有利的，因为诸如对于时频变换而言所必需的电路实现不太复杂。在区域20被选择成较大，例如大于10个样本的情况下，所得到的电路更复杂，但是噪声降低可能更好。 

图4还示出了由所接收帧中相同数据部分的第二保护序列的关联得到的四个数字样本。由第二保护序列的关联得到的四个数字样本由a′、b′、c′和d′表征，由此b′和c′表示最高关联峰值。在没有任何时钟漂移的情况下，样本a和a′、b和b′、c和c′、d和d′将在信道时延谱中分别位于正好相同的位置。然而，由于存在时钟漂移，所以在图4中可见的相应样本a和a′、b和b′、c和c′、d和d′之间存在时间移位。通过计算或估计这个时间移位，可以估计时钟漂移，例如在图5的示意性示例中所示的，其与图4相对应，除了示出了样本a和a′之间的时间移位(其是时钟漂移)μTs。 

为了允许更简单但更准确且有效地确定时钟漂移，整个信道时延谱的数字样本或仅在最高关联峰值周围的区域20内部的数字样本被变换到频域，即，时域样本a、a′、b、b′、c、c′、d、d′分别被变换成相应的频域样本A、A′、B、B′、C、C′、D、D′。时钟漂移估计装置15然后计算平均角度差，即，来自第一保护序列的频域样本A、B、C、D与来自第二保护序列的频域样本A′、B′、C′、D′之间的平均相差。这个角度即相差允许用如下公式在时钟漂移估计装置15中计算时钟漂移： 

$\mathrm{PH}=\frac{2\mathrm{\π}}{M}\×\frac{\mathrm{\μTs}}{\mathrm{Ts}/\mathrm{OS}}$

其中PH是所计算的相差，Ts是符号周期，μTs是发射器时钟与接收器时钟之间的时钟漂移，OS是过采样率，并且M是用于时钟漂移估计的时频变换的大小(样本数)。上面示出的公式描述图5中的相应样本对之间的相差PH，其中由于时频变换，上面公式中的相差PH仅对于样本对b和b′成立。对于样本对c和c′，它将是2倍PH，并且对于样本对c和c′，它将是3倍PH(这种陈述对于4点时频变换的示例成立)。 

在时钟漂移估计装置15中获得的时钟漂移的因子μ然后被转发到时钟漂移补偿装置16，其根据如下公式对从时频变换装置12接收的复输出样本执行时钟漂移补偿： 

$B_i=e^{-\frac{2\mathrm{\π}}{N}\×i\×\mathrm{\μ}}\×A_i$ i＝1，2，…，N 

由此A_i是从时频变换装置12接收的复样本；B_i是从时钟漂移补偿装置16到均衡装置17的复输出，并且i是1与N之间的整数，N是所接收 帧的数据部分中的一个数据块和一个保护序列的组合长度(样本数)，其中N还(通常)对应于在时频变换装置12中所执行的时频变换的大小(例如，N＝256或者任何其它适当的数)。 

要注意，在关联装置14中获得关联结果所用的第一和第二保护序列可以是同一帧的任何两个适当保护序列。参考图1，例如第一保护序列可以是保护序列g1，而第二保护序列可以是保护序列g2，使得第一与第二保护序列之间的时间距离是单个数据块加上一个保护序列。然而，还有可能的是，第一和/或第二保护序列是任何其它保护序列，例如保护序列g3或保护序列gL-1或保护序列gL(L是整数，并表征帧的一个数据部分内的保护序列数)。第一与第二保护序列之间的时间距离因此是数据块加上保护序列的长度的整数倍。由此，被选择用于关联和时钟漂移估计的第一与第二保护序列之间的时间差可以以可变方式设置，例如可取决于发射器时钟与接收器时钟之间的实际时钟差。例如，如果发射器时钟与接收器时钟之间的时钟差相对高，则第一与第二保护序列之间的时间差可相对小。然而，当发射器时钟与接收器时钟之间的时钟差减小时，优选的是，第一与第二保护序列之间的时间差增大。 

还要注意，所述关联装置14还可适合于对所述帧的至少一个另外保护序列执行至少一个另外关联，并且所述时钟漂移估计装置15则可适合于基于第一、第二和至少一个另外关联的平均关联结果执行所述时钟漂移估计。例如，可对任何适当保护序列对(例如第一和第二保护序列以及第一和第三保护序列，或者第一和第二保护序列以及第三和第四保护序列等)执行关联和时钟漂移估计，并且来自每对的所得到的时钟漂移估计然后可以任何适当方式进行平均，以获得最终的准确时钟漂移估计。由此，可进一步减小噪声影响。 

本发明的优点是，包括分隔数据部分的数据块的保护间隔的保护序列和保护间隔不仅用作用于均衡的循环前缀，而且用于时钟漂移补偿，使得减少任何附加开销。进一步地，通过在频域中执行时钟漂移补偿可实现更好的分辨率和低复杂性。虽然本发明在以高速率传送数据的无线通信系统中特别有效，但本发明也可成功应用在低速率通信系统中。 

Claims (12)

1.一种接收设备(1)，用于在通信系统中接收信号，其中在所述通信系统中信号是基于帧发射的，每帧包括包含数据块的数据部分，其中所述数据块分别由保护序列分隔，所述接收设备(1)包括：

关联装置(14)，适合于对所接收信号的各保护序列执行关联；

时钟漂移估计装置(15)，适合于基于来自所述关联装置(14)的关联结果在频域中执行时钟漂移估计，以及

时钟漂移补偿装置(16)，适合于基于所述时钟漂移估计补偿所接收信号的所述时钟漂移，

其中，所述关联装置(14)适合于对所接收信号的帧的第一保护序列执行第一关联，并对所述帧的第二保护序列执行第二关联，并且其中所述时钟漂移估计装置(15)适合于基于第一和第二关联的关联结果执行所述时钟漂移估计。

2.如权利要求1所述的接收设备(1)，其中所述时钟漂移估计装置(15)适合于基于所述第一与所述第二关联结果之间的相差执行所述时钟漂移估计。

3.如权利要求1所述的接收设备(1)，其中所述时钟漂移估计装置(15)适合于基于来自所述关联装置(14)的所述关联结果(5)的仅一部分执行所述时钟漂移估计。

4.如权利要求1所述的接收设备(1)，其中所述时钟漂移估计装置(15)适合于基于一个或多个所述关联结果的最高峰值执行所述时钟漂移估计。

5.如权利要求1所述的接收设备(1)，其中所述时钟漂移估计装置(15)所执行的第一与第二关联之间的时间距离是可变的。

6.如权利要求1所述的接收设备(1)，其中所述关联装置(14)适合于对所述帧的至少一个另外保护序列执行至少一个另外关联，并且其中所述时钟漂移估计装置(15)适合于基于第一、第二和所述至少一个另外关联的平均关联结果执行所述时钟漂移估计。

7.一种用于在通信系统中接收信号的接收方法，其中在所述通信系统中所述信号是基于帧发射的，每帧包括包含数据块的数据部分，其中所述数据块分别由保护序列分隔，所述接收方法包括如下步骤：

对所接收信号的各保护序列执行关联，

基于来自关联步骤的关联结果在频域中执行时钟漂移估计，以及

基于所述时钟漂移估计补偿所接收信号的所述时钟漂移，

其中，在所述关联步骤中，对所接收信号的帧的第一保护序列执行第一关联，并对所述帧的第二保护序列执行第二关联，并且其中基于第一和第二关联的关联结果执行所述时钟漂移估计。

8.如权利要求7所述的接收方法，其中基于所述第一与所述第二关联结果之间的相差执行所述时钟漂移估计。

9.如权利要求7所述的接收方法，其中基于来自所述关联装置的所述关联结果(5)的仅一部分执行所述时钟漂移估计。

10.如权利要求7所述的接收方法，其中基于一个或多个所述关联结果的最高峰值执行所述时钟漂移估计。

11.如权利要求7所述的接收方法，其中在所述时钟漂移估计步骤中所执行的第一与第二关联之间的时间距离是可变的。

12.如权利要求7所述的接收方法，其中在所述关联步骤中，对所述帧的至少一个另外保护序列执行至少一个另外关联，并且其中基于第一、第二和所述至少一个另外关联的平均关联结果执行所述时钟漂移估计。

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