CN101873285B - 一种纠正频偏的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纠正频偏的装置，由自动频率控制(AFC)电路和频偏消除模块组成，其中，频偏消除模块位于AFC电路的前端，用于在确定用户终端(UE)位于高速运动中时，对该装置的输入信号的频率进行纠正，消除输入信号中的多普勒频移；AFC电路，用于接收频偏消除模块输出的信号，并根据该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，能够对高速运动中所产生多普勒频移进行及时有效地纠正。

Description

一种纠正频偏的装置和方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域中的频率控制技术，尤其涉及一种纠正频偏的装置和方法。

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。其中，频率比较器10的作用是将输入信号频率f_c与可控频率器件30产生的本地受控振荡频率f_o进行比较，检测频偏，并输出误差电压；低通滤波器20，用于对频率比较器10输出的误差电压进行干扰及噪声滤除，保留低频信息；可控频率器件30大多采用压控振荡器，用于依据低频信息产生本地受控振荡频率f_o。当AFC环闭环时，通过频率比较器10输出的误差电压使可控频率器件30的本地受控振荡频率f_o的偏离减小，从而将AFC电路的输出信号频率拉向额定值。

AFC电路的工作原理为：f_o与f_c在频率比较器10中进行比较，当f_o＝f_c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的本地受控振荡频率f_o保持不变；当f_o≠f_c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|f_c-f_o|，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f_o发生变化，从而使得频率误差|f_c-f_o|减小到一定值f′，自动频率控制过程随即停止，可控频率器件30稳定于f_o＝f_c±f′，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，经过AFC电路的反复循环调节，能够使输出信号的频率与给定频率的关系最终达到平衡状态，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，使可控频率器件的频率和相位不断地跟踪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f_c，由于多普勒频移的影响，在信道中频率变化为：f_c′＝f_c+Δf，其中Δf表示多普勒频移，频率f_c′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f_o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电路的性能。

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AFC电路的各元器件的参数来实现；另一方面，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)，但是，如何发现高速运动中产生的频率偏差信息，并实时的对产生偏差的频率信息进行纠正，现有技术还没有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，以实时发现并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，该装置包括自动频率控制AFC电路和频偏消除模块，其中，

所述频偏消除模块位于所述AFC电路的前端，用于在确定UE位于高速运动中时，对所述装置的输入信号的频率进行纠正，消除所述装置的输入信号中的多普勒频移；

所述AFC电路，用于接收所述频偏消除模块输出的信号，并根据所述信号进行自动频率控制。

其中，所述频偏消除模块包括：

判断子模块，用于判断所述UE是否位于高速运动中，得到判断结果；

频率纠正子模块，用于依据所述判断子模块的判断结果，在所述UE位于高速运动中时，对所述输入信号的频率进行纠正，消除所述输入信号中的多普勒频移；

频移获取子模块，用于获取所述输入信号中的多普勒频移，并提供给所述判断子模块。

所述频移获取子模块通过将基站下发信号的初始频率与所述UE通过测量得到的实际接收信号的频率相减的方式，得到所述多普勒频移。

所述判断子模块通过将得到的多普勒频移与设定的频率门限值进行比较，判断所述UE是否位于高速运动中。

所述频偏消除模块进一步包括：速度测量子模块，用于根据在固定时间段内所述UE与基站之间的方位差，对所述UE的实时速度进行测量，并将测量结果通过频移获取子模块提供给所述判断子模块；

相应的，所述判断子模块，用于将所述测量结果与设定的速度门限值进行比较，判断所述UE是否位于高速运动中。

所述频移获取子模块依据所述测量得到的UE的实时速度，通过公式f_d＝fvcosθ/c计算得到所述多普勒频移；

其中，f_d表示多普勒频移；f表示UE的工作频率；v表示UE的实时速度；θ表示UE的运动方向与UE和基站形成的直线的夹角；c表示光速。

本发明还提供了一种纠正频偏的方法，该方法包括：

在确定UE位于高速运动中时，对纠正频偏的装置的输入信号的频率进行纠正，消除所述输入信号中的多普勒频移；

根据频率纠正后的输入信号，进行自动频率控制。

该方法进一步包括：根据在固定时间段内所述UE与基站之间的方位差，对所述UE的实时速度进行测量，并将测量得到的所述UE的实时速度与设定的速度门限值进行比较，如果实时速度大于所述速度门限值，则判定所述UE位于高速运动中；否则，判定所述UE不位于高速运动中。

其中，所述多普勒频移根据公式f_d＝fvcosθ/c计算得到；

其中，f_d表示多普勒频移；f表示所述UE的工作频率；v表示所述UE的实时速度；θ表示所述UE的运动方向与UE和基站形成的直线的夹角；c表示光速。

该方法进一步包括：将基站下发信号的初始频率与所述UE通过测量得到的实际接收信号的频率相减得到多普勒频移；并将得到的多普勒频移与设定的频率门限值进行比较，如果所述多普勒频移大于所述频率门限值，则判定所述UE位于高速运动中；否则，判定所述UE不位于高速运动中。

本发明的纠正频偏的方法和装置，由频偏消除模块在确定UE位于高速运动中时，对UE输入信号的频率进行纠正，消除UE输入信号中的多普勒频移，并由AFC电路根据频率纠正后的输入信号，进行自动频率控制。如此能够及时发现并消除由于UE高速运动所引起的多普勒频移，从而在UE高速运动过程中也能保证UE接收信号的频率尽可能地接近基站下发信号的初始频率，减小了UE接收信号频率的变化幅度，提高了通信质量。

附图说明

图1为现有技术中AFC电路的组成结构示意图；

图2为本发明纠正频偏的方法流程图；

图3为本发明纠正频偏的装置的结构关系示意图；

图4为本发明中频偏消除模块的结构关系示意图一；

图5为本发明中频偏消除模块的结构关系示意图二。

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。

为了及时发现并消除由于UE高速运动所引起的多普勒频移，本发明提供了一种纠正频偏的方法，如图2所示，该方法包括：

步骤201，在确定UE位于高速运动中时，对输入信号的频率进行纠正，消除输入信号中的多普勒频移。

输入信号是指，将频偏消除模块与AFC电路看成一个整体，对应这个整体的输入信号。在输入信号进入AFC电路之前，为了及时发现并消除高速运动中产生的多普勒频移，使进行AFC处理的信号不受多普勒频移的影响，本发明在AFC电路的前端增设了一个频偏消除模块，由频偏消除模块在确定UE位于高速运动中时，对输入信号的频率进行纠正，消除输入信号中的多普勒频移，然后将频率纠正后的输入信号提供给AFC电路。

步骤202，根据频率纠正后的输入信号，进行自动频率控制。

频偏消除模块将频率纠正后的输入信号提供给AFC电路，由AFC电路对输入信号进行AFC处理，即进行自动频率控制。本发明中AFC处理的具体操作将在下面的实施例中进行详细说明。

为了实现上述纠正频偏的方法，本发明提供了一种纠正频偏的装置，该装置应用于UE中，如图3所示，该装置包括频率比较器10、低通滤波器20、可控频率器件30和频偏消除模块40。其中，频率比较器10、低通滤波器20、可控频率器件30构成了现有技术中的AFC电路，本发明中，三者之间的连接关系以及各自的功能，与现有技术中的AFC电路类似，此处不再赘述。频偏消除模块40位于AFC电路的前端，用于在确定UE位于高速运动中时，对该装置的输入信号的频率进行纠正，消除输入信号中的多普勒频移。由频率比较器10、低通滤波器20和可控频率器件30构成的AFC电路，用于接收频偏消除模块40输出的信号，并根据该信号进行AFC处理。

本发明中，AFC处理的具体过程为：频率比较器10将频偏消除模块40输出信号的频率f_c与可控频率器件30产生的本地受控振荡频率f_o进行比较，当f_o＝f_c时，频率比较器10无误差电压输出，经低通滤波器20产生的控制电压为0，可控频率器件30的振荡频率保持不变；当f_o≠f_c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|f_c-f_o|，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f_o发生变化，从而使得频率误差|f_c-f_o|减小到一定值f′，自动频率控制过程随即停止，可控频率器件30稳定于f_o＝f_c±f′上，AFC电路进入锁定状态。

另外，本发明的频偏消除模块40具体包括：判断子模块41、频率纠正子模块42和频移获取子模块43，如图4所示：判断子模块41，用于判断UE是否位于高速运动中，并在判定UE位于高速运动中时，通知频率纠正子模块42；频率纠正子模块42，用于在UE位于高速运动中时，对装置的输入信号的频率进行纠正，消除输入信号中的多普勒频移；频移获取子模块43，用于获取输入信号中的多普勒频移，并提供给判断子模块41，以判断UE是否位于高速运动中，如果判定UE位于高速运动中，则进入频率纠正子模块42，进行多普勒频移的消除。多普勒频移消除的具体操作为：将UE输入信号的频率减去多普勒频移。多普勒频移消除后的频率输出给频率比较器10。

对于频移获取子模块43获取输入信号中的多普勒频移的操作，需要指出的是，通常在基站下发给UE的信号中，会携带发送信号的频率，这个频率即为基站下发信号的初始频率。在UE位于高速运动中时，由于多普勒频移的影响，会导致UE接收的基站下发信号的频率与初始频率存在偏差，即多普勒频移。因为UE不仅能够接收到基站下发信号的初始频率，还能够通过测量得到实际接收信号的频率，所以频移获取子模块43可以将基站下发信号的初始频率与UE通过测量得到的实际接收信号的频率相减，得到多普勒频移。

相应地，判断子模块41可以通过将频移获取子模块43获取的多普勒频移与设定的频率门限值进行比较，以判断UE是否位于高速运动中，具体为：如果多普勒频移大于频率门限值，则判定UE位于高速运动中；否则，判定UE不位于高速运动中。其中，所述频率门限值可以根据需要进行设定，例如：如果将120km/h以上的速度定义为高速运动场景，那么频率门限值可以通过下面的公式得到：f_d＝fvcosθ/c，其中f_d表示多普勒频移，单位为Hz；f表示UE的工作频率；v表示UE的实时速度；θ表示UE的运动方向与UE和基站形成的直线的夹角；c表示光速；当UE的运动方向与UE和基站形成的直线的夹角为0时，cosθ＝1，此时f_d取最大值，即f_dmax＝fv/c(v为定值，如当v＝120km/h)，则将f_dmax作为频率门限值，如果频移获取子模块43获取的多普勒频移大于f_dmax，则判定UE位于高速运动中。

图4所示的频偏消除模块40比较适合应用于不具有全球定位系统(GPS，Global Positioning System)功能的UE，当然对于具有GPS功能的UE也是适用的。对于具有GPS功能的UE，由于其内部存储有基站的方位信息，且该信息在UE进行小区切换后会自动更新；UE的方位信息可以通过GPS实时更新，因此在任意时刻，UE中都保存有自身和基站的方位信息，从而频偏消除模块40可以根据在固定时间段内UE与基站之间的方位差，来进行UE实时速度的测量，并根据测量所得UE的实时速度来更直接的判断UE是否位于高速运动中。当然，对于不具有GPS功能的UE，也可以采用现有技术中其他方法来测量UE的实时速度。

如图5所示，UE实时速度的测量可以由频偏消除模块40中的速度测量子模块44来实现。判断子模块41通过将速度测量子模块44测量的实时速度与设定的速度门限值进行比较，以判断UE是否位于高速运动中，具体为：如果测量的实时速度大于速度门限值，则判定UE位于高速运动中；否则，判定UE不位于高速运动中。其中，速度门限值可以根据需要进行设定，例如：根据需要设定速度门限值为120km/h，当测量的实时速度大于120km/h时，则判定UE位于高速运动中。根据速度测量子模块44得到的UE实时速度，频移获取子模块43可以通过公式f_d＝fvcosθ/c计算得到多普勒频移。

需要指出的是，图4和图5所示的频偏消除模块40只描述了判定UE位于高速运动的情况，并没有描述判定UE不位于高速运动的情况。在判定UE不位于高速运动时，频偏消除模块40不执行多普勒频移消除的相关操作，将装置输入的信号直接提供给AFC电路执行正常的AFC处理。

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 (5)

1.一种纠正频偏的装置，其特征在于，该装置包括自动频率控制AFC电路和频偏消除模块，其中，

所述频偏消除模块位于所述AFC电路的前端，用于在确定UE位于高速运动中时，对所述装置的输入信号的频率进行纠正，消除所述装置的输入信号中的多普勒频移；其中所述输入信号是指，将所述频偏消除模块与所述AFC电路看成一个整体，对应这个整体的输入信号；

所述频偏消除模块包括速度测量子模块、判断子模块、频率纠正子模块和频移获取子模块，其中：

所述速度测量子模块，用于根据在固定时间段内所述UE与基站之间的方位差，对所述UE的实时速度进行测量，并将测量结果通过频移获取子模块提供给所述判断子模块；

所述判断子模块，用于将所述测量结果与设定的速度门限值进行比较，判断所述UE是否位于高速运动中，在判定UE不位于高速运动时，频偏消除模块不执行多普勒频移消除的相关操作，将装置输入的信号直接提供给AFC电路执行正常的AFC处理；

所述频率纠正子模块，用于依据所述判断子模块的判断结果，在所述UE位于高速运动中时，对所述输入信号的频率进行纠正，消除所述输入信号中的多普勒频移，并将多普勒频移消除后的频率输出给AFC电路；

所述频移获取子模块，用于获取所述输入信号中的多普勒频移，并提供给所述判断子模块；其中，所述获取所述输入信号中的多普勒频移具体为：将基站下发信号的初始频率与UE通过测量得到的实际接收信号的频率相减，得到多普勒频移；

所述AFC电路，用于接收所述频偏消除模块输出的信号，并根据所述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，所述判断子模块通过将得到的多普勒频移与设定的频率门限值进行比较，判断所述UE是否位于高速运动中。

3.根据权利要求1所述纠正频偏的装置，其特征在于，所述频移获取子模块依据所述测量得到的UE的实时速度，通过公式f_d＝fvcosθ/c计算得到所述多普勒频移；

其中，f_d表示多普勒频移；f表示UE的工作频率；v表示UE的实时速度；θ表示UE的运动方向与UE和基站形成的直线的夹角；c表示光速。

4.一种纠正频偏的方法，其特征在于，该方法包括：

根据在固定时间段内UE与基站之间的方位差，对所述UE的实时速度进行测量，并将测量得到的所述UE的实时速度与设定的速度门限值进行比较，如果实时速度大于所述速度门限值，则判定所述UE位于高速运动中；否则，判定所述UE不位于高速运动中；

将基站下发信号的初始频率与所述UE通过测量得到的实际接收信号的频率相减得到多普勒频移；并将得到的多普勒频移与设定的频率门限值进行比较，如果所述多普勒频移大于所述频率门限值，对纠正频偏的装置的输入信号的频率进行纠正，消除所述输入信号中的多普勒频移；在判定UE不位于高速运动时，不用对纠正频偏的装置的输入信号的频率进行纠正；

根据频率纠正后的输入信号，进行自动频率控制，其中所述纠正频偏的装置包括自动频率控制AFC电路和频偏消除模块，所述输入信号是指，将所述频偏消除模块与所述AFC电路看成一个整体，对应这个整体的输入信号。

5.根据权利要求4所述纠正频偏的方法，其特征在于，所述多普勒频移根据公式f_d＝fvcosθ/c计算得到；

其中，f_d表示多普勒频移；f表示所述UE的工作频率；v表示所述UE的实时速度；θ表示所述UE的运动方向与UE和基站形成的直线的夹角；c表示光速。