CN101938443A - 频偏取得的方法及其相关装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种频偏取得的方法，其包含有：接收通过一通道所传送的特定序列信号；使该特定序列信号于频率域上位移多个不同频率，以分别产生多个位移序列信号；以及依据该多个位移序列信号来决定发射机与接收机之间的频偏估计值。

Description

频偏取得的方法及其相关装置

技术领域

本发明是指一种频偏取得的方法，尤指一种使一序列信号于频率域上位移多个不同频率来决定一频偏估计值的方法。

背景技术

一般来说，使用时域同步正交频分复用调制(time domain synchronousorthogonal frequency division multiplexing，TDS-OFDM)的通讯系统中，发射机与接收机之间常有载波频率的偏差，而目前估计频率偏差的方式是采用时域同步正交频分复用调制中所使用到的一特定虚拟随机序列信号(PN sequence)来进行估计，再经由回路滤波器来控制数值控制振荡器(numerically controlledoscillator，NCO)以调整或补偿离散傅里叶变换(discrete Fourier transform，DFT)的数据上的频率偏差；详细细节可参阅中华人民共和国专利申请号200410003486。然而，上述的补偿方式却不适用于多路径(multipath)的传输环境中，原因是经由上述方式所估计出的频偏估计值相当的不准确。

发明内容

因此，本发明的目的之一在于提供一种能够在多路径的传输环境中估计出可靠频偏的方法及相关装置。

依据本发明的实施例，其揭露一种频偏取得(frequency offset acquisition)的方法。该方法包含有：接收通过一通道所传送的一特定序列信号；使该特定序列信号于频率域上位移多个不同频率，以分别产生多个位移序列信号；以及依据该多个位移序列信号来决定一发射机与一接收机之间的一频偏估计值。

依据本发明的实施例，其还揭露一种频偏取得的装置。该装置包含有一接收单元、一处理单元与一决定单元，其中该接收单元用来接收通过一通道所传送的一特定序列信号，该处理单元耦接于该接收单元，并用来使该特定序列信号于频率域上位移多个不同频率以分别产生多个位移序列信号，以及该决定单元耦接于该处理单元，并用来依据该多个位移序列信号来决定一发射机与一接收机之间的频偏估计值。

附图说明

图1为本发明第一实施例的频偏取得装置的方块示意图。

图2为图1所示的装置的第一阶段操作流程图。

图3为图1所示的决定单元所产生的绝对值结果|R₁(k)|～|R₃(k)|的范例示意图。

图4为图2所示的处理单元所产生的多个频率位移序列信号的范例示意图。

图5为本发明第二实施例的频偏取得装置的方块示意图。

[主要元件标号说明]

100、500       装置

105            接收单元

110            处理单元

115            决定单元

120            校正单元

125            选取单元

130            更新单元

具体实施方式

请参照图1，图1是本发明第一实施例的频偏取得的装置100。装置100包含有接收单元105、处理单元110、决定单元115、校正单元120、选取单元125及更新单元130，在此请注意到，本实施例的装置100是以两阶段操作来取得较佳的频偏估计值，在第一阶段操作中利用接收单元105、处理单元110、决定单元115来得到初步的频偏估计值，该初步频偏估计值可将接收机与发射机之间的载波频率误差缩小至一预定频率范围内，例如15KHz之内，之后再利用校正单元120、选取单元125及更新单元130于第二阶段操作中利用该初步频偏估计值进行校正再进行微调以得到最终较佳的频偏估计值。

请搭配参照图2，图2是图1所示的装置100的第一阶段操作流程图。倘若大体上可达到相同的结果，并不需要一定照图2所示的流程中的步骤顺序来进行，且图2所示的步骤不一定要连续进行，亦即其它步骤亦可插入其中。详细来说，在步骤205中，接收单元105接收经由一通道所传送的特定序列信号r(k)，并将特定序列信号r(k)储存于一存储器(或存储单元)中，其中特定序列信号r(k)为一虚拟随机序列(Pseudo-random Noise sequence)。假设本发明的装置100是应用于符合时域同步正交频分复用调制(time domainsynchronous orthogonal frequency division multiplexing，TDS-OFDM)的通讯系统中，因此，特定序列信号r(k)采用TDS-OFDM通讯系统中的虚拟随机序列；r(k)可利用下列等式表示之：

r(k)＝[c(k)*h(k)]·e^j(ΩkT+θ)+n(k)    等式(1)

其中c(k)为发射机所传送的一原始随机序列信号，h(k)为一通道函数，n(k)为一噪声信号，ΩkT代表通道所造成的频率偏移，而θ代表通道所造成的相位偏移。在步骤210中，处理单元110旋转特定序列信号r(k)的相位，以使特定序列信号r(k)于频率域上等效位移一个频率f₁，以产生一频率位移的序列信号r₁(k)：

$r_1\left(k\right)=[c\left(k\right)*h\left(k\right)]\·e^{j((\mathrm{\Ω}-f_1)\mathrm{kT}+\mathrm{\θ})}+n\left(k\right)\·e^{j(-f_1\mathrm{kT}+\mathrm{\θ})}$ 等式(2)

决定单元115则在步骤215中选取频率位移的序列信号r₁(k)以及具有长度为K的原始序列信号c(k)进行内积，内积运算结果R₁(k)是以等式(3)表示之：

$R_1\left(k\right)=\frac{1}{k}\underset{n=0}{\overset{K-1}{\mathrm{\Σ}}}{r}_1\left(n\right)\·c^{*}(n-k)$ 等式(3)

决定单元115接着于步骤220中再对内积运算结果R₁(k)进行绝对值运算来产生一绝对值结果|R₁(k)|，并储存绝对值结果|R₁(k)|中的最大值|R₁(k)|_max。接着，在步骤225中，决定单元115会判断最新的绝对值结果中的最大值是否大于之前所储存的任一绝对值结果中的最大值。由于在最大值|R₁(k)|_max产生之前并没有任何被储存下来的最大值，因此，该流程是进行步骤230，而在步骤230中会判断该流程所执行的次数是否大于或等于一预定次数。由于该流程目前仅产生一绝对值结果|R₁(k)|，亦即，该流程所执行的次数只有一次，因此，该流程会再次进行步骤210，处理单元110会旋转频率位移序列信号r₁(k)的相位，使得频率位移序列信号r₁(k)于频率域上等效位移一个频率f₁-f₂，或是直接旋转特定序列信号r(k)的相位，使得特定序列信号r(k)于频率域上等效位移一个频率-f₂，换言之，等效上，可视为处理单元110旋转特定序列信号r(k)的相位，以使特定序列信号r(k)于频率域上等效位移一个频率-f₂，以产生不同的频率位移序列信号r₂(k)：

$r_2\left(k\right)=r_1\left(k\right)\·e^{j((f_1-f_2)\mathrm{kT}+\mathrm{\θ})}$

$=[c\left(k\right)*h\left(k\right)]\·e^{j((\mathrm{\Ω}-f_2)\mathrm{kT}+\mathrm{\θ})}+n\left(k\right)\·e^{j(-f_2\mathrm{kT}+\mathrm{\θ})}$ 等式(4)

接着，于步骤215中，决定单元115会取频率位移序列信号r₂(k)以及具有长度为K+1的原始序列信号c(k)进行内积，内积运算结果R₂(k)可表示如下：

$R_2\left(k\right)=\frac{1}{k}\underset{n=0}{\overset{K-1}{\mathrm{\Σ}}}{r}_2\left(n\right)\·c^{*}(n-k)$ 等式(5)

并于步骤220与225中，决定单元115对内积运算结果R₂(k)进行绝对值运算来产生一绝对值结果|R₂(k)|，并储存绝对值结果|R₂(k)|中的最大值|R₂(k)|_max，以及判断最新的绝对值结果中的最大值|R₂(k)|_max是否大于之前所储存的任一绝对值结果中的最大值(例如|R₁(k)|_max)，举例来说，若|R₂(k)|_max大于|R₁(k)|_max，则该流程是进行步骤235，在步骤235中，决定单元115会将所记录的一特定绝对值(由于前述仅储存|R₁(k)|_max，因此|R₁(k)|_max亦即是特定极大值)更新为|R₂(k)|_max，并储存|R₂(k)|_max所对应的频率位移。之后，该流程再执行步骤210～220，处理单元110再使特定序列信号r(k)于频率域位移不同的频率(例如f₃)以得到不同的频率位移序列信号，且决定单元115再对该频率位移序列信号进行内积运算与绝对值运算并得到一绝对值运算结果中的最大值。本实施例的预定次数为N，换言之，处理单元110使特定序列信号r(k)于频率域上位移多个不同的频率以分别产生N个不同的频率位移序列信号r₁(k)～r_N(k)，而决定单元115则依据频率位移序列信号r₁(k)～r_N(k)产生N个绝对值结果|R₁(k)|～|R_N(k)|以及N个绝对值结果的最大值|R₁(k)|_max～|R_N(k)|_max，并由|R₁(k)|_max～|R_N(k)|_max之中选取出一最大的特定绝对值，该特定绝对值所对应的频率位移即是初步所估计出的发射机与接收机之间的频率偏移。

另外，本发明并不限定对原始序列信号c(k)与前述每一频率位移序列信号进行内积与绝对值运算来产生绝对值结果|R₁(k)|～|R_N(k)|，在另一实施例中，亦可利用对原始序列信号c(k)与前述每一频率位移序列信号进行相关运算(correlation operation)与绝对值运算来产生绝对值结果|R₁(k)|～|R_N(k)|，此亦符合本发明的精神。也就是说，针对每一频率位移序列信号，决定单元115将原始序列信号c(k)与该频率位移序列信号进行循环相关运算(cycliccorrelation operation)以产生包含多个相关值的一运算结果；以及，针对每一运算结果，决定单元115对每一运算结果中所包含的多个相关值进行绝对值运算以产生相对应的多个绝对值，并自该多个绝对值中选取一特定绝对值，而该特定绝对值为该多个绝对值中的一极值，接着依据该多个运算结果(亦即R₁(k)～R_N(k))所分别对应的多个特定绝对值(亦即|R₁(k)|_max～|R_N(k)|_max)中的一极值来决定该初步的频偏估计值。需注意的是，本发明并不限定预定次数N的值，一般而言，可将预定次数N的值设计为大于等于2的整数值。

当前述流程执行N次之后(亦即产生N个频率位移序列信号之后)，会进行步骤240，并接着结束于步骤245；在步骤240中，决定单元115会选取并输出目前所记录的该特定极大值以及相对应的频率位移，而该特定极大值即为N个绝对值结果的最大值|R₁(k)|_max～|R_N(k)|_max中的一极大值，且对应该极大值的频率位移为第一阶段操作中所估计出的初步频偏估计值。

而上述流程得以估计出初步频偏的原理是，当处理单元110旋转特定序列信号r(k)的相位使得信号r(k)于频率域上等效所位移的频率f_n接近实际频偏Ω时，其绝对值结果|R_n(k)|中的最大值|R_n(k)|_max会是所有最大值|R₁(k)|_max～|R_N(k)|_max中的极大值，这是因为正常进行通讯传输的通道的能量会集中于少数几个路径(即便该通道系多路径通道)，而使得|R_n(k)|_max为|R₁(k)|_max～|R_N(k)|_max中的极大值。反之，当所位移的频率f_n与实际频偏Ω的差距超过一定的频率以上时，绝对值结果|R_n(k)|会呈现类似噪声的信号成分而没有明显的最大值，故其绝对值结果|R_n(k)|中的最大值|R_n(k)|_max不会是|R₁(k)|_max～|R_N(k)|_max中的极大值。举例来说，请参照图3，其所绘示为绝对值结果|R₁(k)|～|R₃(k)|的范例示意图。在本实施例中，通道函数h(k)是以下列等式表示：

h(k)＝δ(k)+δ(k-10)·j    等式(6)

其中δ(k)与δ(k-10)为脉冲函数(impulse function)，特定序列信号r(k)的长度K为255，而实际频偏Ω为10KHz，处理单元110所移动的频率位移f₁～f₃分别是负30KHz、零以及正30KHz，而决定单元115依据该些频率位移f₁～f₃所对应的不同频率位移序列信号分别产生绝对值结果|R₁(k)|～|R₃(k)|(如图3所示)；绝对值结果|R₂(k)|的最大值|R₁(k)|_max为|R₁(k)|_max～|R₃(k)|_max中的极大值，因此，装置100所估计的初步频偏为零。在另一例子中，若发射机与接收机之间的频偏落于正/负300KHz的范围内，则装置100中的处理单元110可利用30KHz为频率位移的单位大小来分别产生不同的频率位移序列信号，且误差范围可控制于15KHz之内，换言之，图2所示的流程步骤210～220只需执行21次即可估计出初步频偏，亦即，预定执行次数N可设计为21。

图4为绘示图2所示的处理单元110所产生的多个频率位移序列信号的范例示意图。在本范例中，处理单元110是以一固定相位偏移为步阶大小(stepsize)来旋转特定序列信号r(k)的相位，以产生不同的频率位移序列信号r₁(k)～r_N(k)，如图所示，其中特定序列信号r(k)包含由位‘1’与位‘0’所组成的K+1个位，亦即B₀～B_K，位‘1’所表示的数值为1，而位‘0’所表示的数值为-1；为方便说明，于本范例中是假设K的值等于前述流程执行次数N的值，而处理单元110使用1个位为步阶大小来旋转特定序列信号r(k)的相位，亦即，频率位移序列信号r₁(k)所包含的位依顺序是B_K、B₀～B_K-1，频率位移序列信号r₂(k)所包含的位依顺序是B_K-1、B_K、B₀～B_K-2，而频率位移序列信号r₃(k)所包含的位依顺序是B_K-2、B_K-1、B_K、B₀～B_K-3，依此类推。

需注意的是，前述K的值并非限定需等于该流程预定执行次数N的值，而处理单元110也可利用多个位为步阶大小来旋转特定序列信号r(k)的相位，且利用固定相位偏移为步阶大小来旋转特定序列信号r(k)的相位的作法并非本发明的限制，在另一实施例中，旋转特定序列信号r(k)的相位亦可使用非固定的相位偏移来实现。

在得到第一阶段操作所产生的初步频偏估计值后，在第二阶段操作中，为了估计出更精确的频偏值，校正单元120先使用初步的频偏估计值对该特定序列信号r(k)进行频偏补偿或频偏校正，以减少特定序列信号r(k)的频偏，之后再进行细部的频偏估计操作，假设经过初步的频偏估计值补偿/校正之后，数据信号仍有Ω’大小的频偏量，校正后的序列信号r’(k)是以下列等式表示：

r′(k)＝[c(k)*h(k)]·e^{j(Ω′kT+θ)}+n(k)    等式(7)

接着，选取单元125则自校正后的序列信号r’(k)中选取出多个部分的(partial)序列信号，以便更新单元130利用该多个部分的序列信号(非完整周期的序列序号)来得出细部的频偏估计值。具体来说，选取单元125由校正后的序列信号r’(k)中选取两个部分序列信号，其中第一部分序列信号r’(n₁)是由校正后的序列信号r’(k)中参数k由零到数值K-m所分别对应到的r’(k)数值所组成，而第二部分序列信号r’(n₂)是由校正后的序列信号r’(k)中参数k由数值m到数值K所分别对应到的r’(k)数值所组成，例如，若校正后的序列信号r’(k)依序由多个位B₀’～B_K’所组成，则序列信号r’(n₁)依序是由位B₀’～B_K-m’所组成，而序列信号r’(n₂)依序是由位B_m’～B_K’所组成，换言之，参数k为不大于数值K且不小于零的整数，n₁为不大于数值K-m且不小于零的整数，n₂为不大于数值K且不小于数值m的整数，且K为正整数，而数值m为一预定设计的数值，例如，数值K为255，而数值m为64，然此并非本发明的限制。

接着，更新单元130则可依据第一部分序列信号r’(n₁)与第二部分序列信号r’(n₂)以及该原始序列信号c(k)，来更新该频偏估计值。详细来说，在前述第一阶段的操作中，例如，决定单元115所决定出的绝对值结果|R_n(k)|中的最大值|R_n(k’)|为所有最大值|R₁(k)|_max～|R_N(k)|_max中的极大值，亦即，数值|R_n(k’)|为前述的特定绝对值，且数值|R_n(k’)|所对应的相关值R_n(k’)是决定单元115依据一参考点k’对该原绐序列信号c(k)与频率位移序列信号r_n(k)进行循环相关运算(cyclic correlation)所产生，其中数值k’为不小于零且不大于数值K的一整数值；更新单元130依据参考点k’来分别对前述多个部分序列信号(亦即第一部分序列信号r’(n₁)与第二部分序列信号r’(n₂))与原始序列信号c(k)进行循环相关运算以产生相对应的多个计算结果R_left(k’)与R_right(k’)，并接着依据第一计算结果R_left(k’)与第二计算结果R_right(k’)来更新该频偏估计值；第一、第二计算结果R_left(k’)与R_right(k’)是以下列等式表示之：

等式(8)

等式(9)

依据等式(8)与等式(9)，可知以k’为参考点将第一部分序列信号r’(n₁)与原始序列信号c(k)进行循环相关运算所产生的第一计算结果R_left(k’)是近似于一函数值h’(k’)再加上一噪声成分n₁(k’)，而以k’为参考点将第二部分序列信号r’(n₂)与原始序列信号c(k)进行循环相关运算所产生的第二计算结果R_right(k’)是近似于函数值h’(k’)乘上e^jΩ′mT+θ，再加上一噪声成分n₂(k’)，因此，更新单元130将第一计算结果R_left(k’)取共轭再乘上第二计算结果R_right(k’)来得到一结果值，并依据该预定数值m直接针对该结果值进行幅角(argument)计算来得到一细部频偏估计值，以及依据该细部频偏估计值与该初步频偏来得出该最终频偏估计值；该细部频偏估计值可表示如下：

等式(10)

该最终频偏估计值即是该初步频偏加上该细部频偏估计值的和。请注意，数值m的值可依据实际所使用的序列信号以及所要求的精确度来进行调整，以便得到更为精确的细部估计值。

此外，在一第二实施例中，可不进行前述第二阶段的操作，亦即，可不进行细部的频偏估计操作。请参照图5，其所绘示为本发明第二实施例的装置500的方块示意图。如图所示，装置500包含有前述的接收单元105、处理单元110与决定单元115，但并未包括校正单元120、选取单元125与更新单元130，换言之，装置500执行初步的频偏估计，而不执行细部的频偏估计；接收单元105、处理单元110与决定单元115的功能与操作是已描述于前述段落中，为省略篇幅，在此不另赘述。

总结来说，本发明的实施例的优势在于，在多路径的通讯环境中可有效地估计出初步频偏估计值，甚或估计出精确的频偏估计值，因此，可解决已知频偏估计方法无法应用于多路径通讯环境中的问题。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (16)

1.一种频偏取得的方法，包含有：

接收通过一通道所传送的一特定序列信号，并将该特定序列信号储存于一存储单元中；

使该特定序列信号于频率域上位移多个不同频率，以分别产生多个位移序列信号；以及

依据该多个位移序列信号来决定一发射机与一接收机之间的一频偏估计值。

2.根据权利要求1所述的方法，其中依据该多个位移序列信号来决定该频偏估计值的步骤包含有：

对一原始序列信号与每一位移序列信号进行相关运算以分别产生多个运算结果；以及

依据该多个运算结果来决定该频偏估计值；

其中该原始序列信号是由该发射机输出至该通道，且该原始序列信号对应于该特定序列信号。

3.根据权利要求2所述的方法，其中该原始序列信号为一虚拟随机序列信号。

4.根据权利要求2所述的方法，其中对该原始序列信号与每一位移序列信号进行相关运算以分别产生该多个运算结果的步骤包含有：

针对每一位移序列信号：

将该原始序列信号与该位移序列信号进行循环相关运算以产生包含多个相关值的一运算结果；以及

依据该多个运算结果来决定该频偏估计值的步骤包含有：

对每一运算结果中所包含的多个相关值进行绝对值运算以产生相对应的多个绝对值，并自该多个绝对值选取一特定绝对值，其中该特定绝对值为该多个绝对值中的一极值；以及

依据该多个运算结果所分别对应的多个特定绝对值中的一极值来决定该频偏估计值。

5.根据权利要求4所述的方法，其还包含有：

利用该频偏估计值对该特定序列信号进行频偏校正以产生一校正后的序列信号；

自该校正后的序列信号中选取多个部分序列信号；以及

依据该多个部分序列信号与该原始序列信号，更新该频偏估计值。

6.根据权利要求5所述的方法，其中该特定绝对值所对应的一相关值是依据一参考点对该原始序列信号与该位移序列信号进行循环相关运算所产生，以及更新该频偏估计值的步骤包含有：

依据该参考点来分别对该多个部分序列信号与该原始序列信号进行循环相关运算以产生相对应的多个计算结果；以及

依据该多个计算结果来更新该频偏估计值。

7.根据权利要求5所述的方法，其中自该校正后的序列信号中选取该多个部分序列信号的步骤包含有：

自该初步校正后的序列信号r’(k)中选取出一第一部分序列信号r’(n1)与一第二部分序列信号r’(n2)；

其中k为不大于K且不小于零的整数，n1为不大于K-m且不小于零的整数，n2为不大于K且不小于K-m的整数，且K为正整数，参数m为该预定数值。

8.根据权利要求1所述的方法，其中依据该多个位移序列信号来决定该频偏估计值的步骤包含有：

依据该多个位移序列信号来决定符合一时域同步正交频分复用调制的该发射机与该接收机之间的该频偏估计值。

9.一种频偏取得的装置，其包含有：

一接收单元，用来接收通过一通道所传送的一特定序列信号；

一处理单元，耦接于该接收单元，用来使该特定序列信号于频率域上位移多个不同频率，以分别产生多个位移序列信号；以及

一决定单元，耦接于该处理单元，用来依据该多个位移序列信号来决定一发射机与一接收机之间的一频偏估计值。

10.根据权利要求9所述的装置，其中该决定单元对一原始序列信号与每一位移序列信号进行相关运算以分别产生多个运算结果，并依据该多个运算结果来决定该频偏估计值；以及该原始序列信号是由该发射机输出至该通道，且该原始序列信号对应于该特定序列信号。

11.根据权利要求10所述的装置，其中该原始序列信号为一虚拟随机序列信号。

12.根据权利要求10所述的装置，其中，针对每一位移序列信号，该决定单元将该原始序列信号与该位移序列信号进行循环相关运算以产生包含多个相关值的一运算结果；以及，针对每一运算结果，该决定单元对每一运算结果中所包含的多个相关值进行绝对值运算以产生相对应的多个绝对值，并自该多个绝对值选取一特定绝对值，该特定绝对值为该多个绝对值中的一极值，以及依据该多个运算结果所分别对应的多个特定绝对值中的一极值来决定该频偏估计值。

13.根据权利要求12所述的装置，其还包含有：

一校正单元，耦接于该决定单元，利用该频偏估计值对该特定序列信号进行频偏校正以产生一校正后的序列信号；

一选取单元，耦接于该校正单元，自该校正后的序列信号中选取多个部分序列信号；以及

一更新单元，耦接于该选取单元，依据该多个部分序列信号与该原始序列信号，更新该频偏估计值。

14.根据权利要求13所述的装置，其中，该特定绝对值所对应的一相关值为该决定单元依据一参考点对该原始序列信号与该位移序列信号进行循环相关运算所产生；以及该更新单元依据该参考点来分别对该多个部分序列信号与该原始序列信号进行循环相关运算以产生相对应的多个计算结果，并依据该多个计算结果来更新该频偏估计值。

15.根据权利要求13所述的装置，其中，该选取单元自该初步校正后的序列信号r’(k)中选取出一第一部分序列信号r’(n₁)与一第二部分序列信号r’(n₂)，k为不大于K且不小于零的整数，n₁为不大于K-m且不小于零的整数，n₂为不大于K且不小于K-m的整数，且K为正整数，参数m为该预定数值。

16.根据权利要求9所述的装置，其中该特定序列信号可符合一时域同步正交频分复用调制。

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