CN101965688B - 用于通带通信系统的高效载波恢复技术 - Google Patents

Abstract

描述了方法、装置和包含计算机指令的制品。在一实施例中，一种装置包括用于接收训练分组的射频接收机。该接收机可包括处理器。该处理器可包括用于执行载波恢复的模块。粗略估计器模块可从该训练分组推导粗略频率偏移；并且精细估计器模块可与粗略估计器模块基本上同时且并行地从该训练分组推导精细频率偏移。载波恢复模块可使用该精细和粗略频率偏移来执行载波恢复。

Description

用于通带通信系统的高效载波恢复技术

背景

在通带通信系统中，发射机中的载波频率可在本地从诸如晶体振荡器之类的时基参考推导出。载波恢复系统可以是用来出于相干解调的目的而估计和补偿收到信号的载波与接收机的本机振荡器之间的频率和相位差的电路。

在通信载波系统的发射机中，载波可由基带信号来调制。在接收机处，可从传入的经调制波形提取该基带信息。理想情况下，发射机和接收机的载波频率振荡器应当在频率和相位上完全匹配，从而准许对经调制基带信号的理想的相干解调。然而，发射机和接收机很少共享相同的载波频率振荡器。通信接收机系统常常独立于发射系统，并且包含其自己的具有频率和相位偏移以及不稳定性的振荡器。

为了执行相干解调，接收机可能需要知道发射机的确切载波频率和相位。一般而言，接收机中的载波频率可独立于发射机地推导出来。在发射机和接收机中产生的载波频率可能相差最高达系统设计者所定义的最大偏移。由此，可能需要从接收机处接收到的信号推导出确切的载波频率，即也被称为载波恢复的过程。

在常规的通带通信系统中，载波恢复可在至少两级中执行，例如粗略频率估计后继以精细频率偏移估计。正是鉴于这些和其他考虑作出了以下改进。

附图简述

图1示出了训练序列分组；

图2示出了根据各实施例的训练序列分组；

图3示出了根据各实施例的载波恢复技术的逻辑流程图；以及

图4示出了装置实施例的框图。

详细描述

各个实施例可包括高效载波恢复技术。该技术可缩短进行载波恢复所需的总时间并提高总体系统吞吐量。

一种载波恢复技术可以使用收到信号的自相关(autocorrelation)。频率误差或即残留频率偏移可以是发射机与接收机之间的频率差。残留频率可以在时域中描述为所发射的信号乘以相矢(加噪声项)：

r(k)＝x(k)e^-j2πΔfkT+n(k)，    (1)

其中Δf可以是残留频率偏移而T为采样历时。通过发送长度为N且周期为P的周期性训练序列，即x(k+P)＝x(k)，就可以通过下式计算出自相关：

$R\left(P\right)=\underset{k=1}{\overset{N-P}{\mathrm{\Σ}}}r\left(k\right)r^{*}(k+P)=e^{-j2\mathrm{\π\ΔfPT}}\underset{k=1}{\overset{N-P}{\mathrm{\Σ}}}{\left|x\left(k\right)\right|}^2+\underset{k=1}{\overset{N-P}{\mathrm{\Σ}}}{n}^{\′}\left(k\right),---\left(2\right)$

其中经修改噪声n′(k)包括来自噪声/信号和噪声/噪声项的贡献。

随着训练序列的长度N的增加，式(2)中第二个总和趋于0(噪声的平均值)，并且可获得改善的信噪比(SNR)。对于常数N而言，周期P的选取可影响结果得到的系统性能。可以表明，较大的P为角度计算改善了有效SNR，因此较大的P对于系统性能而言会是有益的。另一方面，为了消除相位多义性，最大周期P可能需要满足-π＜2πΔfPT＜π，即。

在常规的通带通信系统中，载波恢复可在至少两级中执行。图1示出了常规的通带系统中用于载波恢复程序的训练序列分组100的示例。在第一级中，可以使用长度为N₀且周期为P₀的周期性信号102。该周期性信号可允许以精度Δf₀来估计频率偏移，即该周期性信号产生频率偏移估计。周期P₀可被选取为即使对于最大可允许的频率偏移也能防止相位多义性的最大周期。此第一级可被称为“粗略频率估计”。

在称为“精细频率偏移估计”的第二级中，可以使用长度为N₁且周期为P₁的周期性信号104，其可允许估计残留频率偏移Δf₀。P₁可被选取为对于最大可允许的残留频率偏移Δf₀能防止相位多义性的最大周期。

各个实施例可包括用于进行更高效载波恢复的技术。该技术可通过对相同序列并行地执行“粗略”和“精细”频率估计来缩短进行载波恢复所需的总时间。该技术还可以提高总体系统吞吐量。

图2示出了根据本发明的各实施例可使用的训练序列分组200的示例。训练序列分组200可包括长度为N₀且周期为P₀的单个周期性信号202。可以不需要第二训练序列。然而，周期P₁的大小可被约束为是P₀的倍数。训练序列的总长度可按照max(N₀，N₁)＜N₀+N₁来设定，其中N₀是允许对残留频率偏移Δf₀进行估计的最小长度，而N₁是允许在Δf₀的估计中达到所要求的精度的最小长度。训练序列分组200的结构可导致分组长度比常规系统中使用的训练分组要短。较短的分组可导致更大的吞吐量和/或更快速的载波恢复。

示出该技术的实施例的逻辑流程在图3中示出。在框302，接收机可接收具有周期P₀的周期性训练序列。该周期性训练序列可类似于图2中描述的训练序列分组200。

在框304，接收机可向该训练序列应用粗略频率估计。例如可通过计算自相关R(P₀)——例如式(2)——来应用粗略频率估计。结果得到的频率偏移估计可具有估计误差Δf₀。

在框306，接收机可与框304并行且基本上同时地通过计算相同训练序列的自相关R(P₁)来应用精细频率估计，其中P₁＝mP₀且m为整数。整数m可以是对于最大预期残留频率偏移Δf₀仍能防止相位多义性的最大整数。

在框308，接收机可从自相关R(P₀)中的指数项提取角度，即从^-j2πΔfPT提取Δf项。

在框310，接收机可与框308并行且基本上同时地从自相关R(P₁)中的指数项提取角度。R(P₁)可与exp{-j2πΔfP₁T}成比例且其相位可给出为：

φ＝mod[2πΔfP₁T+π，2π]-π∈[-π，π]。    (3)

在框312，提取出的角度可例如通过将该角度乘以1/(2πiP₀T)来归一化。归一化以后的结果可以是粗略频率偏移估计。(注意，在图3中，被示为：Δf′。)

在框314，来自框310的提取出的角度和粗略频率偏移可被应用于框314中所示的式子。

通过将代入式(3)，就可得到：

$\mathrm{\φ}=\mathrm{mod}[2\mathrm{\π}(\mathrm{\Δ}\hat{f}-\mathrm{\Δ}{f}_0)P_{1}T+\mathrm{\π},2\mathrm{\π}]-\mathrm{\π}=\mathrm{mod}[2\mathrm{\π\Δ}\hat{f}{P}_{1}T-2\mathrm{\π\Δ}{f}_0{P}_{1}T+\mathrm{\π},2\mathrm{\π}]-\mathrm{\π}$ 。(4)

为了估计Δf₀，可以求解x+y＝z mod 2π形式的系统，其中x和z是已知的。若y满足y＝y mod 2π，则该系统的解为y＝(z-x)mod 2π。

在框316，接收机可获得残留偏移频率(示为Δf₀′)。例如，通过将、y＝-2πΔf₀P₁T+π、z＝φ+π代入式(4)，就可以得到对残留频率偏移Δf₀的估计：

$\mathrm{\Δ}{\hat{f}}_0=\frac{\mathrm{mod}[\mathrm{\φ}+\mathrm{\π}-2\mathrm{\π\Δ}\hat{f}{P}_{1}T,2\mathrm{\π}]-\mathrm{\π}}{-2\mathrm{\π}{P}_{1}T}.---\left(5\right)$

注意，可能是准确但多义的，而可能不准确但能够解决的多义性。结果得到的随后可被用来校正收到信号中的频率偏移。

在一实施例中，训练序列的总长度可按照N＝max(N₀，N₁)＜N₀+N₁来设定，其中N₀是可获得残留频率偏移Δf₀的最小长度，而N₁是可获得估计Δf₀时所要求的精度的最小长度。(当N₁→∞时，Δf₁→0，，其中Δf₁是第二级误差。)

图4示出了根据一实施例的并行两级载波恢复装置400的框图。装置400可包括射频接收机402。接收机402可以能够接收从远程设备传送的信号。接收机402可经由天线404接收信号。接收机402还可包括处理器406。处理器406可包括可执行频域均衡技术的全部或部分的各种模块。这类模块可包括例如粗略估计器408、精细估计器410以及载波恢复模块412。

一般而言，装置400可包括用于传达和操纵信息的各种物理和/或逻辑组件，视给定的一组设计参数或性能约束所期望的，其可被实现为硬件组件(例如，计算设备、处理器、逻辑设备)、将由各种硬件组件执行的可执行计算机程序指令(例如，固件、软件)、或其任何组合。虽然图4可能示出了有限数目的组件作为示例，但是可领会，对于给定实现可以采用更多或更少数目的组件。

在各个实施例中，装置400可由支持各种联网、通信和/或多媒体能力的计算平台来实现，诸如移动平台、个人计算机(PC)平台和/或消费者电子(CE)平台。这类能力可得到各种网络的支持，诸如广域网(WAN)、局域网(LAN)、城域网(MAN)、无线WAN(WWAN)、无线LAN(WLAN)、无线MAN(WMAN)、无线个域网(WPAN)、全球微波接入互通(WiMAX)网络、宽带无线接入(BWA)网络、因特网、万维网、电话网、无线电网络、电视网、电缆网、诸如直接广播卫星(DBS)网络之类的卫星网、码分多址(CDMA)网络、诸如宽带CDMA(WCDMA)之类的第三代(3G)网络、第四代(4G)网络、时分多址(TDMA)网络、扩展-TDMA(E-TDMA)蜂窝无线电电话网、全球移动通信系统(GSM)网络、GSM与通用分组无线电业务(GPRS)系统(GSM/GPRS)网络、同步划分多址(SDMA)网络、时分同步CDMA(TD-SCDMA)网络、正交频分复用(OFDM)网络、正交频分多址(OFDMA)网络、北美数字蜂窝(NADC)蜂窝无线电电话网、窄带高级移动电话业务(NAMPS)网络、通用移动电话系统(UMTS)网络、和/或根据所描述的实施例的任何其他有线或无线网络。

在一些实现中，装置400可包括计算设备内和/或耦合到计算设备的系统，该计算设备诸如是PC、台式PC、笔记本PC、膝上型计算机、移动因特网设备(MID)、移动计算设备、智能电话、个人数字助理(PDA)、移动电话、组合移动电话/PDA、视频设备、电视(TV)设备、数字电视(DTV)设备、高清电视(HDTV)设备、媒体播放器设备、游戏设备、或根据所描述的实施例的其他类型的计算设备。

包括装置400的计算设备可构成有线通信系统、无线通信系统或两者的组合的一部分。例如，该计算设备可被安排成在一种或更多种有线通信链路上传达信息。有线通信链路的示例可包括但不限于导线、电缆、总线、印刷电路板(PCB)、以太网连接、对等(P2P)连接、底板、交换结构、半导体材料、双绞线、同轴电缆、光纤连接等。该计算设备可被安排成在一种或更多种无线通信链路上传达信息。无线通信链路的示例可包括但不限于无线电信道、卫星信道、电视频道、广播频道、红外信道、射频(RF)信道、无线保真(WiFi)信道、RF频谱的一部分、和/或一个或更多个有执照或无执照频带。在无线实现中，移动计算设备可包括一个或更多个用于无线通信的接口和/或组件，诸如一个或更多个发射机、接收机、收发机、放大器、滤波器、控制逻辑、无线网络接口卡(WNIC)、天线等。虽然可能使用特定通信介质作为示例来说明某些实施例，但是可以领会，本文中所讨论的原理和技术可使用各种通信介质及伴随的技术来实现。

虽然可能作为示例描述了某些模块和/或板块，但是可以领会，可以使用更多或更少数目的模块和/或板块且仍落在各实施例的范围内。此外，虽然为便于描述可能以模块和/或板块的形式描述了各个实施例，但这些模块和/或板块可由一个或更多个硬件组件(例如，处理器、DSP、PLD、ASIC、电路、寄存器)、软件组件(例如，程序、子例程、逻辑)和/或其组合来实现。

回到图4，粗略估计器408可执行该技术的粗略估计部分，例如框304、308和312。精细估计器410可执行该技术的精细估计部分，例如框306、310和314。粗略估计器408和精细估计器410可彼此基本上同时且并行地执行其各自的功能。

载波恢复模块412可使用该粗略和精细估计来计算频率偏移项并恢复出基带频率。在一实施例(未示出)中，粗略估计器408和/或精细估计器410可以是载波恢复模块412的组件。

一般而言，装置400可包括用于传达信息的各种物理和/或逻辑组件，视给定的一组设计参数或性能约束所期望的，其可被实现为硬件组件(例如，计算设备、处理器、逻辑设备)、将由各种硬件组件执行的可执行计算机程序指令(例如，固件、软件)、或其任何组合。虽然图4可能示出了有限数目的组件作为示例，但是可领会，对于给定实现可以采用更多或更少数目的组件。

本文中已阐述了众多具体细节以提供对各实施例的透彻理解。然而，本领域技术人员将理解，各实施例不用这些具体细节也可实施。在其他情形中，众所周知的操作、组件和电路并未进行详细描述以免混淆各实施例。可以领会，本文中所公开的具体结构和功能细节可以是代表性的而不必然限制各实施例的范围。

一些附图可能包括流程图。虽然这类附图可能包括具体的逻辑流程，但是应领会，逻辑流程仅提供对一般功能性的示例性实现。此外，除非另行指示，否则逻辑流程不一定要按所给出的次序执行。

在各个实施例中，逻辑流程可包括或实现为可执行计算机程序指令。这些可执行计算机程序指令可由固件、软件、模块、应用、程序、子例程、指令、指令集、计算代码、字、值、符号或其组合来实现。可执行计算机程序指令可包括任何合适类型的代码，诸如源代码、经编译代码、经解释代码、可执行代码、静态代码、动态代码、及类似代码。可执行计算机程序指令可根据预定义的计算机语言、方式或句法来实现以用于指令计算设备执行某种功能。可执行计算机程序指令可使用根据所描述的实施例的任何合适的编程语言来实现。可提供可执行计算机程序指令以供从服务器下载到诸如以上描述的那些计算设备。

在各个实施例中，逻辑流程可包括或实现为存储在制品和/或计算机可读存储介质中的由根据所描述的实施例的各种系统和/或设备实现的可执行计算机程序指令。该制品和/或计算机可读存储介质可存储当由计算设备执行时使该计算设备执行根据所描述的实施例的方法和/或操作的可执行计算机程序指令。

制品和/或计算机可读存储介质可包括一种或更多种能够存储数据的计算机可读存储介质，包括易失性存储器或非易失性存储器、可移动或不可移动式存储器、可擦除或不可擦除存储器、可写或可重写存储器等。计算机可读存储介质的示例可包括但不限于，随机存取存储器(RAM)、动态RAM(DRAM)、双倍数据率DRAM(DDRAM)、同步DRAM(SDRAM)、静态RAM(SRAM)、只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、可擦除可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)、闪存(例如，NOR或NAND闪存)、内容可寻址存储器(CAM)、聚合体存储器(例如，铁电聚合体存储器)、相变存储器、双向存储器、铁电存储器、硅-氧化物-氮化物-氧化物-硅(SONOS)存储器、磁性或光学卡、或根据所描述的实施例的任何其他合适类型的计算机可读介质。

除非另外明确指出，否则可以领会，诸如“处理”、“计算”、“运算”、“确定”或类似术语之类的术语表示计算机或计算系统或者类似电子计算设备的动作和/或过程，其操纵计算系统寄存器和/或存储器内被表示为物理量(例如，电子)的数据和/或将这些数据变换为计算系统存储器、寄存器或其它这类信息存储、传输或显示设备内类似地表示为物理量的其它数据。

还值得注意的是，对“一个实施例”或“一实施例”的任何引用均意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包含在至少一个实施例中。因此，在本说明书通篇中的各处短语“在一个实施例中”或“在实施例中”的出现不一定全部指的是同一实施例。而且，特定特征、结构、或特性可按照任何合适的方式在一个或多个实施例中组合。

可使用表达“耦合的”和“连接的”及其派生词来描述一些实施例。应理解，这些术语并不意图作为彼此的同义词。例如，可使用术语“连接的”来描述一些实施例以指示两个或更多的元件彼此直接物理或电气接触。在另一示例中，可使用术语“耦合的”来描述一些实施例以指示两个或更多的元件直接物理或电气接触。然而，术语“耦合的”也可意味着两个或更多的元件彼此并不直接接触，但是仍然彼此协作或交互。

尽管各实施例的某些特征已按在本文中描述地来说明，但本领域技术人员可想到许多修改、替换、改变和等效。因此将理解，所附权利要求旨在涵盖落入各实施例的真实精神内的所有这类修改和改变。

Claims (7)

1.一种用于载波恢复的方法，包括：

接收具有周期P的周期性训练序列；

通过使用周期P来计算所述周期性训练序列的粗略自相关以及基于所述粗略自相关来估计粗略频率偏移，使用所述周期性训练序列来应用粗略频率估计；

通过使用周期P的倍数来计算所述周期性训练序列的精细自相关、从所述精细自相关的指数项提取角度、以及基于所提取的角度和所述粗略频率偏移来估计精细频率偏移，与应用所述粗略频率估计并行且同时地使用所述周期性训练序列来应用精细频率估计；以及

基于所述粗略和精细频率估计来获得频率偏移校正项，

其中所述周期P的倍数是对于最大预期残留频率偏移能防止相位多义性的最大整数，以及

其中所述周期性训练序列具有长度N，所述长度N由能获得残留频率偏移的最小长度N₀和能获得估计所述残留频率偏移时所要求的精度的最小长度N₁中的较大者决定，其中N小于N₀与N₁之和。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

使用所述频率偏移校正项来执行载波恢复。

3.一种用于载波恢复的装置，包括：

用于接收训练分组的射频接收机，所述接收机包括：

粗略估计器模块，用于通过基于粗略自相关来计算粗略频率偏移，从所述训练分组推导粗略频率偏移；以及

精细估计器模块，用于通过使用周期P的倍数来计算精细自相关、从所述精细自相关的指数项提取角度、以及基于所提取的角度和所述粗略频率偏移来估计精细频率偏移，与所述粗略估计器模块同时且并行地从所述训练分组推导精细频率偏移；以及

载波恢复模块，用于使用所述精细和粗略频率偏移来执行载波恢复，

其中周期P的所述倍数是对于最大预期残留频率偏移能防止相位多义性的最大整数，以及

其中所述训练分组具有长度N，所述长度N由能获得残留频率偏移的最小长度N₀和能获得估计所述残留频率偏移时所要求的精度的最小长度N₁中的较大者决定，其中N小于N₀与N₁之和。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，还包括耦合到所述接收机的天线。

5.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述训练分组包括具有周期P的多个相同的训练序列。

6.一种用于载波恢复的设备，包括：

用于接收具有周期P的周期性训练序列的装置；

用于通过使用周期P来计算所述周期性训练序列的粗略自相关以及基于所述粗略自相关来估计粗略频率偏移，使用所述周期性训练序列来应用粗略频率估计的装置；

用于通过使用周期P的倍数来计算所述周期性训练序列的精细自相关、从所述精细自相关的指数项提取角度、以及基于所提取的角度和所述粗略频率偏移来估计精细频率偏移，与应用所述粗略频率估计并行且同时地使用所述周期性训练序列来应用精细频率估计的装置；以及

用于基于所述粗略和精细频率估计来获得频率偏移校正项的装置，

其中周期P的所述倍数是对于最大预期残留频率偏移能防止相位多义性的最大整数，以及

其中所述周期性训练序列具有长度N，所述长度N由能获得残留频率偏移的最小长度N₀和能获得估计所述残留频率偏移时所要求的精度的最小长度N₁中的较大者决定，其中N小于N₀与N₁之和。

7.如权利要求6所述的设备，其特征在于，还包括用于使用所述频率偏移校正项来执行载波恢复的装置。