CN102257730B - 用于无线通信中的频率控制的方法和设备 - Google Patents

Abstract

接收器应用的自动频率校正值经改变以将路径延迟分布的长期漂移降到最低。在一个实施例中，累积从恒定频率校正产生的相位或时序误差，并且选择性地将估计的频率校正值量化成实际频率校正值以响应累积的相位/时序误差。选择高于或低于估计的量化值以将引起路径延迟分布漂移的累积相位/时序误差降到最低。在另一实施例中，时序电路测量通过每次频率校正所引发的瞬间路径延迟分布漂移，并且对随时间过去的瞬间漂移测量求积分以产生路径延迟分布漂移。漂移（或其变化率）随后用于调整频率校正值以便将漂移降到最低。

Description

用于无线通信中的频率控制的方法和设备

技术领域

本发明一般涉及无线通信，并且具体涉及接收器频率控制的系统和方法。

背景技术

在无线通信中，数字数据经模拟波形通过空中传送。二进制信息被映射到表示一个或多个比特的复值调制的符号中，传送器(TX)脉冲成形滤波被应用，并且信号被上变频到射频(RF)。在接收器（本领域中也称为用户设备），对信号进行下变频、接收器(RX)滤波、采样和解调。如果不存在信道损害并且如果采样瞬间选择正确，数据可正确地恢复。在实际系统中，TX和RX链的时序未稳固同步，由此正确的采样瞬间事先未知。相反，它取决于传送条件，如传播和处理延迟。另外，无线电信道和接收器电路将噪声和干扰添加到接收信号，由此降低了信号干扰噪声比(SINR)。为了以可能的最高质量来恢复信号，采样瞬间的选择很重要。

为了以可靠和健壮的方式提供最佳采样瞬间，在称为自动频率控制(AFC)的过程中，RX计时参考一般锁定到TX频率（如在接收器观察到的）。另外，采样时钟的相位可调整以便提供最佳采样瞬间。接收器频率和时间同步在本领域是公知的。

在典型的实现中，应用频率和时序校正措施以便以不相交的方式解决其相应任务。AFC用于通过调谐频率参考或应用反旋，去除尽可能多地频率偏移。通常的准则是在校正后将残余频率误差的量值或均方误差(MSE)降到最低。

诸如3GPP中HSPA演进等现代无线宽带系统要求例如超过25 dB的高效接收器SINR值以便在峰值系统速率成功接收数据。这要求十分精确估计和校正时序误差，在HSDPA中大约是码片的1/64 (4 ns)。无论用于估计和校正误差的方法如何，带有充分质量的可行估计要求在延长的时期上基础过程相对稳定。

为将时序误差降到最低，并且跟踪随时间的多径信号分量以便计算通用RAKE (G-RAKE)分支布置延迟，在路径延迟分布（profile）中跟踪接收的多径信号分量的相对时间偏移。实际上，此跟踪通常是必需的，甚至在终端实体未正在物理移动时，因为观察到的延迟分布仍漂移。在路径延迟分布随时间漂移时，RAKE或G-RAKE分支（或信道均衡化滤波器抽头）的位置必须更新以便避免失去信号能量，这意味着漂移其位置。例如，这意味着与RAKE分支相关联的参数滤波过程必须重置或重新初始化以考虑到新位置和可能的分支间距离。这在分支管理电路中造成另外的计算负载，降低了接收算法的性能以及增大了功耗。

发明内容

根据本发明的一个或多个实施例，改变由自动频率控制单元应用到接收信号的频率校正值以便将路径延迟分布的长期漂移降到最低。在一个实施例中，由恒定频率校正产生的时序或相位误差被累积，并且是将估计的频率校正值选择性量化为实际频率校正值中的决策变量。具体而言，如果累积的时序或相位误差是正的，则选择低于估计的频率校正值的量化的实际频率校正值；如果累积的时序或相位误差是负的，则选择高于估计的频率校正值的量化的实际频率校正值。随后，在频率校正中应用选择的实际值以将累积的残余相位误差降到最低，即，在引发路径延迟分布漂移的自动频率控制单元后。在另一实施例中，时序电路测量通过每次频率校正所引发的瞬间路径延迟分布漂移，并且对随时间过去的瞬间漂移测量求积分以产生路径延迟分布漂移。漂移（或其变化率）随后用做决策变量以调整频率校正值以便将漂移降到最低。

一个实施例涉及一种实现自动频率校正的无线通信接收器中降低路径延迟漂移的方法。在接收信号中估计累积的时序或相位偏移。确定目标频率校正值，将目标频率校正值量化为实际频率校正值以响应累积的相位偏移，并且在频率校正操作中将实际频率校正值应用到接收信号。因此，可强制应用的频率误差校正值高于或低于目标频率误差校正值以将累积的时序或相位偏移降到最低。另一实施例涉及一种无线通信接收器。该接收器包括操作以确定目标频率校正值的自动频率控制(AFC)单元。AFC单元包括操作以估计接收信号中累积的时序或相位偏移的频率误差累积单元和操作以将目标频率校正值量化为实际频率校正值以响应累积的时序或相位偏移的频率校正量化单元。AFC单元还操作以将实际频率校正值应用到接收信号以便将由恒定频率校正所造成的路径延迟分布中随时间过去的漂移降到最低。另一实施例涉及一种包括一个或多个天线和所述无线通信接收器的无线通信用户设备。

附图说明

图1是示出频率误差与路径延迟分布漂移之间的现有技术关系的图形。

图2是实现频率校正的无线通信接收器中降低路径延迟分布漂移的方法的流程图。

图3是根据本发明的一个实施例的使用自动频率校正来降低路径延迟分布漂移的接收器的功能框图。

图4是根据本发明的一个实施例的使用时序估计器和路径延迟分布漂移反馈来降低漂移的接收器的功能框图。

图5是根据本发明的一个实施例的使用高分辨率延迟检测器来检测路径延迟分布漂移的接收器的功能框图。

图6是根据本发明的一个实施例的使用高分辨率延迟检测器和精细频率校正单元将路径延迟分布漂移降到最低的接收器的功能框图。

图7是根据本发明的实施例示出频率误差校正与路径延迟分布漂移之间的关系的图形。

图8是根据本发明的一个实施例的估计和积分瞬间路径延迟分布漂移以降低漂移的接收器的功能框图。

具体实施方式

前面所述静态条件中的路径漂移一般在现有技术AFC系统中遇到。该问题由以下实际情况产生：使用最小误差量值或均方误差(MSE)准则将AFC中的频率误差降到最低可导致某一持续时间上的恒定（或接近恒定）的残余频率误差。这是由于TX和RX时钟速率差随时间保持恒定正负号而引起的，如接收器相对于传送器在静态位置中、并且AFC保持恒定频率设置时可能发生此情况。甚至小的恒定频率误差也使得累积的相位误差（其是随时间过去的频率误差的积分（integral））无限增长。这在图1中示出，其中，路径时序偏移在由于解扩器位置更改而绕回之前一路漂移到最大可能值。累积的相位误差引起了观察到的路径延迟分布的长期漂移。

常规AFC系统尝试将残余频率误差（即，在应用频率校正后剩余的误差）降到最低。如果估计的校正前误差为f _est ，则理想的情况是实际应用的校正f _corr 将是f _corr =f _est 。然而，实际上，可用校正值的集合由于用于控制本地振荡器的变量的有限精度而受到限制。实际校正因此将是估计误差的某一量化版本：

。

适当的量化可以在几种方式中确定。例如，可选择它以便将绝对误差降到最低：

。

备选的是，可使用上限（ceiling）或下限（floor）操作，例如，对于下限操作： 

。

无论选择的量化如何，如果传播条件和接收器状态保持不变，则稳态情况可出现，其中，在延长的时期上，保持了相同的校正值，并且更重要是，保持了相同的残余误差f _est -f _corr 。如图1中的虚曲线所示，这使得累积的相位误差大幅增大。

根据本发明的实施例，利用量化误差的知识将随时间累积的相位增益降到最低，而不是重复应用相同量化到频率校正f _est 。图2示出实现此操作的方法100。估计理想的期望频率误差校正值f _est （框102）。

应用此值将产生零残余频率误差，但由于上述量化约束，一般不可应用确切值。随后，评估随时间累积的残余频率误差F _acc （框104）。这例如可通过积分（相加）所有过去AFC校正实例的残余频率误差f _est -f _corr 来完成。基于F _acc 的正负号，将估计的频率误差校正值f _est 在F _acc <0时量化为使实际频率误差校正值f _corr 高于f _est ，或者在F _acc ≥0时低于f _est （框108）。也就是说，应用以下规则以得到应用到接收信号的实际频率误差校正值：

                           （1）

其中，和分别是高于或低于估计的频率误差校正值的最接近的可用量化频率误差校正值。决策变量F _acc 是在时间t的累积的残余频率误差，其描述随时间过去的总相位偏差： 

，或者                           （2）

。

一般在t = 0时设为0。随后，将实际频率误差校正值f _corr 应用到接收的信号（框110），并且将校正后的频率误差加到累积的残余频率误差F _acc （框112）。方法100随后对于下一AFC校正周期重复。

图3中示出根据一个实施例的接收器10的相关部分。无线通信信号在与接收器相关联的天线12接收，并且在前端处理模块14中处理（包括低噪声放大、滤波、ADC及诸如此类）。AFC单元16定期调整接收信号的频率以匹配接收器频率和传送器频率（如在接收器看到的）。信道估计单元24基于收到的通信信号中的参考或导频符号来生成信道估计。基于信道估计，从接收信号，解调器26恢复符号，并且解码器28恢复数字数据。

在AFC单元内16，残余频率误差累积单元18例如通过应用等式(2)到AFC单元16内估计的残余频率误差，生成累积的残余频率误差F _acc 。频率校正量化单元20选择性地将估计的频率误差校正值f _est 量化为实际频率误差校正值f _corr 以便例如通过应用等式(1)到f _est 来将F _acc 降到最低。

在一个实施例中，对于可容忍更大分布偏差时的情况，无需每次频率误差校正更新时校正延迟分布漂移。在此实施例中，在修正频率误差校正方向前，允许相位误差对于预定数量的频率校正周期累积，或者累积到预定累积的相位误差量。因此，可无需在每次频率误差校正更新时进行F _acc 和/或AFC决策的更新。附加或备选的是，可应用滤波到F _acc 以提高健壮性。

在图4所示的一个实施例中，在时序估计单元22中估计与某一期望位置（例如，零采样偏移）的当前路径延迟分布偏差并将其提供到AFC 16。作为累积的相位误差之函数的分布漂移的方向根据接收器设计是已知的。例如，假设正的累积误差产生正分布漂移。因此，累积的相位误差值将构建为：

并且(1)将被应用。

在图5所示的一个实施例中，高分辨率延迟检测器23直接确定路径漂移。如果路径漂移已被发现是在期望延迟的一侧上，则频率校正更改为带有对应正负号的其最接近邻近值。如图7所示，路径漂移现在是在相反方向中，直至它到达期望延迟的另一侧上延迟检测器23的最精细分辨率点，随后，频率校正将设为带有相反正负号的其最接近邻近值，即，在此时间期期间未进行频率校正更新时的原频率校正值。

在图6所示的一个实施例中，除主频率校正单元16外，采用了带有更精细分辨率和少许校正级别的精细频率校正单元21，如相位旋转器。如果在期望延迟的一侧上在高分辨率延迟检测器23的最精细分辨率点检测到路径延迟分布漂移，则精细频率校正单元21将设置带有第一校正级别和对应正负号的频率校正。如果现在如图7所示，路径延迟分布漂移在相反方向中，则将不进行任何操作，直到它到达期望延迟的另一侧上高分辨率延迟检测器23的最精细分辨率点。在该点，精细频率校正单元21将设置带有第一校正级别和相反正负号的频率校正。

另一方面，如果甚至在设置带有第一校正级别的频率校正后确定路径延迟分布漂移还在相同方向中，则精细频率校正单元21随后将设置带有下一校正级别和相同正负号的频率校正。此过程能够扩展到许多校正级别，从而强制路径延迟分布围绕期望延迟振荡，而无需添加高频率偏置。然而，太多校正级别将意味着高分辨率延迟检测器23的更高分辨率和/或更大路径延迟分布漂移，这是应该避免的。给定本公开的教导，本领域技术人员能够容易做出和实现设计折衷以获得任何给定实现的最佳解决方案。

图8示出采用更一般的控制环方案在接收器的相关部分50中消除路径延迟分布漂移的一实施例。频率估计单元52是常规频率误差估计器，其提供频率误差校正值f _corr 到AFC频率校正块58。注意，此值通过使用现有技术“最接近近似值”方案从估计的频率误差校正值f _est 量化，并且可能是恒定值，从而造成增大的残余相位误差累积。时序估计器单元54估计以前频率校正在路径延迟分布中造成的瞬间漂移。积分器56对路径延迟分布中的瞬间漂移求积分，从而产生随时间过去累积的分布漂移F _acc 。随后，总漂移值（和/或其变化率）用于控制在AFC单元58的输出通过信号所发送的期望频率校正u。在此实施例中，通过修改目标频率校正而不是如等式(1)中调整估计的频率误差校正值的量化来实现控制路径延迟分布漂移的方向的期望效果。划分单元60随后可通过调整相位旋转器，或者控制诸如晶体振荡器或锁相环等频率源来实现频率校正。

根据本发明的一个或多个实施例，通过允许采样误差的更精确避免、估计和/或校正，路径延迟分布漂移消除提高了在高信号干扰噪声比(SINR)值的接收器性能。另外，本发明的实施例通过将对于RAKE/G-RAKE分支重新定位的需要降到最低，减少了接收器控制任务，并且通过避免不必要的滤波重新初始化，提高了性能。避免这些任务释放了计算资源，并且降低了功耗。

图3、4、5、6和8是旨在解释本发明的实施例的多方面的功能框图，且不一定对应于实际电路或软件模块。通常，AFC 16、18、频率误差累积18、频率校正量化20、精细频率校正21、时序/分布估计22、高分辨率延迟检测23、信道估计24、解调器26、解码器28、频率误差估计52、时序/分布误差估计54、积分器56及划分60的任何或所有功能可实现为专用硬件电路，带有适当固件的可编程或可配置逻辑电路或在诸如数字信号处理器(DSP)等控制器上执行的软件模块。此外，上述功能块所表示的功能性可组合，或者在所示块外分离。所有示出和描述的实施例只是代表性的，而不是限制。当然，在不脱离本发明基本特性的情况下，本发明可以在不同于本文具体所述那些方式外的其它方式中实现。所呈现的实施例要在所有方面视为只是说明性而不是限制性的，但本发明也可在随附权利要求中定义的主题的范围内以其它方式来实施。 

Claims (16)

1.一种实现频率校正的无线通信接收器中降低路径延迟分布漂移的方法，包括：

估计接收信号中的累积的时序或相位偏移；

确定目标频率校正值；

响应于所述累积的时序或相位偏移，将所述目标频率校正值量化成实际频率校正值；以及

在频率校正操作中将所述实际频率校正值应用到所述接收信号。

2.如权利要求1所述的方法，其中从残余频率误差来估计所述累积的时序或相位偏移。

3.如权利要求1所述的方法，其中从所述时序偏移来估计所述累积的相位偏移。

4.如权利要求1所述的方法，其中响应于所述累积的相位偏移将所述目标频率校正值量化成实际频率校正值包括：如果所述累积的时序或相位偏移是正的，则将所述实际频率校正值选择为低于所述目标频率校正值的量化的目标频率校正值；或者如果所述累积的时序或相位误差是负的，则将所述实际频率校正值选择为高于所述目标频率校正值的量化的目标频率校正值。

5.如权利要求1所述的方法，其中响应于所述累积的相位偏移将所述目标频率校正值量化成实际频率校正值包括：根据下式来选择所述实际频率校正值：

，其中

f _est 是所述目标频率校正值；

f _corr 是所述实际频率校正值；

 和是分别高于或低于所述目标频率校正值的最接近的可用量化值；以及

F _acc 是在时间t的所累积的残余频率误差，描述随时间变化的总相位偏差。

6.如权利要求5所述的方法，其中F _acc 根据下式来计算：

，其中

t是时间；以及

在t=0设为0。

7.如权利要求1所述的方法，其中确定目标频率校正值包括

估计以前频率校正所引起的接收信号的路径延迟分布中的瞬间漂移；

对所述路径延迟分布中的所述瞬间漂移求积分以获得随时间变化的累积的分布漂移；以及

调整估计的频率校正值以降低所述累积的分布漂移。

8.如权利要求7所述的方法，其中调整估计的频率校正值以降低所述累积的分布漂移包括基于所述累积的分布漂移的变化率来调整所述估计的频率校正值。

9.一种无线通信接收器，包括：

自动频率控制AFC单元，操作以确定目标频率校正值，所述AFC单元包括

频率误差累积单元，操作以估计接收信号中累积的时序或相位偏移；以及

频率校正量化单元，操作以响应于所述累积的时序或相位偏移，将所述目标频率校正值量化成实际频率校正值；

其中所述AFC单元还操作以将所述实际频率校正值应用到所述接收信号。

10.如权利要求9所述的接收器，还包括时序估计单元，所述时序估计单元操作以从接收信号的路径延迟分布的预定位置来估计偏差。

11.如权利要求9所述的接收器，包括操作以确定接收信号的路径延迟分布的路径漂移的高分辨率延迟检测器单元，以及其中所述AFC单元操作以响应于所述路径漂移而调整所述实际频率校正值。

12.如权利要求11所述的接收器，还包括操作以响应于所述高分辨率延迟检测器单元所提供的路径漂移而调整AFC单元之后信号的频率的精细频率校正单元。

13.如权利要求9所述的接收器，其中所述频率校正量化单元操作以通过以下方式来响应于所述累积的时序或相位偏移而将所述目标频率校正值量化成实际频率校正值：如果所述累积的时序或相位偏移是正的，则将所述实际频率校正值选择为低于所述目标频率校正值的量化的目标频率校正值；或者如果所述累积的时序或相位误差是负的，则将所述实际频率校正值选择为高于所述目标频率校正值的量化的目标频率校正值。

14.一种无线通信接收器，包括：

频率估计单元，操作以生成用于接收信号的目标频率误差校正值；

时序估计器单元，操作以估计以前频率校正所造成的所述接收信号的路径延迟分布中的瞬间漂移；

积分器，操作以对所述路径延迟分布中的所述瞬间漂移求积分以生成随时间变化的累积的分布漂移；以及

自动频率控制(AFC)单元，接收所述目标频率误差校正值和所述累积的分布漂移，并且输出实际频率误差校正值，并且操作以按照从所述累积的分布漂移和所述累积的分布漂移的变化率所组成的组所选择的因素来修改所述目标频率校正值。

15.如权利要求14所述的接收器，还包括划分单元，所述划分单元操作以通过生成到一个或多个频率源的一个或多个控制信号来实现所述实际频率校正。

16.一种无线通信用户设备，包括：

操作以接收通信信号的一个或多个天线；以及根据权利要求9到15的任一项的接收器。