CN103379083A - 用于频移的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供用于频移的方法和设备，其中方法包括通过子载波映射将多载波信号频移目标频率相对于频率合成的步进的小数倍部分，其中所述目标频率被划分为所述步进的整数倍部分和小数倍部分。该方法还包括利用频率合成将所述多载波信号频移所述步进的整数倍部分，以实现将所述多载波信号频移到目标频率。利用本发明的方法和设备，可以实现高精度多载波发射机的低成本频移架构。

Description

用于频移的方法和设备

相关申请的交叉引用

本申请要求于2012年4月26日递交的第61/638,771号美国临时申请的优先权，其公开内容通过引用的方式全部并入于此。

技术领域

本发明的示例性实施例一般地涉及无线通信技术。更具体地，本发明的示例性实施例涉及用于频移的方法和设备。

背景技术

频移是将原始待发送信号的频率搬移到目标频率以便进行发送的一项关键技术，其广泛地应用在无线通信中，特别是多载波发射机中。图1示出了传统和通用的频移架构100。如图1中所示，该频移架构100除其他以外主要可以包括三个部分，即插值器102，插值滤波器104和频率合成器106。

这里，插值器102用于实现原始输入信号的升采样。如本领域技术人员所知，根据采样定理，采样速率必须大于信号的最高频率，才能完整保留原始信号中的信息，故若目标频点的频率大于采样速率，则必须通过插值操作将采样速率提升至目标频点的频率以上。插值一般涉及在时域中每两个相邻原始信号采样点间插入M个零同时产生M个与原始信号相同的镜像信号(如图2中所示出的)。插值滤波器104用于滤除因插值器102的操作所产生的镜像信号。频率合成器106利用一个或多个标准或参考信号，通过各种途径产生不同的离散的频率信号，并且利用其中某个离散的频率信号与原始信号相乘，从而实现信号频点的搬移，即将原始信号搬移到目标频率。为了便于进一步理解，下面将结合图2的频谱变化来描述上述的频移操作。

图2示出了图1中的频移架构100对原始信号执行频移操作时的频谱变化。如图2中所示，在顶部示出的原始信号具有采样速率F_s和相应的信号带宽。当由插值器102执行插值操作后，即在原始信号的各个采样点间插入M个零值后，此时的采样速率被提高至M*F_s，并且产生原始信号的镜像信号，例如如图2中第二行所示出的原始信号两侧的两个镜像信号。接着，通过选择合适的插值滤波器，例如具有图2中第三行所示出的滤波器频率响应曲线的滤波器，可以滤除冗余的镜像信号。在执行滤波后，由频率合成器106对滤波后的信号进行频移，即将该信号频移到目标频率，如图2中底部所示出。至此，将原始信号搬移到发送所需的目标频率。

尽管上述的频移架构可以很好地实现频移，但其主要基于目标频率是频率合成器的步进(或称步频，表示为Δf_syn)的整数倍，例如某些RFIC(射频集成电路)采用Δf_syn＝10kHz作为最小步频。当频率合成器具有固定不可调的步进并且目标频率不是Δf_syn的倍数时，则将无法应用图1所描述的频移架构。当然，可以减小频率合成器的最小步频，即提高频率合成器的精度，但这必然带来技术的复杂性以及增加的成本开销。

发明内容

为了至少解决上面所提到的技术问题，本发明提出了一种有效的频移机制，从而可以实现高精度且低成本的频移。

为此，本发明的一个方面提供了一种用于频移的方法，该方法包括通过子载波映射将多载波信号频移目标频率相对于频率合成的步进的小数倍部分，其中所述目标频率被划分为所述步进的整数倍部分和小数倍部分。该方法还包括利用频率合成将所述多载波信号频移所述步进的整数倍部分，以实现将所述多载波信号频移到目标频率。

在一个实施例中，其中通过子载波映射实现将多载波信号映射到相应的子载波。

在另一个实施例中，其中目标频率的小数倍部分是子载波间隔的整数倍。

在又一实施例中，该方法进一步包括在子载波映射后执行逆傅里叶变换以将多载波信号变换到时域，在时域中对所述多载波信号执行插值操作，对插值后的信号执行滤波以及对滤波后的信号执行频移。

在另外的实施例中，其中执行滤波包括滤除由插值操作所生成的多载波信号的镜像信号。

本发明的另一个方面提供了一种用于频移的设备，该设备包括子载波映射器，用于通过子载波映射将多载波信号频移目标频率相对于频率合成的步进的小数倍部分，其中所述目标频率被划分为所述步进的整数倍部分和小数倍部分。该设备还包括频移器，用于利用频率合成将所述多载波信号频移所述步进的整数倍部分，以实现将所述多载波信号频移到目标频率。

在一个实施例中，其中所述频移器包括逆傅里叶变换器，用于在所述子载波映射后执行逆傅里叶变换以将多载波信号变换到时域。该频移器还包括插值器，用于在时域中对所述多载波信号执行插值操作。另外，该频移器包括滤波器，用于对插值后的信号执行滤波。进一步，该频移器包括频率合成器，用于对滤波后的信号执行频移。

利用本发明的上述各个方面以及示例性实施例，可以实现高精度多载波发射机的低成本频移架构，并且该频移架构适用于各种典型和类似的应用。

附图说明

结合附图并参考以下详细说明，本发明各实施例的特征、优点及其他方面将变得更加明显，在附图中：

图1是示意性示出现有技术的频移架构的框图；

图2是示意性示出在图1的频移架构中执行频移操作的对应频谱变化的视图；

图3是示意性示出根据本发明实施例的用于频移的方法的流程图；

图4是示意性详细示出根据本发明实施例的用于频移的方法的流程图；

图5是示意性示出应用图4所示方法所得到的对应频谱变化的视图；以及

图6是示意性示出根据本发明实施例的用于频移的设备的框图。

具体实施方式

本发明的多个方面和实施例提出将目标频率根据频率合成器的步进划分成整数倍部分和小数倍部分，从而可以首先通过子载波映射来实现对原始多载波信号的小数倍部分的搬移，并且稍后在通过频率合成来实现对整数倍部分的搬移，从而实现将原始信号频移到目标频率，获得高精度且低成本的频移效果。

下面将结合各个所附附图来详细描述本发明的多个方面和实施例。由于已经在背景技术部分结合图1和图2对现有的频移架构进行了描述，为了避免对本发明及其实施例造成混淆，在此不再对图1和图2做过多描述。

图3是示意性示出根据本发明实施例的用于频移的方法300的流程图。如图3中所示，方法300开始于步骤S302，并且在步骤S304处，方法300通过子载波映射将多载波信号频移目标频率相对于频率合成的步进的小数倍部分，其中所述目标频率被划分为所述步进的整数倍部分和小数倍部分。尽管未示出，在一个实施例中，其中通过子载波映射实现将多载波信号映射到相应的子载波。在另一实施例中，所述目标频率的小数倍部分是所述子载波间隔的整数倍。

在频移步进的小数倍部分后，方法300前进到步骤S306。在该步骤处，方法300利用频率合成将所述多载波信号频移所述步进的整数倍部分，以实现将所述多载波信号频移到目标频率。尽管未示出，在一个实施例中，方法300进一步包括在子载波映射后执行逆傅里叶变换以将多载波信号变换到时域，接着，方法300在时域中对多载波信号执行插值操作并且对插值后的信号执行滤波，最后对对滤波后的信号执行频移。在一个实施例中，其中执行滤波包括滤除由插值操作所生成的多载波信号的镜像信号。

利用上述方法300及其多个实施例，可以实现高精度的多载波发射机的低成本频移架构。

图4是示意性详细示出根据本发明实施例的用于频移的方法400的流程图。首先，在步骤S402处，方法400对频域中待发送的原始信号执行子载波映射。子载波映射的过程可以通过下面的数学推导来示意性地描述。

首先，可以假设待发送的多载波信号具有如下表达：

$s\left(t\right)=\underset{k=-L}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k\exp \left(j2\mathrm{\π}(k+k^{\′})\mathrm{\Δft}\right)---\left(1\right)$

$s\left({\mathrm{nT}}_s\right)=\underset{k=-L}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k\exp \left(\frac{j2\mathrm{\π}(k+k^{\′})n}{\mathrm{MN}}\right)=\underset{k=-L}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k\exp \left(\frac{j2\mathrm{\πkn}}{\mathrm{MN}}\right)\exp \left(\frac{j2\mathrm{\π}{k}^{\′}n}{\mathrm{MN}}\right)---\left(2\right)$

其中，

s(t)和s(nT_s)是在时域中发送的目标信号；

Δf是频域中的子载波间隔；

T_s是每个采样的持续时间；

a_k是在频域中的待发送信号；

k′是频移参数，其为整数且可为正或负；

M是升采样倍数；

N是信号频段能容纳的子载波数，并且在图2中N*Δf＝F_s；

M*N是全频段能容纳的子载波数(为了易于表达，本说明书中的公式都省略了乘法符号*)，而M*N*Δf＝M*F_s；

2L+1是数据子载波数，且2L+1＜N。

应该注意到的是对于多载波系统来说，可以有

利用nT_s来替换t并且利用

替换Δf，可以从公式(1)推导得到公式(2)。因此，公式(1)和公式(2)实际上是等价的。

注意到是M*N大小逆离散傅里叶变换的标准表达式，因此公式(2)可以重写为：

$s\left({\mathrm{nT}}_s\right)=\left\{\underset{k=-L}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k\exp \left(\frac{j2\mathrm{\πkn}}{\mathrm{MN}}\right)\right\}\exp \left(j2\mathrm{\π}{k}^{\′}\mathrm{\Δfn}{T}_s\right)---\left(3\right)$

其中，exp(j2πk′ΔfnT_s)表示目标频率是k′Δf。

假设频率合成器的最小步频(或步进)是Δf_syn，并且目标频率k′Δf除以Δf_syn无法除尽，则可以将目标频率表达成两部分，即前面所述的整数倍部分aΔf_syn和小数倍部分bΔf，即：

k′Δf＝aΔf_syn+bΔf       (4)

其中a是正整数或负整数，而b是正整数。显然频率合成器(例如图1中的频率合成器106)可以处理aΔf_syn，但却无法处理bΔf。公式(3)进一步可以重写为：

$s\left({\mathrm{nT}}_s\right)=\left\{\underset{k=-L}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k\exp \left(\frac{j2\mathrm{\πkn}}{\mathrm{NM}}\right)\right\}\exp \left(j2\mathrm{\πb\Δfn}{T}_s\right)\exp \underset{\mathrm{handled\; by\; Freq\; Syn}}{\left(j2\mathrm{\πa\Δ}{f}_{\mathrm{syn}}n{T}_s\right)}---\left(5\right)$

令 $s^{\′}\left({\mathrm{nT}}_s\right)=\left\{\underset{k=-L}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k\exp \left(\frac{j2\mathrm{\πkn}}{\mathrm{NM}}\right)\right\}\exp \left(j2\mathrm{\πb\Δfn}{T}_s\right)$

$s^{\′}\left({\mathrm{nT}}_s\right)=\underset{k=-L}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k\exp \left(\frac{j2\mathrm{\πkn}}{\mathrm{NM}}\right)\exp \left(j2\mathrm{\πb\Δfn}{T}_s\right)$

$=\underset{k=-L}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k\exp \left(\frac{j2\mathrm{\πkn}}{\mathrm{MN}}\right)\exp \left(j2\mathrm{\π}\frac{\mathrm{bn}}{\mathrm{MN}}\right)$

$=\underset{k=-L}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k\exp \left(\frac{j2\mathrm{\π}(k+b)n}{\mathrm{MN}}\right)---\left(6\right)$

这里，公式(6)类似于公式(2)，除了加入bΔf作为频率合成器Δf_syn无法除尽的部分，从而b远小于k′且容易满足L+b＜N/2。借助于表达(6)可以看出，原始信号a_-L，a_-L+1，...，a_L-1，a_L映射至子载波-L+b，-L+1+b，...，L-1+b，L+b，从而方法400完成步骤S402的操作。

接着，流程前进到步骤S404。在此处。进行M*N大小的逆离散傅里叶变换(IFFT)而得到s′(nT_s)，如式(6)中所示。注意到由于L+b＜N/2，因此无需进行M*N大小的IFFT而替代以执行N大小的IFFT。接着，在步骤S406中，方法400对经IFFT变换后的时域信号进行插值。如关于图1和图2所描述的，这里的插值例如可以是对步进的小数倍部分的频移后的信号采样点插入零值，从而获得镜像信号。换句话说，步骤S406执行M次的升采样。

在对时域信号进行插值后，流程前进到步骤S408。在该步骤S408中，方法400对插值后的信号执行插值滤波，从而通过滤波器来滤除镜像信号，从而可以导出信号s′(nT_s)。在步骤S410处，方法400可以通过频率合成器来对滤波得到的信号执行步进的整数倍部分(即aΔf_syn)的频移，从而得到具有目标频率的时域输出信号，例如如式(2)所表达的信号s(nT_s)。

图5是示意性示出应用图4所示方法400所得到的对应频谱变化的视图。如图5中所示，在对顶部左侧的原始信号进行子载波映射后，可以得到如右侧所示的信号。从图中可以看出，此时原始信号已经被频移了目标频率的步进的小数倍部分bΔf。接着，在对该已经频移的原始信号进行时域的插值后，获得了如图5中第二行所示出的包括信号(即初次频移后的信号)和多个镜像信号的频谱。与结合图2所做的描述类似，可以对该信号执行插值滤波操作，即利用具有如图5第三行中所示的滤波器频率响应曲线的滤波器来进行滤波操作，从而可以滤除镜像信号。此后，可以利用例如频率合成器来对该滤波所得到的信号频移目标频率的步进的整数倍部分，即aΔf_syn。如图5中所示，经过两次频移后，将原始信号移动了aΔf_syn+bΔf，从而将原始信号频移到了目标频率k′Δf，如式(4)所示。

图6是示意性示出根据本发明实施例的用于频移的设备600的框图。如图6中所示，该设备600包括子载波映射器602和频移器612，其中所述频移器612可以包括逆傅里叶变换器604、插值器606、滤波器608和频率合成器610。这里，所述子载波映射器602用于通过子载波映射将多载波信号频移目标频率相对于频率合成的步进的小数倍部分，其中所述目标频率被划分为所述步进的整数倍部分和小数倍部分。换句话说，子载波映射器602将Tx数据a_-L，a_-L+1，...，a_L-1，a_L映射至子载波-L+b，-L+1+b，...，L-1+b，L+b。频移器612用于利用频率合成将所述多载波信号频移所述步进的整数倍部分，以实现将所述多载波信号频移到目标频率。

具体地，频移器612中的逆傅里叶变换器604用于在所述子载波映射后执行逆傅里叶变换以将多载波信号变换到时域，例如计算式插值器606用于在时域中对所述多载波信号执行插值操作，滤波器608用于对插值后的信号执行滤波，从而可以得到如上式

所表达的信号s′(nT_s)，以及频率合成器610用于对滤波后的信号执行频移，从而得到如式(2)所表达的目标信号。

如前所述，根据本发明实施例的频移架构可以使用于各类应用中。例如，基于3GPP TS 36.211 V8.8.0(2009-09)，物理随机接入信道(PRACH)信号可以由公式(7)生成

$s\left(t\right)={\mathrm{\β}}_{\mathrm{PRACH}}\underset{k=0}{\overset{N_{\mathrm{ZC}}-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=0}{\overset{N_{\mathrm{ZC}}-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{u,v}\left(n\right)\·e^{-j\frac{2\mathrm{\πnk}}{N_{\mathrm{ZC}}}}\·e^{j2\mathrm{\π}(k+\mathrm{\φ}+K(k_0+1/2)){\mathrm{\Δf}}_{\mathrm{RA}}(T-T_{\mathrm{CP}})}---\left(7\right)$

该表达式的具体含义可以参见3GPP TS 36.211，通过引用其整体内容而并入在此。接着，令

$a_k=\underset{n=0}{\overset{N_{\mathrm{ZC}}-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{u,v}\left(n\right)\·e^{-j\frac{2\mathrm{\πnk}}{N_{\mathrm{ZC}}}}---\left(8\right)$

并且忽略常数值β_PRACH和T_CP，由此得到：

$s\left(t\right)=\underset{k=0}{\overset{N_{\mathrm{ZC}}-1}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k\exp \left(j2\mathrm{\π}(k+\mathrm{\φ}+K(k_0+1/2))\mathrm{\Δ}{f}_{\mathrm{RA}}t\right)---\left(9\right)$

如3GPP TS 36.211中所定义的：

K＝Δf/Δf_RA $k_0=n_{\mathrm{PRA}}^{\mathrm{RA}}{N}_{\mathrm{sc}}^{\mathrm{RB}}-N_{\mathrm{RB}}^{\mathrm{UL}}{N}_{\mathrm{sc}}^{\mathrm{RB}}/2$

Δf＝15kHz

${\mathrm{\Δf}}_{\mathrm{RA}}=\left\{\begin{array}{cc}1250\mathrm{Hz}& \mathrm{PreambleFormat}=0~3\\ 7500\mathrm{Hz}& \mathrm{PreambleFormat}=4\end{array}\right.$

N＝2048

$M=\mathrm{\Δf}/\mathrm{\Δ}{f}_{\mathrm{RA}}=\left\{\begin{array}{cc}12& \mathrm{PreambleFormat}=0~3\\ 2& \mathrm{PreambleFormat}=4\end{array}\right.$

$T_s=\frac{1}{\mathrm{\ΔfN}}=\frac{1}{\mathrm{\Δ}{f}_{\mathrm{RA}}\mathrm{NM}}$

接着从公式(9)和(10)，可以得出：

$s\left({\mathrm{nT}}_s\right)=\underset{k=0}{\overset{N_{\mathrm{ZC}}-1}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k\exp \left(j2\mathrm{\π}(k+\mathrm{\φ}+K(k_0+1/2))\mathrm{\Δ}{f}_{\mathrm{RA}}n{T}_s\right)$

$=\underset{k=0}{\overset{N_{\mathrm{ZC}}-1}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k\exp \left(j2\mathrm{\π}(k+\mathrm{\φ}+K(k_0+1/2))\mathrm{\Δ}{f}_{\mathrm{RA}}n\frac{1}{{\mathrm{\Δf}}_{\mathrm{RA}}\mathrm{NM}}\right)---\left(11\right)$

$=\underset{k=0}{\overset{N_{\mathrm{ZC}}-1}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k\exp \left(\frac{j2\mathrm{\π}(k+\mathrm{\φ}+K(k_0+1/2))n}{\mathrm{NM}}\right)$

令k′＝φ+K(k₀+1/2)，可以得出：

$s\left({\mathrm{nT}}_s\right)=\underset{k=0}{\overset{N_{\mathrm{ZC}}-1}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k\exp \left(\frac{j2\mathrm{\π}(k+k^{\′})n}{\mathrm{NM}}\right)---\left(12\right)$

可以看出，公式(12)与公式(2)类似，因此该LTE PRACH目标信号的生成可以通过如图3-6所示和描述的本发明实施例的频移架构来解决。

通过上述参考图3-6所做的描述可以看出，利用本发明的各个方面和多个实施例，通过将目标频率巧妙的划分成频率合成器的步进的整数倍部分和小数倍部分，并对两个部分分别进行频移，可以降低对频率合成器的步进的精度要求，从而获得低成本的频移架构。另外，由于执行了小数倍部分的频移，从而也获得了较高的频移精度。

以上参照附图所示的流程图和方框图描述了本发明的示例性实施方式。需要说明的是本发明的实施方式所公开的方法可以在软件、硬件、或软件和硬件的结合中实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或个人智能终端来执行。在一些实施方式中，本发明实现为软件，其包括但不限于固件、驻留软件、微代码等。

而且，本发明的实施方式还可以采取可从计算机可用或计算机可读介质访问的计算机程序产品的形式，这些介质提供程序代码以供计算机或任何指令执行系统使用或与其结合使用。出于描述目的，计算机可用或计算机可读机制可以是任何有形的装置，其可以包含、存储、通信、传播或传输程序以由指令执行系统、装置或设备使用或与其结合使用。

介质可以是电的、磁的、光的、电磁的、红外线的、或半导体的系统(或装置或器件)或传播介质。计算机可读介质的示例包括半导体或固态存储器、磁带、可移动计算机磁盘、随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、硬磁盘和光盘。目前光盘的示例包括紧凑盘-只读存储器(CD-ROM)、压缩盘-读/写(CD-R/W)和DVD。

应当注意的是，为了使本发明的实施方式更容易理解，上面的描述省略了对于本领域的技术人员来说是公知的、并且对于本发明的实施方式的实现可能是必需的更具体的一些技术细节。提供本发明的说明书是为了说明和描述的目的，而不是用来穷举或将本发明限制为所公开的形式。对本领域的普通技术人员而言，许多修改和变更都是可以的。因此，选择并描述实施方式是为了更好地解释本发明的原理及其实际应用，并使本领域普通技术人员明白，在不脱离本发明实质的前提下，所有修改和变型均落入由权利要求所限定的本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于频移的方法，包括：

通过子载波映射将多载波信号频移目标频率相对于频率合成的步进的小数倍部分，其中所述目标频率被划分为所述步进的整数倍部分和小数倍部分；以及

利用频率合成将所述多载波信号频移所述步进的整数倍部分，以实现将所述多载波信号频移到目标频率。

2.根据权利要求1所述的方法，其中通过子载波映射实现将多载波信号映射到相应的子载波。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述目标频率的小数倍部分是所述子载波间隔的整数倍。

4.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

在所述子载波映射后执行逆傅里叶变换以将多载波信号变换到时域；

在时域中对所述多载波信号执行插值操作；

对插值后的信号执行滤波；以及

对滤波后的信号执行频移。

5.根据权利要求4所述的方法，其中执行滤波包括滤除由插值操作所生成的多载波信号的镜像信号。

6.一种用于频移的设备，包括：

子载波映射器，用于通过子载波映射将多载波信号频移目标频率相对于频率合成的步进的小数倍部分，其中所述目标频率被划分为所述步进的整数倍部分和小数倍部分；以及

频移器，用于利用频率合成将所述多载波信号频移所述步进的整数倍部分，以实现将所述多载波信号频移到目标频率。

7.根据权利要求6所述的设备，其中所述子载波映射器实现将多载波信号映射到相应的子载波。

8.根据权利要求6所述的设备，其中所述目标频率的小数倍部分是所述子载波间隔的整数倍。

9.根据权利要求6所述的设备，进一步包括：

逆傅里叶变换器，用于在所述子载波映射后执行逆傅里叶变换以将多载波信号变换到时域；

插值器，用于在时域中对所述多载波信号执行插值操作；

滤波器，用于对插值后的信号执行滤波；以及

频率合成器，用于对滤波后的信号执行频移。

10.根据权利要求6所述的设备，其中所述滤波器用于滤除由插值操作所生成的多载波信号的镜像信号。

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