CN103384990A - 针对具有快速多普勒频移的无线电系统的频率偏移补偿的系统和方法 - Google Patents

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CN103384990A CN2011800634463A CN201180063446A CN103384990A CN 103384990 A CN103384990 A CN 103384990A CN 2011800634463 A CN2011800634463 A CN 2011800634463A CN 201180063446 A CN201180063446 A CN 201180063446A CN 103384990 A CN103384990 A CN 103384990A
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Abstract

公开了用于与机车相关联的快速移动的无线电终端和与基站相关联的固定的无线电终端之间的无线系统的频率偏移补偿的系统和方法。本发明使用先进的频率偏移预测来快速地跟踪由快速移动的机车导致的多普勒频移。在根据本发明的一个实施例中，所述频率偏移预测是基于第一多个粗略频率偏移、所述第一多个粗略频率偏移的一阶导数和所述第一多个粗略频率偏移的二阶导数。在根据本发明的另一个实施例中，所述频率偏移预测是基于根据多普勒频移模型的多个先前的频率偏移。

Description

针对具有快速多普勒频移的无线电系统的频率偏移补偿的系统和方法
对相关申请的交叉引用
本发明要求2010年10月29日提交的标题为“用于在经受快速多普勒频移变化的环境中的信号处理的系统和方法(System andMethod for Signal Processing in Environment Subject to FastDoppler ShiftChange)”的美国临时专利申请No.61/408,084的优先权。所述美国临时专利申请由此以引用的方式被整体并入。
技术领域
本发明涉及用于通信系统的信号处理。特别地，本发明涉及在经受快速多普勒频移变化的环境中使用自适应均衡的数字信号处理。
背景技术
在无线主动列车控制（PTC）系统中，快速行进的机车通过无线电链路与路旁或轨道旁的基站通信。220MHz处的频谱已经被分配用于所述无线PTC应用，在其中正交频分复用（OFDM）被选择作为基础的调制技术以在机车和基站之间提供可靠的通信链路。对数字无线电系统而言,如下是公知的:存在归因于噪声、多径传播和时变的传输媒介的各种信道减损。因此，信道均衡经常被用于补偿信道减损以提高系统性能。例如，在由Sandeep Chennakeshu等人在1994年2月1日发布的标题为“用于数字蜂窝式无线电的判决反馈均衡(DecisionFeedback Equalization for Digital Cellular Radio)”的序列号为5/283,811的美国专利中，公开了自适应判决反馈均衡器（DFE），用于数字蜂窝式移动无线电信道解调器，其采用复杂快速卡尔曼自适应算法来跟踪信道变化。
当列车以高速行进时，在机车上的车载无线电终端和在路旁或轨道旁的基站无线电终端之间的相对速度将导致在所接收的信号中的频率偏移的现象，被称为多普勒效应。所述多普勒效应对于在较高频率处的信号变得更显著。例如，当所述机车相对于所述基站以500km/h（138.89m/s）的速度行进时，具有在220MHz处的VHF信号的无线PTC系统将经受102.1Hz的多普勒频率偏移。在实际环境中，从发射器接收的信号常常行进通过多个路径以到达接收器处。多普勒效应和多路径接收的整体结果将导致在与多普勒频率相关联的所接收的信号中的波动。
实际上，所述基站位于铁轨的附近。当所述机车经过所述基站时，所述多普勒频率将迅速地从正频率偏移变至零，以及变至负频率偏移。在上面的实例中，所述多普勒频率将在非常短的时间段内从+101.8Hz变至-101.8Hz。如果系统设计没有考虑所述基站附近的快速变化的多普勒频率，则所述系统可能失效，诸如相位跟踪的损失。例如，如果使用慢频率跟踪环，则在所述跟踪环收敛之前所述频率可能实质上已经变化。另一方面，如果总是使用快跟踪环，则可能损害所述均衡器的性能。因此，如下是期望的：设计可以根据信道条件的变化自适应地选择适当的跟踪速度的系统。
发明内容
公开了用于补偿与固定的无线电终端和移动的无线电终端之间的相对运动相关联的频率变化的方法和系统。根据本发明的一个实施例的方法和系统包括：接收与数据包相关联的信号，其中所述数据包包括前导部分和有效负载部分；基于第一多个粗略频率偏移、所述第一多个粗略频率偏移的一阶导数和所述第一多个粗略频率偏移的二阶导数确定下一个粗略频率偏移的第一估计值；以及根据所述第一估计值补偿与所述数据包相关联的所述信号。所述粗略频率偏移可以基于对应于所述前导部分的所接收的信号而被测量。此外，所述粗略频率偏移可以基于所接收的信号和预定义的信号的相互关系而被测量。在一个实施例中，所述确定所述第一估计值是基于使用加权因子的所述第一多个粗略频率偏移、所述第一多个粗略频率偏移的一阶导数和所述第一多个粗略频率偏移的二阶导数的加权和。在根据本发明的另一个实施例中，所述方法进一步包括：在所述确定所述第一估计值之后，基于多个精细频率偏移和第二多个粗略频率偏移确定下一个精细频率偏移的第二估计值；以及根据所述第二估计值补偿与所述数据包相关联的信号。所述根据所述第二估计值补偿与所述数据包相关联的所述信号被应用到所述有效负载部分。在根据本发明的又另一个实施例中，所述方法进一步包括：基于所述移动的无线电终端的速度信息、所述移动的无线电终端的GPS信息、频率鉴别或从由所述移动的无线电终端的所述速度信息、所述移动的无线电终端的所述GPS信息和所述频率鉴别组成的组中选择的两个或更多成员的组合确定下一个频率偏移的第三估计值；以及根据所述第三估计值补偿与所述数据包相关联的所述信号。所述确定所述第三估计值是基于使用加权因子的所述移动的无线电终端的所述速度信息、所述移动的无线电终端的所述GPS信息和所述频率鉴别的加权和。
根据本发明的另一个实施例的方法和系统包括：接收在所述无线电基站和所述机车无线电终端之间传输的信号；根据多普勒频移模型基于多个先前的频率偏移确定频率偏移的估计值；以及根据所述估计值补偿所述信号。所述多普勒频移模型可以与所述无线电基站与所述机车无线电终端之间的多普勒频率偏移和相对速度相关联。可替代地，所述多普勒频移模型可以与针对给定机车速度的所述无线电基站与所述机车无线电终端之间的多普勒频率偏移和主距离相关联。所述确定所述估计值可以是基于将所述多个先前的频率偏移与所述多普勒频移模型相匹配，并且其中移位寄存器可以被用于存储所述多个先前的频率偏移。
附图说明
图1A示出了移动的机车和轨道旁基站的配置，在其中显示了三个不同的机车位置和各自朝向所述基站的角度。
图1B-E示出了在位置A1、A2、O和A3处的各自的视角。
图2示出了各种参数，包括针对移动的机车在靠近轨道旁基站的各个位置处的多普勒频移、绝对多普勒频移、多普勒频率变化以及多普勒频率变化的速率。
图3A示出了多普勒频移对从机车到基站的距离的图。
图3B示出了多普勒频移的绝对值对从机车到基站的距离的图。
图3C示出了多普勒频移的变化对从机车到基站的距离的图。
图3C示出了多普勒频移的变化速率对从机车到基站的距离的图。
图4A示出了用根据本发明的一个实施例的多普勒预测的频率偏移补偿的示例性结构。
图4B显示了用于根据本发明的一个实施例的多普勒预测的问题公式化。
图5A示出了根据现有技术的频率偏移补偿，在其中基于每一数据包地更新所述频率补偿。
图5B示出了由前导部分和有效负载部分组成的数据包结构。
图6A示出了具有前馈均衡器和反馈均衡器的简化的系统。
图6B示出了具有带系数更新的前馈均衡器和反馈均衡器的简化的自适应系统。
图6C示出了具有带系数更新的前馈均衡器和反馈均衡器的可替代的自适应系统。
图6D示出了具有带系数更新的前馈均衡器和反馈均衡器的示例性自适应系统，在其中所述系统包括PLL跟踪环。
图6E示出了具有带系数更新的前馈均衡器和反馈均衡器的可替代的自适应系统，在其中所述系统包括PLL跟踪环。
图7示出了根据本发明的一个实施例的具有基于每数据包和比特的频率偏移补偿的示例性接收器。
图8A显示了根据本发明的实施例的用于下一个数据包的多普勒频率偏移预测的示例性期望算法。
图8B示出了使用不同的加权因子的被用于多普勒频率偏移预测的Kn 1和Kn 2的示例性范围。
图8C示出了用于实施图8A中的所述期望预测算法的示例性框图。
图8D示出了所述期望预测器的性能，在其中将所预测的值与实际的多普勒频移相比较。
图8E示出了所述期望预测器的示例性性能，在其中显示了所预测的值和实际的多普勒频移之间的差异。
图9A示出了使用相关器的每比特频率偏移修正的示例性算法。
图9B示出了用于实施图9A中的所述每比特频率偏移修正算法的示例性框图。
图9C示出了并入对应于图3A的多普勒频移的K0数据库的示例性框图。
图10A示出了基于GPS方法、Pk 0和频率鉴别的示例性载波偏移估计结果。
图10B示出了基于GPS方法、Pk 0和频率鉴别的示例性载波偏移估计算法。
图10C示出了用于实施图10B中的所述载波偏移估计算法的示例性框图。
图11A示出了示例性多普勒预测器接口。
图11B示出了多普勒预测器的部件之间的示例性的详细的互连。
图12A示出了将多普勒补偿与图6D的所述接收器合并的实例。
图12B示出了将多普勒补偿与图6E的所述接收器合并的实例。
图12C示出了将多普勒补偿与图6E的所述接收器合并的另一个实例。
具体实施方式
在数字通信系统中，信道减损（诸如噪声、衰落以及多路径）导致所接收的信号中的失真。各种信号处理技术已经被开发以改进系统系能。均衡是一个被广泛使用的技术，用以补偿所述信道减损以便恢复所接收的信号。自适应系统常常被利用以允许所述系统根据选择的标准自动地调整均衡器参数。所述均衡可以被配置为前馈均衡（FFE）或判决反馈均衡（DFE），或者两者的组合。如下是众所周知的：通过消除噪声和/或减轻符号间干扰，所述自适应均衡对恢复经受各种信道减损的所接收的信号是非常有效的。
自适应算法是自动地更新所述均衡参数的方法。自适应算法在本领域中已经被良好地研究并且存在若干广泛使用的自适应算法，诸如最小均方（LMS）算法和递归最小二乘（RLS）算法。所述RLS算法通常实现更快的收敛。然而，与RLS算法相关联的计算复杂性高于所述LMS算法。自适应系统的适应速率必须足够慢以便减少噪声的影响。另一方面，所述适应速率必须足够快以跟踪信道特性中的变化。因此，所述适应速率通常被小心地选择以最好地匹配基础的信道特性。
在所述无线主动列车控制系统中，特定的无线电系统配置对系统设计造成巨大的挑战，因为当所述机车经过所述路旁基站（也被称为轨道旁基站或基站）时信道特性迅速地变化。图1A示出了具有列车无线电和轨道旁无线电的系统配置。所述机车正在以速度V行进并且被显示在三个不同的轨道位置：A1、A2和A3。所述轨道旁基站位于距所述轨道S距离处，并且对应于所述基站的轨道位置在图1A中被标记为O。在各自的机车位置和位置O之间测量所述机车和所述基站之间的距离。如在图1A中所显示的，对于位置A1、A2和A3，所述各自的距离是d1、d2和d3。所述各自的距离d1、d2和d3在此公开中被称为主距离。所述多普勒频率偏移（简言之也被称为多普勒频移）与无线电发射器和无线电接收器之间的相对速度相关。当所述机车远离所述基站时，在连接所述机车和所述基站的线和与所述铁轨重合的线之间的角度是非常小的。在从所述机车到所述基站的方向上的相对速度几乎与列车速度相同。然而，当所述机车靠近所述基站时，在所述机车和所述基站之间的方向上的相对速度变得非常不同于所述列车速度。为了容易参考，连接所述机车和所述基站的线和与所述铁轨重合的线之间的角度被称为视角，并且在从所述机车到所述基站的方向上的相对速度被称为相对LOS（视线）速度。
图1B-E分别示出了针对位置A1、A2、O和A3的视角。并且，所述相对LOS速度被标记为Vr以及Vr=V·cosθ。当所述机车靠近所述基站时，所述视角增加。当所述机车经过所述位置O时，所述视角变为90°。在所述机车经过所述位置O之后，所述视角测量在图1E中被显示。根据图1B-E，当所述机车靠近所述基站时，所述相对LOS速度降低，并且在所述机车经过所述位置O之后增加。在所述位置O处，所述相对LOS速度变为零。
图2示出了视角和相对LOS速度的变化。针对机车-到-基站从-7m（米）到+7m距离的视角被显示,在其中视角θ以弧度以及以角度被测量。为了说明的目的，列车速度被选择为是500km/h并且被所述无线PTC系统使用的频率是220MHz。所述相对LOS速度Vr在图2中以米每秒（m/s）的单位被显示。所述多普勒频移fD根据fD=Vr·fO/C被计算，其中fO是所述无线电频率，即在此实例中220MHz并且C是光速，即3·108m/s。500km/h的列车速度转化为138.89m/s。针对以1m步长从-7m到+7m的距离的多普勒频移和绝对多普勒频移在图2中被显示，其中多普勒频移的量值从93.62°开始,下降到0°，并且回到93.62°。在图2中也显示了针对以1m间隔的两个连续的位置的多普勒频率变化和多普勒频率变化的速率。被注意的是：当所述机车经过位置O时，所述多普勒频率变化达到峰值，其针对由所述机车行进的每米是32.208Hz。当所述机车经过位置O时，所述多普勒频率变化的速率达到负峰值，并且在经过位置O之后反转其极性。图3A和3B示出了针对上面的实例的多普勒频移和绝对多普勒频移。图3C和图3D示出了针对上面的实例的多普勒频率变化和多普勒频率变化的速率。被注意的是：所述绝对多普勒频移、所述多普勒频率变化和所述多普勒频率变化的速率全部提供当所述机车经过所述基站时非常不同的特性。
计划用于所述PTC的数字通信系统使用数据包结构，在其中每个数据包包括前导部分和有效负载部分。所述前导部分包含可以被用于同步的数据。在在其中所述频率偏移不会随数据包的不同而显著变化的典型的系统中，所述前导部分被用于估计频率偏移并且估计的结果被应用到所述数据包的剩余部分。然而，所描述的PTC系统经受多普勒频率偏移中的迅速的变化。因此，频率偏移中的显著的变化可能发生在数据包内。常规的每数据包频率偏移补偿将失效。因此，需要新的解决方案以克服与频率偏移中的迅速变化相关联的问题。在图4A中显示了利用根据本发明的一个实施例的多普勒预测的频率偏移补偿的结构。所述频率偏移补偿系统的中心是多普勒预测器406，其基于多个输入确定频率偏移。一个输入是基于数据包估计的频率偏移。基于每数据包的偏移估计由估计频率偏移的采集块402处理，针对n个数据包
Figure BDA00003429670200081
其中
Figure BDA00003429670200082
是使用所述前导部分针对数据包n的频率偏移估计。每比特频率偏移也被考虑以提供更动态的频率偏移补偿。跟踪块404被用于计算每比特矩阵
Figure BDA00003429670200083
Figure BDA00003429670200084
其中
Figure BDA00003429670200085
是针对数据包n中的第m比特的频率偏移估计。根据本发明的另一个实施例，所述多普勒预测器也使用基于鉴频408的频率偏移估计。在又另一个实施例中，所述多普勒预测器进一步使用从GPS（全球定位系统）信息得到的频率偏移估计。图4B显示了与基于每数据包和每比特的频率偏移估计相关联的问题公式化。使用基于每数据包和每比特的频率偏移估计的多普勒预测的问题被公式化为：基于
Figure BDA00003429670200091
和确定
Figure BDA00003429670200093
和其中
Figure BDA00003429670200095
表示估计的或预测的值。
图5A示出了根据现有技术的频率偏移补偿，在其中基于每数据包更新所述频率补偿。所述数据包的前导部分由相关器502处理，在其中所述前导部分和已知的训练序列之间的相关函数被执行。通常在所述前导部分中存在位模式,其具有所述相关函数中的不同峰值的特性。所述峰值的位置被用于确定所述前导中的已知的位模式的正确位置并且由此根据所接收的比特流确定数据包结构。基于所获取的每个数据包的前导部分中的位模式，所述每数据包频率偏移由块504确定并且被用于针对所述数据包中的数据使用块506补偿频率偏移。这样的技术可能足够用于在典型的环境(在其中发射器和接收器之间存在很少的相对运动或不存在相对运动)中工作的通信系统。然而，在在其中所述机车和所述基站之间的相对运动是大量的并且载波频率是高的的PTC系统中,其将失效。由于当所述机车通过所述基站时的迅速的大的多普勒频率偏移，第（n+1）数据包的所感知的载波频率可能非常不同于第n数据包的所测量的载波频率。如果所述系统使用从先前的数据包测量的初始载波频率，所述系统可能不能够获取所述信号并且导致系统故障。根据本发明的一个实施例，基于先前测量的频率偏移,所述系统应用估计的频率偏移以便所述系统将能够迅速地跟随所感知的载波频率。图5B示出了由前导部分514和有效负载部分512组成的数据包结构。箭头516指示所述前导的每个比特位置处的相互关系并且最大值被用于确定所述前导中的位模式的正确识别。在固定的通信系统中，载波偏移通常是小的并且慢的，因此来自先前数据包的初始载波频率可能足够被用于获取所述前导信号并且执行相关以识别新的频率偏移。此外，在所述常规的方法中，针对所述前导部分确定的频率偏移被假设为对所述数据包的有效负载部分保持相同。然而，在此处考虑的快速多普勒频移环境中，有效负载周期期间的频率偏移仍然可能经历相当大的频率偏移。因此，如下是期望的:在所述有效负载周期期间动态地更新频率偏移。
如之前提到的，为了自适应系统设计，适应速率必须被适当地设计以匹配信道时变特性。对于快速时变信道，适应速率必须更快以适应快速变化的信道特性。在基于判决反馈均衡（DFE）和/或前馈均衡（FFE）的自适应系统中，基于误差性能标准更新滤波器系数。图6A显示了使用前馈均衡器和判决反馈均衡器的简化的通信接收器。所述前馈均衡器602通常包括抽头的延迟线以产生一系列延迟的信号以及被应用到所述一系列延迟的信号的FIR（有限脉冲响应）滤波器。所述前馈均衡器是用来恢复前兆失真。块620代表包括反馈均衡器624、数据分割器622和加法器626的判决反馈均衡器。所述数据分割器622是产生输出数据的决策单元。相似于所述FFE，也可以基于延迟线和FIR滤波器设计所述反馈均衡器。为了适应时变信道条件，所述滤波器参数(也被称为滤波器系数)必须被修改以适应于信道条件。图6B示出了自适应系统，在其中用于所述前馈滤波器和所述反馈滤波器的滤波器系数由各自的更新块632和634更新。被供给到所述系数更新块632和634的控制信号是基于由误差产生块636产生的误差信号。根据参考信号和恢复的输出信号产生所述误差信号。图6B示出了基于条件信号662(其被用作对所述数据分割器622的输入)的参考信号的实例。可替代地，所述参考信号也可以基于如在图6C中显示的所述系统的输入信号666。
所述自适应算法与所述误差信号相关。例如，针对普遍的LMS算法，自适应的策略是最小化LMS误差。让Pi(n)是在实例n处的第i系数并且e(n)是误差信号。所述LMS算法根据下式更新所述系数：
p i ( n + 1 ) = p i ( n ) - k ( e ( n ) [ ∂ e ( n ) ∂ p i ] , - - - ( 1 )
其中k是针对所述适应速率的控制参数。较大的k将导致应被用于快速变化的环境的更快的系数更新。另一方面，较小的k将导致应被用于慢变化环境的更慢的系数更新。
如先前所讨论的，当所述机车经过所述基站时，所述信道条件将迅速地变化。因此，所述滤波器系数必须被迅速地更新以便适应快速变化的信道条件。并且，如先前所描述的，所述绝对多普勒频移、所述多普勒频率变化和所述多普勒频率变化的速率全部提供所述快速变化的信道条件的良好指示。特别地，如在图3D中所显示的,所述多普勒频率变化的速率展现当所述机车经过所述基站时的尖锐过渡。因此，所述多普勒频率变化的速率对适应速率确定是尤其有用的。此外，所述多普勒频率变化的速率展现在紧接着经过所述基站之前的大的负峰值以及在紧接着经过所述基站之后的大的正峰值。所述基站附近的信道条件在所述位置O周围是实质上对称的。因此，针对在所述基站之前的实例得到的系数可以被应用到在所述基站之后的实例。这将简化系统设计。可替代地，所得到的在所述基站之前的滤波器系数可以被应用到在所述基站之后的实例,作为针对迭代自适应算法的初始值。
图6E示出了具有相位跟踪环的自适应数字无线电接收器。与图6B的自适应系统相比较，图6E的系统进一步包括相位跟踪环，其中所述相位跟踪环包括锁相环路（PLL）滤波器644、数字电压控制的振荡器（DVCO）642和计算相位块648。所述相位跟踪环从乘法器654接收其输入。所述乘法器654具有来自数据分割器622的输出和所述条件信号662的其输入。所述DVCO642将估计的相位误差ejφ提供给乘法器646以补偿由前馈均衡处理的信号中的相位误差。在图4E中，DVCO642输出被用于补偿在所述信号被所述前馈滤波器602处理之后的频率偏移。然而，所述DVCO642输出也可以被用于补偿在所述信号被所述前馈滤波器602处理之前的频率偏移，如在图6D中所显示的。所述相位误差可能由多普勒频移导致。所述相位误差也可能由VCO频率容差导致。在典型的系统中，所述VCO可以具有在20到100ppm（百万分之一）之间的频率容差。所述VCO频率可能由于温度变化而波动，其可能不注意地影响所述多普勒频移估计。为了减轻VCO频率变化的影响，高精确度VCO被应用在所述系统中。
图7示出了根据本发明的一个实施例的具有基于每数据包和比特的频率偏移补偿的示例性接收器。所述模块710对应于使用基于每数据包的频率偏移估计在所述前馈滤波之前补偿频率偏移的处理。块720对应于基于基于每比特的频率偏移估计的频率偏移补偿。被注意的是：所述模块720采用图6E的接收器结构。基于
Figure BDA000034296702001222
得到用以调整所述DVCO642的控制信号。
图8A显示了根据本发明的实施例的针对下一个数据包的多普勒频率偏移预测的示例性期望算法。基于
Figure BDA00003429670200121
估计针对数据包（n+1）的频率偏移
Figure BDA00003429670200122
如在图8A中所显示的，
Figure BDA00003429670200123
代表所估计的频率偏移
Figure BDA00003429670200124
Figure BDA00003429670200125
代表
Figure BDA00003429670200126
的一阶导数并且
Figure BDA00003429670200127
代表
Figure BDA00003429670200128
的二阶导数。基于
Figure BDA00003429670200129
Figure BDA000034296702001210
和
Figure BDA000034296702001211
的加权和估计针对数据包（n+1）的频率偏移
Figure BDA000034296702001212
因此，根据在图8A中所描述的偏移预测算法的初始频率偏移
Figure BDA000034296702001213
被用于第（n+1）数据包。根据所接收的前导和预定义的模式之间的最大相关的位置得到测量的频率偏移
Figure BDA000034296702001214
如在图8A中所显示的，所述粗略频率偏移估计适合于与
Figure BDA000034296702001215
和
Figure BDA000034296702001216
相关联的数据范围。三个数据范围（a）、（b）和（c）在图8A的实例中被示出。对应的加权因子的集合与每个范围相关联。在图8B中示出了与
Figure BDA000034296702001217
和
Figure BDA000034296702001218
相关联的数据范围。尽管在图8A中所描述的过程示出了具有系数α、β和γ以及阈值μ、η和δ的特定的线性组合，也可以使用其他函数。例如，更高阶的函数可以在更高计算成本上提供更精确的估计。进一步，在图8A中所显示的数值被用于说明的目的并且这些值不应被解释为对本发明的限制。本领域技术人员可以使用其他数值和等式实践本发明，而不背离本发明的精神。
图8C示出了用于实施图8A中的所述期望预测算法的示例性框图。在块802中，1/S和1/S2分别代表对应于所述第一和第二导数操作的传递函数。所述期望预测器804对应于基于
Figure BDA000034296702001219
Figure BDA000034296702001220
和
Figure BDA000034296702001221
的估计函数。图8D示出了所述期望预测器的性能，在其中将所预测的值与实际的多普勒频移相比较。在图8D中，与符号812相关联的曲线代表在所述基站周围的各种位置处的实际的多普勒频移。与符号814相关联的曲线代表使用预测器
Figure BDA00003429670200131
的估计的多普勒频移，其对应于常规的方法。与符号816相关联的曲线代表使用预测器的估计的多普勒频移。与符号818相关联的曲线代表使用预测器-2（其是图8A的算法）的估计的多普勒频移。被清楚地显示的是：基于预测器-3的频率偏移预测非常好地匹配实际的多普勒频移。
图8E示出了所述期望预测器的性能，在其中显示了所预测的值和实际的多普勒频移之间的差异。与符号822、824和826相关联的误差曲线分别代表预测器-0、预测器-1和预测器-2的结果。此外，清楚地显示了：基于预测器-2的结果比预测器-1和预测器-0的那些结果好得多。
图9A示出了使用相关器的每比特频率偏移修正的算法。在该实例中，针对当前数据包的每数据包频率偏移
Figure BDA00003429670200133
和每比特频率偏移
Figure BDA00003429670200134
以及针对下一个数据包的每数据包预测对于预测下一个数据包中的第一有效负载数据比特的频率偏移
Figure BDA00003429670200136
是可用的。如在图3A中被观察到的，所述多普勒频移在所述基站周围迅速地和显著地变化。所述基站附近的多普勒频移轮廓可以被用于预测所述每比特频率偏移。在此特定的实例中，用以存储对应于
Figure BDA00003429670200138
和
Figure BDA00003429670200139
的m+2数据的寄存器被使用。此外，对应于所述基站周围的图3A的实际的多普勒频移的数据库被存储在在其中K0的相同的表示法也被用于指定实际的多普勒频移的系统中。通过拟合对应于已经用所述K0数据库得到的（m+2）频率偏移估计的（m+2）样本，可以预测下一个数据包中的第一有效负载数据比特的频率偏移图9B示出了用于实施图9A中的每比特频率偏移修正算法的框图。所述（m+2）寄存器902被用于存储对应于
Figure BDA00003429670200141
Figure BDA00003429670200142
和
Figure BDA00003429670200143
的数据。搜索算法块904被用于将寄存器数据与由块906供应的K0数据库相匹配。基于上面的预测过程的初始频率偏移被用于得到针对所述第一有效负载比特的测量的频率偏移
Figure BDA00003429670200145
针对所述第一有效负载比特的每比特频率偏移
Figure BDA00003429670200146
被转移到（m+2）移位寄存器中并且最旧的条目（即
Figure BDA00003429670200147
）被转移出所述（m+2）移位寄存器。在得到针对第一有效负载的频率偏移之后，上面的预测过程被用于预测针对第二比特的频率偏移
Figure BDA00003429670200148
所述过程将继续直到整个有效负载被处理。图9C示出了对应于所述基站附近的图3A的多普勒频移的K0数据库。
除了基于所述前导位模式的上面所公开的方法之外，也可以使用其他方法估计所述多普勒频移。例如，所述GPS可以提供在公差内的机车位置的指示。所述GPS位置可以与GPS阅读的时间实例相关联以提供行进速度（其可以被转换为多普勒频率偏移）的估计。鉴频也可以被用于估计所述多普勒频移，如果可以提供准确的本地时钟。图10A示出了基于GPS方法1002、K01004和鉴频1006的载波偏移估计结果。图10B示出了基于GPS方法、K0和鉴频的载波偏移估计算法。由于有限的GPS精确度，在8个数据的滑动窗口之上平均所述GPS估计。为了提高多普勒频移估计的精确度，可以在加权因子ξ1、ξ2和ξ3的情况下使用基于GPS的、基于K0的和基于鉴频的估计的加权和：
Φ 0 = ξ 1 * GPS ‾ + ξ 2 * FD + ξ 3 * K 0 n
其中ξ1=0意思是没有使用基于GPS的估计并且ξ2=0意思是没有使用基于鉴频的估计。尽管图10B示出了线性加权函数以形成所述频率偏移估计，使用三个参数FD和
Figure BDA000034296702001411
的任何其他函数可以被使用。图10C示出了用于实施图10B中的载波偏移估计算法的框图，在其中乘法器1012、1014和1016分别被用于实现所述加权因子ξ1、ξ2和ξ3。加法器1018和1020组合加权的结果。
图11A示出了多普勒预测器接口。所述多普勒预测器接受基于每数据包的估计基于每比特的估计基于鉴频的估计FD以及基于GPS的估计
Figure BDA00003429670200153
图11B示出了多普勒预测器的部件之间的详细的互连。可以被注意到的是：图11B包括图8B、图9B和图10C中的电路。
图12A示出了合并多普勒补偿和图6D的接收器的实例。所述多普勒预测器406将所需的控制信号提供至DVCO1202以产生期望的频率偏移补偿信号。图12B示出了合并多普勒补偿和图6E的接收器的实例。图12C示出了合并多普勒补偿和图6E的接收器的另一个实例。
根据上面的公开，数据包内的快速多普勒频移对于接收器设计而言造成挑战性的问题。使用数据包的前导部分的针对数据包的常规的多普勒频移估计在快速多普勒频移环境中失效。因此，本发明利用动态频率偏移估计，其不仅使用基于每数据包的估计，而且使用基于每比特的估计。此外，本发明利用期望预测以基于先前得到的每数据包频率偏移估计预测每数据包频率偏移。所述期望预测依靠估计的多普勒频移、估计的多普勒频移的变化和估计的多普勒频移的变化速率，并且使用这三个值的线性加权函数形成精确的期望预测。可以基于所接收的信号估计所述多普勒频移。基于每比特的频率偏移估计依靠针对当前数据包的基于每数据包的估计和基于每比特的估计以及针对下一个数据包的期望预测的每数据包估计。将这些数据与对应于在所述基站周围的位置处快速行进的机车的多普勒频移的轮廓相匹配。此方法提供了精确的每比特频率偏移估计。此外，所述频率偏移估计可以利用其它信息诸如基于鉴频或使用GPS的频率偏移估计。最终的多普勒预测可以基于所述每数据包估计、每比特估计、基于鉴频的估计和基于GPS的估计的组合。
可以以其他特定的形式实现本发明，而不背离其精神或本质的特性。在所有方面所描述的实例将仅被视为说明性的而不是限制性的。因此，本发明的范围由所附的权利要求指示，而不是由前面的描述指示。落入所述权利要求的等同物的含义和范围内的所有变化将被涵盖在所述权利要求的范围之内。

Claims (32)

1.一种用于补偿与固定的无线电终端和移动的无线电终端之间的相对运动相关联的频率变化的方法，所述方法包括：
接收与数据包相关联的信号，其中所述数据包包括前导部分和有效负载部分；
基于第一多个粗略频率偏移、所述第一多个粗略频率偏移的一阶导数和所述第一多个粗略频率偏移的二阶导数确定下一个粗略频率偏移的第一估计的值；以及
根据所述第一估计的值补偿与所述数据包相关联的所述信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，基于接收的对应于所述前导部分的信号来测量所述粗略频率偏移。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，基于所接收的信号和预定义的信号的相互关系来测量所述粗略频率偏移。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述确定所述第一估计的值是基于使用加权因子的所述第一多个粗略频率偏移、所述第一多个粗略频率偏移的所述一阶导数以及所述第一多个粗略频率偏移的所述二阶导数的加权和。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述加权因子与所述第一多个粗略频率偏移的所述一阶导数的第一范围和所述第一多个粗略频率偏移的所述二阶导数的第二范围相关。
6.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
在所述确定所述第一估计的值之后，基于多个精细频率偏移和第二多个粗略频率偏移确定下一个精细频率偏移的第二估计的值；以及
根据所述第二估计的值补偿与所述数据包相关联的所述信号。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述根据所述第二估计的值补偿与所述数据包相关联的所述信号被应用到所述有效负载部分。
8.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
基于所述移动的无线电终端的速度信息、所述移动的无线电终端的GPS信息、频率鉴别或从由所述移动的无线电终端的所述速度信息、所述移动的无线电终端的所述GPS信息和所述频率鉴别组成的组中选择的两个或更多成员的组合确定下一个频率偏移的第三估计的值；以及
根据所述第三估计的值补偿与所述数据包相关联的所述信号。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，在多个实例上平均所述GPS信息。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述确定所述第三估计的值是基于使用加权因子的所述移动的无线电终端的所述速度信息、所述移动的无线电终端的所述GPS信息和所述频率鉴别的加权和。
11.一种用于补偿与无线电基站和机车无线电终端之间的相对运动相关联的频率变化的方法，所述方法包括：
接收在所述无线电基站和所述机车无线电终端之间传输的信号；
根据多普勒频移模型基于多个先前的频率偏移确定频率偏移的估计的值；以及
根据所估计的值补偿所述信号。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述多普勒频移模型与所述无线电基站和所述机车无线电终端之间的多普勒频率偏移和相对速度相关联。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，所述多普勒频移模型与针对给定的机车速度的所述无线电基站和所述机车无线电终端之间的多普勒频率偏移和主距离相关联。
14.根据权利要求11所述的方法，其中，所述多普勒频移模型被存储在查找表中。
15.根据权利要求11所述的方法，其中，所述确定所述估计的值是基于将所述多个先前的频率偏移与所述多普勒频移模型相匹配。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，移位寄存器被用于存储所述多个先前的频率偏移。
17.一种无线电通信系统，包括：
与基站相关联的固定的无线电终端和与机车相关联的移动的无线电终端，其中所述固定的无线电终端和所述移动的无线电终端中的至少一个可操作用于：
接收与数据包相关联的信号，其中所述数据包包括前导部分和有效负载部分；
基于第一多个粗略频率偏移、所述第一多个粗略频率偏移的一阶导数和所述第一多个粗略频率偏移的二阶导数确定下一个粗略频率偏移的第一估计的值；以及
根据所述第一估计的值补偿与所述数据包相关联的所述信号。
18.根据权利要求17所述的无线电通信系统，其中，基于接收的对应于所述前导部分的信号来测量所述粗略频率偏移。
19.根据权利要求18所述的无线电通信系统，其中，基于所接收的信号和预定义的信号的相互关系来测量所述粗略频率偏移。
20.根据权利要求17所述的系统，其中，所述第一估计的值是基于使用加权因子的所述第一多个粗略频率偏移、所述第一多个粗略频率偏移的所述一阶导数以及所述第一多个粗略频率偏移的所述二阶导数的加权和。
21.根据权利要求20所述的系统，其中，所述加权因子与所述第一多个粗略频率偏移的所述一阶导数的第一范围和所述第一多个粗略频率偏移的所述二阶导数的第二范围相关。
22.根据权利要求17所述的无线电通信系统，进一步可操作用于：
在所述确定所述第一估计的值之后，基于多个精细频率偏移和第二多个粗略频率偏移确定下一个精细频率偏移的第二估计的值；以及
根据所述第二估计的值补偿与所述数据包相关联的所述信号。
23.根据权利要求22所述的无线电通信系统，其中，所述第二估计的值被应用以补偿所述数据包的所述有效负载部分。
24.根据权利要求17所述的无线电通信系统，进一步可操作用于：
基于所述移动的无线电终端的速度信息、所述移动的无线电终端的GPS信息、频率鉴别或从由所述移动的无线电终端的所述速度信息、所述移动的无线电终端的所述GPS信息和所述频率鉴别组成的组中选择的两个或更多成员的组合确定下一个频率偏移的第三估计的值；以及
根据所述第三估计的值补偿与所述数据包相关联的所述信号。
25.根据权利要求24所述的无线电通信系统，其中，在多个实例上平均所述GPS信息。
26.根据权利要求24所述的无线电通信系统，其中，所述第三估计的值是基于使用加权因子的所述移动的无线电终端的所述速度信息、所述移动的无线电终端的所述GPS信息和所述频率鉴别的加权和。
27.一种无线电通信系统，包括：
与基站相关联的固定的无线电终端和与机车相关联的移动的无线电终端，其中所述固定的无线电终端和所述移动的无线电终端中的至少一个可操作用于：
接收在所述固定的无线电终端和所述移动的无线电终端之间传输的信号；
根据多普勒频移模型基于多个先前的频率偏移确定频率偏移的估计的值；以及
根据所估计的值补偿所述信号。
28.根据权利要求27所述的无线电通信系统，其中，所述多普勒频移模型与所述固定的无线电终端和所述移动的无线电终端之间的多普勒频率偏移和相对速度相关联。
29.根据权利要求27所述的无线电通信系统，其中，所述多普勒频移模型与针对给定的机车速度的所述固定的无线电终端和所述移动的无线电终端之间的多普勒频率偏移和主距离相关联。
30.根据权利要求27所述的无线电通信系统，其中，所述多普勒频移模型被存储在查找表中。
31.根据权利要求27所述的无线电通信系统，其中，基于将所述多个先前的频率偏移与所述多普勒频移模型相匹配来确定所述估计的值。
32.根据权利要求31所述的无线电通信系统，其中，移位寄存器被用于存储所述多个先前的频率偏移。
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