CN103929221B - 频率补偿装置及其频率补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种频率补偿装置及其频率补偿方法适用于与第一基站通信的用户设备。其中频率补偿方法包括以下步骤。获得对应第一基站的基站参数。从第一基站以第一接收频率接收第一信号。读取第一基站发射第一信号的第一发射频率。计算第一发射频率与第一接收频率的差值作为频率差值。依据对应第一基站的基站参数计算频率补偿值。依据对应第一基站的频率补偿值补偿第二发射频率。以补偿后的第二发射频率发出第二信号给第一基站。如此一来，便可快速补偿多普勒效应带来的频偏。

Description

频率补偿装置及其频率补偿方法

技术领域

本发明涉及一种频率补偿装置及其频率补偿方法，特别是涉及一种可针对多普勒效应(Doppler effect)进行补偿的频率补偿装置及其频率补偿方法。

背景技术

无线通信系统是借由各种不同调变技术来让两个无线通信装置之间能以无线的方式进行数据传送。但由于一般双方的系统使用的各自的频率(clock)系统不同步，使得双方使用的频率会产生载波频率偏移(Carrier Frequency Offset，CFO)，而造成信号译码错误。

对于一对一(PtoP)的系统，双方的接受器可借由各自频率补偿技术改善此问题所造成的影响。也就是说，双方可针对唯一的特定对象进行补偿。但是对于一个基站(BaseStation，BS)与多个用户设备(User Equipment，UE)的一对多(PtoMP)的系统，作为主控端的BS并无法针对每一个UE进行接收频率调整。因此传统上是由UE根据接受频率的误差值主动修正发射频率的误差，或由BS主动通知UE修正其发射频率。

但是在一对多且UE高速移动的情况下，传统的补偿方式并无法有效补偿误差。如图1所示，在UE高速移动的情况下，同一个信号收发的频率之间会因多普勒效应(Dopplereffect)而产生剧烈的频差。且频差的正负值会因双方变得接近或远离而产生变化。一般而言，多普勒效应大概会影响1秒到10秒，在这段影响时间中，无线通信会因误差在极短期间内变动过大无法有效补偿误差而译码失败。

假设BS发射频率为fc，UE设定接收频率为fc’，由于双方的频率系统不同步所以会产生fd＝fc-fc’的频差。在传统UE主动补偿的机制下，UE可将发射频率设为fc1’+fd，以尝试使BS的接收频率仍为fc。但若UE向BS方向高速移动，UE实际的接收频率会是fc+fdop，其中fdop就是多普勒效应所造成的误差。且传统上UE会再将发射频率将为fc’+fd+fdop，故BS接收的频率也会因多普勒效应增加为fc’+fd+2*fdop，使得误差更加严重。

若是在传统由BS主动通知UE修正的机制下，却会因UE所需反应时间较长但多普勒效应的影响时间较短，而为一种较无效率的补偿方式。因此传统上尚无法在一对多且UE高速移动的情况下补偿多普勒效应。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种频率补偿装置及其频率补偿方法，其适用于与一第一基站(Base Station，BS)通信的一用户设备(User Equipment，UE)。

其中频率补偿方法包括以下步骤。获得对应第一基站的一基站参数。从第一基站以一第一接收频率接收至少一第一信号。读取第一基站发射第一信号的一第一发射频率。计算第一发射频率与第一接收频率的差值作为一频率差值。依据对应第一基站的基站参数计算一频率补偿值。依据对应第一基站的频率补偿值补偿一第二发射频率。以补偿后的第二发射频率发出一第二信号给第一基站。

频率补偿装置可包括一接收模块一发射模块。接收模块具有一偏移检测单元，且偏移检测单元用以执行以下步骤。从第一基站以第一接收频率接收第一信号。读取第一基站发射第一信号的第一发射频率。计算第一发射频率与第一接收频率的差值作为频率差值。发射模块则用以执行以下步骤。获得对应第一基站的基站参数，其中基站参数依据频率差值计算得到。依据基站参数计算频率补偿值。依据对应第一基站的频率补偿值补偿第二发射频率。以补偿后的第二发射频率发出第二信号给第一基站。

综上所述，频率补偿装置及其频率补偿方法可计算频率差值以及计算基站参数，并据以补偿第二发射频率，而能有效解决多普勒效应所造成的频移。

附图说明

图1为现有技术一实施例的多普勒效应的频率影响示意图；

图2为本发明一实施例的基站与用户设备的通信示意图；

图3为本发明一实施例的频率补偿装置的方块示意图；

图4为本发明一实施例的频率补偿方法的流程示意图；

图5为本发明另一实施例的频率补偿装置的方块示意图；

图6为本发明又一实施例的频率补偿装置的方块示意图；

图7为本发明另一实施例的频率补偿方法的流程示意图；

图8为本发明又一实施例的频率补偿方法的流程示意图；

图9为本发明一实施例的第二基站的示意图。

附图标记

20：第一基站 30：用户设备

40：接收模块 42：偏移检测单元

44：补偿单元 46：第一切换开关

50：发射模块 52：预补偿单元

54：第二切换开关 60：第一基站

62：第一信号涵盖范围 70：第二基站

72：第二信号涵盖范围 80：应用层处理单元

具体实施方式

以下在实施方式中详细叙述本发明的详细特征以及优点，其内容足以使任何熟悉相关技术的人员了解本发明的技术内容并据以实施，且根据本说明书所揭示的内容、权利要求书及附图，任何熟悉相关技术的人员可轻易地理解本发明相关的目的及优点。

本发明提出一种频率补偿装置及其频率补偿方法，其适用于与一第一基站(BaseStation，BS)通信的一用户设备(User Equipment，UE)。请同时参照图2以及图3，其分别为本发明一实施例的基站与用户设备的通信示意图，以及频率补偿装置的方块示意图。

第一基站20可通过全球微波互联接入(Worldwide Interoperability forMicrowave Access，WiMAX)或长期演进(Long Term Evolution，LTE)等无线通信协议同时与多个UE 30(用户设备)进行无线通信。频率补偿装置可被配置于各个UE 30之中，并可执行本频率补偿方法。

UE 30可以是手机、笔记本计算机、平板计算机或是可携式游戏机等电子设备，其可与第一基站20通信以取得无线上网或通话等服务。频率补偿装置包括一接收模块40以从第一基站20接收至少一第一信号，以及一发射模块50以发射一第二信号给第一基站20。接收模块40可包括一偏移(offset)检测单元42，以检测第一信号在被发射时与在被接收时之间的频率差值。其中偏移检测单元42可用以检测载波频率偏移(carrier frequencyoffset，CFO)。发射模块50则可包括一预补偿单元52，以依据频率差值预先补偿要发给第一基站20的第二信号的一第二发射频率。

根据本发明一实施例，第一信号可具有多个帧(frame)，而偏移检测单元42可以针对每一个帧计算对应的频率差值并进行补偿。换句话说，频率补偿方法可以是与帧同步(synchronously)进行。

第一基站20以及UE 30可以个别具有一振荡器以产生频率(clock)；而振荡器可以例如是一石英振荡器(quartz oscillator，或是crystal oscillator)或一陶瓷振荡器(ceramic oscillator)。且第一基站20以及UE 30的振荡器可都具有高精准度，例如精准度可以是到10-12。

在此先简单解释针对多普勒效应(Doppler effect)进行补偿的概念。当第一基站20位置不会改变但UE 30以一速度持续向第一基站20移动时，第一基站20发射给UE 30的第一信号会具有一个频率误差。若未经补偿直接以UE 30接收到的频率作为UE 30发射的频率，则UE 30回送给第一基站20的第二信号会具有两倍的频率误差。因此UE 30要回送时，可以以比期望被接收的频率低一个频率误差的频率发出第二信号，以抵销因多普勒效应增加的频率误差。类似地，当UE 30以一速度持续远离第一基站20时，则可以比期望被接收的频率再高一个频率误差的频率发出第二信号，以抵销因多普勒效应增加的频率误差。

在通信过程中，从第一基站20以一第一发射频率发射第一信号，UE 30的接收模块40以一第一接收频率接收第一信号，且UE 30的发射模块50以补偿后的第二发射频率发射第二信号，第一基站20再以一第二接收频率接收第二信号。

请参照图4，其为本发明一实施例的频率补偿方法的流程示意图。

UE 30首先可获得对应第一基站20的一基站参数(步骤S100)。根据本发明一实施例，发射模块50可以从频率补偿装置之外较上层的处理模块接收基站参数。且只要UE 30没有与第一基站20进行基站切换(handover)，发射模块50就可以一直沿用相同的基站参数进行频率补偿。

接收模块40可以首先可从第一基站20以第一接收频率接收至少一个第一信号(步骤S200)，且读取第一基站20发射第一信号的第一发射频率(步骤S300)。更详细地说，偏移检测单元42可以以正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplex，OFDM)或码分多址(Code Division Multiple Access，CDMA)的方式接收第一信号。

根据本发明一实施例，频率补偿装置另包括一应用层处理单元80，如图5所示。应用层处理单元80可用以从一系统广播信号中读取第一发射频率，并将第一发射频率传给预补偿单元52。

应用层处理单元80也可进行信号涵盖范围(亦称为细胞或小区，cell)搜寻以获得具有通信控制信息的一信号涵盖范围搜寻结果，并从信号涵盖范围搜寻结果中读取第一发射频率与第二接收频率。此外，应用层处理单元80也可以进行其它搜寻方式，以得知第一发射频率与第二接收频率，并将基站参数传给预补偿单元52。

偏移检测单元42计算第一发射频率与第一接收频率的差值作为频率差值(步骤S400)。具体而言，可将第一发射频率减去第一接收频率的结果取绝对值作为频率差值。

偏移检测单元42也可依据频率差值计算UE 30的一位移速率。第一信号由位置固定的第一基站20发出，并被以位移速率持续移动的接收模块40所接收。

多普勒效应提供计算频率变化的公式：

其中f为一发射源(source)发出的信号的频率，f’为一观察者(observer)接收到的信号的频率，v为波速，vs为发射源的移动速度，vo为观察者的移动速度。在此的波速为光速，而发射源的移动速度为零。

因此把式1移项之后，可以利用以下公式计算得到UE 30的位移速率：

其中vp为UE 30的位移速度，v为光速，fd为频率差值，fr为第一发射频率。

得到频率差值后，偏移检测单元42可据以获得对应第一基站20的基站参数，并将频率差值传送给发射模块50的预补偿单元52。而基站参数依据第一发射频率以及第二发射频率计算得到。更详细地说，基站参数可以是第二发射频率除以第一发射频率的计算结果。

计算基站参数的公式如下：

其中M为基站参数，fr为第一发射频率，ft为第二发射频率。

根据本发明一实施例，前述应用层处理单元80可用以计算得对应第一基站20的基站参数，并将基站参数传给预补偿单元52。预补偿单元52再依据对应第一基站20的基站参数计算频率补偿值(步骤S500)。然而应用层处理单元80也可从偏移检测单元42接收频率差值并连同基站参数计算后得到频率补偿值，再将频率补偿值传给预补偿单元52。也就是说，频率补偿值可以由预补偿单元52或应用层处理单元80计算得到。

根据本发明一实施例，偏移检测单元42以及预补偿单元52都是实际操作于硬件层；而在依据频率差值进行补偿前，可先将频率差值送给应用层处理单元80或其它频率补偿装置之外较上层的处理模块以进行滤波或其它处理。如此一来可避免噪声影响频率差值准确度，但可能会略增信号处理的延迟时间。

预补偿单元52并依据对应第一基站20的频率补偿值补偿第二发射频率，(步骤S600)，再让发射模块50以补偿后的第二发射频率发出第二信号给第一基站20(步骤S700)。预补偿单元52将第二发射频率减去频率差值与基站参数的乘积的计算结果作为补偿后的第二发射频率。

补偿第二发射频率的公式如下：

其中ft为补偿前的第二发射频率，ft’为补偿后的第二发射频率，fd为频率差值，M为对应于第一基站20的基站参数，fr为第一发射频率，v为光速，vp为UE 30的位移速度。

第一基站20会以一第二接收频率接收第二信号，且计算第二接收频率的公式如下：

其中fr’为第二接收频率，ft为补偿前的第二发射频率，ft’为补偿后的第二发射频率，v为光速，vp为UE 30的位移速度。

由此可见，第一基站20接收的第二信号的第二接收频率fr’会与补偿前的第二发射频率ft相同，故第一基站20所接收到的第二信号不会产生频偏(frequency offset)。

此外，上述位移速度可以是正数或负数。当位移速度是正数时可表示UE30是在接近第一基站20，而当位移速度是负数时可表示UE 30是在远离第一基站20。

而根据本发明另一实施例，偏移检测单元42得到的频率差值也可提供给接收模块40的一补偿单元44，以补偿第一信号。

请先参照图6，其为本发明又一实施例的频率补偿装置的方块示意图。偏移检测单元42可将频率差值传送给补偿单元52或是上层的应用层处理单元80，并可将频率差值送给预补偿单元52。然而补偿单元44也可以通过一第一切换开关46从上层接收一第一控制参数，并依据第一控制参数补偿第一信号，再输出补偿后的第一信号。第一控制参数可以是前述经过滤波处理或其它前置处理的频率差值。也就是说，上层的应用层处理单元80可以从偏移检测单元42接收频率差值并处理，再将处理过的频率差值传送给补偿单元44。

类似地，预补偿单元52先从应用层处理单元80获取补偿前的第二信号以及基站参数，之后可以通过一第二切换开关54从上层的应用层处理单元80接收一第二控制参数。第二控制参数可以是前述经过滤波处理或其它前置处理的频率差值，预补偿单元52接收第二控制参数后再以前述方式处理并补偿。第二控制参数也可以直接是第二传送频率用的频率补偿值，预补偿单元52接收第二控制参数后就可直接据以进行补偿，以增加整个频率补偿装置的运作弹性。

请参照图7，其为本发明另一实施例的频率补偿方法的流程示意图。于图7的实施例之中，计算得到频率差值后，补偿单元44可利用频率差值补偿第一频率信号(步骤S350)。举例而言，补偿单元52可以依据频率差值去除第一信号因多普勒效应而产生的频差。补偿单元44并可将补偿后的第一信号传送给与频率补偿装置相连的一译码器以及一信道均衡器(Channel Equalizer)，由后续的译码器以及信道均衡器将第一信号的各个帧进行译码。

更详细地说，偏移检测单元42可针对每一个帧实时计算对应的频率差值，而补偿单元44以及译码器可同时或延迟至少一帧时间后进行补偿以及译码。偏移检测单元42与译码器之间也可配置有其它的滤波器或补偿单元，而能对第一信号的各帧进行信道补偿或其它处理。

根据本发明又一实施例，当UE 30进行基站切换时，频率补偿装置可以依据新的基站计算新的基站参数。请同时参照图8以及图9，其分别为本发明又一实施例的频率补偿方法的流程示意图，以及第二基站的示意图。

假设一第一基站60具有一第一信号涵盖范围62，并接收第二信号；一第二基站70具有一第二信号涵盖范围72，并接收至少一第四信号。UE 30位于持续移动的一列车上。列车目前位于第一信号涵盖范围62与第二信号涵盖范围72的重叠区域上，且即将离开第一信号涵盖范围62前往第二信号涵盖范围72。UE 30与第一基站60通信时，需接收第一信号并发射第二信号，同样地UE 30与第二基站70通信时，需接收至少一第三信号并发射第四信号。其中第一信号与第三信号频率可以相同或不同。相同地第二信号与第四信号频率也可以相同或不同。

应用层处理单元80可以依据上层通信协议的需求，切换接收模块40的接收频率来检测是否接收到第二基站70的第三发射信号，以判断是否切换到第二基站70(步骤S800)。当检测到第二基站70时，获得对应第二基站70的基站参数，依据对应第二基站70的基站参数计算频率补偿值，依据对应第二基站70的频率补偿值补偿第二发射频率，并以补偿后的第二发射频率发出第三信号给第二基站70(步骤S900)。

更详细地说，当检测到第二基站70时，应用层处理单元80可计算对应第二基站70的基站参数并传送给预补偿单元52，且切换发射模块50的发射频率以符合第四信号的需求。预补偿单元52依据对应第二基站70的基站参数与频率差值来补偿第二发射频率，并以补偿后的第二发射频率发出第四信号给第二基站70。

若UE 30位于第一信号涵盖范围62与第二信号涵盖范围72的重叠区域上，则频率补偿装置可以借其上层所使用的通信协议及其它模块同步进行切换，以同时与第一基站60以及第二基站70进行通信，并分别以对应于第一基站60与第二基站70的基站参数补偿第二信号与第四信号。

须注意的是，上述偏移检测单元42以及预补偿单元52都是实际操作于硬件层而非应用层，因此可以快速地执行步骤S100到步骤S600，以计算频率差值并据以补偿第二发射频率。特别是偏移检测单元42可以直接把频率差值直接传给预补偿单元52，而预补偿单元52也能在获得基站参数后以简单的乘法器(multiplier)直接补偿第二发射频率。因此频率补偿装置可以实时(real time)进行补偿，而将信号被译码失败的机会降到最低。且由于预补偿单元52在每个帧都借由接收检测单元42所送出的频率差值来进行更新，因此实时补偿所带来的效率提升更为突出。

不同基站可能会对应不同的基站参数，切换通信的基站时应用层处理单元80就需要更新基站参数并传给预补偿单元52，以让接收模块40与发射模块50利用更新过的基站参数进行补偿。但一般即使UE 30在高速移动的情况下，通常也会每隔一秒或数十秒才需要切换基站。相较于从预处理单元52自行计算基站参数的做法，虽然于从应用层处理单元80处理基站参数并传送给预补偿单元52会略增UE 30的中央处理器(Central ProcessingUnit，CPU)的负载，但可减少一个预补偿单元52中的乘法器。但根据本发明另一实施例，预补偿单元52中也可另包括一个乘法器以自行计算基站参数，而不用从应用层处理单元80接收。

综上所述，频率补偿装置及其频率补偿方法可由接收模块在硬件层实时检测频率差值以及计算第二频率补偿值，并在硬件层立即将第二频率补偿值传送给发射模块使用，而能有效提高补偿的处理效率。换句话说，配置于UE的频率补偿装置可以在高速环境下利用硬件层的架构直接对接收到的第一信号以及预发射的第二信号补偿，使UE与BS之间的无线通信毫无障碍。

Claims (8)

1.一种频率补偿装置，其特征在于，适用于与一第一基站通信的一用户设备，该频率补偿装置包括：

一接收模块，具有一偏移检测单元，该偏移检测单元用以执行以下步骤：

从该第一基站以一第一接收频率接收至少一第一信号；

读取该第一基站发射该至少一第一信号的一第一发射频率；

计算该第一发射频率与该第一接收频率的差值作为一频率差值；以及一发射模块，用以执行以下步骤：

获得对应该第一基站的一基站参数；

依据该基站参数计算一频率补偿值；

依据对应该第一基站的该频率补偿值补偿一第二发射频率；以及

以补偿后的该第二发射频率发出一第二信号给该第一基站，

其中，该基站参数为该第二发射频率除以该第一发射频率的计算结果，以及该补偿后的该第二发射频率为该第二发射频率减去该频率差值与该基站参数的乘积的计算结果；以及

一应用层处理单元，用以计算得对应该第一基站的该基站参数，并将该基站参数传给该发射模块，当该应用层处理单元检测到一第二基站时，计算对应该第二基站的该基站参数并传给该偏移检测单元，以依据对应该第二基站的该基站参数补偿该第二发射频率，且该发射模块并以补偿后的该第二发射频率发出一第三信号给该第二基站。

2.根据权利要求1所述的频率补偿装置，其特征在于，所述应用层处理单元，用以从一系统广播信号中读取该第一发射频率，或是从一信号涵盖范围搜寻结果中读取该第一发射频率，并将该第一发射频率传给该发射模块。

3.根据权利要求1所述的频率补偿装置，其特征在于，该接收模块另包括：

一补偿单元，用以利用该频率差值补偿该第一信号。

4.根据权利要求1所述的频率补偿装置，其特征在于，该接收模块以正交频分复用或码分多址接收该至少一第一信号。

5.一种频率补偿方法，其特征在于，适用于与一第一基站通信的一用户设备，该频率补偿方法包括：

获得对应该第一基站的一基站参数；

从该第一基站以一第一接收频率接收至少一第一信号；

读取该第一基站发射该至少一第一信号的一第一发射频率；

计算该第一发射频率与该第一接收频率的差值作为一频率差值；

依据对应该第一基站的该基站参数计算一频率补偿值；

依据对应该第一基站的该频率补偿值补偿一第二发射频率；以及

以补偿后的该第二发射频率发出一第二信号给该第一基站，

其中，该基站参数为该第二发射频率除以该第一发射频率的计算结果，以及该补偿后的该第二发射频率为该第二发射频率减去该频率差值与该基站参数的乘积的计算结果；以及

该频率补偿方法另包括：

判断是否检测到一第二基站；以及

当检测到该第二基站时，获得对应该第二基站的基站参数，以依据对应该第二基站的该基站参数计算频率补偿值，依据对应该第二基站的该频率补偿值补偿该第二发射频率，并以补偿后的该第二发射频率发出一第三信号给该第二基站。

6.根据权利要求5所述的频率补偿方法，其特征在于，于该读取该第一基站发射该至少一第一信号的该第一发射频率的步骤，从一系统广播信号中读取该第一发射频率，或是从一信号涵盖范围搜寻结果中读取该第一发射频率。

7.根据权利要求5所述的频率补偿方法，其特征在于，另包括：

利用该频率差值补偿该第一信号。

8.根据权利要求5所述的频率补偿方法，其特征在于，以正交频分复用或码分多址接收该至少一第一信号。