CN1074230C - 扩展频谱通信接收机的频率误差校正装置 - Google Patents

扩展频谱通信接收机的频率误差校正装置 Download PDF

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Abstract

一种频率校正装置，包括采用振荡器的本机信号来检测中频信号的准相干正交检波器、通过解调检测器的输出产生去扩展信号的相关检测器和产生频率有偏离的一对时钟信号的时钟发生部分。时钟信号驱动两相关检测器，后者的输出幅度被平方，相减以产生相关输出误差信号。通过将它转换成频率误差产生频率校正信号。由接收信号的中心频率和本机信号的频率差引起的去扩展信号与时钟信号的频率差可通过用频率校正信号校正去扩展信号的频率进行。

Description

扩展频谱通信接收机的频率 误差校正装置
本发明涉及最好用于移动通信的码分多址(CDMA)通信系统的接收机，具体地说是涉及扩展频谱通信接收机的频率误差校正装置，它校正基带信号范围内发射机和接收机间的频率误差。
最近以来，对CDMA系统进行了深入的研究和开发。CDMA系统的存取方法大致分为直接序列(DS)多址和跳频(FH)多址。然而FH多址如今已很少使用。这是因为FH多址虽然需要将一符号分成叫做信段(chip)的单元并将载波信号的频率高速切换成每个信段不同的频率，但用于高速切换载波频率的频率合成器在当前技术条件下难以实现。
因此，通常采用DS多址。在发送端，DS多址系统通过正交移相键控(QPSK)或类似技术原如进行数据的初级调制，再用扩展码将初级调制信号二级调制(扩展)成宽带信号，并将二级调制信号用载波发送出去。另一方面，在接收端，除去载波，然后用与发送端相同的扩展码将宽带信号去扩展，接着恢复原始数据。
让我们来考虑一下当CDMA系统用于移动通信系统如袖珍电话时可能出现的问题。当前移动通信的基站有一高稳定的基准振荡器，日本数字车载电话的标准要求小于0.005ppm(百万分之一)的绝对准确度。从另一方面来说，因为移动站不能使用具有恒温器的高稳定基准振荡器，它通常采用温度补偿晶体振荡器(TCXO)。晶体振荡器的频率准确度用绝对准确度来表示，在800MHz为3ppm。
因而，移动站的本机信号的频率将偏离基站发送信号(即移动站的接收信号)的中心频率。并且，接收端信段频率也偏离发送端的信段频率。此外，由于移动站相对于基站移动，所接收信号的中心频率会变化一个相当于多普勒频率的量。
于是，发送端和接收端间频率的误差包括接收信号的中心频率和本机信号间的频率偏差、去扩展信号的信段频率和用于去扩展的信段时钟信号频率间的频率偏差、以及由于多普勒效应产生的频率偏差。前两项偏差是由于发射机与接收机的基准振荡器间的频率误差造成的。补偿这种频率误差以实现稳定的接收操作需要自动频率控制(AFC)电路。
图1给出包括AFC电路的常规CDMA接收机的主要部分。加于输入端10的中频(IF)接收信号被混合线圈10A分成两部分，并提供给正交检波器11。正交检测器11采用压控振荡器(VCO)12的本机信号检测IF接收信号，并输出同相基带信号I和正交基带信号Q。术语“基带信号”指没有载波信号分量的信号。具体来说，发送端的基带信号包括初级调制后的信号和扩展(二级调制)后的信号，接收端的基带信号包括正交检测后和去扩展前的信号及去扩展后的信号。基带信号I通过低通滤波器(LPF)13加到A/D转换器15，并被转换成数字信号。相似地，基带信号Q通过LPF14加到A/D转换器16；然后被转换成数字信号。
这些数字信号被加到相关检测器17，如匹配的滤波器或滑动相关器上，其检测数字信号和扩展码间的相关性，然后将这些数字信号去扩展。换句话说，相关检测器17起去扩展电路的作用，并输出相当于初级调制信号的基带信号，即去扩展信号。相关检测器17的输出信号被加到RAKE组合器和解调器18上。RAKE组合器和解调器18估计通过各自的多条路径到来并构成接收信号的信号的相位，通过组合相位被估计并被校准的信号解调相应于初级调制信号的去扩展信号，并确定原始数据(拟接收信号)。
AFC电路20的排布如下：相关检测器17的输出信号加于延迟检测器21，延迟检测信号加于相差检测器22，其从延迟检测信号的I和Q分量中获得相差分量tan-1(I/Q)。相差分量是代表相位误差的信号，即是相关检测器17输出的基带信号相对于发送端初级调制信号映射点的相移。换言之，相差信号包括接收信号和本机信号间的频差。相差信号由环路滤波器23取平均，并反馈至VCO12作为控制电压。因此，VCO12受根据与相差相应的误差校正信号的反馈控制，以便校正接收信号的中心频率和本机信号频率间的误差。
常规接收机的问题在于其要求高准确度、高稳定性的VCO12，这导致移动站很昂贵。
因而，本发明的目的是提供一种费用不大的扩展频谱通信接收机的频率误差校正装置，其可很容易地并入集成电路(IC)中。
根据本发明的一个方面所述，提供了一种接收扩展频谱信号的扩展频谱接收机的频率误差校正装置。该频率误差校正装置包括：
第一相关检测器，用于将扩展频谱信号去扩展；
第一时钟信号发生部分，用来产生驱动第一相关检测器的第一时钟信号；
频率误差检测电路，用来检测扩展频谱信号的信段频率和第一时钟信号的频率间的频率误差，并从而产生频率校正信号；和
频率漂移校正部分，其根据频率误差检测电路输出的频率校正信号进行第一相关检测器的输出信号的频率校正。
这里，频率误差检测电路可包括：
第二时钟信号发生部分，其产生频率高于所述第一时钟信号频率一个预定值的第二时钟信号；
第三时钟信号发生部分，其产生频率低于所述第一时钟信号频率一个预定值的第三时钟信号；
第二相关检测器，其用第二时钟信号将扩展频谱信号去扩展；和
第三相关检测器，其用第三时钟信号将所述扩展频谱信号去扩展。
其中，频率误差根据第二相关检测器的相关输出和第三相关检测器的相关输出来检测。
频率误差检测电路还可包括：
加法器，其从所述第二相关检测器的相关输出中减去第三相关检测器的相关输出，从而产生相关输出误差；和
相关输出误差/频率漂移转换器，其产生频率漂移信号，该信号在相关输出误差为0时变为0，并且随相关输出误差绝对值的增加而按S特性曲线变化。
相关输出误差/频率漂移转换器可以包括存储电路，其存储S曲线特性，接收相关输出误差作为地址输入，并产生频率漂移信号作为数据输出。
频率误差检测电路还可以包括：
第一幅度平方分量发生部分，其产生所述第二相关检测器相关输出幅度的平方分量；
第二幅度平方分量发生部分，其产生所述第三检测器相关输出幅度的平方成分；
第一比较器，其将所述第一幅度平方分量发生部分的输出信号与一预定的基准电平相比，并产生超过基准电平的分量；和
第二比较器，其将所述第二幅度平方分量发生部分的输出信号与一预定基准电平相比，并产生超出基准电平的分量，
其中，加法器从第一比较器的输出信号中减去所述第二比较器的输出信号，并输出相关输出误差。
频率误差检测电路还可包括：
第一保持电路，其连接在所述第一比较电路和加法器之间，保持第一比较电路的输出；和
第二保持电路，其连接在第二比较电路和加法器之间，保持第二比较电路的输出，
其中，加法器将第二保持电路的输出从第一保持电路的输出中减去，并输出相关输出误差。
频率误差检测电路还可包括平均电路，其平均存储电路的数据输出以产生频率校正信号。
根据本发明所述，发送端和接收端的频率误差由相关输出信号得到。用频率误差信号按与去扩展信号相位相反的方向旋转去扩展信号，通过数字信号处理使稳定的频率误差校正成为可能。因此，本发明可提供一种易于嵌入IC的频率误差校正装置，并且不需要昂贵的AFC电路。
本发明的上述及其它的目的、作用、特点和长处从下面结合附图所作的实施例的描述中会更加清楚地看到。
图1是显示常规频谱通信接收机主要部分的框图；
图2是显示根据本发明所述的扩展频率通信接收机的频率校正装置实施例的框图；和
图3是实施例中频率误差和相关输出误差信号的关系图。
现在参考附图描述本发明。
图2给出根据本发明所述的扩展频谱通信接收机的频率校正装置的实施例。
来自输入端10的中频(IF)输入信号S1F被加到正交检测器12上。正交检测器12进行IF输入信号S1F的准相干正交检测，并输出同相基带信号S1I和正交基带信号S1Q。这里，使用“准相干正交检测”是因为固定频率振荡器41的本振信号包含频率误差，因而，这里没有实现真正的相干正交检测。基带信号S1I低通滤波器13被加到A/D转换器15上，该转换器将其转换成数字信号S2I。数字信号S2I被加到三个相关检测器17、48和49上。类似地，基带信号S1Q通过低通滤波器14后被加到A/D转换器16上，该转换器将其转换成数字信号S2Q。数字信号S2Q被加到三个相关检测器17、48和49上。这些基带信号S1I和S1Q、S2I和S2Q分别构成扩展频谱信号。
正如人们所知，相关检器器17(电路)中四个匹配的滤波器42-45如图2所示相连。相关检测器17由信段时钟信号振荡器46提供的信段时钟信号CK1驱动，其获得扩展码和数字信号S2I及S2Q间的相关，并在相关保持最大的条件下将数字信号去扩展(即数字信号与扩展码同步)，从而产生去扩展信号S3I及S3Q。
相关检测器17输出的扩展信号S3I和S3Q被加到频率漂移校正部分25，其进行去扩展信号S3I和S3Q与频率校正信号S4I和S4Q(稍后将会提到)的复数相乘，并产生经频率误差校正的数字信号S5I和S5Q。其中，具有后缀I的同相分量以Acoswt的形式表示，有后缀Q的正交分量以Asinwt的形式表示。此外，复数相乘用(S3I+jS3Q)(S4I+jS4Q)的形式表示。频率误差校正后的信号S5I和S5Q被加到RAKE组合器和解调电路22上，其解调初始数据S6。
正如上面提到的，相关检测器17由频率为fc的信段时钟信号CK1驱动。信段时钟信号CK1由信段时钟信号振荡器46产生，并被加到相关检测器17和时钟信号发生部分47上。时钟信号发生部分47输出频率为fc+Δfd的时钟信号CK2，和频率为fc-Δfd的时钟信号CK3。换句话说，所产生的时钟信号CK2和CK3的频率分别自信段时钟信号CK1漂移+Δfd和-Δfd。其中，当载波频率为2GH2、移动站频率稳定度约为0.3ppm时，信段时钟信号频率fc被设为1MHz-20MHz，漂移频率Δfd设在大约600Hz。
时钟信号CK2和CK3分别加到相关检测器48和49。相关检测器48和49通过将扩展码与A/D转换器15和16输出的扩展频谱信号(基带信号)S1I和S2Q相乘分别检测扩展码与S2I和S2Q的相关。这种情况下，由于相关检测器48由频率为fc+Δfd的时钟信号CK2驱动，所以当扩展频谱信号S2I和S2Q的信段频率与频率fc+Δfd一致时，相关检测器48的相关输出成为最大。相关输出随频率差的增加线性减小。相似地，由于相关检测器49由频率为fc-Δfd的时钟信号CK3驱动，所以当扩展频谱信号S2I和S2Q的信率与频率fc-Δfd一致时，相关检测器49的相关输出成为最大。随着频率之间差的增加，相关输出将线性减小。
相关输出的特性曲线示于图3的(A)和(B)。如同从这些特性曲线所看到的，计算相关检测器48和49的相关输出幅度之间的差将给出如图3(C)所示的S曲线特性。获得这些S曲线特性的电路将在下面描述。
首先，相关检测器48的相关输出S7I和S7Q被加到幅度平方分量发生部分51，其将相关输出的同相分量S7I的平方和正交分量S7Q的平方加起来，产生的和作为幅度平方分量Sq。类似地，相关检测器49的相关输出S8I和S8Q被加到幅度平方分量发生部分52，其将相关输出的同相分量S8I的平方与正交分量S8Q的平方相加，产生的和作为幅度平方分量S10。
幅度平方分量S9和S10分别到比较器53和54上。比较器53和54分别将幅度平方分量S9和S10与预定电平相比以消除噪声，并产生经过噪声消除的信号S11和S12。
比较器53和54的输出信号S11和S12分别加到保持电路55和56上。保持电路55和56保持信号S11和S12一个符号的长度，即一个扩展码的长度。保持的信号输出为信号S13和S14。
保持电路55和56的输出信号S13和S14被加到加法器电路57，其将信号S13和S14反向相加，即从信号S13中减去信号S14，并输出结果作为相关输出误差信号S15。相关输出误差信号S15的幅度响应扩展频谱信号S2I和S2Q的信段时钟频率与信频时钟信号CK1间的频率误差表现出如图3的(C)所示的S曲线特性。
相关输出误差信号S15被输入到相关输出误差/频率漂移转换器58，其包括存储如图3的(C)所示的特性曲线的存储电路。该存储电路在其地址输入端接收相关输出误差信号S15，并从其数据输出端输出频率漂移。具体来说，其响应具有中间角频率(wcΔ+Δω)t无线信号产生COS(ωc+Δωc)和Sin(ωc+Δωc)t作为信号S16I和S16Q，其中Δωc代表基站和移动站间的频率漂移分量。
存储电路通过计算相关输出(其是相关输出误差信号S15关于每个扩展码在一个扩展码长内发送端和接收端的频率差的积分)和写入计算所得数据而被准备好。这样，频率漂移信号S16I和S16Q便从相关输出误差信号S15的幅度中得到。
频率漂移信号S16I和S16Q由平均电路59平均以除去噪声，再加到频率漂移校正部分25作为频率校正信号S4I和S4Q。频率漂移校正部分25进行扩展信号S3I和S3Q与频率漂移校正信号S4I和S4Q的复数相乘。于是频率校正信号的频率被从去扩展信号的频率中减去，频率校正便完成了。
本发明已根据实施例进行了详细描述，对本领域的那些技术人员来说从前面所述可清楚地知道知可以在没有离开本发明的更广泛的方面进行变化和修改。因而本发明在所附权利要求中覆盖所有这些落入本发明真正精神内的变化和修改。

Claims (7)

1．一种接收扩展频谱信号的扩展频谱接收机的频率误差校正装置，所述频率误差校正装置包括：
第一相关检测器，其将扩展频谱信号去扩展；
第一时钟信号发生部分，其产生驱动所述第一相关检测器的第一时钟信号；
频率误差检测电路，用于检测所述扩展频谱信号的信段频率和所述第一时钟信号频率间的频率误差，从而产生频率误差信号；和
一个频率飘移转换器，用于将频率误差信号转换成频率飘移信号，作为飘移校正信号；
频率漂移校正部分，其根据所述频率误差检测电路输出的所述频率校正信号进行所述第一相关检测器的输出信号的频率校正。
2．如权利要求1所述的频率误差校正装置，其中所述频率误差检测电路包括：
第二时钟信号发生部分，其产生频率高于所述第一时钟信号频率一预定值的第二时钟信号；
第三时钟信号发生部分，其产生频率低于所述第一时钟信号预定值的第三时钟信号；
第二相关检测器，其用所述第二时钟信号将所述扩展频谱信号去扩展；和
第三相关检测器，其用所述第三时钟信号将所述扩展频谱信号去扩展，
其中所述频率误差根据所述第二相关检测器的相关输出和所述第三相关检测器的相关输出被检测。
3．如权利要求2所述的频率误差检测装置，其中所述频率误差检测电路还包括：
加法器，其从所述第二相关检测器的相关输出中减去所述第三相关检测器的相关输出，从而产生相关输出误差；和
相关输出误差/频率漂移转换器，其产生频率漂移信号，该信号在所述相关输出误差为0时变为0，并随所述相关输出误差绝对值的增加而按S曲线特性变化。
4．如权利要求3所述的频率误差校正装置，其中所述相关输出误差/频率漂移转换器包括存储电路，其存储所述S曲线特性，接收所述相关输出误差作为地址输入，并产生所述频率漂移信号作为数据输出。
5．如权利要求3所述的频率误差校正装置，其中所述频率误差检测电路还包括：
第一幅度平方分量发生部分，其产生所述第二相关检测器的相关输出幅度的平方分量；
第二幅度平方分量发生部分，其产生所述第三相关检测器的相关输出幅度的平方分量；
第一比较器，其将所述第一幅度平方分量发生部分的输出信号和预定的基准电平相比，并产生超过基准电平的分量；和
第二比较器，其将所述第二幅度平方分量发生部分的输出信号与预定基准电平相比，并产生超出基准电平的分量，
其中所述加法器从所述第一比较器的输出中减去所述第二比较器的输出，并输出所述相关输出误差。
6．如权利要求5所述的频率误差校正装置，其中所述频率误差检测电路还包括：
第一保持电路，其连接在所述第一比较电路和所述加法器之间，保持所述第一比较电路的输出；和
第二保持电路，其连接在所述第二比较电路和所述加法器之间，保持所述第二比较电路的输出，
其中所述加法器从所述第一保持电路的输出中减去所述第二保持电路的输出，并输出所述相关输出误差。
7．如权利要求6所述的频率误差校正装置，其中所述频率误差检测电路还包括平均电路，其平均所述存储电路的数据输出以产生所述频率校正信号。
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