CN1134931C - 测量频差的方法和接收机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量频差的方法和一种按该方法工作的接收机。在本方法中，确定接收机的本机振荡器的调谐频率与接收信号载波之间的频差(220)。频差(220)的确定基于发送信号和接收机所用扩展码的相偏的测量。通过对不同时刻的估算脉冲响应(200)进行相互比较来测量该相偏，这最好在装置(160)中通过得出脉冲响应(200)之间的相关来实现。在另一实施方式中，直接根据不少于两个不同时刻的信号来测量该相偏。如果相偏随时刻的不同而变化，则调整调谐频率。

Description

测量频差的方法和接收机

技术领域

本发明涉及无线接收机中的一种测量频差的方法，该无线接收机为了同步，要产生一个尽可能精确地与传输频率相符的调谐频率，并且在该无线接收机中，产生接收信号所使用信道的估算脉冲响应。

本发明还涉及无线接收机中的一种测量频差的方法，该无线接收机为了同步，要产生一个尽可能精确地与传输频率相符的调谐频率，并且在该无线接收机中，测量所接收信号相对于调谐频率的强度和相位。

本发明还涉及一种接收机，该接收机为了同步，用来产生一个尽可能精确地与传输频率相符的调谐频率，并产生接收信号所使用信道的估算脉冲响应。

本发明还涉及一种接收机，该接收机为了同步，用来产生一个尽可能精确地与传输频率相符的调谐频率，并测量信号强度和信号相位。

背景技术

无线系统运行时的一个基本要求是，使发射机和接收机之间的连接同步。在常规的无线技术中，为了实现和保持同步，采用了PLL(锁相环)接收机。然而，在CDMA(码分多址)系统中，这种方法不太有用。

在CDMA方法中，通过一种具有比窄带用户数据信号的频率高得多的频率的扩展码，将该窄带用户数据信号扩展到相对宽带。目标是要选择一些基本上相互正交即具有很小的互相关的扩展码。传输时，通过一种具有比扩展码的频率高得多的频率的连续载波，对宽带信号进行扩展即调制。由于扩展码正交，可以在同一载波上发送多个用户的信号。

在常规的CDMA接收机中，通过将该信号乘以接收机的本机振荡器的调谐频率，对信号载波进行解调。要使得该调谐频率具有与传输中所用载波频率相同的频率。在接收机中，再通过将该数据信号乘以与传输阶段相同的扩展码，使该数据信号又回到了原来的频带。

然而，在本机振荡器的调谐频率与传输中所用载波之间通常存在频差。这可以看成是接收机与传输中所用扩展码之间的相移。如果没有校正测量，那么，发射机与接收机之间的连接持续时间越长，该相移增加越多。在衰落多径环境下，在码相位中，传输载波与接收机调谐频率之间的差所引起的变化称为群移(group shift)。在无线系统的一般多径环境下，用现有技术的测量方法，无法可靠地检测这种增加的群移。

发明内容

本发明的目的是，提供一种在多径环境下用于可靠地检测群移的方法。

这可用序言中所描述的那种方法来实现，该方法其特征在于，产生至少两个时间上顺次的估算脉冲响应，对所述脉冲响应彼此之间的相互时移(temporal shift)进行比较，根据这一比较，产生估算脉冲响应之间的相移，并根据该相移，得到传输频率与调谐频率之间的频差。

本发明的方法，其特征还在于，对接收信号的相位进行时间上顺次的至少两次测量，对所测量相位进行相互比较，根据这一比较，产生信号相移，并根据该相移，得到传输频率与调谐频率之间的频差。

本发明的接收机，包括接收信号的天线，处理接收信号的预处理装置，混合预处理信号的混频器和本机振荡器，以及后处理信号的后处理装置，其特征在于，该接收机包括，用于产生至少两个时间上顺次的估算脉冲响应的装置，用于对所述脉冲响应彼此之间的时移进行比较并根据这一比较产生相移的装置，和根据该相移用于得到传输频率与调谐频率之间的频差的装置。

本发明的接收机，包括接收信号的天线，处理接收信号的预处理装置，混合预处理信号的混频器和本机振荡器，以及后处理信号的后处理装置，其特征还在于，该接收机包括，用于对接收信号的相位进行时间上顺次的至少两次测量的装置，用于对接收信号的相位进行相互比较并根据这一比较产生相移的装置，和根据该相移用于得到传输频率与调谐频率之间的频差的装置。

利用本发明的这种方法可得到很多优点。接收机的调谐频率与传输中所用载波频率之间的频率误差可精确而又容易地被确定，并且该误差可被校正。这使得连接比以前更为可靠。

附图说明

下面，参照根据附图的例子来详述本发明，其中：

图1是本发明的方法的流程图，

图2是本发明的方法的流程图，

图3示出了根据本发明的接收机，和

图4示出了根据本发明的接收机。

具体实施方式

本发明的解决方案适用于无线接收机。本发明的解决方案尤其适用于CDMA无线系统，不过，并不局限于此。

下面，我们来详细考查本发明的方法。本发明的思想是：当两个不同的频率源具有相同的频率时，它们的相位相对于时间保持不变。换言之，如果两个频率源的频率不同，那么它们的定相随时间变化。相位变化的速度与频差成正比。在本发明的方法中，通过对不同时刻的估算脉冲响应进行相互比较来测量相位的变化。众所周知，这些估算脉冲响应基于所检波的信号。这最好通过得出估算脉冲响应之间的相关来实现。在另一实施方式中，通过在不少于两个不同时刻直接检查相对于调谐频率的信号相位来测量群移。如果相位随时刻的不同而变化，则必须调整调谐频率。

现在，参照图1和2来详细考查本发明的方法。处理过程从块10开始。首先，在块11产生第一估算脉冲响应。然后，在块12中经过一个预定或随机的测量间隔T，并在块13为来自同一信道或相同一些信道的同一信号产生第二估算脉冲响应。在块14，通过检查所产生的脉冲响应的相似性，对它们进行相互比较。该比较最好通过计算互相关或诸如此类来实现。在块15，根据这一比较，产生脉冲响应之间的一个时移或相移或群移和在校正本机振荡器的调谐频率时所要用的一个频差。如果有频差存在，则目标是要消除它。处理过程至块16结束。

对熟练技术人员而言，显然根据现有技术的一种方法可产生这种估算脉冲响应。通过至少在不同时刻起动测量，可产生至少两个估算脉冲响应。必须要足够频繁地进行测量，以免产生传输频率与调谐频率之间过大的相偏。

图2示出了根据本发明的另一种方法。处理过程从块20开始。首先，在块21测量所接收信号相对于调谐频率的相位。然后，在块22经过一个预定或随机的测量间隔，并在块23再测量所接收信号的相位。这种处理按这一方式继续进行，直到在块24进行了最后一个必要的测量即第N个相位的测量。N可以是≥2的任意整数。在块25对这些信号相位进行相互比较，并在块26产生信号相偏或群移并且根据该相偏得出频差。如果有频差存在，则目标是要消除它。处理过程至块27结束。

在本发明的一种实施方式中，最好由在块25所测量到的相位构成总共C个组，以便能对信号的相位进行比较，在每一组中，这些相位按时间顺序进行分组。因此，每一组包括M个测量相位。C最好用公式 $C_N^{N-M}=\frac{N!}{M!(N-M)!}$ 来确定，其中，M＜N，N！＝1*2*，...，*N，而C，M∈{1，2，3，...}。然后，成对地将顺次的相位彼此相减以产生相偏，并且根据时间差使这些相偏成比例。测量最好以规则的间隔进行，需要时，根据要比较的测量时刻，通过将相偏除以整数2，3，...，来实现这一比例。这些相偏用来寻找至少一个组，其中所有相对的相偏实际上是相同的，并根据所寻找到的组的相偏得出传输频率与调谐频率之间的频差。假定这样一种情况作为本方法的一个例子：当N＝4时，有4个测量相偏X₁、X₂、X₃和X₄。在这种情况下，按以下方式形成4个组即C₄ ^4-3＝4：X₁、X₂和X₃；X₁、X₂和X₄；X₁、X₃和X₄；以及X₂、X₃和X₄。然后，得到这些组根据测量时刻而成比例的相偏：X₂-X₁和X₃-X₂；X₂-X₁和(X₄-X₂)/₂；(X₃-X₁)/2和X₄-X₃；以及X₃-X₂和X₄-X₃。所产生的相偏再用来寻找至少一个组，其中成比例的相偏实际上相同，(例如，X₂-X₁＝X₃-X₂)，并根据所寻找到的组的相偏，得出传输频率与调谐频率之间的频差。因此，在比较中未必包含相位所构成的所有的组，而最好是根据满足这些条件的第一组就足以确定相偏。必须使例如第四测量时刻的相位X₄减去第二测量时刻的相位X₂成比例，因为，两个顺次的测量时刻之间的相位滑动(例如X₂-X₁)小于某些情况下(例如X₄-X₂，或一般情况下X_P-X_Q，其中，P-Q＞2)的至少一半。在一般情况下，通过将(X_i-X_i)除以数值(i-j)来实现这一比例，其中i和j是相位指数。

最好在与接收机的调谐频率相应的信号的最强时刻，来测量信号相位。这有好处，因为在信号的最强时刻，噪声对测量的影响最小。最好通过计算信号扩展码与接收机扩展码之间的互相关来测量该相位。

现在，来详细考查本发明的解决方案的数学基础。作为互相关或诸如此类，脉冲响应的比较和信号相位的构成根据接收信号来实现。根据变量x和y，用如下常规公式来计算互相关C： $C\left(\mathrm{\τ}\right)={\∫}_a^{b}x\left(\mathrm{\τ}\right)\·y(\mathrm{\τ}-t)\mathrm{dt},---\left(1\right)$

其中，a和b表示相关计算的间隔。互相关C与协方差V之间有下列相互关系： $V_{\mathrm{xy}}(t,\mathrm{\τ})=C_{\mathrm{xy}}(t,\mathrm{\τ})-{\mathrm{\μ}}_x\left(t\right){\mathrm{\μ}}_y^T\left(\mathrm{\τ}\right),---\left(2\right)$

其中，黑体符号代表矩阵或矢量，μ_x是变量x的平均值，μ_y ^T是变量y的平均值。这表明在本发明的解决方案中，协方差是一种实际上与互相关很相似的运算。根据数字抽样可计算出相关C，例如根据矢变量X和Y按下列公式来计算： $C\left(n\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}x\left(i\right)\·y(n-i),---\left(3\right)$

其中，C(n)＝C是实际值，C∈[-1，...，1]。也可以不计算相关C，而可以用协方差V_xy或别的测量相似性或不同性的类似运算。通常根据两个包含抽样的矢变量X和Y按下式来计算协方差V_xy： $V_{\mathrm{xy}}=\frac{1}{N-1}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(x\left(j\right)-\hat{x})(y\left(j\right)-\hat{y})---\left(4\right)$

其中，是变量X的抽样的平均值，

是变量Y的抽样的平均值，N是抽样总数。当例如采用瑞克接收机时，可采用多变量互相关计算。脉冲响应X的多变量相关C一般例如可用以下公式来表示： $C(x\left(1\right),...,x\left(k\right))=\underset{\mathrm{il}}{\mathrm{\Σ}}\·\·\·\underset{\mathrm{ik}}{\mathrm{\Σ}}x\left(1\right)\·x\left(2\right)\·\·\·x\left(k\right),---\left(5\right)$

其中，需在多个不同的时刻进行这些估算脉冲响应x(i)的测量。

在采用载波的无线系统中，调谐频率通常最好是接收机的本机振荡器频率，而传输频率是传输中所用的载波频率。计算中所需的抽样最好代表扩展码的码片，而从一个码片可得到一个或多个抽样。

为了得出两个脉冲响应的相互群移，计算出脉冲响应的互相关，并寻找表示群移和码的相偏的最大相关值。在寻找该最大值时，这些值最好用一个预定阈值来限定，最大值必须超过该阈值。这样，可以避免噪声所引起的干扰。于是，该相关的最大值处在抽样n。

在本发明的另一优选实施方式中，其中，作为相关，信号载波频率与调谐频率之间的相偏直接在信号扩展码与接收机扩展码之间进行测量，在这种方式中，可以检测相偏，作为抽样n的相关峰值的相移。如果该相关的峰值或相移的直接测量结果处于点n＝0，则表示接收机的调谐频率与传输载波频率相等。另外，如果相关的最大值处在n＝m，则频差Δf可按下式计算： $\mathrm{\Δf}=\frac{m}{T}\·\frac{f_{\mathrm{rc}}}{f_s},---\left(6\right)$

其中f_rc是接收机载波的频率即调谐频率，f_s是抽样频率，而T是测量之间的间隔。用模拟方法假定，接近载波频率的调谐频率比如为f_rc＝1.8GHz，f_s＝25MHz，而T＝500ms。这样，与一个码片(m＝1)相应的时移代表接收机调谐频率与传输载波之间的144-Hz的一个频差。因此，该频差与测量间隔T成反比。在稳定的实施方式中，可通过增大测量间隔T来改善调谐频率的同步。另外，如果环境特性急剧变化，则必须使间隔T足够短，以得到可靠的结果。原则上，相关函数C是周期性的，正如扩展码那样。因此，当扩展码的周期长度为N时，可能看到的最大相位群移是m＝±N/2。不过，这一限定可以回避，而这一移位可扩展到下面一些扩展码周期。另一方面，在一般情况下，扩展码比相位群移长得多，因此m＜±N/2。

图3示出了根据本发明的方法进行工作的本发明的接收机的框图。该接收机包括一个天线100，预处理装置110，一个混频器120，一个本机振荡器130，后处理装置140，用于产生脉冲响应的装置150，用于对这些脉冲响应的相互移位进行比较和用于产生相移的装置160，以及用于得到用来控制本机振荡器130的频差的装置170。首先，天线100接收的信号传送到包含例如滤波器的预处理装置110。然后，信号传送到混频器120，在此与本机振荡器130的频率相乘。在后处理装置140中，信号被滤波，并且例如在CDMA系统中，该信号通过A/D转换器转换为数字形式。该信号从后处理装置140传送到其他无线系统处理中。另外，最好被转换为数字形式的信号传送到装置150，并在两个不同的时刻产生信号的估算脉冲响应。在最好是相关器的装置160中，对这些脉冲响应200进行相互比较。根据这一比较，装置160产生这些脉冲响应的相偏210，而装置170得到本机振荡器的调谐频率与所发送的相偏210的信号的载波之间的一个频差220。

图4示出了根据本发明的方法进行工作的本发明的接收机的框图。该接收机包括一个天线100，预处理装置110，一个混频器120，一个本机振荡器130，后处理装置140，用于测量信号相位的装置180，用于对这些相位进行比较和用于产生相移的装置190，以及用于得到用来控制本机振荡器130的频差的装置170。首先，天线100接收的信号传送到包含例如滤波器的预处理装置110。然后，信号传送到混频器120，在此与本机振荡器130的频率相乘。在后处理装置140中，信号被滤波，并且例如在CDMA系统中，该信号通过A/D转换器转换为数字形式。该信号从后处理装置140传送到其他无线系统处理中。最好被转换为数字形式的信号从后处理装置140传送到装置180，在此，在不少于两个不同的时刻确定信号相位。相位数据230传送到对这些相位进行比较和产生相移210的装置190。装置170利用这一相移，产生用来控制本机振荡器130的频率的一个频差220。

本发明的解决方案尤其适用于无线系统中的用户终端，因为终端必须与基站所给定的频率同步。尤其就数字信号处理而言，本发明的解决方案可以用例如ASIC或VLSI电路(专用集成电路，超大规模集成)来实现。所要执行的功能最好用基于微处理器技术的软件来实现。

尽管以上参照根据附图的例子描述了本发明，显然本发明并不局限于此，而可在附属权利要求书中所阐述的本发明思想的范围内以多种方式进行修改。

Claims (18)

1.一种无线接收机中的测量频差的方法，该无线接收机为了同步，要产生一个尽可能精确地与传输频率相符的调谐频率，并且在该无线接收机中，产生接收信号所使用信道的估算脉冲响应(200)，这种方法其特征在于

产生至少两个时间上顺次的估算脉冲响应(11、13)，

对所述脉冲响应彼此之间的相互时移进行比较(14)，

根据这一比较，产生估算脉冲响应之间的相移，并根据该相移，得到传输频率与调谐频率之间的频差(15)。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过计算脉冲响应之间的相关，来实现估算脉冲响应的相互时移的比较(14)。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，当以给定间隔(12)顺次产生估算脉冲响应和当以给定抽样频率对信号进行抽样时

根据最大相关值来产生相移，而传输频率与调谐频率之间的频差根据相移和调谐频率的乘积与测量间隔和抽样频率的乘积(15)的比值来求得。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，当测量多个信号的频差时，产生所有这些信号之间的一个多变量相关(14)，这些信号相对于调谐频率的频差同时被测量。

5.一种无线接收机中的测量频差的方法，该无线接收机为了同步，要产生一个尽可能精确地与传输频率相符的调谐频率，并且在该无线接收机中，测量所接收信号相对于调谐频率的强度和相位，这种方法其特征在于

对接收信号的相位进行时间上顺次的至少两次测量(21、23)，

对所测量相位进行相互比较(25)，

根据这一比较，产生信号相移，并根据该相移，得到传输频率与调谐频率之间的频差(26)。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，在最强信号强度处对接收信号的相位(210)进行测量(21、23)。

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，当以给定抽样频率对信号进行抽样时，传输频率与调谐频率之间的频差(220)根据相移(210)和调谐频率的乘积与测量间隔和抽样频率的乘积(25)的比值来求得。

8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，对接收信号的相位进行时间上顺次的N，N≥2次测量，并且由所测量到的相位构成C个组，每一组包括M个测量相位，其中C用公式 $C_N^{N-M}=\frac{N!}{M!(N-M)!}$ 来确定，M＜N，而C，M和N∈{1，2，3，...}，

这些相位按时间顺序进行分组，

将顺次的相位彼此相减以得到相偏，并根据时间差使这些相偏成比例，

寻找至少一个组，其中所有成比例的相偏实际上相同，和

根据所寻找到的组的相偏得出传输频率与调谐频率之间的频差。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，当N＝4时，测量到4个相偏X₁、X₂、X₃和X₄，按以下方式形成4个组即C₄ ^4-3＝4：

X₁、X₂和X₃，

X₁、X₂和X₄，

X₁、X₃和X₄，以及

X₂、X₃和X₄，

产生按时间成比例的相偏：

相差X₂-X₁和X₃-X₂，

相差X₂-X₁和(X₄-X₂)/2，

相差(X₃-X₁)/2和X₄-X₃，以及

相差X₃-X₂和X₄-X₃，

寻找至少一个组，其中成比例的相偏实际上相同，并根据所寻找到的组的相偏，得出传输频率与调谐频率之间的频差。

10.一种接收机，包括接收信号的天线(100)，处理接收信号的预处理装置，混合预处理信号的混频器(120)和本机振荡器(130)，以及后处理信号的后处理装置(140)，该接收机为了同步，用来在本机振荡器(130)中产生一个尽可能精确地与传输频率相符的调谐频率，并产生接收信号所使用信道的估算脉冲响应(200)，其特征在于，该接收机包括：

用于产生至少两个时间上顺次的估算脉冲响应(200)的脉冲响应装置，

用于对所述脉冲响应(200)彼此之间的时移进行比较并根据这一比较产生相移(210)的比较装置，和

根据该相移(210)用于得到传输频率与调谐频率之间的频差(220)的频差装置。

11.如权利要求10所述的接收机，其特征在于，比较装置用来得到估算脉冲响应(200)之间的相关。

12.如权利要求11所述的接收机，其特征在于，当脉冲响应装置用来以给定测量间隔顺次产生估算脉冲响应(200)和以给定抽样频率对信号进行抽样时

比较装置根据最大相关值用来产生相移(210)，而

频差装置根据相移和调谐频率的乘积与测量间隔和抽样频率的乘积的比值来求得频差。

13.如权利要求11所述的接收机，其特征在于，当涉及一个以上信号时，比较装置用来产生所有这些信号之间的一个多变量相关，这些信号相对于调谐频率的频差同时被测量。

14.一种接收机，包括接收信号的天线(100)，处理接收信号的预处理装置，混合预处理信号的混频器(120)和本机振荡器(130)，以及后处理信号的后处理装置(140)，该接收机为了同步，用来在本机振荡器(130)中产生一个尽可能精确地与传输频率相符的调谐频率，并测量信号强度和信号相位(230)，其特征在于，该接收机包括：

用于对接收信号的相位(230)进行时间上顺次的至少两次测量的相位测量装置，

用于对接收信号的相位(230)进行相互比较并根据这一比较产生相移(210)的相位比较装置，和

根据该相移(210)用于得到传输频率与调谐频率之间的频差(220)的频差装置。

15.如权利要求14所述的接收机，其特征在于，相位测量装置用来在最强信号强度处对信号相位进行测量。

16.如权利要求14所述的接收机，其特征在于，当接收机用来以给定抽样频率对信号进行抽样时，频差装置根据相移(210)和调谐频率的乘积与测量间隔和抽样频率的乘积的比值来求得传输频率与调谐频率之间的频差(220)。

17.如权利要求14所述的接收机，其特征在于，相位测量装置用来对接收信号的相位进行顺次的N，N≥2次测量，和

相位比较装置用来将所测量到的相位构成C个组，每一组包括M个相位，其中C用公式 $C_N^{N-M}=\frac{N!}{M!(N-M)!}$ 来确定，M＜N，而C，M和N∈{1，2，3，...}，按时间顺序将这些相位进行分组，将顺次的相位彼此相减以得到相偏，并根据时间差使这些相偏成比例，并且寻找至少一个组，其中所有成比例的相偏实际上相同，和

频差装置根据所寻找到的组的相偏得出传输频率与调谐频率之间的频差。

18.如权利要求17所述的接收机，其特征在于，当N＝4时，相位测量装置用来测量4个相偏X₁、X₂、X₃和X₄，并按以下方式形成4个组即C₄ ^4-3＝4：

X₁、X₂和X₃，

X₁、X₂和X₄，

X₁、X₃和X₄，以及

X₂、X₃和X₄，

相位比较装置用来产生相偏：

相差X₂-X₁和X₃-X₂，

相差X₂-X₁和(X₄-X₂)/2，

相差(X₃-X₁)/2和X₄-X₃，以及

相差X₃-X₂和X₄-X₃，

相位比较装置寻找至少一个组，其中成比例的相偏实际上相同，而频差装置用来根据所寻找到的组的相偏，得出传输频率与调谐频率之间的频差。

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