CN1300947C - 移动通信系统中补偿频率偏移的装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种在移动通信系统的接收装置中用于补偿接收信号的频率偏移的装置和方法。本发明中，通过将从下变频在数据码元之间插入的训练序列所产生的I和Q信道信号相加来计算正弦分量，通过从I信道信号中减去Q信道信号来计算余弦分量。使用在两个时间点处的余弦分量和正弦分量来计算对于这两个时间点的正切分量，这样就获得第一和第二相位值。通过确定从第一和第二相位值中求得的二阶线(second-order line)斜率来估计频率偏移。根据估计的频率偏移来补偿所接收信号的频率偏移。

Description

移动通信系统中补偿频率偏移的装置和方法

技术领域

本发明一般地涉及一种移动通信系统，尤其涉及一种执行精确的频率偏移补偿来实现频率同步的装置和方法。

背景技术

一般来说，相位抖动和多普勒效应是在无线电信道上固有产生的偏移。并且，移动通信系统中接收机调谐器的不稳定会引起发送频率与接收频率之间的非同步。这些的每一种都会引起频率偏移。发送频率是发射机中传递信号的载波频率，而接收频率是接收机接收信号的载波频率。调谐器不稳定性与调谐没有在发射机本地振荡器与接收机本地振荡器之间，即，在载波之间实现的现象有关。

图1从概念上说明了在典型QPSK(正交相移键控)移动通信系统中的发送和接收装置。如图1所示，发送装置发送具有90度相差的同相(I信道)信号与正交相位(Q信道)信号中的信息。接收装置接收I和Q信道的信号，并从接收的信号中解调出期望的信息。

参照图1，发射机110将输入基带I和Q信道的信号上变频为在预定载波频率上的RF(射频)信号。功率放大器(PA)120将RF信号放大到预定发送功率电平，并将它们通过天线进行发送。RF信号在接收装置处通过天线被接收。低噪声放大器(LNA)130放大接收到的RF信号，以便减少噪声和放大原始信号的强度。接收机140将从LNA130中接收的RF信号下变频为基带信号。对于下变频来说，接收机140必须使用与在发射机110中所使用的相同的载波频率。然而，由于存在前面提到的频率偏移就不可能使用在发射机110和接收机140中相同的载波频率来对信号进行上变频或下变频。因此，进行频率偏移的补偿对于增加接收机140中下变频的可靠性来说是非常重要的。

图2、3和4说明了实现图1中所示接收机的实例。

图2说明了其中通过单个混频器来下变频I和Q信道信号的接收机。在图2中，输入信号(即“RF”)“Acosω_RFt+Bsinω_RFt”是分别通过“cos(ω_L0-Δω)t”和“sin(ω_L0-Δω)t”进行下变频，从而产生了I和Q信道信号。

图3说明了其中通过两个混频器来两次下变频I和Q信道信号的接收机。

参照图3，输入信号(即“RF”)“Acosω_RFt+Bsinω_RFt”通过首先乘以第一载波“cos(ω_L01-Δω₁)t”进行最初的下变频。初始下变频信号(即“IF”)再通过第二载波“cos(ω_L02-Δω₂)t”和“sin(ω_L02-Δω₂)t”进行下变频。发射机中使用的载波ω_RFt被定义为“ω_L01+ω_L02”，频率偏移Δω被定义为“Δω₁+Δω₂”。由第二载波cos(ω_L02-Δω₂)t下变频的信号作为I信道信号被输出，而由第二载波sin(ω_L02-Δω₂)t下变频的信号作为Q信道信号被输出。

图4说明了其中通过两个混频器两次下变频I和Q信道信号的另一个接收机。

参照图4，输入信号(即“RF”)“Acosω_RFt+Bsinω_RFt”通过乘以第一载波“cos(ω_L01-Δω₁)t”和“sin(ω_L01-Δω₁)t”进行初始的下变频。每个初始下变频信号再通过第二载波“cos(ω_L02-Δω₂)t”和“sin(ω_L02-Δω₂)t”进行下变频。由第一载波“sin(ω_L01-Δω₁)t”下变频的信号通过第二载波“cos(ω_L02-Δω₂)t”和“sin(ω_L02-Δω₂)t”进行下变频。发射机中使用的载波ω_RFt被定义为“ω_L01+ω_L02”，频率偏移Δω被定义为“Δω₁+Δω₂”。该信号通过第一载波“sin(ω_L01-Δω₁)t”进行下变频，然后再通过第二载波“sin(ω_L02-Δω₂)t”进行下变频。该信号从经过第一载波“cos(ω_L01-Δω₁)t”的下变频接着再经过第二载波“cos(ω_L02Δω₂)t”下变频的信号中减去。差值信号被转换为数字信号并作为I信道信号被输出。同时，经过第一载波“cos(ω_L01-Δω₁)t”下变频接着再经过第二载波“sin(ω_L02-Δω₂)t”下变频的信号与通过第一载波“sin(ω_L01-Δω₁)t”下变频接着再通过第二载波“cos(ω_L02-Δω₂)t”进行下变频的信号相加。求和信号被转换为数字信号，并作为Q信道信号被输出。

从图2、3、和4中所述接收机中输出的I和Q信道信号并不是仅包含幅度分量A或B的理想信号。它们也包含由于频率偏移Δω而产生的频率分量。也就是说，由于存在频率偏移Δω，所有的载波频率分量不能在第一和第二次下变频的过程中被消除。

这种频率偏移改变了输入信号的相位。所引起的在载波频率间的正交损耗降低了系统中的解码性能。然而，微小的频率偏移是降低接收机系统性能的关键因素。图5说明了在可变频率偏移的情况下模拟接收码元的分布情况。所述的频率偏移是0.2，1和10ppm(脉冲位置调制)。从图5中可以看出，接收码元的误差率是随着频率偏移而增大。因此频率同步技术对于防止由频率偏移所引起的载波间正交损耗是非常重要的。

一种校正频率偏移的方法是以接收机中载波频率之间的间隔为基础。通过由载波频率间隔来划分，频率偏移可以表示为整数部分和分数部分。消除相应于整数部分初始频率偏移的过程被称为粗频率同步，消除相应于分数部分频率偏移，也就是在粗频率同步之后的剩余频率偏移的过程被称为细频率同步。在OFDM(正交频分复用)移动通信系统中的频率同步技术被分类成使用在FFT(快速傅里叶变换)之前的时域信号的算法，和使用在FFT之后的频域信号的算法。在以前的算法中，使用与数据一起附加传送的长报头来补偿频率偏移，如在IEEE 802.11a WLAN(Local Area Network，局域网)的标准中所提出的内容。

如上所述，传统的移动通信系统通过发送长报头来估计和补偿频率偏移。换句话说，发送帧中包括长报头，并使用复杂的算法通过在传统频率偏移补偿中的长报头来补偿频率偏移。

发明内容

本发明的一个目的是基本上解决至少上述提到的各种问题和/或缺点并且提供至少下面详述的优点。因此，本发明的一个目的是提供一种估计接收信号中的频率偏移并且补偿所接收信号的频率偏移的装置和方法。

本发明的另一个目的是提供一种通过使用具有预定相位差的两个信道信号来估计频率偏移从而补偿接收信号的频率偏移的装置和方法。

本发明再一个目的是提供一种通过对存储在存储器中的估计的频率偏移和接收信号执行简单计算来补偿接收信号的频率偏移的装置和方法。

本发明的另一个目的是提供一种利用具有已知幅度的训练序列(training sequence)来估计频率偏移，并根据估计的频率偏移来补偿接收信号的频率偏移的装置和方法。

上述目的是通过在移动通信系统接收装置中提供补偿接收信号的频率偏移的装置和方法来实现。

根据本发明的一个方面，提供一种用于估计频率偏移以补偿I和Q信道信号的频率偏移的装置，该装置应用于一个移动通信系统的接收装置中，所述接收装置用于接收包含插入在数据码元序列中的预定模式(pattern)的训练码元的信号，并通过预定的载波频率来下变频接收信号，并输出同相(I信道)和正交相位(Q信道)的信号，该装置包括：加法器、减法器和频率偏移估计器。该加法器将I和Q信道训练信号相加，并输出含有一个余弦分量或正弦分量的和信道信号。该I和Q信道训练信号是通过下变频训练码元所获得。该减法器从I信道训练信号中减去Q信道训练信号，并输出含有与和信道信号相对应的一个正弦分量或余弦分量的差信道信号。频率偏移估计器在第一时刻点接收第一和信道信号和第一差信道信号，在第二时刻点接收第二和信道信号和第二差信道信号，使用该第一和信道信号和第一差信道信号来计算第一相位值，使用该第二和信道信号和第二差信道信号来计算第二相位值，并通过确定从第一和第二相位值中获得的二阶线(second-order line)斜率来估计频率偏移。

根据本发明的另一个方面，提供一种用于估计频率偏移以补偿I和Q信道信号的频率偏移的方法，该方法应用在一个移动通信系统的接收装置中，所述接收装置用于接收包含插入在数据码元序列中的预定模式的训练码元的信号，并通过预定的载波频率来下变频接收信号，并输出同相(I信道)和正交相位(Q信道)的信号，该方法包括：将I和Q信道训练信号相加以得到含有一个余弦分量或正弦分量的和信道信号，该I和Q信道训练信号是通过下变频训练码元所获得；从I信道训练信号中减去Q信道训练信号，从而产生含有与和信道信号相对应的一个正弦分量或余弦分量的差信道信号。在第一时刻点接收第一和信道信号和第一差信道信号，在第二时刻点接收第二和信道信号和第二差信道信号，使用该第一和信道信号和第一差信道信号来计算第一相位值，使用该第二和信道信号和第二差信道信号来计算第二相位值，并通过确定从第一和第二相位值中获得的二阶线斜率来估计频率偏移。

根据本发明的再一个方面，提供一种用于估计频率偏移以补偿I和Q信道信号的频率偏移的装置，该装置应用于一个移动通信系统的接收装置中，所述接收装置用于接收包含插入在数据码元序列中的预定模式的训练码元的信号，并通过预定的载波频率来下变频接收信号，并输出同相(I信道)和正交相位(Q信道)的信号，该装置包括：码元检测器、加法器、减法器和频率偏移估计器。码元检测器用于在检测到I和Q信道信号的解调码元中具有预定模式的解调码元时，输出一个更新请求命令。加法器用于将I和Q信道训练信号相加，并输出含有一个余弦分量或正弦分量的和信道信号。减法器从I信道训练信号中减去Q信道训练信号，并输出含有与和信道信号相对应的一个正弦分量或余弦分量的差信道信号。频率偏移估计器用于在第一时刻点接收第一和信道信号和第一差信道信号，在第二时刻点接收第二和信道信号和第二差信道信号，使用该第一和信道信号和第一差信道信号来计算第一相位值，使用该第二和信道信号和第二差信道信号来计算第二相位值，通过确定从第一和第二相位值中获得的二阶线斜率来估计频率偏移，并响应该更新请求命令来输出频率偏移。

根据本发明的再一个方面，提供一种用于估计频率偏移以补偿I和Q信道信号的频率偏移的方法，该方法应用于一个移动通信系统的接收装置中，所述接收装置用于接收包含插入在数据码元序列中的预定模式的训练码元的信号，并通过预定的载波频率来下变频接收信号，并输出同相(I信道)和正交相位(Q信道)的信号，该方法包括：当检测到在I和Q信道信号的解调码元中具有预定模式的解调码元时，输出一个更新请求命令。将I和Q信道训练信号相加以获得含有一个余弦分量或正弦分量的和信道信号。从I信道训练信号中减去Q信道训练信号，从而产生含有与和信道信号相对应的一个正弦分量或余弦分量的差信道信号。在第一时刻点接收第一和信道信号和第一差信道信号，在第二时刻点接收第二和信道信号和第二差信道信号，使用该第一和信道信号和第一差信道信号来计算第一相位值，使用该第二和信道信号和第二差信道信号来计算第二相位值，通过确定从第一和第二相位值中获得的二阶线斜率来估计频率偏移，并响应该更新请求命令来输出频率偏移。

附图说明

上述和其他的本发明的目的、特点和优点将在下面的结合附图的详细描述中变得更加清楚，其中：

图1是示出了典型移动通信系统的方框图；

图2、3和4示出了在典型移动通信系统中产生实际频率偏移的实现实例；

图5示出了根据变化的频率偏移的接收码元的模拟分布；

图6是根据本发明的一个实施例用于估计和补偿频率偏移的接收装置的方框图；

图7详细说明了在图6中所示的频率偏移估计单元和频率偏移补偿单元；

图8说明了相位随时间改变的例子；

图9是示出了根据本发明另一个实施例用于估计和补偿频率偏移的接收装置的方框图；

图10示出了在典型移动通信系统中训练信号的传输实例。

具体实施方式

本发明的优选的实施例将在下面参照相应的附图进行描述。在下文的描述中，众所周知的的功能或结构将不进行具体的描述，因为这些不必要的内容可能会使本发明的主题变得含糊。

优选的是移动通信系统中的接收装置处理接收的信号，以通过完全消除接收信号中的载波频率而只保留相应的幅度分量。为了取得这个结果，就需要能够完全消除载波频率分量的装置和方法。因此，本发明提出一种装置和方法，该装置和方法通过提供具有已知幅度的训练序列、或通过提供在预定码元模式中的数据码元来估计频率偏移，将估计的频率偏移存储在存储器中，以及通过执行估计的频率偏移和接收信号之间的操作来补偿接收信号的频率偏移。

本文中使用的术语“训练序列”所指的是插入到数据码元中预定位置处的预定格式序列，用于信道估计。图10说明了在数据流之前的训练序列(即“已知数据”)的传输实例。训练序列可以是相同两个码元的格式，或两个不同码元的格式。例如，码元可以是前者情况下的(1，1)或(-1，-1)，或是在后者情况下的(1，-1)或(-1，1)。除了在每种情况下应用不同的数学处理之外，不管训练序列的格式如何，本发明都可以实现并产生相同有益的效果，这将在下文中进行详细说明。本发明也提供一种使用与帧中的训练序列相同格式的数据码元来估计频率偏移的技术。下面的说明是在正交单个IF(中频)DCR(下变频接收机)的上下文中进行。

1.使用训练序列的实施例

现在将说明一种在移动通信系统的接收装置中使用被传送用于频率偏移估计和补偿的训练序列来估计频率偏移，并根据估计的频率偏移来补偿接收信号频率偏移的结构和操作。在下面的描述中，将基于训练序列的格式为相同或不同码元来区分该训练序列。

下面将参照图6说明在正交单个IF DCR中用于估计和补偿频率偏移的结构。

RF接收机610将通过天线接收的RF信号下变频为基带(BB)信号，并输出I和Q信道BB信号。RF接收机610能够配置为图2、3和4中所示的结构。I信道信号I_RX表示为 Q信道信号Q_RX表示为 由于下变频的信号包含从发送装置中发送的训练序列，该训练序列也根据上面说明的过程输出I和Q信道信号。在下文中，I和Q信道训练信号分别由I_tra和Q_tra来表示。

来自RF接收机610中的I和Q信道信号被传输给频率偏移估计单元612。当所有从RF接收机610中输出的I和Q信道都提供给频率偏移估计器620时，就考虑设立信号通道，以便只有I和Q信道训练信号I_tra和Q_tra被输入到频率偏移估计单元612，而剩余的I和Q信道信号被输入到频率偏移补偿单元614。频率偏移估计单元612使用I_tra和Q_tra来获得期望的频率偏移值。频率偏移估计单元612详细的结构和操作将参照图7在下面进行说明。频率偏移补偿单元614根据该频率偏移值来补偿从RF接收机610中输出的I和Q信道信号。调制解调器616解调它相应的频率补偿的I和Q信道信号。

图7将更加详细的说明参照本发明实施例的频率偏移估计单元612和频率偏移补偿单元614的结构。频率偏移补偿单元614配置为图4所示。参照图7，频率偏移估计单元612包括一个加法器712，一个减法器714，一个频率偏移估计器716和一个存储器718。频率偏移补偿单元614包括四个乘法器722，724，726和728，一个减法器730和一个加法器732。

参照图7，来自RF接收机610的I和Q信道信号不仅提供给频率偏移估计单元612而且提供给频率偏移补偿单元614。在频率偏移估计单元612中，加法器712相加I和Q信道的信号，并输出和信道信号。减法器从I信道信号中减去Q信道信号，并输出差信道信号。和信道信号和差信道信号具有一个正弦分量或余弦分量。例如，和信道信号只包含正弦分量，差信道信号只包含余弦分量。频率偏移估计器716通过以预定的方法计算和信道信号和差信道信号来计算频率偏移所产生的角速度变量Δω。计算是根据训练序列的模式而不同，也就是取决于训练序列是否具有相同的两个码元或是相异的两个码元。存储器718存储Δω并通过从发送装置中定期发送的训练序列更新它。由Δω确定的余弦和正弦值cosΔω和sinΔω都提供给频率偏移补偿单元614。

在频率偏移补偿单元614中，第一乘法器722将I信道信号与cosΔω相乘，并输出已经消除频率偏移余弦分量的I信道信号。第二乘法器724将I信道信号与sinΔω相乘，并输出已经消除频率偏移正弦分量的I信道信号。第三乘法器726将Q信道信号与cosΔω相乘，并输出已经消除频率偏移余弦分量的信号的Q信道信号。第四乘法器728将Q信道信号与sinΔω相乘，并输出已经消除频率偏移正弦分量的信号的Q信道信号。减法器730从第四乘法器728的输出中减去第一乘法器722的输出，并输出结果信号A。加法器732将第二和第三乘法器724和726的输出相加，并输出结果信号B。信号A被定义为“I·cosΔω-Q·sinΔω”，信号B被定义为“I·sinΔω+Q·cosΔω”。

1.1通过具有相同码元的训练序列进行的频率偏移估计

下面说明是在假定训练序列具有相同两个码元的情况下进行的。它们可以是(1，1)或(-1，-1)。

RF接收机610从训练序列中消除载波频率分量，并按照下面的等式输出作为I和Q信道信号I_RX和Q_RX的结果信号。

$I_{\mathrm{RX}}=A\left(t\right)\·\{\frac{I}{2}\cos \mathrm{\Φ}+\frac{Q}{2}\sin \mathrm{\Φ}\}$

$Q_{\mathrm{RX}}=A\left(t\right)\·\{\frac{-I}{2}\sin \mathrm{\Φ}+\frac{Q}{2}\cos \mathrm{\Φ}\}$

                                              …(1)

其中A(t)表示幅度，Φ是Δω+Φ₀，Δω是2πΔf。

但是I和Q信道信号含有来自频率偏移的频率分量(余弦和正弦分量)。通过相加I和Q信道信号就能获得纯余弦分量(cosΔω)。通过从I信道信号中减去Q信道信号就能获得纯正弦分量(sinΔω)。因此，加法器712将I和Q信道信号相加并输出cosΔω，减法器714从I信道信号中减去Q信道信号并输出sinΔω。

如图8所示，频率偏移估计器716需要在时轴上两点处的相位值用于估计频率偏移。图8说明了相位随时间变化的例子。参照图8，计算对于时刻t1和t2的相位值Φ₁和Φ₂，并绘制连接Φ₁和Φ₂的二阶线。在图8所示坐标系中的二阶线和y轴之间的交点就是由频率偏移产生的相位值Φ。

由于本发明的实施需要两个时间点的相位值，下面就将说明对时刻t1和t2处相位值的计算过程。

假定发送训练序列的时刻t为t1。那么，从加法器712输出的和信道信号(I₁+Q₁)，以及从减法器714中输出的差信道信号(I₁-Q₁)就被表示为：

$I_1+Q_1=A\left(t\right)\·\{\frac{I}{2}\cos {\mathrm{\Φ}}_1+\frac{Q}{2}\sin {\mathrm{\Φ}}_1\}+A\left(t\right)\·\{\frac{-I}{2}\sin {\mathrm{\Φ}}_1+\frac{Q}{2}\cos {\mathrm{\Φ}}_1\}=a\·\cos {\mathrm{\Φ}}_1$

$I_1-Q_1=A\left(t\right)\·\{\frac{I}{2}\cos {\mathrm{\Φ}}_1+\frac{Q}{2}\sin {\mathrm{\Φ}}_1\}-A\left(t\right)\·\{\frac{-I}{2}\sin {\mathrm{\Φ}}_1+\frac{Q}{2}\cos {\mathrm{\Φ}}_1\}=a\·\sin {\mathrm{\Φ}}_1$

                                                   …(2)

其中Φ₁是Δωt₁+Φ₀，Δω是2πΔft₁。

频率偏移估计器716通过使用等式(2)计算出的两个值来计算图8中所示的线斜率Δf，从而获得Δω。tanΦ₁的计算必须在Δf的计算之前，tanΦ₁是通过将从等式(2)中求出的值代入下式来确定：

$\tan {\mathrm{\Φ}}_1=\frac{I-Q}{I+Q}=\frac{a.\sin \mathrm{\Φ}1}{a.\cos \mathrm{\Φ}1}$

                                                   …(3)

这样，就获得了Φ₁。

假定发送训练序列的时刻t为t2。那么，从加法器712输出的和信道信号(I₁+Q₁)，以及从减法器714中输出的差信道信号(I₁-Q₁)就被表示为：

$I_2+Q_2=A\left(t\right)\·\{\frac{I}{2}\cos {\mathrm{\Φ}}_2+\frac{Q}{2}\sin {\mathrm{\Φ}}_2\}+A\left(t\right)\·\{\frac{-I}{2}\sin {\mathrm{\Φ}}_2+\frac{Q}{2}\cos {\mathrm{\Φ}}_2\}=a\·\cos {\mathrm{\Φ}}_2$

$I_2-Q_2=A\left(t\right)\·\{\frac{I}{2}\cos {\mathrm{\Φ}}_2+\frac{Q}{2}\sin {\mathrm{\Φ}}_2\}-A\left(t\right)\·\{\frac{-I}{2}\sin {\mathrm{\Φ}}_2+\frac{Q}{2}\cos {\mathrm{\Φ}}_2\}=a\·\sin {\mathrm{\Φ}}_2$

                                                   …(4)

其中Φ₂是Δωt₂+Φ₁，Δω是2πΔft₂。

频率偏移估计器716通过使用等式(4)计算出的两个值来计算图8中所示的线斜率Δf，从而获得Δω。tanΦ₂的计算必须在Δf的计算之前，tanΦ₂是通过将从等式(4)中求出的值代入下式来确定：

$\tan {\mathrm{\Φ}}_2=\frac{I-Q}{I+Q}=\frac{a.\sin \mathrm{\Φ}2}{a.\cos \mathrm{\Φ}2}$

                                                   …(5)

这样，就获得了Φ2。

给定两个时间点的相位值Φ1和Φ2，在具有时刻在x轴上相位在y轴上的坐标系中从Φ1和Φ2的二阶等式绘制二阶线。二阶线的斜率是频率偏移Δf。使用Δf来计算用于频率偏移补偿的角速度变量Δω。Δω被存储在存储器718中。

1.2通过具有不同码元的训练序列进行的频率偏移估计

下面说明是在假定具有不同码元训练序列的情况下进行的。它们可以是(-1，1)或(1，-1)。对于两个不同码元的训练序列形式来说，频率偏移估计器612的加法器712和减法器714以与在相同码元的训练序列格式下相同的方式操作。也就是说，除了输入I和Q信道信号具有不同的符号之外，频率偏移估计器716的两个输入值的定义并不改变。例如，如果训练序列是(1，-1)，I和Q信道信号I_RX和Q_RX是：

$I_{\mathrm{RX}}=A\left(t\right)\·\{\frac{I}{2}\cos \mathrm{\Φ}+\frac{Q}{2}\sin \mathrm{\Φ}\}$

$Q_{\mathrm{RX}}=A\left(t\right)\·\{\frac{-I}{2}\sin \mathrm{\Φ}+\frac{Q}{2}\cos \mathrm{\Φ}\}$

                                          …(6)

其中Φ是Δω+Φ₀，Δω是2πΔf。

如果训练序列是(-1，1)，I和Q信道信号I_RX和Q_RX是：

$I_{\mathrm{RX}}=-A\left(t\right)\·\{\frac{I}{2}\cos \mathrm{\Φ}+\frac{Q}{2}\sin \mathrm{\Φ}\}$

$Q_{\mathrm{RX}}=-A\left(t\right)\·\{\frac{-I}{2}\sin \mathrm{\Φ}+\frac{Q}{2}\cos \mathrm{\Φ}\}$

                                          …(7)

其中Φ是Δω+Φ₀，Δω是2πΔf。

对于由等式(6)定义4的I和Q信道信号的输入来说，从加法器712输出的和信道信号(I_RX+Q_RX)，以及从减法器714中输出的差信道信号(I_RX-Q_RX)就被表示为：

$I_{\mathrm{RX}}=Q_{\mathrm{RX}}=A\left(t\right)\·\{\frac{I}{2}\cos \mathrm{\Φ}+\frac{Q}{2}\sin \mathrm{\Φ}\}-A\left(t\right)\·\{\frac{-I}{2}\sin \mathrm{\Φ}+\frac{Q}{2}\cos \mathrm{\Φ}\}=a\·\cos \mathrm{\Φ}$

$I_{\mathrm{RX}}-Q_{\mathrm{RX}}=A\left(t\right)\·\{\frac{I}{2}\cos \mathrm{\Φ}+\frac{Q}{2}\sin \mathrm{\Φ}\}+A\left(t\right)\·\{\frac{-I}{2}\sin \mathrm{\Φ}+\frac{Q}{2}\cos \mathrm{\Φ}\}=a\·\cos \mathrm{\Φ}$

                                          …(8)

对于由等式(7)定义的I和Q信道信号的输入来说，从加法器712输出的和信道信号(I_RX+Q_RX)，以及从减法器714中输出的差信道信号(I_RX-Q_RX)就被表示为：

$I_{\mathrm{RX}}+Q_{\mathrm{RX}}=-A\left(t\right)\·\{\frac{I}{2}\cos \mathrm{\Φ}+\frac{Q}{2}\sin \mathrm{\Φ}\}+A\left(t\right)\·\{\frac{-I}{2}\sin \mathrm{\Φ}+\frac{Q}{2}\cos \mathrm{\Φ}\}=-a\·\sin \mathrm{\Φ}$

$I_{\mathrm{RX}}-Q_{\mathrm{RX}}=-A\left(t\right)\·\{\frac{I}{2}\cos \mathrm{\Φ}+\frac{Q}{2}\sin \mathrm{\Φ}\}-A\left(t\right)\·\{\frac{-I}{2}\sin \mathrm{\Φ}+\frac{Q}{2}\cos \}=-a\·\cos \mathrm{\Φ}$

                                          …(9)

频率偏移估计器716通过使用由等式(8)或等式(9)计算出的两个值来计算图8中所示的线斜率Δf，从而获得Δω。tanΦ的计算必须在Δf的计算之前，tanΦ是通过将从等式(2)中求出的值代入下式来确定：

$\tan \mathrm{\Φ}=\frac{I-Q}{I+Q}=\frac{a.\sin \mathrm{\Φ}}{a.\cos \mathrm{\Φ}}$

                                                      …(10)

这样，就获得了Φ。使用Φ来计算期望的斜率偏移Δf，并使用Δf来计算角速度变量Δω。Δω被存储在存储器718中。

2.使用解调数据码元的实施例

在本发明另一个估计频率偏移的实施例中，接收具有与训练序列相同模式下的数据码元，并通过使用由该数据码元估计出的Δω来补偿频率偏移。为实现上述方案，接收装置必须配置成能够监视解调数据码元的模式，如果检测到与训练序列相同的模式，就向频率偏移估计器通知该模式检测。

图9是根据本发明另一个实施例的用于估计和补偿频率偏移的接收装置的方框图。接收装置除了具有图6中所示的结构之外，还包括码元检测器918，它用于通过数据码元估计频率偏移。

参照图9，在补偿频率偏移之后，频率偏移补偿器914将I和Q信道信号提供给调制解调器916。调制解调器916使用与发送装置中采用的调制相对应的解调方法来解调I和Q信道信号。码元检测器918检测从调制解调器916接收的解调数据流中预定模式的数据码元。该预定模式与训练码元的码元模式相同。根据对预定模式数据码元的检测，码元检测器918向频率偏移估计器912输出更新请求命令，请求检索存储器中的频率偏移Δf。例如，码元模式可以是(1，1)，(1，-1)，(-1，1)和(-1，-1)中的一个。

频率偏移估计器912使用由与预定模式的数据码元相对应的I和Q信道信号估计出的频率偏移Δf来更新Δω。由更新后的Δω来补偿在预定模式的数据码元之后接收的I和Q信道信号的频率偏移。由于可以减少Δω的更新周期，就能更加精确的实现频率补偿。

根据所前所述的本发明，通过在数据码元中插入训练序列，而不是使用包含在报头中的训练码元序列来补偿频率偏移。因此，报头的长度可以减小。而且，减小了在常规方法中进行频率偏移补偿所需的硬件复杂度，并简化了用于补偿频率偏移的算法。

虽然本发明是参照特定的优选实施例来进行显示和描述，但本领域的普通技术人员应该可以认识到，在不脱离如后附权利要求中所限定的本发明精神和范围内可以对其进行各种形式上和内容上的修改。

Claims (30)

1.一种用于估计频率偏移以补偿同相和正交相位信道信号的频率偏移的装置，该装置应用于一个移动通信系统的接收装置中，所述接收装置用于接收包含插入在数据码元序列中的预定模式的训练码元的信号，并通过预定的载波频率来下变频接收信号，并输出同相和正交相位的信号，该用于补偿频率偏移的装置包括：

加法器，用于将同相和正交相位信道训练信号相加，并输出含有一个余弦分量或正弦分量的和信道信号，该同相和正交相位信道训练信号是通过下变频训练码元所获得；

减法器，用于从同相信道训练信号中减去正交相位信道训练信号，并输出含有与和信道信号相对应的一个正弦分量或余弦分量的差信道信号；和

频率偏移估计器，用于在第一时刻点接收第一和信道信号和第一差信道信号，在第二时刻点接收第二和信道信号和第二差信道信号，使用该第一和信道信号和第一差信道信号来计算第一相位值，使用该第二和信道信号和第二差信道信号来计算第二相位值，并通过确定从第一和第二相位值中获得的线斜率来估计频率偏移。

2.如权利要求1所述的装置，其中如果训练码元相同，则加法器输出只含有正弦分量的和信道信号，减法器输出只含有余弦分量的差信道信号。

3.如权利要求2所述的装置，其中频率偏移估计器使用第一和第二正切分量来计算第一相位值和第二相位值，该第一正切分量表示为具有第一和信道信号作为分母、第一差信道信号作为分子的分数，该第二正切分量表示为具有第二和信道信号作为分母、第二差信道信号作为分子的分数。

4.如权利要求1所述的装置，其中如果训练码元不同，则加法器输出只含有余弦分量的和信道信号，减法器输出只含有正弦分量的差信道信号。

5.如权利要求4所述的装置，其中频率偏移估计器使用第一和第二正切分量来计算第一相位值和第二相位值，该第一正切分量表示为具有第一差信道信号作为分母、第一和信道信号作为分子的分数，该第二正切分量表示为具有第二差信道信号作为分母、第二和信道信号作为分子的分数。

6.如权利要求1所述的装置，还包括一个频率偏移补偿器，用于通过从同相信道信号与频率偏移正弦分量的乘积中减去正交相位信道信号与频率号是通过下变频数据码元序列而产生，以及所述频率偏移补偿器用于通过将同相信道信号和频率偏移余弦分量的乘积与正交相位信道信号和频率偏移正弦分量的乘积相加来产生第二信号。

7.如权利要求1所述的装置，还包括一个用于存储频率偏移的存储器。

8.如权利要求1所述的装置，还包括：

码元检测器，用于在检测到同相和正交相位信道信号的解调码元中具有预定模式的解调码元时，输出一个更新请求命令；和

其中，该频率偏移估计器用于响应该更新请求命令来输出频率偏移。

9.如权利要求8所述的装置，其中该预定模式是(1，1)，(1，-1)，(-1，1)和(-1，-1)之中的一种模式。

10.如权利要求9所述的装置，其中如果预定模式是(1，1)或(-1，-1)，则加法器输出只含有正弦分量的和信道信号，减法器输出只含有余弦分量的差信道信号；

11.如权利要求9所述的装置，其中频率偏移估计器使用第一和第二正切分量来计算第一相位值和第二相位值，该第一正切分量表示为具有第一和信道信号作为分母、第一差信道信号作为分子的分数，该第二正切分量表示为具有第二和信道信号作为分母、第二差信道信号作为分子的分数。

12.如权利要求9所述的装置，其中如果预定模式是(1，-1)或(-1，1)，则加法器输出只含有余弦分量的和信道信号，减法器输出只含有正弦分量的差信道信号。

13.如权利要求12所述的装置，其中频率偏移估计器使用第一和第二正切分量来计算第一相位值和第二相位值，该第一正切分量表示为具有第一差信道信号作为分母、第一和信道信号作为分子的分数，该第二正切分量表示为具有第二差信道信号作为分母、第二和信道信号作为分子的分数。

14.如权利要求8所述的装置，还包括一个频率偏移补偿器，用于通过从同相信道信号与频率偏移正弦分量的乘积中减去正交相位信道信号与频率偏移余弦分量的乘积来产生第一信号，并通过将同相信道信号和频率偏移余弦分量的乘积与正交相位信道信号和频率偏移正弦分量的乘积相加来产生第二信号。

15.如权利要求8所述的装置，还包括一个用于存储频率偏移的存储器。

16.一种用于估计频率偏移以补偿同相和正交相位信道信号的频率偏移的方法，该方法应用在一个移动通信系统的接收装置中，所述接收装置用于接收包含插入在数据码元序列中的预定模式的训练码元的信号，并通过预定的载波频率来下变频接收信号，并输出同相和正交相位的信号，该方法包括下面步骤：

将同相和正交相位信道训练信号相加并且输出含有一个余弦分量或正弦分量的和信道信号，该同相和正交相位信道训练信号是通过下变频训练码元所获得；

从同相信道训练信号中减去正交相位信道训练信号，并且输出含有与和信道信号相对应的一个正弦分量或余弦分量的差信道信号；和

在第一时刻点接收第一和信道信号和第一差信道信号，在第二时刻点接收第二和信道信号和第二差信道信号，使用该第一和信道信号和第一差信道信号来计算第一相位值，使用该第二和信道信号和第二差信道信号来计算第二相位值，并通过确定从第一和第二相位值中获得的线斜率来估计频率偏移。

17.如权利要求16所述的方法，其中如果训练码元相同，则和信道信号只含有正弦分量，差信道信号只含有余弦分量。

18.如权利要求17所述的方法，其中使用第一和第二正切分量来计算第一相位值和第二相位值，该第一正切分量表示为具有第一和信道信号作为分母、第一差信道信号作为分子的分数，该第二正切分量表示为具有第二和信道信号作为分母、第二差信道信号作为分子的分数。

19.如权利要求16所述的方法，其中如果训练码元不同，则和信道信号只含有余弦分量，差信道信号只含有正弦分量。

20.如权利要求19所述的方法，其中使用第一和第二正切分量来计算第一相位值和第二相位值，该第一正切分量表示为具有第一差信道信号作为分母、第一和信道信号作为分子的分数，该第二正切分量表示为具有第二差信道信号作为分母、第二和信道信号作为分子的分数。

21.如权利要求16所述的方法，还包括步骤：

通过从同相信道信号与频率偏移正弦分量的乘积中减去正交相位信道信号与频率偏移余弦分量的乘积来产生第一信号，其中同相信道信号和正交相位信道信号是通过下变频数据码元序列而产生；和

通过将同相信道信号和频率偏移余弦分量的乘积与正交相位信道信号和频率偏移正弦分量的乘积相加来产生第二信号。

22.如权利要求16所述的方法，还包括将频率偏移存储在存储器中的步骤。

23.如权利要求16所述的方法，还包括下面步骤：

当检测到在I和Q信道信号的解调码元中具有预定模式的解调码元时，输出一个更新请求命令；以及

响应该更新请求命令来输出频率偏移。

24.如权利要求23所述的方法，其中该预定模式是(1，1)，(1，-1)，(-1，1)和(-1，-1)之中的一种模式。

25.如权利要求24所述的方法，其中如果预定模式是(1，1)或(-1，-1)，则和信道信号只含有正弦分量，差信道信号只含有余弦分量。

26.如权利要求25所述的方法，其中使用第一和第二正切分量来计算第一相位值和第二相位值，该第一正切分量表示为具有第一和信道信号作为分母、第一差信道信号作为分子的分数，该第二正切分量表示为具有第二和信道信号作为分母、第二差信道信号作为分子的分数。

27.如权利要求24所述的方法，其中如果预定模式是(1，-1)或(-1，1)，则和信道信号只含有余弦分量，差信道信号只含有正弦分量。

28.如权利要求27所述的方法，其中使用第一和第二正切分量来计算第一相位值和第二相位值，该第一正切分量表示为具有第一差信道信号作为分母、第一和信道信号作为分子的分数，该第二正切分量表示为具有第二差信道信号作为分母、第二和信道信号作为分子的分数。

29.如权利要求23所述的方法，还包括步骤：

通过从同相信道信号与频率偏移正弦分量的乘积中减去正交相位信道信号与频率偏移余弦分量的乘积来产生第一信号；和

通过将同相信道信号和频率偏移余弦分量的乘积与正交相位信道信号和频率偏移正弦分量的乘积相加来产生第二信号。

30.如权利要求23所述的方法，还包括将频率偏移存储在存储器中的步骤。

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