CN1319291C - 用于多径衰落环境下自动频率控制的频率偏移检测器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于多径衰落环境下自动频率控制的频率偏移检测器，该自动频率控制包含一可变相位产生器、一用来相乘于一输入讯号的指数项ejΔωt、一低通滤波器、一增益放大器、一乘法器、及一偏移检测器。该偏移检测器包含一滤波器、一放大器、一延迟模块、三个加法器、及两个可输出一输入讯号的绝对值的模块。该滤波器为一有限脉冲响应滤波器，其用来对该输入复数增益进行希氏转换。该希氏有限脉冲响应滤波器、连同该复数增益及该三个加法器中的两个加法器，可产生两个分别代表该输入复数增益的正频率部分及负频率部分的复数讯号Xp及Xn。该检测器输出等于讯号Xp及Xn的振幅间的差。

Description

用于多径衰落环境下自动频率 控制的频率偏移检测器
技术领域
本发明涉及一种应用于第三代(3rd generation parnership project，GPS)无线通讯网路中一基站与一移动单元间相互通讯时的自动频率控制(Automatic Frequency Control)，特别是涉及一种用来补偿介于该基站及该移动单元间因多普勒偏移(Doppler shift)所引致的频率偏移的装置及相关方法。
背景技术
无线通讯网路中的移动单元的运作深受其所处环境的影响，一基地所发射的无线电讯号会依不同的结构及地形以散射或以反射的方式传送至该移动单元，因此，由一接收天线所接收到的无线电讯号中不仅包括依散射方式所传来的直接波，还包括经由多径(multipath)所传来的反射波。一般而言，影响该接收天线所接收到的多径反射波品质优劣的主要因素有以下两点。
第一个因素称为慢速衰落(slow fading)，又称为对数标准化衰落(lognormal fading)。慢速衰落导因于该无线电讯号中的部份能量被位于该基站及该移动单元间的地形所吸收，而最能说明慢速衰落的例子就是，当一移动单元行经隧道时，隧道的地形会吸收无线电讯号的部分能量。
第二个因素称为快速衰落(fast fading)，又称为多径衰落(multipathfading)或瑞利衰落(Rayleigh fading)。快速衰落导因于该移动单元所接收到的多径反射波相对于该移动单元所接收到的直接波为一破坏波(destructive)，这种现象极可能导致整体频宽的减小。另一种型式的多径衰落导因于该移动单元相对于该基站移动时所产生的显现于频率上的多普勒偏移(Doppler shift)。
存在于该发射器与该接收器间的频率偏移会干扰到许多无线网络资源控制机制(Universal Mobile Telecommunications System TerrestrialRadio Access Network，UTRAN)下的宽频码分多址(Wideband Code DivisionMultiple Access，WCDMA)中的功能。举例来说，在设计WCDMA中波道估测(channel estimation，CE)的频宽时需考虑到多普勒扩散(Doppler spread)的效应。请参阅图1及图2，图1显示在没有频率偏移存在的情况下，一恰好位于一专属频宽(allotted bandwidth)10的中心的接收讯号中频道复数增益(channel complex gain)15的频谱图，而图2则显示当一接收讯号的频道复数增益25频谱图因一频率偏移而落在专属频宽10以外的区域时，该接收讯号是如何变形的。
而自动频率控制(automatic frequency control，AFC)是一种可补偿频率偏移的方法。如图3所示，一锁相回路(phase-locked loop，PPL)40包含一相位检测器(phase detector，PD)42、一回路滤波器(loopfilter，LP)44及一压控振荡器(voltage controlled oscillator，VCO)46。在图3中，u1(t)为锁相回路40的输入讯号，而u2(t)为压控振荡器46的输出讯号，该误差(在此例中为该相位差)是由相位检测器42所检测而得，而输出讯号ud(t)正比于该误差。被相位检测器42所检测而得的输出讯号ud(t)更进一步地过滤于回路滤波器44，而回路滤波器44的输出讯号uf(t)被传送至压控振荡器46，以作为控制压控振荡器46的控制讯号。压控振荡器46的输出讯号u2(t)与输入讯号u1(t)间的相位误差再一次会被相位检测器42所检测而得，图3中所示的负回馈会降低存在于u1(t)及u2(t)间的相位误差。
为了实际制作适用于基频的锁相回路40，压控振荡器46由一可变复数声源器(variable complex tone generator)所取代，而一乘法器与一频率偏移检测器共同取代了相位检测器42，以实际制作该自动频率控制。请参阅图4，图4显示一已知偏移检测器50，偏移检测器50微分该输入相位。在数字基频中，在将输入讯号u1(t)乘以该作为补偿的用的输入讯号u2(t)后，这可藉由将一现行取样讯号乘以该现行取样讯号的前一个取样讯号的共轭复数来完成，以数学式子的方式来表示就是：
ud(n)＝u1(n)u2(n)[u1(n-1)u2(n-1)]*。
然而，这类的检测器极易受到多普勒扩散的影响而增加相位噪声。
发明内容
因此本发明的主要目的在于提供一种通讯网路，如第三代(3rdgeneration parnership project，GPS)无线通讯网路中的自动频率控制在多径衰落环境下仍能完美运作的偏移检测器。
本发明的自动频率控制为一包含六部分的锁相回路，该锁相回路包含一相位检测模块、一回路滤波模块及一压控振荡产生器模块，这些模块皆已被修正成可锁住多径衰落环境下的频率偏移，以工作于基频的环境中。该回路滤波器模块包含一低通滤波器及一增益放大器，该偏移检测器模块包含一乘法器及一偏移检测器，而该压控振荡器模块则包含一可变相位产生器及一用来乘至一入射无线电讯号上的指数项ejΔωt。
本发明的偏移检测器包含一滤波器、一放大器、一延迟模块、三个加法器、及两个可输出一输入讯号的绝对值的模块。在本发明的较佳实施例中，该滤波器为一有限脉冲响应滤波器，其可对该输入复数增益进行希氏转换(Hilbert Transformation)。该希氏有限脉冲响应滤波器(FIR)、连同该复数增益及该三个加法器中的两个加法器，可产生两个分别代表该输入复数讯号的正频率部分及负频率部分的复数讯号Xp及Xn。该检测器输出等于讯号Xp及Xn的振幅间的差。其它滤波器具有直流偏移(DC-offsets)奇函数的功能也可用来替代该希氏有限脉冲响应滤波器，而不会偏离本发明的精神，该检测器输出等于复数讯号Xp及Xn的振幅的差。
本发明的优点在于该偏移检测器在多径衰落的环境下仍能完美地运作，因此可改进传送于第三代无线通讯网路中的无线电讯号的品质。
附图说明
图1显示一不含频率偏移的波道复数增益的频谱图。
图2显示一内含频率偏移的波道复数增益的频谱图。
图3为一用于自动频率控制的锁相回路的方块图。
图4为已知一频率偏移检测器的方块图。
图5显示在没有频率偏移的多径衰落环境下一波道复数增益的频谱图。
图6显示在有频率偏移的多径衰落环境下一波道复数增益的频谱图。
图7为本发明一自动频率控制的方块图。
图8为显示在图7中一偏移检测器的方块图。
图9为本发明中一偏移检测器的输出讯号与频率偏移的关系图。
图10为本发明中另一偏移检测器的输出讯号与频率偏移的关系图。
附图符号说明
40      锁相回路            42、100   相位检测器
44      回路滤波器          46        压控振荡器
50、92  偏移检测器          90        自动频率控制
91      乘法器             108、110、加法器
                           112
93      低通滤波器          94、104   增益放大器
95      可变相位产生器      96        指数项
102     有限脉冲响应滤波器  106       延迟模块
114、   模块
116
具体实施方式
本发明披露了一种对于自动频率控制而言在多径衰落环境下仍能完美运作的偏移控制器。本发明的实际效果显现于频域，在时域上则不容易看出。
在多径衰落环境下，该复数波道增益的频谱图呈现一“U”字形，一频率偏移在一载波相位上的作用可被模型化成将一指数项ejΔωt乘至一入射无线电讯号，其结果可使该“U”字形波所偏移的量等于该频率偏移。在没有频率偏移的情况下，该多普勒扩散是对称的。
请参阅图5及图6，图5为没有频率偏移的复数波道增益在前述的指数项ejΔωt相乘作用下所呈现的频谱图，图5显示一原始讯号60及原始讯号60的负部分62及正部分64。相较于图5，图6显示带有频率偏移的复数波道增益在前述的指数项ejΔωt相乘作用下所呈现的频谱图，图6中显示一原始讯号70、频率偏移76、及原始讯号70的负部分72及正部分74。本发明披露了一种利用该接收讯号的正部分及负部分以补偿频率偏移的装置及相关方法。一误差讯号依据该正部分及该负部分的能量而产生。
图7中所显示的发明中自动频率控制90是一包含六部分的锁相回路，其中包括一相位检测器、一回路滤波器、及一压控产生器，然而这些模块是已经过修正以将该多径衰落环境下的频率偏移锁住并进而工作于基频。自动频率控制90的回路滤波器模块包含一低通滤波器93及一增益放大器94，该压控产生器模块包含一可变相位产生器95及上述的指数项ejΔωt96，而自动频率控制90的相位检测器模块则包含一乘法器91及一偏移检测器92。较为详尽的等效偏移检测器100显示于图8。
显示于图8的相位检测器100包含一有限脉冲响应滤波器102(FiniteImpulse Response，FIR)、一放大器104、一延迟模块106、三个加法器108、110及112、以及两个用来输出一输入讯号的绝对值的模块114及116。有限脉冲响应滤波器102将该输入的复数增益进行希氏转换(Hilberttransform)。有限脉冲响应滤波器102、连同该复数增益与加法器108及110，可共同产生两个分别代表正频率部分及负频率部分的复数讯号Xp及Xn。希氏转换用来取得该正频率部分及该负频率部分的平衡值。如图8所示，Xp＝X+j，而Xn＝x-jx，其中x为延迟模块106的输出讯号，而jx为有限脉冲响应滤波器102经由放大器104所输出的讯号。
检测器输出讯号120等于复数讯号Xp及Xn的振幅间的差，而检测器输出讯号120的特性图显示于图9。理论上，有限脉冲响应滤波器102所施加于该复数增益上的希氏转换为非因果(non-causal)且无限响应，而上述的制作方式却会使得显示在图9中的转换区域的长度为有限的，并使得显示在图8中的延迟模块106变得不可或缺。在有限转换区域124中，该线的斜率代表该检测器的增益。为了简化延迟模块106，本发明的有限脉冲响应滤波器102中的抽头(tap)数为奇数。图9显示以一作为希氏滤波器102的具有五个抽头的有限脉冲响应滤波器的特性图。
图9也显示检测器100中的饱和区域，检测器100在该频率偏移大于转换区域124及多普勒扩散122的总和时，进入该饱和区域。借着改变有限脉冲响应滤波器102中抽头的数目可改变转换区域124的大小，而减少tap数可增加该饱和频率并进而降低复杂度。多普勒扩散122相关于该移动单元的移动速度，因此，检测器100的转折位置是不固定的，但幸好检测器100在进入该饱和区域时，并不会降低锁相回路90的效能。
本发明中的有限脉冲响应滤波器102也可用其它滤波器来替代，只要这些滤波器的振幅响应为一已直流补偿(DC-offset)过的奇函数即可。图10显示符合上述要求的四种替代滤波器，其分别为锯齿形滤波器、正弦波形滤波器、三角形滤波器、及方形滤波器。
相较于已知技术，本发明的优点在于其所披露用于自动频率控制的偏移检测器在多径衰落下仍可运作的相当良好，因此可改进传输于第三代无线通讯网路中无线电讯号的品质。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明的权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。

Claims (14)

1.一种在一无线通讯网路中用于自动频率控制的偏移检测器，该偏移检测器包含：
一滤波器，其振幅响应一经过直流补偿的奇函数，该滤波器包含一输入端及一输出端，该输入端用来接收一复数增益讯号；
一延迟模块，包含一输入端及一输出端，该输入端用来接收该复数增益讯号；
一第一加法器，电连接于该滤波器的输出端及该延迟模块的输出端，用来输出该滤波器的输出端上所输出的讯号及该延迟模块的输出端上所输出的讯号的和；
一第二加法器，电连接于该滤波器的输出端及该延迟器的输出端，用来输出该滤波器的输出端上所输出的讯号及该延迟模块的输出端上所输出的讯号间的差；以及
一第三加法器，电连接于该第一加法器的输出端及该第二加法器的输出端，用来输出该第一加法器的输出端上所输出的讯号及该第二加法器的输出端上所输出的讯号间振幅的差。
2.如权利要求1所述的偏移检测器，其中输出于该偏移检测器的输出讯号的振幅等于输出于该第一加法器的输出讯号的振幅及输出于该第二加法器的输出讯号的振幅间的差。
3.如权利要求1所述的偏移检测器，其中该滤波器为一锯齿形、正弦波形、三角形、或一方形滤波器。
4.如权利要求1所述的偏移检测器，其中该滤波器为有限脉冲响应滤波器。
5.如权利要求4所述的偏移检测器，其中该滤波器对该复数增益讯号进行希氏转换。
6.如权利要求5所述的偏移检测器，其中执行该希氏转换的滤波器的抽头数为奇数。
7.如权利要求5所述的偏移检测器，其中执行该希氏转换的滤波器的抽头数为五。
8.一种应用于一无线通讯网路中自动频率控制的偏移检测器，该偏移检测器包含：
一有限脉冲响应滤波器，其可对一复数增益讯号进行希氏转换；
一延迟模块，其输入端连接于该复数增益讯号；
一第一加法器，电连接于该有限脉冲响应滤波器的输出端及该延迟模块的输出端，用来加总该有限脉冲响应滤波器的输出讯号及该延迟模块的输出讯号，以输出一第一复数讯号；
一第二加法器，电连接于该有限脉冲响应滤波器的输出端及该延迟器的输出端，用来将该有限脉冲响应滤波器的输出讯号减去该延迟模块的输出讯号，输出一第二复数讯号；以及
一第三加法器，电连接于该第一加法器的输出端及该第二加法器的输出端，用来输出一等于该第一复数讯号及该第二复数讯号的振幅间的差的讯号。
9.如权利要求8所述的偏移检测器，其中该有限脉冲响应滤波器的抽头数为单数。
10.一种用来检测一无线通讯网路中自动频率控制中的频率偏移的方法，该方法包含：
使用一直流补偿过的奇函数滤波器转换一复数增益讯号；
使用该滤波器的输出讯号及一延迟模块的输出讯号产生二分别代表该复数增益讯号的正部分及负部分的复数讯号；以及
产生一等于该二复数讯号的振幅间的差的输出讯号。
11.如权利要求10所述的方法，其中该滤波器为一锯齿形、正弦波形、三角形、或一方形滤波器。
12.如权利要求10所述的方法，其中该滤波器为一有限脉冲响应滤波器。
13.如权利要求12所述的方法，其中该有限脉冲响应滤波器的抽头数为五。
14.如权利要求12所述的方法，其中该有限脉冲响应滤波器执行一希氏转换。
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C17 Cessation of patent right
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20070530