CN1345137A - 调整接收机中基准频率的方法和装置及控制程序存储媒体 - Google Patents

Abstract

一种被提供用于在接收机中迭代地调整基准频率的方法和装置。对被接收的数据与本地存储的同步代码进行相关,并检测峰相关值。在首次运行流程中,峰相关值将被存储在本地峰相关值存储器中。然后,按预定的步长调整频率,伴随检测到的峰相关值与本地存储器中的峰值的比较,这个过程再次被进行。如果新的峰值较大,那么这一次频率步长被保留,并施用增进的频率步长。如果新的峰相关值小于先前存储的峰值,那么所用的频率步长引致新的峰值被取消,并运用较小的频率步长。这个过程按逐次递减频率步长连续进行,直至所有被存储的频率步长已经被用过,这样,本地振荡器频率被调整,接收机连续进行单元搜索过程。

Description

调整接收机中基准频率的方法和装置及控制程序存储媒体

技术领域

本发明涉及用于在接收机中调整基准频率以便消除在通信接收机中的基准频率的的方法和装置以及存储对其的控制程序的存储媒体。

背景技术

在蜂窝式通信系统中，网络基站传输中的定时和频率精确度取决于很稳定的高精确度的基准振荡器。由于在例如通用移动式通信系统(UMTS)或任何其他移动式电话系统中，存在固定的相对小量的网络基站，所以基准振荡器和网络基站能够相对较贵和精确。典型的精确度是例如百万分之(ppm)0.05，更精确的振荡器也是可以得到的。但是，通常还存在着与网络基站通信的很多的移动台。在一个系统例如UMTS中，这些就是移动式电话，它们必须以竞争性的市场价格销售，所以就必须减少成本。因此，低成本的基准振荡器例如电压控制晶体振荡器(VCXO)，常常被选用为移动台的基准振荡器。这些低成本的基准振荡器的频率精确度相对较低，例如5ppm。

因为移动式振荡器的精确度远低于基站所配用的更精确的基准振荡器的精确度，所以在基站传输的和本地产生的用于下变频转换的载波频率之间的同步中出现一些重要问题。

发明内容

针对上面的问题，本发明的一个目的，是提供一种消除通信接收机中本地振荡器基准频率偏移的方法和装置。

根据本发明的第一方面，提供一种用于调整接收机中的基准频率的方法，其中，被接收的信号包括多个顺序的数据时隙，至少其中之一包括同步数据，该方法包括：利用从本地振荡器导出的第一频率，对被接收的信号进行下变频转换的步骤；对下变频转换的信号与本地存储的同步代码进行相关的步骤；从相关结果中检测峰相关值的步骤；将峰相关值与峰相关值存储器的内容进行比较的步骤；和根据比较结果，对施用于下变频处理的频率进行调整的步骤，其中，还根据比较结果，进一步重复进行相关和频率调整，以调整基准频率。

在上述内容中，较好的是这样一种方式，其中，频率调整包括预定频率步长以及如果被检测的峰相关值大于峰相关值存储器的内容连续施行调整。

此外，较好的是这样一种方式，其中，进一步包括如果上次调整导致峰相关值小于峰相关值存储器中的值，取消上次所做的频率调整的步骤。

此外，较好的是这样一种方式，其中，进一步包括连续地施行较小频率调整的步骤，如果调整步骤导致峰相关值大于峰相关值存储器的内容，则以此步长进行再一次相关和频率调整。

此外，较好的是这样一种方式，其中，在取消前次频率调整之后，根据被检测的小于峰相关值存储器中的值的峰相关值，再一次施行较小的频率调整。

根据本发明的第二方面，提供一种用于调整接收机中基准频率的装置，其中，被接收的信号包括多个顺序的数据时隙，至少其中之一包括同步数据，该装置包括：利用从本地振荡器导出的第一频率对被接收的信号进行下变频转换的装置；对已下变频转换信号与本地存储的同步代码进行相关的装置；从相关结果中检测峰相关值的装置；将峰相关值与峰相关值存储器的内容进行比较的装置；根据比较结果，对施用于下变频处理的频率进行调整的装置；还根据比较结果，进一步重复进行相关和频率调整的装置。

在上述内容中，较好的是这样一种方式，其中，由调整频率的装置施行的频率调整，包括预定频率步长和只要被检测的峰相关值大于峰相关值存储器的内容连续施行调整，。

此外，较好的是这样一种方式，其中，对施加于下变频转换的频率进行调整的装置包括一装置，其用于如果上次频率调整导致峰相关值小于峰相关值存储器中的值，则取消上次所做的频率调整。

此外，较好的是这样一种方式，其中，用于调整频率的装置在如果频率调整导致峰相关值大于峰相关值存储器的内容时，施行较小的频率调整，并以此步长进行再一次相关和频率调整。

此外，较好的是这样一种方式，其中，在取消前次频率调整之后，调整频率的装置响应被检测的小于峰相关值存储器中的值的峰相关值，施行更小的频率调整。

根据本发明的第三方面，提供一种存储控制程序的媒体，控制程序使计算机执行一种调整接收机中的基准频率的方法，其中，被接收的信号包括多个顺序的数据时隙，至少其中之一包括同步数据，所述方法包括步骤：利用从本地振荡器导出的第一频率，对被接收的信号进行下变频转换的步骤；对已下变频转换信号与本地存储的同步代码进行相关的步骤；从相关结果中检测峰相关值的步骤；将峰相关值与峰相关值存储器的内容进行比较的步骤；根据比较结果，对施用于下变频处理的频率进行调整的步骤；和根据比较结果，进行再一次相关和再一次频率调整的步骤。

附图说明

本发明的上述和其他目的，优点和特点，从结合附图所作的描述中，将会看得更清楚，其中：

图1是基站向接收机传输的简略示意图；

图2是基站传输结构的图示；

图3是标准化相关功率对频率偏移的关系曲线图；

图4是无频率偏移时的全相关结果图示；

图5表示频率偏移为5ppm的全相关结果；

图6表示频率偏移为7.5ppm的全相关结果；

图7是频率校正过程的流程图；

图8是实现图7过程所用的系统方块图。

最佳实施例的详细描述

将利用以附图作参考的不同实施例，对实现本发明的最好方式作更详细的说明。

下面参考UMTS，对前面讨论的问题和由本发明的实施例提供的解决办法，进行说明。但这不限于本传输标准，而是能适用于任何WCDMA系统。

在UMTS中，向移动台发送信号和从移动台接收信号的基站都是异步的。基站的传输需要接收传输的移动台本地同步。当移动台被供电时，这种同步是在初始的单元(小区)搜索中进行的。

UMTS传输包含一系列帧。每一帧有例如15个时隙，包含在每一帧中的是与所用的数据速率有关的信息。每个时隙包含若干符号，每个符号包含2位(比特)。这2位可用来发送使用正交相移键控的4种可能状态。因此，10个符号的时隙包含20位。

基站传输包括与时隙边界对准的同步信道(SCH)，和主公共控制物理信道(PCCPCH)。在这些信道中有10个符号时隙。同步信道包含主同步代码(PSC)和次同步代码(SSC)，如图2所示。它们被用在初始单元搜索中。

由移动台执行的初始单元搜索分三步进行。这三步的第一步，是在移动台的接收机获得与提供最强信号的基站传输同步的时隙。在简略示意图1中，以1表示基站广播传输，以2表示传输信道，以3表示移动台接收机。在这个例子中，被表示的是两个基站(BTS1和BTS2)的传输。

基站传输是互相不同步的，基站发送许多帧，包括如上所述的时隙和符号。时隙和帧的时间间隔是固定的。

在图1中，BTS2传输的时隙的起点比BTS1传输的时隙的起点延迟任意量t秒。

从基站BTS1和BTS2至接收机3的传输，将会受到信道2的影响。来自BTS2的传输被图示为经过3路径(多路径)信道被接收，而来自BTS2的传输被图示为经过2路径信道被接收。信道2的作用是让来自BTS1和BTS2的信号通向接收机3，它们在那里相加。移动台接收机对接收到的信号和存储在接收机中的期望主同步代码，进行相关，然后提供若干个峰相关值。被检测的最高峰值与接收机将和它同步的网络基站相对应。

相关在一个时隙内进行，结果被保持在缓冲器中。若干时隙的结果被加进来。噪声和干扰应被减小，相关将是峰值，如果被检测到的话。

初始单元搜索的第二步是建立帧同步，并识别在步骤1中找到的代码组。初始单元搜索的第三步是确定赋予所找到的基站的保密代码。这第二和第三步的进一步细节与本发明无关，所以在这里不做更多的讨论，而且那些将本领域熟练技术人员所已知的。

在移动式接收机的下变频转换中，被接收的信号在下变频转换后的精确频率，与发送机的频率并不精确地相同，因为本地振荡器的频率不很精确，这是因为如上所述那样，本地振荡器的成本比基站所用的低。如果存在频率偏移，那么峰相关值将会减小。如果偏移显著，峰相关值就可能被掩埋在噪声和干扰之中，使它不可能与时隙的边界同步。

当UMTS单元搜索运行在FDD(频分双工)方式时，由于载波和取样时钟频率f_c和f_smp的偏移，其性能可能被恶化。这两者都是从移动式单元的基准振荡器的频率得到的。

当基准频率的不精确转变为载波和取样时钟的不精确时，相同的不精确度将加到所有三个频率上。例如，对所要求的2GHz的载波频率和15.36MHz的取样时钟频率来说，若基准频率有1ppm的不精确度，则表示载波频率的偏移为2KHz，取样频率的偏移为15.36Hz。

就宽带码分多路存取单元搜索来说，载波频率的偏移，导致被接收的复数信号的连续相位变化；而取样时钟频率的偏移，可能引起主系统定时的不正确检测。后者的影响在处理大量的时隙之后，可被观察到，因此，造成第二重要的取样频率的偏移。

由载波频率中的偏移引起的相位旋转，导致被接收信号与噪声加干扰的比率下降，因此，定时情况(时隙边界)的错误检测概率增加。载波频率大数值的偏移可能导致被接收信号功率的大量减小。UMTS单元搜索过程成功的概率的急速减少，是载波频率大偏移的负面影响之一。

特别地，取样时钟的偏移，引起检测在错误的位置的时隙边界。如果在位置错误中，时隙边界差错大于一个码片周期(1/3.84μs)，那么其余的单元搜索步骤所得到的结果也将是错误的。但是，就实际频率的不精确来说，由取样时钟不精确引起的一个码片误差是在长的时间间隔内被观察到。因此，与载波频率偏移相比较而言，这些不精确是第二重要的。我们了解到，这些影响可被立即观察到，并且可用于偏移基准频率使其接近所要求的值。基准频率不精确度的相继减小也将使载波和取样时钟频率的偏移减小。

本发明的优选实施例提供了一种通过IF(中频)/RF(射频)本地振荡器和频率的迭代步进，消除载波频率偏移的方法和装置。

本发明在附加的权利要求中有更精确的表示，这里对此做出描述。

上面所述本发明的实施过程，适用于在UMTS网络中以频分双工(FDD)方式运作的移动台进行的初始单元搜索。因载波和取样时钟频率的偏移，UMTS单元搜索的性能可能被恶化。实际上，载波和取样时钟频率两者都是从基准振荡器(一般为VCXO)得到的。载波(f_c)和取样时钟频率(f_smp)分别以等式(1)和(2)表示。等式中的项k₁和k₂表示常数，f_x是移动台基准振荡器提供的基准频率。

f_c＝k₁×f_x………………………(1)

f_smp＝k₂×f_x……………………(2)

等式(1)和(2)指示这种情形，即由晶体振荡器产生的基准频率的不精确，转变为载波和取样时钟的不精确。以每百万分之一表示，相同的不精确度将加到三个频率f_x，f_c和f_smp上。例如，对于所要求的2GHz的载波频率和15.36MHz的取样频率来说，1ppm(在f_x方面)的不精确度表示载波频率的偏移为2KHz，取样频率的偏移为15.36Hz。

由基站发送的复数基带信号可用下式表示：

S_t＝A(t)·e^jθ(t)其中，A(t)和θ(t)分别表示信号的幅度和相位。通过衰落路径接收到的被发送信号可以被表示为：

S_r＝β(t)·S_t·e^{j(Δωt+φ(t)+σ(t))}.…………………(3)其中，Δω是载波频率偏移(每秒弧度)，φ(t)是由多普勒漂移引致的随机相位(弧度)，σ(t)是由噪声和干扰引致的随机相位。信号包络的变化被表示为β(t)。

在UMTS单元搜索的第一步骤中，已接收的信号的相位(I)和正交(θ)分量与主同步代码相关。当本地主同步代码与已接收的PCCPCH+SCH时隙的第一个符号对准时(即处于时隙边界)，被发送的信号可被表示为：

S_t＝M·e^jЛ/4……………………(4)其中，M是一个常数。有关的已接收信号和存储在接收机中的本地主同步代码之间的相关以等式(5)表示，其中T是相关周期。 $C=\underset{0}{\overset{T}{\∫}}[\mathrm{\β}\left(t\right)\·M^2\·e^{j\frac{\mathrm{\π}}{4}}\·e^{j(\mathrm{\Δ\ωt}+\mathrm{\φ}\left(t\right)+\mathrm{\σ}\left(t\right))}]\·\mathrm{dt}\·\·\·\·\·\·\left(5\right)$

等式(5)表示本发主同步代码和已接收的信号在时隙边界处的相关。因为主同步代码是已知信号，所以可通过测量已接收的主同步代码相位的变化，估算载波频率偏移。为简化起见，忽略多普勒效应和噪声及干扰，等式5可被简约为： $C=\underset{0}{\overset{T}{\∫}}{M}^2\·e^{j\frac{\mathrm{\π}}{4}}\·e^{j\left(\mathrm{\Δ\ωt}\right)}\·\·\mathrm{dt}\·\·\·\·\·\·\left(6\right)$

然后，通过寻求上面的功率积分，求得峰相关值。当被接收的和本地产生的PSC信号被对准时，我们可设M²＝1，然后用下式表示相关功率： ${\left|C\right|}^2\∝{[T\×\frac{\sin \left(\frac{\mathrm{\Δ\ω}\·T}{2}\right)}{\frac{\mathrm{\Δ\ω}\·T}{2}}]}^2\·\·\·\·\·\·\left(7\right)$

图3的曲线是从式7推导出来的，表示相关周期为1PSC信号(UMTS的FDD方式中的256码片)时，相关功率对比载波频率偏移(ppm)的值。该曲线表示随载波频率偏移变化的被接收信号的功率。对移动台来说，载波频率偏移对被接收的峰相关值功率的影响，被表示在图4，5和6中。更准确地说，图4是无频率偏移时的全相关结果的图示，图5表示频率偏移为5ppm时的全相关结果，图6表示频率偏移为7.5ppm时的全相关结果。这些图清楚地指明，对于大的载波频率误差和低的信号与噪声加干扰比，时隙边界的检测概率减小。

载波频率偏移的大小，可以通过检测它对被接收的PSC信号和移动式接收机本地的PSC信号之间的相关的影响来估算。如前面所述的，较大的载波频率偏移值，与较小的相关功率值相应。相关处理可以在被接收的信号的每个时隙进行，并且被平均；通过处理若干被接收的时隙，提供一组平均的相关功率。与最大的平均峰值相应的最大的平均功率被选择，并被存储作为基准。

从这以后，载波频率以附加的频率偏移而被改变，这个频率偏移是在软件控制之下从一组预定的频率中选出的。然后，相关功率测量过程被应用于下一组被接收的信号时隙，去选择又一个平均功率，这个平均功率相应于最大峰值比先前存储的基准更好的情况，然后频率偏移被保持，基准被新的一相关功率替代。

然后，就下一组被接收的信号时隙，继续应用同样的频率偏移并进行平均功率测量。再一次，如果最大峰值的平均功率比被存储的基准更好，那么就保存这个频率偏移，用新的相关功率替代基准。

如果频率偏移的应用导致所测最大相关功率较之基准减小，那末就不附加这个最近的频率偏移，而代之以较小的频率偏移施加于载波频率。这个过程继续进行到所有适用的偏移都已被使用过。于是与被存储的基准相应的偏移就变成将被应用的偏移。

当使用较大的偏移结果使功率减小时，所用的频率偏移尺度就减小，即每下一次使用较小的频率偏移。

一旦迭代式频率校正过程完成，软件将激活UMTS单元搜索过程，能在一单元中使移动台能锁向一个发送机。

迭代的流程图被表示于图7。其中的第一步是数据捕获(步骤S2)，从图1的BST1和BST2来的输入数据在这个步骤中被接收。此后，在移动式接收机中对接收到的PCCPCH信号和本地PSC进行全相关(步骤4)，这可在选择最大功率的峰值选择步骤(步骤6)之前，在大量时隙上进行并对结果加以平均。

在峰值选择之后，在步骤S8将最大峰值的时间位置存储起来作为基准峰值。然后，迭代过程开始。

基准频率以预定的步长增加(步骤10)。所用的步长依赖于基准振荡器的不精确程度和所希望的测量持续时间。例如不精确度为5ppm，可以用-5，-2.5，+2.5和+5这4步。如果需要更好的分辨率，通过增加步数可以减小步长。也能够使用不是最小步长的倍数的所有步长，例如，-5，-3，+3和+5。第一个基准频率步长是将被应用的最大的步长，而其他被存储的可能的步长都是比较小的。通常，步长逐次按50％减小。

此后，再次进行相同的操作过程，在步骤S12中进行数据捕获，在步骤S14中进行全相关，在步骤S16中选择峰值。如果新的峰值大于先前的峰值，则在步骤S18中修改基准，然后，在步骤S20中，曾在步骤S16中加到基准频率上的频率步长是保持或被消除，取决于在步骤S18对基准峰值有没有改进。

执行图7所示的方法的电路示意方块图如图8所示。这里，RF/IF信号通过所配的天线30被接收，提供到下变频转换器32。根据本地振荡器34所供给的在乘法器36中被常数k1相乘的频率，对它们进行下变频转换。在下变频处理之后，为数据捕获，信号在取样部分38中被取样。取样的定时是由取样频率控制的，这个取样频率是由本地振荡器34的频率经过在乘法器40中被常数k2相乘以后提供的。在取样以后，取样信号在相关器44中被与存储在存储器42中的主同步代码PSC进行相关。这可以进行单次的相关，也可以进行逐次相关再加以平均。相关的结果被供给检测最大峰相关值的峰值检测器46。最初，它被存储在基准存储器48(它的内容在开始是空的)中。峰值也被供给峰值比较器50，它将峰值的大小与已存储在基准存储器48中的任何峰值的大小比较，如果比较的结果是当前峰值较大，它就引起以新的峰值重写基准存储器的内容。

如果峰值比较器50没有引起新的峰值被写入基准存储器48，频率步进部分50就会操作，去调整本地振荡器34。然后，再次进行取样、相关、峰值选择和峰值比较，并且如果新的峰值大于先前的峰值的话，基准存储器再一次更新。这个过程以频率步进器52提供的递降步长继续进行下去，直到所有的频率步进已循环完毕。当这种情况出现时，频率步进器52加一个控制信号给单元搜索部分54，继续进行锁向单元基站的过程，以致使移动式电话准备好接收和发出呼叫。这个进一步的单元搜索不构成本申请的主题部分。

需要注意的，上面的实施例中所述移动式接收机有一个处理器(未示)，用以根据特定的控制程序去控制移动接收机的每个部分，具有ROM(未示)用来存储由处理器执行的控制程序，具有RAM(未示)用作处理器或类似器件的工作区域。

很明显，本发明不局限于上面的实施例，而是在不偏离本发明的范围和精神的情况下，所能做出的各种的改变和修改。

Claims (11)

1.一种用于调整接收机中的基准频率的方法，其中，被接收的信号包括多个顺序的数据时隙，至少其中之一包括同步数据，所述方法包括步骤：

利用从本地振荡器导出的第一频率，对被接收的信号进行下变频转换；

对所述下变频转换信号与本地存储的同步代码进行相关；

从所述相关的结果，检测峰相关值；

比较所述峰相关值与峰相关值存储器的内容；和

根据所述比较结果，对施用于所述下变频转换的频率进行调整，

其中，也根据所述比较结果，重复地进行再一次相关和再一次频率调整，以调整基准频率。

2.根据权利要求1所述的用于调整接收机中的基准频率的方法，其特征在于所述频率调整包括如果被检测的所述峰相关值大于所述峰相关值存储器中的内容，将连续施行的预定频率步长和调整。

3.根据权利要求2所述的用于调整接收机中的基准频率的方法，其特征在于进一步包括如果频率调整导致的峰相关值小于所述峰相关值存储器中存储的值，则取消上次所做的频率调整的步骤。

4.根据权利要求3所述的用于调整接收机中的基准频率的方法，其特征在于进一步包括如果频率调整导致的峰相关值大于所述峰相关值存储器中的内容，连续地施行较小的频率调整，并以此步长进行再一次相关和频率调整的步骤。

5.根据权利要求4所述的用于调整接收机中的基准频率的方法，其特征在于在取消前次的频率调整之后，响应小于所述峰相关值存储器中存储的值的被检测的峰相关值，进一步施行较小的频率调整。

6.一种用于调整接收机中的基准频率的装置，其特征在于被接收的信号包括多个顺序的数据时隙，至少其中之一包括同步数据，所述装置包括：

利用从本地振荡器导出的第一频率，对被接收的信号进行下变频转换的装置；

对所述下变频转换信号与本地存储的同步代码，进行相关的装置；

从所述相关的结果，检测峰相关值的装置；

比较所述峰相关值与峰相关值存储器的内容的装置；和

根据所述比较结果，对施用于所述下变频转换的频率进行调整的装置，

其中，还根据所述比较结果，重复进行再一次相关和再一次频率调整，以调整基准频率。

7.根据权利要求6所述的用于调整接收机中的频率偏移的装置，其特征在于由用于调整所述频率的所述装置施行的所述频率调整包括只要被检测的所述峰相关值大于所述峰相关值存储器的内容，则连续施行预定频率步长和调整。

8.根据权利要求7所述的用于调整接收机中的频率偏移的装置，其特征在于用于调整被应用于所述下变频转换的所述频率的所述装置，包括一装置，其用于如果频率调整导致的峰相关值小于所述峰相关值存储器中存储的值，则取消上次所做的频率调整。

9.根据权利要求8所述的用于调整接收机中的频率偏移的装置，其特征在于用于调整所述频率的所述装置施行较小的频率调整，以及如果该频率调整导致的峰相关值大于所述峰相关值存储器中的存储的值，以此步长进行再一次相关和频率调整。

10.根据权利要求9所述的用于调整接收机中的频率偏移的装置，其特征在于用于调整所述频率的所述装置，在取消前次频率调整之后，响应被检测的、小于所述峰相关值存储器中存储的值的峰相关值，施行再一次较小的频率调整。

11.一种存储控制程序的存储媒体，所述控制程序使计算执行一种用于调整接收机中的基准频率的方法，其中被接收的信号包括多个顺序的数据时隙，至少其中之一包括同步数据，所述方法包括步骤：

利用从本地振荡器导出的第一频率，对被接收的信号进行下变频转换；

对所述下变频转换信号与本地存储的同步代码进行相关；

从所述相关的结果中检测峰相关值；

比较所述峰相关值与峰相关值存储器的内容；和

根据所述比较结果，对施用于所述下变频转换的频率进行调整，

其中，还根据所述比较结果，重复进行再一次相关和再一次频率调整，以调整基准频率。

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