CN1345140A - 校正频率偏移的方法和装置及存储其控制程序的媒体 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于校正直接顺序扩频接收机例如UMTS中的本地振荡器频率偏移的方法和装置。被接收的信号包括多个顺序的数据时隙。它们中的至少一个包括同步数据。在这个接收的数据和本地存储的同步码之间进行相关。此后,被接收的信号的相位被调整,并在相位已调整的数据和本地存储的同步码之间,再一次进行相关。然后最大的相关峰值被确定,根据产生最大峰值所需要相位调整,估算要加到本地振荡器的相位偏移。然后这个相位偏移被加到本地振荡器。

Description

校正频率偏移的方法和装置及存储其控制程序的媒体

技术领域

本发明涉及在直接顺序扩频通信系统(DSS)中用于校正频率偏移的方法和装置，尤其适用于在宽带码分多址(WCDMA)网络，例如通用移动式通信系统(UMTS)中的这种类型的偏移校正。

背景技术

本申请要求英国专利申请No.00231175(9月20日，2000递交)的优先权，其内容结合在此。

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基准振荡器。由于在例如UMTS系统或任何其他移动式电话系统中，存在固定的和相对小量的网络基站，所以基准振荡器和网络基站能相对较贵和精确，典型的精确度为例如百万分之(ppm)0.05，更精确的振荡器是可以得到的，但是，还存在着与网络基站通信的很多移动台。在一个系统例如UMTS中，这些是移动电话，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，所以在基站传输和本地产生的用于下变频转换的载波频率之间同步中出现一些重要的问题。

发明内容

由上面看来，本发明的一个目的是提供一种校正直接顺序扩频通信系统中频率偏移的方法和装置。

根据本发明的第一方面，提供一种用于校正直接顺序扩频通信接收机中的本地振荡器频率偏移方法，其中，被接收的信号包括多个顺序的数据时隙，其中至少一个时隙包括同步数据，该方法包括如下步骤：在被接收的数据和本地存储的同步码之间进行第一相关；按预定的相位步长调整接收的数据的相位；在相位已调整的数据和存储的同步码之间进行第二相关；确定第一和第二相关中哪个相关给出最大相关峰值；存储与最大相关峰值相应的信号；从这个信号中估算要加至本地振荡器的相位偏移；以及将估算的偏移加至本地振荡器。

在上述内容中，较好的一种方式是，其中进一步包括步骤：在将偏移加至本地振荡器以前，在与最大相关峰值相关的信号被存储以后，用相同的预定相位步长并按预定的次数，反复调整被接收的数据。

此外，较好的是这样一种方式，其中，进一步包括步骤：在每次相位调整导致最大相关峰值的改进的情况下，则反复调整被接收的数据的相位。

根据本发明的第二方面，提供用于校正直接顺序扩频接收机中本地振荡器的频率偏移的装置，其中，被接收的信号包括多个顺序时隙，其中至少一个数据时隙包括同步数据，所述装置包括：在被接收的数据和本地存储的代码之间进行第一相关的装置；按预定的相位步长调整被接收的信号相位的装置；在相位已调整的数据和存储器的同步码之间进行第二相关的装置；确定第一和第二相关中每一个中的最大相关峰值的装置；用于存储与最大相关峰值相应的信号的装置；根据这个信号估算要加至本地振荡器的相位偏移的装置；和将估算的偏移加至本地振荡器的装置。

在上述内容中，较好的是这样一种方式，其中，进一步包括一装置，其在将偏移加至本地振荡器以前，在与最大相关峰值相应的信号存储后，用相同的预定相位步长，按预定的次数，反复调整被接收的数据。

此外，较好的是这样一种方式，其中，进一步包括一装置，它使用于反复调整接收数据的相位的装置在每次相位调整导致最大相关峰值的改进的情况下，则反复调整被接收的数据的相位，以重复它的所有的循环。

根据本发明的第三方面，提供一种存储控制程序的媒体，该控制程序使计算机执行一种校正直接顺序扩频接收机中的本地振荡器频率偏移的方法，其中，被接收的信号包括多个顺序的数据时隙，其中至少一个时隙包括同步数据，该方法包括：在被接收的数据和本地存储的同步码之间进行第一相关的步骤；按预定的相位步长调整接收的数据相位的步骤；在相位已调整的数据和存储的同步码之间进行第二相关的步骤；确定第一和第二相关中哪个相关给出最大相关峰值的步骤；存储与最大相关峰值相应的信号的步骤；从这个信号估算要加至本地振荡器的相位偏移的步骤；和将估算的偏移加至本地振荡器的步骤。

附图说明

本发明的上述和其他目的，优点和特点，通过以下结合附图所作的描述将变得更为清晰。

图1是基站向接收机传输的简略示意图；

图2是与传输有关的基站同步的结构图示；

图3是标准化相关的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7.5mmp的全相关结果；

图7是表示如何进行本发明操作的具体化流程图；和

图8是表示体现本发明的装置的方块图。

优选实施方案的描述

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UMTD，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。但这不是对本传输标准的限制，它是能适用于任何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是异步的。基站的传输需要被接收传输的移动台本地同步。当移动台被供电时，这是在初始的单元(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)。同步信道包含主同步码(PSC)和次同步码(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与提供最强信号的基站的传输的时隙同步获取。图1中简略地示意了基站传输，它是以1表示的，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。

基站的传输是互相不同步的，并且发送包含如上所述的时隙和符号的许多帧。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与存储在接收机中的所期望主同步码进行相关，然后提供若干个相关峰值。被检测的最高峰值与接收机将与之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。噪声和干扰应被减少，如果被检测到，相关将是峰值。

初始单元搜索的第二步建立帧同步，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，而且那些将是该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，接收的信号被下变频转换的精确频率，与在发送机的频率可以不是精确地相同，因为本地振荡器的频率不很精确，这是因为如上所述那样，它的本地振荡器的成本比基站所用的低。如果存在频率偏移，那么相关峰的高度将会减少。如果偏移显著，相关峰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。

本地振荡器的不精确是引起这种频率偏移的一种可能的原因，本发明的优选实施例为此设法进行校正。

本发明的优选实施例提供一种方法和装置，用于校正直接顺序扩频通信接收机在初始单元搜索期间的频率偏移。被接收的信号包含多个顺序的数据组，它们当中至少有一组包含同步数据。相关是被接收的数据和本地存储的同步码之间进行的。接着，被接收的数据在相位上被调整，并在相位调整的数据与本地存储的代码之间进行再一次的相关。然后，确定最强的相关峰值，估算本地振荡器的相位偏移，并把它施加于那个本地振荡器。

这里所述本发明的实行过程，适用于在UMTS网络中在频分双工(FDD)方式运作的移动台进行初始单元搜索。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是从基准振荡器(一般为VCXO)得到的。载波时钟频率(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不精确，转变为载波和取样时钟的不精确。当以每百万分之一表示时，相同的不精确度将应用于三个频率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。

至于WCDMA单元搜索，载波频率偏移导致被接收的复信号的连续相位变化。取样时钟偏移可能引起主系统定时情况的不正确检测。取样时钟频率偏移的任何影响，只有在对大量时隙的信号进行处理之后，才能被观察到。由载波频率偏移引起的相位旋转，导致信号功率与噪声加干扰功率的接收比下降，定时的错误检测的事实概率增加。所以，载波频率和取样时钟两者的偏移，将导致UMTS单元搜索过程中的所有三个步骤中的性能恶化。

由频率的不精确引起的单元搜索性能的损失，在单元搜索过程的第一步中是明显的。取样时钟偏移可引起时隙边界的检测误差，也就是说，时隙边界被定位在错误的位置。如果时隙边界定位的差错大于一个码片的周期，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，由取样时钟的不精确引起的1个码片的滑动是在长的时间间隔中被观察到。

因此，当与载波频率的偏移相比较时，取样时钟的不精确是第二位重要的。由于载波频率偏移的影响可直接地观察到，所以，这个影响可被测量并用于校正基准频率。基准频率不精确的程度减小，也将使载波和取样时钟的偏移减小。这里所说的方法是基于不同的相位偏移，它们是在下变频转换中，由下变频转换所用的本地振荡器频率的误差而加给被接收的主同步码的。导致的相位偏移的测量被用于校正基准振荡器的频率。

由基站发送的复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)分量与主同步码相关。当本地主同步码与已接收的PCCPCH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^jπ/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)表示本地主同步码和已接收的信号在时隙边界处的相关。因为主同步码是已知信号，所以可通过测量已接收的主同步码相位的变化，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，求得相关峰值。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。

图4是无频率偏移时的全相关结果的图解，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。

如上面所讨论的，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的本地PSC信号之间的相关的影响来估算。载波频率偏移的较大值与相关功率的较小值相对应。因此，相关处理可以在被接收的信号的每个时隙施行，并且通过处理若干被接收的时隙被平均，以提供一组平均的相关功率。最大的平均功率与最大的(平均)峰值相对应。这将被选择并被储存作为时隙边界位置的基准。

然后，为了确定基站中本地振荡器的偏移，按Δωt改变被接收的并被下变频转换的信号的相位，其中Δωz是来自一组预定值的频率偏移值，t表示时间。

然后，对与相位偏移的输入信号相同的接收的数据和估算的最好的相关峰值的平均功率，再次进行与本地PSC信号的相关处理。这种处理对所有可得到频率偏移反复进行，每种情况下的最好的相关功率互相比较，并与基准比较。最大的相关功率被用来代换基准，相应的频率偏移被加至累加器。如果被接收的有相位偏移的信号不再产生稍好于基准相关功率的相关，则相位偏移处理结束。因此，每次都要施加相位偏移，直到最近所施加的相位偏移的结果导致相关功率比基准相关功率恶化为止。

在寻找较好的频率偏移估算中，相位偏移可能会就同一被接收的数据以迭代方式被反复施加若干次。最后被累加的相位偏移存储器将保持偏移的估算值，它可被用来校正基准振荡器的频率。

如何进行这个迭代的相位调整的流程，如图7所示。在图中，数据由步骤S20中的数据捕获供给，并经过全相关步骤S22(在256码片上)。由此，数据通过峰值选择步骤S24，这个步骤在相关中寻找最高峰值，并将它供给存储最高峰值位置和功率的基准设置步骤S26。在下一步骤S28中，偏移估算累加器被设置为0。

然后，该序列进入其迭代的相位。在这里，对从数据捕获步骤S20来的原始数据，用第一相位偏移步骤作相位上的偏移。然后在步骤S32中，与被存储的PSC信号合在峰值选择步骤S34中选择的最高的功率峰值进行全相关。然后进入基准修改步骤S36，其中如果最后所选择的峰值在数值上高于被存储的峰值，则将修改在步骤S26中所存储的基准。如果有进一步的频率步长要应用，过程就返回到步骤S30，在那里，下一个可用的频率步长将被应用于执行相关的数据和执行峰值选择，并且也能够进行基准修改。

当所具有频率步长已被应用时，过程进到偏移估算累加器，它存储为获得当前被存储的基准峰值所需要的相位偏移。如果当前的基准峰值不同于最初的基准峰值，那么过程返回步骤S30，应用进一步相位偏移的序列，以确定偏移是否得到进一步改善。如果得不到改善，或者如果这个第二循环经过预定的次数已经循环完毕，它的循环计数器已减至0，那么，偏移估算累加器的内容将被用作基准振荡器的相位偏移。

由该处理过程迭代地提供的相位偏移，可以全部是同样的大小。换句话说，过程可以安排重复地使用相同的相位偏移，直到最高平均功率选择表示没有改善为止。最后的相位偏移可以去掉，而使用较小的相位偏移。这个过程以预定数目而逐渐减小的相位偏移连续进行。

本发明实施例的方块图如图8所示。其中，输入的RF(射频)/IF(中频)数据在下变频转换器50中，以来自本地振荡器52并在乘法器54中按常数k₁改变过的频率进行下变频转换。下变频转换过的数据通至取样部分56，取样部分56由也是来自本地振荡器52并在乘法器58中用常数k₂相乘以后的取样频率控制。

被取样的数据经数据捕获部分61，被供给移相器60，移相器60在将数据供给相关器62以前，最初地给数据加上零相位偏移，相关器62将该数据与存储在主同步码存储器64中的数据作相关。这个相关的结果被送至峰值选择器66，峰值选择器66寻找具有最高功率的峰值，并将它存储到基准存储器68。峰值选择器发送一个控制信号给移相器60，使它以预定步骤对以前提供给相关器62的数据进行偏移，并且，再次由相关器62和峰值选择器66进行相关和峰值选择。

如果来自最后的相关选择的峰值大于存储在基准存储器66中的峰值，那么，存储器的内容被置换。然后，移相器被控制而对该数据又一次进行相位偏移，并且重复该处理过程。这个过程连续进行预定的次数，直至循环计数器已减至0，在这种状态下，所加的相位偏移将被加至偏移估算累加器70。

如果所加的相位偏移导致由相关而得的最大峰值功率的改善，那么整个过程被反复进行，以移相器60所加的相位偏移来进一步设置相位偏移。通过用一个计数器对施加全组相位偏移的次数进行计数，整个过程能按所希望的那样经常进行。在每一次全组相位偏移已施加过之后，如果峰值显示器的相位偏移位置引起最大峰值功率的改善，则当前的相位偏移被加至偏移估算累加器70。

一旦全部循环已经被完成，来自统偏移累加器的相位偏移估算就被加至本地振荡器52，致使它将被使用于下变频转换器50和取样部分56，然后，过程前进到单元搜索部分72。

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(未示出)，以按照特定的控制程序控制移动式接收机的每个组件，ROM(只读存储器(未示出))用来存储由处理器执行的控制程序，RAM(随机存储器(未示出))用作处理器或类似器件的工作区域。

很明显，本发明并不限制为上面的实施例，而是可以包括在不偏离本发明的范围和精神的情况下所做出的各种变化和修改。

Claims (8)

1.一种用于校正直接顺序扩频接收机中的本地振荡器频率偏移的方法，其中被接收的信号包括多个顺序的数据时隙，其中至少一个数据时隙包括同步数据，所述方法包括步骤：

在所述被接收的数据和本地存储的同步码之间，进行第一相关；

按预定的相位步长调整所述接收的数据的相位；

在所述相位已调整的数据和所述被存储的同步码之间进行第二相关；

确定所述第一和第二相关中哪个相关给出最大相关峰值；

存储与所述最大相关峰值相对应的信号；

由所述信号估算要施加至所述本地振荡器的相位偏移；和

将所述估算的偏移施加至所述本地振荡器。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于还包括步骤：在将所述偏移施加至所述本地振荡器以前，在与所述最大相关峰值相应的所述信号存储后，按相同的预定相位步长，按预定的次数重复调整所述接收的数据的相位。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于还包括步骤：在每次相位调整导致所述最大相关峰值的改进情况下，则重复进行所述调整步骤。

4.一种用于校正直接顺序扩频接收机中的本地振荡器频率偏移的装置，其中，被接收的信号包括多个顺序的数据时隙，其中至少一个数据时隙包括同步数据，所述装置包括步骤：

用于在所述接收的数据和本地存储的同步码之间进行第一相关的装置；

用于按预定的相位步长调整所述接收的数据的相位的装置；

用于在所述相位已调整的数据和所述存储的同步码之间进行第二相关的装置；

用于确定每个所述第一和第二相关中的最大相关峰值的装置；

用于存储与所述最大相关峰值相对应的信号的装置；

用于从所述信号估算要施加至所述本地振荡器的相位偏移的装置；和

用于将所述估算的偏移施加至所述本地振荡器的装置。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于还包括一装置，其用于在将所述偏移施加至所述本地振荡器以前，在与所述最大相关峰值相对应的所述信号存储后，按相同的预定相位步长，按预定的次数重复调整所述被接收的数据的相位。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于还包括一装置，它使用于重复地调整所述接收的数据的相位的所述装置在每次相位调整导致所述最大相关峰值的改进的情况下，重复它的所有循环。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于所述直接顺序扩频接收机至少包括电话和移动式电话。

8.一种存储控制程序的存储媒体，所述控制程序使计算机执行一种用于校正直接顺序扩频接收机中的本地振荡器频率偏移的方法，其中，被接收的信号包括多个顺序的数据时隙，其中至少一个数据时隙包括同步数据，所述方法包括步骤：

在所述接收的数据和本地存储的同步码之间进行第一相关；

按预定的相位步长调整所述接收的数据的相位；

在所述相位已调整的数据和所述存储的同步码之间进行第二相关；

确定所述第一和第二相关中哪个相关给出最大相关峰值；

存储与所述最大相关峰值相对应的信号；

从所述信号估算要施加至所述本地振荡器的相位偏移；和

将所述估算的偏移施加至所述本地振荡器。

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