CN1539228A - 空导频码元辅助快速自动频率控制 - Google Patents

Abstract

一种用于对载波相位调制(CPM)进行相干解调的空导频码元辅助快速自动频率控制(AFC)系统，其包括(209)导频时钟驱动的相位差分器(252，253，255)，用来在每个导频时钟周期工作一次，确定当前导频码元位置的相位与前一个导频码元位置的相位之间的偏差。频率偏移选择器(256)，用于从所有能引起相同相差的一组频率偏移中选择最可能的频率偏移。

Description

空导频码元辅助快速自动频率控制

技术领域

本发明一般涉及到数字通信系统，具体而言，涉及到数字通信系统中数字信息的同步，用于对连续相位调制信号进行相干解调。

发明背景

对于在收(Rx)发(Tx)无线装置之间进行可靠的数字通信而言，频率同步非常重要。正如本领域内所熟知的，当发射机与接收机彼此进行通信时，它们应该具有相同的标称频率。事实上，两个射频(Tx与Rx)上的参考振荡器偏离标称频率的误差不同。因此，为了接收信息，接收机应该在发射机的真实频率的一定公差范围内进行调谐。这通常被称为频率同步。具体而言，通信系统中使用的相干解调方法对Tx与Rx射频之间的频率偏差高度敏感。需要使用自动品率控制系统(AFC)将频率误差控制并保持在调制方法允许的公差内。

多数移动通信链路容易受到信道中多路径衰减的影响。这将引起通信信号相位的失真。对于连续相位调制(CPM)信号的情况(其中，信息包含在信号的相位中)，这个问题尤为明显。导频码元是接收机已知的先验码元，它是由发射机在发送序列中周期性插入的，目的是帮助接收机估计出新到引起的相位失真。在连续相位调制(CPM)的情况下，每个导频位置都需要带有一个码元，将相位状态控制到“已知”的状态。通常，将其称为“空”码元。Ho等在美国专利5,712,877中介绍了一种典型的空导频码元辅助连续相位调制系统，该文献在此作为参考文献予以引用。Ho等介绍了一种用于发送并接收数字信息的装置，它使用了导频码元插入装置，周期性地将与数据有关的导频码元插入到数字数据的帧中，并用其估计信道的相位失真。

一种快速捕获解决方案使得对发送中断特征的操作成为可能，这是在新的信息&信号数字交换(DIIS)标准中使用的载波相位调制(CPM)中的一种独特特性，它能够用目前的低层专用移动射频(PMR)系统中的连续技术进行发射。这类系统可以实现高速(12Kbps)数字通信，支持语音与数据通信。它是从早先的欧洲标准一信息及信号的二进制交换(BIIS)中演化来的，该标准也被称为ETS300,230.PMR协议(DIIS)。

对同步捕获系统的操作取决于由三十个码元构成的已知序列，该序列被周期性地(每720ms一次)嵌入到发射码元比特流中。这个码元序列被称为同步字，接收机事先已经知道该序列。通常，在同步字之后，立即发送其后的与通话相关的信息。在这种方式下，当开始建立通信时，所有接收机都开始查询同步字及通话信息，判断它是否参与通信或“通话”。此外，还在数据流中插入导频码元，辅助接收机估计信道的相位失真。以超过同步字的频率(20ms)插入导频码元。因此，为了快速并精确地进行频率修正，相对于基于同步字的频率控制而言，基于导频码元的AFC可以获得对频率误差更多的估计。

相干解调需要了解有关接收信号频率及相位。即使收发无线装置具有相同的标称频率，它们的振荡器的实际频率通常会有所不同。使用自动频率修正(AFC)来估计并修正接收信号中的这种频率偏移。为了达到高度的精确性，有必要以尽可能短的时间来纠正频率偏移。因此，需要解决频率同步的快速捕获问题。在通话已经开始进行时后进入通信的情况下，这个问题尤为突出。在获取频率同步的过程中所花费的时间将会造成额外的码元丢失。这种快速频率捕获变得至关重要。

典型的数字接收机的功能图与图1所示的现有技术(的一种接收机)类似。与这类接收机有关的一个普遍问题是捕获时间。捕获时间是指发送数据与接收数据进行同步所需的时间，也就是由于接收机仍无法与发送数据同步而无法接收到数据所经历的时间。将数字同相(I)及正交(Q)基带(零中频或低频IF或甚低频IF)信号102送入粗度自动品率控制(AFC)104中，将射频(RF)输入信号的(频率)范围控制在灵敏数字通道选择(CS)滤波器106的(频带)范围之内。

对于DIIS调制，尽管典型的CS滤波器具有3KHz的3-dB带宽，选择这种CS滤波器可以选定期望的信号，而通道外的功率被滤除。然而，站在频率的角度看，如果没有粗度AFC104，数字信号可能被移动到CS的通带之外。典型情况下，对于DIIS调制而言，需要将数字I-Q输入信号102控制在CS滤波器106的中心频率附近600Hz范围内，否则会丢失过多信号。

然后，将滤波后的信号送给帧同步检测器108，帧同步检测器108是一种查询接收机预先验知道的数字码元的序列的装置。因此，只要接收机检测到位于IF滤波器通带内的能量，它就启动检测已知的比特序列的过程，以进行帧同步。通过使用精细码元时间估计器110，接收机判断出码元之间的边界，并实现帧同步(即识别出接收到的信息码的已知模式)。

根据时间码元估计的结果，接收机100下一步将对频率进行精细估计，以进一步减小发射频率与接收频率之间的频率误差。为了对数据进行正确解码，有必要使这个频率偏差小于码元检测方案所允许的公差范围。在对DIIS信号进行相干检测的情况下，偏差可能小达10Hz，而对DIIS信号进行非相干检测的情况，偏差可能达到100Hz。由于已经实现了时间同步，使用精细频率估计器112对已知信号进行精细频率估计。由于粗度AFC 104只能将接收到的I-Q基带数据调节到600Hz的范围内，精细频率估计器112可以对接收到的数据的频率进行精密调节，达到约10Hz的精度，从而正确地检测出接收到的数据码元。将这个修正结果加在混频器114上，在此将修正结果与来自IF滤波器106的信号进行混频。然后将混频器114的输出加在信号检测器116上，在此实现对信号的正确检测。

在图1所示的现有技术的接收机同步系统中存在一些弱点。典型情况下，需要用3-dB带宽为3KHz的CS滤波器以满足邻道干涉保护的要求。在这种3dB带宽的情况下，在IF滤波器的输入端可以允许最大为600Hz的频率偏移。根据相关标准的规定，对于信道间隔为12.5KHz的情况，可以允许移动发射机的频率最多偏离其标称频率1.5KHz。如果将基带I-Q信号直接送给CS滤波器，在最坏的情况下，Tx与Rx之间的偏差为3KHz，则期望信号中的很大一部分被CS滤波器衰减掉了。这就是在CS滤波器106之前放置粗度AFC 104的原因。假设粗度AFC 104将滤波器的偏移从3kHz降至600Hz。然而，为了使同步字通过IF滤波器，粗度AFC 104不得不在处理同步字之前处理未知的数据码元。这将最终导致大于可接受程度的延迟和时间周期，在此期间，使得没有同步信号产生，接收机无法接收到信息。此外，在基于同步字的现有技术中，对频率误差产生更新估计的频率较低(每720ms一次)。

因此，存在这样的需求：提供一种用于连续相位调制的数字接收机同步系统，它能够容易并精确地提供对接收数据流的频率同步，而且延迟最小，从而防止丢失任何接收到的数字信息。

附图简要说明

图1为表示现有技术中用于典型的数字接收机系统中的同步的方块图。

图2为表示根据本发明的空导频码元辅助快速AFC系统工作原理的方块图。

图3为表示根据实现本发明的优选方法的空导频码元辅助快速AFC系统工作原理的流程图。

优选实施例详细说明

现在参见图2，在根据本发明优选实施例的空导频码元辅助快速自动频率控制(AFC)系统的数字基带通道的高级功能图中，包括同相(I)与正交(Q)I-Q数字输入信号201。然后将I-Q输入信号201送至信道选择滤波器203，它的作用是使期望的I-Q信号通过，并滤除带外噪声功率。然后，基于同步的频率估计器205或任何等效频率估计器对信道选择滤波器203发出的信号的频率偏移进行估计，并在频率修正电路207如数字频率混频器中对其进行修正。在频率修正电路207发出的经修正的信号中包含某些残余的频率误差，需要在对CPM信号进行相干解调前进行修正。然后，将这个信号送给基于空导频的频率估计器209，利用下面介绍的数据处理方法产生对残余频率误差(未被207修正的剩余量)的频率估计。码元检测器211利用这个频率修正估计以及频率修正电路的输出，产生精细的频率修正估计。

图3表示了基于空导频的频率估计器209的细节。在频率估计器中，首先在导频时钟253(应为259)的控制下对经频率修正的I-Q信号进行采样251。导频时钟259具有与导频码元相同的频率，导频码元是与信号一起输入给基于空导频的频率估计器209的。因此，如果每20ms插入一次导频码元，则导频时钟的频率为50Hz。在采样操作之后，利用适当的算法如坐标旋转数字计算机(CORDIC)，可以在导频时钟253中得到I-Q复数信号的相位。将复数信号的相位存储(255)于存储元件内，用以提供相位延迟。

然后，将相位延迟的信号从存储元件送到一系列处理步骤256中，可用微处理器执行这些步骤。然后，在处理器中使用减法单元，判断(257)前一个导引位置的相位与当前导引位置之间的相位差。用这个相位差除以导频周期(M*T，其中M代表相连的导频码元之间码元的个数，T为码元周期)，在除法器261的输出端获得对残余频率误差的估计。用因数2π将以弧度每秒为单位的估计值转换(263)为周每秒(Hz)的量值。应该注意到，许多不同的残余频率误差值会在257的输出端引起相同的相位偏差。将所有可能的残余频率误差值称为“(频率)混迭(aliases)”。

然后，从这些混迭值中判断(265)出最大可能的值。这可以通过下述步骤实现：假设除法261的输出为f1。则选定的残余频率估计为：f_OFFSET＝m*f_ALIAS+f1，其中，将m的数值选取为使f_OFFSET的幅值为最小。尽管在此定义了处理步骤256，本领域内的技术人员应该明确，可以用任意数目或处理步骤实现相同的结果。

然后，将混迭选择(265)的判断结果送给平滑滤波器267。将平滑滤波器的输出送至图2所示的信号检测器211中。

对于在此进行说明的空导频码元辅助快速AFC的处理过程而言，可以用数学方法予以表达。

(1)在连续相位调制信号中，与码元I_k对应的第k个码元间隔的相位可以写为：

                                               公式(1)

其中，σ_k为由前面码元决定的当前相位状态，T为码元周期，h为调制指数，q(t)为累积相位函数(相位成形滤波器的脉冲响应的积分)。

(2)假设脉冲成形滤波器在时间范围0＜t＜LT中不为零，而且当t＜0与t＞LT时非常小。则，调制器的当前状态由下式给出：

${\mathrm{\σ}}_k=\mathrm{\πh}\underset{i=0}{\overset{k-1}{\mathrm{\Σ}}}{I}_i$ 公式(2)

(3)重写第k个码元的相位的表达式，

                                               公式(3)

(4)假设在每个导频位置处，每M个码元插入一个空码元与两个导频码元(P1和P2)。则，在第n个导频位置的每个空码元之后的第二个导频码元其间，((nM+2)T＜t＜(nM+3)T)相位可以写为：

(t)＝2πh[P2×q(t-(nM+2)T)+P1×q(t-(nM+1)T)]+2πK_n，n＝1，2，…

                                                          公式(4)

(5)此时，整数K_n由下式决定：

$K_n=\frac{h}{2}\underset{i=0}{\overset{\mathrm{nM}}{\mathrm{\Σ}}}{I}_i$

公式(5)

(6)接收到的带有残余频率偏移为f_OFF的信号可以被表达为：

          r(t)＝c(t)s(t)exp[j2πf_OFFt]+w(t)              公式(6)

此处c(t)代表复数衰减信道。

(7)然后，在第n个空导频码元位置(在图3中的253的输出端可找到)，(nM+2)T＜t＜(nM+3)T，相位为：

         ∠r(t)＝θ_r(t)＝θ_c(t)+(t)+2πf_OFFt，       公式(7)

(8)然后，在第n个空码元之后的第二个导频码元期间接收到的信号的相位可以写作：

        θ_n，r(t)＝θ_r(t+(nM+2)T)，0＜t＜T               公式(8)

(9)然后，作为图3中261的输出端的计算结果，当前导频位置n与前一个导频位置n-1处的相位差为：θ_n，r(t)-θ_(n-1)，r(t)＝Δθ_n，c+2πf_OFFMT+2π[K_n-K_n-1]，0≤t＜T，n＝2，3，…

                                                          公式(9)

其中

θ_n，c＝θ_c(t+(nM+2)T)-θ_c(t+((n-1)M+2)T)，0≤t＜T     公式(10)

则偏移频率可以表达为：

$f_{\mathrm{OFF}}=\left(\frac{{\mathrm{\&theta;}}_{n,r}\left(t\right)-{\mathrm{\&theta;}}_{(n-1),r}\left(t\right)}{2\mathrm{\&pi;MT}}\right)-\left(\frac{\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&theta;}}_{n,c}}{2\mathrm{\&pi;MT}}\right)-\left(\frac{K_n-K_{n-1}}{\mathrm{MT}}\right),0\&le;t<T,n=\mathrm{2,3}\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;$

                                                          公式(11)

因此，总而言之，本发明的作用是：在载波相位调制(CPM)系统的导频中使用周期性插入空-导频码元的快速自动品率控制(AFC)，该系统包括存储器，用于在每个导频码元位置存储同相(I)与正交(Q)复数数字输入信号的相位信息。存储器中包括一个用于判断复数字同相(I)与正交(Q)数字信号采样的相位的相位检测器，还包括一个用于判断相位的相位检测器。然后，在存储器的输出端使用导频时钟驱动的相位差分器，作用是在每个导引时钟周期工作一次，确定当前导频码元位置的相位与前一个导频码元位置的相位之间的偏差。频率偏移选择器中利用了数学处理过程，从所有能引起相同相差的一组频率偏移中选择最可能的频率偏移。系统中还包括平滑滤波器，用于减少来自频率偏移选择器的频率估计的噪声。

尽管图示并说明了本发明的优选实施例，需要明确的是，本发明并不限于此。在不背离权利要求书中声明的本发明的精神和范围的前提下，本领域内的技术人员可以对此进行修改、变化、改编、替换及等效。正如在此使用的，术语“包含”、“包括”或者它的其他变形都不企图覆盖非排他的结论，例如，包含一系列元件的过程、方法、物品或装置并不仅仅包含这些元件，还可能包括其他没有明确地列出的元件或者这些过程、方法、物品或装置所固有的元件。

Claims (8)

1.一种用于对载波相位调制(CPM)进行相干解调的空导频码元辅助快速自动频率控制(AFC)系统，其包括：

导频时钟驱动的相位差分器，用来在每个导频时钟周期工作一次，确定当前导频码元位置的相位与前一个导频码元位置的相位之间的偏差；和

频率偏移选择器，用于从所有能引起相同相差的一组频率偏移中选择最可能的频率偏移。

2.根据权利要求1所述的空导频码元辅助快速AFC，进一步包括：

平滑滤波器，用于降低来自频率偏移选择器的频率估计中的噪声。

3.一种在载波相位调制(CPM)系统中使用以导频频率周期性插入的空-导频码元的快速自动品率控制(AFC)，其包括：

存储器，用于存储在每个导频码元位置处的同相(I)与正交(Q)复数数字输入信号的相位信息；

导频时钟驱动的相位差分器，其利用存储器的输出，在每个导频时钟周期工作一次，确定当前导频码元位置的相位与前一个导频码元位置的相位之间的偏差；和

频率偏移选择器，用于从所有能引起相同相差的一组频率偏移中选择最可能的频率偏移。

4.如权利要求3所述的快速自动AFC，进一步包括：

平滑滤波器，用于降低来自频率偏移选择器的频率估计的噪声。

5.根据权利要求3所述的快速AFC，其中，所述存储器包括：

采样器，用于在每个导频时钟对复数同相(I)与正交(Q)数字信号进行采样。

6.根据权利要求5所述的快速AFC，其中，所述存储器进一步包括：

相位检测器，用于判断来自采样器的复数同相(I)与正交(Q)数字信号采样的相位。

7.一种用于根据发射机周期性插入的空-导频码元来提取频率偏移信息的方法，其包括步骤：

在每个导频时钟周期操作一次导频时钟驱动的相位差分器；

判断当前导频码元位置的相位与前一个导频码元位置的相位之间的偏差；和

从所有能引起相同相差的一组频率偏移中选择来自频率偏移选择器的最可能的频率偏移。

8.根据权利要求7中所述的提取频率偏移信息的方法，进一步包括步骤：

利用平滑滤波器来降低频率估计的噪声。

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