CN1549622A - 一种移动通信系统的载波偏差估计的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无线通信系统的载波偏差校正方法，包括如下步骤：a)接收时隙基带信号；b)根据时隙的数字基带信号估计移动终端和无线基站之间的相位偏移量，根据此相位偏移量和码片时间间隔计算载波偏差估计量；c)根据载波偏差估计量，对接收信号进行载波偏差校正。本发明的无线通信系统的载波偏差校正装置，其连接在收发信设备的混频器和基带处理器之间，用于根据移动通信系统的时隙信号采样，根据码片间隔来计算载波频率偏差估计，然后根据载波偏差估计量，对接收的基带信号进行载波偏差校正。本发明可使用在TD－SCDMA移动终端中，以解决移动终端和无线基站的载波偏差所造成的接收信号畸变。

Description

一种移动通信系统的载波偏差估计的方法和装置

技术领域

本发明涉及移动通信系统，特别涉及在TD-SCDMA(时分-同步码分多址接入)移动通信系统中，使用软件进行载波偏差估计的方法和装置。

背景技术

在无线通信系统中，已调无线基带信号需要经过射频调制模块调制到适合发射的射频频率上，以便进行发射。在无线通信系统的发射侧，模拟基带信号首先需要调制到中频，再变换为射频进行发射。相应的，在接收侧，接收到的射频信号首先经过下变频成为中频信号，再经过中频解调得到正交双通道零中频信号，也就是模拟基带信号。从而获得与发射端相同的信号，达到信息传递的目的。

在理想情况下，或者说发射和接收双方的中频本振严格相参的情况下，针对如上所述的发射和接收过程通常可以正常工作。但是在实际的无线通信系统中，由于收发双方的中频本振通常是不可能严格地在频率上和相位上得到同步的，同时由于温度环境的变化也会导致收发双方的本振频率漂移(时变特性)，使得实际情况与理想情况差别很大，具体表现在发射端信号与接收端的载波频率存在偏差。这种偏差的影响在接收端经过中频解调后会残留到零中频基带信号上，造成基带信号的波形畸变，造成基带解调的误码率上升。对于这样的收发装置，需要进行中频本振的自动频率控制，并/或者对基带信号进行校正。以更好的恢复发射端的原始信号。

在第三代移动通信系统中，特别是在TD-SCDMA移动通信系统中，非相参的收发双方的中频本振将导致接受基带波形的畸变和时域压缩或者延迟，导致在基带处理中产生干扰，增强ISI(符号间干扰)，提高了解扩解调输出的误码率，接收机性能下降。

现有针对中频本振的自动频率控制方法，主要包括有锁相环AFC(自动频率控制，Auto Frequency Control)，以及基于各种鉴频器、鉴相器构成的自动频率控制方法。

但是，这些方法主要是基于硬件的估计方法，由于TD-SCDMA的一大优势在于使用软件无线电的方法作为信号处理的手段，因此使用硬件的自动频率控制不适应TD-SCDMA的高度灵活性。

因此本发明提出采用软件对载波偏差进行估计的方法，以实现自动频率偏差估计、自动中频频率控制和基带信号的载波偏差校正。从而得到与硬件AFC相同的性能，这样既节约了成本，同时也提供了在不同中频平台上应用的可能性，具有高度灵活性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用软件方法对中频偏差进行估计的方法和装置，实现自动中频偏差估计和对接收基带信号的载波偏差校正。

为达到本发明的目的，我们提供一种无线通信系统的载波偏差校正方法，包括如下步骤：a)接收时隙基带信号；b)根据基带信号估计移动终端和无线基站之间的相位偏移量，根据此相位偏移量和码片时间间隔计算载波频率偏差估计量；c)根据载波频率偏差估计量，进行载波偏差校正。

根据本发明的另一个方面，我们提供一种无线通信系统的载波偏差校正装置，其连接在收发信设备的混频器和基带处理器之间，用于根据移动通信系统的时隙信号采样，根据码片间隔来计算载波频率偏差估计，然后根据载波偏差估计量，对接收的基带信号进行载波偏差校正。

所述的装置，所述载波偏差估计装置包括：载波偏差估计模块和载波偏差校正模块，其中所述载波偏差估计模块用于接收来自时隙信号的采样，在一定的码片时间间隔内计算载波频率偏差，并将该偏差输出到载波偏差校正模块；所述载波偏差校正模块通过得到的载波偏差估计量，对接收的基带信号进行载波偏差校正。

所述的装置，其中所述载波偏差估计装置进一步包括载波预校正模块，其连接在基带处理器和混频器之间的发射通道上，同时与载波偏差估计模块连接，接收载波偏差估计模块输出的载波偏差估计，对要发送的基带信号进行载波预校正。

所述的装置，所述载波偏差估计装置包括：载波偏差估计模块和AFC模块，其中所述载波偏差估计模块用于接收来自时隙信号的采样，在一定的码片时间间隔内计算载波频率偏差，并将该偏差输出到AFC模块；所述AFC模块根据接收到的偏差，计算需要获得的频率校正值与控制电压的关系，并按照所得到的控制电压或者数字控制字控制压控振荡器，使混频器的本振频率更接近发射机的本振频率。

所述的装置，所述载波偏差估计装置包括：载波偏差估计模块、AFC模块和载波偏差校正模块，其中所述载波偏差估计模块用于接收来自时隙信号的采样，根据一定的码片时间间隔内计算载波频率偏差，并将该偏差输出到AFC模块和载波偏差校正模块；所述载波偏差估计模块通过得到的载波偏差估计量，对接收的基带信号进行载波偏差校正；所述AFC模块根据接收到的偏差，计算需要获得的频率校正值与控制电压的关系，并按照所得到的控制电压或者数字控制字控制压控振荡器，使本振频率更接近发射机的本振频率。

由此可知，本发明提供一种使得移动终端侧中频本振保持与无线基站侧中频本振频率一致，并对基带信号进行校正的方法和装置，不同的在于使用软件无线电的思想，使用软件对移动终端和无线基站的载波偏差进行估计，并可以实现参数可调整，适合于不同中频的终端进行AFC和基带信号的载波偏差校正。本发明方法简单，使用软件实现，由于本发明方法实现在基带信号上，所以计算量小，灵活性好，性能良好，不需要硬件鉴频器，鉴相器，或者锁相环，成本低。

附图说明

图1为发射机原理框图；

图2为本发明第一实施例的接收机原理框图；

图3为本发明第二实施例的接收机原理框图；

图4为本发明第三实施例的接收机原理框图；

图5为本发明第四实施例的接收机原理框图；

图6为实现本发明的载波偏差的方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图来说明本发明的具体实施例。

需要说明的是，本发明的方法和装置可以应用于接收端的下行信道，如TD-SCDMA系统的终端的DwPTS(下行引导时隙)，也可以应用于基站接收的上行时隙信道(UpPTS)。本发明的实施例主要以移动终端接收端的下行信道的DwPTS时隙信号为例来进行说明，但是该实施例并能不作为对本发明的限定。

图1所示为发射机原理框图，在图1中，S(t)为信源模拟复基带信号，经过混频器与本振混频，得到中频调制带限信号g(t)，将其送入射频模块进行上变频和功率放大，然后进行发射。

假设发射机本振中心频率为ω₀，输出信号幅值为A，则其中发射机中频调制信号可表示为：

$g\left(t\right)=S\left(t\right)A{e}^{j{\mathrm{\ω}}_{0}t}$

图2为本发明第一实施例的接收机原理框图，在图2中， $\mathrm{gr}\left(t\right)=S\left(t\right)A_1{e}^{j{\mathrm{\ω}}_{0}t}$ 表示为接收机中频接收信号，将其输入混频器，进行正交解调后，得到零中频模拟基带信号Sr(t)。设接收机本振频率为ω₁，则：

$\mathrm{Sr}\left(t\right)=\mathrm{gr}\left(t\right)A_2{e}^{-j{\mathrm{\ω}}_{1}t}=S\left(t\right)A_1{e}^{j{\mathrm{\ω}}_{0}t}{A}_2{e}^{-j{\mathrm{\ω}}_{1}t}$

理想情况下，ω₀＝ω₁，因此可以完全恢复发射端发送的信号，即：

$\mathrm{Sr}\left(t\right)=\mathrm{gr}\left(t\right)A_2{e}^{-j{\mathrm{\ω}}_{1}t}=S\left(t\right)A_1{e}^{j{\mathrm{\ω}}_{0}t}{A}_2{e}^{-j{\mathrm{\ω}}_{1}t}=A_1{A}_2$

然而在实际情况中，不存在频率特性完全一致的晶振，无线基站与移动终端的本振频率不可能全相参。导致ω₀≠ω₁，所以此情况下得到的模拟基带信号应当为如下形式：

式中Δω＝ω₀-ω₁为无线基站与移动台之间的频率偏差，Δ＝Δωt为此频率偏差在时间上表达出的相位差。

如上所述，由于本振频率特性不一致，会造成在接收侧零中频模拟基带信号中带有由频率偏差残留的调制量，造成基带信号呈调幅状畸变，如果直接由此基带信号进行相应的基带处理，该项偏差将累积到解扩后的符号数据，会造成解扩后的符号相位偏差从而降低解扩后符号的信噪比，提高了误码率。

因此，为正确地获得解扩数据，提高通信质量，必须要去除该频率偏差。

本发明使用软件来实现在接收端估计并去除Δω的功能。参见图2，从图2中可以看出，本发明的接收机除了包括RF(射频)模块、混频器、本振(该本振为压控振荡器)和基带处理器外，还包括一个载波偏差估计装置，该装置连接在混频器和基带处理器之间，用于根据移动通信系统的时隙信号采样，根据码片间隔来计算载波频率偏差估计，然后根据载波偏差估计量，对接收的基带信号进行载波偏差校正。该载波偏差估计装置包括：载波偏差估计模块、AFC模块和载波偏差校正模块，其中载波偏差估计模块用于接收来自模/数转换器(未示出)的下行引导时隙信号的采样，在一定的码片时间间隔内计算载波频率偏差，并将该偏差输出到AFC模块和载波偏差校正模块；而载波偏差估计模块通过得到的载波偏差估计量，对接收的基带信号进行载波偏差校正；而同时AFC模块根据接收到的偏差，计算需要获得的频率校正值与控制电压或控制字的关系，并按照所得到的控制电压采用D/A转换器(未示出)或者数字控制字控制压控振荡器，使本振频率更接近发射机的本振频率，这样，通过重复多次可以使本振频率与发射机的本振频率一致。

下面参见图6描述本发明的载波偏差估计方法的具体流程：

在步骤S61，接收96chip的下行引导时隙(DwPTS)信号，并采用8倍采样进行量化取值，这样得到

Sr(n)＝AS(n)e^jΔωnT＝AS(n)e^jnΔ        (1)

式中T为采样间隔，在TD-SCDMA系统中当采用8倍速率采样时，T＝0.09765625μs。

在步骤S62，在载波偏差估计模块中实现对Δ＝Δωt的估计，方法是：

对接收数字基带按其模值进行归一化，并取绝对值，得到：

对96*8个接收数据作如下运算：

其中N为采样点数，在TD-SCDMA中，N＝8

对应每个e(n)求得其相角ψ(n)，

ψ(n)＝arg[e(n)]                    (4)

为保证所得偏差量Δ的一致性和有效性，取平均：

在步骤S63，对接收基带信号去除相位偏差：

l(n)＝Sr(n)e^-jnΔ                  (6)

由此得到的去频偏信号l(n)送入后端数字基带处理，l(n)是已经去过频率偏差的基带信号。

在步骤S64，将所得结果换算为中频压控振荡器的控制电压或者控制字送入VCO(压控振荡器)作为控制电压，实现AFC。具体实现过程如下：设压控振荡器频率/电压斜率为k，根据所得采样间隔内的相位偏差：

可知：中频频率偏差为：

那么根据本振压控振荡器的特性k，可以得到控制电压为：

$v=\frac{\mathrm{\Δ\ω}}{k}---\left(9\right)$

将此控制电压送入到本振压控振荡器(VCO)的压控输入端，以调整本振频率。

在步骤S65，开始下一帧数据的接收，并重复以上步骤1-4。

在此需要说明的是，上述步骤中的步骤S63和S64不一定是顺序执行的，有时是并行执行的，有时根据不同的载波偏差装置的结构是分别执行的，这点可以在以下的几个实施例中理解。

下面具体说明实施本发明的几个优选实施例。

第一实施例

如图2所示，其中本振为压控振荡器，在此实施例中需要对压控振荡器进行控制，以进一步缩小接收机的本振和发射机的本振的差别。其具体的操作过程如下：

1.接收96chip的下行DwPTS信号，并采用8倍采样进行量化取值；

2.在载波偏差估计模块中实现对Δ＝Δωt的估计，将所得的结果输出到AFC模块和载波偏差校正模块；

3.载波偏差校正模块根据输入的载波偏差估计对接收的基带信号去除相位偏差，由此将去除偏差的信号送入后端数字基带器进行处理；

4.AFC模块根据输入的载波偏差估计换算为中频压控振荡器的控制电压或者控制字送入VCO作为控制电压，实现AFC。

第二实施例

如图3所示，该实施例中的本振为非可调频率振荡器，不能进行AFC，在图3中，所述载波偏差估计装置与第一实施例的载波偏差装置不同，因为其不能够进行AFC，所以该载波偏差装置中不包括AFC模块，具体操作过程如下：

1.接收96chip的下行DwPTS信号，并采用8倍采样进行量化取值。

2.在载波偏差估计模块中实现对Δ＝Δωt的估计，所得的结果输出到载波偏差校正模块。

3.载波偏差校正模块根据输入的载波偏差估计对接收基带信号去除相位偏差.由此将得到的去除偏差的信号送入后端数字基带器进行处理。

第三实施例

如图4所示，在本振的频率稳定特性很好的情况下，经过AFC可以不需要进行载波偏差校正，仅进行混频器的AFC控制就可以实现本发明的目的。因此，图4所示的载波偏差装置与第一实施例相比不需要载波偏差校正模块。其具体的操作过程如下：

1.接收96chip的下行DwPTS信号，并采用8倍采样进行量化取值；

2.在载波偏差估计模块中实现对Δ＝Δωt的估计，将所得到的结果输出到AFC模块；

3.将接收的基带信号直接送入后端基带处理器进行处理；

4.AFC模块根据输入的载波偏差估计换算为中频压控振荡器的控制电压或者控制字送入VCO作为控制电压，实现AFC。

第四实施例

如图5所示，为了在移动通信终端和基站双方更准确的校正载波偏差，同时在时分(TD)系统移动终端侧考虑收发过程，来进行载波偏差校正(移动终端收处理)和预矫正(移动终端发处理)，在图5所示的载波偏差校正装置中，与本发明第二实施例不同的是在基带处理器和混频器之间的发射通道上还有一载波预校正模块，其连接在基带处理器和混频器之间，同时与载波偏差估计模块连接，接收载波偏差估计模块输出的载波偏差估计，对要发送的基带信号进行载波预校正，这样使发射的载波基带信号与基站的载波的基带信号接近一致，以保证在基站侧的载波一致性。其具体的操作过程如下：

1.在接收时隙接收96chip的下行DwPTS信号，并采用8倍采样进行量化取值；

2.在载波偏差估计模块中实现对Δ＝Δωt的估计，将所得到的结果输出到接收通道载波偏差校正模块和发送通道载波预矫正模块；

3.载波偏差校正模块根据输入的载波偏差估计对接收基带信号去除相位偏差，由此得到的去除偏差的信号送入基带处理器进行处理；

4.在发射时隙，发送通道载波预矫正模块根据接收时隙中估计得到的载波偏差量对需要发送的基带信号进行载波预矫正，将得到的经过预矫正的基带信号送入中频调制，并在射频上发送。

在此需要说明的是，本发明的方法和装置虽然是针对下行引导时隙来描述的，但是该方法和装置同样可以适用于上行引导时隙(UpPTS)，如在上行引导时隙中，首先接收160chip(码片)的上行UpPTS信号，也就是说，该装置不仅可以使用在终端，而且也可以使用在基站。同时，本发明的方法描述采用8倍采样并根据单倍采样间隔计算相位偏差和频率偏差，但是该方法同样可以使用2/4/8/16/32/...倍采样，并根据2/4/8/..采样间隔对相位偏差和频率偏差进行计算。

综上所述，本发明的描述，详细说明和以上提到的附图并不是用来限制本发明的。对本领域的普通技术人员来说，在本发明的教导下可以进行各种相应的修改而不会超出本发明的精神和范围，但是这种变化应包含在本发明的权利要求及其等效范围之内。

Claims (16)

1.一种无线通信系统的载波偏差校正方法，包括下列步骤：

a)接收时隙基带信号；

b)根据时隙基带信号估计移动终端和无线基站之间的相位偏移量，根据此相位偏移量和码片时间间隔计算载波偏差估计量；

c)根据载波偏差估计量，对接收信号进行载波偏差校正。

2.如权利要求1所述的方法，所述步骤c)进一步包括：

c-1)根据所述载波偏差量，计算需要获得的频率校正值与控制电压或控制字的关系，并按照所得到的控制电压控制压控振荡器。

3.如权利要求1所述的方法，所述步骤c)进一步包括：

c-1)根据载波偏差估计量，对接收的基带信号进行载波偏差校正。

4.如权利要求1所述的方法，所述步骤c)进一步包括：

c-1)根据所述载波偏差量，计算需要获得的频率校正值与控制电压的关系，并按照所得到的控制电压控制压控振荡器；

c-2)根据载波偏差估计量，对接收的基带信号进行载波偏差校正。

5.如权利要求1所述的方法，所述步骤c)进一步包括：

c-1)根据载波偏差估计量，对接收的基带信号进行载波偏差校正；

c-2)在发射时隙，根据接收的载波偏差量对需要发送的基带信号进行载波预矫正，将得到的经过预矫正的基带信号送入中频调制，并在射频上发送。

6.如权利要求1-5中的任一权利要求所述的方法，其中时隙基带信号是下行引导时隙信号。

7.如权利要求1-5中的任一权利要求所述的方法，其中时隙基带信号是上行引导时隙信号。

8.如权利要求1-5中的任一权利要求所述的方法，其中所述码片时间间隔是单倍采样时间间隔，或是2/4/8/16/32倍采样时间间隔。

9.一种无线通信系统的载波偏差校正装置，其连接在收发信设备的混频器和基带处理器之间，用于根据移动通信系统的时隙信号采样，根据码片时间间隔来计算载波频率偏差估计，然后根据载波偏差估计量，对接收的基带信号进行载波偏差校正。

10.如权利要求9所述的装置，所述载波偏差估计装置包括：载波偏差估计模块和载波偏差校正模块，其中

所述载波偏差估计模块用于接收来自时隙信号的采样，在一定的码片时间间隔内计算载波频率偏差，并将该偏差输出到载波偏差校正模块；

所述载波偏差校正模块通过得到的载波偏差估计量，对接收的基带信号进行载波偏差校正。

11.如权利要求10所述的装置，其中所述载波偏差估计装置进一步包括载波预校正模块，其连接在基带处理器和混频器之间的发射通道上，同时与载波偏差估计模块连接，接收载波偏差估计模块输出的载波偏差估计，对要发送的基带信号进行载波预校正。

12.如权利要求9所述的装置，所述载波偏差估计装置包括：载波偏差估计模块和AFC模块，其中

所述载波偏差估计模块用于接收来自时隙信号的采样，在一定的码片时间间隔内计算载波频率偏差，并将该偏差输出到AFC模块；

所述AFC模块根据接收到的偏差，计算需要获得的频率校正值与控制电压或控制字的关系，并按照所得到的控制电压或者数字控制字控制压控振荡器，使混频器的本振频率更接近发射机的本振频率。

13.如权利要求9所述的装置，所述载波偏差估计装置包括：载波偏差估计模块、AFC模块和载波偏差校正模块，其中

所述载波偏差估计模块用于接收来自时隙信号的采样，根据一定的码片时间间隔内计算载波频率偏差，并将该偏差输出到AFC模块和载波偏差校正模块；

所述载波偏差估计模块通过得到的载波偏差估计量，对接收的基带信号进行载波偏差校正；

所述AFC模块根据接收到的偏差估计量，计算需要获得的频率校正值与控制电压或控制字的关系，并按照所得到的控制电压或者数字控制字控制压控振荡器，使混频器的本振频率更接近发射机的本振频率。

14.如权利要求9-13中的任一权利要求所述的装置，其中所述时隙基带信号是下行引导时隙信号。

15.如权利要求9-13中的任一权利要求所述的装置，其中所述时隙基带信号是上行引导时隙信号。

16.如权利要求9-13中的任一权利要求所述的装置，其中所述码片时间间隔是单倍采样时间间隔，或是2/4/8/16/32倍采样时间间隔。

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