CN1564467A - 时分复用无线通信系统频率校正的装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种时分复用无线通信系统频率校正的装置和方法，其中装置包括三个相位估计器、两个频差估计器和一个判决器；其中的方法为：三个已知序列分别输入到三个相位估计器；第一和第二相位估计器估计得到的相位分别输入到第一频差估计器，得到一个频差序列；第二和第三相位估计器估计得到的相位输入到第二频差估计器，得到一个频差序列；两个频差序列输入到判决器中，利用上述两个频差序列点之间的距离大小来判决得到频差值。利用本发明中的装置和方法，可以提高频率估计和精确度。

Description

时分复用无线通信系统频率校正的装置和方法

发明领域

本发明涉及无线通信领域。具体的说，本发明涉及时分复用无线通信系统中频率估计和校正技术。

背景技术

在移动通信系统中，发送信号经过空中信道后被接收机捕获，在该过程中会引入衰落、延时及频差等。在接收端，接收信号中会存在频率差，主要是由信道多普勒效应和接收端混频引入的。多普勒引起的频率偏移可以达到几百赫兹，而由于发送端和接收端本振差别而引入的最大频差可以达到几百赫兹，甚至上千赫兹。而频率差值会对接收数据的正确解调有较大影响，因此在接收端必需进行频率校正和补偿。频率校正功能是由频率校正环路完成的，常用的装置有自动频率控制(AFC)和锁相环路，主要是通过调整本振的频率而实现的。频率校正环路是通过调整本振频率来对抗频率偏移，可以有效校正后继突发数据的频率偏移。但该校正并不会对当前接收数据有任何改善。因此，在数据解扩频之前，需要对当前接收数据进行频差补偿操作。而频率补偿则是根据估计得到的频率差值，对接收的数据进行补偿操作。

对频差的估计一般方法是用离散傅里叶变换的方法，并且和Rake接收机结合来实现。在美国专利《AUTOMATIC FREQUENCY CORRECTION METHODAND APPARATUS FOR TIME WIRELESS COMMUNICATIONS》中，提出了一种对3G系统的频率校正方法。但对于TD-SCDMA系统的情况，该方法会存在频率偏差估计精度不足的问题。本发明提出的方法可以实现精确的频率估计。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提出一种新的接收数据频率偏差的校正装置，并在此基础上提出一种校正的方法，能够自适应的对接收数据进行频率校正。

本发明中的时分复用无线通信系统频率校正装置，包括三个相位估计器、两个频差估计器和一个判决器；三个相位估计器的输入接已知序列；相位估计器1和相位估计器2的输出端接到频差估计器1；相位估计器2和相位估计器3的输出端接到频差估计器2；两个频差估计器的输出端接判决器的输入端。

本发明中的时分复用无线通信系统频率校正的方法，步骤为：

2.1序列1、序列2和序列3三个已知序列分别输入到相位估计器1、相位估计器2、相位估计器3三个相位估计器；

2.2相位估计器1和相位估计器2估计得到的相位分别输入到频差估计器1中，得到一个频差序列1；相位估计器2和相位估计器3估计得到的相位输入到频差估计器2中，得到一个频差序列2；

2.3频差序列1和频差序列2分别输入到判决器中，利用上述两个频差序列点之间的距离大小来判决得到频差值；

2.4利用上述频差值对频率进行校正。

在上述方案中，序列1可以是上行导频码序列，序列2可以是接收的用户发送的第一帧中第一个子帧中的训练序列，序列3可以是接收的第一帧中第二个子帧中的训练序列。

在包括预校正、粗校正、精校正和跟踪校正四个阶段的时分复用无线通信系统频率校正的方法中，上述方案应用于精校正阶段。

利用本发明中的装置和方法，可以提高频率估计和精确度。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做详细的说明。

图1是TD-SCDMA通信系统的帧结构图；

图2是频率校正状态跃迁图；

图3是频率估计及补偿示意图；

图4是用户接入及业务传输图；

图5是粗校正过程图；

图6是相位差计算示意图；

图7是本发明中的方法的一个应用例流程图；

图8是跟踪校正过程图；

图9是本发明中的装置图。

具体实施方式

下面以TD-SCDMA系统为例对本发明进行描述。本专利技术并不仅仅局限于TD-SCDMA系统，也可以用于其它时分复用通信系统中。

图1是TD-SCDMA通信系统的帧结构。每帧由两个子帧组成，同一帧的两个子帧结构完全相同。每个子帧由7个等长时隙、一个上行导频时隙、一个下行导频时隙组成。每个用户在一个或多个时隙中进行数据传输。

图2是一个无线通信系统的频率校正状态跃迁图。一般地，对频率校正包括预校正、粗校正、精校正和跟踪校正四个阶段。

21是上行同步码的搜索过程。如果已经锁定用户的上行同步信号，则要对该接收信号进行频差估计，并对频率偏差进行初步校正。此阶段的校正过程称为预校正过程。在TD-SCDMA系统中，上行同步时隙包括128码片的上行同步码和32码片的保护时隙。

上行同步完成后，系统跃迁到22以进行频差的粗估计。以缩小后面精确估计的范围，并将估计结果传递给23进行精确估计。

在23状态，系统接收了一帧后，首先根据接收两个子帧的训练序列进一步进行频差的估计。并把估计的结果结合22估计结果对频差给出比较精确的频差估计。如果频差估计有效，则对接收数据进行频率补偿后再进入解调操作。然后进入频率校正的跟踪状态24。

在跟踪状态24，系统会不断的监视频差的变化，并进行校正。如果频率校正跟踪失败，则退回到精校正状态23。对频率偏差重新进行校正。

图3是频率估计及补偿示意图。一般地，接收信号经过低通滤波器31和A/D转换器32后分为两路信号；一路信号经过信道估计器36后，进入频差估计37，以对频差进行估计；另一路信号经过数据接收装置33后，对数据进行频差补偿34，然后进入数据解调阶段。在频率估计中，可以对不同时延的多径信号分别进行频率估计，也可以按照某种规则(如最大比合并、等增益合并等)，对多径信号进行合并后再进行频率估计。在频差补偿34，把频率估计结果直接应用于接收数据，频率校正后的接收数据将用于后面的数据解调等操作。该图只画出了频差估计结果直接对接收数据补偿的装置，在一些应用中，也可以把该频差值反馈到回路滤波器、压控振荡器(VCO)，以调整接收端本振频率，实现频率校正的过程。本发明中的装置针对的是频差估计部分，如图9。

图4是TD-SCDMA系统中一个用户从接入到业务信道传输的过程。在第i帧，接收机在位置41处成功检测到一个用户的导频信号。利用该导频信号，首先对该用户的频率进行预校正(如图5所示的过程)。再经过k-1帧后，同步过程完成，接收机在位置42处接收到用户发送的第一个业务数据帧。利用41处接收的序列和42处接收的已知序列进行频率的粗校正。随后在第二个子帧时隙43处接收到用户的另外一个业务数据序列。利用前面的已知序列和当前的业务数据序列进行精确校正。如果频率校正成功，则进入频率的跟踪校正阶段，随着用户的数据的不断传输，如后继的接收时隙44等，而不断修正对频率的估计结果。

图5是粗校正的流程。首先，根据该用户的导频序列(TD-SCDMA是128位)来估计接收序列的相位信息。设已知发送序列为S＝{s₁，s₂，...，s_n}，经过空中信道，对应接收端数据序列为R＝{r₁，r₂，...，r_n，...，r_n+W}，对多径信号进行处理(如最大比合并、等增益合并或选择最大能量多径等)后，得到接收采样信号为R′。发送序列S和接收序列R′分别进行相关运算，即M＝R′S＝Ae^jθ，上式中的θ就是求得的相位。设根据该用户的经过导频序列得到的相位为θ₁。如图5所示，经过t₁时间后，接收到该用户训练序列(在TD-SCDMA系统中是128位)。利用同样的方法，根据接收到的训练序列来估计相位信息。设经过训练序列得到的相位为θ₂。

接收的训练序列和上行导频序列的相位差为Δθ＝θ₂-θ₁，则在t₁时间内该用户的相位变化可以表示为 ${\mathrm{\Δ\θ}}^{\%}=2\mathrm{k\π}\±\mathrm{\Δ\θ},$ k是整数。可以用以下方法求得

$M_2{M}_1^{*}=A_2{e}^{j{\mathrm{\θ}}_2}{A}_1{e}^{-j{\mathrm{\θ}}_1}=A^{\′}{e}^{j({\mathrm{\θ}}_2-{\mathrm{\θ}}_1)}=A^{\′}{e}^{j\left(\mathrm{\Δ\θ}\right)}$ 或

$\frac{M_2}{M_1}=\frac{A_2{e}^{{\mathrm{j\θ}}_2}}{A_2{e}^{j{\mathrm{\θ}}_1}}{=A}^{\′\′}{e}^{j({\mathrm{\θ}}_2-{\mathrm{\θ}}_1)}=A^{\′\′}{e}^{j\left(\mathrm{\Δ\θ}\right)}$

计算的过程参见图6。

由于t₁时间很短，在此时间内频率差可以看做是定值。由于相位模糊，则得到的频差是由一系列频率点组成的，即f＝{f_-∞，...，f_-2，f_-1，f₀，f₁，f₂，...，f_∞}。利用预校正的频差以及上述估计的频差序列，选择一个最接近的频差作为当前信道的频差。

图7是本发明中的方法的一个应用实施例。本发明中的方法可以是独立的时分复用无线通信系统频率校正方法。在包括预校正、粗校正、精校正和跟踪校正四个阶段的时分复用无线通信系统频率校正的方法中，本发明中的方法用于精校正阶段。首先计算最初两个训练序列之间的相位差。求取相位差的过程和粗校正过程中相位差计算方法相同。相邻两个训练序列的时间如图4所示为t₂，设估计得到的相位差为 $\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}^{\%}=2\mathrm{n\π}\±\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}^{\′}$ n是整数。由于也存在相位模糊的问题，估计的频差值也是一个序列，即f′＝{f′_-∞，...，f′_-2，f′_-1，f′₀，f′₁，f′₂，...，f′_∞}。

可见，经过粗校正和精校正，由于分别存在相位模糊问题，分别得到了两个频差序列。又因为该估计频差经过了预校正过程，频差估计结果保持在一个较小范围之内，因此上述频率估计序列长度可以截断，表示如下

f＝{f_-M，...f_-1，f₀，f₁，...f_M}f′＝{f′_-N，...f′_-1，f′₀，f′₁，...f′_N}

上式中的M，N是整数。比较上述两个频差估计序列f，f′，则两个序列相邻最近的频差点就判决为该用户的频差值。

图8是跟踪校正的实现框图。

首先从补偿后的数据当中提取训练序列，与上一子帧训练序列进行相关。 $R_m=\underset{n\∈\mathrm{midamble}}{\mathrm{\Σ}}{Z}_m\left(n\right)Z_{m-1}\left(n\right),$ 其中Zm(n)表示第m个子帧训练序列的第n个符号。

其次，求出Rm的相位，Δθ＝atan(Im(R_m)/Re(R_m))。

再求出频差：Δf＝Δθ/(2πTs)，其中Ts为两个子帧之间的时间间隔。

可以设定1个阈值Y1，如果频差小于Y1，可以认为是抖动，不进行补偿。如果大于Y1，将求出的频差返频差补偿器，更新补偿参数。

图9是本发明中的装置示意图。

在不同时间顺序接收到已知数据序列1、数据序列2和数据序列3。数据序列1和数据序列2之间的时间间隔不同于数据序列2和数据序列3之间的时间间隔。这三个序列分别进行相位估计，由序列1和序列2估计得到的相位输入到频差估计器1中，得到一个频差序列1：f＝{f_-M，...f_-1，f₀，f₁，...f_M}。由序列2和序列3估计得到的相位输入到频差估计器2中，得到一个频差序列2：f′＝{f′_-N，...f′_-1，f′₀，f′₁，...f′_N}。上述两个频差序列分别输入到判决器中，利用上述两个频差序列点之间的距离来判决得到一个频差值。判决依据就是上述两个频差序列点之间最小距离所对应的频差。

Claims (4)

1、一种时分复用无线通信系统频率校正装置，包括三个相位估计器、两个频差估计器和一个判决器；三个相位估计器的输入接已知序列；相位估计器1和相位估计器2的输出端接到频差估计器1；相位估计器2和相位估计器3的输出端接到频差估计器2；两个频差估计器的输出端接判决器的输入端。

2、一种时分复用无线通信系统频率校正的方法，步骤为：

2.1序列1、序列2和序列3三个已知序列分别输入到相位估计器1、相位估计器2、相位估计器3三个相位估计器；

2.2相位估计器1和相位估计器2估计得到的相位分别输入到频差估计器1中，得到一个频差序列1；相位估计器2和相位估计器3估计得到的相位输入到频差估计器2中，得到一个频差序列2；

2.3频差序列1和频差序列2分别输入到判决器中，利用上述两个频差序列点之间的距离大小来判决得到频差值；

2.4利用上述频差值对频率进行校正。

3、权利要求2所述的时分复用无线通信系统频率校正的方法，其特征在于，在TD-SCDMA系统中，序列1是上行导频码序列，序列2是接收的用户发送的第一帧中第一个子帧中的训练序列，序列3是接收的第一帧中第二个子帧中的训练序列。

4、权利要求2所述的时分复用无线通信系统频率校正的方法，其特征在于，在TD-SCDMA系统中，还包括预校正、粗校正、跟踪校正步骤。

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