CN1592288B - Qpsk调制系统的自动频率控制设备和方法 - Google Patents

Abstract

一种QPSK调制系统的AFC(自动频率控制)设备，包括鉴频单元，用于用接收序列的相邻I和Q信号之间的频率区别来计算一个实部峰值，并用相邻I和相邻Q信号之间的频率区别来计算一个虚部峰值；误码检测单元，从接收序列中检测误码符号；和一个开关单元，用于在误码检测器的腔制下排除检测到的误码。还包括一个平均频差计算单元，用于计算不包含误码的接收序列的频差。

Description

QPSK调制系统的自动频率控制设备和方法

技术领域

本发明涉及一种QPSK(四相相移键控)调制系统的AFC(自动频率控制)，尤其是涉及一种能够通过计算排除了误码的频差来提高AFC的精确度的QPSK调制系统的AFC设备和方法。

背景技术

一般来说，当移动通信系统中的信道改变时，发送/接收频率也随之改变。因此，接收侧需要把频率调谐到发送侧所使用的相应的改变频率上。

更进一步，所述接收侧使用AFC设备检测所分配给信道的频率。另外，所述接收侧也使用AFC设备来防止由于多径衰落现象引起的接收灵敏度的降低。

常规AFC设备使用向量积型鉴频器计算相邻I和Q信号之间的频差，计算所计算频差的平均值，然后用所得到的平均值执行AFC。

在此方式中，所述常规AFC设备用接收到的训练序列码来计算频差，并用计算的频差执行AFC。然而，由于所述常规AFC设备计算包括误码训练序列的频差，这就会降低频差值的精确度并且降低所述AFC设备的性能。

发明内容

因此，本发明的一个目的是解决至少上述问题和其它所提到的目的。

本发明的另一个目的是消除误码的在频差值上的影响，并提高AFC的精确度。

为了全部或部分地至少达到上述目的，本发明提供了一种QPSK调制系统的新颖AFC设备，包括一个鉴频单元，其用于使用接收序列中的相邻I和Q信号之间的频率差来计算一个实部峰值，并使用在一个接收序列中的相邻I和相邻Q信号之间的频率差来计算一个虚部峰值；一个误码检测单元，用于从接收序列中检测误码。该设备还包括一个开关单元，用于在误码检测单元的控制下消除检测到的误码；和一个平均频差计算单元，用于计算不包含误码的接收序列的频差平均值。本发明还提供一种新颖的AFC方法。

该发明所具有的其它优点、目的、和特性，一部分将在下面随后的描述中阐明，一部分将对于本领域的普通技术人员来说，在细查下述内容的基础上变的显而易见，或从本发明的实践中学会得出。本发明的目的和优点可以如所附的权利要求书中特别指出的方式来实现并获得。

附图说明

本发明将参考下面的附图进行详细描述，其中相同的参考数字指代相同成分，其中：

图1是依照本发明的一个QPSK调制系统的AFC设备的方块图；

图2是一个双倍积型鉴频单元的概括图；

图3是一个平均频差计算单元的概括图；

图4是依照本发明的一个QPSK调制系统的AFC方法的流程图；

图5展示了通过双倍积型鉴频单元在相邻码字之间输出的实部和虚部峰值；

图6图示了实部峰值、虚部峰值与相邻码间的频差之间的关系；和

图7图解了一个误码判决区域。

具体实施方式

在本发明中，AFC设备用一个双倍积型鉴频单元用相邻符号的I和Q信号之间的频率区别来计算一个实部峰值，用相邻I信号和相邻Q信号之间的频率区别来计算一个虚部峰值，用计算得到的两种类型峰值来计算输入信号的频差，并用计算得到的频差执行AFC。

另外，依照本发明，检测没有落在判决区域中的接收码元，然后排除所检测到的码元来计算一个频差。

现在转到图1，依照本发明的一个QPSK调制系统的AFC设备的方块图。如所示，QPSK调制系统的AFC设备包括一个双倍积型鉴频单元100，其用来接收一个QPSK型输入序列，顺序使用用相邻I和Q信号的乘积计算一个实部峰值，并使用用相邻I信号的乘积和相邻Q信号的乘积顺序计算一个虚部峰值；一个误码检测单元200，用于用实部和虚部峰值检测一个误码符号，并输出一个控制信号来根据检测的误码符号排除一个实部峰值和一个虚部峰值；一个开关单元300，用于根据控制信号选择性的旁路从双倍积型鉴频单元100输出的实部和虚部峰值；和一个平均频差计算单元400，用于计算从开关单元300输出的实部峰值的平均值和虚部峰值的平均值，并用计算得到的实部峰值的平均值和虚部峰值的平均值计算输入序列的一个平均频差。

参考图2，所述双倍积型鉴频单元100包括第一单级型鉴频器，其用于用相邻I和Q信号的乘积计算一个实部峰值；和第二单级型鉴频器，其用于用相邻I信号的乘积和相邻Q信号的乘积计算一个虚部峰值。

所述第一单级型鉴频器包括一个第一延迟单元110，用于延迟一个输入I信号一定量时间；一个第一乘法器120，用于相乘在第一延迟单元110延迟的I信号和一个输入的Q信号；一个第二延迟单元130，用于延迟一个输入Q信号一定量时间；一个第二乘法器140，用于相乘在第二延迟单元130延迟的Q信号和所述输入I信号；和一个第一加法器150，用于计算第一乘法器120与第二乘法器140输出之间的一个差值，并输出一个实部峰值(r_c(t)。

所述第二单型鉴频器包括一个第三乘法器160，用于相乘输入的I信号和延迟了一定量时间的I信号；一个第四乘法器170，用于相乘输入的Q信号和延迟了一定量时间的Q信号；和一个第二加法器180，用于计算第一乘法器160和第二乘法器170的输出，并输出一个虚部峰值(r_s(t))。所述一定量时间表示一个码元周期。

参考图3，所述平均频差计算单元400包括峰值平均计算单元，用于用矢量和方法来计算输入序列的一个实部和虚部峰值的平均值；和一个频差输出单元(未示出)，用于用计算得到的实部和虚部峰值的平均值计算输入序列的一个平均频差(Δf_off)。

所述峰值平均计算单元包括第一加法器410和第二加法器420，分别用于用矢量和方法把从开关单元300输出的实部和虚部峰值加到实部和虚部峰值的平均值上；和一个第一平均计算器430，用于用一个从第一加法器410输出的值输出实部峰值平均值，并把该实部峰值平均值提供给第一加法器410；和一个第二平均计算器440，用于用一个从第二加法器420输出的值输出虚部峰值平均值，并把该虚部峰值平均值提供给第二加法器420。

现在描述上面所提及的QPSK调制系统的AFC设备的操作。

图4是依照本发明的一个QPSK调制系统的AFC方法的流程图。在执行AFC中，采用发送端和接收端都知道的训练序列。例如，在TD-SCDMA(时分同步码分多址)系统中，采用144片的一个训练序列。

当144片的训练序列以一种QPSK复码元形式输入时，双倍积型鉴频单元100计算相邻码元的实部峰值(r_c(t))和虚部峰值(r_S(t))，并且该计算是在训练序列区域期间顺序执行的(步骤S10和S12)。因此，例如，如果一个输入序列是144-片训练序列，如图5所示，从双倍积型鉴频单元100输出的实部峰值(r_c(t))和虚部峰值(r_s(t))分别是143。

用相邻码元间的频率区别对实部峰值(r_c(t))的计算如下所述。当输入一个QPSK复码元的I信号(I(t))和Q信号(Q(t))时，双倍积型鉴频单元100的第一乘法器120相乘一个通过第一延迟单元110延迟一个码元周期(T)的I信号(前一码元的I信号)(I(t+T))和一个当前输入的Q信号。此外，第二乘法器140相乘一个通过第二延迟单元130延迟一个码元周期(T)的Q信号(前一码元的Q信号)(Q(t+T))和一个当前输入的I信号(I(t))。第一加法器150计算第一乘法器120与第二乘法器140输出之间的差值，并输出一个当前码元与前一码元之间的实部峰值(r_c(t))。

另外，用相邻码元间的频率区别的对虚部峰值(r_s(t))的计算如下所述。所述双倍积型鉴频单元100的第三乘法器160相乘当前输入的I信号(I(t))和一个通过第一延迟单元(110)延迟一个码元周期(T)的I信号(前一码元的I信号)(I(t+T))。第四乘法器170相乘一个当前输入的Q信号(Q(t))和一个通过第二延迟单元130延迟一个码元周期(T)的Q信号(前一码元的Q信号)(Q(t+T))。第二加法器180相加第三乘法器160的一个输出和第四乘法器170的一个输出，并输出一个当前码元与前一码元之间的虚部峰值(r_s(t))。

对于QPSK调制系统来说，如果输入频差是Δf，那么输入信号I(t)和Q(t)可以用下面所示的方程(1)和(2)表示：

I(t)＝sin(2πΔft+θ)--------------(1)

Q(t)＝cos(2πΔft+θ)--------------(2)

其中θ表示输入信号的相位。

当输入输入信号I(t)和Q(t)时，由双倍积型鉴频单元100输出的实部峰值(r_c(t))和虚部峰值(r_s(t))可以用下面所示的方程(1)和(2)表示：

r_c(t)＝Q(t)×I(t+T)-I(t)×Q(t+T)＝sin(2πΔft)-------(3)

r_s(t)＝I(t)×I(t+T)+Q(t)×Q(t+T)＝cos(2πΔft)-------(4)

其中“T”表示一个码元周期。

此外，通过下面所示的等式(5)可以用一个任意的频差实部峰值(r_c(t))和虚部峰值(r_s(t))计算频差。

$\mathrm{\Δf}=\frac{1}{2\mathrm{\πT}}{\tan }^{-1}\left(\frac{r_c\left(t\right)}{r_s\left(t\right)}\right)---------\left(5\right)$

接下来，图6图示了实部峰值、虚部峰值与相邻码元间的频差之间的关系。

参考图5和6，对于一个144-片训练序列来说，通过双倍积型鉴频单元100可以计算出143个实部峰值(r_c(t))和143个虚部峰值(r_s(t))，并用143个实部峰值(r_c(t))和143个虚部峰值(r_s(t))来获得143个码元间频差(Δf)。

当144-片训练序列的143个实部峰值(r_c(t))和143个虚部峰值(r_s(t))在每个字符码元周期通过双倍积型鉴频单元100顺序输出时，如在图7中所示的，误差检测单元200基于每个QPSK码元的判决区域来检测一个误码符号(步骤S14)。判决区域是用来判决接收码元是否是正常的。因此，没有落在相应区域的码元被认为是误码。

如果用接收的特定码元计算的实部峰值(r_c(t))和虚部峰值(r_s(t))在下面所示的方程(6)的范围内，那么所述特定码元就被认为在判决区域之外。

$\mathrm{Tan}\left(\frac{r_c\left(t\right)}{r_s\left(t\right)}\right)>\mathrm{\&pi;}/4,$ $\tan \left(\frac{r_c\left(t\right)}{r_s\left(t\right)}\right)<-\mathrm{\&pi;}/4---------\left(6\right)$

方程(6)也可以表示为下面所示的方程(7)：

$\frac{r_c\left(t\right)}{r_s\left(t\right)}>1,$ $\frac{r_c\left(t\right)}{r_s\left(t\right)}<-1---------\left(7\right)$

从而，误差检测器200能够根据从双倍积型鉴频单元100输出的实部峰值(r_c(t))和虚部峰值(r_s(t))是否满足方程(7)的条件检测一个误码符号。

如果从双倍积型鉴频单元100输出的实部峰值(r_c(t))和虚部峰值(r_s(t))满足方程(7)的条件(步骤S16)，那么误码检测单元200就确定实部峰值(r_c(t))和虚部峰值(r_s(t))已经使用误码进行了计算，并控制开关单元300以便该实部峰值(r_c(t))和虚部峰值(r_s(t))不会被旁路。开关单元300在误码检测单元200的控制下断开，并消除所述实部峰值(r_c(t))和虚部峰值(r_s(t))(步骤S18)。

然而，如果从双倍积型鉴频单元100输出的实部峰值(r_c(t))和虚部峰值(r_s(t))不满足方程(7)的条件，那么误码检测器200就确定实部峰值(r_c(t))和虚部峰值(r_s(t))已经用正常码元进行了计算，并控制开关单元300以便所述实部峰值(r_c(t))和虚部峰值(r_s(t))被旁路。

开关单元300在误码检测单元200的控制下接通，并把该实部峰值(r_c(t))和虚部峰值(r_s(t))旁路到平均频差计算单元400。

然后，平均频差计算单元400用矢量和的方法相加从开关单元300输出的实部峰值(r_c(t))和虚部峰值(r_s(t))来计算一个实部峰值平均值(R_c(t))和一个虚部峰值平均值(R_s(t))(步骤S20)。

平均频差计算单元400还可以用如下所示的方程(8)使用相同的方法计算一个来自于所获得的实部峰值平均值(R_c(t))和虚部峰值平均值(R_s(t))的训练序列的平均频差(Δf_off)(步骤S22)：

$\left(\mathrm{\&Delta;}{f}_{\mathrm{off}}\right)={\tan }^{-1}\left(\frac{R_c\left(t\right)}{R_s\left(t\right)}\right)---------\left(8\right)$

所述AFC设备用从平均频差计算单元400输出的训练序列的平均频差(Δf_off)执行AFC(步骤S24)。在AFC设备中计算训练序列的平均频差(Δf_off)的过程中，使用误码计算的一个频差被排除以最小化在AFC中由误码引起的影响。

描述到此，依照本发明的QPSK调制系统的AFC设备和方法有许多优点。

也就是说，例如，第一，如果利用相邻码元的频率区别的实部和虚部峰值不出现在某一定的范围内，那么用于计算实部峰值和虚部的一个码元被确定为一个误码，从而可以简单地检测输入序列的误码。

第二，误码从一个输入序列中被检测到并计算除去误码的的输入字符的频差，由此，消除了误码在频差值上的影响并从而提高了AFC的精确度。

第三，用相邻I信号的乘积和相邻Q信号的乘积来计算在相邻I信号和Q信号之间的实部峰值，然后，用两种类型的峰值计算频差，从而得到更精确的频差值。

本发明可以用依照本说明书的教导进行编程的传统通用数字计算机或微处理器方便地实现，对那些熟练的计算机技术人员来说是很显然的。基于所披露内容的教导，熟练的编程人员能够容易的准备适当的软件编码，这对软件领域中的熟练的技术人员来说是很显然的。本发明也可以通过准备实用的专用集成电路或通过对常规的元件电路网络进行适当的互连来实现，这对本领域的熟练技术人员来说是很显然的。

本发明包括一个计算机程序产品，其是一种包括指令的存储介质，所述指令能够被用来对计算机编程使其执行本发明的处理。所述存储介质包括，但不限于，任何类型的盘，包括软盘、光盘、CD-ROMs、和磁光盘、ROMs、RAMs、EPROMs、EEPROMs、磁卡片或光卡片、或任何类型适于存储电子指令的媒体。

前述的实施例和优点仅仅是示范性的，不能被解释为用来限制本发明。当前教导可以很容易的应用于其它类型的装置。本发明的描述被认为是示例性的，并不限制权利要求的范围。对本领域熟练技术人员来说，在技术上的许多选择、修改、和变化是显而易见的。

Claims (17)

1.一种四相相移键控调制系统的自动频率控制设备，包括：

鉴频单元，用来使用在接收序列中的相邻I信号和Q信号的乘积来计算一个实部峰值，所述实部峰值是当前码元的Q信号与前一码元的I信号的乘积和当前码元的I信号与前一码元的Q信号的乘积之间的一个差值，和使用在所述接收序列中的相邻I信号和相邻Q信号的乘积来计算一个虚部峰值，所述的虚部峰值是通过相加当前码元的I信号与前一码元的I信号的乘积和当前码元的Q信号与前一码元的Q信号的乘积而获得的一个值；

误码检测单元，用于使用四相相移键控调制的判决区域来检测来自所述接收序列的误码符号，其中如果从所述鉴频单元输出的实部峰值和虚部峰值的比值属于不同于所述判决区域的区域，误码检测单元确定所接收的码元是误码；

开关单元，用于在误码检测单元确定用于计算该实部峰值和虚部峰值的码元是一个正常码元的情况下输出的用于旁路实部峰值和虚部峰值的控制信号的控制下，旁路从鉴频单元输出的实部峰值和虚部峰值，从而消除检测到的误码；和

平均频差计算单元，用于计算从开关单元输出的不包含所述误码的所述实部峰值的平均值和所述虚部峰值的平均值，并用计算得到的所述实部峰值的平均值和计算得到的所述虚部峰值的平均值之比值的反正切函数计算接收的序列的一个平均频差其中，所述自动频率控制设备使用所获得的平均频差执行自动频率控制。

2.如权利要求1所述的设备，其中所述的实部峰值和虚部峰值在每个码元周期被计算。

3.如权利要求1所述的设备，其中相邻码元之间的频差用下面的方程得到：

$\frac{1}{2\mathrm{\&pi;T}}\&CenterDot;{\tan }^{-1}\left(\frac{r_c\left(t\right)}{r_s\left(t\right)}\right)$

其中(r_c(t))是实部峰值，(r_s(t))是虚部峰值，和“T”表示一个码元周期。

4.如权利要求1所述的设备，其中所述的鉴频单元包括：

第一单级型鉴频器，用于用相邻I信号和Q信号的乘积来计算所述的实部峰值；和

第二单级型鉴频器，用于用相邻I信号的乘积和相邻Q信号的乘积来计算所述的虚部峰值。

5.如权利要求4所述的设备，其中所述第一单级型鉴频器包括：

第一延迟单元，用于延迟输入的I信号一定量时间；

第一乘法器，用于相乘在第一延迟单元延迟的I信号和一个输入的Q信号；

第二延迟单元，用于延迟输入的Q信号一定量时间；

第二乘法器，用于相乘在第二延迟单元延迟的Q信号和所述输入的I信号；和

第一加法器，用于计算第一乘法器输出与第二乘法器输出之间的差值，并输出所述实部峰值。

6.如权利要求5所述的设备，其中所述一定量时间是一个码元周期。

7.如权利要求5所述的设备，其中所述第二单级型鉴频器包括：

第三乘法器，用于相乘输入的I信号和延迟了一定量时间的I信号；

第四乘法器，用于相乘输入的Q信号和延迟了一定量时间的Q信号；和

第二加法器，用于计算所述第一乘法器和第二乘法器的输出，并输出一个虚部峰值。

8.如权利要求7所述的设备，其中所述一定量时间是一个码元周期。

9.如权利要求1所述的设备，其中不同于所述判决区域的区域包括区域和

其中(r_c(t))表示实部峰值，(r_s(t)表示虚部峰值。

10.如权利要求1所述的设备，其中如果从鉴频单元输出的实部峰值与虚部峰值的比值小于-1或大于1，误码检测单元就确定用于计算该实部峰值和虚部峰值的码元是一个误码，并输出一个用于断开实部峰值和虚部峰值的控制信号到所述开关单元。

11.如权利要求10所述的设备，其中如果从鉴频单元输出的实部峰值与虚部峰值的比值不小于-1也不大于1，所述误码检测单元就确定用于计算该实部峰值和虚部峰值的码元是一个正常码元，并输出一个用于旁路实部峰值和虚部峰值的控制信号到开关单元。

12.如权利要求1所述的设备，其中所述平均频差计算单元用矢量和方法分别相加通过开关单元旁路的实部峰值和虚部峰值和上一个实部峰值和上一个虚部峰值，并计算一个实部峰值平均值和一个虚部峰值平均值。

13.如权利要求1所述的设备，其中所述接收序列是一个接收的训练序列。

14.一种四相相移键控调制系统的自动频率控制方法，包括：

用一个接收的训练序列的相邻码元的乘积来计算一个码元周期的实部和虚部峰值，所述实部峰值是当前码元的Q信号与前一码元的I信号的乘积和当前码元的I信号与前一码元的Q信号的乘积之间的一个差值，所述的虚部峰值是通过相加当前码元的I信号与前一码元的I信号的乘积和当前码元的Q信号与前一码元的Q信号的乘积而获得的一个值；

检查实部峰值与虚部峰值的比值是否属于四相相移键控调制的判决区域；

如果所述比值属于所述区域，则旁路该实部峰值和虚部峰值；

用旁路的实部峰值和虚部峰值计算接收的训练序列的一个频差，包括：通过矢量和方法把旁路的实部和虚部峰值分别相加到上一个实部和虚部峰值上，并计算一个实部峰值平均值和一个虚部峰值平均值，和通过用一个实部峰值平均值与虚部峰值平均值的比值反正切函数来计算接收的训练序列的一个平均频差；和

使用经计算所述频差而获得的平均值执行自动频率控制。

15.如权利要求14所述的方法，其中所述实部峰值是当前码元的一个Q信号与前一码元的一个I信号的乘积和当前码元的一个I信号与前一码元的一个Q信号乘积之间的一个差值。

16.如权利要求14所述的方法，其中所述虚部峰值是通过相加当前码元的一个I信号与前一码元的一个I信号的乘积和当前码元的一个Q信号与前一码元的一个Q信号的乘积获得的一个值。

17.如权利要求14所述的方法，其中如果该比值不属于所述区域，所述实部和虚部峰值被切断。

Images