CN1602609A - 频率误差估计 - Google Patents

Abstract

公布一种用于产生接收信号中频率误差的改进估计的技术，尤其是这种技术在无线网络单元的均衡电路中的应用。

Description

频率误差估计

技术领域

本发明涉及对通信系统中接收信号的频率偏移的校正，尤其适合于无线通信系统，但并不限于此。

背景技术

在已知的无线通信系统中，均衡器在接收机中用于在对接收信号做进一步处理之前将接收信号进行均衡。

但是在移动通信系统中，移动台可能会快速移动或具有载波偏移，使得接收机中接收的信号具有频率偏移。

为了对接收信号进行正确的处理，需要将该频率偏移去掉。特别地，该频率偏移需要在对接收信号进行均衡之前被去掉。

现有的无线通信系统已经使用了各种技术来除去频率偏移。例如，基于卡尔曼滤波器的递归估计器被用来去除频率偏移并均衡接收信号。

问题在于需要能够从快速移动的移动台或者有载波偏移的移动台接收信号。接收信号具有应该校正的频率偏移。

频率误差通常根据接收信号的样本来估计。该估计在信道质量较差的时候一般较差，而在信道质量提高时得到改善。当没有频率偏移并且信道条件接近接收机灵敏度水平时，频率校正算法不应使接收机的性能降级。尤其在采用EDGE无线系统的情况下，频率误差校正的问题变成了一个潜在的问题，因此这种改进是期望的。

用于频率估计的最大似然方法在M.路易斯和R.瑞吉安尼尼的“用于突发模式传输的全数字调制解调器中的载波频率恢复”，IEEE通信学报，1995年2/3/4月中进行了定义。另外澳大利亚专利AU664626描述了一种基于TOA(到达时刻)变化进行多普勒校正的系统。

本发明的目的是提供一种在诸如无线通信系统的通信系统中对接收信号的频率偏移进行估计和消除的改进技术。

发明内容

根据本发明，提供一种估计接收信号的频率误差的方法，包括：a)在时刻t接收信号；b)从所述信号中消除所述信号的频率误差的估计，从而产生时刻t的频率校正接收信号；c)均衡所述接收信号，其中均衡步骤引入n个样本的延迟，使得在时刻t-n产生均衡输出；d)根据均衡输出产生时刻t-n接收信号的频率误差的第一分量的估计；e)根据时刻t的频率校正接收信号重新计算第一和第二分量；f)根据重新计算出的第一和第二数值，分别估计时刻t+n和t+1的频率误差的第一和第二分量的值；和g)其中时刻t+n的估计频率误差的第一分量被用于产生时刻t+n接收的信号的频率校正信号。

产生第一分量的估计和重新计算第一分量的步骤(步骤d和e)可以使用已获得的判决向量：

估计第一分量的值的步骤(步骤h)可以使用如下预测：

$P(t+1)={(P^{-1}\left(t\right)+\frac{1}{{\mathrm{\δ}}_w^2}{x}^H\left(t\right)h^{*}{h}^{T}x\left(t\right))}^{-1}+E\left({\left|u\left(t\right)\right|}^2\right)$

从所述信号中消除时刻t+n的接收信号的频率误差估计的步骤可以采用如下预测：

y_r(t+n)＝y(t+n)e^{-jα(t+n|t)(t+n)}

该方法可进一步包含根据时刻t-1的均衡输出产生接收信号误差的第二分量的估计，其中重新计算步骤进一步包括重新计算第二分量，并且根据所述重新计算的值针对时刻t+1估计第二分量的步长(step)。

产生第一分量的估计和重新计算第一分量的步骤(步骤d和e)可以使用如下已获得的判决向量：

产生第一分量的估计和重新计算第一分量的步骤(步骤d和e)可以使用如下已获得的判决向量：

$P^{-1}(t+1)=P^{-1}\left(t\right)+\frac{1}{{\mathrm{\δ}}_w^2}{x}^H\left(t\right)h^{*}{h}^{T}x\left(t\right)$

，当u(t)＝0时。

从接收信号中消除频率误差估计的步骤可以包含用所述误差的预测旋转(rotate)接收信号。

根据本发明的另一个方面，进一步提供均衡电路，包括：用于以接收信号的频率误差预测旋转时刻t的接收信号，以产生时刻t的频率校正接收信号的旋转装置；均衡器，其具有n个样本的延迟，并且用于均衡时刻t的频率校正接收信号，以及用于产生时刻t+n的均衡接收信号；频率误差计算器，用于接收时刻t+n的均衡接收信号和时刻t的校正接收信号，并用于产生时刻t+n接收的信号的频率误差预测，其中频率误差计算器根据均衡器输出产生时刻t-n的接收信号频率误差的第一分量的估计，根据时刻t的频率校正接收信号重新计算该第一分量，并根据此重新计算的值估计时刻t+n频率误差的第一分量的值，其中该估计被旋转装置用来产生时刻t+n接收的信号的频率校正信号。

频率误差计算器进一步根据时刻t-1均衡器的输出产生接收信号频率误差的第二分量的估计，其中所说的第二分量被重新计算，并据此估计时刻t+1的频率误差的第二分量的值。

移动通信系统的单元可以包含这样的均衡电路。尤其是，收发基站可以包括这样的电路或者实现所定义的方法。

附图说明

图1示出了本发明的一个优选实施例。

具体实施方式

参见图1，下面参考一个特定的但不具有限制性的例子来说明本发明的一种示例性实现。这里参考无线通信系统，尤其是EDGE系统中接收机的一个例子对本发明进行描述。但是本发明具有更普遍的适用性，可以被用于任何需要在均衡器中消除频率偏移的通信系统。

图1针对EDGE应用示出了根据本发明的优选实施例的频率均衡器的框图。该框图包括前置滤波器10、混合器16、均衡器20以及频率误差估计器18。

通过线12向前置滤波器10的输入提供要在时刻t均衡的接收样本。然后滤波后的接收样本通过线14提供在前置滤波器10的输出上，如样本y(t)所示。

线14上时刻t的滤波接收样本作为第一输入提供给混合器16。通过线24上频率误差估计器18的输出提供混合器的第二输入，如下所述。由频率误差估计器18对线24上信号的产生将在下面作详细的描述。如下所述，对于线14上时刻t的接收样本，线24上的样本代表时刻(t-n)接收样本的频率误差，其中n代表均衡器的处理时延。该样本在图1中记为y_error(t-n)。

线22上混合器的输出形成了均衡器20的唯一输入和频率误差估计器18的第一输入。如下所述，线22上混合器22的输出y_r(t)代表消除了任何频率误差的接收信号的估计。但是正如下面的段落所表明的，该估计是基于时刻(t-n)执行的误差估计的时刻t信号频率误差的最优估计。

根据传统技术，均衡器20产生两个输出信号。线28上的第一输出信号代表均衡器的实际判决，而且形成了均衡器模块的输出。该输出通常包含接收数据的软信息，其中该软信息包含有关信号值的判决，以及有关判决(Max-Log-MAP)的确定性的一些质量信息。本领域的技术人员对均衡器的这个操作是很熟悉的。

在某些情况下，例如在维特比解码器中，线28上的输出仅当整个接收块已被处理时才能得到。在这种情况下，提供线26所代表的均衡器第二输出。线26上的该第二输出为频率误差估计器模块18提供‘试验性’判决。

这样，线26上均衡器的第二输出信号形成频率误差估计器模块18的第二输入。然而应该注意的是，图1的例子假设诸如维特比解码器的实现。但是如果均衡器没有用于返回数值的第二输出，则频率误差估值器18的输入可以直接从均衡器输出28取得。

根据本发明，根据线22和26上的输入，频率误差估计器在线24上产生输出，如下所述。

线12上的接收信号和线14上的滤波接收信号包含频率偏移。需要校正该接收频率偏移以达到对接收信号的正确处理。

如上所述，线24上混合器的第二输入y_error(t-n)代表接收样本y(t)的频率误差的最优估计，因而是需要从混合器16第一输入上的滤波接收样本中消除的频率误差。

线22上混合器16的输出代表调节后的接收样本。特别是，线22上的信号代表滤波后的线14上的接收信号，其中估计的频率误差已经被消除。

线22上校正过的样本y_r(t)被提供给均衡器20。均衡器20以已知方式均衡线20上的样本以提供线28上的均衡器输出，以便在接收机中其它地方进行进一步的处理，其中图1所示的均衡器模块构成该接收机的一部分。

均衡器的第二输出26是作为分立判决从均衡器的第一输出28上的实际判决抽出的判决。

根据第一输出28上的实际判决，输出26上的判决其实可能是相同的，例如在线28上的实际判决是Max-Log-MAP判决的情况下。这样，判决输出就给出实际传输数据的值，这是均衡器模块的功能。

然后频率误差估计器处理分别从线22和26上收到的信号，从而产生接收信号中频率偏移的估计以通过线24输入给混合器。

应该注意的是，图1的均衡器模块会在不需任何频率误差估计器的情况下均衡接收信号。但是由这样一个均衡器模块产生的判决的质量会比较低。

根据本发明，改变频率误差估计器18以便在线24上提供改进的估计，以用于从接收信号中消除频率误差。

在时刻t，频率误差估计器接收时刻t的校正接收信号y_r(t)，并从均衡器接收有关时刻(t-n)的接收信号的判决。然后频率误差估计器用这些值来提供时刻(t+n)的接收信号的频率误差估计。这样，由时刻t的频率误差计算出的误差被用于处理时刻(t+n)接收到的接收信号。如图1所示，在时刻t提供给混合器16的误差信号对应于时刻(t-n)计算出来的误差。

应该注意的是，均衡器模块具有一个处理时延，使得在一个延迟n之后提供与时刻t接收的样本有关的估计。n代表处理时延中的样本个数。这样，由频率误差估计器执行的频率误差估计是针对未来的估计。所以在接收到接收样本y(t)的时刻均衡器20的实际输出是x(t-n)。

这样，在时刻t，如果单纯依赖于均衡器20的完成的处理，只能得到时刻t-n的频率误差估计。

然而，如果在误差估计步骤中使用尽可能多的样本，频率误差估计器的效果会更好。由于这个原因，根据本发明，频率误差估计器还额外跟踪直至时刻t-1的所有样本的所有情况。这样，如图1所示，频率误差估计器接收均衡器20的实际输出x(t-n)以及最近的“中间”结果x(t-1)。

频率误差估计器对这两个值进行操作以产生时刻t的接收信号的频率误差的两个相应估计。

这两个频率误差估计是用下面给出的数学分析所定义的方程式产生的。

这样，由频率误差估计器产生的频率误差估计有两个分量。第一分量α是基于时刻t-n可得到的结果的最近误差估计，第二分量β基于时刻t-1的所有可得到的样本结果。很显然，第二分量包括部分处理结果，因为在它的估计中包括了从t-n到t-1的所有样本。

如下所述，第二分量β用于跟踪最可能的频率误差估计，而第一分量α是频率误差估计器实际输出给混合器以用于校正接收信号的信息。

这样，在第一个“预测”步骤中，频率误差估计器产生接收信号中频率误差的两种预测：即第一分量α和第二分量β。结果，在给定的时刻t，可以得到频率误差的两个估计。

频率误差校正器也接收时刻t的调整(或频率校正)样本y_r(t)。接收到该样本之后，频率误差估计器能够重新计算时刻t的最可能的频率误差估计。也就是说，频率误差信息的第一分量α和第二分量β被校正。

这样，在“校正”步骤中，产生校正过的第一分量α和第二分量β。

在该校正步骤之后，可得到时刻t的最优误差估计。然而，和该时刻相关的样本已经被均衡器20接收和处理，并用于产生上面讨论的已校正分量α和β。因而这些校正过的分量值不能被用于消除时刻t的频率误差。

因此，频率误差估计器为每分量做进一步的频率误差估计。对于第一分量α，该估计针对时刻t+n而进行，而对于第二分量β，该估计针对时刻t+1而进行。也就是说，估计是针对能得到下一个结果的时刻而进行的。

第一分量α(t+n)提供频率误差估计器的输出，因此提供将从接收信号y(t+n)中消除的频率误差估计。第二分量β(t+1)用于卡尔曼滤波器中卡尔曼过程的优化，而且只用于频率误差估计器内部，其不被输出。第二分量β的使用确保频率误差估计一直使用从均衡器输出的最新数据估计。

本发明可以参考对图1中均衡器模块操作的数学分析来做进一步的理解。

频率估计的问题可以用如下众所周知的方程式来表达：

y(t)＝h^Tx(t)e^jt+v(t)

其中h^Tx(t)是数据和信道冲击响应的卷积，y是接收样本，v是噪音成分。在频率估计中，角度将被估计。

这个问题是非线性的，因而很难得到一个优化的估计器。

通过以下设置，上面的方程式可以被分为线性和非线性两分量：

＝α+β，然后

y(t)＝h^Tx(t)e^jt+v(t)＝h^Tx(t)e^j(α+β)t+v(t)＝    /1/

h^Tx(t)e^jαt(1+jβt)+v(t)

这里通过假设e^jβt≈(1+jβt)实现了线性化步骤。假设白噪声的两侧都可以乘以e^-jαt，并且“部分线性”模型可以写成：

y(t)e^-jαt-h^Tx(t)＝jβth^Tx(t)+w(t)    /2/

其中＝α+β。

其中频率误差将被估计，因而对分量α和β都会进行估计。该数学模型定义了根据上述本发明的频率误差估计器的基础。

应该注意的是，上述等式的逆模型可以写为：

h^Tx(t)＝y(t)e^jt+v(t)

该模型也可以用于导出状态模型，而不是下面导出的模型。

下面从等式(2)出发描述状态模型的导出。

这个估计器被设计成在一个均衡器的情况下操作，上述的这种情况意味着有一个和所获得的判决有关的判决时延(n)。根据本发明的优选实施例，对时刻(t+n)进入均衡器的输入样本进行频率误差预测，然后使用(t-1)时刻能够得到的所有信息进行校正步骤。

所以，如上面所讨论的那样，有两个预测：(t+n|t)和(t+1|t)。

至于校正步骤，和时刻t的判决有关的样本基于时刻(t-n)的频率误差估计。

所以频率误差的状态模型可以表达为：

其中可以注意到，最后的等式是对普通卡尔曼方程式的补充。它用于定义方程1中非线性部分与线性部分之间的偏差。所以它的推导接近于扩展卡尔曼滤波器方法。

u(t)是一个频率噪声项，可以用于增强频率估计器的跟踪能力。

现在对频率误差估计器本身进行讨论。

频率误差估计器过程基于从卡尔曼滤波器得知的预测器-校正器方法。由于频率误差分量分为线性和非线性部分，所以需要一个额外的步骤来研究这些部分之间的关系。

首先来研究(t|t-1)＝α(t|t-n)+β(t|t-1)之间的关系。可以看到线性逼近e^jβt≈(1+jβt)仅当β很小的时候有效，而且其质量当β增大时会降低。所以通过采用方程式E((t|t-1))＝E(α(t|t-n)+β(t|t-1))的期望值，可以注意到，当(t|t-n)＝α(t|t-n)(在时刻t-n)时E(β(t|t-1))最小。

使用上面的信息，可以导出频率误差估计器(和校正器)。注意，需要频率误差的两个预测。一个可以用于旋转将在均衡器中使用的样本，另一个可以用于校正阶段。

因而要执行的必要步骤可以定义如下：

1.找到不同预测之间的频率差异并根据得到的判决向量校正频率误差估计。

2.产生新的预测：

$P(t+1)={(P^{-1}\left(t\right)+\frac{1}{{\mathrm{\δ}}_w^2}{x}^H\left(t\right)h^{*}{h}^{T}x\left(t\right))}^{-1}+E\left({\left|u\left(t\right)\right|}^2\right)$

3.用预测旋转接收样本：

y_r(t+n)＝y(t+n)e^{-jα(t+n|t)(t+n)}

然后y_r样本用于均衡器中。

在起始阶段，需要P(t_initial)和(t_initial)的估计，而且假定样本y_r会相应地进行旋转。

现在讨论上述方程式的简化。

1.可以看到，在u(t)＝0的情况下，时刻(t+n)的频率估计的方差可以被用在校正步骤中，而且计算可以被合并：

$P^{-1}(t+1)=P^{-1}\left(t\right)+\frac{1}{{\mathrm{\δ}}_w^2}{x}^H\left(t\right)h^{*}{h}^{T}x\left(t\right)$

2.如果n很小，β～0而且校正可以简化为：

Claims (12)

1.一种估计接收信号的频率误差的方法，包括：

a.在时刻t接收信号；

b.从所述信号中消除所述信号的频率误差的估计，从而产生时刻t的频率校正接收信号；

c.均衡所述接收信号，其中均衡步骤引入n个样本的延迟，使得在时刻t-n产生均衡输出；

d.根据均衡输出产生时刻t-n接收信号的频率误差的第一分量的估计；

e.根据时刻t的频率校正接收信号重新计算第一和第二分量；

f.根据重新计算出的第一和第二数值，分别估计时刻t+n和t+1的频率误差的第一和第二分量的值；和

g.其中时刻t+n的估计频率误差的第一分量被用于产生时刻t+n接收的信号的频率校正信号。

2.根据权利要求1的方法，其中产生第一分量的估计和重新计算第一分量的步骤(步骤d和e)使用已获得的判决向量：

3.根据权利要求1或2的方法，其中估计第一分量的值的步骤(步骤h)使用预测：

$P(t+1)={(P^{-1}\left(t\right)+\frac{1}{{\mathrm{\δ}}_w^2}{x}^H\left(t\right)h^{*}{h}^{T}x\left(t\right))}^{-1}+E\left({\left|u\left(t\right)\right|}^2\right).$

4.根据权利要求1到3中任何一个的方法，其中从所述信号中消除时刻t+n接收信号的频率误差估计的步骤使用预测：

y_r(t+n)＝y(t+n)e^{-jα(t+n|t)(t+n)}。

5.根据前述任何权利要求的方法，进一步包含

根据时刻t-1的均衡输出产生接收信号误差的第二分量的估计，其中重新计算步骤进一步包括重新计算第二分量，并且根据所述重新计算的值针对时刻t+1估计第二分量的步长(step)。

6.根据从属于权利要求2的权利要求5的方法，其中产生第一分量的估计和重新计算第一分量的步骤(步骤d和e)使用已获得的判决向量：

7.根据权利要求6的方法，其中产生第一分量的估计和重新计算第一分量的步骤(步骤d和e)使用已获得的判决向量：

$P^{-1}(t+1)=P^{-1}\left(t\right)+\frac{1}{{\mathrm{\δ}}_w^2}{x}^H\left(t\right)h^{*}{h}^{T}x\left(t\right)$

，当u(t)＝0时。

8.根据前述任何权利要求的方法，其中消除接收信号中频率误差的估计的步骤包含用所述误差的预测来旋转接收信号。

9.一种均衡电路，包括：

旋转装置，用于以接收信号的频率误差预测旋转时刻t的接收信号，以产生时刻t的频率校正接收信号；

均衡器，其具有n个样本的延迟，并且用于均衡时刻t的频率校正接收信号，以及用于产生时刻t+n的均衡接收信号；

频率误差计算器，用于接收时刻t+n的均衡接收信号和时刻t的校正接收信号，并用于产生时刻t+n接收的信号的频率误差预测，

其中频率误差计算器根据均衡器输出产生时刻t-n的接收信号频率误差的第一分量的估计，根据时刻t的频率校正接收信号重新计算该第一分量，并根据此重新计算的值估计时刻t+n频率误差的第一分量的值，其中该估计被旋转装置用来产生时刻t+n接收的信号的频率校正信号。

10.根据权利要求9的均衡电路，其中频率误差计算器进一步根据时刻t-1均衡器的输出产生接收信号频率误差的第二分量的估计，其中所说的第二分量被重新计算，并据此估计时刻t+1的频率误差的第二分量的值。

11.一种移动通信系统的单元，包括根据权利要求9或10的均衡电路。

12.一种移动通信系统的收发基站，包括根据权利要求9或10的均衡电路。

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