CN1647475A - 无线通信系统的频率定时控制环路 - Google Patents

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Abstract

一频率定时控制环路包括频率控制环路以及定时控制环路，所述频率控制环路用于获取并跟踪接收到信号内的给定信号实例的频率，所述定时控制环路用于获取并跟踪相同信号实例的定时。定时控制环路为接收到信号处理数据采样以为信号实例提供指示数据采样内的定时误差的第一控制。频率控制环路包括频率鉴别器，用于为信号实例导出指示数据采样内的频率误差的第二控制，还包括一环路滤波器，用于对第一和第二控制滤波以提供第三控制。所述第三控制用于调节周期信号的频率和相位，所述周期信号(直接或间接地)用于将接收到的信号下变频并数字化以提供数据采样。

Description

无线通信系统的频率定时控制环路
背景
领域
本发明一般涉及数据通信，尤其是无线(例如CDMA)通信系统的频率定时控制环路。
背景
在无线通信系统中，从源发出的RF已调信号可以通过多个传播路径(例如直线路径和/或反射/散射路径)到达目的地处的接收机。在多径环路境中，给定接收机处的信号因此可以包括发送信号的多个实例。每个信号实例(即多径分量)可以与不同的多普勒频移相关，该频移源于接收机的移动(或更准确地源于接收机和与信号实例相关的发射机/反射源/散射源间的相对移动)。每个信号实例可以进一步与由传播路径确定的不同的到达时间相关联。
在接收机端，接收到的信号经调整并经数字化以提供数字采样。通常，使用雷克接收机以处理接收到的信号的多个信号实例的数据采样。雷克接收机包括多个指处理器，每个被分配以基于数据采样处理相应的信号实例。每个指处理器可以包括旋转器和内插器，用于相应地提供对分配的信号实例的频率和时间跟踪。特别是，信号实例的频率误差可以用频率控制环路估计，且旋转器可以用于从数据采样中去除该估计的频率误差以提供频率平移的数据采样。同样，信号实例的定时误差可以用定时控制环路估计，且内插器可以用于在信号实例最佳或接近最佳的采样定时处重新采样频率平移的数据采样(即与信号实例的最高信号对干扰和噪声比(SINR)相关的采样定时)以提供准时采样。每个指处理器内的准时采样可以有与去除的分配信号实例相关的频率和定时误差。
当接收到信号的SINR较低时(例如对于IS-95 CDMA系统)使用分开的频率和定时控制以单个跟踪给定信号实例的频率和定时提供了较好的性能。当是这种情况时，处理后的数据采样的SINR(即在旋转和内插之后)不十分对数据采样的旋转和内插那么敏感以移去频率和定时误差。然而，对于用于在高SINR操作的系统(诸如IS-856 CDMA系统)，旋转和/或内插可以导致处理后的数据采样的SINR方面的显著恶化，这会恶化性能。
因此领域内需要一种获取并跟踪给定信号实例的频率和定时的技术，该技术对高SINR操作环境被最佳化了。
概述
在此提供了获取并跟踪给定信号实例的频率和定时的技术，使得不需要对信号实例进行重新采样。这可以提供改善的性能，特别是在较高SINR操作环境中。
在一方面，提供了一频率定时控制环路，包括频率控制环路和定时控制环路。频率控制环路用于获取并跟踪接收到信号内的给定信号实例(例如最强的信号实例)的频率。定时控制环路用于获取并跟踪相同信号实例的定时并调整ADC采样时钟的相位，使得时钟的节拍与信号实例的“最优”采样时刻大致对齐。
在特定实施例中，定时控制环路包括定时鉴别器、第一环路滤波器以及传递增益元件。定时鉴别器(这可以实现为早晚检测器)为接收到的信号处理数据采样以提供定时误差度量。第一环路滤波器然后对定时误差度量进行滤波(例如基于二阶环路滤波器)。在一实施例中，传递增益元件对第一环路滤波器应用非线性函数以为该给定信号实例提供指示数据采样内的定时误差的第一控制(相位调整项)。
在一特定实施例中，频率控制环路包括频率鉴别器以及第二环路滤波器。频率鉴别器为信号实例导出指示数据采样内的频率误差的第二控制(频率误差度量)。第二环路滤波器然后(基于一阶环路滤波器)对第一和第二控制进行滤波以提供第三控制。该第三控制可以用于调整(1)用于将接收到的信号从RF下变频到基带的本地振荡器(LO)信号频率，以及(2)用于数字化经下变频信号以提供数据采样的时钟信号相位。在一般实现中，时钟信号由下分频LO信号而导出，在该情况下(1)和(2)等价。
本发明的各个方面和实施例在以下进一步详细描述。本发明还提供实现本发明的各个方面、实施例和特征的控制环路、方法、程序代码、数字信号处理器(DSP)、接收机单元、基站、终端、系统和其他装置和元件，如以下将详述。
附图的简要描述
通过下面提出的结合附图的详细描述，本发明的特征、性质和优点将变得更加明显，附图中相同的符号具有相同的标识，其中：
图1是能实现本发明的各个方面和实施例的接收机单元实施例框图；
图2是可以用于使用频率定时控制环路获取并跟踪给定信号实例频率和定时的DSP实施例框图；
图3是(即与外/内定时控制环路耦合的频率控制环路的)频率定时控制环路的模型图，该控制环路能获取并跟踪给定信号实例的频率和定时；以及
图4是用于频率定时控制环路的特定设计框图。
详细描述
图1是能实现本发明的各个方面和实施例的接收机单元100的实施例框图。接收机单元100可以在终端(例如蜂窝电话)或基站内实现。终端还可以被称为移动站、远程终端、接入终端或使用其他术语，且基站还可以被称为接入点、UTRAN或使用其他术语。接收机单元100还可以用于各种无线通信系统，诸如例如IS-95、cdma2000、IS-856、W-CDMA、TS-CDMA以及GPS系统。
在图1中，从一个或多个发射机(例如基站、GPS卫星、广播站等)发送的一个或多个RF已调信号由天线112接收并被提供给前端单元即前端电路。在该实施例中，前端单元包括放大器/滤波器114和118、下变频器116以及模数转换器(ADC)120。放大器/滤波器114用一个或多个低噪声放大器(LNA)级放大接收到的信号并对放大后的RF信号进一步滤波以去除噪声和寄生信号。下变频器116然后对滤波后RF信号实现从RF到基带的正交下变频(例如基于外差或直接下变频接收机设计)。下变频可以通过将滤波后的RF信号乘以(即混合)复数本地振荡(LO)信号以提供包括同相(I)分量和正交(Q)分量的复数基带信号。
放大器/滤波器118然后放大I和Q基带分量以获得合适的用于量化的信号幅度，并进一步对放大的分量进行滤波以去除寄生信号和带外噪声。ADC 120然后数字化经滤波的I和Q分量以提供相应的I和Q采样。在特定实施例中，ADC 120以2倍码片速率(即chipx2)的速率提供I和Q采样，对于一些CDMA系统码片速率为1.2288Mcps。每个chipx2采样周期的I和Q采样对在此被称为ADC采样或数据采样。数据采样被提供给数字信号处理器(DSP)130用于处理和/或可能被存储到采样缓冲器(未在图1中示出)。
DSP 130可以实现多种功能，诸如滤波、旋转、重新采样、解调、解码等。DSP 130还可以实现各种控制环路以为处理的每个信号实例提供合适的采样定时和频率控制，如下所述。DSP 130还实现雷克接收机，可以迸发地处理接收到信号内的多个信号实例。
信号发生器122将下变频器116使用的LO信号以及基准信号(例如chipx16信号)提供给码片时钟发生器124。信号发生器122可以包括频率准确信号源(例如压控温度补偿晶体振荡器(VC-TCXO))、分频器以及整数/分数N锁相环路(PLL)(用于频率合成)。码片时钟发生器124可以分频和/或缓冲基准信号以为ADC 120提供采样时钟。
控制器140引导接收机单元100的各个操作，且可以向DSP 130和信号发生器122提供各种控制。例如，控制器140可以提供第一控制集合以引导DSP 130以获取一个或多个信号实例的频率和定时，提供第二控制集合以引导信号发生器122以移到另一载波频率等。存储器142为控制器140和DSP 130提供数据和程序代码的存储。
在一般的RF接收机设计中，对接收的信号的调整一般由一个或多个放大器、滤波器、混合器等实现。另外，这些级可以以各种配置安排。为了简洁，各种信号调整级在图1示出中被集中放入各框中。还可以使用其他RF接收机设计并在本发明范围内。
如上所述，在多径环路境中，每个发送的信号可以通过多个传播路径被接收，且接收到的信号因此可以包括每个发送信号的多个实例。在接收机单元接收到的信号因此可以包括一个或多个发送信号的多个信号实例。每个信号实例与相应的幅度、频率和接收机单元的到达时间相关。
图2是DSP 130a实施例框图，被用于使用上述技术获取给定信号实例的频率和定时。DSP 130a可以实现雷克接收机，该接收机能迸发地处理多个信号实例。雷克接收机一般包括搜索器和多个指处理器。搜索器一般用于搜索接收到信号内较强的信号实例。每个指处理器然后可以被分配以处理特定信号实例，如由搜索器确定的。每个指处理器可以包括导频处理器210，用于处理数据采样以获得分配信号实例的导频。每个指处理器一般还包括用于数据解调的其他元件，这在图2内未示出，为了简洁。
图2示出DSP 130a内的导频处理器210。在导频处理器210内，来自ADC120的数据采样被提供给旋转器212，它实现数据采样与复数正弦信号的复数乘法以提供经频率平移(或旋转后)的数据采样。复数正弦信号的频率由频率控制Fctrl2确定。旋转器212可以用于移去数据采样内的相位旋转，这是由于处理的信号实例内的下变频频率误差和/或多普勒频移引起的。旋转器212使用的复数正弦信号频率是分配的信号实例的频率误差估计，如频率控制环路230所确定的。
回到图1，来自放大器/滤波器118的基带信号首先以合适速率经采样(例如chipx2)，然后经量化为有限数量的幅度电平。采样和量化的组合被称为模数(AD)转换，且由ADC 120实现。一般，ADC使用的采样定时可能不与给定信号实例的最优采样定时对齐。因此，ADC输出接着经过(线性)内插和抽取。内插和抽取的影响是改变了原始基带信号的“明显”采样时间。该过程可以被称为“重新采样”或“虚拟”采样。基于内插的重新采样应不同于“实际”采样，且由ADC在量化前实现。在ADC处的预量化采样以下被称为“ADC采样”。一般，重新采样时刻可以是ADC采样时刻偏移一定离散值(例如chipx8时段的倍数)。
定时控制环路用于跟踪处理信号实例的定时。该定时控制环路可以概念上被分解成“内”环路和“外”换。内定时控制环试图调节重新采样时刻(即重新采样器定时)，以匹配选择的信号实例的真实信号延时。外定时控制环路试图改变ADC采样时刻(即ADC采样定时)，以匹配真实信号延时，从而去除了为该信号实例重新采样的需要。常规的设计可以只使用内环路，这在以下描述。
内插器214可以重新采样经频率平移的数据采样以为处理的信号实例提供内插后的采样。重新采样基于重新采样器控制Tctrl而实现，该控制由定时环路滤波器240提供。重新采样器定时控制指明特定时间偏移tadj，用于重新采样经频率平移的数据采样，且一般被提供以特定时间分辨率(例如chipx8或Tc/8分辨率)。对于每个码片周期，内插器214提供“早期”内插后采样给解扩展和积分转储(I&D)元件222a，提供“晚”内插采样给解扩展I&D元件222c。准时内插采样是如果ADC采样时钟对齐到“最优”采样定时情况下ADC 120提供的数据采样的近似，“最优”采样定时是会产生信号实例的最高信号对干扰和噪声比(SINR)的定时。早晚内插后采样是从准时采样时刻起相应在-Tc/2以及+Tc/2处的数据采样的近似。
PN发生器216提供给每个解扩展I&D元件222一PN序列，该序列带有对应处理的信号实例到达时间的特定PN状态(或PN相位)。该PN状态可以由其搜索器在其对接收到信号内最强信号实例的搜索中确定，并提供给PN发生器216。每个解扩展I&D元件222用PN序列对其接收到的内插采样解扩展以提供解扩展后的采样，并进一步用用于该导频的信道化码覆盖解码后的采样。对于许多CDMA系统，导频的信道化码是零序列(例如Walsh码零)，在该情况可以省略解覆盖。每个解扩展的I&D元件222进一步在特定持续时间上累加(即积分)解扩展采样以提供复数导频码元PI+jPQ。对于诸如在IS-95和cdma2000中使用的那些连续导频结构，累加持续时间可以是信道化码长度的整数倍(即64·N，其中N是任何整数)。且对于门控导频结构诸如在IS-856和W-CDMA中使用的，累加持续时间可以对应每个导频突发脉冲串或导频突发脉冲串的一部分。对于IS-856，每个导频突发脉冲串在每个1024码片半时隙覆盖96个码片周期。
从准时内插采样导出的导频码元为频率控制环路230用于为信号发生器122导出频率控制Fctrl1和/或为旋转器212导出Fctrl2。尤其是，在频率控制环路230内，来自解扩展I&D元件222c的导频码元被提供给频率鉴别器并用于导出频率误差度量Ferr，这是被处理的信号实例频率内的瞬时误差。环路滤波器然后对频率误差度量滤波以提供频率控制Fctrl1和/或Fctrl2，这些控制被提供给旋转器212。频率控制环路230在以下详细描述。
从实时补偿采样导出的导频码元还被提供给导频滤波器228以及接收信号强度指示符(RSSI)232。导频滤波器228基于特定的低通滤波器的响应对导频码元滤波以提供经滤波的导频，这可以用于数据解调以及其他用途。RSSI 232处理导频码元以提供导频的信号强度估计(这还指示导频SINR，因为总噪声是已知的或可以被确定的)。导频强度估计被提供给控制器140，且可以用于基于频率定时控制环路为频率和时间跟踪选择特定信号实例。
从早晚内插采样导出的导频码元为定时控制环路用于为内插器214导出重新采样器定时控制Tctrl。定时控制环路可以实现延时锁定环路(DLL)或一些其他设计。来自解扩展I&D元件222a和222b的导频码元被提供给定时鉴别器(例如早/晚检测器)并用于导出定时误差度量Terr，这是为处理的信号实例的重新采样器定时内的瞬时误差估计(相对于最优采样器定时)。定时环路滤波器240然后对定时误差度量滤波并进一步量化环路滤波器输出以提供更新的重新采样器定时控制Tctrl。
对于图2内示出的实施例，定时鉴别器包括幅度平方器224a和224b和加法器226。幅度平方器224a和224b相应地从解扩展I&D元件222a和222b。每个幅度平方器224计算每个导频码元的能量EP为 E P = P I 2 + P Q 2 . 幅度平方器224a然后基于早内插采样提供导出的早导频能量EP，early，且幅度平方器224b基于晚内插采样提供导出的晚导频能量EP，late。加法器226然后从早导频能量中减去晚导频能量，并将两者之差(即EP，early-EP，late)提供给定时环路滤波器240。还可以为定时控制环使用其他类型的定时鉴别器，如领域内已知的。
来自定时鉴别器的输出(这是来自加法器226的定时误差度量Terr)然后由定时环路滤波器240滤波以提供指示ADC采样时刻以及该信号实例的“最优”采样时刻间的细精度定时误差tdiff。定时环路滤波器240然后量化细精度定时误差tdiff以提供粗精度时间偏移tadj，这用于重新采样频率转换后的数据采样。定时环路滤波器240然后将重新采样器定时控制Tctrl提供给内插器214，该控制指示该时间偏移tadj。
回到图1，带有fin的载波频率的接收到信号内的给定信号实例用带有fout的频率的LO信号经下变频(这是带有多个频率下变频级的外差接收机的“有效”下变频频率)。该信号实例产生的基带信号会有Δf的残留频率偏移(即频率误差)。每个信号实例可以有不同的多普勒频移，且因此可以与不同的输入频率fin相关联。由于对于所有信号实例使用相同的LO频率fout，则每个信号实例有不同的频率误差Δf。指处理器内的旋转器然后用于移去分配的信号实例的频率误差Δf。
每个信号实例还与接收机单元处的相应到达时间相关。给定信号实例的最优采样时刻可以表示为τin。接收到的信号在一些特定ADC采样时刻经采样，这些时刻表示为τout，可以或可以不与任何给定信号实例的最优采样时刻时间对齐。给定信号实例的ADC采样时刻和最优采样时刻之差τdiff可以由该信号实例使用的定时控制环路估计，且差可以经量化以提供时间偏移τadj。分配给处理信号实例的指处理器内的内插器然后用于对来自ADC的数据采样(或对来自旋转器的频率转换后数据采样)重新采样，这基于时间偏移τadj以提供在最优采样时刻可以获得的采样的估计。然而，由于定时差τdiff的量化，经内插的采样有Δτ的定时误差。
在传统设计中，一个频率控制环路可以用于将LO信号频率锁定到接收到信号内的一个信号实例的频率(例如最强信号实例)。每个要处理的单个信号实例的频率误差然后由相应的与分配的指处理器的旋转器一起操作的频率控制环路经估计并被移去。另外，延时锁定环路(定时跟踪环路)用于为要处理的每个信号实例导出并跟踪定时。
常规设计(只使用用于时间跟踪的内环路)在接收到信号的SINR较低时提供了较好性能，这一般对于设计成进发地发送到多个终端的CDMA系统为真。对于设计成在高SINR(例如大于0dB)操作的系统而言，诸如IS-856系统，重新采样会导致信号SINR的严重恶化，这会恶化解调和解码性能。如果ADC采样和最优采样时刻间的细精度定时之差tdiff被量化到粗(例如chipx8)时间分辨率以获得用于重新采样的时间偏移tadj，则会加剧恶化。实际上，可以示出重新采样定时的量化是采样定时内抖动以及导致性能恶化的主要原因。
在此提供获取并跟踪给定信号实例的频率和定时的技术，使得不需要对该选定的信号实例重新采样。这可以提供改善的性能，尤其是在高SINR操作环路境中。在一方面，频率定时控制环路包括频率控制环路并提供外定时控制环路。频率控制环路用于获取并跟踪选定接收到信号内的信号实例频率(例如最强信号实例)。外定时控制环路用于调节ADC采样时钟相位，使得它能与选定信号实例的“最优”采样时刻对齐。另外，每个指处理器可以运行其自己的内定时控制环路和旋转器，这确定了与该指处理器相关的信号实例的重新采样器定时和频移。
图3是频率定时控制环路300的模型图，它能获取并跟踪给定信号实例的频率和定时。频率定时控制环路300将频率控制环路310与内时间跟踪环路350通过外时间跟踪环路380耦合。
频率控制环路310包括频率鉴别器320、环路滤波器330以及VCO 340。在频率鉴别器320内，信号实例的载波频率fin可以由加法器322从LO频率fout中减去。频率差(即频率误差Δf)由比例缩放器324比例缩放一增益Gf。加法器322对图1内的下变频器建模，且比例缩放器324提供频率鉴别器的增益。频率鉴别器320提供一输出，它大致与瞬时频率误差Δf成比例。开关328对频率鉴别器输出的采样建模(例如对于门控导频，其中频率鉴别器输出只对每个导频突发脉冲串有效。
环路滤波器330接收并对频率鉴别器输出进行滤波。在一实施例中，环路滤波器330实现为一阶环路，并包括一个环路累加器，它包括寄存器338以及加法器336。频率鉴别器输出开始时由乘法器332经比例缩放一增益KL，且比例缩放值进一步由环路累加器累加。加法器334将累加器输出与相位纠正项θcor组合，该纠正项是从外定时控制环路导出的，且为与来自乘法器332的经比例缩放值的累加提供来自加法器334的输出。增益KL可以用于调整频率控制环路的跟踪带宽。
VCO 340包括从环路滤波器330接收并对输出进行比例缩放的乘法器342，以提供LO频率fout，其增益为Kv。增益Kv表示在信号发生器122内使用的实际VCO的传递增益(例如输出频率比输入电压)，以生成用于将接收到信号从RF下变频到基带的LO信号。
在图3示出的实施例中，外定时控制环路380包括分频器348、ADC采样器352、模(Mod)元件382以及传递增益元件390。对于CDMA系统，其中载波频率被选为码片速率的整数倍，分频器348可以用于将LO信号除以Kt，其中Kt＝fchip/fcarrier以获得带有fchip频率的码片速率时钟。
ADC采样器352基于码片速率时钟导出chipx2，且chipx2时钟用作ADC的采样时钟。该采样时钟与接收机时间基准tout相关，这可以用码片周期Tc经比例缩放以获得标准化的时间基准τout。ADC 120用采样时钟对基带信号采样以提供在接收机时间基准tout处的数据采样。由于采样时钟是码片速率的两倍，则基带信号可以被假设在无论何时tout是Tc/2的整数倍，或者τout是1/2的整数倍时被采样。
接收到信号内的每个信号实例有特定的到达接收机单元的到达时间，且进一步与最优采样时刻序列相关，每码片周期一个，这向解调器提供了最高SINR。因此，每个信号实例与最优时间基准fchip或标准化最优时间基准τin＝tin/Tc相关，使得当tin是Tc的整数倍或当τin是整数时，最优采样时刻对应这些时刻。
雷克接收机的每个指处理器维持内定时控制环路，该环路为指处理器正在处理的信号实例估计标准化接收机时间基准τout以及标准化最优采样时间基准τin间的定时差τdiff。对于给定信号实例，标准化接收机时间基准τout可能或可能不对应最优采样时间基准τin。因此，内插器被包括在每个指处理器内，且用于重新采样ADC的输出以导出内插的采样，这些采样是在最优采样时刻获得的数据采样的估计。对于线性内插器，在时刻τout＝n(Tc/2)获得的ADC采样对用于内插以获得内插的采样，这些采样是最优时刻τin＝n(Tc)处的数据采样估计。内插器是用特定时间分辨率设计的，这可以是码片周期的四分之一即Tc/8。在该情况下，定时差τdiff被量化到chipx8的分辨率以提供时间偏移τadj，用于确定内插的权值。
如图3示出，内定时控制环路350包括定时鉴别器360、环路滤波器370以及其他一起实现内定时控制环路的元件。在定时鉴别器360内，信号实例的最优采样时间基准τin由加法器由接收机时间基准τout以及时间偏移τadj减去以提供瞬时时间误差Δτ。该定时误差Δτ由比例缩放器364比例缩放一增益Gd。加法器362从ADC采样时钟和定时差τdiff量化而对定时误差建模，且比例缩放器364对定时鉴别器的增益建模。定时鉴别器360提供一输出，它大致与瞬时定时误差Δτ成比例。开关368是对定时鉴别器输出采样的建模。
环路滤波器370接收并对定时鉴别器输出滤波。在一实施例中，环路滤波器370被实现为二阶环路并包括两个环路累加器。第一累加器包括寄存器376a和加法器374a，且第二累加器包括寄存器376a和加法器374b。定时鉴别器输出开始时由乘法器372a和372b相应比例缩放c0和c1的增益。来自乘法器372b经比例缩放的值以及来自第一累加器的输出然后由第二环路累加器累加。环路滤波器370提供指示定时差τdiff的环路输出。
对于内定时控制环路，来自环路滤波器320的输出用于调节信号实例的重新采样时间。量化器378量化定时差τdiff到chipx8分辨率以提供时间偏移τadj，这为内插器214用于实现内插。
内定时控制环路是粗环路，因为(1)定时差τdiff量化到chipx8分辨率(这实际上导致最优采样时刻量化到相同chipx8分辨率)以及(2)使用内插导出在最优采样时刻处的数据采样估计。该粗内定时控制环路提供低SINR处较好的性能，但这可以导致在高SINR处的某些性能恶化。
外定时控制环路可以用于最小化高SINR处的性能损失，这通过调整对于给定信号实例接收到的基准τout接近最优采样时间基准τin。这可以通过使用外定时控制环路提供合适采样器定时而实现，使得接收到的信号直接由ADC在最优采样时刻采样，这避免了重新采样。
如果只有一个ADC集合用于对接收到的信号采样，接收机时间基准可以与单个信号实例的最优采样时间基准同步。在实施例中，接收机时间基准被操纵接近向最优信号实例的最优采样时间基准接近。由于带有分离频率和定时控制环路的常规设计可以提供较低SINR处的较好性能，只有最强信号实例的SINR超过特定阀值(例如4.5dB)，可以启用外定时控制环路。
在一实施例中，频率定时控制环路由扩展频率控制环路以包括外定时控制环路获得的定时误差估计而实现。环路提供ADC采样和最优时间基准间的定时差τdiff的估计。如果接收信号在chipx2被采样，则ADC采样时刻与最优采样时刻重合，如果
      τout＝τin(modulo 1/2)，
或等价地如果
      τdiff＝0(modulo 1/2)
标准化的定时定时误差τerr可以被定义如下：
      τerr＝τdiff mod 1/2
该定时误差τerr可以由图3内的外定时控制环路380内的模元件382生成，且可以被表示为-1/4和+1/4间的有符号数。外定时控制环路使用标准化定时误差τerr以生成相位调整项θcor，这可以与来自频率鉴别器的纠正项组合。这两项然后由环路滤波器330滤波并用于更新LO信号的频率和相位。
频率控制环路使用来自频率鉴别器的频率调整项以将LO信号频率锁定到接收到信号内的给定信号实例的载波信号。在获得频率锁定后，频率控制环路维持平均LO频率，该频率等于进入信号实例的频率，但信号实例和LO信号间的相位偏移在时间上以无偏的方式变化。在没有相位调整项情况下(常规时间跟踪)，相位偏移的行为是布朗运动。在启用了外时间跟踪环路情况下，相位调整项θcor操纵信号实例和LO信号间的残留相位偏移，使得ADC采样器时间基准τout与最优采样时间基准τin符合。因此，该信号实例不需要内插，因此可以为信号实例获得改善的SINR。
如图3示出，外定时控制环路380内的传递增益元件390从定时环路滤波器接收标准化定时误差τerr，并提供基于定时的相位调整项θcor。在一实施例中，元件390实现非线性传递函数Ψ(τerr)，使得能达到几个设计目的，如下描述。
相位调整项θcor引入在LO信号和信号实例间瞬时频率偏移，因为它驱动残留相位偏移到期望值。可以设计外定时控制环路，使得它在任何给定时间不引入太大频率误差，尤其是当外定时控制环路刚被开启时。如果定时误差τerr过大，这可以通过将相位调整项θcor的绝对值限制(或饱和)到特定最大值。这可以避免较大频率误差，尤其是过渡状态期间，这可能恶化解调性能。相反，如果定时误差过小，且对于SINR的影响可忽略，则相位调整项θcor可以被设定为零。这可以最小化或减少由于相位调整项引起的LO信号上的稳态频率抖动。
在一实施例中，相位调整项θcor可以表示为：
θ cor = K v - 1 Ψ ( τ err ) - - - ( 1 )
在一实施例中，定时误差τerr的传递函数Ψ(τerr)，由以下表达式给出：
Figure A0380790400191
如等式(2)示出的，当定时误差的幅度不太大也不太小时，函数Ψ(τerr)在定时误差τerr上是线性的。在特定实施例中，以下值可以用于等式(2)的参数：τmin＝1/16以及GP|τerr|＝20。还可以使用其他设计，且在本发明范围内。
可以分析频率定时控制环路的性能，且诸如跟踪带宽以及稳态抖动的性能度量可以由领域内的技术人员以已知的方式被确定。
在许多接收机实现中，ADC采样时钟被联系到LO频率。因此，改变ADC采样器定时在RF/IF下变频混合器中引入了瞬时过渡频率误差。而且，公共本地振荡器以及公共采样器由雷克接收机的所有指处理器共享。因此，外定时控制环路影响所有指处理器的采样时刻。因此，外环路可以在特定指处理器上被激活(即一个路径/信号实例)，而内环路可以在每个信号实例上独立地激活/去激活。换而言之，内定时控制环路可以独立地为每个指处理器操作。由于外定时控制环路主要在高SINR处产生性能增益，可以操作该环路，使得ADC采样器为带有最高SINR的信号实例最优化。
虽然内定时控制环路几乎独立于频率控制环路，但外定时控制环路与频率控制环路以及单个指处理器操作的内环路紧密耦合。必须避免这些不同控制环路间不需要的交互(正反馈)，这会导致不稳定性。
在一实施例中，只有当在一个指处理器的SINR合理地较高情况下(以证明高性能增益)，稳定性可以通过启用外定时控制环路而保证。为了保证环路稳定性，与相位调整项θcor相关的频率定时控制环路的跟踪带宽fTR，out可以被设计成小于(1)频率控制环路的跟踪带宽fTR，f，以及(2)内定时控制环路的跟踪带宽fTR，in。如果跟踪带宽fTR，out小于跟踪带宽fTR，f和fTR，in两倍甚至更多，可以保证稳定性。在特定设计中，跟踪带宽fTR，out可以被设计成比跟踪带宽fTR，f和fTR，in幅度小几个数量级。
对于带有门控导频传输方案的IS-856系统内的前向链路，频率控制环路可以被设计成在有高SINR处100Hz数量级上的跟踪带宽，且有低于10Hz的标准离差的稳态频率抖动。
在需要平衡冲突设计要求情况下，如图2内示出，定时误差τerr以及相位调整项θcor间的传递函数的非线性函数Ψ()的选择是源于需要减少频率抖动。当接收机时间基准τout是接近最优时，τerr的较小值的函数Ψ()内的死区(即Ψ(τerr)＝0，对于|τerr|≤τmin)保证了γP＝0。当接收机时间基准τout远离最优时间基准τin时(即在外定时环路操作的转换时段期间)，τerr()的较大值的函数Ψ()的饱和(即Ψ(τerr)＝sign(τerr)·GP|τerr|，对于|τerr|≥τmax)用于限制频率误差的峰值，该频率误差是源于定时环路滤波器输出的稳态抖动以及大的相位调整项。
频率定时控制环路可以基于各种设计实现。一种特定设计在以下描述。
图4是频率定时控制环路400的框图，可以用于获取和跟踪给定信号实例的频率和定时。频率定时控制环路400包括频率控制环路230a以及定时环路滤波器240a，这些是图2中相应的频率控制环路230和定时环路滤波器240的一实施例。
频率控制环路230a包括耦合到环路滤波器430的频率鉴别器420。频率鉴别器420从解扩展I&D元件222c接收连续复数导频码元对PI(i)+jPQ(i)以及PI(i-1)+jPQ(i-1)，这是基于准时内插采样而导出的。频率鉴别器420然后为这些导频码元导出频率误差度量Ferr。尤其是，在频率鉴别器420内，乘法器422a接收并将先前导频码元PQ(i-1)的虚部乘以当前导频码元PQ(i)的实部以将乘积提供给加法器424。乘法器422b同样接收并将先前导频码元的实部PI(i-1)乘以当前导频码元PQ(i)的虚部，且将乘积提供给加法器424。加法器424然后将乘法器422a的乘积从乘法器422b的乘积中减去，并提供频率误差度量Ferr。还可以使用其他类型的频率鉴别器，且在本发明的范围内。
在图4示出的实施例中，环路滤波器430为频率控制环路实现了一阶环路滤波器。环路滤波器430包括单个累加器，包括加法器436和寄存器438。第一环路滤波器输入(这是来自频率鉴别器420的频率误差度量Ferr)开始时由乘法器432用比例缩放因子KL经比例缩放。来自乘法器432的经比例缩放值然后由加法器434与第二环路滤波器输入组合(这是来自定时环路滤波器240a的相位纠正项Pcor或θcor)。来自累加器的输出包括频率控制环路输出Fctrl1，被提供给信号发生器122a。该环路输出是数据采样的频率误差Δf的估计。
信号发生器122a是图1内信号发生器122的一实施例。在信号发生器122a内，信号转换器442接收并对频率控制环路输出Fctrl1进行调整，以提供带有合适形式的控制信号(例如电压或电流)。控制信号然后用于调节VCO 444的频率和相位。VCO 444将LO信号提供给下变频器116且(虽然未在图4中示出)可以向时钟发生器124提供基准信号，用于为ADC 120导出采样时钟。该基准信号可以是LO信号被分频后的版本。VCO 444可以用各种设计实现(例如作为单个VCO、相位锁定到VCXO的VCI或基于一些其他设计)，如领域内已知的。
一般，频率控制环路输出Fctrl1用于调整“周期”信号的频率和相位，该信号直接或不直接地确定(1)用于对接收到信号进行下变频的LO信号频率，以及(2)用于对经下变频信号数字化的时钟信号相位。该周期信号可以是LO信号本身，或可以是一中频信号，LO和时钟信号可以通过一个或多个锁相环路(PLL)锁定到该中频信号，如领域内已知的。信号发生器提供给时钟发生器的基准信号可以是ADC采样时钟本身。或者，ADC采样时钟可以基于基准信号导出(例如通过分频基准信号或将另一VCO锁定到基准信号)。
在图4示出的实施例中，定时环路滤波器240a为定时控制环路实现二阶环路滤波器。定时环路滤波器240a包括第一累加器，这包括加法器474a和寄存器476a，以及第二加法器包括加法器476a和寄存器476b。定时环路滤波器输入(这是来自图2内示出的定时鉴别器的定时误差度量Terr)开始时由乘法器472a用比例缩放因子c0经比例缩放，且由乘法器472b用比例缩放因子c1经比例缩放。来自乘法器472b的经比例缩放的值然后由第一累加器累加。来自第一累加器的输出由加法器474b与来自乘法器472a的经比例缩放值组合，且经组合值进一步由第二累加器累加。
对于内定时控制环路，量化器478量化来自第二累加器的输出(这对应图3内的外定时控制环路模型内的定时差τdiff)到特定期望分辨率(例如Tc/8)，如用于对来自ADC的数据采样重新采样的内插器要求的。在获得了给定信号实例与外定时控制环路的频率和定时锁定后，信号实例在最优(或接近最优)采样时刻被采样，且对该信号实例不需要内插。然而，如果没有启用外定时控制环路，或信号实例的外定时控制环路不可用，则量化器478(在内定时控制环路内)提供用于内插的重新采样定时控制Tctrl。来自量化器478的输出对应图3内在频率定时控制环路模型内的时间偏移τadj。
对于外定时控制环路，来自第二累加器的输出被提供给模元件482，它实现模M操作，其中M＝Ts/Tc，且Ts是采样周期，Tc是码片周期。如果采样速率为chipx2，则Ts＝Tc/2，且M＝1/2。如果M是二的幂，则模M操作可以通过从第二累加器中省去一些较重要的比特(MSB)并传送剩余的较不重要比特(LSB)而实现。来自模元件482的输出对应图3内的频率定时控制环路模型内的定时误差τerr。
传递增益元件490从模元件482接收定时误差并基于特定传递函数例如等式(1)内示出的提供相位纠正项Pcor。在一实施例中，该传递函数包括诸如等式(2)内示出的非线性函数。传递增益元件490还接收启用信号，该信号指示是否启用外定时控制环路。如果外定时控制环路被启用(例如启用信号在逻辑高处)，传递增益元件490提供有效相位纠正项Pcor，否则为零。
图4示出频率定时控制环路的每个组件特定设计。可以用于频率鉴别器以及环路滤波器的其他设计在领域内的各种参考中描述。一种该种参考是A.J.Viterbi的书，题为“principles of Spread Spectrum Multiple AccessCommunications”，第二版，McGraw Hill，1977，在此引入作为参考。
如上所述，DSP 130可以实现一雷克接收机，它包括多个指处理器，每个可以包括频率控制环路以及定时控制环路以相应地获取并跟踪分配给指处理器的信号实例的频率和定时。由于下变频以及A到D转换(ADC)对于接收到信号内的所有多径实例是相同的，则用于下变频的LO信号的频率以及用于ADC采样的时钟信号相位可以为接收到信号内的一个信号实例调节。该信号实例可以被选作超过特定阀值的最强信号实例(例如4.5dB)。
因此可以为一个信号实例启用外定时控制环路。对于该信号实例。数据采样的旋转和内插是不需要的，因为其频率和定时基于LO信号和ADC采样时钟经相应调整。对于可以连同该信号实例一起进发地处理的每个其他信号实例，旋转器212还可以用于纠正信号实例的残留频率误差，且内插器214可以用于纠正信号实例的残留定时误差。
在此描述的技术可以由各种方式实现。例如，频率定时控制环路可以以硬件、软件或其组合实现。对于硬件实现，频率定时控制环路的元件可以在以下元件中实现：一个或多个应用专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、数字信号处理设备(DSPD)、可编程逻辑设备(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、处理器、控制器、微控制器、微处理器、设计以实现在此描述的功能的其他电子单元或其组合。
对于软件实现，频率定时控制环路的所有或部分可以用实现在此描述功能的模块实现(例如过程、函数等)。软件代码可以驻留在存储器单元内(例如图1内的存储器142)并由处理器执行(例如DSP 130或控制器140)。存储器单元可以在处理器内或处理器外实现，在该情况下，它通过领域内已知的方式通信地耦合到处理器。
频率定时控制环路还可以用硬件和软件的组合实现。例如，硬件可以用于导出导频码元，且软件可以用于实现频率鉴别器、频率环路滤波器以及定时环路滤波器。
标题在此被包括用于参考并用于帮助定位分部。这些标题不是用于限制以下描述的概念，且这些概念可以应用到整个说明的其他分部。
上述优选实施例的描述使本领域的技术人员能制造或使用本发明。这些实施例的各种修改对于本领域的技术人员来说是显而易见的，这里定义的一般原理可以被应用于其它实施例中而不使用创造能力。因此，本发明并不限于这里示出的实施例，而要符合与这里揭示的原理和新颖特征一致的最宽泛的范围。

Claims (37)

1.一频率定时控制环路，其特征在于包括：
定时控制环路，用于为接收到的信号处理数据采样，以为接收到信号内的特定信号实例导出指示数据采样内定时误差的第一控制；以及
耦合到定时控制环路的频率控制环路，且包括
频率鉴别器，用于为信号实例导出指示数据采样内的频率误差的第二控制，以及
第一环路滤波器，用于对第一和第二控制进行滤波以提供第三控制，用于调整周期信号的频率和相位，所述周期信号用于处理接受到的信号以提供数据采样。
2.如权利要求1所述的频率定时控制环路，其特征在于第三控制用于调整本地振荡器(LO)信号的频率，所述信号用于将接收到的信号从RF下变频到基带。
3.如权利要求2所述的频率定时控制环路，其特征在于第三控制还用于调整时钟信号的相位，所述时钟信号用于数字化经下变频的信号以提供数据采样。
4.如权利要求3所述的频率定时控制环路，其特征在于所述时钟信号通过分频所述LO信号而导出
5.如权利要求3所述的频率定时控制环路，其特征在于时钟信号的相位经调整以最大化信号实例的数据采样的信号对干扰和噪声比(SINR)。
6.如权利要求1所述的频率定时控制环路，其特征在于如果所述信号实例有超过特定阀值的信号强度，则启用来自定时控制环路的第一控制。
7.如权利要求1所述的频率定时控制环路，其特征在于所述来自定时控制环路的第一控制基于非线性函数导出。
8.如权利要求7所述的频率定时控制环路，其特征在于如果定时误差小于第一阀值，则第一控制被设定为零。
9.如权利要求7所述的频率定时控制环路，其特征在于如果定时误差超过第二阀值，则第一控制被设定到特定最大值。
10.如权利要求7所述的频率定时控制环路，其特征在于如果定时误差小于第一阀值，则第一控制被设定到零，如果定时误差超过第二阀值，则第一控制被设定到特定最大值，且如果定时误差在第一和第二阀值之间，则与定时误差线性相关。
11.如权利要求1所述的频率定时控制环路，其特征在于所述定时控制环路包括：
定时鉴别器，用于处理数据采样以提供定时误差度量；以及
第二环路滤波器，用于对定时误差度量滤波。
12.如权利要求11所述的频率定时控制环路，其特征在于定时鉴别器实现为早晚检测器。
13.如权利要求11所述的频率定时控制环路，其特征在于所述定时控制环路还包括
传递增益元件，用于将非线性函数应用到第二环路滤波器的输出以提供第一控制。
14.如权利要求11所述的频率定时控制环路，其特征在于所述第二环路滤波器可以实现为二阶环路滤波器。
15.如权利要求1所述的频率定时控制环路，其特征在于所述第一环路滤波器可以实现为一阶环路滤波器。
16.如权利要求1所述的频率定时控制环路，其特征在于第一控制的跟踪带宽比第一控制的跟踪带宽至少小两倍。
17.一频率定时控制环路，其特征在于包括：
定时控制环路包括
定时鉴别器，用于为接收到的信号处理数据采样以提供定时误差度量；
第一环路滤波器，用于对定时误差度量滤波，以及
传递增益元件，用于将非线性函数应用到第一环路滤波器的输出以为接收到的信号内的特定信号实例提供指示数据采样内的定时误差的第一控制；以及
耦合到定时控制环路的频率控制环路，并包括
频率鉴别器，用于为信号实例导出指示数据采样内频率误差的第二控制；以及
第二环路滤波器，用于对第一和第二控制滤波以提供第三控制，以调节周期信号的频率和相位，所述周期信号用于处理接收到的信号以提供数据采样。
18.在无线通信系统中，一种获取并跟踪接收到信号内的信号实例的频率和定时的方法，其特征在于包括：
第一处理接收到信号的数据采样以为信号实例提供指示数据采样内的定时误差的第一控制；
第二处理数据采样以为信号实例提供指示数据采样内的频率误差的第二控制；以及
对第一和第二控制进行滤波以提供第三控制，用于调节周期信号的频率和相位，所述周期信号用于处理接收到的信号以提供数据采样。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于所述第二处理包括
用频率鉴别器处理数据采样以提供第二控制。
20.如权利要求18所述的方法，其特征在于所述第一处理包括
用定时鉴别器处理数据采样以提供定时误差度量；以及
用第一环路滤波器对定时误差度量进行滤波。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于所述第一处理还包括：
将非线性函数应用到第一环路滤波器的输出以提供第一控制。
22.如权利要求18所述的方法，其特征在于还包括：
估计信号实例的信号强度；以及
如果估计的信号强度超过特定阀值，则启用第一控制。
23.如权利要求18所述的方法，其特征在于接收到的信号内的多个信号实例被进发地处理，且其中周期信号的频率和相位经调节以获得对单个选择的信号实例的频率和定时锁定。
24.如权利要求23所述的方法，其特征在于所述选择的信号实例在多个信号实例中有最高信号强度。
25.如权利要求18所述的方法，其特征在于还包括：
基于第三控制调整本地振荡器(LO)信号的频率，其中所述LO信号用于将接收到的信号从RF下变频到基带。
26.如权利要求25所述的方法，其特征在于还包括：
基于第三控制调节时钟信号的相位，其中所述时钟信号用于数字化经下变频的信号以提供数据采样。
27.如权利要求26所述的方法，其特征在于还包括：
分频LO信号以提供时钟信号。
28.一频率定时控制环路，其特征在于包括：
用于为接收到信号内的特定信号实例导出指示数据采样内的定时误差的第一控制的装置；
用于为信号实例导出指示数据采样内的频率误差的第二控制的装置；以及
用于对第一和第二控制滤波以提供第三控制的装置，所述第三控制用于调节周期信号的频率和相位，所述周期信号用于处理接收到的信号以提供数据采样。
29.一集成电路，其特征在于包括：
定时控制环路，用于为接收到的信号处理数据采样，以为接收到信号内的特定信号实例导出指示数据采样内的定时误差的第一控制；以及
耦合到定时控制环路的频率控制环路，且包括
频率鉴别器，用于为信号实例导出指示数据采样内的频率误差的第二控制；以及
第一环路滤波器，用于对第一和第二控制滤波以提供第三控制，所述第三控制用于调节周期信号的频率和相位，所述周期信号用于处理接收到的信号以提供数据采样。
30.如权利要求29所述的集成电路，其特征在于还包括：
检测器，用于估计所述信号实例的信号强度，且其中如果估计信号强度超过一特定阀值，则启用所述第一控制。
31.无线通信系统内的一接收机单元，其特征在于包括：
前端单元，用于处理接收到的信号以提供数据采样；以及
包括频率定时控制环路的数字信号处理器，用于为接收到的信号内的特定信号实例导出指示数据采样内定时误差的第一控制，为信号实例导出指示数据采样内的频率误差的第二控制，并对第一和第二控制滤波以提供第三控制，所述第三控制用于调节周期信号的频率和相位，所述周期信号用于处理接收到的信号以提供数据采样。
32.如权利要求31所述的接收机单元，其特征在于还包括：
信号发生器，用于基于第三控制调节本地振荡器(LO)信号的频率，其中所述LO信号由前端单元用于将接收到的信号从RF下变频到基带。
33.如权利要求32所述的接收机单元，其特征在于所述信号发生器还用于基于第三控制调节基准信号的相位，其中基准信号用于导出前端单元使用的时钟信号以数字化经下变频的信号以提供数据采样。
34.一终端包括如权利要求31所述的接收机单元。
35.一基站包括如权利要求31所述的基站。
36.无线通信系统中的接收机装置，其特征在于包括：
用于用本地振荡器(LO)信号将接收到的信号下变频以提供经下变频的信号的装置；
用时钟信号数字化经下变频信号以提供数据采样的装置；
为接收到信号内的特定信号实例导出指示数据采样内的定时误差的第一控制的装置；
为所述信号实例导出指示数据采样内的频率误差的第二控制的装置；
对第一和第二控制滤波以提供第三控制的装置；
基于第三控制调节LO信号频率的装置；以及
基于第三控制调节时钟信号相位的装置。
37.一终端，其特征在于包括：
信号发生器，用于提供本地振荡器(LO)信号以及基准信号；
时钟发生器，用于基于基准信号提供时钟信号；
前端单元，用于基于LO信号对接收到的信号进行下变频，并基于时钟信号数字化经下变频的信号以提供数据采样；以及
数字信号处理器，包括频率定时控制环路，所述控制环路用于为接收到的信号内的特定信号实例导出指示数据采样内定时误差的第一控制，为信号实例导出指示数据采样内的频率误差的第二控制，并对第一和第二控制滤波以提供第三控制，所述第三控制用于调节周期信号的频率和相位，所述周期信号用于处理接收到的信号以提供数据采样。
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