TW580790B - Automatic frequency correction method and apparatus for time division duplex modes of 3G wireless communications - Google Patents

Description

0) 580790 玖、發明說明 發明領域 ::明屬於無線通訊領域。更特定而言之，本發明二 :::訊領域裏的時間分割雙工Ο領域，和在—個益； 況系捕收機裏進行頻率偏差檢測和校正相關。 … 發明背景

”二”無線通訊系統裏’發射機和接收機的本地振盪 :率不一致會導致資料傳送不能進行。另外，由於很多J 會導致顯著的帶外干擾。I地振堡器的功能，頻率偏差較大 用離= 一問題’先前的系統使用了相位的偏差檢測或應 一 Α = 〇Uner)轉換來估測頻率偏差並對本地振盈器進行 :工乍頻率更新。但是’以前的這些系統 用是rFC與—個RAKE接收機相組合。因此，這些先2 •吏用夕用戶相而不帶RAK^收機的系統是不適用的。 發明概要 器頻:此用來偵測和校正一個無線通訊系統襄接收機的振盪 At罗 另外’本發明在有多徑干擾的情況下仍有健壯的性 m = ’本發明在克服干擾的同時還能制與大量延遲擴散相 J刀散性增益。還有’本發明還能對抗單元間和單元内的干擾 二’在同時有射頻載波偏差和取樣時鐘偏差的情況下仍能有效運 i Μ㈣’本發明對那些使用多用戶檢測演算法而沒有RAKE接 收機的系統具有適應調整速度和功能，並能在間斷性引導信號下 操作。 b 本發明包含一個頻率估測器，該估測器有方塊相關器、共軛 =與加和方塊、累積方塊、多徑檢測和—迴路過濾器（自適應 ▼寬)。多徑檢測包含一個搜尋方塊、限值臨界值檢測塊方塊和 580790 (2) 一用於將多徑組件組合起來的塊方塊。 圖式簡單說明 本發明可從以下的描述和圖式中得到理解，這些圖式的相似 元件被設計具有相似的數字符號，而其中： 圖1是採用本發明的技術的一自動頻率控制（AFC)演算法的一 方方塊圖。 圖2為顯示本發明的頻率估測演算法的一方方塊圖。 圖3和圖4為示意圖，顯示圖2中每個方塊相關器所包含的結 構。 圖5為示意圖，詳細顯示圖2裏的共軛乘積與加和方塊。 圖6為示意圖，顯示圖1裏的迴路過濾器方塊的細節。 圖7為流程圖，顯示圖2裝置所執行演算法。 發明詳細說明 圖1是閉合迴路自動頻率控制（AFC) 1〇的方方塊圖，其中一 接收#號汉义在乘法器12處由一電壓控制振盪器（¥〇〇)14減至基帶 。接收基帶信號以在16處進行從類比到數位（adc)的轉換，在Μ =接又自動增益控制（AGC)，然後通過一個餘弦平方根（rrc)過濾 咏在經過22處的單元搜尋和24處的頻率估算後，施加該頻率估 路㈣器26 °這-數位輸出在28處從數位轉換為類比 於僂)號盆，以調整電壓控制振盈器彻“的頻率，該頻率也用 揸2其中基帶⑽）ΤΧ資料經過數位-類比轉換器（DAC)30的轉 :=c:信號，該類比信號用來調製在乘法-處由： 制振盪裔VCO 14所提供的載波頻率。 役 1细顯不頻率估測方塊24所執行的各步驟的方方塊圖，它 评細顯不了頻率估測演算法。 尾口匕 開始時，頻率估測演算法於24]處使用一個已知的參考值(中 580790

(3) V碼）執行接收信號樣本的四（4)個方塊相關的運算。這四個方塊 相關器的輸出值在24-2連續地共軛相乘，產生三（3)個複數，這三 個複數的角度代表從一個相關器依次至另一個相關器的相位移動 。這二個共軛乘積然後相加，產生一個方差小一些的相位變化估 測值。累積方塊24-3的輸出值是視窗延滯的一個函數，即，1^個 A框後累積下來的值。在N個訊框的資料處理後，在24_4處從累 積值D(i)中搜尋出絕對值最大的三個值，D〇(最大）、〇1和d2。在 24-5處計算出這些值的大小以得到三個最大的D(i)值。 然後在24-6處根據峰值（D0)的大小提供一個偵測臨界值。如 果第二和第三個最大成分值的大小超過了該臨界值，就認為它們 大得足以包括在頻率估算計算中。 在執行了臨界值偵測後，留存下來的多徑組件在24_7處進行 一=的加和運算，以得到一個複數，該複數的角度可用來作為相 關器方塊之間的相位變化的一個估值。用方塊24_8和24_9進行頻 率估測計算，這一運算用到兩（2)個近似計算，在下文中有描述， 這可避免直接的三角計算。 田’L’ 圖3顯示了滑動視窗方塊的相關操作。由於中導碼的第一立 分會因第-資料叢發的多徑干擾而可能是壞的，因而要用中：:: 的後456個資料片來進行頻率估算。所搜尋的窗口包括 二 的、洲滯後的和0個耗校準。滑純窗方塊相關器要: 理的總樣本數為謂個。在—個3Gpp TDD通訊系統裏 二 的等長訊框有十五（15)個等長的時隙，每個時隙有256g個資/ 四固B >料片（2B樣本）進行相關操作 如Ϊ 在母個延滯段 中所顯示。 圖4詳細顯示了產生的第—個方塊相關器。如圖4 每個接收到的樣本都與-個已知的中導碼進行相關運算，並= (4) 580790

一個相關值進行加和運算。 圖5顯示了 24-2處的共軛乘積和 處的滑動方塊窗口相關器的輸出進：=，這些運算是㈣ 下來-步是要估算從一個相關器到下去中的中導碼調製。接 一 m丄* 子關益幻下-個相關器的相位變化，這 址=由計异兩個連續的相關器輸出的共軛乘積而得到。每個 關=!運：的輸出是一個複數向量，其角度大約等於從-個相 二下一個相關中心的相位變化。從乘積電路、μ及 :=三個共㈣積在SHaS2處相加，這樣就得到的從—個相關 盗到下一個相關器相位變化的一較小方差的估計值。 共輛乘積和加和方塊24_2的0⑴值要經過N個中導碼之後的累 積，才計算一個頻率估算。 累積時間常數N的初始值設為! 〇，然後依最近一次估算的頻 率偏差的絕對值來決定。_的選取要使頻率估算的方差最小， 而同時又要避免估算間隔裏有顯著的漂移。 在N個中導碼已通過滑動窗口相關器…、共軛乘積，和加 和24 2以及累積器24-3處理後，進行一次搜索以找到一延滯丨，以 使。（·）值達最大。由於可能有多個可解的多徑組件，將尋找三（3) 個最大的路徑，路徑尋找的數量多少取決於在信號對嗓$比 (SNR)的改善和硬體複雜程度增加之間來個折衷。 由於有可能只有一個可解多徑組件，將測試第二（D丨）和第三 最大（2)、、且件看有沒有效。如果D1和D2大小的平方大於do大小 的平方的半’則$忍為它們是有效的。因此D 1和d 2如果大於 2(D0/V^) ’則就接受它們，否則不接受。 符合上述要求的多徑組件然後將在24-7處組合為一個複數向 量’其角度是一個方塊時間裏載波偏移相位變化的估算值。 為了從多徑組合輸出中解析出角度資訊，該複變數將縮取單 (5) (5)580790 位值大小，並對該複數的絕對值取近似值近似運算按以下進行 ，複數向量的虛數部份等於複數向量的自變數，則複數向量 變數等於θ’而如果θ遠小於1(“”且複數向量的絕對值為卜 *亥近似方法簡化了演算法的實現，減輕了要進行三角運瞀的 必要性，而近似法所導致的誤差因AFC演算法收斂（θ—: 近於零。 迴路過濾器26處理估計的頻率偏差£並執行一個積分運算以 得到ν⑴’其運算式如下：ν⑴=ν(Μ) + λε⑴。 =在圖6中也加以描繪’其中輸入ε施加於一具有增益為的 放大裔並在加法器s處與先前在Dn處得到的值“卜丨）相加。 要庄思的疋，只有在誤差ε在前一個方塊中拋棄後才執行積 分運算。目此，ν的值在經過Ν個的中導碼處理後會改變。可使用 一個收斂偵測演算法（CDA)來判斷是否收斂。 方法之一是將24-9輸出處產生的頻率估值與一個臨界值比 ，如果估計的頻率偏差小於|α|，則認為已取得收斂。該演算法應 該是無纪憶的，因為收斂與否只根據頻率偏差的當前估算。 另-種辦法是當兩個⑺連續的頻率估值都低於㈣臨界值以 時就認為收斂。亦或者，兩個頻率估值可不必連續。 再或者，如果頻率估值的兩點滑動平均低於偵測臨界值，則 認為收斂，或者把24-9處得到的最近的兩個頻率估值連續取平均 並將它們與一個臨界值進行比較。 至於方塊24-6所使用的最優偵測臨界值，根據已經進行過的 測試，相對偵測臨界值的最佳選擇是〇_56(即，〇56D(〇))，這個選 值提供在0 · 6 5秒的收敛時間内以p = 〇 · 9 9的機率來改盖。 、 迴路增益λ的最佳選擇取決於信號對噪音比snr和通道情況 。迴路增益的最佳選值為0.26,它可使信號對噪音比SNR為=dB 和有兩個（2)活動中導碼的AWGN通道的成功機率有顯著提高。 580790

為了防止在累積間隔期間損失一致性，N和估算的頻率偏差 之間的關係已經予以調整。提高的值可防止在累積期間時鐘漂移 超過0.25個資料#，N的值是絕對頻率偏差的一個函數，頻率偏 差在6,0〇〇與〇之間，而N在1至3〇之間變化。絕對頻率偏差越低， 則累積的中導碼數N越大。 根據對在相關器操作階段使用中導碼的456個資料片與使用 5 12個資料片的比較，現已認定對於所有的3 WG4測試通道，使用 ^部512個中導碼資料片比較好。其中，取消中導碼的前面56個 資料片由信號對噪音比SNR降低〇·5犯作為補償，其原因是最先 到的56個資料片會因為一開始的資料叢發產生多徑干擾而可 能，壞。例如，對於一叢發類型丨，每個時隙有兩組的資料符號 ，每組有976個資料片，兩（2)組由512片的中導碼隔開，並且在每 兩（2)組的資料符號之間有一96片的保護段。 、，在以則，所搜尋的視窗會有49個超前的資料片、49個滯後的 資料片，但沒有（即0)個滯後校準片。在有總共1〇個資料片時超前 路U叟尋更為合理，在這樣的情況下，滑動視窗方塊相關器所需 處理的樣本總數為1142個樣本，這時的視窗尺寸減小即使在最糟 糕情況（情況2)的多徑WG4通道模式下還是可接受的，在該情況下 的最大可解析路徑比直接路徑延遲46Tc。 在方塊24-6和24-7中使用的多徑組合方式之一，其中在只有 兩條路徑可留存的情況下，讓最大的路徑〇0的權重是第二最=的 兩七另種多徑組合的方法是把這兩條路徑經過相同增益的處 理，這兩種方式比較後發現，在WG4情況丨下相同增益組合方式 的表現稍微要好些，但在其他情況下兩者的表現一樣，因此在只 有D(〇)和d(i)組合時，方式二應為首選。 本發明也可使用另一種估算相位差的方法來實施（該方法基 於一由多個多路徑組件組成的複合體卜在這種情況下，相位估 -10- 580790

⑺ 算仍將包括一個與該發明中用到的相關大小類似的品質測量。 用於調整累積周期（適應調整率）的方法也可應用於相關方塊 大小的調整。對於較大的頻率偏差，最好使用較小的相關方塊尺 寸，這樣可使在估算過程中減少混淆和損失一致性的可能性。隨 著頻率偏差的減少，相關方塊的大小可增加，以提高相關的處理 增益和得到更精確的頻率偏差估值。 元件符號對照表 序號 元件符號或編號 原文 中文 1 10 automatic frequency control(AFC) 自動頻率控制 2 12 multiplier 乘法器 3 14 voltage controlled oscillator(VCO) 電壓控制振盪器 4 16 analog-to-digital conversion(ADC) 類比-數位轉換器 5 18 automatic gain control(AGC) 自動增益控制 6 20 root-raised cosine(RRC) filter 餘弦平方根過濾器 7 22 cell search 單元搜尋 8 24 frequency estimation 頻率估算 9 26 loop filter 迴路過遽器 10 28 digital-to-analog converter(DAC) 數位-類比轉換器 11 30 digital-to-analog converter(DAC) 數位-類比轉換器 12 32 multiplier 乘法器 -11- 580790

13 24-1 Block Correlators 方塊相關器 14 24-2 Conjugate Product and Sum 共輛乘積與加和 15 24-3 Accumulate D(i) 累積D(i) 16 24-4 Search for Three Largest DO, D1，D2 搜尋三個最大值DO、Dl、D2 17 24-5 Compute Magnitude 計算大小值 18 24-6 Apply Threshold Detection 進行閥值偵測 19 24-7 Sum Multipath Components 加和多徑組件 20 24-8 Compute Magnitude 計算大小值 21 24-9 Normalize Complex Error 複數偏差標準化 -12-

Claims (1)

1. 580790 拾、申請專利範圍 1. 一種獲取一頻率估值以調整一本地振盪器的方法，包含： a) 接收包含時隙的一通訊信號包含資料符號和一中導碼； b) 參考一已知中導碼執行接收信號樣本的一預定數n方 相關操作； c) 形成N方塊相關的一個共軛乘積以形成N—丨個共軛乘積； d) 形成N-1個共軛乘積的和； 、’ • e)累積一定數目的於步驟（…獲得的該個共軛乘積之和 9 f) 判斷每個累積值的大小； g) 尋找一定數目最大值； h) 對-定數目的最大值進行一次臨界值福測，這些最大值 中不包括使用-臨界值的那個最大值，該臨界值是那個最大 值的一個函數； 1)將最大的值與-定數目的那些最大值相組合，不包含大 於上面所講臨界值的最大值； j) 計算於步驟⑴得到的和值的大小； k) 使用步驟⑴得到的大小以標準化步驟⑴得到的複數值； 1)使用步驟（k)得到的標準值的參數作為 2·如申請專利範圍第〗項之方法，進一步包含· =第〇)步驟中得到的頻率估值供應予—迴路過渡器， 付至電壓值用來調整一電壓控制振盪器的操作頻率。 :料項之方法，其中第⑻步驟中得到剛 估值疋一個數位格式，並進一步包含： (η)將該數位格式轉換為一個類比電壓。 -13- 580790 4·如申請專利範圍第3項之方法，進一步包含. ⑷將該類比電壓施加到 5. 如申請專利範圍第！項之方φ，# 1振羞益 個方塊相關操作，即，Ν =4。 ’、第（b)步驟包含執行四（4) ，其中第（e)步驟包含根據絕對 ，其中頻率偏差越小，則累積 ，其中的絕對頻率偏差範圍通 其中累積的和的數目為1至3〇 其中當累積的和的數目在第 6. 如申請專利範圍第〗項之方法 頻率偏差調整累積的和的數目 的和的數目就越小。 7·如申請專利範圍第6項之方法 常在6,〇〇〇和〇 Hz之間。 8·如申請專利範圍第7項之方法 之間。 ⑷牛广圍第1項之方法*r嘗系積的和的數 (e)步驟達到預定的數目 幻歎 如申請專利範圍第i項之方法^至第=驟。 值狀加乘最大的D值和0.56乘最大的臨(界)值乂之驟中所用的臨界 u.如申請專利範圍第丨項之方法，其中第 B ▲ 具有一長為512的資料片中導 ^ 、接收信號 驟處進行相關操作。 ''' 彳的資料片都在第（b)步 12·= =專利範圍第丨項之方法，其中第⑷步 的中導碼長為512個資料片，並在 接收仏唬 時忽略前面56個資料片。 （）乂驟的相關操作 13.=請專利範圍第1項之方法，其中如果只有一條路… 刖面所述的第⑴步驟的臨界值， 條路仫付。 使用相同的增益組合兩路徑。、（）乂驟將進-步包含 K如申請專利範圍第以之方法，其中 〇·99的機率收㈣所需準確 ^目“框裏以 界值的比較，其中當估算的頻率偏异的頻率偏差與臨 领旱偏差低於—給定㈣測限值 -14-

   580790 臨界值，則說明已取得了收斂。 15·:申請專利範圍第1JS之方法，其中如果兩個頻率偏差估值 -於給疋的偵測臨界值，則說明在給定數目的訊框裏以 〇·99的機率收斂到所需準確性業已確定。 16·如申請專利範圍第1項之方法，其中如果兩個連續的頻率偏 差2值低於一個給定的偵測臨界值，則說明在給定數目的訊 忙褢以〇·99的機率收斂到所需準確性業已確定。 17·如申請專利範圍第!項之方法，其中如果一個兩點滑動平均 的頻率偏差估值降至該給定的偵測臨界值之下，則說明在給 疋數目的訊框裏以〇·99的機率收斂到所需準確性業已確定。 18·如申明專利範圍第i項之方法，其中當頻率偏移小於4〇〇 時將測量一頻率偏移並讀取廣播通道（BCH)。 19·如申靖專利範圍第1 8項之方法，進一步包含當絕對頻率偏移 臨界值等於或大於465 Hz時要防止偵測BCH。 2〇·如申請專利範圍第1項之方法，其中迴路過濾器的迴路增益 在〇_1和0.3之間。 21·如申請專利範圍第2〇項之方法，其中較理想的迴路增益為 0.26 〇 22·如申請專利範圍第1項之方法，其中的角度θ估值在第⑴步驟 由以下方程式決定：。 [Abs approx{D}J 23·如申請專利範圍第1項之方法，其中的迴路過濾器產生一個 值v(t)，其中： v(t) = v(t-l) + λε(ί)， 而其中v(t-l)是先前一次的估值，ε是頻率估值，而人是個常 數。 24·如申請專利範圍第1項之方法，其中該通訊系統是一個無線 -15- 580790

   通訊系統，而其中的 框具有預先固定數量 料片。 接收信號由多個等長訊框組成，每個訊 的時隙，而每個時隙則有固定數量的資 每個時隙有2,560個資 中間由一中導碼隔開 25.如申請專利範圍第24項之方法其中 料片，其包含第一和第二組資料符號 =申請專利範圍第25項之方法，其中的每個資料符號組包含 ==個資料片’而該中導碼有512個資料片，中導碼後的資 料符谠組有一 96個資料片的保護段。 7·種獲取一頻率估值以調整一本地振盪器的裝置，包含·· 接收-通訊信號的裝置’該通訊信號包含時隙，該時隙包 含資料符號和一中導碼； 參考一已知的中導碼執行接收信號樣本的預定數N方塊相 關操作的裝置； 形成一共軛乘積的裝置，由N個方塊相關的乘積形成N-1 個共軛乘積； 幵> 成一 N-1個共輛乘積加和的裝置； 累積給定數目的得自該加和形成裝置的該N_丨個共軛乘積 之和的裝置； 判斷每個累積值的大小的裝置； 尋找給定數目個最大值的裝置； 執行給定數目個的最大值的臨界值偵測的裝置，這些最大 值中不包括使用一臨界值的那個最大值，該臨界值是那個最 大值的一個函數； 組合給定數目個最大值的裝置，那些最大值應不包含大於 上述臨界值的最大值； 得自該組合裝置的和值大小的裝置； -16- 580790 申請專利稗圍續頁 使用得自該計算裝置的大小將得自該組合裝置的的複數值 加以標準化的裝置；和 由該標準化裝置得到的標準化值產生一參數作為_ 估值的裝置。 手 28·如申請專利範圍第27項之裝置，進一步包括·· 忒產生裝置供應該頻率估值予一個迴路過濾器，以調整一 電麼控制振盈器的操作頻率。 29·如申請專利範m第28項之裝置，其巾產生頻率估值的裝置產 生一數位袼式的輸出，及轉換裝置把數位格式的輸出轉換為 類比信號，並將之施加予電壓控制振盪器。 30·如申請專利範圍第27項之裝置，其中的方塊相關裝置包含執 行（4)個方塊相關操作的裝置。 3L如申請專利範圍第27項之裝置，其中的累積裝置包含調整累 積的和數的數目的裝置，和數數目的調整根據頻率偏差絕對 值的大小，頻率偏差越小，則累積的和數的數目就越小。 32·如申喷專利範圍第27項之裝置，其中該臨界值偵測裝置所用 的臨界值為0.707乘最大的D值和〇·56乘最大的臨界值之間。 33·如申請專利範圍第27項之裝置，其中的接收信號有一長為 512個資料片的中導碼，所有的資料片都在該相關裝置處進 行相關操作。 34. 如申請專利範圍第27項之裝置，其中具有一裝置判斷是否只 有一個路徑符合上述臨界值，該臨界值由臨界值偵測裝置提 供，該裝置中還有對判斷裝置作出反應的裝置以用相同的增 益將兩條路徑組合。 35. 如申請專利範圍第27項之裝置，其中在給定數目的訊框裏以 0·99的機率收斂到所需準確性決定於一將所估值的頻率偏差 與臨界值比較的裝置，其中，如果估算的頻率偏差值低於一 -17-

   580790 給定的偵測臨界值，則說明已取得了收斂。 36·如申請專利範圍第27項之裝置，其中在給定數目的訊框裏以 〇·99的機率收斂到所需準確性決定於能在兩（2)個頻率偏差估 值低於一給定的偵測臨界值時識別收斂的裝置。 37·如申請專利範圍第27項之裝置，其中在給定數目的訊框裏以 〇·99的機率收斂到所需準確性決定於能在兩（2)個連續的頻率 偏差估值低於一給定的偵測臨界值時識別收斂的裝置。 38. 如申請專利範圍第27項之裝置，其中在給定數目的訊框裏以 0.99的機率收斂到所需準確性決定於能在一個兩點滑動平均 的頻率偏差估值低於一給定的偵測臨界值時識別收斂的裝置 〇 39. 如申明專利範圍第2 7項之裝置，進一步包含測量一頻率偏移 的裝置’以及在頻率偏移小於4〇〇 Hz時讀取廣播通道（BCH) 的裝置。 40. 如申請專利範圍第i項之方法，其中第（g)步驟中所搜尋的最 大值的給定數目是三（3)。 41·如申請專利範圍第27項之裝置，其中該搜尋裝置用來搜尋三 (3)最大的值。 42.如申請專利範圍第！項之方法，其中第步驟包含調整方塊 相關的大小’這種調整根據頻率偏移的大小，偏移越大，則 方塊相關的大小越小。 43·如申請專利範圍第27項之裝置，其中該執行裝置包含調整方 塊相關的大小的裝置，該種調整根據頻率偏移的大小，偏移 越大，則方塊相關的大小越小。 -18-