TWI285031B - Automatic frequency correction method and apparatus for time division duplex modes of 3G wireless communications - Google Patents

Description

1285031 、，… . 玫、.1 參明說明Γ、 、 (發明說明應敌心發明所眉之技術領域、先前技術、内容、實施方式及_單說明）， 發明領域 本發明屬於無線通訊領域。更特定而言之，本發 代無線通訊領域裏的時間分割雙工（TDD)領域，和在—個 訊系統接收機裏進行頻率偏差檢測和校正相關。 ‘、、、、、’ k 發明背景 在個典型的無線通訊系統裏，發射機和接收機的本地 器頻率不一致會導致資料傳送不能進行。另外，由於很多系統利 用接收機和發射機使用同一個本地振盪器的功能，頻率偏差較大 會導致顯著的帶外干擾。 為了克服這一問題，先前的系統使用了相位的偏差檢測或應 用離散傅裏葉（Fourier)轉換來估測頻率偏差並對本地振盪器進行 一次工作頻率更新。但是，以前的這些系統不是忽略了多徑干擾 效應就是把AFC與一個RAKE接收機相組合。因此，這些先前技 術對使用多用戶偵測而不帶RAKE接收機的系統是不適用的。 發明概要 本發明能用來偵測和校正一個無線通訊系統裏接收機的振盈 器頻率偏差。另外，本發明在有多徑干擾的情況下仍有健壯的性 能。還有，本發明在克服干擾的同時還能利用與大量延遲擴散相 關的分散性增益。還有，本發明還能對抗單元間和單元内的干擾 源’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 作。同時，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。 本發明包含一個頻率估測器，該估測器有方塊相關器、疼輕〜 乘積與加和方塊、累積方塊、多徑檢測和一迴路過濾器（自適應 帶寬）。多徑檢測包含一個搜尋方塊、限值臨界值檢測塊方塊和 1285031 (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裏的共輛乘積與加和方塊。 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) 10的方方塊圖，其中一 接收仏號Rx在乘法器12處由一電壓控制振盪器（¥(：〇)14減至基帶 。接收基帶信號rx在16處進行從類比到數位（ADC)的轉換，在18 處接受自動增益控制（AGC)，然後通過一個餘弦平方根（RRC)過濾 器20〇 ^ 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 算值予迴路過濾器26。這一數位輸出在28處從數位轉換為類比 (DAC)信號’以調整電壓控制振盪器VCO 14的頻率，該頻率也用 於傳送，其中.基帶（BB)Tx資料經過數位-類比轉換器（DAC)30的轉 換而夂為類比信號，該類比信號用來調製在乘法器32處由電壓控 制振盪器VCO 14所提供的載波頻率。 ^ 圖2疋顯示頻率估測方塊24所執行的各步驟的方方塊圖，它 詳細顯示了頻率估測演算法。 一 開始時’頻率估測演算法於24-1處使用一個已知的參考值（中 (3) 1285031 導碼）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 。這二個共輛乘積然後相加，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，N個 訊框後累積下來的值。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 一致的加和運算，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2‘8和24_9進行頻 率估測計算，這-運算制兩⑺個近似計算，在下文中有描述， 這可避免直接的三角計算。 圖3 員示了 π動視齒方塊的相關操作。由於中導碼的第一部 分會因第-資料叢發的多徑干擾而可能是壞的，因而要用中導 的後456個資料片來進行頻率估算。所搜尋的窗口包括49個超前 的、49個滯後的和G個滞後校準。滑㈣窗方塊相關n要執行處 理的總樣本數為1108個。在一個3Gpp TDD通訊系統裏，ι〇毫秒 的等長訊框有十五（15)個等長的時隙，每個時隙有WO個資料片 〇 在每個延滞段，四個B資料片（2B樣本）進行相關操作，如圖3 中所顯示。 圖4詳細顯示了產生的第—個方塊相關器。如® 4中㈣^ 每個.接收到的樣本都盘一個p左 ' ^ ^個已知的中導碼進行相關運算，並與下 (4) :285031

個相闕值進行加和運算。 圖5顯示了 24_2處的共輕乘積和加和運算 處的滑動方境窗π相關器的輸出進行的處理ϋ對24-1 個葙鉍^ 相關器輸出的R是 下來接收樣本的中"，去掉其中的中導碼調製。接 一估算异從「個相關器到下一個相關器的相位變化，這 共輛乘積運算==續=:2==:=::每個 關中心到下一個相關中心的相位變化。從乘積電路Ρ1=:= ==三個共輛乘積細和52處相加，這樣就得到的從―個相關 器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D⑴值要經過Ν個中導碼之後的累 積，才計算一個頻率估算。 、 :積時間，數Ν的初始值設為1〇，然後依最近一次估算的頻 率偏差的絕對值來決；^。_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⑷、共姆積，和加 和2—4-2以及累積器24_3處理後’進行—次搜索以找到—延滞卜以 使D(i)值㈣A D由於可能有多個可解的多徑組件’將尋找三⑺ 個最大的路徑，路徑尋找的數量多少取決於在信號對嗓音比 (SNR)的改善和硬體複雜程度增加之間來個折衷。 曰由於有可能只有一個可解多徑組件，將測試第二（D1)和第三 最大（D2)組件看有沒有效。如果〇1和〇2大小的平方大於训大小 的平方的一半，則認為它們是有效的。因此⑴和的如果大於 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處組合為一個複卷向 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

1285031 (5) 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，則複數向量的自 變數等於Θ，而如果Θ遠小於1(Θ «1)且複數向量的絕對值為i。 該近似方法簡化了演算法的實現，減輕了要進行三角運算的 必要性，而近似法所導致的誤差因AFC演算法收斂（Θ—1)而接 近於零。 迴路過濾器26處理估計的頻率偏差ε並執行一個積分運算以 得到V(t) ’其運算式如下：v(t) = v(t-l) + ^(t)。 這在圖6中也加以描繪’其中輸入ε施加於一具有增益為4的 放大器並在加法器S處與先前在DN處得到的值vG·”相加。 要注意的是，只有在誤差ε在前一個方塊中拋棄後才執行積 分運算。因此，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較 ’如果估計的頻率偏差小於μ，則認為已取得收斂。該演算法應 該是無記憶的，因為收斂與否只根據頻率偏差的當前估算。 另一種辦法是當兩個（2)連續的頻率估值都低於偵測臨界值α 時就遇為枚斂。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0.65秒的收斂時間内以ρ = 〇·99的機率來改善。 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-3 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。 1285031

• (6) 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個資料片，N的值是絕對頻率偏差的一個函數，頻$偏 差在6,000與〇之間，而>|在1至30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 512個資料片的比較，現已認定對於所有的3 WG4測試通道，使用 全部512個中導碼資料片比較好。其中，取消中導碼的前面％個 資料片由信號對噪音比SNR降低0.5 dB作為補償，其原因是最先 接收到的56個資料片會因為一開始的資料叢發產生多徑千擾而可 能損壞。例如，對於一叢發類型i，每個時隙有兩組的資料符號 ，每組有976個資料片、兩（2)組由5 12片的中導碼隔開，並且在每 兩（2)組的資料符號之間^ 一 96片的保護段。 在以前’所搜尋的視窗會有49個超前的資料片、49個滯後的 二貝料片，但沒有（即〇)個滯後校準片。在有總共1〇個資料片時超前 路徑搜尋更為合理，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i 142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 的取大可解析路徑比直接路徑延遲Μ 。 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D〇的權重是第二最大的 兩倍’另一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1下相同增益組合方式 的表現稍微要妤些，但在其他情況下兩者的表現一樣，因此在只 有D(0)和D(l)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·由夕個多路徑組件組成的複合體）。在這種情況下，相位估 -10-

Claims (1)

1. 1285031 拾'申請專利释園 1. 一種用於一無線通訊系統的接收器，該接收器包含一電壓控制 振盪器與用以獲取一頻率估值來調整該電壓控制振盪器置的一 估計裝置，該估計裝置包含： 一接收裝置，.用以接收包含一時隙之一通訊信號，該時隙包含一資料符號 和一中導碼； 一相關裝置，係參考一已知的中導碼以執行接收信號樣 本的一給定數N方塊相關操作； 一形成裝置，用以形成N個方塊相關之一共軛乘積的裝 置進而形成N-1個共軛乘積； 一總和裝置，用以形成一 N_ 1個共輛乘積總和； 一累積裝置，用以累積得自該總和裝置之該N-1個共軛 乘積總和之一給定數目； 一判斷裝置，用以判斷各該累積總和值的大小； 一搜尋裝置，用以搜尋最大總和值之一給定數目； 一偵測裝置，用以執行除了該最大總和值外該最大總和 值之該給定數目的一臨界值偵測，其係使用該最大總和值的 一函數之一臨界值； 一組合裝置，用以組合該最大總和值與該最大總和值的 給定數目，那些最大值應不包含大於上述臨界值的最大值； 一計算裝置，用以計算得自該組合裝置的總和值大小； 一標準化裝置，用以使用得自該計算裝置的大小，而將 得自該組合裝置所得到的複數值加以標準化；以及 一產生裝置，用以由該標準化裝置得到的標準化值產生 一參數作為一個頻率估值。 -- 2. 如申請專利範圍第1項之接收器，更包含一供應裝置，用以將 該產生裝置所產生的該頻率估值，供應至一迴路過濾器，，以調 -12- 1285031

   整該電壓控制振盪器的操作頻率。 3·如申請專利範圍第2項之接收器，其中該產生裝置係產生一數 位格式輸出，且包含轉換裝置用以將該數位格式輸出轉換為類 比信號，以提供至該電壓控制振盪器。 4·如申請專利範圍第i項之接收器，其中該相關裝置係包含進行 四個方塊相關操作的裝置。 5.如申請專利範圍第1項之接收器，其中該累積裝置係包含根據 絕對頻率偏差調整累積總和數目的裝置，纟中該頻率偏差越小 ’累積的總和數目就越小。 6·如申請專利範圍第i項之接收器，其中該^貞測裝置係使用的臨 界值，係介於最大總和值的〇 56倍至〇 7〇7倍之間。 7·如申凊專利範圍第1項之接收器，其中該被接收的信號具有一 長為5 12的資料片中導碼，所有的資料片皆藉由該相關裝置進 行相關操作。 8 ·如申请專利範圍第1項之接收器，其中該偵測裝置係包含第二 判斷裝置，若僅有一路徑符合該臨界值，則進行判斷；以及 第二組合裝置，其係回應該第二決定裝置，以用於組合相同增 益的兩路控。 9.如申請專利範圍第i項之接收器，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取決於所估算的頻率偏差與臨界 值的比較，其中當估算的頻率偏差低於一給定的偵測臨界值， 則已取得收敛。 10·如申請專利範圍第i項之接收器，其中當兩個頻率估值低於 一給定的偵測臨界值時，則可藉由確認收斂裝置而確定在給定 數目的訊框裏，以〇·99的機率收斂到所需準確性。 一 11·如申請專利範圍第i項之接收器，其中當兩個連續頻率估值 低於一給定的偵測臨界值時，則可藉由確認收斂裝置而確定在 0 -13- 1285031 給定數目的訊框裏，以0.99的機率收斂到所需準確性。 12·如申請專利範圍第1項之接收器，其中當一個兩點滑動平均 的頻率偏差估值低於該偵測臨界值時，則可藉由確認收斂而確 定在給定數目的訊框裏，以〇·99的機率收斂到所需準確性。 13·如申請專利範圍第1項之接收器，更包含·· 一測量裝置，用以測量一頻率偏移；以及 一讀取裝置，用於當該頻率偏移小於400 Hz時，讀取一廣播通 道。 14·如申請專利範圍第1項之接收器，其中該搜尋裝置係搜尋三 個最大值。 15·如申請專利範圍第丨項之接收器，其中該相關裝置係包含根 據頻率偏移而調整方塊相關大小的裝置，其中該偏移越大，則 該方塊相關大小越小。 16.—種獲取一頻率估值以調整一控制振盪器的方法，包含·· a) 接收一信號，其包含資料訊框和一中導碼； b) 藉由該電壓控制振盪器，將該信號轉換至基帶； c) 對於N訊框的每一訊框，反覆進行下列步驟： (1) 在X方塊相關器，將所接收的信號與該中導碼進行 方塊相關； (2) 計算每一方塊相關器之輸出的共軛乘積，以形成xq 個共軛乘積； (3) 將該X-1個共軛乘積相加形成一總和值； (4) 儲存該總和值； d) 搜尋最大總和值以及下一個最大總和值γ ; e) 計算每一總和值的大小； f) 將一臨界值提供至該Y總和值，其中僅有當該γ總和值超 過該臨界值時，該γ總和值才會被使用； -14- 1285031

   g) 將該最大總和值與步驟⑺的該總和值相加，以獲得第二 總和值； h) 將該第二總和值標準化；以及 1)輸出該第二總和值作為該頻率估值。 ^如申請專利範圍第16項之方法，其中在步驟⑷中， 〇亥頻率偏差絕對值的函數而變化。 /、現 請專利範圍第17項之方法，其中_介於之間。 19. 如申請專利範圍第16項之方法其 四個方塊相關器，藉以在步驟⑷⑺形成三個共：乘:包含使用 20. 如申請專利範圍第16項之方 里 二與第三最大總和值的大小，藉此，d)係包含計算第 2入1二申：專利範圍第Μ之方法’其中步驟(〇中該臨界值係 川於忒最大總和值的〇·56倍至0.707倍之間。 ’、 22.如申請專利範圍第16項之方法，;中;驟⑻係包含 將該第二總和值規模化至單位大小；以及 接近該複數絕對值函數。 =申請專利範圍第16項之方法，更包含⑴將該頻率估值提 供至一迴路過濾'器，以獲取-電壓值， H ❿ 盪器之操作頻率。 I登该電壓控制振 24·如申請專利範圍第23項之方法，复中〆 迴路過遽ϋ之收斂的步驟。 0)¼ 25·如申請專利範圍第24項之方法，其中 估計的頻率偏差與第二臨界值，因而當：了驟係包含比較 該第二臨界值時，則獲得收斂。"5的頻率偏差低於 26.如申請專利範圍第24項之方法， 估計的頻率偏差與第二臨界值，因而'卷兩個驟係包含比-較 二臨界值時，則獲得收斂。而田兩個頻率估值低於該第 -15- 1285031 27.如申請專利範圍第24項之方法，其中該決定步驟係包含比較 估計的頻率偏差與第二臨界值，因而當兩個連續頻率估值低於 該弟一臨界值時，則獲得收敛。 28·如申請專利範圍第24項之方法，其中該決定步驟係包含比較 估計的頻率偏差與第二臨界值，因而當頻率估值的一個兩點移 動平均低於該第二臨界值時，則獲得收斂。

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