TWI381695B - 數位定時調整用之最佳間插器方法及裝置 - Google Patents

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Description

數位定時調整用之最佳間插器方法及裝置
本發明係有關數位定時同步器，且特別有關有效執行被用於數位定時同步器中之間插器。
此後，無線傳輸/接收單元(WTRU)係包含但不受限於使用者設備，行動站固定或行動用戶單元，呼叫器或可操作於無線環境中之任何其他類型裝置。此後，當涉及到基地台時，其係包含但不受限於基地台，節點B，位址控制器，存取點或無線環境中之其他互連裝置。
無線分頻雙工(FDD)或分時雙工(TDD)通信系統中，基地台及無線傳輸/接收單元之被傳輸及接收訊號間之定時同步對促進雙向通信係為重要。同時，若行動接收器運作時，杜普勒效應可對頻差貢獻。為了抵消基地台局部振盪器及無線傳輸/接收單元局部振盪器間之定時差，若接收器無多路徑處理，則對無線傳輸/接收單元接收器局部振盪器之簡單調整係可藉由對採集速率施加領先或延遲來修正誤差。然而，由於多路徑訊號效應，無線通信系統之傳統接收器係運用可偵測多路徑訊號之裝置及可重建被傳輸訊號之裝置，如RAKE型接收器。
各路徑定時係以兩階段來估計。首先，頻道估計器係被用來及時搜尋多路徑通信頻道之各路徑近似位置。其次，針對各路徑，被與各RAKE指狀物互連使用之專用碼追蹤器係可及時搜尋路徑之精確位置並繼續近蹤它。因為各路徑具有唯一定時位置，所以單獨以局部振盪器來控制碼定時並不能 修正多路徑頻道環境中之誤差。
為了處理多路徑問題，除了控制局部振盪器，碼追蹤器可使用間插器來執行關數位定時同步。為了有效執行間插器，有限脈衝響應(FIR)間插器可被使用。有限脈衝響應間插器具有不同已知方法。最簡單方法係使用截取sinc函數當做有限脈衝響應間插器。另一選擇係使用多項式間插器。同時，最小均方差(MMSE)間插器亦可被使用。這些演算中，最小均方差間插器與有限長度理論間插器相較下可提供最小誤差。應注意，若缺乏可確保間插器被放置於sinc函數之主波瓣中央(也就是間插函數中央)之有效間插器控制單元，則間插器可產生較給定精確度所需更高之有限脈衝響應係數。超額係數之缺點係間插計算數成為累贅，且於某些點上成為實施限制因子。當為了更有效處理多路徑效應而使被運用追蹤器數增加時，此特別複雜。因此，擴充RAKE指狀物追蹤器數與被獲得自多路徑頻道之分時增益量間具有抵換關係。
接收器之數位定時同步器係被提供對無線通信系統中之發送器做定時同步。頻道估計器係可估計被接收訊號之啟始碼相位。碼產生器可產生被整數增量調整之定時參考碼。間插回授電路係被配置來間插及修正定時誤差，藉此該間插可經由整數碼轉移，及被選自與預定間插器係數相關之片段延遲估計被量化值之查找表之被量化片段延遲估計來達成，藉此被接收訊號之時間修正版本係被產生。
間插回授電路中，被一般化為採集速率之間插器係被配置藉由片段延遲或領先來及時轉移被接收訊號。定時誤差估 計器可基於間插回授電路之輸出訊號及碼產生器之定時參考碼間之定時差來決定定時誤差估計。可回應定時誤差估計之間插器控制器係可以定時誤差估計反方向來產生及傳送整數碼轉移訊號至碼產生器，且可產生片段延遲估計，藉此間插可藉由維持片段延遲估計於預定範圍內而被控制。具有與被量化片段延遲估計值相關之被儲存預定間插器係數之查找表之量化器，係可選擇最接近片段延遲估計值之被量化片段延遲估計。該間插器可處理被量化片段延遲估計相關之係數。
本發明可從以下較佳實施例及附圖而更詳細了解。
雖然本實施例係說明使用分時雙工模式之第三代合作計劃(3GPP)寬頻分碼多重存取(W-CDMA)系統，但本實施例係可應用至任何混合分碼多重存取(CDMA)/分時多重存取(TDMA)通信系統。此外，本實施例係可應用至通常如第三代合作計劃之提議分頻雙工(FDD)之分碼多重存取(CDMA)系統。
第1圖顯示碼追蹤器10之較佳實施例塊狀圖，包含頻道估計器11，後處理單元12，碼產生器13，間插器14，下採集器15，定時誤差估計器16，迴路濾波器17，間插器控制器18，量化器19及功率量測20。被接收訊號21成為對頻道估計器11及間插器14之輸入訊號。碼追蹤器10可執行接收器至對應無線發送器之數位定時同步。例如，第三代合作計劃類似系統中，碼追蹤器10係放置行動無線傳輸/接收單元接收器內以與基地台發送器做數位定時同步。
頻道估計器11可粗估輸入訊號21之啟始碼相位，也就是 及時碼位置。估計該頻道估計之一法係包含但不受限於使用滑動窗相關器。頻道估計器11之採集期間應低於或等於2Tc，其中Tc為一晶間隔之存續期間。否則，定時誤差可能超出範圍且演算無法操作。然而，本發明並不受限於早晚閘同步器且任何其他定時誤差估計器16亦可被使用。後者例中，頻道估計器之不同採集區間可被使用。藉由使用具有低於2Tc之採集區間之頻道估計器11，路徑位置中之啟始誤差係被限制為範圍-Tc至Tc。
後處理單元12可對雜訊門檻估計訊號及雜訊功率。後處理完成後，所有具有雜訊門檻以上之功率位準之路徑係被辨識。這些及時強路徑係被稱為啟始路徑相位22。這些路徑最強者可被單獨使用或特定門檻以上之路徑組，係可被用於RAKE狀接收器結構中。RAKE狀接收器於多路徑頻道環境中非常有用，因為其可有效使用頻道分時。
具有被選擇最強路徑例子中，僅有一碼追蹤器10，其包含一間插器14及一間插器控制器18。針對RAKE狀接收器，應具有被各路徑專用之一碼追蹤器10。然而，該例中，頻道估計器11及後處理單元12對所有被使用之碼追蹤器係為共用。藉由從後處理單元12施加單路徑之啟始路徑相位22至碼產生器13，定時同步即開始。
針對RAKE狀接收器之各碼追蹤器10，碼產生器13可產生當做時脈之基本定時參考碼。啟始路徑相位22可僅藉由及時領先或延遲該被產生之參考碼來調整複數晶片中之碼產生器13之啟始定時偏移。啟始修正完成後，碼產生器13僅藉由來自間插器控制器18之碼轉移指令28來控制。啟始路徑相位22僅於兩情況下被應用：接收器首次被啟動，及訊號功率掉 落雜訊門檻以下任何時間。碼轉移28係為被間插器控制器18於領先或延遲方向產生之一晶片轉移指令。啟始修正完成後，最壞定時誤差估計例係被限制為-Tc至Tc之區間範圍。
包含間插器14，下採集器15，定時誤差估計器16，迴路濾波器17及間插器控制器18之碼追蹤器10之間插回授迴路35現在將詳細被解釋。間插回授迴路35可驅動定時誤差估計訊號24至接近零之值，及驅動延遲估計25朝向實際延遲存續期間。
間插器14可以相等於被接收自被量化片段延遲估計29之量及時數學轉移該被接收訊號。來自理論間插器之輸出訊號係被方程式1表示為： 其中n為整數時間指標，x(n)為過度採集被接收訊號21，代表被量化片段延遲估計29，而Sinc函數被定義為：
針對經由間插回授迴路35之啟始迭代，被量化片段延遲估計29係被重設為零，導致通過間插器14之被接收訊號未被修正。關於操作間插器14及製作被量化片段延遲估計29(也就是值)，將參考間插回授迴路35之第二及以上迭代做進一步詳細說明。
下採集器15可藉由被間插器14處理後之過度採集因子L來降低被接收訊號21之過度採集速率。具有間插器14之碼追蹤器10可被施加至以大於或等於1之L任何整數值之採集速率操作之接收器。碼追蹤器10可執行定時調整之最佳採集速 率範圍係1 L 8。L=1例係對應不過度採集。另一方面，若採集速率與整數L≧8相關，則定時誤差降低至1/16Tc階值，藉此間插器單元14之貢獻係被明顯降低而經由下採集器15之簡單採樣轉移則自給自足。然而，當L≧8之高過度採集速率產生接收器資源之超額功率消耗時，其係具有優點地以低採集速率操作並對依據第1圖之碼追蹤器10執行碼追蹤。
下採集器15可轉換採集速率為晶片速率，使採集速率區間Ts於下採集器15之輸出處等於晶片速率區間Tc。因此，下採集器15之輸出可被z(n)表示如下：z(n)=y(Lon+k) 方程式3其中k為代表下採集器15之基點26之整數。例如，針對具有採集速率因子L=4之過度採集訊號，下採集器15前之採集速率區間係為Ts=Tc/L=Tc/4，而下採集後，其為Ts=Tc。最初，基點26被重設為零。k值變異將稍後參考方程式6a，6b做解釋。
下採集器15之輸出係為被無線傳輸/接收單元接收器進一步處理之時間修正輸出訊號23。功率量測單元20可處理輸出23並傳送訊號之功率量測至頻道估計器11當作及時定位各路徑之近似位置給多路徑頻道之輸入。針對定時改進，下採集器15之輸出23亦經由碼追蹤器10之間插回授迴路35至定時誤差估計器16，其輸入訊號之定時誤差係被量測並被傳送為定時誤差估計24。定時誤差估計器16可依據各種已知定時誤差估計演算來操作。較佳實施例可運用早晚閘同步器。
接著，迴路濾波器17可接收定時誤差估計24來產生延遲估計25。迴路濾波器17類型之選擇係視頻道情況而定。然而，本發明並不受限於被使用之特殊迴路濾波器。較佳是，迴 路濾波器17係為第一或第二階濾波器。例如，已知比例積分器(PI)濾波器可被當作迴路濾波器17。可替代是，第一階自迴歸(AR)濾波器可被當作迴路濾波器17。
第2圖顯示迴路濾波器17之較佳配置，包含第二階比例積分器濾波器50，累積器56，反向乘法器57。比例積分器濾波器50包含積分器51，其包含乘法器52，累積器53，乘法器54及加法器55。乘法器52及54可分別施加常數a及b至定時誤差估計24輸入，其被分割於比例積分器濾波器50之輸入處。定時誤差估計24輸入係被積分器51積分，而被乘上平行積分器51之常數b。平行輸出係被加法器55加總產生比例積分器濾波器輸出。接著，比例積分器濾波器輸出係被累積器56累積且被具有常數-c之乘法器57處理。乘法器57中之常數c相反符號可產生反向定時修正以補償訊號中之定時誤差估計24，對第1圖所示之負回授系統有用。視迴路濾波器17階而定，碼追蹤器10可包含第一，第二或甚至更高階回授迴路。乘法器57之輸出係為延遲估計25。
迴路濾波器17之輸出延遲估計25係被Td表示如下：Td=-ζ(Te) 方程式4其中Te為來自定時誤差估計器16之定時誤差估計24，而ζ(．)為線性運算元。延遲估計25係被傳送至間插器控制器18做進一步處理。
間插器控制器18可提供兩個主要功能：管制延遲估計25範圍及最小化間插器係數。首先，關於保持延遲估計25於碼追蹤器10之速率操作範圍內，該操作範圍係視定時誤差估計器16之特殊選擇而定。例如，針對早晚閘同步器型定時誤差估計器16，該操作範圍採集區間係被限制為-Tc至Tc。有兩種 對定時誤差估計器16工作範圍限制訊號定時變異之方式。首先此可藉由及時與延遲估計25等比例轉移下採集器15之基點26來達成。然而，此係對應改變整個接收器之框起始。僅可理解是否僅有一傳輸路徑至接收器。然而，多路徑環境中，較佳轉移路徑專用之碼追蹤器10之碼產生器13於延遲估計25反方向。
實施定時誤差估計器16之外，被接收訊號21之定時誤差估計24係針對被碼產生器13產生之接收器中之參考碼來量測。間插器控制器18可監控延遲估計25且無論其何時超出特定範圍之外，其均可反向轉移碼產生器13。因為碼產生器13係以區間Tc之晶片速率來運作，所以最小轉移量係等於晶片存續期間，也就是Tc。因此，無論延遲估計25何時變成Td>Te/2或Td<-Te/2，較佳均執行碼轉移28。
實際通信系統中，基地台及行動無線傳輸/接收單元接收器間之路徑相對延遲可超時改變。主要地，其可針對以下原因而發生。首先，行動無線傳輸/接收單元接收器之動作可及時改變延遲估計25。針對固定速度之行動無線傳輸/接收單元接收器移動，定時誤差中係具有第一階改變。第二個原因係基地台及行動無線傳輸/接收單元接收器間之局部震盪器頻差。此亦導致延遲估計25之第一階改變。這些效應係累積。然而，定時誤差改變並不限於第一階改變。針對具有N碼改變之碼追蹤器10，若有需要，間插器控制器18可遵循N-1階改變，並可於任何需要時執行碼轉移。
碼追蹤器10所做之碼轉移決定係很堅定，不阻擋低訊號雜訊比(SNR)及衰落頻道情況。為了消除因雜訊及干擾造成之振盪碼轉移操作，簡單滯後邏輯係被運用。延遲估計25對 振盪器偏移及定速行動無線傳輸/接收單元動作之改變時序圖係被顯示於第3A圖，第3B圖。時間偏移係因線性改變時間延遲之週期時間偏移而產生鋸齒狀波形。如第3A圖所示，延遲估計25係線性遞增。峰值轉變發生於碼轉移28處，為Tc/2+△，碼轉移28係以負向執行以補償遞增延遲估計25。相反地，第3B圖中，線性遞減延遲估計25係被正碼轉移28補償。雖然延遲估計25之線性改變係被描繪於第3A圖及第3B圖，但應注意碼追蹤器10並不受限於延遲估計25之線性改變，延遲估計25更新之任何類型改變均可行。碼轉移28如上述地延遲或領先發生於兩方向。如第3A圖及第3B圖所示，△(如0.05Tc)之任意小值係被用於避免碼轉移25點附近之振動行為。
碼轉移28發生後，被間插器控制器18使用之新延遲估計值25係被尋找如下： 其中sgn[．]表示碼轉移28之方向(也就是正，負或兩者皆非)且被定義為：
有關間插器控制器18最小化係數之第二函數，具有限大小之實際間插係被最佳化來達成最小誤差。記住方程式1中之理論間插器係具有無限係數而不可實施。有限大小間插器之最佳間插器係數係可經由如最小均方差(MMSE)之最佳演算來最小化近似誤差。此於下一段將被詳述。然而，因有限大 小間插器之近似誤差係可藉由儘可能最小化片段延遲估計27而被進一步降低。因此，間插器控制器18被配置來達成此。碼轉移處理後之延遲估計25可被寫為： 其中k被定義如下： 運算元[x]代表x之最大整數。k值對應存在於中之過度採集樣本存續期間數。因此，k．T s 藉由相等k樣本之量來對應過度採集輸入訊號之簡單轉移。此轉移可輕易藉由方程式3所示之整數k轉移下採集器之基點26來達成。基點26轉移後，剩餘時間轉移係等於 因為間插器14被標準化為Ts，所以間插器14之值係為被量化後(也就是)。同時，重要注意分解延遲估計25後(也就是方程式6a中之值及方程式6b中之k值)，片段延遲估計27係被限制為-1<α<1範圍。此範圍限制使片段延遲估計27保持最小並達成預期增加間插誤差。
為了描繪間插器控制器18之操作，係呈現以下例子。假設被過濾定時誤差估計25為Td=0.64Tc，且過度採集速率為L=4。因此，採集速率為Ts=Tc/L=Tc/4。依據方程式5a及5b，碼轉移28係為所需，所以碼轉移延遲估計25為-0.36Tc。從方程式6b，基點26為k=-1，而從方程式6a，片段延遲估計27為α=-0.44。
量化器19係為間插回授迴路35之最後剩餘階段。片段延 遲估計27係於被間插器使用之前被量化器19量化(也就是被離散)。量化器19對限制計算間插器係數以避免延遲估計25每次被更新之計算很有用。量化器19包含可儲存與一組可用量化片段延遲估計值相關之預先計算間插器係數之查找表。此查找表可降低間插之計算複雜度且亦增加處理速度。量化器19可決定基於所需定時精確度及過度採集速率L來量化該片段延遲估計之若干位準。定時調整所需之定時精確度係為Tc/Q，其中Q為正整數。其遵循所需量化步驟大小為2Tc/Q。針對過度採集速率L，此對應-1<α<1範圍之Q/L量化位準。例如，針對Q=32及L=4，定時調整所需之定時精確度係為Tc/16，而量化器19具有Q/L=8位準。接著，依據上例，若片段延遲估計27為α=-0.44，則被量化延遲可從自量化器19中之查找表選擇最近相等值來決定。因為此為位準8量化器，所以可用值係來自下組量化片段延遲估計：[-1，-0.75，-0.5，-0.25，0.25，0.5，0.75，1](值0因為完全不產生間插所以不被使用。因為-0.44最接近-0.5，所以被選擇量化片段延遲估計29接著為=-0.5，其被傳送至間插器14。
遵循間插回授迴路35之起始迭代，延遲估計及間插操作繼續被重複以追蹤定時誤差之改變。
回到間插器14，方程式1之有限間插將被說明，包含間插器14處理之量化片段延遲估計29，不像間插器14最初處理被接收訊號21時。如方程式1所示，理論間插係為無限長度加總。為了有效間插器實施，方程式1之無限加總必須被執行。以下方程式8a係顯示此輸出之有限表示如下： 其代表間插器係數，被導出如下： 有限長度濾波器之理論間插器之頻率響應係如下： 輸出訊號誤差係被定義為理論間插器輸出及間插器之有限表示間之差異：
最適有限脈衝響應間插器之係數h α (n)係藉由最小化以下方程式11來決定，用於量化片段延遲估計29之所有可能值。被使用之最適方法為最小均方差方法。因為孳息之頻寬F=ω/2π小於1/(2Ts)，施加Parseval關係至方程式10產生： 方程式11係代表有限脈衝響應濾波器之最小均方差版本，其為間插器14之間插器較佳類型。方程式11具有若干不同解。例如，Fletcher-Powell方法可被用來解決方程式11。應注意本發明實施例不受限於方程式11之任何特殊解。若(M1=M)及(M2=M-1)被選擇用於2M係數總數，則最小差係被達成。由於係數從方程式12被找出，最適最小均方差有限脈衝響應間插器14可以下列方程式來表示： 如熟練技術人士所知，間插器係數係為對稱，其可被寫 為 當不可即時解出方程式11，方程式11係被事先解出所有可能值，且預定係數係被儲存於量化器19之查找表。此導致大小M．((Q/L)-2)之實數入口之查找表，其中Q/L為量化器位準數。然而，因為=0完全不會產生間插，所以其被排除於量化器19之查找表。藉由使用方程式13之對稱特性，查找表大小可藉由M．((Q/L)-2)/2實數來降低。可替代是，視被實施間插器結構而定，如多項式間插器，查找表可藉由即時計算來刪除及取代。
實施中，視可被負擔之間插誤差而定，M1具有2M係數。例如，第三代合作計劃狀分頻雙工相容行動無線傳輸/接收單元接收器，包含早晚閘同步器，兩次過度採集(L=2)，及包含被串聯如第2圖累積器之積分器濾波器之第二階迴路濾波器，產生M=2或每量化器總共四個係數。針對Tc/16之所需精確度(也就是Q=16)，所使用之量化器位準數為8。
藉由最適化依據本發明之間插，不管是否使用係數限制數，有效降低定時誤差之有利結果均可被達成。雖然本發明已參考多路徑衰落頻道及RAKE狀接收器做說明，但其不受限於這些應用來建構。碼追蹤器10之替代實施例係包含但不受限於具有下列類型間之間插器：多項式有限脈衝響應間插器，線性間插器，及Lagrange間插。
10‧‧‧碼追蹤器
11‧‧‧頻道估計器
12‧‧‧後處理單元
13‧‧‧碼產生器
14‧‧‧間插器
15‧‧‧下採集器
16‧‧‧定時誤差估計器
17‧‧‧迴路濾波器
18‧‧‧間插器控制器
19‧‧‧量化器
20‧‧‧功率量測單元
21‧‧‧被接收訊號
22‧‧‧啟始路徑相位
23‧‧‧時間修正輸出訊號
24‧‧‧定時誤差估計訊號
25‧‧‧延遲估計值
26‧‧‧基點
27‧‧‧片段延遲估計
28‧‧‧碼轉移指令
35‧‧‧間插回授迴路
29‧‧‧量化片段延遲估計
50‧‧‧比例積分器濾波器
51‧‧‧積分器
53、56‧‧‧累積器
55‧‧‧加法器
52、54、57‧‧‧乘法器
a、b‧‧‧常數
第1圖顯示具有最佳間插之碼追蹤器塊狀圖。
第2圖顯示迴路濾波器塊狀圖。
第3A圖，第3B圖顯示碼追蹤器之碼轉移時序圖。
10‧‧‧碼追蹤器
11‧‧‧頻道估計器
12‧‧‧後處理單元
13‧‧‧碼產生器
14‧‧‧間插器
15‧‧‧下採集器
16‧‧‧定時誤差估計器
17‧‧‧迴路濾波器
18‧‧‧間插器控制器
19‧‧‧量化器
20‧‧‧功率量測單元
21‧‧‧被接收訊號
22‧‧‧啟始路徑相位
23‧‧‧時間修正輸出訊號
24‧‧‧定時誤差估計訊號
26‧‧‧基點
27‧‧‧片段延遲估計
28‧‧‧碼轉移指令
29‧‧‧被量化片段延遲估計
35‧‧‧間插回授迴路

Claims (6)

  1. 一種用於一耙式(RAKE)接收器的數位定時調整的積體電路，其被配置用以與一發送器同步化，其中一接收的訊號具有複數路徑，各路徑具有與一參考碼相關的一定時誤差，該積體電路包含：一間插回授電路，其被配置用於間插及修正該定時誤差，該間插通過一整數碼轉移以及從量化的片段延遲估計值的一查找表選出的一量化的片段延遲估計及其相關的預定間插器係數而被最佳化，從該量化的片段延遲估計及其相關的預定間插器係數產生該接收的訊號的一時間修正版本。
  2. 如申請專利範圍第1項的積體電路，其中該間插回授電路更包含：一間插器，被標準化為一採集速率，且被配置用以將該接收的訊號及時轉移一片段延遲或領先；一定時誤差估計器，用於根據該間插回授電路的一輸出訊號與該定時參考碼之間的一時間差來決定一定時誤差估計；一間插器控制器，其回應該定時誤差估計以用於在與該定時誤差估計相反的一方向產生並且傳送一整數碼轉移訊號至該碼產生器，以及於一預定範圍內產生一片段延遲估計以決定間插係數；以及一量化器，其具有該查找表，該查找表具有與預定量化片段延遲估計值相關的儲存的間插器係數，該量化器被配置用以從該查找表中選出在數值上最接近該片段延遲估計的一量化的片段延遲估計值，其中該係數的數目係被限定的。
  3. 如申請專利範圍第1項的積體電路，其中該間插回授電路更包含一過濾器，該過濾器用於過濾該定時誤差估計以產生具有一符號的一延遲估計值，該延遲估計值的符號與該定時誤差估計的一符號相反，藉此該間插器控制器在與該定時誤差估計器的組態相關的一預定操作範圍內調整該延遲估計。
  4. 如申請專利範圍第3項的積體電路，其中該間插回授電路更包含回應該間插器控制器的一下採集器，該下採集器被配置用以藉由一過度採集因子以及依據與該接收的訊號的一採集速率和該延遲估計的一比率相關的一基點來降低該接收的訊號的該採集速率。
  5. 如申請專利範圍第1項的積體電路，其中各間插器為一最小均方差(MMSE)最佳化的有限脈衝反應(FIR)間插器。
  6. 如申請專利範圍第1項的積體電路，其中該間插回授電路更包含一後處理單元，該後處理單元被配置用以處理該估計的啟始編碼相位以及用以估計相對於一雜訊門檻的訊號與雜訊功率，藉以產生一啟始編碼相位，從而該編碼產生器展開與該啟始編碼相位關聯的該參考碼。
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