TWI510034B - 載波頻率偏移校正方法以及機器可讀媒體 - Google Patents

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TWI510034B TW102144075A TW102144075A TWI510034B TW I510034 B TWI510034 B TW I510034B TW 102144075 A TW102144075 A TW 102144075A TW 102144075 A TW102144075 A TW 102144075A TW I510034 B TWI510034 B TW I510034B
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Description

載波頻率偏移校正方法以及機器可讀媒體
本發明所揭露之實施例係相關於校正載波頻率偏移，尤指一種應用在正交分頻多工(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)接收器的載波頻率偏移校正方法。
在一正交分頻多工(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)通訊系統中，例如第1圖所示的正交分頻多工通訊系統100，一般來說，由於其中的一傳送端102與一接收端104各自的振盪器(未顯示於圖中)之間具有頻率差異，因此接收端104的一混頻器(mixer)106會出現載波頻率位移(Carrier Frequency Offset,CFO)的問題；此外，就接收端104的一類比數位轉換器(Analog to Digital Converter,ADC)108來說，則會有取樣頻率位移(Sample Cock Offset,SCO)的問題。
載波頻率位移和取樣頻率位移係破壞系統載波正交性的主因，在沒有校正或是校正不足的情況下，往往導致嚴重的載波干擾(Inter Carrier Interference,ICI)，因此，如何在正交分頻多工接收器中進行載波頻率位移的校正實為關鍵。目前針對上述問題的解決方式為利用鎖相迴路(Phase Lock Loop,PLL)來幫忙完成載波頻率位移的校正，如第2圖所示，一鎖相迴路200其運作原理係先利用一相位偵測器(Phase Detector,PD)202找出一輸入訊號與一本地時脈之間的相位差，再進一步經由數學運算來求出一頻率差，以及經過一迴路濾波器204之後，再依據該頻率差來調整一電壓控制振盪器(Voltage-Controlled Oscillator,VCO)206的輸出時脈進而改變本地振盪器的 頻率，達到載波頻率位移的校正或追蹤，然而，鎖相迴路通常係以類比方式來實作，不僅設計的難度較高，且易受製程飄移的影響，同時耗費較多晶片面積。
除此之外，習知的作法另有僅依靠數位訊號處理的方式來實現者，具體來說，即是不利用類比電路或是射頻電路來作校正，而是單純地由基頻(Base band,BB)數位電路作載波頻率位移估計，並透過訊號處理的方式作載波頻率位移的補償，進而消除載波干擾的影響。一般而言，除了估計與補償外，在信號中可以基於領航訊號(Pilot signal)對載波頻率以及取樣頻率作持續地追蹤(CFO tracking & SCO tracking)，讓估計或補償不夠準確的問題所造成的影響降至最低。然而，使用基頻數位電路作載波頻率位移的校正雖較簡易，但有可能產生以下問題，其一係混頻器之後的直流項濾波器(DC Notch Filter)有可能會使得受到載波頻率位移的影響因而往直流靠近的訊號被過濾掉，導致無法還原。其二係當載波頻率位移較嚴重時，有可能會因為前置符元訊號(preamble symbol)偵測或解碼錯誤，使得數位電路的載波頻率位移估計能力大幅下降。
因此，此領域中亟需一種新穎的載波頻率位移校正方式，以降低成本以及失誤率。
本發明的目的之一在於提供一種應用在正交分頻多工(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)接收器的載波頻率偏移校正方法，以解決上述的問題。
依據本發明所揭露的一實施例，揭露一種載波頻率偏移(Carrier Frequency Offset,CFO)校正方法，用於校正一接收器的載波頻率偏移，該載 波頻率偏移校正方法包含有：接收由一數位載波頻率偏移估計所產生之至少一載波頻率偏移估計值；依據該至少一載波頻率偏移估計值來產生一載波頻率偏移調整值；以及依據該載波頻率偏移調整值來調整該接收器之一振盪器之一振盪器頻率。
依據本發明所揭露的另一實施例，揭露一種機器可讀媒體，儲存 一程式碼，當該程式碼被一處理器所執行時，該程式碼會致使該處理器執行以下的步驟以校正一接收器的載波頻率偏移：接收由一數位載波頻率偏移估計所產生之至少一載波頻率偏移估計值；依據該至少一載波頻率偏移估計值來產生一載波頻率偏移調整值；以及依據該載波頻率偏移調整值來調整該接收器之一振盪器之一振盪器頻率。
相較於習知技術，本發明所提出的應用在正交分頻多工接收器的 載波頻率偏移校正方法，可顯著地減少類比電路的複雜度，並且強化單純數位校正方法的校正能力。
100‧‧‧正交分頻多工通訊系統
102‧‧‧傳送端
104‧‧‧接收端
106‧‧‧混頻器
108‧‧‧類比數位轉換器
200‧‧‧鎖相迴路
202‧‧‧相位偵測器
204‧‧‧迴路濾波器
206‧‧‧電壓控制振盪器
S300~S320‧‧‧步驟
400‧‧‧電腦系統
402‧‧‧處理器
404‧‧‧機器可讀媒體
第1圖為習知的正交分頻多工通訊系統的示意圖。
第2圖為習知的鎖相迴路的示意圖。
第3圖為本發明載波頻率偏移校正方法的實施例的流程圖。
第4圖為本發明依據本發明應用於載波頻率偏移校正的機器可讀媒體的實施例的示意圖。
在說明書及後續的申請專利範圍當中使用了某些詞彙來指稱特定的元件。所屬領域中具有通常知識者應可理解，製造商可能會用不同的名詞 來稱呼同樣的元件。本說明書及後續的申請專利範圍並不以名稱的差異來作為區分元件的方式，而是以元件在功能上的差異來作為區分的準則。在通篇說明書及後續的請求項當中所提及的「包含」係為一開放式的用語，故應解釋成「包含但不限定於」。另外，「耦接」一詞在此係包含任何直接及間接的電氣連接手段。因此，若文中描述一第一裝置耦接於一第二裝置，則代表該第一裝置可直接電氣連接於該第二裝置，或透過其他裝置或連接手段間接地電氣連接至該第二裝置。
本發明主要係依據習知接收器中的數位載波頻率偏移計算電路基於數位載波頻率偏移估計所產生之載波頻率偏移估計值，來產生載波頻率偏移調整值，其中該數位載波頻率偏移估計可為習知的一般作法，舉例來說，該數位載波頻率偏移估計特色係不利用類比電路或是射頻電路來作估計，而是單純地由基頻(Base band,BB)數位電路作載波頻率位移估計，其估計原理可以係由系統規範所定義，或者是設計者使用另外的演算法來實現。而本發明的特徵係在於針對該數位載波頻率偏移估計所產生之該載波頻率偏移調整值進行處理，並進一步將處理過後的訊號回授至類比電路來調整接收器之前端的時脈訊號的源頭振盪器頻率，而非僅在接收器之後端的數位基頻電路進行補償。詳細說明如下。
請參考第3圖，第3圖為依據本發明載波頻率偏移(Carrier Frequency Offset,CFO)校正方法的一實施例的流程圖。載波頻率偏移校正方法3可應用於一正交分頻多工(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)接收器。載波頻率偏移校正方法3係依據該正交分頻多工接收器中的一載波頻率偏移計算電路所產生的一載波頻率偏移估計值CFO_est以及該正交分頻多工接收器中的一振盪器的一控制電容值Crystal_cap的單位電容值所對應的一頻率偏移量△F 與一頻率偏移方向，來計算一載波頻率偏移調整值 CFO(即該振盪器的一電容調整量△cap )。在步驟S302中，為了減少過度的調整以及排除極端的狀況，可將一特定時段T之內所有的載波頻率偏移估計值CFO_est中的極端值排除，並對剩下的載波頻率偏移估計值CFO_est進行平均。例如，可將一特定時段T之內所有的載波頻率偏移估計值CFO_est中的最大以及最小值排除，並對剩下的載波頻率偏移估計值CFO_est進行平均，以得到一去極端值平均載波頻率偏移估計值CFO_ave_without_maxmin，並將去極端值平均載波頻率偏移估計值CFO_ave_without_maxmin當作特定時段T之內的一平均載波頻率偏移估計值CFO_ave。應注意的是，由於偏移的方向可能係偏快或是偏慢，因此平均載波頻率偏移估計值CFO_ave可能是正值或是負值。
接下來，在步驟S304中，會判斷取絕對值後的平均載波頻率偏移估計值| CFO_ave |是否小於一臨界值ΦCFO 以及一旗標blsFreeze是否等於True，若是，則直接進入步驟S320；若否，則會進入步驟S306並計算出一電容調整量△cap =ceil((| CFO_ave |-ΦCFO )/△F )，其中ceil((| CFO_ave |-ΦCFO )/△F )係對(| CFO_ave |-ΦCFO )/△F 進行無條件進入至整數的運算。接下來在步驟S308中，會判斷△cap 是否小於等於0，若是，則進入步驟S310中，並判定臨界值ΦCFO 為一第一臨界值Tmax 且將旗標blsFreeze設為True；若步驟S308判斷△cap 並非小於等於0，則進入步驟S312。
在步驟S312中，會判斷平均載波頻率偏移估計值CFO_ave是否大於等於0，若是，則進入步驟S314，並設定該正交分頻多工接收器中之該振盪器的控制電容值Crystal_cap=Crystal_cap+△cap ，之後直接進入步驟S318。反之若是判斷CFO_ave並非大於等於0，則會進入步驟S316，並設定該正交分頻多工接收器中之該振盪器的控制電容值Crystal_cap=Crystal_cap-△cap ，之後同樣進入步驟S318。在步驟S318中，判定臨界值ΦCFO 為一第二 臨界值Tmin 且將旗標blsFreeze設為False。
當取絕對值後的平均載波頻率偏移估計值| CFO_ave |超出第一臨界值Tmax 之後，便持續依據後續特定時段所產生之平均載波頻率偏移估計值來更新該載波頻率偏移調整值，以校正該正交分頻多工接收器之該振盪器，直到後續的平均載波頻率偏移估計值降低至達到第二臨界值Tmin 為止。即，在此係利用遲滯比較(hysteresis comparison)的原理來排除平均載波頻率偏移估計值CFO_ave在一個範圍之內(第二臨界值Tmin 和第一臨界值Tmax 之間)的不穩定性。
除此之外，亦可視需求變化第3圖的載波頻率偏移校正方法3中某些特定步驟。例如，可另判斷特定時段T1 的平均載波頻率偏移估計值CFO_ave與前一特定時段T-1 所計算出的平均載波頻率偏移估計值CFO_ave-1 之間的差距△CFO_ave是否超出一異常臨界值。即，若平均載波頻率偏移估計值CFO_ave相較於平均載波頻率偏移估計值CFO_ave-1 突然發生很大的改變，則此平均載波頻率偏移估計值CFO_ave為偶發之異常值，可能是雜訊或某些不正常的狀況所導致，因此，此異常值便不被採用來產生電容調整量△cap ，以避免錯誤的調整動作。又，例如，若△CFO_ave大於一臨界值ΦCFO_dif ，則終止特定時段T1 的載波頻率偏移校正；然而，若連續地發生此狀況，舉例來說，前一特定時段T-1 所計算出的平均載波頻率偏移估計值CFO_ave-1 與前兩特定時段T-2 所計算出的平均載波頻率偏移估計值CFO_ave-2 之間的差距△CFO_ave-1 大於臨界值ΦCFO_dif ，以及△CFO_ave也大於一臨界值ΦCFO_dif ，則可能此較劇烈的變化非屬突發的異常，而是需要被調整的載波頻率偏移，應視為正常的平均載波頻率偏移估計值CFO_ave，並被採用來產生電容調整量△cap 以對該接收端的振盪器進行調整。
請參閱第4圖，第4圖為本發明依據本發明應用於載波頻率偏移(Carrier Frequency Offset,CFO)校正的機器可讀媒體的一實施例的示意圖。電腦系統400包含有一處理器402以及一機器可讀媒體404，例如，電腦系統400可以是一個人電腦，而機器可讀媒體404可以是個人電腦中任何具有資料儲存功能的儲存裝置，如揮發性記憶體、非揮發性記憶體、硬碟、光碟等等。本實施例中，機器可讀媒體304中儲存一程式碼PROG，當程式碼PROG被處理器402所載入並執行時，程式碼PROG會使處理器402針對接收自一數位載波頻率偏移估計的至少一載波頻率偏移估計值來產生一載波頻率偏移調整值，並且依據該載波頻率偏移調整值來調整該接收器之一振盪器之一振盪器頻率，也就是執行本發明所揭示的載波頻率偏移校正方法(即第3圖所示的步驟S300~S324)。由於熟習此領域者參照前述針對時序分析方法的內容應可瞭解處理器402執行程式碼PROG所進行的時序分析操作，故在此省略更進一步的說明。
本發明所提出的應用在正交分頻多工接收器的載波頻率偏移校正方法，可以基頻數位電路來實現，亦可利用軟體或是韌體來實現，並將計算出的結果透過寫入至基頻數位電路的暫存器，或是直接回授至類比電路來控制振盪器的頻率，以達到校正載波頻率偏移的目的。相較於習知技術，可顯著地減少類比電路的複雜度，並且強化單純數位校正方法的校正能力。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
S300~S324‧‧‧步驟

Claims (14)

  1. 一種載波頻率偏移(Carrier Frequency Offset,CFO)校正方法，用於校正一接收器的載波頻率偏移，該載波頻率偏移校正方法包含有：接收由一數位載波頻率偏移估計所產生之至少一載波頻率偏移估計值；依據該至少一載波頻率偏移估計值來產生一載波頻率偏移調整值；依據該數位載波頻率偏移估計在一特定時段之內所產生之複數個載波頻率偏移估計值來計算一平均載波頻率偏移估計值；判斷該平均載波頻率偏移估計值是否超出一臨界值；以及當該平均載波頻率偏移估計值超出該臨界值之後，持續依據後續特定時段所產生之平均載波頻率偏移估計值來更新該載波頻率偏移調整值，直到後續特定時段所產生之平均載波頻率偏移估計值降低至達到另一臨界值為止；以及依據被更新後的該載波頻率偏移調整值來調整該接收器之一振盪器之一振盪器頻率。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的載波頻率偏移校正方法，其中該接收器係一正交分頻多工(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)接收器。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的載波頻率偏移校正方法，其中依據該至少一載波頻率偏移估計值來產生該載波頻率偏移調整值的步驟包含有：依據該至少一載波頻率偏移估計值以及該振盪器的一控制電容值的單位電容值所對應的一頻率偏移量與一頻率偏移方向，來計算該載波 頻率偏移調整值。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的載波頻率偏移校正方法，其中依據該載波頻率偏移調整值來調整該接收器之該振盪器之該振盪器頻率的步驟包含有：依據該載波頻率偏移調整值來調整該振盪器之該控制電容值。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的載波頻率偏移校正方法，其中依據該數位載波頻率偏移估計在該特定時段之內所產生之該些載波頻率偏移估計值來計算該平均載波頻率偏移估計值的步驟包含有：自該些載波頻率偏移估計值中選取出一部分的載波頻率偏移估計值，其中該一部分的載波頻率偏移估計值不包含該些載波頻率偏移估計值之一最大值與一最小值的至少其一；以及依據該一部分的載波頻率偏移估計值來計算該平均載波頻率偏移估計值。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的載波頻率偏移校正方法，其中依據該至少一載波頻率偏移估計值來產生該載波頻率偏移調整值的步驟包含有：依據該數位載波頻率偏移估計在一目前時段與複數個先前時段中每一時段之內所產生之複數個載波頻率偏移估計值來計算該時段之一平均載波頻率偏移估計值，以得到該目前時段與該些先前時段所分別對應之複數個平均載波頻率偏移估計值；判斷該目前時段與該些先前時段中任兩連續時段所對應之平均載波頻率偏移估計值之間的一差值是否超出一臨界值；以及若該目前時段與該些先前時段所對應之連續的複數個差值均超出該臨界值或均不超出該臨界值，則依據該目前時段的平均載波頻率偏移 估計值來產生該載波頻率偏移調整值。
  7. 一種載波頻率偏移(Carrier Frequency Offset,CFO)校正方法，用於校正一接收器的載波頻率偏移，該載波頻率偏移校正方法包含有：接收由一數位載波頻率偏移估計所產生之至少一載波頻率偏移估計值；依據該數位載波頻率偏移估計在一目前時段與複數個先前時段中每一時段之內所產生之複數個載波頻率偏移估計值來計算該時段之一平均載波頻率偏移估計值，以得到該目前時段與該些先前時段所分別對應之複數個平均載波頻率偏移估計值；判斷該目前時段與該些先前時段中任兩連續時段所對應之平均載波頻率偏移估計值之間的一差值是否超出一臨界值；若該目前時段與該些先前時段所對應之連續的複數個差值均超出該臨界值或均不超出該臨界值，則依據該目前時段的平均載波頻率偏移估計值來產生一載波頻率偏移調整值；以及依據該載波頻率偏移調整值來調整該接收器之一振盪器之一振盪器頻率。
  8. 一種機器可讀媒體，儲存一程式碼，當該程式碼被一處理器所執行時，該程式碼會致使該處理器執行以下的步驟以校正一接收器的載波頻率偏移：接收由一數位載波頻率偏移估計所產生之至少一載波頻率偏移估計值；依據該至少一載波頻率偏移估計值來產生一載波頻率偏移調整值；依據該數位載波頻率偏移估計在一特定時段之內所產生之複數個載波頻率偏移估計值來計算一平均載波頻率偏移估計值；判斷該平均載波頻率偏移估計值是否超出一臨界值；以及 當該平均載波頻率偏移估計值超出該臨界值之後，持續依據後續特定時段所產生之平均載波頻率偏移估計值來更新該載波頻率偏移調整值，直到後續特定時段所產生之平均載波頻率偏移估計值降低至達到另一臨界值為止；以及依據被更新後的該載波頻率偏移調整值來調整該接收器之一振盪器之一振盪器頻率。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的機器可讀媒體，其中該接收器係一正交分頻多工(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)接收器。
  10. 如申請專利範圍第8項所述的機器可讀媒體，其中依據該至少一載波頻率偏移估計值來產生該載波頻率偏移調整值的步驟包含有：依據該至少一載波頻率偏移估計值以及該振盪器的一控制電容值的單位電容值所對應的一頻率偏移量與一頻率偏移方向，來計算該載波頻率偏移調整值。
  11. 如申請專利範圍第10項所述的機器可讀媒體，其中依據該載波頻率偏移調整值來調整該接收器之該振盪器之該振盪器頻率的步驟包含有：依據該載波頻率偏移調整值來調整該振盪器之該控制電容值。
  12. 如申請專利範圍第8項所述的機器可讀媒體，其中依據該數位載波頻率偏移估計在該特定時段之內所產生之該些載波頻率偏移估計值來計算該平均載波頻率偏移估計值的步驟包含有：自該些載波頻率偏移估計值中選取出一部分的載波頻率偏移估計值，其中該一部分的載波頻率偏移估計值不包含該些載波頻率偏移估計值之一最大值與一最小值的至少其一；以及 依據該一部分的載波頻率偏移估計值來計算該平均載波頻率偏移估計值。
  13. 如申請專利範圍第8項所述的機器可讀媒體，其中依據該至少一載波頻率偏移估計值來產生該載波頻率偏移調整值的步驟包含有：依據該數位載波頻率偏移估計在一目前時段與複數個先前時段中每一時段之內所產生之複數個載波頻率偏移估計值來計算該時段之一平均載波頻率偏移估計值，以得到該目前時段與該些先前時段所分別對應之複數個平均載波頻率偏移估計值；判斷該目前時段與該些先前時段中任兩連續時段所對應之平均載波頻率偏移估計值之間的一差值是否超出一臨界值；以及若該目前時段與該些先前時段所對應之連續的複數個差值均超出該臨界值或均不超出該臨界值，則依據該目前時段的平均載波頻率偏移估計值來產生該載波頻率偏移調整值。
  14. 一種機器可讀媒體，儲存一程式碼，當該程式碼被一處理器所執行時，該程式碼會致使該處理器執行以下的步驟以校正一接收器的載波頻率偏移：接收由一數位載波頻率偏移估計所產生之至少一載波頻率偏移估計值；依據該數位載波頻率偏移估計在一目前時段與複數個先前時段中每一時段之內所產生之複數個載波頻率偏移估計值來計算該時段之一平均載波頻率偏移估計值，以得到該目前時段與該些先前時段所分別對應之複數個平均載波頻率偏移估計值；判斷該目前時段與該些先前時段中任兩連續時段所對應之平均載波頻率偏移估計值之間的一差值是否超出一臨界值；以及若該目前時段與該些先前時段所對應之連續的複數個差值均超出該臨界值或均不超出該臨界值，則依據該目前時段的平均載波頻率偏移估計 值來產生一載波頻率偏移調整值；以及依據該載波頻率偏移調整值來調整該接收器之一振盪器之一振盪器頻率。
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