TWI517599B - 在低訊雜比條件下之自動頻率控制 - Google Patents

在低訊雜比條件下之自動頻率控制 Download PDF

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Description

在低訊雜比條件下之自動頻率控制
本發明係關於數位通信，且更特定言之，係關於在低訊雜比條件下之自動頻率控制。
本申請案主張2010年12月23日申請，Jzsef G. Nmeth及Pter Sz. Kovcs的名為「在低雜訊比條件下之自動頻率控制(Automatic Frequency Control Under Low Signal-to-Noise Conditions)」的共同擁有之美國臨時專利申請案第61/426,942號之的優先權，為了所有目的，該案以引用的方式併入本文中。
行動無線裝置中所使用之傳輸器及接收器(收發器)之載波頻率由固定的有限精確度晶體振盪器合成。因此，在一對通信之無線裝置中，在各別傳輸器與接收器之載波頻率之間可存在一差異，且該差異(載波偏移)顯現於經解調變之基頻信號中。儘管數位技術可藉由修改接收到之信號串流來移除載波偏移(CFO)之效應，如同該接收到之信號串流已藉由恢復之傳輸器載波頻率來解調變；仍將此稱作自動/自適應頻率控制(AFC)。由載波偏移引起之變換為確定性的，但該信號串流亦載運雜訊。為了不成為瓶頸，AFC數位技術應至少容忍雜訊以及基頻處理之剩餘部分亦應容忍雜訊。
AFC判定載波偏移(「自動跟蹤(lock onto)傳輸器載波」)所用之時間延長了所需傳輸訊框前導碼，因此縮短(經由無線電接通時間之增加)了電池壽命，因而提高了無線裝置之操作成本。AFC可補償之載波偏移之量判定所需振盪器晶體容差，因而影響了裝置之購買成本。
因此，需要一種用於AFC之有效方法，該方法降低可接受S/N(訊雜比)臨限值、放鬆晶體容差要求、最小化獲取(鎖定)時間及重新使用原本用於符號解碼中之硬體資源，從而顯著減小其實施所需之任何額外硬體的大小。另外，開放環路操作由於其提供用於並行運作多個AFC而為較佳的，並行運作多個AFC為需滿足極端通信條件時所必需的。
根據一實施例，一種用於根據一無線收發器之一無線電判定存在於一經取樣數位信號中之一載波頻率偏移及一相應之樣本間相移的方法可包含以下步驟：a)將待補償之一載波頻率偏移(CFO)範圍[-ΔΩ,ΔΩ]均一地分為「N」個長度間隔，使得Δω=2‧ΔΩ/N<δ/(T‧L)，其中δ<1，T為取樣週期，L為樣本中前導碼樣式之長度，且該不等式設定值N之下限，其中δ為直接相位計算之「可行範圍」之正規化長度；b)選擇步驟a)中所判定之該等間隔的中點值Δω0Δω1...ΔωN-2ΔωN-1；c)將一I-Q格式輸入信號...si si+1...si+L-1...之一樣本串流同時連接至自0至N-1編號之N個「旋轉及相關」單元，及將步驟b)中計算出之每一中點值指派至相同編號之「旋轉及相關」單元；d)將N個「旋轉及相關」單元之一A輸出依序連接至「平滑及選擇」單元之輸入；e)基於一外部觸發器開啟該等「旋轉及相關」單元，該外部觸發器指示該輸入信號串流中之一前導碼樣式邊界；f)運作一完整旋轉及相關循環，而該等「旋轉及相關」單元消耗L個輸入樣本及在極座標中計算相關向量 A i =a‧e jφi A i =‧s‧其中P=[p0 p1...pL-1]為長度L之該經取樣前導碼樣式，*指示複共軛，及T為該取樣週期(樣本間延遲)；g)在完成一旋轉及相關循環時，一「平滑及選擇」單元首先沿著一Δω軸濾波接收到之量值，以便減少該輸入信號樣本串流中之大的雜訊尖峰之效應，接著輸出Δωmax，其為一最大所得相關量值之值所屬之一間隔中點值，進一步包含指示一循環成功之輸出；h)儲存Δωmax用於進一步處理；i)若該成功指示為拒絕，則放棄該計算及發信號通知假前導碼鎖定；j)若該成功指示為重試，則需進行之動作取決於仍留下之前導碼樣式週期之數目，其中需要至少2個週期以自該相位計算消除隨機初始相位，若僅留下2個週期，則放棄該計算及用信號發出假前導碼鎖定，否則，以步驟e)開始藉由相同參數對該輸入的接下來之L樣本區段執行該等步驟；k)若該成功指示為接受，則保留Δωmax作為Δωcoarse且進行至步驟l；l)藉由以下操作來尋找一細化：選擇集中於一先前判定之Δωcoarse上之確保一最終結果之一所需精確度的一最短間隔，將該最短間隔分為N個間隔，定位間隔中點，及接著藉由此等間隔中點運作步驟e)至g)與所留下前導碼樣式週期數目一樣多的次數，且在過程期間，對該等兩Δωmax求平均值以獲得其最終計算值；及m)該平均Δωmax在前導碼樣式週期內積累一相移φ=2π‧Δωmax‧L‧T，已知線性相位特性之斜率，根據Δωmax判定CFO值Δωfinal，其中該積累之相移將為0；及n)使用Δφ=2π‧Δωfinal‧T用於在該AFC中進行補償。
根據另一實施例，一種用於根據一無線收發器之一無線電判定存在於一經取樣數位信號中之一載波頻率偏移及一相應之樣本間相移的方法可包含以下步驟：將要涵蓋之一載波頻率偏移(CFO)範圍分為複數個間隔；自一接收到之信號產生與間隔數目一樣多的並行導出之串流，及藉由對應於該複數個間隔中之一特定者的該樣本間相移來預補償(「向後旋轉」)所接收到之信號；並行計算由一預期前導碼樣式週期波形與每一導出串流之一前導碼區段之一相關而產生之量值及相位；在必要時應用曲線擬合(濾波)至所得量值之值以便最小化雜訊效應；選擇一(多個)最大所得量值之值以放大存在於該等接收到之信號之一輸入串流中之一實際CFO；在需要時重複針對集中於位於一第一運作中之一CFO值上之一較短間隔的一搜尋，以便改良存在雜訊情況下之精確度，且假設仍使輸入前導碼起作用；及根據屬於該選定間隔之該等CFO值及該相應計算之相關相位之結果來判定一實際CFO。
根據另一實施例，一種用於在低訊雜比條件下自動頻率偏移補償之方法可包含以下步驟：a)偵測一前導碼樣式邊界；b)一旦已偵測到該前導碼樣式邊界即起始一自動頻率控制(AFC)粗略步驟；c)判定該起始之AFC粗略步驟是否為一第三AFC粗略步驟，其中若該起始之AFC粗略步驟並非該第三AFC粗略步驟，則進行至步驟d)，及若該起始之AFC粗略步驟為該第三AFC粗略步驟，則進行至步驟i)；d)在複數個偏移間隔範圍內獲取複數個信號樣本；e)針對該複數個偏移間隔範圍中之每一各別者對該複數個信號樣本一起求平均值；f)判定該複數個偏移間隔範圍中之哪一者具有具一最大量值之該平均信號樣本；g)判定該最大量值是否大於一接受臨限值，其中若該最大量值大於該接受臨限值，則進行至步驟j)，及若該最大量值不大於該接受臨限值，則進行至步驟h)；h)判定該最大量值是否大於一拒絕臨限值，其中若該最大量值大於該拒絕臨限值，則返回至步驟a)，及若該最大量值不大於該拒絕臨限值，則進行至步驟i)；i)拒絕該複數個偏移間隔範圍中之具有不大於該拒絕臨限值之該最大量值的該一者；j)選擇該複數個偏移間隔範圍中之具有該最大量值之該一者的一部分；k)根據該複數個偏移間隔範圍中之具有該最大量值之該一者之該選定部分內的該複數個信號樣本來判定一第一細化之載波偏移估計；l)根據該複數個偏移間隔範圍中之具有該最大量值之該一者之該選定部分內的該複數個信號樣本來判定一第二細化之載波偏移估計；m)判定該AFC粗略步驟是否為一第一AFC粗略步驟或一第二AFC粗略步驟，其中若該AFC粗略步驟為該第二AFC粗略步驟，則進行至步驟n)，及若該AFC粗略步驟為該第一AFC粗略步驟，則進行至步驟o)；n)對該第一細化之載波偏移估計及該第二細化之載波偏移估計求平均值，以提供一平均載波偏移估計，接著進行至步驟q)；o)根據該複數個偏移間隔範圍中之具有該最大量值之該一者之該選定部分內的該複數個信號樣本來判定一第三細化之載波偏移估計；p)對該第一、該第二及該第三細化之載波偏移估計求平均值，以提供一平均載波偏移估計，接著進行至步驟q)；及q)用該平均載波偏移估計來補償相對於一載波頻率之一頻率偏移。
根據該方法之另一實施例，該複數個偏移間隔範圍涵蓋該載波頻率之至少加減百萬分之120。根據該方法之另一實施例，該複數個偏移間隔範圍中之該每一者包含該複數個信號樣本中之至少五者。根據該方法之另一實施例，該複數個偏移間隔範圍中之具有該最大量值之該選定一者的該部分涵蓋該複數個偏移間隔範圍中之表示該載波頻率之一粗略載波頻率偏移的該選定一者的至少加減百萬分之35。
根據該方法之另一實施例，其中該補償該載波頻率偏移之步驟藉由調整一接收器本機振盪器頻率來進行。根據該方法之另一實施例，該補償該載波頻率偏移之步驟藉由反旋接收到之資料符號之一原始I/Q波形來進行。根據該方法之另一實施例，其中該判定該複數個偏移間隔範圍中之哪一者具有具該最大量值之該平均信號樣本的步驟使用十六(16)個資源。
根據該方法之另一實施例，該十六(16)個資源包含涵蓋至少百萬分之240頻率範圍之十六(16)個可能參考符號之十六(16)次旋轉。根據該方法之另一實施例，該判定該第一細化之載波偏移估計之步驟使用八(8)個資源。根據該方法之另一實施例，判定另一第一細化之載波偏移估計之步驟使用處於該複數個偏移間隔範圍中之具有該最大量值之該一者之該選定部分內之複數個信號樣本之Δt=+1處的信號樣本。
根據該方法之另一實施例，該判定該另一第一細化之載波偏移估計之步驟使用額外八(8)個資源。根據該方法之另一實施例，該判定該第二細化之載波偏移估計之步驟使用八(8)個資源。根據該方法之另一實施例，判定另一第二細化之載波偏移估計之步驟使用處於該複數個偏移間隔範圍中之具有該最大量值之該一者之該選定部分內之複數個信號樣本之Δt=+1處的信號樣本。根據該方法之另一實施例，該判定該另一第二細化之載波偏移估計之步驟使用額外八(8)個資源。根據該方法之另一實施例，該判定該第三細化之載波偏移估計之步驟使用八(8)個資源。根據該方法之另一實施例，判定另一第三細化之載波偏移估計之步驟使用處於該複數個偏移間隔範圍中之具有該最大量值之該一者之該選定部分內之複數個信號樣本之Δt=+1處的信號樣本。根據該方法之另一實施例，該判定該另一第三細化之載波偏移估計之步驟使用額外八(8)個資源。
根據另一實施例，一種用於在低訊雜比條件下在一零中頻接收器中自動頻率偏移補償之方法可包含以下步驟：接收具有一前導碼之資料信號；以一零中頻(IF)將該等接收到之資料信號轉換為同相(I)及正交相(Q)資料信號；以該零IF取樣該等I及Q資料信號；藉由I及Q類比轉數位轉換器(ADC)將該等經取樣I及Q資料信號轉換為其數位表示；執行該等接收到之資料信號之自動頻率偏移補償，包含以下步驟：a)偵測一前導碼樣式邊界；b)一旦已偵測到該前導碼樣式邊界即起始一自動頻率控制(AFC)粗略步驟；c)判定該起始之AFC粗略步驟是否為一第三AFC粗略步驟，其中若該起始之AFC粗略步驟並非該第三AFC粗略步驟，則進行至步驟d)，及若該起始之AFC粗略步驟為該第三AFC粗略步驟，則進行至步驟h)；d)對複數個偏移間隔範圍中之每一各別者內的該等經取樣I及Q資料信號之該等數位表示一起求平均值；e)判定該複數個偏移間隔範圍中之哪一者具有具一最大量值之該等經取樣I及Q資料信號之平均數位表示；f)判定該最大量值是否大於一接受臨限值，其中若該最大量值大於該接受臨限值，則進行至步驟i)，及若該最大量值不大於該接受臨限值，則進行至步驟g)；g)判定該最大量值是否大於一拒絕臨限值，其中若該最大量值大於該拒絕臨限值，則返回至步驟a)，及若該最大量值不大於該拒絕臨限值，則進行至步驟h)；h)拒絕該複數個偏移間隔範圍中之具有不大於該拒絕臨限值之該最大量值的該一者；i)選擇該複數個偏移間隔範圍中之具有該最大量值之該一者的一部分；j)根據該複數個偏移間隔範圍中之具有該最大量值之該一者之該選定部分內的該等經取樣I及Q資料信號之該等數位表示來判定一第一細化之載波偏移估計；k)根據該複數個偏移間隔範圍中之具有該最大量值之該一者之該選定部分內的該等經取樣I及Q資料信號之該等數位表示來判定一第二細化之載波偏移估計；l)判定該AFC粗略步驟是否為一第一AFC粗略步驟或一第二AFC粗略步驟，其中若該AFC粗略步驟為該第二AFC粗略步驟，則進行至步驟m)，及若該AFC粗略步驟為該第一AFC粗略步驟，則進行至步驟n)；m)對該第一細化之載波偏移估計及該第二細化之載波偏移估計求平均值，以提供一平均載波偏移估計，接著進行至步驟p)；n)根據該複數個偏移間隔範圍中之具有該最大量值之該一者之該選定部分內的該複數個信號樣本來判定一第三細化之載波偏移估計；o)對該第一、該第二及該第三細化之載波偏移估計求平均值，以提供一平均載波偏移估計，接著進行至步驟p)；及p)用該平均載波偏移估計來補償相對於該等接收到之資料信號之一載波頻率的一頻率偏移。
根據該方法之另一實施例，以零IF帶通濾波該等I及Q資料信號。根據該方法之另一實施例，解碼該等數位表示之步驟包含將該等I及Q資料信號轉換為資料符號之步驟。根據該方法之另一實施例，將該等資料符號發送至一串列通信介面。根據該方法之另一實施例，該通信介面之輸出耦接至一數位處理器。根據該方法之另一實施例，數位處理器為一微控制器及記憶體。
可藉由參考結合附圖所作之以下描述來獲取本發明之較完整理解。
如圖2所示，載波偏移Δ f TX-to-RX 將旋轉引入至I-Q解調變為一典型事實。(隨機初始相位φ0取決於諸如以下之因素：自傳輸器至接收器之傳播延遲以及載波在調變/解調變期間之隨機初始相位)。
因此，根據本發明之教示的AFC方法之步驟可為如下：
在訊框開頭估計φ0及Δφ，及在進一步處理之前「使每一接收到之符號向後旋轉」所積累相位(φ0+Δφ,φ0+2*Δφ , φ0+3*Δφ , ...)。另外，在φ0及Δφ之計算中使用足夠長之波形，以便消除/減少存在於信號中之雜訊的效應。
藉由一些調變方案，如同在MSK情況下，不需要判定φ0。又，術語「使符號串流向後旋轉 Δ φ」一般用以描述該過程。
根據本發明之教示的方法使用輸入與理想前導碼樣式之週期相關的結果：
量值： A( t )~「類似於理想前導碼樣式」
相位： φ( t )=2π‧Δ f TX-to-RX ‧ t +φ t =0　(模2π)
圖3展示開放環路AFC模組之概念結構及置放。
藉由信號之經取樣版本進行計算，且使用前導碼樣式邊界t=P,2P,...處之結果。在補償(「向後旋轉」)中，使用歸因於兩個連續樣本之間的CFO之相移的量。
需要兩個相關週期來移除隨機初始相位(圖4)。
然而，存在需克服之隱含問題。直接相位計算產生(模2π)結果[在±π(180°)處繞回]，因此整數旋轉(若存在)丟失。另一方面，在足夠短的時間間隔(其中未發生繞回)內之計算對於雜訊極其敏感。
根據本發明之教示，可藉助於相關之計算量值之值來恢復丟失之整數旋轉。
圖5繪製隨載波偏移(經正規化為符號定時)而變的相關週期之量值及相位。
如圖可見，相關輸出之量值在間隔(零周圍)中具有明顯峰值，其中相位計算產生(沒有丟失之整數旋轉)實際載波偏移。此導致以下
用於計算CFO之一般方法。
根據所允許之晶體不精確性判定將涵蓋之完整載波頻率偏移範圍，且將其分為多個間隔，每一間隔比產生完整旋轉的間隔短。對於每一間隔中點，將輸入向後旋轉相應的樣本間相移，且在所得信號之前導碼區段上針對前導碼樣式運作相關。
實際CFO值進入中點附近且具有最高相關量值之值。
為改良存在雜訊情況下之精確度，可針對集中於位於第一運作中之CFO值上之較短間隔重複搜尋，假設仍使前導碼起作用。
屬於選定間隔中點之CFO暗指在一前導碼樣式週期內積累之總相移。已知線性相位特性之斜率，可判定CFO值，其中積累之相移將為0。
實務上，所有計算必須並行執行，從而要求與間隔一樣多的資源。
在存在雜訊的情況下，所計算之量值及相位值自理想曲線偏離。如圖6所說明，陰影區定性地展示樣本進入低S/N的情況。
亦展示其中直接相位計算可產生可靠結果之載波偏移範圍(零周圍)經顯著縮短。因此在上述骨幹演算法中，該等間隔不應比如圖上所示之計算出的可行範圍寬。藉由實際參數運作模擬為判定陰影區之輪廓(顯著部分)的實際方式。
因此細化對於實際實施而言為必要的。當應用於實際無線收發器設計中論述此等內容。
針對IEEE 802.15.4類別、2.4 GHz,125 kb/s至2 Mb/s速率、專屬無線收發器，可自開放環路AFC實現來提取 一般方法之具體實例實施例 。
設計約束：
‧　針對AFC鎖，至多4個前導碼樣式週期可用。
前導碼之初始區段由AGC及前導碼樣式搜尋消耗。可僅在前導碼樣式搜尋用信號通知尋找邊界候選者之後，才開始AFC。最差情況方案僅留下4個前導碼樣式週期給AFC。
‧　即使在-4 dB S/N下，補償之後的殘餘載波偏移必須小於±3 ppm。
-4 dB S/N為125 kb/s下有效負載解調變之敏感性臨限值。然而，在此特定收發器中，符號速率直至偵測到SFD[訊框開始定界符](已要求AFC鎖定)之後才得知。因此為了不成為效能瓶頸，AFC仍應在此特別低的S/N位準下操作。
‧　可同時處置16個向後旋轉之符號串流。
存在802.15.4有效負載解調變內在需要之16個資源，用於比較傳入波形與所有16個可能「參考符號」。此等亦適用於偏移計算，且可在有效負載解調變在AFC期間非作用時再使用。
‧　僅70 ppm載波偏移間隔可由16個資源涵蓋。
此係根據精確性、可靠性及穩健性考慮而得出。然而，與目標240 ppm(+/- 60 ppm晶體精確度)範圍相比太短，模擬展示可在給定資源限制不將被強加的情況下達成。此導致兩階段實施。第一階段使用16個資源來計算一近似載波偏移值；第二階段接著在第一階段中所選擇之載波偏移上所集中之70 ppm間隔內細化此值。
AFC方法：
1)在前導碼搜尋尋找一(實驗性)前導碼樣式邊界時開始AFC。然而，在前導碼搜尋識別一較佳樣式邊界的情況下可中斷及重新開始AFC。前導碼樣式匹配(在此特定裝置中)使用藉由使理想前導碼樣式與原始信號串流連續相關而獲得之相似性量測。因此可發生稍後可能克服之偶然假鎖定。
2)AFC以粗略步驟開始。
在2.4 GHz及+/- 60 ppm晶體精確度下，Δ f TX-to-RX 在+/- 288 kHz範圍內變化。在IEEE 802.15中，前導碼樣式長度P=16 μs因此 ΔΦ 在+/-=(4+0.608)‧2π內變化，亦即在240 ppm範圍內小於10完整旋轉。因此，16個資源遠遠足夠。
為了抗衡大的狹窄雜訊尖峰之效應，針對每一樣本運作5樣本(2個之前/2個之後)濾波(圖7)。平滑之後的最大所得量值之值指示粗略Δω估計。
然而，僅在其值超過預設定接受臨限值的情況下被接受。另一方面，若該值低於拒絕臨限值，則AFC終止及用信號通知假前導碼鎖定。位於隱含重試區域之間及之中的值藉由重複粗略步驟而重新開始該AFC。此可僅發生一次，第二重試嘗試可能導致拒絕。(因為存在AFC可用之總共4個前導碼樣式週期，且此等前導碼樣式週期中之至少2者需要用於細化步驟以便消除隨機初始相位，不存在第三粗略步驟之空間！)
3)AFC以一個或兩個細化步驟開始。
如圖8所示，步驟之數目取決於先前應用之粗略步驟之數目。若存在第二細化步驟，則對兩個結果求平均值以獲得最終Δω估計。
4)AFC終止，補償接通，SFD搜尋開始。
在以下表格中總結總體效能：
所有上述方案因此促成整體訊框錯誤率之~0.1%，因此總作用(contribution)為~0.4%。因此在代表裝置效能之1%訊框損耗邊限內，留下充分的空間用於其他模組。
現參看圖1，可如下制定該一般方法
a)　將待補償之載波頻率偏移(CFO)範圍[-ΔΩ,ΔΩ] 100均一地分為長度Δω之「N」個相等長度間隔，使得Δω=2‧ΔΩ/N<δ/(T‧L)，其中δ<1，T為取樣週期，L為樣本中前導碼樣式之長度，且該不等式設定值N之下限。δ為直接相位計算之「可行範圍」之正規化長度(參看圖6)。
b)　選擇步驟a)中所判定之間隔的中點值Δω0Δω1...ΔωN-2ΔωN-1。
c)　將I-Q格式輸入信號...si si+1...si+L-1...之樣本串流101同時連接至自0至N-1編號之N個「旋轉及相關」單元110、120，及將步驟b)中計算出之每一中點值指派至相同編號之「旋轉及相關」單元。
d)　將N個「旋轉及相關」單元之A輸出依序連接至「平滑及選擇」單元130之輸入。
e)　基於一外部觸發器來開啟「旋轉及相關」單元，該外部觸發器指示輸入信號串流中之前導碼樣式邊界。
f)　運作一完整旋轉及相關循環，而該等「旋轉及相關」單元消耗L個輸入樣本及在極座標中計算相關向量
A i =a i ‧e Jφi
其中P=[p0 p1...pL-1]為長度L之經取樣前導碼樣式，*指示複共軛，及T為取樣週期(樣本間延遲)
g)　在完成旋轉及相關循環時，「平滑及選擇」單元130首先沿著Δω軸濾波該等接收到之量值，以便減少輸入中之大的雜訊尖峰之效應，接著輸出Δωmax，其為最大所得相關量值之值所屬之間隔中點值。亦輸出循環成功之指示。關於平滑及選擇操作之視覺指示以及在產生該成功指示中所使用之範圍，參見圖7以及其所屬之方法之實例實施例。
h)　儲存Δωmax用於進一步處理。
i)　若該成功指示為拒絕，則放棄計算及用信號通知發出假前導碼鎖定。
j)　若該成功指示為重試，則需進行之動作取決於仍留下之前導碼樣式週期之數目。由於需要至少2個週期以自相位計算消除隨機初始相位(參看圖5)，所以若僅留下2個週期，則放棄計算及用信號通知假前導碼鎖定。否則，以步驟e)開始藉由相同參數對輸入的接下來之L樣本區段執行該等步驟。
k)　若該成功指示為接受，則保留Δωmax作為Δωcoarse且進行至步驟l。
l)　為了尋找細化，選擇集中於先前判定之Δωcoarse上之確保最終結果之所需精確度的最短間隔。將該最短間隔分為N個間隔，定位間隔中點，及藉由此等間隔中點運作步驟e)至g)與所留下前導碼樣式週期數目一樣多的次數。在過程期間，對多個Δωmax求平均值以獲得其最終計算值；
m)　平均Δωmax在前導碼樣式週期內積累相移φ=2π‧Δωmax‧L‧T。已知線性相位特性之斜率，根據Δωmax判定CFO值Δωfinal，其中積累之相移將為0；
n)　使用Δφ=2π‧Δωfinal‧T用於在AFC中進行補償。
雖然已描繪、描述且藉由參考本發明之實例實施例來界定本發明之實施例，但此類參考並不暗示對本發明之限制，且將不推斷出此類限制。所揭示之標的能夠在形式及功能上具有相當大的修改、更改及均等物，如熟習相關技術且受益於本發明者所將理解。本發明之所描繪及描述實施例僅為實例，且並非本發明之範疇之詳盡表示。
100．．．待補償之載波頻率偏移(CFO)範圍[-ΔΩ,ΔΩ]
101．．．輸入信號...si si+1...si+L-1...之樣本串流
110．．．「旋轉及相關」單元
120．．．「旋轉及相關」單元
130．．．「平滑及選擇」單元
圖1說明根據本發明之教示的用於在低訊雜比條件下自動頻率控制之本發明方法的示意方塊圖；
圖2說明傳輸器與接收器之間的引入旋轉至接收到之信號向量中的載波頻率偏移(CFO)的典型圖形表示；
圖3說明根據本發明之教示的AFC模組之概念結構及其在無線接收器之數位部分中之置放的示意方塊圖；
圖4說明根據本發明之教示的展示需要兩個連續前導碼樣式週期內之相位量測以便消除存在於接收之信號中之隨機初始相位的圖形表示；
圖5說明根據本發明之教示的隨載波偏移(經正規化為符號定時)而變的前導碼相關結果之量值之值以及一個相關週期內之相位旋轉的理想(無雜訊及無失真)情況之圖形表示；
圖6說明(重)雜訊對理想曲線之效應的圖形表示且指示其中無相位繞回發生之可行CFO範圍如何縮短；
圖7說明根據本發明之教示的16個並行相關量值計算之實例輸出之圖形表示，其指示應用至結果的平滑且亦展示在該結果之估計中使用之接受、再試及拒絕區域；及
圖8說明根據本發明之具體實例實施例的四個前導碼樣式週期如何可在粗略與細化計算步驟之間劃分的圖形表示。
雖然本發明允許具有各種修改及替代形式，但已在圖式中展示本發明之特定實例實施例且在本文中詳細描述。然而，應理解，特定實例實施例之本文描述並不意欲將本發明限於本文所揭示之特定形式，而相反，本發明將涵蓋如由隨附申請專利範圍所界定之所有修改及均等物。
100．．．待補償之載波頻率偏移(CFO)範圍[-ΔΩ,ΔΩ]
101．．．輸入信號...si si+1...si+L-1...之樣本串流
110．．．「旋轉及相關」單元
120．．．「旋轉及相關」單元
130．．．「平滑及選擇」單元

Claims (22)

  1. 一種用於自一無線收發器(transceiver)之一無線電判定存在於一經取樣數位信號中之一載波頻率偏移(carrier frequency offset)及一相應之樣本間相移(sample-to-sample phase shift)的方法，該方法包含以下步驟：將待涵蓋(to be covered)的一載波頻率偏移範圍分為複數個間隔(intervals)；自一接收到之信號產生與間隔數目一樣多的並行導出之串流(parallel derived streams)，及藉由對應於該複數個間隔中之一特定者的一中點(midpoint)來預補償(「向後旋轉(back rotating)」)所接收到之信號；計算自一預期前導碼樣式週期波形(expected preamble pattern period waveform)與並行的(in parallel)每一導出串流之一前導碼區段(segment)之一相關(correlation)而產生之量值(magnitude)及相位；選擇一最大產生之量值之值，以放大(zoom in)存在於該等接收到之信號之一輸入串流中之一實際載波頻率偏移；在需要時，重複針對集中於位於一第一運作(first run)中之一載波頻率偏移值上之一較短間隔的一搜尋，俾使改善存在雜訊情況下之精確度，但需要輸入前導碼(input preamble)仍起作用；及自屬於選定間隔之該等載波頻率偏移值及該對應經計算之相關相位之結果，判定實際載波頻率偏移。
  2. 一種用於自一無線收發器之一無線電判定存在於一經取樣數位信號中之一載波頻率偏移及一相應之樣本間相移的方法，該方法包含以下步驟：將要涵蓋之一載波頻率偏移範圍分為複數個間隔；自一接收到之信號產生與間隔數目一樣多的並行導出之串流，及藉由對應於該複數個間隔中之一特定者的一中點的該樣本間相移來預補償(「向後旋轉」)所接收到之信號；並行地計算自一預期前導碼樣式週期波形與每一導出串流之一前導碼區段之一相關而產生之量值及相位；應用曲線擬合(curve fitting)(濾波)至產生的量值之值俾使最小化雜訊效應；選擇一或多個最大產生的量值之值以放大存在於該等接收到之信號之一輸入串流中之一實際載波頻率偏移；在需要時，重複針對集中於位於一第一運作中之一載波頻率偏移值上之一較短間隔的一搜尋，以便改良存在雜訊情況下之精確度，但需要輸入前導碼仍起作用；及自屬於選定間隔之該等載波頻率偏移值及該相應計算之相關相位之結果來判定實際載波頻率偏移。
  3. 一種用於在低訊雜比(signal-to-noise)條件下自動頻率偏移補償之方法，其包含以下步驟：a)偵測一前導碼樣式邊界(boundary)；b)一旦已偵測到該前導碼樣式邊界，即起始一自動頻率控制粗略步驟(coarse step)； c)判定該起始之自動頻率控制粗略步驟是否為一第三自動頻率控制粗略步驟，其中若該起始之自動頻率控制粗略步驟並非該第三自動頻率控制粗略步驟，則進行至步驟d)，及若該起始之自動頻率控制粗略步驟為該第三自動頻率控制粗略步驟，則進行至步驟i)；d)在複數個偏移間隔範圍上取樣複數個信號樣本；e)針對該複數個偏移間隔範圍中之每一各別者對該複數個信號樣本一起求平均值(averaging)；f)判定該複數個偏移間隔範圍中之哪一者具有具一最大量值之該平均信號樣本；g)判定該最大量值是否大於一接受臨限值，其中若該最大量值大於該接受臨限值，則進行至步驟j)，及若該最大量值不大於該接受臨限值，則進行至步驟h)；h)判定該最大量值是否大於一拒絕臨限值，其中若該最大量值大於該拒絕臨限值，則返回至步驟a)，及若該最大量值不大於該拒絕臨限值，則進行至步驟i)；i)拒絕該複數個偏移間隔範圍中之具有不大於該拒絕臨限值之該最大量值的該一者；j)選擇該複數個偏移間隔範圍中之具有該最大量值之該一者的一部分； k)自該複數個偏移間隔範圍中之具有該最大量值之該一者之該選定部分內的該複數個信號樣本，來判定一第一細化(refined)之載波偏移估計；l)自該複數個偏移間隔範圍中之具有該最大量值之該一者之該選定部分內的該複數個信號樣本，來判定一第二細化之載波偏移估計；m)判定該自動頻率控制粗略步驟是否為一第一自動頻率控制粗略步驟或一第二自動頻率控制粗略步驟，其中若該自動頻率控制粗略步驟為該第二自動頻率控制粗略步驟，則進行至步驟n)，及若該自動頻率控制粗略步驟為該第一自動頻率控制粗略步驟，則進行至步驟o)；n)對該第一細化之載波偏移估計及該第二細化之載波偏移估計求平均值，以提供一平均載波偏移估計，接著進行至步驟q)；o)自該複數個偏移間隔範圍中之具有該最大量值之該一者之該選定部分內的該複數個信號樣本，來判定一第三細化之載波偏移估計；p)對該第一、該第二及該第三細化之載波偏移估計求平均值，以提供一平均載波偏移估計，接著進行至步驟q)；及q)用該平均載波偏移估計，來補償來自一載波頻率之一頻率偏移。
  4. 如請求項3之方法，其中該複數個偏移間隔範圍涵蓋該 載波頻率之至少加減百萬分之120。
  5. 如請求項3之方法，其中該複數個偏移間隔範圍中之該每一者包含該複數個信號樣本中之至少五者。
  6. 如請求項3之方法，其中該複數個偏移間隔範圍中之具有該最大量值之該選定一者的該部分涵蓋該複數個偏移間隔範圍中之表示該載波頻率之一粗略載波頻率偏移的該選定一者的至少加減百萬分之35。
  7. 如請求項3之方法，其中該補償該載波頻率偏移之步驟藉由調整一接收器本機振盪器頻率來進行。
  8. 如請求項3之方法，其中該補償該載波頻率偏移之步驟藉由反旋接收到之資料符號之一原始I/Q波形來進行。
  9. 如請求項3之方法，其中該判定該複數個偏移間隔範圍中之哪一者具有具該最大量值之該平均信號樣本的步驟使用十六(16)個資源。
  10. 如請求項9之方法，其中該十六(16)個資源包含涵蓋至少一百萬分之240頻率範圍之十六(16)個可能參考符號之十六(16)次旋轉。
  11. 如請求項3之方法，其中該判定該第一細化之載波偏移估計之步驟使用八(8)個資源。
  12. 如請求項11之方法，其進一步包含使用信號樣本來判定另一第一細化之載波偏移估計之步驟，該等信號樣本處於該複數個偏移間隔範圍中之具有該最大量值之該一者之該選定部分內之複數個信號樣本之△t=+1處。
  13. 如請求項12之方法，其中該判定該另一第一細化之載波 偏移估計之步驟使用一額外之(8)個資源。
  14. 如請求項3之方法，其中該判定該第二細化之載波偏移估計之步驟使用八(8)個資源。
  15. 如請求項14之方法，其進一步包含使用信號樣本來判定另一第二細化之載波偏移估計之步驟，該等信號樣本處於該複數個偏移間隔範圍中之具有該最大量值之該一者之該選定部分內之該複數個信號樣本之△t=+1處。
  16. 如請求項15之方法，其中該判定該另一第二細化之載波偏移估計之步驟使用一額外之(8)個資源。
  17. 如請求項3之方法，其中該判定該第三細化之載波偏移估計之步驟使用八(8)個資源。
  18. 如請求項17之方法，其進一步包含使用信號樣本來判定另一第三細化之載波偏移估計之步驟，該等信號樣本處於該複數個偏移間隔範圍中之具有該最大量值之該一者之該選定部分內之該複數個信號樣本之△t=+1處。
  19. 如請求項18之方法，其中該判定該另一第三細化之載波偏移估計之步驟使用一額外之(8)個資源。
  20. 一種用於在低訊雜比條件下在一零中頻接收器中自動頻率偏移補償之方法，該方法包含以下步驟：接收具有一前導碼之資料信號；以一零中頻(zero intermediate frequency)將該等接收到之資料信號轉換為同相(in-phase)及正交相(quadrature phase)資料信號；在該零中頻取樣該等同相及正交相資料信號； 藉由同相及正交相類比轉數位轉換器將該等經取樣同相及正交相資料信號轉換為其數位表示；執行該等接收到之資料信號之自動頻率偏移補償，包含以下步驟：a)偵測一前導碼樣式邊界；b)一旦已偵測到該前導碼樣式邊界，即起始一自動頻率控制粗略步驟；c)判定該起始之自動頻率控制粗略步驟是否為一第三自動頻率控制粗略步驟，其中若該起始之自動頻率控制粗略步驟並非該第三自動頻率控制粗略步驟，則進行至步驟d)，及若該起始之自動頻率控制粗略步驟為該第三自動頻率控制粗略步驟，則進行至步驟h)；d)對複數個偏移間隔範圍中之每一各別者內的該等經取樣同相及正交相資料信號之該等數位表示一起求平均值；e)判定該複數個偏移間隔範圍中之哪一者具有具一最大量值之該等經取樣同相及正交相資料信號之該等平均數位表示；f)判定該最大量值是否大於一接受臨限值，其中若該最大量值大於該接受臨限值，則進行至步驟i)，及若該最大量值不大於該接受臨限值，則進行至步驟g)； g)判定該最大量值是否大於一拒絕臨限值，其中若該最大量值大於該拒絕臨限值，則返回至步驟a)，及若該最大量值不大於該拒絕臨限值，則進行至步驟h)；h)拒絕該複數個偏移間隔範圍中之具有不大於該拒絕臨限值之該最大量值的該一者；i)選擇該複數個偏移間隔範圍中之具有該最大量值之該一者的一部分；j)自該複數個偏移間隔範圍中之具有該最大量值之該一者之該選定部分內的該等經取樣同相及正交相資料信號之該等數位表示，來判定一第一細化之載波偏移估計；k)自該複數個偏移間隔範圍中之具有該最大量值之該一者之該選定部分內的該等經取樣同相及正交相資料信號之該等數位表示，來判定一第二細化之載波偏移估計；l)判定該自動頻率控制粗略步驟是否為一第一自動頻率控制粗略步驟或一第二自動頻率控制粗略步驟，其中若該自動頻率控制粗略步驟為該第二自動頻率控制粗略步驟，則進行至步驟m)，及若該自動頻率控制粗略步驟為該第一自動頻率控制粗略步驟，則進行至步驟n)； m)對該第一細化之載波偏移估計及該第二細化之載波偏移估計求平均值，以提供一平均載波偏移估計，接著進行至步驟p)；n)自該複數個偏移間隔範圍中之具有該最大量值之該一者之該選定部分內的該複數個信號樣本，來判定一第三細化之載波偏移估計；o)對該第一、該第二及該第三細化之載波偏移估計求平均值，以提供一平均載波偏移估計，接著進行至步驟p)；及p)用該平均載波偏移估計來補償相對於該等接收到之資料信號之一載波頻率的一頻率偏移。
  21. 如請求項20之方法，其進一步包含在該零中頻帶通濾波(bandpass)該等同相及正交相資料信號的步驟。
  22. 如請求項20之方法，其進一步包含將該等同相及正交相資料信號之該等數位表示解碼為資料符號之步驟。
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