TWI517637B - 在零中頻接收器中使用最小頻移鍵控（ｍｓｋ）發信號之自動頻率偏移補償 - Google Patents

在零中頻接收器中使用最小頻移鍵控（ｍｓｋ）發信號之自動頻率偏移補償 Download PDF

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Description

在零中頻接收器中使用最小頻移鍵控(MSK)發信號之自動頻率偏移補償
本發明係關於數位通信，且更特定言之，係關於在零中頻接收器中接收最小頻移鍵控(MSK)發信號之自動頻率控制。
本申請案主張2010年12月23日申請，Jzsef G. Nmeth及Pter Sz. Kovcs的名為「在零中頻接收器中使用最小頻移鍵控(MSK)發信號之自動頻率控制(Automatic Frequency Control in Zero-Intermediate Frequency Receivers Using Minimum-Shift Keying(MSK) Signaling)」的共同擁有之美國臨時專利申請案第61/426,864號的優先權，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。
對晶體精確度之要求隨著增加之有效負載位元速率而變得較嚴格。在多速率無線收發器中，晶體精確度必須滿足最高位元速率之要求，最高位元速率可能對較低位元速率下之低成本應用起相反作用。此為ieee802.15.4無線收發器之情況，該等無線收發器亦具有具125k-250k-500k-1M-2M bps位元速率或其子集的專屬操作模式。
因此，需要自動頻率控制(AFC)方式，其在IEEE 802.15.4相容無線收發器中放鬆對於專屬1及2 Mbps資料速率的晶體精確度要求。
根據本發明之教示，使用由特定選擇之11110000前導碼樣式之重複構成之MSK調變前導碼之方法根據間隔輸入信號前導碼週期長度之兩個樣本的相關性來計算一載波頻率偏移(CFO)之自由運作精細估計，對於接收到之每一新的樣本重複該計算並對結果濾波。該方法與精細CFO估計之計算並行地藉由對來自間隔半個前導碼週期長度之所計算之兩個相關的結果求平均值來計算CFO之一自由運作粗略估計，其中用於計算中之每一對樣本間隔一個MSK符號長度，對於接收到之每一新的樣本重複該計算並對結果濾波。該方法接著比較除了在±180°處之可能繞回(wrap over)之外為精確的精細估計與遠不及精確但沒有繞回之粗略估計。若該粗略估計與精細估計之間的差異大於一預定臨限值(在計算精細估計中的確發生繞回之指示)，則該方法修改該精細估計。其後，將該正確精細估計用於AFC。
根據一實施例，一種用於在一零中頻接收器中解調變最小頻移鍵控(MSK)信號之自動頻率偏移補償的方法可包含以下步驟：運作一粗略載波頻率偏移估計；運作一精細載波頻率偏移估計；判定是否已偵測到一MSK信號之一預期前導碼，其中若尚未偵測到該預期前導碼，則繼續運作該粗略及該精細載波頻率偏移估計，及若已偵測到該預期前導碼，則停止運作該粗略及該精細載波頻率偏移估計；計算該粗略與該精細載波頻率偏移估計之間的一絕對值差異，判定該絕對值差異是否小於一臨限值，其中若該絕對值差異小於該臨限值，則使用該精細載波頻率偏移估計來補償該載波頻率偏移，及若該絕對值差異等於或大於該臨限值，則藉由每週期加上或減去180度來調整該精細載波頻率偏移估計，直至該該絕對值差異小於該臨限值為止，且其後使用該經調整之精細載波頻率偏移估計來補償該載波頻率偏移。
根據該方法之另一實施例，該預期前導碼產生一無直流(DC)解調變信號。根據該方法之另一實施例，該預期前導碼為八個MSK符號，可包含：具有正相位旋轉之四個邏輯一；及具有負相位旋轉之四個邏輯零。根據該方法之另一實施例，該等MSK信號以二兆鮑MSK符號速率運行。根據該方法之另一實施例，藉由運作具有一個前導碼週期時滯之自相關來判定該精細載波頻率偏移估計。根據該方法之另一實施例，藉由對運作具有一MSK符號時滯之間隔四個符號的兩個自相關之結果求平均值來判定該粗略載波頻率偏移估計。根據該方法之另一實施例，低通濾波該平均值以移除其中之信號雜訊。根據該方法之另一實施例，該粗略及該精細載波頻率偏移估計為自由運作的直至偵測到該前導碼為止。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該等MSK符號之一粗略I/Q波形來進行。
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。
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1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φ 0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，AFC方法概括之說明可為如下：
在訊框開頭估計φ 0及Δ φ ，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(φ 0+Δ φ ,φ 0+2*Δ φ, φ 0+3*Δ φ, ...)。另外，在φ 0及Δ φ 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。
在一些情況下，尤其在本發明所涵蓋之方法中，不需要判定φ 0。又，術語「使符號串流向後旋轉 Δ φ 」一般用以描述該過程。
圖2展示開放環路AFC模組之概念結構及置放。計算藉由所涉及信號波形之經取樣版本進行；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。
吾人正在尋求一種可適用於零IF MSK接收器中之方法。此類接收器要求一最小8 MSK符號、無DC前導碼樣式。選擇滿足此等要求之11110000序列作為訊框前導碼之週期。
如圖3所說明，此樣式於I-Q平面中顯現為四個+90°旋轉接著四個-90°旋轉。若信號以每MSK符號N個樣本之速率取樣，則連續樣本在相應MSK符號旋轉之方向上旋轉90/N度。
自圖3顯而易見之對於 自由運作精細Δφ估計 重要的特性在於：在理想、無雜訊及無CFO情況下，信號向量8*N樣本(前導碼週期之長度)間隔相同。因此，兩個樣本之相關向量之相位為0。亦即
Φ( S i* S _i+8*N)=0
其中加粗表示複共軛。若Δω之CFO存在，則其引入一額外帶正負號Δφ=2π*Δω*T樣本間頻移(T為取樣週期)，其在前導碼週期內積累至φ=8*N*Δφ。同時，上述相關向量得出
Φ( S i* S _i+8*N)=φ'
而φ在±180°範圍內，φ'=φ且Δφ=φ'/(8*N)。
由於逐樣本位置地重複該相關，且所得相移經平均，所以來自輸入之雜訊效應在結果中減少。用ΔφFINE來表示因此計算出之樣本間相移Δφ。
如圖3所說明，該方法之限制在於：在於±180°計算φ'時可能發生繞回。
然而，即使發生繞回，在可偵測到潛在繞回及其方向的情況下，ΔφFINE結果仍可使用。此可在可根據樣本之相關性計算Δφ估計的情況下達成，該等樣本足夠接近而在給定之晶體容差下不會發生繞回。結果ΔφCOARSE將較不精確但足夠好，使得可將值|ΔφCOARSE-ΔφFINE|用作繞回之指示符。若差異係僅歸因於雜訊與計算精確度，則該差異將顯著小於繞回已發生的情況下的差異。
可在圖3找到再次自由運作粗略Δφ估計的提示。重要觀測在於處於4符號(4*N樣本)距離之樣本總是在相反方向上旋轉；而CFO所引起之額外旋轉之方向在全部前導碼上相同。
因此，上述對中之向量的樣本間相移分別為-90/N+Δφ度及90/N+Δφ度。因此，在兩值之總和中，來自無CFO符號向量自身之旋轉的相移經抵銷。此在自一對進一步移動至另一對時對於所積累相移亦為適用的。亦即
Φ( S j* S _j+k)+Φ( S j+4*N* S _j+4*N+k)=2*k*Δφ
對於所有j、k：j i及j+k<i+4*N。良好實用選擇為j=i及k=N(因為N通常為2的冪)。若沒有繞回可在k個樣本上發生，則此提供ΔφCOARSE估計。在存在頻道雜訊的情況下，相位估計亦由雜訊污染。為了減少雜訊之效應，在每個新的輸入符號處計算估計，且將濾波應用至所得之ΔφCOARSE估計序列。
如圖5所展示，可並行地計算ΔφCOARSE估計及ΔφFINE估計。概念上，將傳入之I-Q符號移位至一暫存器中，該暫存器在相位估計所需之級處具有分接頭。在填充暫存器之後，在每個樣本頻移處產生新的估計。
圖6中呈現用於判定將在AFC中應用之樣本間相移之動作流程，及圖7描繪基於本發明中所呈現之方法的AFC模組之概念結構以及其在接收器之數位部分中的置放。
估計
在2兆鮑符號速率下，8符號前導碼消耗4 μs。在2.4 GHz下，標準±25 ppm晶體精確度可在最壞情況下在4 μs內產生±180°積累之相位誤差。在500 ns(1符號)間隔內計算ΔωCOARSE，因此原則上可將其用以偵測ΔωFINE之多個繞回。然而，實務上，演算法經實施以將晶體容差規格放鬆至±50 ppm(在每一極限值處一個繞回)，此可在便宜的行動無線模組中達到顯著的成本節省。
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，且將不會推斷出此類限制。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。
圖1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2說明一自動頻率控制(AFC)模組之概念結構及其在接收器之數位部分中之置放；
圖3說明提供計算粗略載波頻率偏移估計之基礎的圖形關係；
圖4說明針對相位計算實例的結果在+180°繞回之效應；
圖5說明根據本發明之教示的產生載波頻率偏移所引起之樣本間相移之粗略及精細估計的計算的示意表示；
圖6說明根據本發明之特定實例的用於計算用於載波頻率偏移補償之逐樣本相移的流程圖；及
圖7說明根據本發明之特定實例實施例的AFC模組之概念結構及其在接收器之數位部分中之置放的示意方塊圖。
(無元件符號說明)

Claims (18)

  1. 一種用於在一零中頻接收器中解調變最小頻移鍵控(MSK)信號之自動頻率偏移補償的方法，其包含以下步驟：於一自動頻率控制(AFC)模組接收一射頻(RF)信號；於該AFC模組運作經接收之該RF信號之一粗略載波頻率偏移估計；於該AFC模組運作經接收之該RF信號之一精細載波頻率偏移估計；判定是否已偵測到一MSK信號之一預期前導碼，其中若尚未偵測到該預期前導碼，則繼續運作該粗略載波頻率偏移估計及該精細載波頻率偏移估計，及若已偵測到該預期前導碼，則停止運作該粗略載波頻率偏移估計及該精細載波頻率偏移估計；於該AFC模組計算該粗略載波頻率偏移估計與該精細載波頻率偏移估計之間的一絕對值差異判定該絕對值差異是否小於一臨限值，其中若該絕對值差異小於該臨限值，則使用該精細載波頻率偏移估計來補償載波頻率偏移，及若該絕對值差異等於或大於該臨限值，則藉由每週期加上或減去180度來調整該精細載波頻率偏移估計，直至該絕對值差異小於該臨限值為止，且其後使用該經調整之精細載波頻率偏移估計來補償該載波頻率偏移。
  2. 如請求項1之方法，其中該預期前導碼產生一無直流(DC)解調變信號。
  3. 如請求項1之方法，其中該預期前導碼為八個MSK符號，包含：具有正相位旋轉之四個邏輯一；及具有負相位旋轉之四個邏輯零。
  4. 如請求項1之方法，其中該等MSK信號以二兆鮑(megabaud)MSK符號速率運行。
  5. 如請求項1之方法，其中藉由運作具有一個前導碼週期時滯之自相關來判定該精細載波頻率偏移估計。
  6. 如請求項3之方法，其中藉由對運作具有一MSK符號時滯之間隔四個符號的兩個自相關之結果求平均值來判定該粗略載波頻率偏移估計。
  7. 如請求項6之方法，其進一步包含低通濾波該平均值以移除其中之信號雜訊的步驟。
  8. 如請求項1之方法，其中該粗略載波頻率偏移估計及該精細載波頻率偏移估計為自由運作的直至偵測到該前導碼為止。
  9. 如請求項3之方法，其中該補償該載波頻率偏移之步驟係藉由反旋該等MSK符號之一粗略I/Q波形來進行。
  10. 一種具有自動頻率偏移補償用以解調變最小頻移鍵控(MSK)信號之零中頻接收器，其包含：一自動頻率控制(AFC)模組，其包含接收一射頻(RF)信號之一輸入、一與該輸入耦接之粗略載波頻率偏移估 計單元、一與該輸入耦接之精細載波頻率偏移估計單元、及一接收該RF信號之載波頻率偏移移除單元；其中該零中頻接收器經組態以判定是否已偵測到一MSK信號之一預期前導碼，且其中若尚未偵測到該預期前導碼，該零中頻接收器控制該AFC模組以繼續運作一粗略載波頻率偏移估計及一精細載波頻率偏移估計，且若已偵測到該預期前導碼，該零中頻接收器經組態以控制該AFC模組停止運作該粗略載波頻率偏移估計及該精細載波頻率偏移估計；其中該AFC模組經組態以：計算該粗略載波頻率偏移估計與該精細載波頻率偏移估計之間的一絕對值差異；判定該絕對值差異是否小於一臨限值，其中若該絕對值差異小於該臨限值，該AFC模組經組態以控制該載波頻率偏移移除單元使用該精細載波頻率偏移估計來補償載波頻率偏移，及若該絕對值差異等於或大於該臨限值，該AFC模組經組態以藉由每週期加上或減去180度來調整該精細載波頻率偏移估計，直至該絕對值差異小於該臨限值為止，且其後控制該載波頻率偏移移除單元使用該經調整之精細載波頻率偏移估計來補償該載波頻率偏移。
  11. 如請求項10之零中頻接收器，其中該預期前導碼產生一 無直流(DC)解調變信號。
  12. 如請求項10之零中頻接收器，其中該預期前導碼為八個MSK符號，包含：具有正相位旋轉之四個邏輯一；及具有負相位旋轉之四個邏輯零。
  13. 如請求項10之零中頻接收器，其中該等MSK信號以二兆鮑(megabaud)MSK符號速率運行。
  14. 如請求項10之零中頻接收器，其中藉由運作具有一個前導碼週期時滯之自相關來判定該精細載波頻率偏移估計。
  15. 如請求項12之零中頻接收器，其中藉由對運作具有一MSK符號時滯之間隔四個符號的兩個自相關之結果求平均值來判定該粗略載波頻率偏移估計。
  16. 如請求項15之零中頻接收器，其進一步包含一低通濾波器，用於低通濾波該平均值以移除其中之信號雜訊。
  17. 如請求項10之零中頻接收器，其中該粗略載波頻率偏移估計單元及該精細載波頻率偏移估計單元經控制以自由運作直至偵測到該前導碼為止。
  18. 如請求項12之零中頻接收器，其中該載波頻率偏移移除單元經組態以反旋該等MSK符號之一粗略I/Q波形。
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