一種碼分多址系統的自動頻率校正方法和裝置的制作方法

專利名稱：一種碼分多址系統的自動頻率校正方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及無線通訊領域，具體地說，涉及碼分多址系統中的自動頻率校正方法和裝置。
背景技術：
現在的移動通信系統基本上是蜂窩移動通信系統。蜂窩移動通信系統經歷了幾代發展，第一代是采用頻分多址(FDMA)的模擬蜂窩移動通信系統，如美國的AMPS、英國的TACS系統等；第二代基本上是采用時分多址(TDMA)的數字蜂窩移動通信系統，如歐洲的GSM系統等；碼分多址(CDMA)蜂窩移動通信系統具有頻率規劃簡單，系統容量大，抗多徑干擾能力強等特點使其成為第三代蜂窩移動通信系統的主要技術。
在地面，通信系統信道的主要特征是多徑傳播。信號在傳播過程中會遇到很多建筑物、樹木以及起伏的地形，從而引起能量的吸收和穿透以及電波的反射、散射及繞射等，這樣就使得移動通信的傳播環境非常復雜。在移動通信環境中，到達移動臺天線的信號不是從單一路徑而來，而是多路徑眾多反射波合成的結果。CDMA系統采用RAKE接收技術以克服移動信道多徑衰落對信號的影響，并采用導頻信道來估計多徑信道參數以進行最大比合并。由于收發信機時鐘頻率的相對不穩定性以及收發信機相對運動引起的多普勒效應，使得接收機本地載波與接收到的信號載波頻率間存在頻率偏差，即使用信道估計得出的參數來進行最大比合并，接收機的性能也會隨著頻差的增大而下降。因此需要采用自動頻率控制技術對這個未知的頻差進行補償，以保證接收機的正常工作。考慮到收發兩端的固定頻偏迭加在多徑衰落信號的相位信息中，因此采用導頻來得到多徑信道估計值，并對其進行簡單處理，就可以提取收發兩端的頻率偏差得到頻率偏差的估計值，再使用該估計值調整本地振蕩器頻率，便可實現自動頻率校正的功能。因此，頻率偏差估計值越接近未知的頻差，那么頻率校正就越準確。
如圖1所示帶有自動頻率校正接收機的示意圖中，接收機包括混頻器100A、100B，匹配濾波器110A、110B，降采樣模塊120A、120B，RAKE接收機130，信道估計與頻率偏差估計單元140，環路濾波單元160，D/A轉換器150，壓控振蕩器170以及移相單元190。接收信號y(t)分別進入混頻器100A和100B，在混頻器100A中與壓控振蕩器170產生的并經過移相單元190的本地振蕩信號進行混頻，在混頻器100B中與壓控振蕩器170產生的本地振蕩信號進行混頻。混頻器100A、100B的輸出分別通過匹配濾波器110A、110B，并經降采樣模塊120A、120B后降至碼片速率，降采樣后的信號進入RAKE接收機130中進行處理，如PN解擴、積分和加權合并。信道估計與頻率偏差估計單元140利用RAKE接收機130輸出的有效徑數據，進行信道估計并計算頻率偏差估計值 將頻率偏差估計值 乘以固定的系數K后經過環路濾波單元160濾波得到Δw，消除了噪聲干擾和其他頻率成分。從環路濾波單元160輸出的電壓信號控制壓控振蕩器170的輸出頻率，從而完成自動頻率校正過程。自動頻率校正裝置一般包括信道估計與頻率偏差估計單元140，環路濾波單元160，D/A轉換150和壓控振蕩器170。信道估計與頻率偏差估計單元140主要完成信道參數的估計和瞬時頻率偏差的估計，得到的頻率偏差估計值送入環路濾波單元160中，由環路濾波單元160濾除頻偏估計中的其他組合頻率成分和其他干擾成分，以保證環路所要求的性能。環路濾波單元160的輸出經過D/A轉換150后，調整本地基準頻率源壓控振蕩器170，使其逐步逼近實際的載波頻率。
美國專利US5764687A“Mobile Demodulator Architecture for a SpreadSpectrum Multiple Access Communication System”中提出了一種自動頻率校正方法，它是對每一徑采用叉積方法求取頻率偏差，然后進行迭加得到總的頻差。
在該方法中，由于發送的已知信息導頻帶有信道的信息，所以用導頻來表示信道估計值，該導頻是RAKE接收機中所用的進行多徑加權合并的導頻，是經過PN解擴和積分后的信號，去掉了其他信道的干擾，并通過導頻濾波器進行了符號間的平滑，使得導頻符號間的波動較小。
假設某一時刻接收的導頻為p(n)，p(n)看作是由I、Q兩部分組成的復數，即p(n)＝pI(n)+pQ(n)，則它與上一時刻的導頻的叉積為p(n)×p(n-1)＝pI(n)pQ(n-1)-pI(n-1)pQ(n)(1)
叉積p(n)×p(n-1)是p(n-1)與p(n)的虛部相乘后所得積的虛部。叉積得到的是相位變化值。
設p(n-1)=A1*ejΔwT1,]]>p(n)=A2*ejΔwT2,]]>那么p(n-1)·p-(n)-=A1A2ejΔw(T1-T2)=AejΔwT----(2)]]>即 Im(p(n)·p(n-1))＝Asin(ΔwT) (3)當ΔwT＜＜1時，(3)式可以表述為 由公式(4)可以看出，叉積的結果和頻率偏差估計值 成正比例的關系，這樣就可以得到這一徑的頻率偏差。但當 變大時，會超越線性區，那么上述關系不再成立。由此可得到頻率偏差估計單元的結構如圖2所示，包括2個延遲單元、2個乘法器和1個加法器，I、Q兩路信號分別經過延遲單元延遲后再與Q、I信號相乘，所得的乘積進行減法運算，即可獲得 的值。但是該專利并沒有考慮最終的頻差給每一徑所帶來的干擾的影響。
在Journal of Southeast University，2002年2期的文章“A Novel AFC in the 3rdGeneration Mobile Communication System”中，介紹了一種計算頻率偏差估計值的方法。
由于CDMA系統中，導頻信道的信號是一直發射的并已知的信號，因此假設包含導頻信號的輸入信號為s(t)，則多徑信道的脈沖響應是h(t)=Σl=1Lαlejθlδ(t-τ1)]]>于是接收端接收到的基帶信號為r(t)=[s(t)ejΔwt]*h(t)+n(t)=Σl=1Lα1ej[θl+Δw(t-τ1)]s(t-τ1)+n(t)=Σl=1Lrl(t-τl)----(6)]]>則 l＝θl+Δwt其中|τl-τk|＞1/B，l≠k，l.k＝1，2，......L，αl是l徑路徑信號的接收幅度，θl是l徑路徑信號的接收相位，τl是l徑路徑信號的接收延時，L是多徑的數目，Δw是傳輸頻率和接收頻率的偏差，nl(t)是復高斯白噪聲，其均值為0，方差是N0。設αl，φl是l徑信號幅度和相位的估計值，則αl，φl的極大似然函數表示為 對式(8)求導，得到 那么就可以得到第l徑n時刻的信道估計值 假定信道在T時間內保持不變，有 這樣就可以得到這一徑的頻率偏差估計值 在一些系統中采用此種方法進行頻率偏差估計，其信道估計單元和頻率偏差估計單元的結構示意圖如圖3所示。信道估計單元包括一組延遲單元341、一組乘法器342、一組低通濾波器343和比較選擇器344，延遲單元341、乘法器342和低通濾波器343的個數相同，且依次相連，接收的基帶信號r(k)經過延遲單元341后進行PN解擴，解擴后信號經過低通濾波器343輸出到比較選擇器344中，選擇出多徑中最強徑的信道估計值，然后進入頻率偏差估計單元中，頻率偏差估計單元包括延遲單元346、乘法器和反正切單元345。在頻率偏差估計單元中，最強徑信道估計值與經過延遲單元346的最強徑信道估計值的倒數相乘，乘積經過反正切單元345后得到頻率偏差估計值，這個由最強徑得到的頻率偏差估計值即作為所有徑的頻偏估計值。但這樣做會給其他徑帶來很大的偏差，從而給系統引入更大的誤差。由于信道估計信號是基帶信號經過PN解擴后再通過低通濾波器343得到的，因此如果選擇的低通濾波器343的頻寬不合適，那么得到的信號碼片間會有較大的波動，而且還殘留有其他信道的干擾，這樣得到的信道估計值本身會含有較大的誤差，導致環路整體性能下降，并降低通信系統的質量。
在現有的自動頻率校正裝置中，環路濾波單元160一般采用固定的步長K，這樣會使得環路調節的收斂速度大為減慢或使得收斂后的頻偏抖動誤差較大，因為在頻偏很大的情形下，采用較小的步長會導致較長的收斂時間；而當壓控振蕩器的輸出接近載波頻率時，頻偏抖動誤差由步長決定，步長越小，抖動誤差越小。

發明內容
本發明所要解決的技術問題在于提出一種碼分多址系統的自動頻率校正方法和裝置，解決了現有技術中頻率偏差估計值計算誤差大、環路收斂速度和頻偏抖動誤差產生矛盾的問題。
本發明所述碼分多址系統的自動頻率校正方法，包括以下步驟一、按有效徑分離匹配濾波器輸出的接收信號，并對每一徑信號進行偽隨機碼解擴；二、將解擴信號進行積分，提取導頻信號，獲得信道估計值；三、平滑信道估計值；四、根據平滑后的信道估計值計算每一徑的頻率偏差估計值；五、根據有效徑的加權計算所有有效徑頻率偏差估計值；六、利用步驟五所得到的頻率偏差值估計值產生環路濾波系數；七、進行環路濾波，控制壓控振蕩器的輸出頻率。
本發明所述碼分多址系統的自動頻率校正裝置，包括依次相連的信道估計單元、頻率偏差估計單元、環路濾波單元、D/A轉換器和壓控振蕩器，所述信道估計單元將接收到的信號經過偽隨機碼解擴和積分后獲得信道估計值，輸出給所述頻率偏差估計單元進行頻率偏差估計，獲得的頻率偏差估計值輸出給所述環路濾波單元，再經過所述D/A轉換器，輸出信號控制所述壓控振蕩器的輸出頻率，其特征在于，所述信道估計單元包括M個延遲單元、M個乘法器、M個迭加單元和M個導頻濾波器，信號經過所述M個延遲單元得到對準的M徑信號，與偽隨機碼的復共軛信號相乘，再在所述M個迭加單元中迭加，得到導頻信號，最后經過所述導通濾波器的平滑，得到M個徑的信道估計值；所述頻率偏差估計單元包括M個延時存儲單元、M個乘法器、M個反正切單元和1個頻偏多徑合并單元，M個徑的信道估計值進入所述M個延時存儲單元中存儲，與當前信道估計值在所述乘法器和反正切單元中計算，獲得M個徑的頻率偏差，再在所述頻偏多徑合并單元中進行加權合并，最終獲得所有徑的頻率偏差估計值；所述環路濾波單元包括門限比較單元、乘法器和濾波單元；所述頻率偏差估計單元的輸出進入所述門限比較單元中，用于計算當前所需的環路濾波系數，并將得到的環路濾波系數和頻率偏差估計值在所述乘法器中相乘，然后通過所述濾波單元進行濾波，輸出給所述D/A轉換器。
本發明針對移動通信系統中多徑信號的情況，采用經過PN解擴、積分的導頻信號作為信道估計值，經過平滑處理和簡單計算，得到滿足最大似然準則的每一徑頻率偏差估計值，再采用滿足最小均方差準則進行多徑的頻率誤差合并，使每徑的誤差達到最小。同時根據環境的不同情況改變環路濾波器步長，適應不同的要求，從而可以快速有效的實現自動頻率校正。本發明所述方法計算簡單，校正速度快，很好的滿足了CDMA終端對自動頻率校正性能的要求。另外，還能對多普勒造成的頻移進行跟蹤并進行校正，并且可以和RAKE接收機配合使用，直接利用RAKE接收機的信道估計值，減少了硬件的要求。


圖1是一般的帶有自動頻率校正的接收機的示意圖。
圖2是現有的一種頻率偏差估計單元的示意圖。
圖3是現有的一種信道估計和頻率偏差估計單元的示意圖。
圖4是本發明自動頻率校正裝置中信道估計單元410和頻率偏差估計單元420的示意圖。
圖5是圖4的頻率偏差估計單元420中多徑合并單元423的示意圖。
圖6是本發明自動頻率校正裝置中環路濾波單元600的示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明做進一步的詳細說明。
圖1至圖3是現有的自動頻率校正系統以及頻率偏差估計單元的情況，已在背景技術中作了詳細說明，此處不再贅述。
本發明綜合現有技術的優點，采用RAKE接收機中用于多徑加權合并的導頻進行信道估計，即接收的基帶信號經過PN解擴后再進行積分，去掉其他信道的干擾，消除其他信道對信道估計的影響，再進行符號間平滑，使得導頻符號間波動較小，然后采用反正切方法對每一徑進行信道估計，并考慮多徑的影響，將多徑進行合并。多徑合并采用最小均方差準則，使得最終得到的總的頻率偏差估計值給各個徑帶來的誤差最小，從而在最大程度上減小誤差，并根據得到的頻差按照不同的情況改變環路濾波器步長，適應不同的要求，保證環路的優良性能。
下面先介紹一下本發明的基本原理。
在獲得了每一徑的信道估計值后，根據公式(12)，可以得到單徑的頻率偏差估計值 式中Ts是導頻的符號周期。
若考慮所有有效多徑的影響，則需要把多徑進行合并，合并方法滿足最小均方差準則。
假設某一時刻最后得到的頻差為 第1徑得到頻差為 導頻的幅度是βl，為使 最小，對其求導
得到 其中βl＝|cl(n)|(16)在環路濾波單元中，設 為第n時刻的頻率偏差估計值，所采用的環路濾波器的步長為δn，則第n個輸出時的步長由下式決定 即當頻率偏差估計值的絕對值大于所設定的門限時，采用較大的步長-以縮短跟蹤時間(頻率調節階段)；當頻率偏差估計值的絕對值小于所設定的門限時，采用較小的步長k2以提高自動頻率校正的精度(頻率鎖定階段)。另外，還可以設置多個門限進行更精確的控制。門限的選擇可以根據不同的信道情況進行選擇，如果信道條件很差，可以選擇稍大的門限，以免環路濾波器的步長一直發生變化，如果信道條件很好，可以選擇較小的門限，從而可以更快速地達到穩定。
環路濾波單元的輸出經過D/A轉換后，用于控制壓控振蕩器的輸出頻率，使之逐漸逼近接收信號的載波頻率值。
圖4是本發明自動頻率校正裝置中信道估計單元410和頻率偏差估計單元420的示意圖。信道估計單元410包括延遲單元411、乘法單元412、迭加單元413和導頻濾波器414；頻率偏差估計單元420包括延時存儲單元421，乘法單元、反正切單元422以及頻偏多徑合并單元423。接收的信號通過不同的延遲單元411得到RAKE接收機的多個分支(M)。RAKE接收機的分支數M不一定與實際的路徑數L一樣，如果L＜M，就關閉M-L個分支；如果L＞M，就對所有L個路徑中的前M個最強徑的信號解調，忽略剩下的L-M個徑。
在本發明的一個實施例中，假設M＝3，經過匹配濾波器和降采樣的信號r(k)，經過不同的延時單元411A、411B、411C，得到對準的三徑信號。每一徑信號都與PN碼的復共扼在乘法器412A、412B、412C中相乘，進行解擴，然后解擴信號在一定長度N內進行迭加，得到導頻信號，這樣做的目的在于消除其他信道對導頻信道的干擾，迭加的長度N應當盡可能的長，以保證進行信道估計導頻的準確度，同時迭加長度N應該保證在此長度區間內信道的參數不發生變化，在本實施例中選擇的迭加長度為N＝64。為了平滑導頻的符號和符號間的輸出，采用導頻濾波器414A、414B、414C進行平滑，導頻濾波器是一個低通濾波器，它可以是無限沖激響應(IIR)濾波器或者是有限沖激響應(FIR)濾波器，其作用在于減弱導頻符號和符號間的變化，對導頻進行平滑，在本實施例中選擇的是一階IIR濾波器。導頻濾波器414A、414B、414C的輸出就是最終的信道估計值。這些信道估計值在延時存儲單元421A、421B、421C中存儲，分別在乘法器和反正切單元422A、422B、422C中與當前的信道估計值按照公式(13)進行計算，得到每一徑的瞬時頻差估計值，然后每一徑的頻差在頻偏多徑合并單元423中進行加權合并，這樣就可以得到最終的輸出頻差估計值 頻偏多徑合并單元423的示意圖如圖5所示，包括M個加權單元4231和一個加法器4232。在本發明的實施例中，M＝3，三徑的頻差分別在加權單元4231A、4231、4231C中進行加權，其中βl，l＝1…L根據公式(16)確定，而β=Σl=1Lβl.]]>權值的選擇滿足最小均方差準則，使得最終獲得的頻差和每一徑偏差的誤差最小化，從而減少給系統帶來的誤差，提高系統的整體性能。加權的結果在加法器4232中迭加，最后得到頻偏估計值 本發明中可變步長環路濾波單元600如圖6所示，包括門限比較單元610，乘法器620和濾波單元630。在本發明的實施例中，上述得到的頻偏估計值 進入門限比較單元610，按照公式(17)進行門限控制，根據門限大小確定不同的步長，得到的步長和頻偏估計值 在乘法器620中相乘，從而加快濾波環路的收斂速度并保證收斂后具有較小的頻偏抖動誤差，然后通過濾波單元630進行濾波，得到Δw，輸出給D/A轉換器以控制壓控振蕩器的輸出頻率。
本發明已經在cdma_20001x前向鏈路仿真中實現，經過仿真，證實能夠有效的糾正傳輸載波和接收載波的頻差，可以在0.1秒內達到穩定，而且還能在一定程度上跟蹤多普勒頻移，從而減少多普勒頻移對系統的影響，提高系統的整體性能。顯而易見，本發明還可以用在采用導頻的cdma_20001x反向鏈路的幾個速率集中。另外，本發明還可以用在WCDMA系統中。
權利要求
1.一種碼分多址系統的自動頻率校正方法，其特征在于，包括以下步驟一、按有效徑分離匹配濾波器輸出的接收信號，并對每一徑信號進行偽隨機碼解擴；二、將解擴信號進行積分，提取導頻信號，獲得信道估計值；三、平滑信道估計值；四、根據平滑后的信道估計值計算每一徑的頻率偏差估計值；五、根據有效徑的加權計算所有有效徑頻率偏差估計值；六、利用步驟五所得到的頻率偏差值估計值產生環路濾波系數；七、進行環路濾波，控制壓控振蕩器的輸出頻率。
2.根據權利要求1所述的自動頻率校正方法，其特征在于，所述步驟四計算每一徑的頻率偏差估計值的計算公式是 其中， 是l徑的頻率偏差估計值，cl(n)是第l徑n時刻的信道估計值，cl(n-1)是第l徑(n-1)時刻的信道估計值，Ts是導頻的符號周期。
3.根據權利要求1或2所述的自動頻率校正方法，其特征在于，所述步驟五所有有效徑頻率偏差估計值的計算公式是 βl＝|cl(n)|，其中， 是n時刻所有有效徑的頻率偏差估計值，βl是第l徑的導頻幅度， 是步驟四計算所得的l徑的頻率偏差估計值，cl(n)是第l徑n時刻的信道估計值，L是多徑的數目。
4.根據權利要求3所述的自動頻率校正方法，其特征在于，所述步驟六進一步包括，判斷當前時刻的頻率偏差估計值的絕對值是否大于設定的門限值，若大于門限值，則采用較大的環路濾波系數k1；若小于門限值，則采用較小的環路濾波系數k2。
5.一種碼分多址系統的自動頻率校正裝置，包括依次相連的信道估計單元(410)、頻率偏差估計單元(420)、環路濾波單元(600)、D/A轉換器和壓控振蕩器，所述信道估計單元(410)將接收到的信號經過偽隨機碼解擴和積分后獲得信道估計值，輸出給所述頻率偏差估計單元(420)進行頻率偏差估計，獲得的頻率偏差估計值輸出給所述環路濾波單元(600)，再經過所述D/A轉換器，輸出信號控制所述壓控振蕩器的輸出頻率，其特征在于，所述信道估計單元(410)包括M個延遲單元(411)、M個乘法器(412)、M個迭加單元(413)和M個導頻濾波器(414)，信號經過所述M個延遲單元(411)得到對準的M徑信號，與偽隨機碼的復共軛信號相乘，再在所述M個迭加單元(413)中迭加，得到導頻信號，最后經過所述導通濾波器(414)的平滑，得到M個徑的信道估計值；所述頻率偏差估計單元(420)包括M個延時存儲單元(421)、M個乘法器、M個反正切單元(422)和1個頻偏多徑合并單元(423)，M個徑的信道估計值進入所述M個延時存儲單元(421)中存儲，與當前信道估計值在所述乘法器和反正切單元(422)中計算，獲得M個徑的頻率偏差，再在所述頻偏多徑合并單元(423)中進行加權合并，最終獲得所有徑的頻率偏差估計值。
6.根據權利要求5所述的自動頻率校正裝置，其特征在于，所述環路濾波單元(600)包括門限比較單元(610)、乘法器(620)和濾波單元(630)；所述頻率偏差估計單元(420)的輸出進入所述門限比較單元(610)中，用于計算當前所需的環路濾波系數，并將得到的環路濾波系數和頻率偏差估計值在所述乘法器(620)中相乘，然后通過所述濾波單元(630)進行濾波，輸出給所述D/A轉換器。
全文摘要
本發明提供一種碼分多址系統的自動頻率校正裝置，包括依次相連的信道估計單元410、頻率偏差估計單元420、環路濾波單元600、D/A轉換器和壓控振蕩器，其中信道估計單元410包括延遲單元411、乘法器412、疊加單元413和導頻濾波器414，用于將接收到的信號進行信道估計；頻率偏差估計單元420包括延時存儲單元421、乘法器、反正切單元422和頻偏多徑合并單元423，用于頻率偏差估計，以控制壓控振蕩器的輸出頻率。本發明采用經過PN解擴、積分的導頻信號作為信道估計值，經過平滑處理和簡單計算，得到每一徑頻率偏差估計值，再采用滿足最小均方差準則進行多徑的頻率誤差合并，使每徑的誤差達到最小。
文檔編號H04B7/26GK1486008SQ02137239
公開日2004年3月31日 申請日期2002年9月24日 優先權日2002年9月24日
發明者趙盟, 劉穎, 盟 趙 申請人:深圳市中興通訊股份有限公司