專利名稱：空導頻碼元輔助快速自動頻率控制的制作方法
技術領域：
本發明一般涉及到數字通信系統，具體而言，涉及到數字通信系統中數字信息的同步，用于對連續相位調制信號進行相干解調。
背景技術：
對于在收(Rx)發(Tx)無線裝置之間進行可靠的數字通信而言，頻率同步非常重要。正如本領域內所熟知的，當發射機與接收機彼此進行通信時，它們應該具有相同的標稱頻率。事實上，兩個射頻(Tx與Rx)上的參考振蕩器偏離標稱頻率的誤差不同。因此，為了接收信息，接收機應該在發射機的真實頻率的一定公差范圍內進行調諧。這通常被稱為頻率同步。具體而言，通信系統中使用的相干解調方法對Tx與Rx射頻之間的頻率偏差高度敏感。需要使用自動品率控制系統(AFC)將頻率誤差控制并保持在調制方法允許的公差內。
多數移動通信鏈路容易受到信道中多路徑衰減的影響。這將引起通信信號相位的失真。對于連續相位調制(CPM)信號的情況(其中，信息包含在信號的相位中)，這個問題尤為明顯。導頻碼元是接收機已知的先驗碼元，它是由發射機在發送序列中周期性插入的，目的是幫助接收機估計出新到引起的相位失真。在連續相位調制(CPM)的情況下，每個導頻位置都需要帶有一個碼元，將相位狀態控制到“已知”的狀態。通常，將其稱為“空”碼元。Ho等在美國專利5,712,877中介紹了一種典型的空導頻碼元輔助連續相位調制系統，該文獻在此作為參考文獻予以引用。Ho等介紹了一種用于發送并接收數字信息的裝置，它使用了導頻碼元插入裝置，周期性地將與數據有關的導頻碼元插入到數字數據的幀中，并用其估計信道的相位失真。
一種快速捕獲解決方案使得對發送中斷特征的操作成為可能，這是在新的信息&信號數字交換(DIIS)標準中使用的載波相位調制(CPM)中的一種獨特特性，它能夠用目前的低層專用移動射頻(PMR)系統中的連續技術進行發射。這類系統可以實現高速(12Kbps)數字通信，支持語音與數據通信。它是從早先的歐洲標準一信息及信號的二進制交換(BIIS)中演化來的，該標準也被稱為ETS300,230.PMR協議(DIIS)。
對同步捕獲系統的操作取決于由三十個碼元構成的已知序列，該序列被周期性地(每720ms一次)嵌入到發射碼元比特流中。這個碼元序列被稱為同步字，接收機事先已經知道該序列。通常，在同步字之后，立即發送其后的與通話相關的信息。在這種方式下，當開始建立通信時，所有接收機都開始查詢同步字及通話信息，判斷它是否參與通信或“通話”。此外，還在數據流中插入導頻碼元，輔助接收機估計信道的相位失真。以超過同步字的頻率(20ms)插入導頻碼元。因此，為了快速并精確地進行頻率修正，相對于基于同步字的頻率控制而言，基于導頻碼元的AFC可以獲得對頻率誤差更多的估計。
相干解調需要了解有關接收信號頻率及相位。即使收發無線裝置具有相同的標稱頻率，它們的振蕩器的實際頻率通常會有所不同。使用自動頻率修正(AFC)來估計并修正接收信號中的這種頻率偏移。為了達到高度的精確性，有必要以盡可能短的時間來糾正頻率偏移。因此，需要解決頻率同步的快速捕獲問題。在通話已經開始進行時后進入通信的情況下，這個問題尤為突出。在獲取頻率同步的過程中所花費的時間將會造成額外的碼元丟失。這種快速頻率捕獲變得至關重要。
典型的數字接收機的功能圖與
圖1所示的現有技術(的一種接收機)類似。與這類接收機有關的一個普遍問題是捕獲時間。捕獲時間是指發送數據與接收數據進行同步所需的時間，也就是由于接收機仍無法與發送數據同步而無法接收到數據所經歷的時間。將數字同相(I)及正交(Q)基帶(零中頻或低頻IF或甚低頻IF)信號102送入粗度自動品率控制(AFC)104中，將射頻(RF)輸入信號的(頻率)范圍控制在靈敏數字通道選擇(CS)濾波器106的(頻帶)范圍之內。
對于DIIS調制，盡管典型的CS濾波器具有3KHz的3-dB帶寬，選擇這種CS濾波器可以選定期望的信號，而通道外的功率被濾除。然而，站在頻率的角度看，如果沒有粗度AFC104，數字信號可能被移動到CS的通帶之外。典型情況下，對于DIIS調制而言，需要將數字I-Q輸入信號102控制在CS濾波器106的中心頻率附近600Hz范圍內，否則會丟失過多信號。
然后，將濾波后的信號送給幀同步檢測器108，幀同步檢測器108是一種查詢接收機預先驗知道的數字碼元的序列的裝置。因此，只要接收機檢測到位于IF濾波器通帶內的能量，它就啟動檢測已知的比特序列的過程，以進行幀同步。通過使用精細碼元時間估計器110，接收機判斷出碼元之間的邊界，并實現幀同步(即識別出接收到的信息碼的已知模式)。
根據時間碼元估計的結果，接收機100下一步將對頻率進行精細估計，以進一步減小發射頻率與接收頻率之間的頻率誤差。為了對數據進行正確解碼，有必要使這個頻率偏差小于碼元檢測方案所允許的公差范圍。在對DIIS信號進行相干檢測的情況下，偏差可能小達10Hz，而對DIIS信號進行非相干檢測的情況，偏差可能達到100Hz。由于已經實現了時間同步，使用精細頻率估計器112對已知信號進行精細頻率估計。由于粗度AFC 104只能將接收到的I-Q基帶數據調節到600Hz的范圍內，精細頻率估計器112可以對接收到的數據的頻率進行精密調節，達到約10Hz的精度，從而正確地檢測出接收到的數據碼元。將這個修正結果加在混頻器114上，在此將修正結果與來自IF濾波器106的信號進行混頻。然后將混頻器114的輸出加在信號檢測器116上，在此實現對信號的正確檢測。
在圖1所示的現有技術的接收機同步系統中存在一些弱點。典型情況下，需要用3-dB帶寬為3KHz的CS濾波器以滿足鄰道干涉保護的要求。在這種3dB帶寬的情況下，在IF濾波器的輸入端可以允許最大為600Hz的頻率偏移。根據相關標準的規定，對于信道間隔為12.5KHz的情況，可以允許移動發射機的頻率最多偏離其標稱頻率1.5KHz。如果將基帶I-Q信號直接送給CS濾波器，在最壞的情況下，Tx與Rx之間的偏差為3KHz，則期望信號中的很大一部分被CS濾波器衰減掉了。這就是在CS濾波器106之前放置粗度AFC 104的原因。假設粗度AFC 104將濾波器的偏移從3kHz降至600Hz。然而，為了使同步字通過IF濾波器，粗度AFC 104不得不在處理同步字之前處理未知的數據碼元。這將最終導致大于可接受程度的延遲和時間周期，在此期間，使得沒有同步信號產生，接收機無法接收到信息。此外，在基于同步字的現有技術中，對頻率誤差產生更新估計的頻率較低(每720ms一次)。
因此，存在這樣的需求提供一種用于連續相位調制的數字接收機同步系統，它能夠容易并精確地提供對接收數據流的頻率同步，而且延遲最小，從而防止丟失任何接收到的數字信息。
附圖簡要說明圖1為表示現有技術中用于典型的數字接收機系統中的同步的方塊圖。
圖2為表示根據本發明的空導頻碼元輔助快速AFC系統工作原理的方塊圖。
圖3為表示根據實現本發明的優選方法的空導頻碼元輔助快速AFC系統工作原理的流程圖。
優選實施例詳細說明現在參見圖2，在根據本發明優選實施例的空導頻碼元輔助快速自動頻率控制(AFC)系統的數字基帶通道的高級功能圖中，包括同相(I)與正交(Q)I-Q數字輸入信號201。然后將I-Q輸入信號201送至信道選擇濾波器203，它的作用是使期望的I-Q信號通過，并濾除帶外噪聲功率。然后，基于同步的頻率估計器205或任何等效頻率估計器對信道選擇濾波器203發出的信號的頻率偏移進行估計，并在頻率修正電路207如數字頻率混頻器中對其進行修正。在頻率修正電路207發出的經修正的信號中包含某些殘余的頻率誤差，需要在對CPM信號進行相干解調前進行修正。然后，將這個信號送給基于空導頻的頻率估計器209，利用下面介紹的數據處理方法產生對殘余頻率誤差(未被207修正的剩余量)的頻率估計。碼元檢測器211利用這個頻率修正估計以及頻率修正電路的輸出，產生精細的頻率修正估計。
圖3表示了基于空導頻的頻率估計器209的細節。在頻率估計器中，首先在導頻時鐘253(應為259)的控制下對經頻率修正的I-Q信號進行采樣251。導頻時鐘259具有與導頻碼元相同的頻率，導頻碼元是與信號一起輸入給基于空導頻的頻率估計器209的。因此，如果每20ms插入一次導頻碼元，則導頻時鐘的頻率為50Hz。在采樣操作之后，利用適當的算法如坐標旋轉數字計算機(CORDIC)，可以在導頻時鐘253中得到I-Q復數信號的相位。將復數信號的相位存儲(255)于存儲元件內，用以提供相位延遲。
然后，將相位延遲的信號從存儲元件送到一系列處理步驟256中，可用微處理器執行這些步驟。然后，在處理器中使用減法單元，判斷(257)前一個導引位置的相位與當前導引位置之間的相位差。用這個相位差除以導頻周期(M*T，其中M代表相連的導頻碼元之間碼元的個數，T為碼元周期)，在除法器261的輸出端獲得對殘余頻率誤差的估計。用因數2π將以弧度每秒為單位的估計值轉換(263)為周每秒(Hz)的量值。應該注意到，許多不同的殘余頻率誤差值會在257的輸出端引起相同的相位偏差。將所有可能的殘余頻率誤差值稱為“(頻率)混迭(aliases)”。
然后，從這些混迭值中判斷(265)出最大可能的值。這可以通過下述步驟實現假設除法261的輸出為f1。則選定的殘余頻率估計為fOFFSET＝m*fALIAS+f1，其中，將m的數值選取為使fOFFSET的幅值為最小。盡管在此定義了處理步驟256，本領域內的技術人員應該明確，可以用任意數目或處理步驟實現相同的結果。
然后，將混迭選擇(265)的判斷結果送給平滑濾波器267。將平滑濾波器的輸出送至圖2所示的信號檢測器211中。
對于在此進行說明的空導頻碼元輔助快速AFC的處理過程而言，可以用數學方法予以表達。
(1)在連續相位調制信號中，與碼元Ik對應的第k個碼元間隔的相位可以寫為 公式(1)其中，σk為由前面碼元決定的當前相位狀態，T為碼元周期，h為調制指數，q(t)為累積相位函數(相位成形濾波器的脈沖響應的積分)。
(2)假設脈沖成形濾波器在時間范圍0＜t＜LT中不為零，而且當t＜0與t＞LT時非常小。則，調制器的當前狀態由下式給出σk=πhΣi=0k-1Ii]]>公式(2)(3)重寫第k個碼元的相位的表達式， 公式(3)(4)假設在每個導頻位置處，每M個碼元插入一個空碼元與兩個導頻碼元(P1和P2)。則，在第n個導頻位置的每個空碼元之后的第二個導頻碼元其間，((nM+2)T＜t＜(nM+3)T)相位可以寫為
(t)＝2πh[P2×q(t-(nM+2)T)+P1×q(t-(nM+1)T)]+2πKn，n＝1，2，…公式(4)(5)此時，整數Kn由下式決定Kn=h2Σi=0nMIi]]>公式(5)(6)接收到的帶有殘余頻率偏移為fOFF的信號可以被表達為r(t)＝c(t)s(t)exp[j2πfOFFt]+w(t) 公式(6)此處c(t)代表復數衰減信道。
(7)然后，在第n個空導頻碼元位置(在圖3中的253的輸出端可找到)，(nM+2)T＜t＜(nM+3)T，相位為∠r(t)＝θr(t)＝θc(t)+(t)+2πfOFFt， 公式(7)(8)然后，在第n個空碼元之后的第二個導頻碼元期間接收到的信號的相位可以寫作θn，r(t)＝θr(t+(nM+2)T)，0＜t＜T 公式(8)(9)然后，作為圖3中261的輸出端的計算結果，當前導頻位置n與前一個導頻位置n-1處的相位差為θn，r(t)-θ(n-1)，r(t)＝Δθn，c+2πfOFFMT+2π[Kn-Kn-1]，0≤t＜T，n＝2，3，…公式(9)其中θn，c＝θc(t+(nM+2)T)-θc(t+((n-1)M+2)T)，0≤t＜T 公式(10)則偏移頻率可以表達為fOFF=(θn,r(t)-θ(n-1),r(t)2πMT)-(Δθn,c2πMT)-(Kn-Kn-1MT),0≤t<T,n=2,3···]]>公式(11)因此，總而言之，本發明的作用是在載波相位調制(CPM)系統的導頻中使用周期性插入空-導頻碼元的快速自動品率控制(AFC)，該系統包括存儲器，用于在每個導頻碼元位置存儲同相(I)與正交(Q)復數數字輸入信號的相位信息。存儲器中包括一個用于判斷復數字同相(I)與正交(Q)數字信號采樣的相位的相位檢測器，還包括一個用于判斷相位的相位檢測器。然后，在存儲器的輸出端使用導頻時鐘驅動的相位差分器，作用是在每個導引時鐘周期工作一次，確定當前導頻碼元位置的相位與前一個導頻碼元位置的相位之間的偏差。頻率偏移選擇器中利用了數學處理過程，從所有能引起相同相差的一組頻率偏移中選擇最可能的頻率偏移。系統中還包括平滑濾波器，用于減少來自頻率偏移選擇器的頻率估計的噪聲。
盡管圖示并說明了本發明的優選實施例，需要明確的是，本發明并不限于此。在不背離權利要求書中聲明的本發明的精神和范圍的前提下，本領域內的技術人員可以對此進行修改、變化、改編、替換及等效。正如在此使用的，術語“包含”、“包括”或者它的其他變形都不企圖覆蓋非排他的結論，例如，包含一系列元件的過程、方法、物品或裝置并不僅僅包含這些元件，還可能包括其他沒有明確地列出的元件或者這些過程、方法、物品或裝置所固有的元件。
權利要求
1.一種用于對載波相位調制(CPM)進行相干解調的空導頻碼元輔助快速自動頻率控制(AFC)系統，其包括導頻時鐘驅動的相位差分器，用來在每個導頻時鐘周期工作一次，確定當前導頻碼元位置的相位與前一個導頻碼元位置的相位之間的偏差；和頻率偏移選擇器，用于從所有能引起相同相差的一組頻率偏移中選擇最可能的頻率偏移。
2.根據權利要求1所述的空導頻碼元輔助快速AFC，進一步包括平滑濾波器，用于降低來自頻率偏移選擇器的頻率估計中的噪聲。
3.一種在載波相位調制(CPM)系統中使用以導頻頻率周期性插入的空-導頻碼元的快速自動品率控制(AFC)，其包括存儲器，用于存儲在每個導頻碼元位置處的同相(I)與正交(Q)復數數字輸入信號的相位信息；導頻時鐘驅動的相位差分器，其利用存儲器的輸出，在每個導頻時鐘周期工作一次，確定當前導頻碼元位置的相位與前一個導頻碼元位置的相位之間的偏差；和頻率偏移選擇器，用于從所有能引起相同相差的一組頻率偏移中選擇最可能的頻率偏移。
4.如權利要求3所述的快速自動AFC，進一步包括平滑濾波器，用于降低來自頻率偏移選擇器的頻率估計的噪聲。
5.根據權利要求3所述的快速AFC，其中，所述存儲器包括采樣器，用于在每個導頻時鐘對復數同相(I)與正交(Q)數字信號進行采樣。
6.根據權利要求5所述的快速AFC，其中，所述存儲器進一步包括相位檢測器，用于判斷來自采樣器的復數同相(I)與正交(Q)數字信號采樣的相位。
7.一種用于根據發射機周期性插入的空-導頻碼元來提取頻率偏移信息的方法，其包括步驟在每個導頻時鐘周期操作一次導頻時鐘驅動的相位差分器；判斷當前導頻碼元位置的相位與前一個導頻碼元位置的相位之間的偏差；和從所有能引起相同相差的一組頻率偏移中選擇來自頻率偏移選擇器的最可能的頻率偏移。
8.根據權利要求7中所述的提取頻率偏移信息的方法，進一步包括步驟利用平滑濾波器來降低頻率估計的噪聲。
全文摘要
一種用于對載波相位調制(CPM)進行相干解調的空導頻碼元輔助快速自動頻率控制(AFC)系統，其包括(209)導頻時鐘驅動的相位差分器(252，253，255)，用來在每個導頻時鐘周期工作一次，確定當前導頻碼元位置的相位與前一個導頻碼元位置的相位之間的偏差。頻率偏移選擇器(256)，用于從所有能引起相同相差的一組頻率偏移中選擇最可能的頻率偏移。
文檔編號H04L27/227GK1539228SQ02815189
公開日2004年10月20日 申請日期2002年7月30日 優先權日2001年7月31日
發明者素密·阿尼爾·塔爾沃克, 查爾斯·勒羅伊·索布恰克, 萊恩·H·奧伊, 勒羅伊 索布恰克, H 奧伊, 素密 阿尼爾 塔爾沃克 申請人:摩托羅拉公司