Rf载波同步和相位对准方法和系统的制作方法
【专利说明】RF载波同步和相位对准方法和系统
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请是根据 35U. S. C. § 119 (e)的标题为 "RF Carrier Synchronization and Phase Alignment Methods and Systems"的美国临时专利申请第61/708, 116号的非临时 申请并且要求其权益，该申请的全部内容通过引用的方式并入本文。 技术背景
[0003] 在基站之间使用的常规同步技术依赖于广播精确时间戳以及IHz参考信号的GPS 信号。基站可以通过解调过程提取该定时信息并且将它们用于获取训练诸如VCXO或者 OCXO等本机振荡器所需的准确时间以及频率参考，这些本机振荡器的准确度，尽管相当准 确，但其自身未准确到用于基站中。随着较小型基站（下文统称为"微小区"基站）的预期 增加，基于GPS的解决方案可能：（1)如果微小区基站要获得单独的GPS接收器，则是昂贵 的；或者（2)由于微小区基站所在的环境，是不用的。唯一准确到满足4G或者超过4G的需 要的其他替代载波同步方法是在IEEE1588标准中限定的精密时间协议（PTP)。基于IEEE 1588的PTP依赖于通过有线接入的以太网的可用性，该以太网对于给定的微小区环境可能 并非总是可用的。例如，还向宏基站提供回程通信链路的独立微小区可以位于无有线以太 网接入和需要同步方法的地方。
[0004] 因此，需要改良RF同步和相位对准系统和方法。
【附图说明】
[0005] 附图与下面的详细说明一起并入说明书中并且形成说明书的一部分，并且用于进 一步图示包括所要求的发明的概念的实施例以及阐释这些实施例的各种原理和优点，在附 图中，贯穿单独的视图，相同的附图标记表示相同的或者功能上相似的元件。
[0006] 图1是根据一些实施例的复合IQ基带信号的图表；
[0007] 图2是根据一些实施例的累积相位值的流程图；
[0008] 图3是根据一些实施例的频率锁定系统的示意图；
[0009] 图4是根据一些实施例的频率锁定系统的示意图；
[0010] 图5是根据一些实施例的频率锁定算法的流程图；
[0011] 图6是根据一些实施例的基于频率锁定算法的算法的频率误差的图表；
[0012] 图7是根据一些实施例的IQ相关性计算的图表；
[0013] 图8至图10是根据一些实施例的IQ相关性计算的图表；
[0014] 图11至图12是根据一些实施例的频率锁定算法的流程图；
[0015] 图13是根据一些实施例的时间同步算法的定时图；
[0016] 图14是根据一些实施例的定位算法的示意图；
[0017] 图15是根据一些实施例的到达角度定位算法的示意图；
[0018] 图16是根据一些实施例的定位算法的示意图；
[0019] 图17和图18是根据一些实施例的定位算法的消息流图。
[0020] 技术人员将了解，图中的元件是出于简单和清晰而图示的并且并不一定是按照比 例绘制而成。例如，在图中的一些元件的尺寸可以相对于其他元件扩大以帮助提高对本发 明的实施例的理解。
[0021] 设备和方法部件已经通过在附图中的常用符号表示在适当的位置，仅示出了与理 解本发明的实施例有关的具体细节，以避免细节使本公开模糊不清，这对于具有本说明的 权益的本领域的技术人员而言将是显而易见的。
【具体实施方式】
[0022] 在一个实施例中，一种方法包括：通过混合接收到的调制载波信号与具有LO频率 的本地振荡器（LO)信号来生成基带信息信号；获得具有基带信号幅度和基带信号相位的 基带信息信号的基带信号样本；确定与具有大于阈值的基带信号幅度的基带信号样本相关 联的累积相位测量；以及基于累积相位将校正信号应用于补偿LO频率的LO频率偏移。
[0023] 在进一步的实施例中，一种方法包括：通过混合接收到的调制载波信号与具有LO 频率的本地振荡器（LO)来生成基带信息信号；获得具有同相信号样本和正交信号样本的 基带信息信号的基带信号样本；基于在同相信号样本与正交信号样本之间的估计相关性确 定偏移频率旋转；以及使用偏移频率旋转处理基带信息信号。
[0024] 本文描述了上面的实施例以及附加实施例，其中一些实施例对于执行用于无线通 信的射频（RF)载波同步特别有用。诸如4G LTE和高级LTE等高级无线通信网络需要最小 准确度为百万分之0.05 (50ppb)的载波频率。满足该要求的常规方法已经将GPS接收器并 入该系统中，以便使在基站之间的时间和频率同步。然而，随着对微小区和微微小区基站与 日俱增的需要，对基于GPS的解决方案的依赖变得过于昂贵或者不可作为一种选择。本文 献提出了实现准确的RF载波同步以及物理层级别的相位校准的两种可供选择的方法。本 文所描述的同步方法可以实现在独立于调制方法的任何调制通信系统中。本文所描述的技 术可以满足对载波同步的第二源需要，该载波同步对于小小区基站的经济大容量部署十分 重要。
[0025] 本文所描述的方法在通信网络的节点之间实现载波同步，不需要在通信网络之外 的任何额外源（诸如GPS信号或者以太网连接性）。相反，它利用接收到的RF信号的特性 并且完成高准确度的同步，高准确度的同步在一些实施例中可以用于训练在接收器端中的 晶体振荡器（XO)并且维护准确的定时信息。该新方法使微小区能够成为其连接的后续有 线或者无线网络的时钟和定时参考的主源。
[0026] 本文所提出的载波同步方法的实施例至少包括：（i)粗略宽范围的同步方法以及 (ii)精确的窄范围同步方法。粗略宽范围的同步方法实现约百万分之〇. 1 (或者IOOppb) 的准确度，无任何基本范围限制。精确的窄范围同步技术实现优于十亿分之1(< Ippb)的 频率锁定并且同时实现解调基带信号的相位校准。
[0027] 宽范围同步技术的实施例利用正交调制信号的随机性质。正交调制信号一般具有 随机的瞬时振幅和相位。然而，如果试图将在BB中的调制信号的随机瞬时相位的性质用作 同步参考，则会发现其累积长期平均值不一定收敛到累积零旋转。此外，基带星座越忙，其 累积相位旋转越趋向于随机。这种现象部分是因为：当瞬时样本的振幅更小时，它可以比当 样本振幅更大时在给定的样本间隔内产生更激烈的相位变化。一个极端的示例将是：当信 号在一个样本期间内穿过在I-Q平面图上的原点从而产生180度的相移。另一方面，当信 号接近其最大振幅时，其在样本之间能够产生的增量角变化是最小的，因为它离原点最远。
[0028] 本文所描述的同步技术利用当振幅大时其相位旋转趋向于受限的事实，因此，其 使观察到由传输频率与在接收器中的解调频率之间的失配所导致的超相旋转更容易。
[0029] 为了图示该现象，示出了若干模拟结果。参照图1，示出了具有随机生成的I和Q 数据的64-QAM基带信号的图表。该图表在从载波频率降频转换之后追踪基带信号相位的 信号相位和振幅。参照图2,示出了随时间202而变化的累积相位旋转，以及如图可见，当 将所有样本纳入考虑时，整体累积旋转似乎没有随时间收敛至零。相反，它趋向于随时间的 流逝而摆动。然而，当仅考虑更高的振幅信号（在该示例中的80%)时，累积相位在不存 在频率偏移误差的情况下保持十分接近零旋转。由此，当仅考虑到在一定阈值之上的样本 (在该示例中的80%或者更高）时，如图2的图表204所示，摆动效应似乎大幅度减少。为 了进行公平的比较，采取更长的时间周期进行80%的模拟，以便捕获用于计算累积角旋转 的相同数量的样本。尽管两种情况均得自相同数量的样本，但是，当仅考虑更大的振幅时， 该模拟显示累积相位大幅度减少。具有80%阈值以上的模拟结果显示在1千万总样本中累 积角旋转不超过π/2弧度。其他阈值也可以用于各个实施例。
[0030] 图3示出了可以如何实现整个系统从而通过使用上面所描述的方法实现载波同 步的一个示例。在图3中示出了样本开环系统的简化框图。在该实施例中，在每次迭代之 后，将基于平均s Φα)更新偏移值。对偏移值进行数字更新的速度有效地决定了其收敛 至最终值有多快。在各个实施例中，更新速度可以随着迭代的进行而在软件中更改。例如， 开始时，系统可以更新得更快，然后随着迭代的进行以及偏移值朝最终值收敛而逐渐放慢 更新速率。该可变更新速度缩短了整个收敛时间。一种更新方法可以是具有更高阶转移函 数的累加器，相当于在闭环系统中具有更高阶环路滤波器。
[0031] 图4描绘了闭环系统。闭环系统调整VCX0,如信号路径402所示，以便通过使用上 面所描述的方法与接收到的RF载波同步。阈值因子，α，可以用于确定将考虑多少更大的 振幅信号。在本文所示出的模拟中，使用阈值α =0.8,这指仅考虑具有峰值的80%或者 更大的样本进行相位比较。
[0032] 参照图5,此处描述了根据一个实施例的方法500。该方法包括：通过混合接收到 的调制载波信号与具有LO频率的本地振荡器（LO)信号在502处生成基带信息信号；在504 处获取具有基带信号幅度和基带信号相位的基带信息信号的基带信号样本；在506处确定 与具有大于阈值的基带信号幅度的基带信号样本相关联的累积相位测量；以及，在508处 基于累积相位将校正信号应用于补偿LO频率的LO频率偏移。
[0033] LO信号一般包括同相载波信号和正交载波信号，以及基带信号样本通过同相信道 样本和正交信道样本确定。该LO结构是已知的，并且可以包括晶体振荡器和信号分配器， 其中，其中一个信号分支包括90度相位偏移以生成正交载波分量。确定累积相位测量可以 包括：累加多个差分相位，其中，多个差分相位中的每一个差分相位均为在初始信号点与结 束信号点之间的相位差，该初始信号点和结束信号点中的每一个均具有大于阈值α的幅 度。在替代实施例中，针对振幅大于阈值的IQ点，可以分别计算在连续IQ点之间的相位差。 在一些实施例中，每隔（i)预定时间间隔或者（ii)预定数量的样本便确定累积相位测量。 时间间隔或者样本数量可以用于确定平均相位偏移/间隔或者相位偏移/时间。
[0034] 应用校正信号的方法在一个实施例中包括：调整LO控制信号。LO控制信号可以 是基于低通滤波版本的累积相位的调谐电压。在替代实施例中，应用校正信号的方法包括： 将复合旋转应用于基带信号样本。一些实施例的方法可以进一步包括：在应用校正信号之 后重新确定累积相位测量。进一步的实施例可以包括：反复地确定累积相位测量并且作为 响应调整校正信号。还可