专利名称：用于单频同播移动无线电通信网络的同步方法的改进的制作方法
技术领域：
本发明涉及单频同播(同时广播)网络中的模拟和数字移动无线 电通信领域，并且特别涉及同播网络的无线电中继站的频率同步方面。
背景技术：
目前同播网络被广泛应用，特别是用于专业移动无线电通信系统 的基础结构配置，这是由于与其体系结构需要大量可用的无线电信道 的蜂窝系统相比，它们在不需要增加无线电频率的情况下提供扩展的 地域无线电覆盖范围、高质量的连接以及增值服务的应用。
专业移动无线电通信系统提供通信服务(例如电话、数据传输 和无线电定位)给封闭的用户团体，并且满足公共或者私人组织的通 信需求，该公共或者私人组织的结构需要在控制中心和分布在地域内 的单元之间的连接。
几年后，对用于专业目的(例如来自公共安全部队、公用事业 操作者、运输公司或者单纯的企业)的无线电通信应用的公共或私人 接入无线电通信网络的需求有很大增长，上述公共安全部队、公用事 业操作者、运输公司或者单纯的企业拥有车队，并需要管理在本地、 地区或者全国范围内在移动基础上进行操作的大量雇员。
同播网络为这些需求提供了简单且综合的回应，其非常适合于将 被覆盖的地域的任何减轻配置。
图1中示范性地示出了同播网络，它包括主站，其通过第一信道 (以频率fl)连接到多个卫星中继站或者从站(或者连接到可能具有 多个阶层的多个第二主站，其连接众多远程中继站)，该从站在相应 的覆盖区域内通过第二公共无线电信道(以频率f2)同时传送相同的 信号(并且从用户终端接收信号)。
每个中继站覆盖网络的全部覆盖区域的一部分。各中继站的覆盖 区域可以重叠，因此创建了下述区域，在该区域中移动收发机终端从
两个或更多的站同时接收具有可比功率的信号。
为了保证正确的操作和良好的性能，同播网络需要精确的频率同步。这是因为，在不精确同步的同播网络中，从两个或更多中继站以
可比功率水平接收信号的移动终端遭受信号质量的劣化对于模拟信 号，信噪比会变差，而对于数字信号，所接收到的比特中的错误会增 加，这会使得误码率(BER)变差。
通过在每个站(准同步网络)使用高稳定性的振荡器，也不可能 在中继站之间达到精确的同步，优选的解决方案是通过专用信道(以 UHF范围内的频率)广播同步音调给各个振荡器。
例如，美国专利5059926通过使用计数器和在网络的主站和从站 之间周期性地进行交换的一套专用信令解决了频率同步的问题，通过 这样的方法，从站的振荡器与主站的振荡器同步。
但是，这个方法是效率低的，因为它的缺点是需要一套专用信号 以达到同步所有振荡器的目的。这通过减少有用信号的可用带宽增加 了对使用无线电连接的资源需求，并且当网络由于用户产生的传输流 量而繁忙时，将使得它不可能执行同步。
名为Prod-El的专利IT 1248029描述了创新的同步方法，^使用由 中继站重新发送给收发机终端的有用信号的幅度或角度调制栽波的频 率，从而使得携带用户流量的信号被直接使用而不需要附加的信令。
这使得整个可用带宽能够以更有效的方式用于传送有用信息，从 而增加了传输速度或者提供了新的增值服务。
发明内容
本发明的目的是提供对用载波同步操作的同播网络的进一步改 进，以使整个网络的频率同步非常快，这是模拟信号处理的有益特点， 也是数字信号处理所必不可少的。
根据本发明，通过具有权利要求1中所要求的特征的设备和具有 权利要求10中所要求的特征的方法来实现该目的，
本发明还提出了如所要求保护的中继站和单频同播无线电通信网络。
简单地说，本发明提供了同步方法，其适用于同播网络，该同播 网络具有经由无线电链路连接到主站的中继站，并且基于对来自于主 站所发送的信号的同步参考的精确恢复来采用模拟或者数字类型的相 位或者频率调制进行操作。这是通过给中继站配备笫一同步控制回路和第二同步控制回路而实现的，所述第 一同步控制回路被适配成提供 用于中继站的本地振荡器的控制信号，所述第二同步控制回路被适配 成供应信号以在到用户终端的信号传输阶段，直接补偿本地振荡器和 主振荡器之间的同步残差。
通过参考附图，本发明的进一步特征和优点将会在下面的本发明 的一个实施例的详细描述中完全公开，其以非限制性示例的方式提供，
在附图中
图l是单频同播无线电通信网络的示意性图示； 图2是根据本发明的釆用从载波同步恢复的、图1网络的中继站 电路体系结构的示意性图示；
图3是根据本发明的同步恢复设备的电路图4是用于估计模拟信号的频率偏移的电路模块图5是用于估计数字信号的频率偏移的电路模块图6是"慢"同步控制的电路模块图7是"快"同步控制的电路模块图；以及
图8是由中继站广播的无线电载波上的频率偏移效果的图示。
具体实施例方式
图1示出了传统的单频同播无线电通信网络N的结构，其包括主 站M和多个从中继站S，该从中继站S直接连接到主站(如图所示)或
者对于具有更大地域覆盖范围的更复杂网络而言，通过转播站的进一 步层级连接到主站。每个中继站S具有无线电覆盖区域A，在该区域内 用户的移动无线电终端T可以被定位。
主站M能够通过第一信道以笫一频率f,发送信号给从中继站S，从 站通过第二信道以第二频率f2在相应的覆盖区域A内同时转播相同的 信号，其是整个网络所共用的。
主站包括自发的参考频率，从站通过使用频率fl的载波基准从主 站恢复同步。该同步方法对于任意的模拟或者数字调制都是有效的， 这些调制可以是相位或者频率类型。
特别地，考虑网络的操作，调制的类型对于模拟信号而言是频率调制(FM)，而对于数字信号而言是4级频率调制(4-FSK，频移键控)。
为了方便，数字调制的所选类型是具有每秒6000码元(symbol) 的传输速度的4-FSK调制，因为用于分组传输的多级(4级)连续相位 调制(CPM)的特性能够提供恒定包络信号并且优化可用带宽的使用。
图2示出了从中继站S的电路体系结构的部分，其涉及根据从主 站M接收到的信号恢复同步的方面。
该站包括无线电频率接收器设备10,其被适配成解调从主站M接 收的模拟或者数字信号，通过相应的电压控制振荡器(VCO) 12,无线 电频率接收器设备IO被调谐到与主站无线电连接的标称频率(f\)。
接收器设备IO耦合到1/Q调制器设备14，其通过相应的电压控制 振荡器(VC0)16被调谐到与用户终端T无线电连接的标称频率(f2)， 并且该1/Q调制器设备14被适配成调制将被传输到上述终端的信号。 如果所接收和解调的信号是模拟的，则调制器14在频率G处执行FM 调制。如果所接收和解调的信号是数字的，则调制器14在频率"附近 执行4-FSK调制，在对码元进行解码后重构数字信号的波形。
用于恢复同步参考信号的电路布置18被设计成通过接收器IO接 收由主站M发送的模拟或者数字信号，并且被适配成发送第一信号和 第二信号，该第一信号用于调节中继站的本地振荡器20，该第二信号 用于调节提供给调制器14的同步。
接着，本地振荡器20耦合到电压控制振荡器12，以同步接收器 10 (接收支路)，并耦合到电压控制振荡器16以同步调制器14 (发射 支路)。
在图3中详细地示出了同步恢复布置18,其包括第一模块30， 其用于估计接收到的模拟信号和接收器的同步振荡器12之间的频率偏 移；和第二模块32，其用于估计接收到的数字信号和接收器的同步振 荡器12之间的频率偏移，这些模块并联连接。
模块30和32的每一个的输出耦合到"慢"同步控制40的电路模 块和"快"同步控制42的电路模块，它们分别被适配成向本地振荡器 20发送所述笫一控制信号并且向调制器14发送所述第二快(残差)控 制信号。
参考图4和5，它们示出了频率偏移估计模块的电路体系结构的细节。用于模拟信号的频率偏移估计模块30 (图4)包括模拟信号检测 器电路50和其下游的低通滤波器52。
用于数字信号的频率偏移估计模块32 (图5)包括数字信号检测 器电路60和其下游的下转换器电路62，该下转换器电路62用于将信 号转换为所接收到的每个分组的码元(symbol)，该电路通过定时恢 复(timing recovery )电路64加以控制。连接到下转换器62的下游 的加法器电路被适配成在非反相(noninverting)输入端接收从每个 分组接收到的码元，并且被适配成在反相(inverting)输入端接收相 同分组的期望的码元，后者码元通过码元再生电路66以下述方式产生， 该方式为确定码元之间的差异。最后，加法器电路的输出端连接到用 于确定码元的平均值的电路68的输入端，该电路被适配成提供相应的 频率偏移估计信号。
参考图6和7，它们示出了同步控制模块的电路体系结构的细节。 "慢"同步控制电路模块40包括切换设备70以及在该设备的下 游串联连接的用于反馈控制电路的环路滤波器72和输出D/A转换器 74，所述切换设备70用于在第一和第二输入信道之间进行切换，这些 信道分别承载模拟和数字信号的频率偏移估计信号。
"快"同步控制电路模块42包括切换设备80和下游的乘法器电 路，所述切换设备80用于在第一和笫二输入信道之间进行切换，这些
信道分别承载模拟和数字信号的频率偏移估计信号。其极点随着每个 时间单元接收到的分组的数量变化而变化的智能低通滤波器8 2被放置
在数字信号输入信道中。
在工作中，同步参考信号恢复布置18使用接收器设备10处呈现
的频率解调信号来恢复参考信号。
频率解调信号包括指示相对于主站的中继站的参考振荡器的频率
偏移程度的信息。根据所接收到的是模拟还是数字信号、通过由频率 偏移估计模块30和32以不同的方式执行的计算算法来估计该信息。
模块30基于所接收到的模拟信号来估计接收到的信号和由VC0 12 发送的信号之间的频率偏移。更准确地说，它在解调信号的连续分量 附近执行窄带滤波，并且所计算的值提供了用于估计频率偏移的必要
模块32基于所接收到的数字信号来估计接收到的信号和由VC0 12发送的信号之间的频率偏移。更准确地说，对于每个接收到的分组(包
括n个码元)，它确定所接收到值cV相对于期望值^的平均幅度。如 果码元^的分布具有零平均值，换句话说，如果^的期望值是0 (￡["j = o)，则用于模拟信号的相同方法可以应用于此处。但是如果 E["J不是O，从一个分组到下一个发生了变化，则必须使用不同的方法。 然后，通过找到每个分组内的接收到的码元cV和期望码元^之间的差 来计算该估计。频率的任何偏差改变所接收的码元的位置，该偏移的 平均值产生将被用于恢复偏移的信息。
为了详细描述频率偏移估计过程，我们将考虑下述调制信号，其
可以是
-模拟型的调制信号
w(0-万.sin(2.;r.厶./) 其中/"'是调制信号—0的瞬时频率；或者
-通用CPM型的调制信号
其中"^{±1'±3，±^-1}，其中A表示码元，w)表示码元的波形。
当信号w(/)是频率调制的时，瞬时载波频率能够表示成下述形式
<formula>formula see original document page 11</formula>
其中/。是带中心频率(band centre frequency)，而^是调制指数。
载波的相位(p净皮柳(O的积分(integral )加以调制。特别地，我们 可以写成
其中伊。是载波的初始相位，而^是调制指数。如果A表示载波的幅度，则调制信号可以写为
=爿cos[2;^/ + p(/)]
很显然，下述关系是是正确的
因此，按照同相和正交分量的该信号的表征为<formula>formula see original document page 12</formula>
其中，
<formula>formula see original document page 12</formula>
假设在中继站中，参考振荡器具有相对于主站的频率的频率误差， 接收支路的VC0 12将在接收器10中采用频率载波义+仏创建信号《)
的解调，从而会有A,。的频率不精确度。
这会产生受误差影响的信号，该误差以如下方式与所接收的信号 结合
v<formula>formula see original document page 12</formula>在接收器10中的鉴频器的输出端，该残余振动被转换为恒量，其
移动了调制信号—0的连续分量。
应该注意的是，可替换地，鉴频器可以被构造成模拟滤波器的形 式，或者可以通过数字地处理信号的同相分量(I)和正交分量(Q)加 以构造。
如果接收系统是理想的，该连续分量将不会产生问题，但是因为
滤波器具有有限的工作频带，所以任何偏移A乂 (参见图8)将在所接 收的信号中产生失真，并且在由中继器转播的无线电栽波中产生频率 偏移。
如上面所述，由模块30或32产生的频率偏移估计被发送到同步 控制模块40和42的输入端。
"慢，，和"快"同步控制模块40和42被布置以并行执行相应的 计算算法，以生成用于本地振荡器20和用于调制器14的相应的控制 信号。频率偏移估计被"慢"控制模块40使用以修正中继站的内部本地 振荡器20的调谐电压，从而补偿由于石英老化和温度变化导致的参考 频率变化，并保持中频(IF)信号关于存在于接收器中的石英滤波器 (quartz filter)位于中心。本地振荡器20的控制因此基本上是反 馈型的，并使得振荡器以主站的参考振荡器的频率振荡。
本地振荡器20的频率然后被接收支路的VCO 12使用以确定接收 器设备10的解调器的接收频率，也被发射支路的VCO 16使用以确定 1/Q调制器的发射频率。
频率偏移估计被"快"控制模块42使用以计算频率补偿值，当"慢" 控制算法没有达到收敛时，该补偿值被I/Q调制器用来校正其错误的 工作频率。
对于模拟信号，频率偏移估计被因子,"缩放，以允许两个VC0 12 和16的不同频率。对于数字信号，频率偏移估计对接收的第一分组表 现为步进变化(stepped variation )，而对于连续传输来i兌，它通过
低通滤波器82对多个分组取平均值，并且被因子/2"缩放以允许两个
VC0 12和16的不同频率。
调制器14的控制因此基本上是前馈(feedforward)型的。 自然地，保持本发明的原理相同，在不背离由所附权利要求定义
的本发明的保护范围的情况下，相对于仅通过非限制性实例给出的那
些描述和说明，实施例的形式和构造的细节可以被广泛地改变。
权利要求
1.电路装置，其用于使单频同播无线电通信网络(N)的中继站(S)和用户终端(T)之间的通信信号相对于由与所述中继站(S)通信的网络(N)的中心站(M)发送的通用频率参考信号同步，所述同步装置包括振荡电路(20)，该振荡电路(20)被适配为产生本地频率参考信号，该本地频率参考信号用于将所述站(S)的接收器装置(10)调谐到第一工作频率(f1)以用于发射从中心站(M)接收的信号，以及用于将所述站(S)的发射器装置(14)调谐到第二工作频率(f2)以用于发射信号给所述用户终端(T)，该同步装置的特征在于其包括-装置(30、32)，用于确定从所述中心站(M)接收的所述通用频率参考信号和所述本地频率参考信号之间的频率偏移；-第一频率控制装置(40)，其在第一反馈控制回路配置中用于将所述本地振荡电路(20)调谐到所述通用参考信号的频率，并被布置成基于所述确定的频率偏移改变其振荡频率；以及-第二频率控制装置(42)，其在第二直接控制回路配置中被布置成给所述发射器装置(14)提供信号，以用于补偿在所述本地振荡电路(16)的振荡频率和所述通用参考信号频率之间的同步中的残差，其中相对于所述振荡频率来调谐所述发射器装置(14)。
2. 根据权利要求1所述的装置，其中所述通用频率参考信号是所 述中心站(M)和所述中继站(S)之间的角调制模拟通信信号的载波。
3. 根据权利要求1所述的装置，其中所述通用频率参考信号是所 述中心站(M)和所述中继站(S)之间的角调制数字通信信号的载波。
4. 根据权利要求2和3所述的装置，包括用于确定模拟通信信号 的频率偏移的笫一模块(30)和用于确定数字通信信号的频率偏移的 笫二模块(32),这些模块被适配成在它们的输入端接收相应的解调 通信信号。
5. 根据权利要求4所述的装置，其中用于确定模拟通信信号的频 率偏移的所述模块(30)包括低通滤波器(52)，其用于在解调信号 的连续分量附近进行窄带滤波。
6. 根据权利要求4或5所述的装置，其中用于确定数字通信信号 的频率偏移的所述模块(32)包括-用于对接收到的每个分组将数字信号转换为码元的装置(62); -用于比较每个分组的接收到的码元(<)序列与相同分组的对应的期望码元(&)序列的装置；以及-用于确定所述序列的码元的平均偏移的装置(68)。
7. 根据权利要求5或6所述的装置，其中所述第一频率控制装置 (40)包括-用于在第一模拟输入信道和第二数字输入信道之间进行切换的 装置(70)，这些信道分别承载模拟和数字通信信号的频率偏移估计 信号；-在所述切换装置(70)的下游的环路滤波器(72);以及 -与所述滤波器(72 )串联的D/A转换装置(74 )。
8. 根据权利要求5或6所述的装置，其中所述第二频率控制装置 (42)包括-用于在笫一模拟输入信道和第二数字输入信道之间进行切换的 装置(80)，这些信道分别承载模拟和数字通信信号的频率偏移估计 信号；-在这些切换装置(80)的下游的乘法器电路，用于根据所述第一 (/)和第二(/2)发射工作频率之间的比缩放所述估计的偏移。
9. 根据权利要求8所述的装置，其中所述数字输入信道包括低通 滤波器(82)。
10. 用于使单频同播无线电通信网络(N)的中继站(S)和用户终 端(T)之间的通信信号相对于通用频率参考信号同步的方法，该通用 频率参考信号由与所述中继站(S)通信的网络(N)的中心站(M)发 送，所述同步装置包括用于产生本地频率参考信号的振荡电路(20)， 该本地频率参考信号用于将所述站(S)的接收器装置(10)调谐到第一 工作频率(/)以用于发射从中心站(M)接收的信号，以及用于将所述站(S)的发射器装置(l4)调谐到第二工作频率(/2)以用于发射信号 给所述用户终端(T)，其特征在于它包括以下操作-确定从所述中心站(M)接收的所述通用频率参考信号和所述本 地频率参考信号之间的频率偏移；-在第一反馈控制回路配置中，基于所述确定的频率偏移改变所述本地振荡电路(20)的振荡频率以将该电路调谐到所述通用参考信 号的频率；以及-在第二直接控制回路配置中，给所述发射器装置(14)提供信 号，以用于补偿在所述本地振荡电路(16)的振荡频率和所述通用参 考信号频率之间的同步中的残差，其中相对于所述振荡频率来调谐这 些装置。
11. 根据权利要求IO所述的方法，其中所述通用频率参考信号是 所述中心站(M)和所述中继站(S)之间的角调制模拟通信信号的载 波。
12. 根据权利要求IO所述的方法，其中所述通用频率参考信号是 所述中心站(M)和所述中继站(S)之间的角调制数字通信信号的栽 波。
13. 根据权利要求10-12中任一项所述的方法，其中模拟通信信 号的频率偏移的确定包括在解调信号的连续分量附近进行窄带低通滤 波。
14. 根据权利要求10-12中任一项所述的方法，其中数字通信信 号的频率偏移的确定包括-对接收的每个分组，将数字信号转换为码元；-比较每个分组的接收到的码元(<)序列与相同分组的对应的期望码元(& )序列；以及—确定序列的码元的平均偏移。
15. 根据权利要求10-14中任一项所述的方法，其中将所述本地 振荡电路(20)的振荡频率调谐到所述通用参考信号的频率包括-从模拟通信信号的第一输入信道和数字通信信号的第二输入信 道中，利用所述通信信号选择承栽频率偏移估计信号的输入信道； -对所述通用参考信号进行频率锁定；以及 -对所述锁定的通用参考信号进行数字/模拟转换。
16. 根据权利要求10-15中任一项所述的方法，其中对所述本地 振荡电路(20)的振荡频率和通用参考信号的频率之间的残余同步差 的补偿包括-从模拟通信信号的第一输入信道和数字通信信号的第二输入信 道中，利用所述通信信号选择承载频率偏移估计信号的输入信道；以及-根据所述第一(乂)和第二(/2)发射工作频率之间的比缩放所述 估计的偏移。
17. 单频同播无线电通信网络(N)的中继站(S)，其包括根据 权利要求1-9所述的电路装置，该电路装置用于使与用户终端(T)的 通信信号相对于由网络的中心站(M)发送的通用频率参考信号同步。
18. 单频同播无线电通信网络(N),包括多个根据权利要求17 所述的中继站(S)。
全文摘要
描述的是用于使单频同播无线电通信网络(N)的中继站(S)和用户终端(T)之间的通信信号相对于由与所述中继站(S)通信的网络(N)的中心站(M)发送的通用参考信号同步的电路布置和方法。确定从所述中心站(M)接收的通用参考频率信号和中继站(S)的本地参考频率信号之间的频率偏移，并且在中继站(S)中提供了用于基于所述确定的频率偏移提供用于控制中继站(S)的本地振荡器的信号的第一反馈控制回路，和用于提供用于补偿本地振荡器(16)的残余同步差的信号的第二直接控制回路，站(S)的发射器设备被调谐到该本地振荡器。
文档编号H04L7/00GK101682499SQ200880015674
公开日2010年3月24日 申请日期2008年3月12日 优先权日2007年3月15日
发明者F·雷西多里 申请人:塞雷克斯通信股份有限公司