数字资料辅助频率偏移估计的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种频率偏移估计方法，应用于通过一无线传播信道接收的一输入信号，该方法包含根据至少一相位估计一频率偏移，该至少一相位是根据该输入信号产生，其中与一传输信号的特性相关的一权重是施于该至少一相位。本发明所提供的数字资料辅助频率偏移估计方法具有较现有技术良好的效能及正确性，亦提供能在复杂性和正确性之间取舍的折衷方案。本发明的频率偏移估计技术可应用在反馈校正，亦可应用在前馈校正。
【专利说明】数字资料辅助频率偏移估计
【技术领域】
[0001]本发明与无线通讯装置相关，尤其与利用资料辅助(data-aided)方案估计接收器中的频率偏移(frequency offset)错误的技术相关。
【背景技术】
[0002]若希望移动通讯系统顺利运作，其中的发射器和接收器的时间及频率必须被正确锁定。就接收器而言，此目标可借由控制本地振荡器的频率达成；该频率是用以将天线接收的信号自射频降频转换至基频。
[0003]实务上，无线接收器收到的信号通常存在频率偏移，其导因可能是发射器的频率漂移、空气介面中的瞬间多普勒频率偏移(原因为移动装置及基站间的距离改变)，或是降频转换的频率错误。频率偏移会造成载波间干扰，且不利于其他参数(例如信道增益)的估计程序。因此，准确的频率偏移补偿有助于提升无线接收器的表现。
[0004]在接收器的信号处理链中，频率偏移的估计通常是在数字信号处理阶段进行。频率偏移的估计结果随后通过反馈回路被用以控制本地振荡器产生的参考频率，此过程亦称为反馈校正。在发射器频率非常稳定且无多普勒偏移的情况下，这种做法相当有效。在传统蜂窝式通讯系统中，由于用户装置本身具有移动性，为了避免效能下降，频率偏移校正必须尽快进行。
[0005]在某些情况下，除了上述反馈校正之外，接收器的数字信号处理阶段亦可能包含频率偏移的校正，也就是在估计频率偏移残留量后立即对目前收到的信号施以相位校正(称为前馈校正)，以移除频率偏移残留量。估计频率偏移残留量可采用资料辅助(data-aided)方案,亦即借由传输已知的资料区块或训练序列(training sequence),并根据这些资料区块于接收器端的相位旋转量来估计载波频率偏移。
[0006]本发明提出的数字资料辅助频率偏移估计技术可提高正确性、降低复杂性，进而增进接收器效能。
【发明内容】
[0007]根据本发明的实施例提供的频率偏移估计方法是以输入样本及与训练样本相关的已知信息做为估计频率偏移的根据。
[0008]一组样本首先借由对输入样本与一参考信号的共轭复数施以元素乘法而产生，该参考信号与训练样本有关。当噪声能量对该组样本而言并非常数，有可能以噪声能量的倒数预先缩放输入样本。随后，反旋转后样本被分组为多个区块，每一样本区块被累积起来。接着，针对多种延迟，所述累积样本的一组相关值被计算出来。
[0009]于根据本发明的一实施例中，与所述相关值(对应于不同的延迟)有关的多个相位被计算，并且该多个相位的一加权总和被据以产生频率偏移。用于加权总和的所述权重与该组传输样本有关。
[0010]于另一实施例中，不同的相关值被加总，而单一相位根据该累积后相关值被产生。一加权因数被施于此相位，以产生频率偏移，其中该加权因数亦相关于该组传输样本。
[0011]于一实施例中,所述权重是根据不同相关值的大小决定。于另一实施例中，一第二组反旋转后样本系独立于输入信号之外产生。根据输入样本产生的该第一组反旋转后样本被用以决定所述相位，而该第二组反旋转后样本被用以计算施于相位的权重。或者，该组样本可以是这些传输样本的能量。
[0012]于另一实施例中，所述权重系借由产生一第二组反旋转后样本被预先计算。除了利用根据输入样本产生的传播信道估计之外，该第二组反旋转后样本系与输入样本无关。此另一第二组样本可为考量传播信道估计的传输样本的能量。
[0013]反旋转后样本系借由将输入信号乘上一参考信号的共轭复数而产生。该参考信号与该传输信号有关。于一实施例中，正常的传输符号被用做该参考信号。于另一实施例中，是根据输入信号估计传播信道，并且该传播信道是应用于已知传输符号，以产生该参考信号。可根据传播信道的特性(例如信道的频率选择性)在两种参考信号实施例中动态选择。
[0014]于另一实施例中，若预期频率偏移范围的中间点不是零，等于该偏移后中间点的一频率偏移可被据以产生该参考信号。
[0015]区块大小可根据信号噪声比被调整，以令频率偏移估计方法的实现复杂度能配合传播链结特性，同时达到期望的估计正确性并限制运算负担以减少能量消耗。于另一实施例中，区块大小可根据期望的偏移范围被调整，举例而言，借由参考相关性的质心(较小的质心对应于较大的捕捉范围)。
[0016]本发明提供的频率估计方法能在多种信号噪声比状况中达到良好的估计正确性，且其复杂性通常低于现有技术。本发明提供的频率估计方法系结合输入样本及已知的发射器信号特性。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的【具体实施方式】作详细说明，其中:
[0018]图1为采用反馈校正模式的接收器的简易方块图。
[0019]图2为采用前馈校正模式的接收器的简易方块图。
[0020]图3为根据本发明的一实施例中的频率偏移估计方法的流程图。
[0021]图4为根据本发明的另一实施例中的频率偏移估计方法的流程图。
[0022]图5呈现将样本分组为四个区块的实施范例。
[0023]图中元件符号说明:
[0024]110、210:射频信号处理阶段
[0025]120,220:混合信号处理阶段
[0026]130,230:数字信号处理阶段
[0027]112、212:混频器
[0028]113、213:本地振荡器
[0029]114、214:低通滤波器
[0030]122,222:模拟至数字转换器[0031]123、223:取样单元
[0032]124、224:低通滤波器
[0033]132、232:频率偏移估计单元
[0034]133,234:解调器
[0035]233:频率偏移校正单元
[0036]140:滤波器
[0037]310 ~390、410、510 ~570:处理阶段【具体实施方式】
[0038]本发明所提供的数字资料辅助频率偏移估计技术具有优于现有技术的正确性，亦提供能在复杂性和正确性之间取舍的折衷方案。本发明的频率偏移估计技术可应用在反馈校正，亦可应用在前馈校正。
[0039]图1为采用反馈校正模式的接收器的简化后架构方块图，用以说明如何同步此类接收器与发射器的频率。须说明的是，图1中的各个区块代表施于该接收器的输入信号的处理程序，不必然直接对应于接收器中的实体单元。
[0040]在射频信号处理阶段110中，第一步由混频器112将输入信号降频至基频。用以驱动混频器112的参考频率系由本地振荡器113产生。随后，该降频后信号通过低通滤波器114并进入混合信号处理阶段120。
[0041]在混合信号处理阶段120中，信号依序通过模拟至数字转换器(ADC) 122、取样单元123和低通滤波器124。此阶段产生的数字信号随后进入数字信号处理阶段130，被暂存并接受预处理。`
[0042]数字信号处理阶段130包含频率偏移估计单元132和解调器133。解调器133会针对自发射器送来的信息比特产生估计值。频率偏移的估计值被传送至滤波器140过滤，以增进其正确性，并且随后被用以控制本地振荡器113产生的参考频率。
[0043]图2为采用前馈校正模式的接收器的简化后架构方块图，用以说明如何同步此类接收器与发射器的频率。同样地，图2中的各个区块代表施于该接收器的输入信号的处理程序，不必然直接对应于接收器中的实体单元。
[0044]射频信号处理阶段210与混合信号处理阶段220与图1中的同名阶段相似，而数字信号处理阶段230中增加了一个处理程序。混合信号处理阶段220产生的数字信号首先进入频率偏移估计单元232。在频率偏移估计值产生后，频率偏移校正单元233对信号施以数字校正。移除频率偏移后的信号接着被传送至解调器234。
[0045]图1及图2中的接收器都必须估计其输入信号的频率偏移，再利用前馈机制或反馈机制进行校正。于根据本发明的实施例，发射器发送的已知的训练样本(trainingsample) X和接收器接收的输入样本y被用做估计频率偏移的依据。训练样本X、输入样本y和频率偏移估计值的关系式如下:
[0046]y = d iag{ei ^.2π^τJHx + ? = FHx + n(式一)，
[0047]其中f为待估计的频率偏移量,其单位为赫兹；Ψ为一未知相位，其单位为弧度(radian) ;H为模拟传播信道的矩阵；向量η的大小为M*l，其中包含噪声样本；噪声样本的协方差矩阵(covariance matrix) |^被假设为对角矩阵(diagonal matrix) ;M为输入样本的数量，T代表样本周期,其单位为秒。向量a:b代表一内含区间向量(inclusive intervalvector):
【权利要求】
1.一种频率偏移估计方法，应用于透过一无线传播信道接收的一输入信号，包含: 根据至少一相位估计一频率偏移，该至少一相位是根据该输入信号产生，其中与一传输信号的特性相关的一权重是施于该至少一相位。
2.如权利要求1所述的频率偏移估计方法，其特征在于，该传输信号包含一已知训练序列，并且该传输信号的特性是根据该已知训练序列而导出。
3.如权利要求2所述的频率偏移估计方法，其特征在于，该权重是被预先计算出且与该输入信号相独立。
4.如权利要求1所述的频率偏移估计方法，其特征在于，该权重与该传输信号的能量相关。
5.如权利要求1所述的频率偏移估计方法，其特征在于，该传输信号的特性是根据一解调程序输出的一组估计传输样本而产生。
6.如权利要求5所述的频率偏移估计方法，其特征在于，一第二组样本系借由缩放并反旋转该输入信号而产生，且用于估计该频率偏移的该至少一相位是根据该第二组样本产生，该传输信号及该无线传播信道造成多个相位贡献，该反旋转被设计为相关于该多个相位贡献中的至少一相位贡献。
7.如权利要求6所述的频率偏移估计方法，其特征在于，用于估计该频率偏移的该至少一相位是根据多个相关性项次产生，该多个相关性项次是根据该第二组样本产生。
8.如权利要求7所述的 频率偏移估计方法，其特征在于，该至少一相位中的至少其一为该多个相关性项次的总和。
9.如权利要求6所述的频率偏移估计方法，进一步包含: 将该第二组样本中的多个邻近样本分组，以形成多个组别，形成该多个组别的方式使得该频率偏移估计由该至少一相位产出，且该至少一相位是利用该每一组别中的一数值而被计算得出。
10.如权利要求9所述的频率偏移估计方法，其特征在于，每一组别中的一样本数量被设计为配合估计出的该频率偏移的一最大值。
11.如权利要求9所述的频率偏移估计方法，其特征在于，每一组别中的一样本数量的设定是根据该输入信号的至少一性质。
12.—种频率偏移估计装置，应用于通过一无线传播信道接收的一输入信号，包含: 一射频信号处理阶段，用以处理通过一传播信道所接收的一输入信号； 一混合信号处理阶段，用以接收该射频信号处理阶段的输出；以及一数字信号处理阶段，用以接收该混合信号处理阶段的输出并且根据至少一相位，估计一频率偏移，该至少一相位是根据该输入信号产生，其中与一传输信号的特性相关的一权重是施于该至少一相位。
13.如权利要求12所述的频率偏移估计装置，其特征在于，该传输信号包含一已知训练序列，并且该传输信号的特性系根据该已知训练序列产生。
14.如权利要求13所述的频率偏移估计装置，其特征在于，该权重与该输入信号无关且被预先计算。
15.如权利要求12所述的频率偏移估计装置，其特征在于，该权重与该传输信号的能量相关。
16.如权利要求12所述的频率偏移估计装置，其特征在于，该传输信号的特性是根据一解调程序输出的一组估计训练样本而产生。
17.如权利要求16所述的频率偏移估计装置，其特征在于，该数字信号处理阶段进一步借由缩放并反旋转该输入信号而产生一第二组样本，用于估计该频率偏移的该至少一相位是根据该第二组样本产生，该传输信号及该无线传播信道造成多个相位贡献，该反旋转被设计为相关于该多个相位贡献中的至少一相位贡献。
18.如权利要求17所述的频率偏移估计装置，其特征在于，用于估计该频率偏移的该至少一相位系根据多个相关性项次产生，该多个相关性项次系根据该第二组样本产生。
19.如权利要求18所述的频率偏移估计装置，其特征在于，该至少一相位中的至少一相位为该多个相关性项次的总和。
20.如权利要求17所述的频率偏移估计装置，其特征在于，该数字信号处理阶段进一步将该第二组样本中的多个邻近样本分组，以形成多个组别，该多个组别中的每一组别被据以产生一数值，产生该至少一相位`是利用该多个数值。
【文档编号】H04L25/02GK103685089SQ201310306087
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年7月19日 优先权日:2012年9月12日
【发明者】克雷格·朋内, 马克·莫非, 西罗·瓦兰登 申请人:晨星半导体股份有限公司