CN101273552A - 估计多普勒最大频率和振荡器频率偏移的方法、程序及模块，包含该模块的接收机 - Google Patents

Abstract

一种估计多普勒最大频率f_d和/或本地振荡器频率偏移f₀的方法，该方法包含步骤：计算(在76)接收的无线电信号在整个频率范围上的功率密度谱，扫描(在80)所计算的功率密度谱以确定不一定以0Hz为中心的频率子范围[f_min；f_max]，子范围[f_min；f_max]上的信号功率等于整个频率范围上的信号功率的预定百分比，以及根据频率f_min和f_max来估计(在82)频率f_d和/或偏移f₀。

Description

估计多普勒最大频率和振荡器频率偏移的方法、程序及模块，包含该模块的接收机

技术领域

本发明涉及一种估计多普勒最大频率和/或振荡器频率偏移的方法、程序及模块，以及一种包含该模块的接收机。

背景技术

在无线电通信系统中，信息比特在发射机端调制，因而需要在接收机端将其解调。因此，无线电接收机总是具有RF(射频)解调模块。基本上，RF解调模块的功能包括从接收的无线电信号中移除载波频率以恢复基带信号。为执行此操作，RF解调模块的本地振荡器部分产生理论上应与载波频率一致的频调(frequency tone)。本地振荡器应以与载波频率相同的频率振荡。遗憾的是，由于若干原因(例如温度变化)该本地振荡器会产生漂移。因此，振荡器频率偏移f₀出现在载波频率和本地振荡器的振荡频率之间。此频率偏移引起接收机总体性能的显著恶化。

因此，现存的解决方法是估计偏移f₀，然后将其修正。

例如，为此目的，以UMTS(通用移动通讯系统)标准(参考“3GPPTechnical Specification，Rel.99，http://www.3gpp.org/specs/specs.html”)定义的UMTS无线电通信系统具有公共下行链路物理信道P-CPICH(主公共导频信道)和S-CPICH(次公共导频信道)。两个CPICH都是固定速率(30kbit/s)的下行链路物理信道，载有预定义的比特序列，也被表示为导频符号。因此，使用CPICH的相位辨别方法能被使用。首先，此已知方法估计两个连续导频符号之间的相位变化。然后，频率偏移由以下比率的期望而获得：

其中：

-

代表两个连续导频符号之间的相位变化，

-ΔT是符号速率的倒数，以及

-E(..)表示平均函数的期望

实际上，为了获得振荡器频率偏移的准确估计，前面描述的测量需要重复进行并且对大量导频符号求平均。因此，相位辨别方法是导频符号速率引发的长过程，并且需要一些时间以精确调节本地振荡器。

另一方面，由于无线电接收机的位移，接收的无线电信号的频率发生偏移。此为多普勒效应。因此，例如，功率密度谱中的基带信号功率的大百分比存在于频率子范围[-f_d；f_d]中，其中频率f_d是多普勒最大频率。子范围[-f_d；f_d]为多普勒带宽。

例如，频率f_d用于估计无线接收机速度。

从“Non parameteric Doppler Spread Estimation for Flat FadingChannels”，Kareem E.Baddour，Norman C.Beaulieu，IEEE 2003而知，可将f_d估计为针对子范围[-f_d；f_d]中的信号功率等于总信号功率的特定百分比的频率，由下述关系所表示：

$\frac{{\∫}_{{-f}_d}^{f_d}{P}_{\mathrm{yy}}\left(f\right)\mathrm{df}}{{\∫}_{-f_s/2}^{f_s/2}{P}_{\mathrm{yy}}\left(f\right)\mathrm{df}}>\mathrm{\Ψ}---\left(2\right)$

其中

-Ψ是属于]0，1[的任意恒定功率阈值

-f_s是采样频率，以及

-P_yy(f)是频率f的信号功率估计。

P_yy(f)是使用FFT(快速傅立叶变换)算法，对从导频信道上，如CPICH，接收的基带信号而计算的。

但是，基于FFT的f_d估计对于振荡器频率偏移而言完全不具有鲁棒性。

通常，频率f_d和偏移f₀是使用两种专用的功能单元独立估计的。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供一种f_d估计方法，该估计方法对于振荡器频率偏移而言更具鲁棒性。

考虑上述和其他目的，根据本发明提供了一种估计f_d的方法，包括如下步骤：

-计算接收的无线电信号在整个频率范围上的功率密度谱，

-扫描所计算的功率密度谱以确定频率子范围[f_min；f_max]，子范围[[f_min；f_max]上的信号功率等于整个频率范围上的信号功率的预定百分比，以及

-根据频率f_min和f_max来估计频率f_d，

其中，所述扫描步骤适于确定不一定以0Hz为中心的频率子范围[f_min；f_max]。

无论振荡器频率偏移f₀的值是多少，以上方法找到的[f_min；f_max]子范围宽度总等于2.f_d。因而，偏移f₀的值不影响根据频率f_min和f_max对f_d的估计。因此，以上方法对于振荡器偏移f₀而言具有鲁棒性。

以上f_d估计方法的实施例可包含一个或几个以下特征：

-所述方法还包括根据与用于估计频率f_d相同的频率f_min和f_max来估计无线接收机的本地振荡器的频率偏移f₀的步骤，所述本地振荡器用于从接收的无线电信号中移除载波频率，

-所述方法包括根据估计的频率f_d来计算无线接收机位移的速率估计的步骤。

以上f_d估计方法的实施例体现以下优势：

-功率密度谱计算步骤和功率密度谱扫描步骤对于f_d和f₀估计是共同的，因而可设计出针对f_d和f₀估计的真正的集成器件。

本发明的另一目的是提供更快的振荡器频率偏移估计方法。因此，本发明还提供了一种振荡器频率偏移方法，该方法包括步骤：

-计算接收的无线电信号在整个频率范围上的功率密度谱，

-扫描所计算的功率密度谱以确定频率子范围[f_min；f_max]，子范围[f_min；f_max]上的信号功率等于整个频率范围上的信号功率的预定百分比，以及

-根据频率f_min和f_max来估计偏移f₀，

其中，所述扫描步骤适于确定不一定以0Hz为中心的频率子范围[f_min；f_max]。

计算功率密度谱不要求对连续导频符号之间的相位变化的测量，因而此估计偏移f₀的方法更简单且更快。

以上f_d或f₀估计方法的实施例可包含一个或几个以下特征：

-在子范围[f_min；f_max]中搜索大于预定阈值的最大功率峰值的步骤，以及在找到最大功率峰值的情况下指示无线电信号的无线接收机和发射机之间存在径直瞄准线的步骤；

-对接收的信号进行滤波、求平均和下采样，之后根据滤波、求平均以及下采样后的信号来计算功率密度谱的步骤；以及

-根据只用于传输预定导频的导频信道来构建功率密度谱。

以上f_d或f₀估计方法的实施例体现以下优势：

-在子范围[f_min；f_max]中寻找最大功率峰值是探测径直瞄准线的简单方法，其可与估计f_d和f₀的方法完全集成，以及

-对接收的信号进行滤波和求平均显著地减小了噪声，这允许获得更精确的f_d和f₀估计。

本发明还涉及一种具有执行以上方法的指令的程序。

本发明还涉及一种估计由无线接收机位移引起的无线电信号的多普勒最大频率f_d的电子模块，所述模块包括：

计算单元，构建接收的无线电信号在整个频率范围上的功率密度谱，

扫描器，适于确定频率子范围[f_min；f_max]，子范围[f_min；f_max]上的信号功率等于整个频率范围上的信号功率的预定百分比，以及

估计器，根据频率f_min和f_max来估计频率f_d，

其中，所述扫描器适于确定不一定以0Hz为中心的频率子范围[f_min；f_max]。

以上电子模块的实施例可包含一个或几个以下特征：

-所述模块还包括根据由扫描器确定的频率f_min和f_max来估计无线接收机的本地振荡器的频率偏移f₀的估计器，所述本地振荡器用于从接收的无线电信号中移除载波频率。

本发明还涉及一种估计无线电信号的无线接收机的本地振荡器的频率偏移f₀的电子模块，所述本地振荡器用于从接收的无线电信号中移除载波频率，所述模块包括：

计算单元，构建接收的无线电信号在整个频率范围上的功率密度谱，

扫描器，适于确定不一定以0Hz为中心的频率子范围[f_min；f_max]，子范围[f_min；f_max]上的信号功率等于整个频率范围上的信号功率的预定百分比，以及

估计器，根据频率f_min和f_max来估计偏移f₀。

以上估计f_d或f₀的电子模块的实施例可包含一个或几个以下特征：

所述模块包括检测器，所述检测器在子范围[f_min；f_max]中检测大于预定阈值的最大功率峰值，而且所述检测器适于在检测到最大功率峰值的情况下指示无线电信号的无线接收机和发射机之间存在径直瞄准线。

本发明还涉及一种包括估计f_d或f₀的电子模块中至少一个的无线电接收机。

根据以下描述、附图和权利要求，本发明的这些和其他方面将会显而易见。

附图说明

图1是无线电信系统结构的示意图；

图2是估计f_d和f₀的方法的流程图；以及

图3至6是从图2的方法获得的功率密度谱示例的曲线图。

具体实施方式

图1示出UMTS无线电通信系统的部分。系统2包含至少一个如基站4的节点B以及一个如移动电话的无线电信用户设备6。在以下描述中，所属技术领域的技术人员已知的功能和结构不再详细描述。

节点B和用户设备6都包括无线发射机和无线接收机。为了简化，图1仅示出了用户设备6的无线接收机8。

接收机8具有射频解调模块10和基带处理器11。

模块10通过天线12接收由基站4传输的无线电信号。模块10还对接收的无线电信号进行解调，并且将不同的复用信道分离。获得多个信道信号。每个信道信号作为基带信号从模块10传输到处理器11。在UMTS无线电通信系统中，物理信道中的一个为CPICH(公共导频信道)，其通过例如物理链路13传输到处理器11。

模块10具有本地振荡器14，这个本地振荡器14产生理论上应与用于调制无线电信号的载波频率精确匹配的频调。振荡器14是可调谐的。

处理器11具有内部接收机16和与内部接收机16的输出相连的外部接收机18。

内部接收机16包括粗略地估计频率偏移f₀的粗略频率偏移估计器20。该粗略频率偏移的估计是根据通过CPICH接收的导频符号或从通过其他下行链路物理信道接收的数据而进行。估计器20是传统的，在此不再详细描述。

内部接收机16也包含信道估计滤波器22，该滤波器22的输入与链路13相连且输出与求平均和下采样模块24的输入相连。

滤波器22使用对由传送信道引起的所接收信号失真的估计。例如，滤波器22使用对基站4和用户设备6之间多路存在的所接收信号的结果的估计来移除噪音。

模块24，例如以因数10，对由滤波器22滤波的符号求平均和下采样。

模块24的输出与联合(joint)频率偏移和多普勒最大频率估计模块26的输入相连。模块26具有分别输出对f_d的估计和对f₀的精细估计的输出28和30。

输出28与速率计算器32的输入相连。速率计算器32根据f_d估计而计算无线电接收机速率或速度的估计。内部接收机16输出估计的速率v。

输出30与振荡器调谐器34的输入相连。调谐器34的另一输入与粗略估计器20相连以接收f₀的粗略估计。调谐器34被设计为根据f₀的粗略和/或精细估计来控制振荡器14。

模块26具有功率密度谱计算单元40和扫描器42。单元40的输入与模块24的输出相连以接收平均且下采样的符号。单元40能构建通过导频信道接收的导频信号的功率密度谱。

扫描器42适于确定不一定以0Hz为中心的频率子范围[f_min；f_max]，使得该子范围上的导频信号功率等于总导频信号功率的预定百分比。

扫描器42的输出与多普勒最大频率估计器46及精细频率偏移估计器48相连。估计器46从频率f_min和f_max估计f_d，并将估计值传递到输出28。

估计器48从频率f_min和f_max估计f₀，并输出估计值到输出30。

模块26具有瞄准线(line of sight)检测器50，瞄准线检测器50的输入与输出44相连。检测器50根据对子范围[f_min；f_max]之间的功率密度谱的分析来检测基站4和设备6之间的瞄准线的存在。

例如，把模块26植入适于执行记录在存储器中的指令的电子可编程计算器。例如，基带处理器11是可编程计算器并与存储器52相连，存储器52包括当由处理器11执行时执行图2的方法的指令。

将通过参考图2至6来描述接收机8的操作。

射频模块10解调及解复用接收的无线电信号，以输出基带信号到处理器11。处理器11处理基带信号。

最初，执行粗略振荡器频率调谐阶段60。

在阶段60期间，在步骤62，粗略估计器20使用传统方法粗略地估计f₀并输出f₀的粗略估计。

之后，在步骤64，调谐器34根据f₀的粗略估计调谐振荡器14的振荡器频率。

由于在阶段60期间只使用f₀的粗略估计，因此在阶段60结束时，振荡器14的振荡器频率可能仍不精确地等于待解调的无线电信号的载波频率。在下文中，把阶段60结束时载波频率和振荡器14的振荡频率之间存在的差异称为残留频率偏移。

然而，例如假设在UMTS电信系统的情况下，f₀的粗略估计足够好，使得残留频率偏移小于200Hz。

一旦粗略振荡器频率调谐阶段60结束，则执行f_d和f₀的联合估计阶段68。

在步骤70，滤波器22对通过CPICH接收的导频符号执行信道估计滤波。步骤70对采样频率f_s不产生影响。

随后，在步骤72，模块24对滤波后的导频符号求平均并以因数10下采样。下采样之后，每时隙(slot)仅发出一个求平均后的值，因此在此水平上采样频率f_s等于1.5kHz。实际上，下行链路导频信道CPICH上的符号速率根据UMTS标准是固定的，在内部接收机的输入处等于15kbs(千波特每秒)。其还与每时隙10个CPICH复杂符号相对应，应用在QPSK(正交相移键控)。在UMTS标准中，把信号分为帧，每帧具有15个时隙，每个时隙包括2560个码片(chip)。此外，UMTS标准要求用户设备支持250Km/h大小的速率，这导致最大多普勒频率f_d约为500Hz。考虑到奈奎斯特(Nyquist)准则，以f_s＝1.5kHz可观测的最大接收导频频率为750Hz。因此，可以理解在此示例中，当残留频率偏移已小于200Hz时(留下50Hz的富余)应用模块26的原因。

在步骤74，单元40计算由模块24输出的求平均且下采样的导频符号的功率密度谱。例如，单元40使用快速傅立叶变换(FFT)来构建功率密度谱。

图3示出功率密度谱的第一示例，当不存在残留频率偏移f₀时，该功率密度谱能够根据Jakes模型而期望。水平轴代表频率，垂直轴代表功率。

根据此模型，信号功率最主要的部分在子范围[-f_d；f_d]中，其中f_d为多普勒最大频率。

更精确的，根据Jakes模型，如果发散的无线电信号以相等概率来自每个方向，则功率密度谱近似为以下关系：

$P\left(f\right)=\frac{{\mathrm{\σ}}_s^2}{\mathrm{\π}\sqrt{f^2-f_d^2}}$ 对于|f|＜f_d以及

0    其他    (3)

其中：

-σ_s ²代表某区间中的信号功率，其在该区间中可被看作是固定的，以及

-f_d为多普勒最大频率。

在此，Jake模型用于表征接收的导频符号的功率谱密度。

Jake模型的更多讨论可在P.Dent，G.E.Bottomley，和T.Croft，“Jakes’Fading Model Revisited”，Electronics Letters，vol.29，no.13，pp.1162-1163(June 24，1993)中找到。

图4示出当存在残留频率偏移f₀时的功率密度谱的第二示例。可注意到，这时信号功率最主要的部分在子范围[-f_d；f₀+f_d]中。

图5示出如果用户设备6和基站4之间存在径直瞄准线时期望的功率密度谱的第三示例。如图5所示，径直瞄准线的存在导致频率范围[f₀-f_d；f₀+f_d]中出现功率峰值76，该功率峰值76大于频率f₀-f_d和f₀+f_d处的功率峰值。

实际上，如果存在径直瞄准线，意味着基站4和用户设备6之间存在径直路径。由于该路径是径直的，接收的信号衰减不大，因此，峰值76出现在功率密度谱中。

最后，图6示出能在步骤74计算的功率密度谱的第四示例。图6的功率密度谱只有一个窄的最大功率峰值78，峰值78集中了几乎所有信号功率。此情况会在用户设备速率非常低(f_d小)以及f₀高时发生。此情况还在速率不一定低以及基站4和用户设备6之间存在径直瞄准线时发生。在图6的具体情况下，由估计器20给出的粗略频率偏移估计f₀用于辨别高f₀和低f_d以及径直瞄准线的存在。

一旦功率密度谱已经计算，在步骤80中扫描器42扫描计算的功率密度谱，以查找针对子范围[f_min；f_max]上的信号功率等于总信道信号功率的预定百分比的频率f_min和f_max。例如，预定百分比是大于0.8的常数，优选地大于0.9。

例如，使用以下关系找到子范围[f_min；f_max]：

$\frac{{\∫}_{f_{\min }}^{f_{\max }}{P}_{\mathrm{yy}}\left(f\right)\mathrm{df}}{{\∫}_{-f_s/2}^{f_s/2}{P}_{\mathrm{yy}}\left(f\right)\mathrm{df}}>\mathrm{\Ψ}---\left(4\right)$

其中：

-P_yy(f)是频率f的离散快速傅立叶变换，频率f在范围[f_s/2；f_s/2]之中，以及

-f_s是采样频率。

例如，P_yy(f)能使用以下关系计算：

$P_{\mathrm{yy}}\left(f\right)=\frac{T}{N}{\left|\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}y\left(n\right)\exp (-j2\mathrm{\πfnT})\right|}^2---\left(5\right)$

其中：

-T是采样周期；

-y(n)是时间域中的离散信号；

-n是从0到N-1变化的整数。

随后，在步骤82，从频率f_min和f_max，估计器46和48分别估计f_d和f₀。

例如，估计器46根据以下关系估计偏移f₀：

$f_0=\frac{f_{\min }+f_{\max }}{2}---\left(6\right)$

例如，估计器48根据以下关系中的一个估计频率f_d：

f_d＝f_max-f₀    (7)

$f_d=\frac{f_{\max }-f_{\min }}{2}---\left(8\right)$

与步骤82并行地，在步骤88，检测器50使用在步骤74计算的功率密度谱来探测可能的径直瞄准线。

例如，检测器50在频率子范围[f_min；f_max]搜索大于任意阈值S1的功率峰值。如果找到此最大功率峰值，检测器50指示存在径直瞄准线并输出检测到的峰值的频率位置和功率。

在步骤90，如果检测到径直瞄准线，该信息可用于确定用户设备的位置。例如，最大功率峰值的频率位置可用于确定用户设备位移方向和接收信号的入射方向之间的角度。该峰值的功率例如可用于确定基站4和用户设备6之间的信号的传播时间。

在步骤92，计算器32根据频率f_d的估计来计算用户设备的速率v的估计。例如，在步骤92，计算器32使用以下关系：

$f_d=\frac{v}{c}\·f_c---\left(9\right)$

其中：

-v是无线接收机速率，

-c是光速，以及

-f_c是信道载波频率。

通过给出f_d的多普勒移动方程(9)，谱带宽与用户设备速率相关联。

随后，在步骤94，速率估计可用于调谐接收机8的元件，如在撒伯拉汗门亚(Subrahmanya)的申请US2004/0125771中所公开。

最后，在步骤96，调谐器34使用步骤82中建立的f₀的估计来精细调谐振荡器14的频率。

许多另外的实施方式是有可能的。例如，速率计算器32可被省略或在内部接收机16之外实现。由于检测器50可能的简化实现，滤波器22也可省略。

模块26也可用在基站4的接收机中，以及更普遍地用于任何无线电信号接收机中。

模块26能应用于使用专门用于传送导频符号的导频信道的任何无线电信系统中，以及用于传输具有针对信道估计的预定导频符号的信号的任何无线通信系统中。

如果仅对估计f_d或f₀或与径直瞄准线有关的信息感兴趣，则模块26中不必要的元件可省略。例如，在一个实施例中，如果唯一有价值的信息是f_d的估计，则估计器48和检测器50可以被省略。在另一实施例中，如果仅要获得与径直扫描线有关的信息，则省略估计器46和48。

Claims (13)

1.一种估计由无线接收机位移引起的接收的无线电信号的多普勒最大频率f_d的方法，所述方法包括步骤：

计算(在76)接收的无线电信号在整个频率范围上的功率密度谱，

扫描(在80)所计算的功率密度谱以确定频率子范围[f_min；f_max]，所述子范围[f_min；f_max]上的信号功率等于整个频率范围上的信号功率的预定百分比，以及

根据频率f_min和f_max来估计(在82)频率f_d，

其中，所述扫描步骤适于确定不一定以0Hz为中心的频率子范围[f_min；f_max]。

2.根据权利要求1的方法，其中，所述方法还包括根据与用于估计频率f_d相同的频率f_min和f_max来估计无线接收机的本地振荡器的频率偏移f₀的步骤(82)，所述本地振荡器用于从接收的无线电信号中移除载波频率。

3.根据任意一个前述权利要求的方法，其中，所述方法包括根据估计的频率f_d来计算无线接收机位移的速率估计的步骤(92)。

4.一种估计无线电信号的无线接收机的本地振荡器的频率偏移f₀的方法，所述本地振荡器用于从接收的无线电信号中移除载波频率，所述方法包括步骤：

计算(在74)接收的无线电信号在整个频率范围上的功率密度谱，

扫描(在80)所计算的功率密度谱以确定频率子范围[f_min；f_max]，所述子范围[f_min；f_max]上的信号功率等于整个频率范围上的信号功率的预定百分比，以及

根据频率f_min和f_max来估计(在82)偏移f₀，

其中，所述扫描步骤适于确定不一定以0Hz为中心的频率子范围[f_min；f_max]。

5.根据任意一个前述权利要求的方法，其中，所述方法包括如下步骤(88)：在子范围[f_min；f_max]中搜索大于预定阈值的最大功率峰值，以及如果找到最大功率峰值，则指示无线电信号的无线接收机和发射机之间存在径直瞄准线。

6.根据任意一个前述权利要求的方法，其中，所述方法包括如下步骤(72)：对接收的信号进行滤波、求平均和下采样，之后根据滤波、求平均以及下采样后的信号来计算功率密度谱。

7.根据任意一个前述权利要求的方法，其中，根据只用于传输预定导频的导频信道来构建功率密度谱。

8.一种具有指令的程序，当所述指令由电子计算器执行时，执行根据任意一个前述权利要求的方法。

9.一种估计由无线接收机位移引起的无线电信号的多普勒最大频率f_d的电子模块，所述模块包括：

计算单元(40)，构建接收的无线电信号在整个频率范围上的功率密度谱，

扫描器(42)，适于确定频率子范围[f_min；f_max]，子范围[f_min；f_max]上的信号功率等于整个频率范围上的信号功率的预定百分比，以及

估计器(46)，根据频率f_min和f_max来估计频率f_d，

其中，所述扫描器适于确定不一定以0Hz为中心的频率子范围[f_min；f_max]。

10.根据权利要求9的电子模块，其中，所述模块还包括估计器(48)，所述估计器根据扫描器确定的频率f_min和f_max来估计无线接收机的本地振荡器的频率偏移f₀，所述本地振荡器用于从接收的无线电信号中移除载波频率。

11.一种估计无线电信号的无线接收机的本地振荡器的频率偏移f₀的电子模块，所述本地振荡器用于从接收的无线电信号中移除载波频率，所述模块包括：

计算单元(40)，构建接收的信号在整个频率范围上的功率密度谱，

扫描器(42)，适于确定不一定以0Hz为中心的频率子范围[f_min；f_max]，子范围[f_min；f_max]上的信号功率等于整个频率范围上的信号功率的预定百分比，以及

估计器(48)，根据频率f_min和f_max来估计偏移f₀。

12.根据权利要求9至11中任意一项所述的电子模块，其中，所述模块包括检测器(50)，所述检测器在子范围[f_min；f_max]中检测大于预定阈值的最大功率峰值，而且所述检测器适于在检测到最大功率峰值的情况下指示无线电信号的无线接收机和发射机之间存在径直瞄准线。

13.一种电子接收机，包括：

信道估计滤波器(22)，对具有预定导频的接收的无线电信号进行滤波，

求平均和下采样模块(24)，对滤波后的信号求平均和下采样，以及

根据权利要求9至12中任意一项所述的电子模块(26)，其中，所述计算单元根据由所述求平均和下采样模块输出的求平均和下采样后的信号来构建功率密度谱。

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