CN1186913C - 频率误差测量装置和无线电设备 - Google Patents

Abstract

在如数字式蜂窝系统等发送和接收编码声频信号的无线电设备中，能够很容易地和确定地检测频率误差，甚至在高噪音电平的环境中也能检测。该设备根据同步信号与标准信号之间的复相关值的检测结果，来检测频率误差θ_e。

Description

频率误差测量装置和无线电设备

本发明涉及一种比如可应用到发送/接收编码声频信号的数字式蜂窝系统中的频率误差测量装置和无线电设备。

至今，在包括一种无线电话的数字式蜂窝系统中，通过对声频信号的编码和发送/接收，用时分多路复用的方法，可将一个信道同时用于一组终端设备。

更具体地说，当电源接通时，这种终端设备在对预先设置的比如124个信道进行顺序扫描之后，检测具有最强磁场的信道。

然后，终端设备检测分配给这个终端设备所属区域的控制信道，并接收该控制信道。

用该控制信道形成时隙，并传送各种信息，于是，该数字式蜂窝系统发送每一终端设备在控制信道上接收的基地台的信息、邻近基地台的信息、以及呼叫终端设备的信息。

于是，终端设备根据这个频率控制信道(FCCH)，检测以规定的周期和处理定时插入在这个控制信道中的频率校正信道，同时粗略地检测输出需要信息的定时。

这里，频率控制信道是分配位模式的同步信号，以便当解调时“0”值的数据能连续规定的位数，并且在该数字式蜂窝系统中，数据是用高斯滤波最小频移键控(GMSK)调制和发送的。于是，如图1中所示，可将频率控制信道信号表示为I信号和Q信号(相位延迟90°，信号幅度以正弦变化)的合成波。

用这种结构，当以正确的定时对终端设备通过正交检测获得的信号接收结果进行采样时，合成的IQ数据在I轴和Q轴的复平面上连续旋转90°相位。

另一方面，如图2所示，如果该频率校正信道是在该定时被延迟的情况下接收的，则接收数据从对应于这定时滞后的I轴和Q轴逐渐偏移。

更具体地说，可用向量来表示这种信号接收结果，在通过对信号接收结果的每一位进行采样获得信号接收结果的情况下，如果对于基地台采样的定时延迟(即终端设备的时钟延迟)用θ_e表示(用弧度)，通过正交检测获得的固定定时的信号接收结果用向量S₀(α₀，β₀)表示，用向量S₄(α₄，β₄)表示延迟4个样本的信号接收结果，则用振幅/角度表示可获得下面的合式：

    r₀exp(jθ₀)＝α₀+jβ₀        ……(1)

    r₄exp(jθ₄)＝α₄+β₄         ……(2)

可将频率误差表示如下：

    θ_e＝θ₄-θ₀                 ……(3)

因此，从公式(1)和(2)可获得下式：

$\frac{r_4\exp \left({\mathrm{j\θ}}_4\right)}{r_0\exp (j{\mathrm{\θ}}_0}=\frac{r_4}{r_0}\exp ({\mathrm{j\θ}}_4-{\mathrm{j\θ}}_0)$

$=\frac{r_4}{r_0}\exp \left({\mathrm{j\θ}}_e\right)$

$=\frac{r_4}{r_0}(\cos {\mathrm{\θ}}_e+{j\sin \mathrm{\θ}}_e)$

$\≈\cos {\mathrm{\θ}}_4+{j\sin \mathrm{\θ}}_e$

$(\underset{\·}{\·\·}{r}_4\≈r_0)......\left(4\right)$

此时，下面的关系成立：

    θ_e＜＜1                     ……(5)

故可得到下面的公式：

    sinθ_e＝θ_e                  ……(6)

如果求出等式(4)的虚数部分，则可检测出频率误差θ_e。

更具体地说，从等式(4)可得出下面的等式：

${\mathrm{\θ}}_e=\mathrm{Im}\left(\frac{r_4\exp \left({\mathrm{j\θ}}_4\right)}{r_0\exp \left({\mathrm{j\θ}}_0\right)}\right)$

$=\mathrm{Im}\left(\frac{{\mathrm{\α}}_4+{\mathrm{j\β}}_4}{{\mathrm{\α}}_0+{\mathrm{j\β}}_0}\right)$

$=\mathrm{Im}\left(\frac{({\mathrm{\α}}_4+{\mathrm{j\β}}_4)({\mathrm{\α}}_0-{\mathrm{j\β}}_0)}{{{\mathrm{\α}}_0}^2+{{\mathrm{\β}}_0}^2}\right)$

$=\mathrm{Im}\left(\frac{{\mathrm{\α}}_4{\mathrm{\α}}_0+{\mathrm{\β}}_4{\mathrm{\β}}_0+j({\mathrm{\α}}_0{\mathrm{\β}}_4-{\mathrm{\α}}_4{\mathrm{\β}}_0)}{{{\mathrm{\α}}_0}^2+{{\mathrm{\β}}_0}^2}\right)$

$=\frac{{\mathrm{\α}}_0{\mathrm{\β}}_4-{\mathrm{\α}}_4{\mathrm{\β}}_0}{{{\mathrm{\α}}_0}^2+{{\mathrm{\β}}_0}^2}\·\·\·\·\·\·\left(7\right)$

于是，在该终端设备中，根据信号接收结果执行等式(7)的计算处理可检测出频率误差。在实际的终端设备中，要进行平均处理，以消除噪音的影响，并检出频率误差θ_e。

更具体地说，因为在终端设备中信号接收结果的幅度在一个时隙中变化不大，故可通过下面等式的计算处理来检测频率误差θ_e：

${\mathrm{\θ}}_e=\frac{1}{128}\underset{j=0}{\overset{127}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\mathrm{\α}}_j{\mathrm{\β}}_{j+4}-{\mathrm{\α}}_{j+4}{\mathrm{\β}}_j}{{{\mathrm{\α}}_j}^2+{{\mathrm{\β}}_j}^2}\·\·\·\·\·\·\left(8\right)$

在这种情况下，因为频率误差θ_e包括每4位的角度误差，它将在IQ平面上每秒旋转量更多，如下式中所确定的：

${\mathrm{\θ}}_e\×\frac{R_{\mathrm{BIT}}}{4}$ (弧度)      ……(9)

这里R_BIT是位速度。

在这种情况下，因为在数字式蜂窝系统终端设备中的位速率近似为270.8[bps](13M/48)，实际的频率误差f_e可表示如下：

$f_e={\mathrm{\θ}}_e\×\frac{13M}{48}\×\frac{1}{4}\×\frac{1}{2\mathrm{\π}}$

$=\frac{13\×{10}^6}{384\mathrm{\π}}{\mathrm{\θ}}_e$

$=10.8\×{10}^3{\mathrm{\θ}}_e\·\·\·\·\·\·\left(10\right)$

于是，终端设备能够检测频率误差θ_e，实际上是执行图3所示的处理程序，因而可校正频率偏差。

更具体地说，终端设备顺序地扫描预先设置的124个信道，当接收分配给这个终端设备所属区域的控制信道时，该终端设备从步骤SP1进入步骤SP2，并顺序检测包括控制信道接收结果的输入数据与规定标准信号之间的相关值。

将这个标准信号规定为与频率校正信道相同的信号，这样，终端设备检测相关值的增长，并检测频率校正信道的定时。

因此，当终端设备检测频率校正信道的定时的时候，通过将以这个定时接收的IQ数据储存在预定的存储电路中而将频率校正信道接收结果储存到该存储电路中，并在接着的步骤SP3中，采用储存在这个存储电路中的IQ数据来执行等式(8)的计算。

以此结构，当检测频率误差θ_e之后，终端设备移到步骤SP4，通过按频率误差θ_e的检测结果校正在标准信号产生电路中的振荡频率来校正钟频，然后进入步骤SP5，完成该处理程序。

在实际中，有些情况是终端设备被用在很恶劣的信号接收环境，特别是在移动通讯的情况下，比如在车辆中使用，由于噪音和衰落的影响，在接收信号中产生了波形畸变。而且，这时接收信号的载频本身也有多普勒频偏。

因此，在通常的终端设备中，由于这种外界的干扰，很难正确地检测频率校正信道的频率。

特别是，在通常的终端设备中，E_b/N_o＝15[dB]是根据模拟结果定下的检测频率误差的限制，而且很清楚，如果噪音水平进一步增加，实际上将不能检测频率误差。

然而在实际应用中，有时噪音水平的增加比这个值还高，在终端设备中必须重复接收频率校正信道直到开始通讯，这样化费了很多时间。

鉴于上述，本发明的目的是提供一种频率误差测量装置和一种无线电设备，它能够正确地检测频率误差，甚至在高噪音水平的环境中也能够检测。

通过提供一种频率误差测量装置达到了本发明的上述目的和其它目的，在该装置中，根据以规定的周期插在发送信号中的预定模式的同步信号(FCCH)来接收发送信号；并且为了检测同步信号(FCCH)用的时钟的频率偏差θ_e，须根据时钟来形成相关检测的标准模式、检测标准模式与发送信号之间的复相关值C_ORR、根据该复相关值C_ORR来检测出同步信号(FCCH)用的时钟的频率偏差θ_e。

此外，按照本发明的无线电设备，根据以规定周期插入发送信号中的预定模式的同步信号(FCCH)来接收发送信号，在该无线电设备中，根据规定的时钟形成用于相关值检测的标准模式，并检测该标准模式与发送信号之间的复相关值C_ORR，以及根据该复相关值C_ORR检测对于同步信号(FCCH)该标准模式形成频率的误差θ_e，并根据这个误差检测结果，获得标准模式形成频率与该同步信号(FCCH)相同时所得到的信号接收结果。

如果根据时钟形成了用于相关值检测的标准模式，并检测到标准模式与发送信号之间的复相关值，则依据该复相关值C_ORR能减小噪音的影响，并能检测时钟的频率偏差θ_e，同时检测出同步信号(FCCH)的定时。

这样，根据检测的频率误差θ_e校正钟频或计算处理信号接收结果，很容易校正频率误差θ_e，并能获得当该标准模式形成频率与同步信号(FCCH)的频率相同时所得到的信号接收结果。

按照上述的本发明，因为按同步信号与标准信号之间相关值的检测结果可检测频率误差，因此能容易和确定地得到可检测频率误差的频率误差测量装置和无线电设备。

通过下面结合附图的详细描述，将使本发明的性质、原则和用途更加清楚。图中相同部件使用了相同的标号或符号。

附图中：

图1是表示频率校正信道的波形图；

图2是表示频率误差的简单线状图；

图3是表示频率校正信道的流程图；

图4是表示根据本发明实施例的数字式蜂窝系统的终端设备的方框图；

图5是表示频率偏差校正的流程图。

现在结合附图描述本发明的最佳实施例：

(1)实施例的一般结构

在图4中，标号1总的表示数字式蜂窝系统的终端设备，它通过天线2接收从基地台发送的发送信号，并通过天线共用装置(未示出)将接收信号加到放大器3上。

放大器3以规定的增益对接收信号进行放大，然后输出给高频处理电路(RF处理)4，用规定的本机振荡信号对接收信号进行频率转换。于是终端设备1通过变换本机振荡信号的频率可选择性地接收需要的信道。

此外，高频处理电路4解调与通过正交检测经频率转换而接收到的信号的标准相位同步的I信号，同时解调对于I信号有90°相位差的Q信号，并以内设的模/数转换器将I信号和Q信号转换成数字值。

以这种结构，终端设备1能够解调由与接收信号的标准相位同步的解调结果组成的I数据，并能解调由对I数据具有90°相位差的解调结果组成的Q信号，故能够解调经GMSK调制并发送的I数据和Q数据。

数据处理电路5是由处理I数据和Q数据的数字信号处理器构成的，通过均衡I数据和Q数据的波形并校正其畸变，可减小衰落和多路径的影响。

此外，数据处理电路5根据I数据和Q数据检测频率校正信道，并根据其检测结果来检测频率误差。同时，根据所述检测结果，数据处理电路5和规定的标准信号产生电路等的功能是可控制的，所以能校正频率误差。

除了这一系列处理之外，对I数据和Q数据进行合并和译码之后，数据处理电路5处理误差校正，并将合成的编码数据有选择地输出给声频处理电路6或中央处理单元8。

声频处理电路6对经声频扩展处理译码数据后的声频数据进行解调，并以内装的数/模转换器将此声频数据转换为声频信号。而且，声频处理电路6通过该声频信号驱动扬声器7，于是，在终端设备1中，可以接收到从基地台输出的用于通讯目的的声频信号。

另一方面，中央处理单元(CPU)8根据此译码数据接收从基地台输出的预定信息，并根据接收的结果变换本机振荡信号的频率，于是可将发送和接收频率变换到规定的信道，这样，终端设备1通过选择规定的信道能够发送和接收声频信号。

再一方面，在声频处理电路6中，将从该筒9输出的声频信号转换为声频数据以后，终端设备1的发送系统执行声频压缩处理。

数据处理电路5通过对声频处理电路6的输出数据进行合并和译码形成I数据和Q数据，并通过对从中央处理单元8输出的各种控制码(代替声频处理电路6的输出数据)进行合并和译码也形成I数据和Q数据。

高频处理电路4对I数据和Q数据进行GMSK调制形成I信号和Q信号，将I信号和Q信号组合形成规定频率的发送信号。

进一步，RF处理电路4通过放大器10将该频率变换的发送信号输出到天线2，于是在终端设备1中，可发送通信者的声音信号或呼叫基地台的信号。

根据在数据处理电路5中检测的固定定时检测结果，终端设备1切换发送和接收的定时，并应用时分多路复用方法，在从基地台发送给一组终端设备的发送信号中选择性地接收分配给自己台的时隙，并使用分配给自己台的时隙将声频信号发送给基地台。

所以，中央处理单元(CPU)8依靠在随机存取存储器(RAM)13中获得的工作区执行储存在只读存储器(ROM)11中的处理程序，根据临时需要将控制码输给每一电路块，从而控制整个功能。比如，如果将显示键输入单元12的规定操作键压下，据此操作可将呼叫信号输出给基地台。如果输入了来自基地台的呼叫信号，则可转换接收信道。

(2)频率误差的校正

终端设备1当接收控制信道的时候首先根据频率校正信道进行帧同步，并且通过检测频率误差和校正频率偏移，根据预定的字符组使整个操作与接收数据同步，并接收该时隙和接收需要的信息。

更具体地说，如果接通电源，或改变了终端设备所属的区域，则中央处理单元8将控制码输给RF处理电路4并接收控制信道，然后输出控制码到数据处理电路5，并检测频率校正信道。

在该装置中，中央处理单元8检测频率校正信道定时之后，根据该定时设备内装在数字处理电路5中的时基计数器，对整个操作进行帧同步。

数字处理电路5，通过计算由样板组成的标准波形与接收信号之间的相关值，检测相关值的上升和频率校正信道定时。

更具体说，如果下面等式的关系成立，则数据处理电路5判定频率校正信道被接收，并检测相关值的上升和频率校正信道定时；式中相关值检测结果的功率是P_CORR，标准波形的功率是P_REC，阈值是TH：

    P_REC-P_CORR×TH≤O        ……(11)

这里，在数据处理电路5中，分别用I_i和Q_i(样值)表示I数据和Q数据，将样板值表示为复共用数T_ii和T_qi(样板i)，在相关的长度为n时计算出的中间值C_i如下：

    C_i＝样本_i*样板_i

        ＝(I_i+jQ_i)(T_ii-jT_qi)

        ＝(I_iT_ii+Q_iT_Qi)+j(Q_iT_ii-I_iT_qi)        ……(12)

并执行下式的计数，检测出相关值C_ORR：

$C_{\mathrm{ORR}}=\underset{i=m}{\overset{m+n+1}{\mathrm{\Σ}}}{C}_i\·\·\·\·\·\·\left(13\right)$

更具体说，通过将样板值设置成等于可由正确接收频率校正信道获得的IQ数据值，则在频率校正信道的定时时相关值C_ORR可以上升。这样，通过利用检测的以复数表示的相关值C_ORR的功率，并判定公式(12)的关系是否成立，很容易检测频率校正信道。

这样，在用共用复数乘接收信号获得要检测的复数相关值C_ORR过程中，在IQ平面通过1位表示接收信号，这意味着该接收信号反时针旋转90°。

然后，如果频率误差是“0”，则获得的相关值C_ORR在接收频率校正信道的过程中停留在复平面上的同样位置，另一方面，如果频率误差明显，在接收频率校正信道期间，它在复平面上旋转该频率误差。

更具体说，如果如本实施例那样检测到了复数形式的相关值C_ORR，则可得到有关频率误差的信息。

另外，因为该相关值C_ORR是以公式(13)进行中间值C_i的平均处理的，故降低了噪音的影响。

于是，根据相关值C_ORR可检测频率误差，因此很清楚，在此情况下可以降低噪音的影响。

实际上，在数字式蜂窝系统中，在由于噪音水平高(比如En/N0＝0[db])按IQ数据不能检测出频率误差时，可从相关值C_ORR检测频率校正信道。

而且，如果根据该相关值C_ORR来检测频率误差，则可利用频率校正信道的定时检测结果来检测频率误差，这样，一些原来必需的程序例如接收和调制频率校正信道的重复可以省去。

所以，在短时间就能使接收机的整个操作与基地台同步，并且在短时间就可形成能通讯的条件。

于是，在接收频率校正信道期间，数据处理电路5将从公式(13)得到的相关值C_ORR顺序表示成：

    C_ORRK＝γ_k+jδ_k        ……(14)

然后，执行下面的计算，对通过平均处理获得的相关值C_ORR进一步进行平均处理，则可检测到频率误差：

${\mathrm{\θ}}_e=\frac{1}{128}\underset{k=0}{\overset{127}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\mathrm{\γ}}_k{\mathrm{\δ}}_{k+1}-{\mathrm{\γ}}_{k+1}{\mathrm{\δ}}_k}{{{\mathrm{\γ}}_k}^2+{{\mathrm{\δ}}_k}^2}\·\·\·\·\·\·\left(15\right)$

另一方面，中央处理单元8执行图5所示的处理程序，并检测频率偏差。

更具体说，中央处理单元8从步骤SP10开始进入步骤SP11，在输出控制码到数据处理电路5中时通过检测相关值来检测频率校正信道，并在步骤SP12中通过执行公式(15)的计算从该相关值来检测频率误差。

在该装置中，中央处理单元8将控制码输出给由合成器组成的预定标准信号产生电路，并在下一步骤SP13中改变这个产生电路的频率，于是通过校正钟频校正了频率偏移，并且在下面的步骤SP14中完成该处理程序。

于是，在实际模拟中可以确认，如果根据相关值来检测频率误差，甚至在噪音电平与信号幅度相当的情况下也能检测到频率误差。

(3)实施例的效果

按照上述结构，因为通过检测复数形式的相关值来检测频率校正信道，并进一步根据这个相关值来检测频率误差，因此能很容易且确定地检测频率误差并校正频率偏差，甚至在高噪音电平情况下也如此。

(4)其它实施例

上述的实施例处理了通过校正标准信号产生电路的频率来校正频率偏差的情况。然后，本发明并不限于此，通过计算处理IQ数据也可校正频率误差。

更具体说，可将公式(15)的计算结果转换为每一位元的相位误差，并通过累加这些位误差来检测IQ数据中每个的相位误差θ₀₀₀。

这里IQ数据分别是ε和ζ，可通过执行下面的计算来校正频率偏差：

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}^{\′}\\ {\mathrm{\ζ}}^{\′}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{\cos \mathrm{\θ}}_{00}& -\sin {\mathrm{\θ}}_{00}\\ \sin {\mathrm{\θ}}_{00}& \cos {\mathrm{\θ}}_{00}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{\ϵ}\\ \mathrm{\ζ}\end{array}\right]$

另外，上述实施例处理了将本发明用于数字式蜂窝系统中以校正频率误差的情况，然而本发明并不限于此，还可广泛用于根据以预定周期插入的同步信号接收发送信号的无线电装置的情况，也可应用到只测量频率误差的情况。

以上对本发明的最佳实施例作了描述，但本领域的技术人员都明白可以有各种变化和修改，这些都属于本发明的精神范围。所附权利要求书包括了这些变化和修改。

Claims (8)

1.一种频率误差测量方法，用于检测参考时钟频率和接收信号频率之间的频率偏差，所述接收信号具有规定模式，所述方法包括以下步骤：

根据所述时钟形成用于相关值检测的标准模式；

使所述接收信号与标准模式相关，以便对所述接收信号的多个连续部分中的各部分进行所述标准模式与所述接收信号的各连续部分之间的复相关值C_ORRk检测，其中C_ORRk与所述接收信号的第k个样本相关；

通过确定与接收信号相关的一个功率P_REC以及与相关值相关的一个功率P_CORR来检测所述规定模式，其中在P_REC、P_CORR和阈值T_H之间的预定关系得到满足时所述规定模式被检测出；以及

通过对所述复相关值C_ORRk序列执行平均操作来计算所述时钟频率和所述接收信号频率之间的频率偏差；

其中所述P_REC、P_CORR和T_H之间的预定关系是：

P_REC-P_CORR×T_H≤0。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于：所述平均操作根据以下公式计算所述频率偏差θ_e：

${\mathrm{\θ}}_e=(1/N)\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\mathrm{\γ}}_k{\mathrm{\δ}}_{k+1}-{\mathrm{\γ}}_{k+1}{\mathrm{\δ}}_k}{{\mathrm{\γ}}_k^2+{\mathrm{\δ}}_k^2}$

其中k是所述接收信号的样本点，N是一个整数，γ_k是C_ORRk的实部，而δ_k是C_ORRk的虚部。

3.根据权利要求2的方法，其特征在于：N等于128。

4.根据权利要求1的方法，其特征在于：所述规定模式是时分多址系统的频率校正信道模式。

5.根据权利要求1的方法，其特征在于：还包括以下步骤：

根据所检测的频率偏差来校正所述时钟频率。

6.一种测量参考时钟频率和接收信号频率之间的频率偏差的装置，所述接收信号具有规定模式，所述装置包括：

用于根据所述时钟形成用于相关值检测的标准模式的部件；

复相关部件，用于使所述接收信号与标准模式相关，以便对所述接收信号的多个连续部分中的各部分进行所述标准模式与所述接收信号的各连续部分之间的复相关值C_ORRk检测，其中C_ORRk与所述接收信号的第k个样本相关；

检测部件，用于通过确定与接收信号相关的一个功率P_REC以及与相关值相关的一个功率P_CORR来检测所述规定模式，其中在P_REC、P_CORR和阈值T_H之间的预定关系得到满足时所述规定模式被检测出；以及

用于通过对所述复相关值C_ORRk序列执行平均操作来计算所述时钟频率和所述接收信号频率之间的频率偏差的部件；

其中所述P_REC、P_CORR和T_H之间的预定关系是：

P_REC-P_CORR×T_H≤0。

7.根据权利要求6的方法，其特征在于：所述平均操作根据以下公式计算所述频率偏差θ_e：

${\mathrm{\θ}}_e=(1/N)\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\mathrm{\γ}}_k{\mathrm{\δ}}_{k+1}-{\mathrm{\γ}}_{k+1}{\mathrm{\δ}}_k}{{\mathrm{\γ}}_k^2+{\mathrm{\δ}}_k^2}$

其中k是所述接收信号的样本点，N是一个整数，γ_k是C_ORRk的实部，而δ_k是C_ORRk的虚部。

8.根据权利要求6的方法，其特征在于：还包括用于根据所检测的频率偏差来校正所述时钟频率的部件。

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