專利名稱：一種碼分多址多徑衰落信道的頻率自動校正裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于CDMA(碼分多址)蜂窩通信系統領域。
移動通信以其特有的靈活、便捷的優點滿足了現代社會人們對通信技術的要求，成為80年代中期以來發展最為迅速的通信方式。在移動通信的多種體制中，CDMA蜂窩通信技術以其頻率規劃簡單、系統容量大、抗多徑能力強、通信質量好、電磁干擾小等特點顯示出巨大的發展潛力。由美國Qualcomm公司最先提出、目前在世界范圍內得到較快發展的15-95 CDMA蜂窩通信系統即采用該技術。第三代數字蜂窩移動通信系統的幾種主要候選方案均建立在CDMA技術基礎上。
在移動通信系統中，由于受體積和成本等方面的限制，移動終端的初始頻率穩定度約限制在1ppm，所帶來的基站和移動終端之間的頻率差約為數百赫茲至數千赫茲，為此必須在移動終端中引入頻率自動校正(AFC)功能，以降低上述頻率差所帶來的系統性能下降。
移動通信系統中存在著多徑衰落現象，會造成嚴重的多徑干擾，AFC的設計應充分考慮多徑衰落信道所帶來的影響。在采用了擴展頻譜技術的CDMA蜂窩移動通信系統中，通常需要發送帶有確知信息的導頻(Pilot)信號，通過對導頻信號的接收，可以實現對多徑信號的幅度和相位信息進行估計。考慮到收發兩端的固定頻偏疊加在多徑衰落信號的相位信息中，通過對多徑信道估計信息的簡單處理，便能夠提取出收發兩端的頻率偏差估計值。使用該估計值對移動終端的本地頻率基準源進行相應的調整，便可實現所需的AFC功能。上述對頻偏信息進行提取，并以此對本地頻率基準源進行調整的方法稱作AFC環路設計。
CDMA接收機AFC環路的設計除了應能夠在多徑衰落信道環境下穩定可靠地工作外，還應具有較快的響應速度，在移動終端開機時或失鎖后重新回到工作狀態時，能夠在較短的時間內對收發兩端的頻率差進行補償。
本發明的目的是針對移動通信環境下多徑信號的不確定性，引入了“多徑能量窗”設計方法，從多徑能量窗口中提取有效的多徑信息以及頻率偏差信息，并采用了可變階距累積環路濾波方法，使本發明提出的AFC裝置具備快速的響應速度，能夠較好地滿足CDMA移動終端AFC功能的需要。
本發明技術方案以多徑能量窗處理方法為基礎，在最大多徑能量窗口中尋找有效的多徑信息，并通過最大信噪比加權方法對頻率偏差進行估計。為提高AFC裝置的響應速度，提出了一種可變階距累積調節方法，與普通環路濾波方法相比響應速度大大提高，能夠較好地滿足CDMA移動終端AFC功能的需要。
以下詳細說明一、基本原理裝置由頻率偏差估計器、頻率自動校正環路濾波器和載波頻率調整三部分組成。
1、頻率偏差估計器由信道參數估計和頻率偏差估計兩部分組成。圖2示出了具體的頻率偏差估計器實現流程框圖。
信道參數估計信道參數估計由抽頭延遲線和并行相關器兩個部分組成，其基本原理如下CDMA系統中的導頻(Pilot)信道用于傳送事先確知的導頻序列，可用于系統定時和載波的提取、信道估計、越區切換等。若系統同時發射若干個信道的信號，則等效基帶接收信號可表示為 其中，s，(t)表示下行信道所發送的第i個碼分信道的等效基帶信號，i＝0的分項對應于導頻信道；z(t)是零均值的復數白色高斯噪聲；cn為信道第n徑的衰落因子；Δωc為收發兩端的頻率差。信道參數估計的目的在于根據接收信號r(t)和確知的導頻序列s0(t)估計出信道衰落因子cn以及頻偏參差分項 假設移動信道為頻率選擇性慢衰落信道模型，則可認為cn在信道估計區間t∈
內近似為常數。由此可得出cn，以及頻偏參差分項 的復合估計值如下cn(N)=1NEc∫0NTcr(t-nTc)·s0*(t)dt=cn·{ejΔωcNTc/2sin(ΔWc/VTc/2ΔωcNTc/2}+Na+Nc+Nz]]>[公式2式中Na、Nc和Nz分別是擴頻碼的相關特性不夠理想造成的多徑干擾、多址干擾以及白噪聲通過相關器后產生的輸出；Tc為一個碼片的時間寬度，NTc為信道估計的積分區間；Ec是導頻信道在一個碼片之內的發送能量。
頻率偏差估計若進一步假設cn在接連兩個區間t∈
和t∈[NTc，2NTc內近似保持不變，則可計算出 式中E{·}表示集合平均，Cn(N＋1)為區間t∈[NTc，2NTc]上的估計值，并假定Na、Nc和Nz在兩個積分區間所得到的值是互不相關的。公式2和3是針對單徑進行的，若考慮所有的有效多徑的影響，則可得到最大比合并估計公式如下 若用M次時間平均估計值取代相應的集合平均，則可得到 式中Δωc的有效估計范圍為 公式1中信道衰落因子cn的有效分布范圍定義為多徑信號能量分布窗口(簡稱為多徑能量窗)，該窗口的大小由多徑信道的時延擴展范圍確定。為方便以下的討論，設cn的有效分布范圍為n∈[-L1，L2]。在城市、鄉村和山區多徑衰落環境下，該窗口的大小分別約為3μS,6μS和15μS窗口的大小與蜂窩通信系統所處的環境有關，而與所使用的頻段無關。為使擴頻接收機能夠適用于各種環境，多徑能量窗口的大小應按最大可能值選取，通常不大于30μS，則L＝L2－L1＋l的取值應不大于30μS/Tc。
在多徑能量窗口內，并不是所有的信號到達徑均是有效的。為此應設定合適的門限，對窗口內每一徑信號的能量(也即cn的強度)進行判決。若位于同一徑位置上的信道估計強度值連續兩次大于門限，則為有效到達信號徑；否則則為純干擾徑(IOP)。為避免性能惡化，所有的純干擾徑均不應參加運算。判決門限的選取應略大于導頻信號(PN碼)部分互相關(Partial，Correlation)值的旁瓣值。
為簡化計算，便于FPGA設計實現，采用下列象限判決法對頻率偏差估計的極性進行估計 對該極性估計值進行必要的環路濾波，其輸出經過D/A(數/模)轉換后，用于調整移動終端的本地基準頻率源VCO(壓控振蕩器)，使之逐漸逼近實際載波頻率。
2、環路濾波設計本發明所使用濾波環路可參見圖1。一個簡單的環路濾波方法是使用固定階距(步長)的環路濾波器，但由于缺乏Δωc的幅度信息，使得環路調節的收斂速度大為減慢或使得收斂后的頻偏抖動誤差較大。這是由于在頻偏很大的情形下，采用較小的階距會導致較長的收斂時間；而在VCO的輸出接近載波頻率時，頻偏抖動誤差則由階距所決定，階距越小，抖動誤差也越小。為此本發明提出了以下自適應變階距的環路調節方法，它可大大加快濾波環路的收斂速度并保證收斂后具有較小的頻偏抖動誤差，其基本方法論述如下。
計算機仿真結果表明，在頻偏較大時，Δωc的估計較為準確，其極性輸出X基本為同符號；而在VCO的輸出接近實際載波頻率時，其極性輸出X取異符號的概率增大。基于上述事實，本發明提出以下的自適應變階距調節算法，由階距計算單元和自適應的累加濾波器組成。
階距計算單元設Δωc的第m－1個極性輸出為x(m－1)時，所采用的AFC環路濾波階距為δm－1，則其第m個輸出時的階距δm由下式給出δm＝δm－1Kx(m)x(m－1)，K＞1 [公式8]即當x(m)和x(m－1)同號時，δm為δm－1的K倍；異號時，δm為δm-1的1/K倍。同號和異號分別對應著頻偏較大(頻率調節階段)和較小(頻率鎖定階段)的兩種情形。前者增加階距，以縮短跟蹤時間；后者減小階距，以提高AFC的精度。
自適應的累加濾波器設圖l中的累加濾波輸入和輸出分別為δmx(m)和y(m)，則成立 其沖激響應的z變換為 可見公式10的確實質就是自適應的累加濾波器，其系數按公式8進行更新。
在實際實現AFC環路濾波時，可采用易于實現的常數因子K，例如可取K＝2，這樣公式8的計算可以邏輯移位的方式進行。為保證移動終端在失鎖后能夠快速地返回到鎖定狀態，應在盡可能縮小頻偏抖動誤差的同時，限定階距因子的最小值和最大值范圍，例如可限定階距因子在以下的范圍內1＞δm＞2-12，form [公式11]這樣既可保證AFC環路在收斂狀態下具有較小的頻偏抖動誤差，又能在移動終端發生突然的失鎖后，使階距因子能夠快速地調節到較大的取值。階距的初始值則可取公式11所示范圍的中間值δ0＝2-6[公式12]本發明采用了自適應可變階距累積環路濾波方法，其計算簡單，僅需要移位和累加運算，特別適合于邏輯電路實現。通過自適應地調節階距因子的大小，大大加快了AFC環路的響應速度，能夠較好地滿足CDMA移動終端AFC功能的需要。
3、載波頻率調整自適應的累加濾波器的輸出經過D/A轉換，所得到的電壓信號經過低通環路濾波器(LPF)，用于控制壓控振蕩器(VCO)的本地載波頻率，使之逐漸逼近接收信號的載波頻率值。
本發明有益效果本發明針對移動通信環境下多徑信號的不確定性，引入了“多徑能量窗”設計方法，通過簡單的運算，可從多徑能量窗口中提取有效的頻率偏差信息。


圖1為自動頻率校正裝置實現流程圖。
圖2頻率偏差估計器實現流程框圖。
一、以下結合

實施例
由上述可知，本發明提出的一種適用于多徑衰落信道的AFC裝置可分為頻率偏差估計器、AFC環路濾波器和載波頻率調整三個部分。圖2示出了多徑衰落信道的AFC裝置的具體實施框圖。該裝置各部分的具體構成及功能描述如下。
頻率偏差估計器由信道參數估計和頻率偏差估計兩部分組成。
信道參數估計由抽頭延遲線和并行相關器兩個部分組成。抽頭延遲線接收基帶采樣信號，采樣間隔為Tc/M，M根據具體應用可取值為2、4或8。并行相關器受外部定時的控制，完成公式2中多徑能量窗口內所有多徑信道衰落參數 (N)和頻偏參差分項 的復合估計值的計算，其結果由頻率偏差估計部分進行處理。
頻率偏差估計單元根據復合估計值完成公式3或公式4的計算，具體實現時用M次時間平均估計值取代相應的集合平均，即得到所需的頻率偏差估計值Δωc。象限判決法對頻率偏差估計的極性進行估計，將極性估計值x(m)送往AFC環路濾波器。
AFC環路濾波器由階距計算單元和自適應的累加濾波器組成。階距計算單元根據頻率偏差估計值Δωc按公式8完成其第m個輸出時的階距δm計算，將δmx(m)作為自適應的累加濾波器的輸入信號。自適應的累加濾波器對δmx(m)進行公式10的自適應的累加濾波，其結果送往載波頻率調整部分。
載波頻率調整自適應的累加濾波器的輸出經過D/A轉換，所得到的電壓信號經過低通環路濾波器(LPF)，用于控制壓控振蕩器(VCO)的本地載波頻率，使之逐漸逼近接收信號的載波頻率值。
以下以cdma2000-1x系統移動終端為例，說明本發明的具體實施方法。cdma2000-1x系統的下行信道包含有連續發送的導頻信道，可用于移動終端接收機的定時提取、初始同步、小區搜索和相干解調等。在該系統中，擴頻碼片速率為1.2288Mcps，碼片間隔為Tc＝1/1.2288微秒，導頻信道PN碼為215長度的偽隨機序列。
接收機采用4倍碼片采樣率，即ψ＝4，每一信道估計積分周期長度取為256Tc，多徑能量窗口的長度取值為32Tc。由于AFC電路需要與擴頻RAKE接收電路配合使用，而在RAKE接收機中信道參數估計cn的計算是必需的，因而可以直接利用RAKE接收機信道估計結果中的有效信號到達徑進行自相關運算(見公式4和5)，然后對其結果進行象限判決(見公式7)，得到AFC濾波環路所需的頻偏極性估計。
在本實施例中，具體AFC環路濾波參數取值如下K＝2，δ0＝2-6，δm的取值范圍符合公式11的要求，累加濾波器的運算精度為14比特，D/A轉換器的精度為8比特。可校正的最大頻率偏差為±2400Hz。
本實施例已應用于自行研制的符合3GPP2 Release A標準的cdma2000-1x蜂窩移動通信車載移動臺樣機中。該樣機中的擴頻接收部分采用Xilinx公司的XC4085xla FPGA芯片加以實現。經過實際測試，利用本發明所設計的AFC環路在車載移動多徑衰落環境下，能夠較為快速穩定地工作。使用變階距的AFC環路初始同步時間約為0.1秒，較采用固定階距的傳統AFC環路可降低同步時間約一個量級。
本發明采用了可變階距累積環路濾波方法，其計算簡單，僅需要移位和累加運算，特別適合于邏輯電路實現，通過自適應地調節階距因子的大小，大大加快了AFC環路的響應速度，能夠較好地滿足CDMA移動終端AFC功能的需要。
本發明提出的AFC裝置可與擴頻RAKE接收機配合使用，利用擴頻RAKE接收機提供的多徑信道估計，可方便地計算出AFC所需的頻率偏差估計信息。
權利要求
1.一種碼分多址多徑衰落信道的頻率自動校正裝置，其特征在于該裝置由以下三部分組成1)頻率偏差估計器2)頻率自動校正環路濾波器3)載波頻率調整
2.如權利要求1所述的一種碼分多址多徑衰落信道的頻率自動校正裝置，其特征在于①頻率偏差估計器由信道參數估計和頻率偏差估計兩部分組成。前者接收基帶采樣信號，采樣間隔為Tc/M，完成多徑能量窗口內所有多徑信道衰落參數 (N)和頻偏參差分項 的復合估計值的計算。后者根據復合估計值得到所需的頻率偏差估計值Δωc。用象限判決法對頻率偏差估計的極性進行估計，將極性估計值x(m)送往AFC環路濾波器。②頻率自動校正環路濾波器由階距計算單元和自適應的累加濾波器組成。階距計算單元根據頻率偏差估計值Δωc，完成其第m個輸出時的階距δm計算，將δmx(m)作為自適應的累加濾波器的輸入信號。自適應的累加濾波器進行自適應的累加濾波，其輸出送往載波頻率調整部分。③載波頻率調整將自適應的累加濾波器的輸出經過D/A轉換，得到的電壓信號經過低通環路濾波器(LPF)，用于控制壓控振蕩器(VCO)的本地載波頻率，使之逐漸逼近接收信號的載波頻率值。
3.如權利要求2所述的一種碼分多址多徑衰落信道的頻率自動校正裝置，其特征在于頻率偏差估計器估計出多徑能量窗口內的有效到達信號徑的信道衰落因子cn以及頻偏參差分項 ，從而得到所需的頻率偏差估計值Δωc。
4.如權利要求2所述的一種碼分多址多徑衰落信道的頻率自動校正裝置，其特征在于AFC環路濾波器采用了自適應可變階距累積環路濾波方法，其計算簡單，僅需要移位和累加運算，特別適合于邏輯電路實現。
全文摘要
本發明技術方案以多徑能量窗處理方法為基礎,在最大多徑能量窗口中尋找有效的多徑信息,并通過最大信噪比加權方法對頻率偏差進行估計。為提高AFC裝置的響應速度,提出了一種可變階距累積調節方法,與普通環路濾波方法相比響應速度大大提高,能夠較好地滿足CDMA移動終端AFC功能的需要。
文檔編號H04B1/707GK1333608SQ0012822
公開日2002年1月30日 申請日期2000年12月18日 優先權日2000年12月18日
發明者尤肖虎, 張儼, 王玲, 蔣良成, 程時昕 申請人:信息產業部電信傳輸研究所, 東南大學