CN104702554B - 载波频率偏移校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种载波频率偏移校正方法，用于校正一接收机的载波频率偏移，该载波频率偏移校正方法包含有：接收由一数字载波频率偏移估计所产生的至少一载波频率偏移估计值；依据该至少一载波频率偏移估计值来产生一载波频率偏移调整值；以及依据该载波频率偏移调整值来调整该接收机的一振荡器的一振荡器频率。

Description

载波频率偏移校正方法

技术领域

本发明所揭露的实施例相关于校正载波频率偏移，尤指一种应用在正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM）接收机的载波频率偏移校正方法。

背景技术

在一正交频分复用通讯***中，例如图1所示的正交频分复用通讯***100，一般来说，由于其中的一发送端102与一接收端104各自的振荡器（未显示于图中）之间具有频率差异，因此接收端104的一混频器（mixer）106会出现载波频率偏移（Carrier FrequencyOffset,CFO）的问题；此外，就接收端104的一模拟数字转换器（Analog to DigitalConverter,ADC）108来说，则会有取样频率偏移（Sample Cock Offset,SCO）的问题。

载波频率偏移和取样频率偏移为破坏***载波正交性的主因，在没有校正或是校正不足的情况下，往往导致严重的载波干扰（Inter Carrier Interference,ICI），因此，如何在正交频分复用接收机中进行载波频率偏移的校正实为关键。目前针对上述问题的解决方式为利用锁相回路（Phase Lock Loop,PLL）来帮忙完成载波频率偏移的校正，如图2所示，一锁相回路200其运作原理为先利用一相位侦测器（Phase Detector,PD）202找出一输入讯号与一本地时钟脉冲之间的相位差，再进一步经由数学运算来求出一频率差，以及经过一回路滤波器204之后，再依据该频率差来调整一电压控制振荡器（Voltage-ControlledOscillator,VCO）206的输出时钟脉冲进而改变本地振荡器的频率，达到载波频率偏移的校正或追踪，然而，锁相回路通常以模拟方式来实作，不仅设计的难度较高，且易受制程飘移的影响，同时耗费较多芯片面积。

除此之外，公知公知的作法另有仅依靠数字讯号处理的方式来实现者，具体来说，即是不利用模拟电路或是射频电路来作校正，而是单纯地由基带（Base band,BB）数字电路作载波频率偏移估计，并通过讯号处理的方式作载波频率偏移的补偿，进而消除载波干扰的影响。一般而言，除了估计与补偿外，在信号中可以基于导频讯号(Pilot signal)对载波频率以及取样频率作持续地追踪（CFO tracking&SCO tracking），让估计或补偿不够准确的问题所造成的影响降至最低。然而，使用基带数字电路作载波频率偏移的校正虽较简易，但有可能产生以下问题，其一为混频器之后的直流项滤波器（DC Notch Filter）有可能会使得受到载波频率偏移的影响因而往直流靠近的讯号被过滤掉，导致无法还原。其二为当载波频率偏移较严重时，有可能会因为前导码符号（preamble symbol）侦测或译码错误，使得数字电路的载波频率偏移估计能力大幅下降。

因此，此领域中亟需一种新颖的载波频率偏移校正方式，以降低成本以及失误率。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种应用在正交频分复用接收机的载波频率偏移校正方法，以解决上述的问题。

依据本发明所揭露的一实施例，揭露一种载波频率偏移校正方法，用于校正一接收机的载波频率偏移，该载波频率偏移校正方法包含有：接收由一数字载波频率偏移估计所产生的至少一载波频率偏移估计值；依据该至少一载波频率偏移估计值来产生一载波频率偏移调整值；以及依据该载波频率偏移调整值来调整该接收机的一振荡器的一振荡器频率。

依据本发明所揭露的另一实施例，揭露一种机器可读媒体，储存一程序代码，当该程序代码被一处理器所执行时，该程序代码会致使该处理器执行以下的步骤以校正一接收机的载波频率偏移：接收由一数字载波频率偏移估计所产生的至少一载波频率偏移估计值；依据该至少一载波频率偏移估计值来产生一载波频率偏移调整值；以及依据该载波频率偏移调整值来调整该接收机的一振荡器的一振荡器频率。

相较于公知技术，本发明所提出的应用在正交频分复用接收机的载波频率偏移校正方法，可显著地减少模拟电路的复杂度，并且强化单纯数字校正方法的校正能力。

附图说明

图1为公知的正交频分复用通讯***的示意图。

图2为公知的锁相回路的示意图。

图3为本发明载波频率偏移校正方法的实施例的流程图。

图4为本发明依据本发明应用于载波频率偏移校正的机器可读媒体的实施例的示意图。

其中，附图标记说明如下：

100 正交频分复用通讯***

102 发送端

104 接收端

106 混频器

108 模拟数字转换器

200 锁相回路

202 相位侦测器

204 回路滤波器

206 电压控制振荡器

S300～S320 步骤

400 计算机***

402 处理器

404 机器可读媒体

具体实施方式

在说明书及后续的权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定的组件。所属领域中普通技术人员应可理解，制造商可能会用不同的名词来称呼同样的组件。本说明书及后续的权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。在通篇说明书及后续的权利要求当中所提及的「包含」为一开放式的用语，故应解释成「包含但不限定于」。另外，「耦接」一词在此为包含任何直接及间接的电气连接手段。因此，若文中描述一第一装置耦接于一第二装置，则代表该第一装置可直接电气连接于该第二装置，或通过其他装置或连接手段间接地电气连接至该第二装置。

本发明主要依据公知接收机中的数字载波频率偏移计算电路基于数字载波频率偏移估计所产生的载波频率偏移估计值，来产生载波频率偏移调整值，其中该数字载波频率偏移估计可为公知的一般作法，举例来说，该数字载波频率偏移估计特色为不利用模拟电路或是射频电路来作估计，而是单纯地由基带（Base band,BB）数字电路作载波频率偏移估计，其估计原理可以由***规范所定义，或者是设计者使用另外的算法来实现。而本发明的特征在于针对该数字载波频率偏移估计所产生的该载波频率偏移调整值进行处理，并进一步将处理过后的讯号回授至模拟电路来调整接收机的前端的时钟脉冲讯号的源头振荡器频率，而非仅在接收机的后端的数字基带电路进行补偿。详细说明如下。

请参考图3，图3为依据本发明载波频率偏移（Carrier Frequency Offset,CFO）校正方法的一实施例的流程图。载波频率偏移校正方法3可应用于一正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM）接收机。载波频率偏移校正方法3为依据该正交频分复用接收机中的一载波频率偏移计算电路所产生的一载波频率偏移估计值CFO_est以及该正交频分复用接收机中的一振荡器的一控制电容值Crystal_cap的单位电容值所对应的一频率偏移量△_F与一频率偏移方向，来计算一载波频率偏移调整值CFO（即该振荡器的一电容调整量△_cap）。在步骤S302中，为了减少过度的调整以及排除极端的状况，可将一特定时段T之内所有的载波频率偏移估计值CFO_est中的极端值排除，并对剩下的载波频率偏移估计值CFO_est进行平均。例如，可将一特定时段T之内所有的载波频率偏移估计值CFO_est中的最大以及最小值排除，并对剩下的载波频率偏移估计值CFO_est进行平均，以得到一去极端值平均载波频率偏移估计值CFO_ave_without_maxmin，并将去极端值平均载波频率偏移估计值CFO_ave_without_maxmin当作特定时段T之内的一平均载波频率偏移估计值CFO_ave。应注意的是，由于偏移的方向可能系偏快或是偏慢，因此平均载波频率偏移估计值CFO_ave可能是正值或是负值。

接下来，在步骤S304中，会判断取绝对值后的平均载波频率偏移估计值｜CFO_ave｜是否小于一临界值Φ_CFO以及一旗标blsFreeze是否等于正确（True），若是，则直接进入步骤S320；若否，则会进入步骤S306并计算出一电容调整量△_cap=ceil((｜CFO_ave｜-Φ_CFO)/△F)，其中ceil((｜CFO_ave｜-Φ_CFO)/△_F)为对(｜CFO_ave｜-Φ_CFO)/△_F进行无条件进入至整数的运算。接下来在步骤S308中，会判断△_cap是否小于等于0，若是，则进入步骤S310中，并判定临界值Φ_CFO为一第一临界值T_max且将旗标blsFreeze设为True；若步骤S308判断△_cap并非小于等于0，则进入步骤S312。

在步骤S312中，会判断平均载波频率偏移估计值CFO_ave是否大于等于0，若是，则进入步骤S314，并设定该正交频分复用接收机中的该振荡器的控制电容值Crystal_cap=Crystal_cap+△_cap，之后直接进入步骤S318。反之若是判断CFO_ave并非大于等于0，则会进入步骤S316，并设定该正交频分复用接收机中的该振荡器的控制电容值Crystal_cap=Crystal_cap-△_cap，之后同样进入步骤S318。在步骤S318中，判定临界值Φ_CFO为一第二临界值T_min且将旗标blsFreeze设为错误（False）。

当取绝对值后的平均载波频率偏移估计值｜CFO_ave｜超出第一临界值T_max之后，便持续依据后续特定时段所产生的平均载波频率偏移估计值来更新该载波频率偏移调整值，以校正该正交频分复用接收机的该振荡器，直到后续的平均载波频率偏移估计值降低至达到第二临界值T_min为止。即，在此利用迟滞比较（hysteresis comparison）的原理来排除平均载波频率偏移估计值CFO_ave在一个范围之内（第二临界值T_min和第一临界值T_max之间）的不稳定性。

除此之外，亦可视需求变化图3的载波频率偏移校正方法3中某些特定步骤。例如，可另判断特定时段T1的平均载波频率偏移估计值CFO_ave与前一特定时段T-1所计算出的平均载波频率偏移估计值CFO_ave-1之间的差距△_{CFO_ave}是否超出一异常临界值。即，若平均载波频率偏移估计值CFO_ave相较于平均载波频率偏移估计值CFO_ave-1突然发生很大的改变，则此平均载波频率偏移估计值CFO_ave为偶发的异常值，可能是噪声或某些不正常的状况所导致，因此，此异常值便不被采用来产生电容调整量△_cap，以避免错误的调整动作。又，例如，若△_{CFO_ave}大于一临界值Φ_{CFO_dif}，则终止特定时段T1的载波频率偏移校正；然而，若连续地发生此状况，举例来说，前一特定时段T-1所计算出的平均载波频率偏移估计值CFO_ave-1与前两特定时段T-2所计算出的平均载波频率偏移估计值CFO_ave-2之间的差距△_{CFO_ave-1}大于临界值Φ_{CFO_dif}，以及△_{CFO_ave}也大于一临界值Φ_{CFO_dif}，则可能此较剧烈的变化非属突发的异常，而是需要被调整的载波频率偏移，应视为正常的平均载波频率偏移估计值CFO_ave，并被采用来产生电容调整量△_cap以对该接收端的振荡器进行调整。

请参阅图4，图4为本发明依据本发明应用于载波频率偏移校正的机器可读媒体的一实施例的示意图。计算机***400包含有一处理器402以及一机器可读媒体404，例如，计算机***400可以是一个人计算机，而机器可读媒体404可以是个人计算机中任何具有数据储存功能的储存装置，如挥发性内存、非挥发性内存、硬盘、光盘等等。本实施例中，机器可读媒体304中储存一程序代码PROG，当程序代码PROG被处理器402所加载并执行时，程序代码PROG会使处理器402针对接收自一数字载波频率偏移估计的至少一载波频率偏移估计值来产生一载波频率偏移调整值，并且依据该载波频率偏移调整值来调整该接收机的一振荡器的一振荡器频率，也就是执行本发明所揭示的载波频率偏移校正方法(即图3所示的步骤S300～S324)。由于本领域技术人员参照前述针对时序分析方法的内容应可了解处理器402执行程序代码PROG所进行的时序分析操作，故在此省略更进一步的说明。

本发明所提出的应用在正交频分复用接收机的载波频率偏移校正方法，可以基带数字电路来实现，亦可利用软件或是韧体来实现，并将计算出的结果通过写入至基带数字电路的缓存器，或是直接回授至模拟电路来控制振荡器的频率，以达到校正载波频率偏移的目的。相较于公知技术，可显著地减少模拟电路的复杂度，并且强化单纯数字校正方法的校正能力。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求书所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (7)

1.一种载波频率偏移校正方法，用于校正一接收机的载波频率偏移，该载波频率偏移校正方法包含有：

接收由一数字载波频率偏移估计所产生的至少一载波频率偏移估计值；

依据该至少一载波频率偏移估计值来产生一载波频率偏移调整值；以及

依据该载波频率偏移调整值来调整该接收机的一振荡器的一振荡器频率；

其中依据该载波频率偏移调整值来调整该接收机的该振荡器的该振荡器频率的步骤通过以下三种方式之一进行：

第一种方式：依据该至少一载波频率偏移估计值以及该振荡器的一控制电容值的单位电容值所对应的一频率偏移量与一频率偏移方向，来计算该载波频率偏移调整值；

第二种方式：依据该数字载波频率偏移估计在一特定时段之内所产生的多个载波频率偏移估计值来计算一平均载波频率偏移估计值；判断该平均载波频率偏移估计值是否超出一临界值；以及当该平均载波频率偏移估计值超出该临界值，则依据该平均载波频率偏移估计值来产生该载波频率偏移调整值；以及

第三种方式：依据该数字载波频率偏移估计在一目前时段与多个先前时段中每一时段之内所产生的多个载波频率偏移估计值来计算该时段的一平均载波频率偏移估计值，以得到该目前时段与该些先前时段所分别对应的多个平均载波频率偏移估计值；判断该目前时段与该些先前时段中任两连续时段所对应的平均载波频率偏移估计值之间的一差值是否超出一临界值；以及若该目前时段与该些先前时段所对应的连续的多个差值均超出该临界值或均不超出该临界值，则依据该目前时段的平均载波频率偏移估计值来产生该载波频率偏移调整值。

2.根据权利要求1的载波频率偏移校正方法，其中该接收机为一正交频分复用接收机。

3.根据权利要求1的载波频率偏移校正方法，当依据该载波频率偏移调整值来调整该接收机的该振荡器的该振荡器频率的步骤通过该第一种方式进行时，其中依据该载波频率偏移调整值来调整该接收机的该振荡器的该振荡器频率的步骤包含有：

依据该载波频率偏移调整值来调整该振荡器的该控制电容值。

4.根据权利要求3的载波频率偏移校正方法，其中依据该载波频率偏移调整值来调整该振荡器的该控制电容值的步骤包含有：

依据该数字载波频率偏移估计在一特定时段之内所产生的多个载波频率偏移估计值来计算一平均载波频率偏移估计值；

判断该平均载波频率偏移估计值的绝对值是否小于一门限值以及一判决标志位是否为允许；

当该平均载波频率偏移估计值的绝对值不小于该门限值或该判决标志位为不允许时，根据下述公式计算该控制电容值的一电容调整量：

△_cap＝ceil((|CFO_ave|-Φ_CFO)/△_F)

其中△_cap为该电容调整量，CFO_ave为该平均载波频率偏移估计值，Φ_CFO为该门限值，△_F为该频率偏移量；

根据该电容调整量调整该控制电容值。

5.根据权利要求4的载波频率偏移校正方法，其中根据该电容调整量调整该控制电容值的步骤包含有：

判断该电容调整量是否小于或等于零；

当该电容调整量大于零并且该平均载波频率偏移估计值大于或等于零时，该控制电容值增加该电容调整量；

当该电容调整量大于零并且该平均载波频率偏移估计值小于零时，该控制电容值减少该电容调整量。

6.根据权利要求1的载波频率偏移校正方法，当依据该载波频率偏移调整值来调整该接收机的该振荡器的该振荡器频率的步骤通过该第二种方式进行时，其中判断该载波频率偏移估计值是否超出该临界值的步骤另包含有：

当该平均载波频率偏移估计值超出该临界值之后，持续依据后续特定时段所产生的平均载波频率偏移估计值来更新该载波频率偏移调整值，直到后续特定时段所产生的平均载波频率偏移估计值降低至达到另一临界值为止。

7.根据权利要求1的载波频率偏移校正方法，当依据该载波频率偏移调整值来调整该接收机的该振荡器的该振荡器频率的步骤通过该第二种方式进行时，其中依据该数字载波频率偏移估计在该特定时段之内所产生的该些载波频率偏移估计值来计算该平均载波频率偏移估计值的步骤包含有：

自该些载波频率偏移估计值中选取出一部分的载波频率偏移估计值，其中该一部分的载波频率偏移估计值不包含该些载波频率偏移估计值的一最大值与一最小值的至少其一；以及

依据该一部分的载波频率偏移估计值来计算该平均载波频率偏移估计值。