CN104821926B - 用于估计载波频率的未知误差的方法和装置 - Google Patents

Abstract

频率误差估计。一种用于估计载波频率的未知误差的方法，该方法包括以下步骤：对作为所述载波频率的调制版本的信号进行采样以形成多个数据块，各个数据块包括多个样本并且各个样本并入有由于所述载波频率误差而导致的相位误差；对于各个数据块：生成各个样本与所述数据块中的另一样本的乘积，所述另一个样本像所述样本在所述数据块中一样位于所述数据块的倒转版本中的同一位置中，以形成各自并入有由于所述载波频率误差而导致的相同的相位误差的组合样本的向量；并且计算所述组合样本的向量的平均值以形成平均样本的向量；以及依靠从所述多个数据块生成的多个平均样本的向量中的音调频率来估计所述载波频率误差。

Description

用于估计载波频率的未知误差的方法和装置

技术领域

本发明涉及用于估计载波频率的误差的方法和装置。

背景技术

窄带通信***对载波频率误差非常敏感。这是因为载波频率的误差产生符号之间的有害相位旋转，这使接收机灵敏度劣化。该劣化在使用了扩展时可能更严重。通常，接收机将首先解扩所接收到的数据并且然后对扩展码的长度求和以获得良好的信噪比(SNR)。然而，由于频率误差，信号将不再相干地合计。在符号之间还存在相移。这两个效应的组合导致性能的劣化。

存在标准接收机能够用来估计载波频率误差的许多技术。许多技术依靠作为由接收机预先知道的数据序列的导频或同步符号。接收机能够通过将所接收到的符号的相位与它预期接收到的那些相比较来估计载波频率误差。然而，必须发送同步序列降低能实现的数据速率。判定引导技术是另一选项。它们通过查看所接收到的符号与调制星座中的最近点之间的相位差来估计接收到的符号中的相位误差。这个机制依靠在所关注SNR下通常非常易出错的判定。角度操作也是噪声很敏感的并且能够产生大误差。由不完善的相干组合所导致的另外的噪声劣化使这个变得甚至更差。

因此，存在对于用于估计载波频率误差的改进机制的需要。

发明内容

根据一个实施方式，提供了一种用于估计载波频率的未知误差的方法，该方法包括以下步骤：对作为所述载波频率的调制版本的信号进行采样以形成多个数据块，各个数据块包括多个样本并且各个样本并入有由于所述载波频率误差而导致的相位误差；对于各个数据块：生成各个样本与所述数据块中的另一样本的乘积，所述另一个样本像所述样本在所述数据块中一样位于所述数据块的倒转版本中的同一位置中，以形成各自并入有由于所述载波频率误差而导致的基本上相同的相位误差的组合样本；并且计算所述组合样本的平均值以形成平均样本；以及依靠从所述多个数据块生成的多个平均样本来估计所述载波频率误差。

所述方法可以包括通过求和所述组合样本并且除以所述数据块中的样本的数量来计算所述组合样本的平均值。

所述信号可以是已通过扩展而被调制的所述载波频率的版本，所述方法可以包括使用等于用来扩展所述信号的码片速率的采样速率来对所述信号进行采样。

所述信号可以是已通过扩展而被调制的所述载波频率的版本，所述方法可以包括将所述数据块形成为各自包括等于扩展因子的许多样本。

所述方法可以包括使用最大似然估计器来估计所述载波频率误差。

所述方法可以包括通过以下步骤来估计所述载波频率误差：对所述多个平均样本执行傅里叶变换；以及选择在所述变换中具有最高值的频率作为所述载波频率误差。

所述方法可以包括对于多个天线：针对由所述多个天线接收到的各个信号，生成多个平均样本；对每组平均样本，执行傅里叶变换；以及通过平方和求和而组合所获得的多个所述变换。

所估计的载波频率误差可以并入有模糊因子，所述方法可以包括：精细估计阶段，在该精细估计阶段中获得了所述载波频率误差的精细估值，以及粗略估计阶段，在该粗略估计阶段中解析所述精细估值中的所述模糊因子。

所述精细估计阶段可以包括根据权利要求1所述的方法并且通过使用第一采样频率来生成所述数据块而生成精细估值；以及所述粗略估计阶段可以包括通过根据权利要求1所述的方法来生成粗略估值并且通过使用第二采样频率来生成所述数据块而解析所述模糊因子，所述第二采样频率低于所述第一采样频率。

所述粗略估计阶段可以包括使用与由所述精细估计阶段使用的技术不同的用于估计所述载波频率误差的技术来生成所述粗略估值。

所述方法可以包括对于所述粗略估计阶段通过以下步骤来生成所述载波频率误差的粗略估值：使所述多个平均样本与两个或更多个频率混合，所述频率中的每一个频率是所述模糊因子的倍数；确定在混合信号中的每一个信号中包括的信号功率；以及选择生成了包括最高信号功率的混合信号的频率作为所述载波频率误差的粗略估值。

所述方法可以包括将所估计的载波频率误差与所述载波频率误差的粗略估值求和在一起，以形成其中解析了所述模糊因子的所述载波频率误差的完整估值。

所述信号可以是已使用相移键控调制的所述载波频率的版本。

根据第二实施方式，提供了一种装置，该装置被构造为通过实现如权利要求1至12中的任一项所述的方法来估计载波频率的未知误差。

根据第三实施方式，提供了一种用于估计载波频率的未知误差的装置，该装置包括：采样单元，该采样单元被构造为对作为所述载波频率的调制版本的信号进行采样以形成多个数据块，各个数据块包括多个样本并且各个样本并入有由于所述载波频率误差而导致的相位误差；乘积单元，该乘积单元被构造为对于各个数据块，生成各个样本与所述数据块中的另一样本的乘积，所述另一个样本像所述样本在所述数据块中一样位于所述数据块的倒转版本中的同一位置中，以形成各自并入有由于所述载波频率误差而导致的基本上相同的相位误差的组合样本，并且计算所述组合样本的平均值以形成平均样本；以及音调估计器，该音调估计器被构造为使用从所述多个数据块生成的多个所述平均样本来估计所述载波频率误差。

附图说明

现在将参照附图通过示例对本发明进行描述。附图中：

图1示出了用于估计载波频率误差的方法的示例；

图2示出了用于实现精细估计和粗略估计的方法的示例；

图3示出了用于获得粗略频率估计的方法的示例；以及

图4示出了用于估计载波频率误差的装置的示例。

具体实施方式

为了避免用于估计载波频率误差的当前技术的问题，提出了避免对于判定、已知前导或导频的需要并且将问题简化为比较容易的音调(tone)检测问题的估计器。

在这个方法中，通过对作为载波频率的调制版本的信号进行采样以形成多个数据块来估计载波频率的未知误差。各个数据块包括多个样本，并且各个样本并入有由于载波频率误差而导致的相位误差。

然后通过生成数据块中的各个样本与同一块中的另一样本的乘积来处理各个数据块。另一个样本像样本在数据块中一样位于该数据块的倒转(reversed)版本中的同一位置中。结果是各自并入有由于载波频率误差而导致的基本上相同的相位误差的组合样本的向量。然后计算组合样本的平均值，并且通过跨越多个数据块执行这些步骤所获得的多个平均样本用来估计载波频率误差。

在一个示例中，使用相移键控具体地二进制相移键控(BPSK)对数据进行调制。本文所描述的技术在采用其中数据借助于相位调制被编码的一种调制的通信***中可能是特别有利的；它是依靠在所接收到的信号的相位由于载波频率误差而改变时遭受特定性能劣化的该相位的调制技术。然而，这只是一个示例，并且应该理解，可以使用其它调制方法。

本文所描述的技术在采用扩展的通信***中还可能是特别有利的。由于载波频率误差而导致的有害相位旋转产生的性能劣化在采用扩展的***中可能是特别严重的，因为信号不再相干地求和。可以通过本文所描述的技术解决这个不足之处，因为它们使得有害相位旋转在已估计了载波频率误差后被去除。因此，虽然参照扩展信号对估计技术进行描述，但是应该理解，这仅仅将例示这些技术的优点。

在图1中示出了用于估计载波频率误差的方法的示例。该方法通过将所接收到的信号分离成数据块而开始(步骤101)。各个数据块包括多个样本。数据块可以是同一尺寸或不同的尺寸。在一个示例中，数据块各自包括等于扩展因子N_s的许多样本。还可以使用其它尺寸的数据块(如从在下面所描述的粗略频率估计器明显的)。

在这个示例中已扩展了信号，如此所接收到的码片乘以所对应的扩展值s_m(步骤102)。然后计算出由数据块表示的向量与它本身的倒转版本的按元素乘积(步骤103)。结果得到的向量的各个元素并入有由于载波频率误差而导致的基本上相同的有害相位旋转。因此，计算乘积的平均值(步骤104)，这些元素在被平均时主要相干地求和。在L个数据符号的测量周期内针对各个数据块这个序列，判断是否处理了各个数据块(步骤105)。可以串行地执行步骤，使得各个数据块进而被处理，或者可以被并行地高效地处理。L不必为数据序列的长度，并且可能被选取为准确性与误差可变性之间的权衡。结果得到的长度L的向量是频率2f_e的混叠音调和噪声的和。最终步骤是估计存在于该向量中的音调频率以获得载波频率误差的估值(步骤106)。

由于混叠，所估计的载波频率误差具有等于的倍数的模糊因子(ambiguity)。粗略频率估计阶段可以通过在精细频率校正之后执行与图1所示的过程相似的过程来解析这个模糊因子。在下面对此进行更详细的描述。

现在将参照使用二进制相移键控(BPSK)和扩展调制的信号更详细地描述图1所示的方法。这仅用于示例的目的。如以上所说明的，本发明限于特定形式的调制或扩展。

二进制数据b_m按某种二进制序列S_k扩展并且然后映射到BPSK星座点d_k∈{-1,+1}。如果需要还能够对数据区别地编码。然后通过某种脉冲(例如，根升余弦)p(t)对所发送的信号进行滤波。所发送的信号因此是

其中T_c是码片时间(即3dB带宽B_w的倒数)并且N_s是扩展因子。

所接收的信号经历由于晶体误差、信道效应和所发送的信号的频率误差而导致的频率误差。这个频率误差被写为f_e并且能够随着时间而变化。以下说明假定了频率误差在用来估计误差的突发脉冲(burst)上恒定。然而，本发明的原理还可以应用于遭遇变化的信道条件的***，其中f_e可以变化(在下面对这进行更详细的描述)。

能够将所接收到的信号写为：

信号被匹配滤波并且取十分之一为码片速率。能够将离散信号写为：

这假定了接收机由于在突发脉冲的传输上或来自某个预处理阶段的定时对准而具有定时的知识。

式3忽视用来考虑奈奎斯特(Nyquist)脉冲结构被频率误差破坏的项。这将导致符号间干扰，但是仅在甚高频误差下。因此能够在分析中忽视它。

首先描述针对信号信道符号k的处理。这个信道符号的接收向量被写为：

其中φ_k是第k个符号的初始相位。

扩展通过乘以扩展符号s_m而被去除。因为这些可以是±1，所以能够将结果得到的接收序列写为：

然后对这个序列和时间倒转版本执行按元素乘法：

对于BPSK调制，对于所有k来说这给出：

如式7所示，将各个样本与它在数据块的倒转版本中对应的数量相乘生成全部具有相同相位的组合样本。(实际上，这些相位分量可能不是确切地相同的；跨越数据块可能存在由于波动频率误差和信道而导致的相对较小的变化)。然后计算组合样本的平均值。可能使用任何形式的平均，例如平均数、中值、模式。优选选项将计算平均数：

因为组合样本具有基本上相同的相位，所以在计算平均数时它们被主要相干地合计。

相位在连续符号之间按2πf_e(N_s-1)增加。因此，φ_k+1＝φ_k+2πf_e(N_s-1)。这暗示：

代入θ₀作为初始化相位给出：

平均样本因此形成如下的序列，其中，载波频率误差从一个样本到下一个样本引起相位改变。从式10清楚的是，数据的向量z因此是音调频率2f_e。

现在已将问题简化为音调频率估计问题。存在可用于估计该音调的频率的多个方法，并且可对向量z应用任何音调估计算法。优选地，最大似然估计器用来估计音调。实现这个的实用方式可以经由傅里叶变换。例如，可以对向量z执行L点FFT。识别了具有最大绝对值的分块(bin)。与该分块对应的频率被确定为音调频率2f_e。这接近于最大似然估计器，其中这个最大似然估计器与真实的最大似然估计器之间的唯一差别是分块的离散性质。

在多个接收天线的情况下，能够将针对接收天线中的每一个的FFT的结果平方和合计以组合这些结果。这只是来自多个接收天线的结果可能如何被组合的一个示例，并且应该理解，本发明涵盖任何适合的方法的使用。

还可以假定变化的载波频率误差。频率误差在扩展符号的长度上优选地是恒定的。与平均数的最大许可频率误差偏差是平均数可以是范围内的任何值。本文所描述的方法遍及扩展符号突发脉冲的长度估计平均数。在对此进行校正之后，任何偏离频率误差应该是小的并且能够通过已知跟踪方案(例如通过使用科斯塔斯环相位跟踪)来跟踪。

频率捕获范围依赖于采样频率。在上面所描述的示例中，这意味着频率捕获范围依赖于扩展因子N_s。这引入与为采样频率一半的奈奎斯特(或折叠)频率混叠。由以上所描述的过程输出的载波频率误差估值在范围内。分母上的二的额外因子是因为向量z中的音调具有频率2f_e。特别对于较大的扩展因子，频率捕获范围可能是限制性的。

有限的捕获范围意味着所估计的误差可以包括模糊因子。这可以产生被做出以去除错误的接收数据中的有害相位旋转的校正。因此可以应用粗略频率估计阶段。这被示出在图2中，在图2中在精细阶段(步骤201)之后应用了粗略阶段(步骤202)。由粗略估计阶段输出的频率模糊因子被加到精细估值以生成载波频率误差的完整估值(步骤203)。

模糊因子仅能够取特定值。这些值的范围对于l＝-1,0,+1等是有效l值的数量是基于要处理的频率误差的预期范围的设计选择。仅出于说明的目的，在下面参照l＝-1,0,+1描述用于解析这个模糊因子的方法。

粗略阶段的基本原理是使用针对精细频率估计概述的同一技术来创建新的音调信号。这被例示在图3中。首先对数据应用精细频率误差补偿以去除误差的精细估值(步骤301)。粗略频率估计很可能使用来自精细频率估计的不同长度的数据块来获得较大的频率捕获范围。步骤302和303因此本质上是步骤101和102的重复但是针对不同的采样速率。在一个示例中，各个信道符号的N_s个码片被分成一对样本。粗略估计然后继续与图1中相同的处理步骤(步骤304至306)但是针对不同的采样频率以得到新的音调信号在各个信道符号被分成一对样本的示例中，这本质上产生重复以上在式4至式10中安排的处理但是其中N_s＝2。音调信号比z更有噪声，但是我们已经有我们预期音调在哪里(即，对于l＝-1,0,+1在附近)的知识。如果在已经估计的精细频率误差中存在小误差，则不太可能确切地在那些频率中的任一个处。

粗略频率估计阶段在它开始估计音调时偏离精细频率估计阶段。音调信号很可能是有噪声的，但是仅需要在识别有效l值中的哪一个是正确值所必需的程度上识别音调的频率。因此，不同的估计技术很可能从精细估计阶段应用于粗略估计阶段。在图3的示例中，针对所选取的l值首先通过混合了(步骤307)。结果得到的信号然后通过低通滤波器(步骤308)。可以基于信道的预期残余频率误差和多普勒(Doppler)扩展来设定这个滤波器的带宽。例如，能够使用简单移动平均滤波器。计算出在结果得到的信号中包含的功率以获得功率值P_I(步骤309)。针对各个选取的l值重复步骤306至步骤308(步骤310)。最后，通过挑选给出最大功率值P_I的值l值来估计粗略频率(步骤311)。可以使用其它选择方法。然而，这个方法既实现简单且接近于最大似然估计器。

如果存在多个接收天线，则可以通过针对给定l值从各个接收天线合计相应的P_I值来生成各个l值的相应的P_I值。

用于实现本发明的装置很可能被实现为无线通信***的接收机的一部分。这样的接收机可能通常包括用于实现无线通信所公知的RF电路，包括例如天线***、RF收发机、一个或更多个放大器、调谐器、一个或更多个振荡器、数字信号处理器、存储器等。

在图4中示出了装置的示例。通常在401处所示的装置被构造为接收信号r(402)。尽管“接收到的”信号可以是直接来自天线的信号，但是它还可能在被输入到装置之前已经受某种预处理。

装置包括用于形成数据块的第一采样单元402。装置还包括用于形成平均值的向量z的乘积单元403。同时这些作为与图1中的步骤101至步骤105对应的图4中的步骤I被引用。乘积单元403后面是音调检测器404，其被构造为计算精细频率误差这作为图4中的步骤II被引用并且对应于图1中的步骤106。精细频率误差被输出到求和单元405。

装置还可以被构造为执行粗略频率估计，但是如果频率捕获范围被视为足够的从而粗略频率估计为不必要的，则可以禁用这个功能性。

装置包括被构造为使所接收到的信号与所估计的精细频率误差混合的混合器406。装置还包括第二采样单元和第二乘积单元(407和408)，其被构造为将平均值的另一向量输出到一组并行处理路径以便估计精细估值中的模糊因子。各个路径包括模糊混合单元409。这些连接至低通滤波器410和功率计算单元411。最后装置包括最大值识别单元，该最大值识别单元被构造为接收由功率计算单元输出的功率值并且将与那些功率值中的最大值相关联的频率识别为粗略频率估值。最大值识别单元被构造为将粗略频率估值输出到求和单元405。

可能同样地逐次实现图4所例示的并行处理路径。类似地，应该理解，其它部件可能并行地执行它们的所有处理中的一些(例如，通过乘积单元403、第二乘积单元408跨越多个数据块执行的乘积计算)。

图4所示的结构旨在对应于许多功能块。这仅用于例示性目的。图4不旨在限定芯片上的硬件的不同部分之间或软件中的不同程序、过程或函数之间的严格划分。在一些实施方式中，本文所描述的算法中的一些或全部可以全部或部分地用硬件加以执行。在许多实施方式中，通信装置的至少一部分可以由在软件控制下作用的处理器实现。任何这样的软件优选地存储在非暂时性计算机可读介质上，诸如存储器(RAM、高速缓存、硬盘等)或其它存储装置(USB棒、CD、磁盘等)。

本文所描述的方法甚至在甚低信噪环境中特别是对于采用扩展的BPSK***也允许准确的载波频率偏移估计。这些方法既适用于经历平坦衰落的***且同样适用于多径信道。频率捕获范围还在当前估计算法上增加，从而接近码片频率而不是符号频率。这些方法还可以应用于多个天线***。

本文中所描述的方法可以应用于针对物联网(IoT)通信构造的通信网络。示例将包括被构造为根据Weightless^TM协议进行操作的网络(但是本文所描述的方法可以由构造为根据不同的协议(例如LTE、蓝牙、WiFi、VoIP)进行操作的网络容易地实现)。通常，网络将包括被各自构造为与大量地理上彼此隔开的终端进行通信的许多通信设备(例如基站)。本文所描述的通信装置可以仅仅由这样的通信设备或终端来实现。网络可以是蜂窝网络，其中各个通信设备负责与位于相应小区中的终端的空中通信。通信设备经由有线接口或无线接口适当地与核心网进行通信，并且可以至少部分地在核心网的控制下作用。

在一个示例中，本文所描述的通信装置可以被构造为根据Weightless^TM IoT规范进行操作。Weightless^TM使用蜂窝WAN架构，其中协议针对IoT***的要求(低终端成本、低终端工作周期并且因此低功耗，以及对甚低数据速率的可伸缩性)被优化。它原先被设计成在从470MHz到790MHz的TV空白频谱中操作，但是PHY被推广为在变化带宽的许可频带、共享许可接入频带和免除许可频带中操作。

本申请人因此孤立地公开本文所描述的各个单独特征以及两个或更多个这样的特征的任何组合，在这个意义上这样的特征或组合能够总体上鉴于本领域技术人员的公知知识基于本说明书被执行，而不管这样的特征或这些特征的组合是否解决本文所公开的任何问题，并且不限于权利要求的范围。本申请人指示本发明的方面可以包括任何这样的单独特征或这些特征的组合。鉴于前面的描述，对于本领域技术人员而言将明显的是，可以在本发明的范围内做出各种修改。

Claims (15)

1.一种用于估计载波频率的未知误差的方法，该方法包括以下步骤：

对作为所述载波频率的调制版本的信号进行采样以形成多个数据块，各个数据块包括多个样本并且各个样本并入有由于所述载波频率误差而导致的相位误差；

对于各个数据块：

生成各个样本与所述数据块中的另一样本的乘积，所述另一个样本像所述样本在所述数据块中一样位于所述数据块的倒转版本中的同一位置中，以形成各自并入有由于所述载波频率误差而导致的相同的相位误差的组合样本的向量；并且

计算所述组合样本的向量的平均值以形成平均样本的向量；以及

依靠从所述多个数据块生成的多个平均样本的向量中的音调频率来估计所述载波频率误差。

2.根据权利要求1所述的方法，所述方法包括通过对所述组合样本求和并且除以所述数据块中的样本的数量来计算所述组合样本的平均值。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述信号是已通过扩展而被调制的所述载波频率的版本，所述方法包括使用等于用来扩展所述信号的码片速率的采样速率来对所述信号进行采样。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述信号是已通过扩展而被调制的所述载波频率的版本，所述方法包括将所述数据块形成为各自包括等于扩展因子的许多样本。

5.根据权利要求1或2所述的方法，所述方法包括使用最大似然估计器来估计所述载波频率误差。

6.根据权利要求1或2所述的方法，所述方法包括通过以下步骤来估计所述载波频率误差：

对所述多个平均样本执行傅里叶变换；以及

选择在所述变换中具有最高值的频率作为所述载波频率误差。

7.根据权利要求6所述的方法，所述方法包括对于多个天线：

针对由所述多个天线接收到的各个信号，生成多个平均样本；

对每组平均样本，执行傅里叶变换；以及

通过平方和求和而组合所获得的多个所述变换。

8.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所估计的载波频率误差并入有模糊因子，所述方法包括：精细估计阶段，在该精细估计阶段中获得了所述载波频率误差的精细估值，以及粗略估计阶段，在该粗略估计阶段中解析所述精细估值中的所述模糊因子。

9.根据权利要求8所述的方法，其中：

所述精细估计阶段包括根据权利要求1所述的方法并且通过使用第一采样频率来生成所述数据块而生成精细估值；以及

所述粗略估计阶段包括通过根据权利要求1所述的方法来生成粗略估值并且通过使用第二采样频率来生成所述数据块而解析所述模糊因子，所述第二采样频率低于所述第一采样频率。

10.根据权利要求9所述的方法，所述粗略估计阶段包括使用与由所述精细估计阶段使用的技术不同的用于估计所述载波频率误差的技术来生成所述粗略估值。

11.根据权利要求8所述的方法，所述方法包括对于所述粗略估计阶段通过以下步骤来生成所述载波频率误差的粗略估值：

使所述多个平均样本与两个或更多个频率混合，所述频率中的每一个频率是所述模糊因子的倍数；

确定在混合信号中的每一个信号中包括的信号功率；以及

选择生成了包括最高信号功率的混合信号的频率作为所述载波频率误差的粗略估值。

12.根据权利要求1或2所述的方法，所述方法包括对所估计的载波频率误差与所述载波频率误差的粗略估值求和，以形成其中解析了模糊因子的所述载波频率误差的完整估值。

13.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述信号是已使用相移键控调制的所述载波频率的版本。

14.一种用于估计载波频率的未知误差的装置，该装置被构造为用于实现根据权利要求1至12中的任一项所述的方法来估计载波频率中的未知误差。

15.一种用于估计载波频率的未知误差的装置，该装置包括：

采样单元，该采样单元被构造为对作为所述载波频率的调制版本的信号进行采样以形成多个数据块，各个数据块包括多个样本并且各个样本并入有由于所述载波频率误差而导致的相位误差；

乘积单元，该乘积单元被构造为对于各个数据块，生成各个样本与所述数据块中的另一样本的乘积，所述另一个样本像所述样本在所述数据块中一样位于所述数据块的倒转版本中的同一位置中，以形成各自并入有由于所述载波频率误差而导致的相同的相位误差的组合样本的向量，并且计算所述组合样本的向量的平均值以形成平均样本的向量；以及

音调估计器，该音调估计器被构造为使用从所述多个数据块生成的多个所述平均样本的向量中的音调频率来估计所述载波频率误差。