CN108347396A - 追踪并补偿调制信号的定时偏移和频率偏移的***和方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种追踪并补偿调制信号的定时偏移和频率偏移的***和方法。根据本公开的实施例，一种经过调制的信号的接收器包括被配置为对信号进行采样的信号采样单元、过零解调器以及定时偏移追踪单元。过零解调器包括：过零计数器，被配置为确定信号的每个脉冲的过零点数量；符号选择器，被配置为基于脉冲序列中的过零点数量将所述脉冲序列解码为符号。定时偏移追踪单元：被配置为基于过零点数量的累加和解码的符号的相应脉冲值来计算度量，将所述度量与预定阈值进行比较，并且响应于比较，通过使信号采样单元在较早的间隔或较迟的间隔对信号进行采样来补偿信号的定时偏移。

Description

追踪并补偿调制信号的定时偏移和频率偏移的***和方法

本申请要求于2017年1月25日递交并且发明名称为“APPARATUS AND METHOD FORROBUST TIMING AND FREQUENCY OFFSET TRACKING OF RECEIVERS WITH PHASE SHIFTKEYING(PSK)MODULATION”的第62/450,268号美国临时专利申请的优先权和权益，该申请的全部内容通过引用合并于此。

技术领域

本公开涉及无线通信***。具体地，本公开涉及一种对经过调制的信号的频率偏移和定时偏移进行追踪和补偿的***和方法。

背景技术

在基带无线调制解调器设计中，在初始信号获取期间经常考虑符号定时偏移和初始频率偏移。然而，由于发射器时钟频率和接收器时钟频率之间的差异，定时误差和频率误差会在数据分组传送的持续时间内继续累积。对于较长的分组，整个分组传输中累积的未校正的定时偏移和频率偏移会严重降低接收器性能。

例如，根据作为ZigBee规范的基础的IEEE 802.15.4规范，当在868MHz频带中操作时，OQPSK物理层(PHY)符号率为25k符号/秒，当在780MHz、915MHz或2450MHz频带操作时，符号率为62.5k符号/s，精度为百万分之±40(±40ppm)。OQPSK代表偏移正交相移键控。ZigBee的OQPSK是瞬时频率是二进制f_k＝±Δf的连续相位移频键控(CPFSK)调制的形式，而CPFSK的瞬时频率通常可以是f_k＝±Δf,±3Δf,...。在CPFSK以下，每个符号具有固定的持续时间，并且从一个符号到下一符号的相位保持连续性。

如果发送时钟和接收时钟的精度在40ppm以内，但方向相反，则相当于接收器经历了80ppm的偏移。因此，可能的最大频率偏移约为2.4GHz*80/1M＝192kHz或约200kHz。另外，最大PSDU大小是128个八位字节，相当于256个符号和8192个码片(码片通常是指直接序列扩频(DSSS)码的脉冲)。因此，在这种极端情况下，到分组结束时的总时序漂移为8192个码片*80/1e6～0.66个码片。超过一半码片的偏移会对OQPSK解调性能具有破坏性。

发明内容

根据本公开的实施例，一种经过调制的信号的接收器包括被配置为对信号进行采样的信号采样单元、过零解调器以及定时偏移追踪单元。过零解调器包括：过零计数器，被配置为确定信号的每个脉冲的过零点数量；符号选择器，被配置为基于脉冲序列中的过零点数量将所述脉冲序列解码为符号。定时偏移追踪单元被配置为：基于过零点数量的累加和解码的符号的相应脉冲值来计算度量，将所述度量与预定阈值进行比较，并且响应于比较结果，通过使信号采样单元在较早的间隔或较迟的间隔对信号进行采样来补偿信号的定时偏移。

根据本公开的另一实施例，一种经过调制的信号的接收器包括：被配置为根据混频器频率执行信号的基带下变频的信号混频器、过零解调器以及频率偏移追踪单元。过零解调器包括：过零计数器，被配置为确定信号的每个脉冲的过零点数数量；符号选择器，被配置为基于脉冲序列中的过零点数量将所述脉冲序列解码为符号。频率偏移追踪单元被配置为：基于过零点数量的累加计算频率偏移，并且通过根据计算的频率偏移使信号混频器单元增大或减小混频器频率，补偿信号的频率偏移。

附图说明

被包括作为本公开的一部分的附图与上面给出的一般描述以及下面给出的各种实施例的详细描述一起示出各种实施例，以解释和教导本文所描述的原理。

图1示出根据实施例的过零解调器(ZCD)、定时偏移追踪单元和频率偏移追踪单元的示例性示图。

图2示出根据实施例的定时偏移追踪器的示例性流程图。

图3示出根据另一实施例的定时偏移追踪器的示例性流程图。

图4示出根据实施例的频率偏移追踪器的示例性流程图。

附图中的图不一定按比例绘制，并且在整个附图中为了说明的目的，相同结构或功能的元件通常由相同的附图标记表示。附图仅旨在便于描述在此描述的各种实施例，而不描述在此公开的教导的每个方面，并且不限制权利要求的范围。

具体实施方式

在此公开的每个特征和教导可以单独使用或与其他特征和教导结合使用以提供本***和方法。参照附图描述单独地和组合地利用这些特征和教导中的许多的代表性示例。虽然这里的详细描述向本领域普通技术人员说明了用于实施本教导的多个方面的进一步细节，但其并不限制权利要求的范围。因此，在详细描述中公开的特征的组合是本教导的代表性示例，并且可不必以最广泛的意义来实施教导。

对定时偏移和频率偏移进行追踪和补偿的本***和方法适用于包括但不限于ZigBee、IEEE 802.15.4和OQPSK通信***的无线通信***。通常，本***和方法提供不存在已知序列(例如，前导码)的数据辅助的定时偏移(TO)和频率偏移(FO)追踪。

根据一个实施例，本***和方法基于过零计数器的输出提供低复杂度的定时偏移和频率偏移追踪技术。实现了低复杂度是因为过零计数器通常已被实现为针对ZigBee的解调方案的一部分。因此，通过重新使用用于TO和FO追踪的解调输出，可需要较少的电路。此外，通过利用码片分布的基本属性，本***和方法提供用于确定定时偏移和频率偏移补偿的TO度量和FO度量。

图1示出根据实施例的过零解调器(ZCD)、定时偏移追踪单元和频率偏移追踪单元的示例性示图。ZCD包括相位轴产生器101、硬限幅器102、一个或更多个过零检测器103、过零计数器104、码片相关器105和符号选择器106。尽管图1将这些组件示出为单独的组件，但是这些组件中的一个或更多个可被组合。

相位轴产生器101从数字信号混频器110接收经过下变频的OQPSK信号的同相和正交相分量(即，i(t)和q(t))，其中，数字信号混频器110被配置为根据混频器频率执行经过采样的信号(例如，在零-IF接收器的情况下的RF信号)的基带下变频。相位轴产生器101产生M个相位轴：

其中，m∈{1，...，M}。也就是说，相位轴产生器101对信号分量执行Park变换，以产生每个针对不同的相位轴集合的多个经过变换的信号，并且每个脉冲的过零点数量被确定为所述多个经过变换的信号上的过零点数量之和。针对任何相位轴对，会需要具有i(t)和q(t)的两个加法器和两个缩放器。认为θ_m,m∈{1,…,M}以间隔均匀地分隔开。

硬限幅器102针对输入x执行如下函数：

每个过零检测器103从相位轴产生器输出获取一对信号i_m(t)和q_m(t)，并检测过零点(即，相位轴过零时间点)和每个过零点的相位旋转方向。如果i_m(t)信号将值从正改变为负，并且q_m(t)在过零时刻的值为负，则第m个过零检测器103在过零时刻产生负脉冲以指示估计的相位旋转沿顺时针方向，反之亦然。采用i_m(t)和q_m(t)的第m个过零检测器103的输出由D_m(t)表示，可被写为：

其中，t表示样本索引。第m个过零检测器的输出D_m(t)属于集合{-1,0,1}。具体地，-1、0和1分别映射到顺时针过零、无过零和逆时针过零。

在任何OQPSK符号的开始(即，每个码片持续时间Tc的开始)，过零计数器被重置为零。过零计数器104不断对过零检测器103的输出进行相加，并在符号的末尾产生求和结果作为输出。具体地，考虑每个码片OSR个样本的过采样。与码片索引k相关联的OSR×M个样本的总数如下：

其中，D_m(t,k)是在码片k期间相位轴m样本t的过零点数。求和结果z_k是每个码片的过零点的总数，其中，每个码片的过零点的总数在码片持续时间内在所有样本和相位轴上被求和，并被馈送到码片相关器105。因此，过零计数器确定每个码片或脉冲的过零点总数。z_k的较高幅度对应于第一样本在特定方向上转变到第二样本的较高置信度。

码片通常是指直接序列扩频(DSSS)码的脉冲。例如，信号的每个数据符号可如以下表1所指明的被映射到十六个32-码片伪随机噪声(PN)序列之一。PN序列通过循环移位和/或共轭(即，奇数索引的码片值的反转)彼此相关。

表1示例符号到码片映射

为了方便描述，术语“码片”和“脉冲”可以互换使用。尽管表1中的码片值被示为具有值0或1，但是根据用途，码片值可可选地具有值-1或1。

码片相关器105提供硬码片相关和软码片相关之一，并且符号选择器106基于序列中的过零点数量将码片的序列解码为符号。对于硬码片相关，硬码片相关器105可针对每个码片k确定z_k的符号，并随后执行该符号信号与参考序列b(j,k)的相关，其中，j∈{0,1,…,15}：

换言之，码片相关器105(例如，基于最小差值和)在多个参考序列b(j,k)之中寻找与脉冲序列的过零点最接近的匹配参考序列，并且符号选择器106选择与最接近的匹配参考序列b(j,k)相应的符号。

软码片相关器和硬码片相关器之间的区别在于：包含码片序列的过零数的软信息的值z_k被用于相关：

设计参数a是归一化因子。对于32MHz的过采样率和M＝8相位轴，a＝4可能是好的候选。

TO追踪器107接收来自过零计数器的输出z_k(其中，z_k是过零点数)以及来自符号选择器106的解码的符号的码片值z_k，并且确定采样是早还是迟。具体地，TO追踪器107基于过零点数量的累加以及解码的符号的相应码片值来计算度量，并将所述度量与预定阈值进行比较。基于比较的结果，TO追踪器107通过使采样单元109在较早的间隔或较迟的间隔对信号进行采样来补偿信号的定时偏移。

FO追踪器108也从过零计数器104接收输出z_k，并基于过零点数量的累加来计算频率偏移。FO追踪器108通过根据计算出的频率偏移使数字信号混频器110增大或减小混频器频率来补偿信号的频率偏移。

图2示出根据实施例的定时偏移追踪器的示例性流程图。TO追踪器107通过延迟元件201(例如，经由触发器)延迟输入值z_k和q_k来产生值z_k-1和q_k-1。TO追踪器107通过使值z_k-1和q_k-1通过乘法器202并随后经由累加单元203对乘积进行累加来保持早相关计数器(ECC,early correlation counter)。TO追踪器107还通过使值z_k和q_k-1通过乘法器202并随后经由累加单元203对乘积进行累加来保持迟相关计数器(LCC,late correlation counter)。ECC和LCC可在数学上被表示为：

其中，k表示在解码的码片序列中的相应码片的码片索引，L表示每个符号的码片数量，z表示相应码片的过零点数量，q表示在解码的符号中的相应码片的码片值+1或-1。

TO追踪器107通过经由减法单元204从ECC值减去LCC值来计算度量：

度量＝ECC-LCC

TO追踪器107可例如经由无限脉冲响应(IIR)滤波器205对度量进行平滑。TO追踪器107经由比较器206和207将度量与预定阈值Thr进行比较。如果度量的值超过Thr的值而使得度量>Thr(在206)，则TO追踪器107可确定采样较迟，并触发定时调整以回退一个样本(在208)。例如，TO追踪器107可调整采样单元109以在较早的间隔对信号进行采样。如果度量的值在相反方向超过Thr的值而使得度量<-Thr，则TO追踪器107可确定采样较早，并触发定时调整以跳过一个样本(在209)。例如，TO追踪器107可调整采样单元109以在较迟的间隔对信号进行采样。调整后，度量值被重置为零(在210)。因此，如果度量超过特定阈值，则本***声明早事件或迟事件。

图3示出根据另一实施例的定时偏移追踪器的示例性流程图。图3的实施例大致类似于图2的实施例，但是不同之处在于TO追踪器107包括附加元件301、302、303和304，并且将度量计算为加权和：

度量＝(1-a)M_prev+a(ECC-LCC),

其中，M_prev是用于先前解码的符号的度量，而a是权重值∈0≤a≤1。

ECC等式可通过将作为实际的第k个码片输出并作出以下两个假设来导出：

(A1)码片相关输出是无误差的(即，)

(A2)在一个符号内，和的实例是均匀分布的。

如果采样较迟，并且则|z_k|由于不正确的采样而应小于理想值。如果则|z_k|应不受采样误差影响。因此，远离理想采样位置的偏移量可被建模为：

其中，I(x)在条件为真的情况下是值为1的指示函数，否则为0。L＝32是码片中的符号的长度。在(A1)的情况下，指示函数可被替换为：

在(A2)的情况下，通过对ECC应用恒等式，可推导出以下等式：

其中，该等式与当前的度量相同。可对LCC执行类似的推导。

图4示出根据实施例的频率偏移追踪器的示例性流程图。FO追踪器108接收过零点数z_k(在401)。FO追踪器108通过以符号长度L对索引k执行模运算来确定z_k是否与符号的末尾相应(在402)。在这种情况下，L＝32，并且FO追踪器108确定是否k％32＝0。如果k％32≠0，则FO追踪器108还确定是否k％32＝{4,5,9,20和28}中的任何一个(在403)。如果k％32＝{4,5,9,20和28}中的任何一个，则FO追踪器108返回到401以分析下一值z_k+1。如果k％32≠{4,5,9,20和28}中的任何一个，则FO追踪器108将z_k累加为和ΣZ_K(在404)，并随后返回401以分析下一值z_k+1。

当FO追踪器108确定到达了符号的结尾(即，k％32＝0)时，FO追踪器进行到405，以如下计算频率偏移估计

其中，k表示解码的码片序列中的相应码片的码片索引，L表示每个符号的码片数量，z表示相应码片的过零点数量，I表示根据k值而具有值0或1的指示函数，bias和γ表示设计参数。在所示情况下，对于k∈{0,4,5,9,20和28}，I_k＝0，并且在其他情况下，I_k＝1。

换言之，FO追踪器108基于过零点数量的累加来计算频率偏移估计在这种情况下，如由指示函数I_k所提供的，FO追踪器108仅在每个符号的码片的子集上累加过零点数量。数字信号混频器110可接收频率偏移估计并根据频率偏移估计增大或减小混频器频率。

可通过利用参考序列b(j,k)的特殊属性来推导以上频率偏移估计其中：

其中，j表示符号索引，k表示参考序列中的值索引。当频率偏移为零时，信号z_k是发送的序列的缩放版，其中，发送的序列的缩放版应对应于参考序列b(j,k)之一：

Z_k＝C.b(j，k)+γ·f_o

其中，C是表示最大过零计数器输出的常数，b(j,k)是与发送的符号j相关联的参考序列，f_o是频率偏移，常数γ是缩放因子。

随后，通过应用参考序列b(j,k)的特殊属性，用于估计频率偏移的截断和被规定为：

在一些实施例中，可从频率偏移估计进一步减去估计偏差去除项。

在没有截断的情况下的参考序列b(j,k)的总和结果为：

因此，通过应用专门设计的利用以上讨论的参考序列b(j,k)的属性的指示函数I_k，本***和方法提供显著降低的估计误差。

因此，就前述内容而言，本公开的实施例通过使用解码码片的过零点累加度量来提供TO追踪和FO追踪。对于TO追踪，本***还确定ECC值和LCC值，并将ECC值与LCC值之间的差用作度量。此外，如这里描述的TO追踪可在每个码片获取尽可能少的一个样本的情况下运行，并且不需要相位信息的知识。对于FO追踪，本***还提供偏差去除，并且通过仅针对每个符号的码片的子集累加过零点来计算频率偏移估计，从而显着地减小估计误差。

可使用硬件元件、软件元件或两者的组合来实现本***和方法的各种实施例。硬件元件的示例可包括处理器、微处理器、电路、电路元件(例如，晶体管、电阻器、电容器、电感器等)、集成电路、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑器件(PLD)、数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)、逻辑门、寄存器、半导体器件、芯片、微芯片、芯片组等。软件的示例可包括软件组件、程序、应用、计算机程序、应用程序、***程序、机器程序、操作***软件、中间件、固件、软件模块、例程、子例程、函数、方法、步骤、软件接口、应用程序接口(API)、指令集、计算代码、计算机代码、代码段、计算机代码段、字、值、符号或上述各项的任何组合。确定实施例是否使用硬件元件和/或软件元件来实现的操作可根据任何数量的诸如以下项的因素而变化：期望的计算速率、功率等级、热容差、处理周期预算、输入数据速率、输出数据速率、存储器资源、数据总线速度、以及其他设计或性能约束。

至少一个实施例的一个或更多个方面可通过存储在机器可读介质上的表示处理器内的各种逻辑的代表性指令来实现，其中，当所述代表性指令被机器读取时，促使机器制造逻辑以执行这里所描述的技术。诸如称为“IP核”的代表可被存储在有形的机器可读介质上，并被提供给各种客户或制造设施，以加载到实际制作逻辑或处理器的制造机器中。

虽然已参考各种实施方式描述了这里所阐述的特定特征，但是本说明书并不意图被解释为限制性的意思。因此，对本公开所属技术领域中的人员显而易见的是，这里所描述的实施方式的各种修改以及其他实施方式被认为落在本公开的精神和范围内。

为了解释的目的，已参照具体实施例描述了前述描述。然而，上面的说明性的讨论并不意在是穷举的或将权利要求的范围限制为所公开的精确形式。鉴于以上教导，许多修改和变化是可能的。选择这些实施例以便最好地解释实施权利要求的原则以及它们的实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够以适合于所预期的特定用途的各种修改来最佳地使用实施例。

Claims (20)

1.一种经过调制的信号的接收器，所述接收器包括：

信号采样单元，被配置为对信号进行采样；

过零解调器，包括：

过零计数器，被配置为确定信号的每个脉冲的过零点数量，以及

符号选择器，被配置为基于脉冲序列中的过零点数量将所述脉冲序列解码为符号；

定时偏移追踪单元，被配置为：

基于过零点数量的累加和解码的符号的相应脉冲值来计算度量，

将所述度量与预定阈值进行比较，

响应于比较结果，通过使信号采样单元在较早的间隔或较迟的间隔对信号进行采样来补偿信号的定时偏移。

2.如权利要求1所述的接收器，其中，过零解调器还包括：脉冲相关器，被配置为在多个参考序列之中寻找与所述脉冲序列的过零点最接近的匹配参考序列，

其中，符号选择器被配置为选择与最接近的匹配参考序列相应的符号。

3.如权利要求2所述的接收器，其中，计算度量的操作包括：如下计算早相关计数器(ECC)：

其中，k表示解码的脉冲序列中的相应脉冲的脉冲索引，L表示符号中的脉冲的数量，z表示相应脉冲的过零点数量，q表示解码的符号中的相应脉冲的脉冲值，该脉冲值为+1或-1。

4.如权利要求3所述的接收器，其中，计算度量的操作包括：如下计算迟相关计数器(LCC)：

其中，k表示解码的脉冲序列中的相应脉冲的脉冲索引，L表示符号中的脉冲的数量，z表示相应脉冲的过零点数量，q表示解码的符号中的相应脉冲的脉冲值，该脉冲值为+1或-1。

5.如权利要求4所述的接收器，其中，如下计算所述度量：

度量＝ECC-LCC。

6.如权利要求4所述的接收器，其中，所述度量被计算为如下加权和：

度量＝(1-a)M_prev+a(ECC-LCC)，

其中，M_prev是先前符号的度量，a是权重值，0≤a≤1。

7.如权利要求4所述的接收器，其中，定时偏移追踪单元响应于“度量>Thr”的比较结果而使信号采样单元在较早的间隔对信号进行采样，

其中，Thr是所述预定阈值。

8.如权利要求7所述的接收器，其中，定时偏移追踪单元响应于“度量<-Thr”的比较结果而使信号采样单元在较迟的间隔对信号进行采样，

其中，Thr是所述预定阈值。

9.如权利要求7所述的接收器，其中，过零解调器还包括：相位轴产生器，被配置为对信号执行Park变换，以产生多个经过变换的信号，其中，所述多个经过变换的信号中的每个针对不同的相位轴集合。

10.如权利要求9所述的接收器，其中，每个脉冲的过零点数量被确定为所述多个经过变换的信号上的过零点数量之和。

11.如权利要求1所述的接收器，其中，接收器是符合ZigBee的接收器。

12.一种经过调制的信号的接收器，所述接收器包括：

信号混频器，被配置为根据混频器频率执行信号的基带下变频；

过零解调器，包括：

过零计数器，被配置为确定信号的每个脉冲的过零点数量，以及

符号选择器，被配置为基于脉冲序列中的过零点数量将所述脉冲序列解码为符号；

频率偏移追踪单元，被配置为：

基于过零点数量的累加计算频率偏移，

通过根据计算的频率偏移使信号混频器增大或减小混频器频率，补偿信号的频率偏移。

13.如权利要求12所述的接收器，其中，如下计算频率偏移

其中，k表示解码的脉冲序列中的相应脉冲的脉冲索引，L表示每个符号的脉冲数量，z表示相应脉冲的过零点数量，I表示根据k而值为0或1的指示函数，bias和γ表示设计参数。

14.如权利要求13所述的接收器，其中，

对于k∈{0,4,5,9,20和28}，I_k＝0，并且在其他情况下，I_k＝1。

15.如权利要求12所述的接收器，其中，过零点数量的累加仅在每个符号的脉冲的子集上被累加。

16.如权利要求12所述的接收器，其中，过零解调器还包括：脉冲相关器，被配置为在多个参考序列之中寻找与所述脉冲序列的过零点最接近的匹配参考序列，

其中，符号选择器被配置为选择与最接近的匹配参考序列相应的符号。

17.如权利要求16所述的接收器，其中，存在十六个参考序列b(j,k)，其中，j∈{0,…,15}，并且

参考序列具有以下属性：

其中，j表示符号索引，k表示参考序列中的值索引。

18.如权利要求12所述的接收器，其中，过零解调器还包括：相位轴产生器，被配置为对信号执行Park变换，以产生多个经过变换的信号，其中，所述多个经过变换的信号中的每个针对不同的相位轴集合。

19.如权利要求18所述的接收器，其中，每个脉冲的过零点数量被确定为所述多个经过变换的信号上的过零点数量之和。

20.如权利要求12所述的接收器，其中，接收器是符合ZigBee的接收器。