CN1801794A - 一种频率自动校正方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种频率自动校正方法与装置。包括：A：将收信机输出的复数形式的突发信号r(i)，i＝1，...155，根据其相应的频率偏差估计值Δω，进行频率校正；B：对频率校正后的突发信号进行信道估计和均衡处理，获得复信道估计值h(n)和时延调整量TOA；C：由所述复信道估计h(n)和时延调整量TOA，计算出下一个突发信号的频率偏差Δω，用于下一个突发信号频率校正。本发明装置包括所述频率偏差校正模块、标准解调模块和频率偏差估计模块。采用本发明方法与装置能估计和补偿当移动终端相对基站高速运动时由于多普勒效应产生的频率偏差。

Description

一种频率自动校正方法与装置

技术领域

本发明涉及GSM无线通信领域，尤指一种移动终端相对基站高速移动状态下的频率自动校正方法与装置。

背景技术

GSM***中的无线接口综合了频分多址和时分多址技术。GSM在无线传输上的一个基本概念是：传输的单位是156个调制比特的序列，它称为一个突发(burst)。突发占用200kHz的频带宽度，持续时间为0.577ms(15/26ms)。其占用的200kHz被称为频隙。GSM的频带资源按照200kHz为基本单位进行划分。以900MHz频带为例，这个基本频带包括两个25MHz的子频带：890-915Mhz和935-960Mhz。频隙的中心频率在这些频带中从频带边界起间隔200kHz均匀分布。因此在25MHz中有124个不同频隙。频隙就是GSM协议中规定的射频信道。频分多址***的一个特点是：在移动台和基站之间的正常通讯依赖于双方协商的相同频率的射频信道。

在基站和移动终端存在相对运动的情况下，移动终端接收到基站信号的频率与预期的频率发生偏差，该偏差频率可以用多普勒模型来描述：

$\mathrm{\Δf}=\frac{v}{\mathrm{\λ}}=\frac{v\·f}{c}$ (式1)

式1中，Δf表示偏差频率，v表示移动终端的移动速度，f表示信号频率，c表示电磁波传送速度(即光速)。

因为移动终端的频率源需要锁定基站频率，此时移动终端的频率源已经存在一个频率偏移。同样的，基站接收到移动终端的信号频率也存在一个同样的频率偏移。所以基站接收信号的实际频率偏移为：

$\mathrm{\Δf}=2\·\frac{v}{\mathrm{\λ}}=2\·\frac{v\·f}{c}$ (式2)

以速度为50km/h，频率为900Mhz为例，则根据式2移动终端接收信号的频偏为：

$\mathrm{\Δf}=2\·\frac{v\·f}{c}=\frac{2\×50\×{10}^3\×900{\×10}^6}{3600\×3\×{10}^8}=83.4\mathrm{Hz}$

当高速运动时，例如速度为200km/h，频率为1800Mhz时，频偏为667Hz。因此，在基站和移动台之间存在高速运动情况下，频率偏移对以时分/频分复用为特点的GSM***性能存在严重影响。

GSM***发展之初着眼于低速运动应用，对于在高速运动***如列车等的应用未作考虑和具体规定，一般认为，移动台相对基站的运动速度小于150km/h。现有的GSM***对高速运动下的频率偏差未采取解决方法。如图1所示，在一般基站的突发信号解调***中，是采用常规的均衡解调技术。包括收信机、解调器和译码器。收信机从无线口接收到无线信号，经过变频和滤波之后，将获得的数字形式的基带突发信号送往解调器。解调器将基带突发信号解调后送往译码器进行译码。这种解调技术未考虑基站和移动台之间的相对速度造成的频率偏移的影响，因此不适应移动台相对基站高速运动的情况。

随着GSM***的发展，出现了专门用于铁路等高速运动***的衍生应用。列车速度通常在200km/h到400km/h之间。由于移动终端(列车上)与基站(固定)之间的相对运动的多普勒频偏效应，使得效果频率与名义频率之间存在差异。该差异在低速运动情况下可以忽略，而在高速运动环境下，将对***性能产生影响：如话音质量下降，通话中断，通话不能建立等。

发明内容

本发明提供一种频率自动校正方法与装置，估计和补偿当移动终端相对基站高速运动时由于多普勒效应产生的频率偏差。

本发明方法包括下列步骤：

A：将收信机输出的复数形式的突发信号r(i)，i＝0，...155，根据其相应的频率偏差估计值Δω，进行频率校正；

B：对频率校正后的突发信号进行信道估计和均衡处理，获得复信道估计值h(n)和时延调整量TOA；

C：由所述复信道估计h(n)和时延调整量TOA，计算出下一个突发信号的频率偏差Δω，用于下一个突发信号频率校正。

根据本发明的上述方法，第一个时隙的突发信号频率偏差估计值设定为0。

根据本发明的上述方法，所述步骤A中进行频率校正的具体方法为：

A1：计算156点I、Q两路纠偏因子：

e^jkΔω＝cos(kΔω)+jsin(kΔω)k＝0，...，155；

A2：用突发信号r(i)与纠偏因子的共扼复数相乘进行频率校正，得到校正后的突发信号： $\hat{r}\left(i\right)=r\left(i\right)\×e^{-\mathrm{jk\Δ\ω}},i=0,...,155.$

所述纠偏因子的计算方法为查表法。

所述步骤C中计算频率偏差Δω的方法为：

C1：计算出4点复信道估计h(n)和对应时延调整量TOA；

C2：利用4点复信道估计h(n)和训练序列计算出一偏移相位；

C3：将计算得到的偏移相位加上当前突发信号的频率偏移值，作为下一个突发信号的频率偏差估计值Δω。

所述步骤C2包括如下步骤：

C21：利用4点复信道估计h(n)对训练序列进行卷积运算；

C22：将突发信号中的相应位置训练序列乘以卷积后的训练序列的共扼复数；

C23：将步骤C22的计算结果按一设定间隔进行叉积运算，累加各点叉积结果；

C24：将累加出的叉积结果的相位作为偏移相位。

步骤C23中所述设定间隔为16。

本发明另提供一种频率自动校正装置，包括：一频率偏差校正模块、一标准解调模块和一频率偏差估计模块；

所述频率偏差校正模块接收基站收信机输出的复数形式的突发信号和频率偏差估计模块输出的频率偏差值，对当前突发信号进行频率校正；

所述标准解调模块接收校正后的突发信号，进行信道估计和均衡处理，获得复信道估计值和时延调整量，输出给频率偏差估计模块；并输出解调数据给译码器；

所述频率偏差估计模块根据得到的复信道估计值和时延调整量，估计出下一个突发信号的频率偏差值，输出给所述频率偏差校正模块，用于下一个突发信号频率校正。

本发明的频率自动校正方法，能有效补偿由于移动台与基站的相对运动多普勒效应带来的频率偏差，改善GSM***在高速运动状态下的性能，且实现方法简单，成本低廉。

附图说明

图1为现有技术中的突发信号解调流程图；

图2为本发明频率自动校正装置及其信号流程图。

具体实施方式

以下结合图2，对本发明方案给予详细描述。

本发明提供一种频率偏差校正装置，包括：一频率偏差校正模块、一标准解调模块和一频率偏差估计模块。

所述频率偏差校正模块接收基站收信机输出的复数形式的突发信号和频率偏差估计模块输出的频率偏差值，对当前突发信号进行频率校正；

所述标准解调模块接收校正后的突发信号，进行信道估计和均衡处理，获得复信道估计值和时延调整量，输出给频率偏差估计模块；并输出解调数据给译码器；

所述频率偏差估计模块根据得到的复信道估计值和时延调整量，估计出下一个突发信号的频率偏差值，输出给所述频率偏差校正模块，用于下一个突发信号频率校正。

采用本发明的上述校正装置，实现对输入信号的频率进行自动校正的具体方法如下：

收信机从无线口接收到信号，经过变频和滤波之后，形成了复数形式的突发信号r(i)，i＝0，...155。将r(i)与其对应的频率偏差Δω(Δω初始值设为0)输入到本发明频率偏差校正装置中的频率偏差校正模块，进行频率校正。具体方法为：

首先，计算156点I，Q两路纠偏因子：e^jkΔω＝cos(kΔω)+jsin(kΔω)，k＝0，...，155；具体的计算方法可以采用查表法，即预先存储0-360°的sin和cos值于一数据表中；

然后，用突发信号与纠偏因子的共扼复数相乘，得到校正后的突发信号 $\hat{r}\left(i\right)=r\left(i\right)\×e^{-\mathrm{jk\Δ\ω}},i=0,...,155;.$

将校正后的突发信号送到标准解调模块进行信道估计以及均衡处理，输出解调结果给译码器，同时获得复信道估计h(n)，以及时延调整量TOA(复信道估计和时延调整量的具体计算方法为现有技术，在此从略)。

复信道估计和时延偏移量被送到本发明的频率偏差估计模块对下一个突发信号的频率偏差进行估计。将估计出的频率偏差值送到频率校正模块对下一个时隙的突发信号进行频率校正。

频率偏差估计模块进行频率偏差估计的具体方法为：

1、接收标准解调模块输出的复信道估计h(n)，以及时延调整量TOA；

利用四点复信道估计对训练序列进行卷积运算(训练序列定义参阅标准协议GSM05.02)：

2、把突发信号中的相应位置训练序列乘以卷积后的训练序列共扼；

3、按间隔16进行叉积运算(具体的间隔数和h(n)的计算方法有关，16为较佳值)；

$\mathrm{CrossP}\left(j\right)=\widetilde{\mathrm{Tr}}\left(j\right)\×\widetilde{\mathrm{Tr}}*(j-16),i=19,...,25$

总共得到7点叉积结果。

4、对这些叉积结果进行累加；

$\mathrm{CrossP}=\underset{j=19}{\overset{25}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{CrossP}\left(j\right),$

并计算累加结果的相位：

$\mathrm{\Δ}\widetilde{\mathrm{\ω}}=\mathrm{arctg}(\mathrm{Re}\left(\mathrm{CrossP}\right),\mathrm{Im}\left(\mathrm{CrossP}\right));$

5、更新对频率的估计，并输出到频率偏差校正模块用于下一个突发信号的频率校正；

$\mathrm{\Δ\ω}=\mathrm{\Δ\ω}+K\×\mathrm{\Δ}\widetilde{\mathrm{\ω}};$ 其中K为一系数，其典型取值K＝0.0003。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (8)

1、一种频率自动校正方法，其特征在于包括下列步骤：

A：将收信机输出的复数形式的突发信号r(i)，i＝0，...155，根据其相应的频率偏差估计值Δω，进行频率校正；

B：对频率校正后的突发信号进行信道估计和均衡处理，获得复信道估计值h(n)和时延调整量TOA；

C：由所述复信道估计h(n)和时延调整量TOA，计算出下一个突发信号的频率偏差Δω，用于下一个突发信号频率校正。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于：第一个时隙的突发信号频率偏差估计值设定为0。

3、如权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤A中进行频率校正的具体方法为：

A1：计算156点I、Q两路纠偏因子：

e^jkΔω＝cos(kΔω)+jsin(kΔω)     k＝0，...，155；

A2：用突发信号r(i)与纠偏因子的共扼复数相乘进行频率校正，得到校正后的突发信号： $\hat{r}\left(i\right)=r\left(i\right){\×e}^{-\mathrm{jk\Δ\ω}},i=0,...,155.$

4、如权利要求3所述的方法，其特征在于：所述纠偏因子的计算方法为查表法。

5、如权利要求3或4所述的方法，其特征在于：所述步骤C中计算频率偏差Δω的方法为：

C1：计算出4点复信道估计h(n)和对应时延调整量TOA；

C2：利用4点复信道估计h(n)和训练序列计算出一偏移相位；

C3：将计算得到的偏移相位加上当前突发信号的频率偏移值，作为下一个突发信号的频率偏差估计值Δω。

6、如权利要求5所述的方法，其特征在于：所述步骤C2包括如下步骤：

C21：利用4点复信道估计h(n)对训练序列进行卷积运算；

C22：将突发信号中的相应位置训练序列乘以卷积后的训练序列的共扼复数；

C23：将步骤C22的计算结果按一设定间隔进行叉积运算，累加各点叉积结果；

C24：将累加出的叉积结果的相位作为偏移相位。

7、如权利要求6所述的方法，其特征在于：步骤C23中所述设定间隔为16。

8、一种频率自动校正装置，其特征在于包括：一频率偏差校正模块、一标准解调模块和一频率偏差估计模块；

所述频率偏差校正模块接收基站收信机输出的复数形式的突发信号和频率偏差估计模块输出的频率偏差值，对当前突发信号进行频率校正；

所述标准解调模块接收校正后的突发信号，进行信道估计和均衡处理，获得复信道估计值和时延调整量，输出给频率偏差估计模块；并输出解调数据给译码器；

所述频率偏差估计模块根据得到的复信道估计值和时延调整量，估计出下一个突发信号的频率偏差值，输出给所述频率偏差校正模块，用于下一个突发信号频率校正。

Images