CN1819467A - 使用已知数据模式的联合同步和损失估计 - Google Patents

Abstract

可以联合执行同步和损失估计，由此节省用于解码所接收的分组的宝贵时间。可以在TDMA***中执行初始同步。使用该同步可以有利地在预定的范围内限制频率偏移选择和定时偏移选择。在此，一种算法可以找出给出在他们的相应范围上最佳频率偏移选择和定时偏移选择组合的最小差错以及信号幅度和相位，和DC偏移幅度及相位和刺激幅度及相位中的最少一个。

Description

使用已知数据模式的联合同步和损失估计

技术领域

本发明涉及无线通信，尤其涉及使用以分组发送的已知数据模式的联合同步和损失估计。

背景技术

在无线通信***中，接收机需要获得载波和定时同步来确保分组的正确解码。此外，接收机必须估计并校正各种模拟电路损失，诸如DC偏移和乱真或干扰信号(即，刺激(spur))。可以使用多种算法来独立地提供同步或损失估计。例如，在17.3.2.1(a)节中的IEEE 802.11a标准(1999)描述了PLCP前导和用于执行粗和精频率估计的短和长训练符号的功能。多篇文章(诸如由Y.Matsumoto等作，IEEE在1993出版的“π/4-shift QPSK CoherentDetection Demodulator for TDMA/TDD systems”和由Y.matsumoto等作，PIMR在1994出版的“A LOW Power Demodulator LSIC for PersonalCommunications High Performance Coherent Detection Demodulator”)描述了关于PHS同步的方法。通常，对于损失估计，通过平均(如使用低通滤波器)(例如参见美国专利6785523)可以估计DC偏移，并且通过转换到DC然后平均(如，使用在刺激频率的带通滤波器)可以估计刺激。遗憾的是，计算这些算法耗费了应该用于其他重要接收机功能(如分组净荷的实际解码)的宝贵时间。

因此，需要一种加速提供同步和损失估计的技术。

发明内容

可以联合地执行同步和损失估计，由此节省宝贵的时间来解码所接收的分组。在TDMA***(如，个人手机***(PHS))中可以执行初始同步。使用初始同步，可以在约束的范围中有利地限制频率偏移选择和定时偏移选择。使用包含在分组中的已知的数据模式和已知的接收机刺激频率，则一种算法可以有利地找出差错测量最小值，其可以在他们相应的约束范围内提供最佳频率偏移选择和定时偏移选择组合以及信号幅度和相位、DC偏移幅度及相位和刺激幅度及相位的估计。

确定差错测量最小值可以包括使用包含信号幅度和相位、DC偏移幅度及相位和刺激幅度及相位的最小均方差(LMS)算法。可以由下面的方程表示该LMS算法：

$\left(\begin{array}{c}\hat{A}\\ \hat{B}\\ \hat{C}\end{array}\right)={\left(M^{T}M\right)}^{-1}{M}^T\stackrel{\→}{y}$

其中可以由下面的方程表示最小差错：

${\mathrm{error}}_{\mathrm{tim}\_\mathrm{offset},\mathrm{freq}\_\mathrm{offset}}={|{\stackrel{\→}{y}}_{\mathrm{tim}\_\mathrm{offset}}-(\hat{A}\stackrel{\→}{x}{e}^{{\mathrm{jw}}_{\mathrm{freq}\_\mathrm{offse}t}t}+\hat{B}+\hat{C}{e}^{{\mathrm{jw}}_{\mathrm{spur}}t})|}^2$

附图说明

图1图解包含前导(preamble)、唯一字、净荷(payload)和循环冗余校验值的简化的分组。该唯一字是可以将发送实体识别为手机或小区站的已知数据模式。

图2图解用于联合提供同步和损失估计的技术。

图3图解包含差错表面的离散点空间的示例网格。

具体实施方式

根据本发明的一个方面，接收机可以使用短已知数据模式来联合提供同步和损失估计。该短已知数据模式称为“唯一字”。应当注意的是，在无线通信***中的小区站可以具有不同的用于发送的唯一字。同样地，在无线通信***中的手机具有编入发送中的唯一字，该唯一字可以与小区站的唯一字不同。图1图解包含前导101、唯一字102、净荷103和循环冗余校验(CRC)值104的简化的分组100。

在一个实施例中，唯一字102仅具有8个符号(即，16位)。根据PHS标准，接收机应该解码唯一字102来确定是否存在位差错。如果不存在位差错，则接收良好并可以准确解码净荷103。应当注意的是，唯一字102有效地将冗余函数提供给CRC值104，但这是在解码净荷103完成之前进行的。根据本发明的一个方面，唯一字可以有利地用于两个目的：(1)确定位差错的存在和(2)联合地提供同步以及损失估计(诸如DC偏移或刺激)。

如果存在DC偏移和/或刺激，则特定时间间隔接收的信号波形 可以表示为：

$\stackrel{\→}{y}=A\stackrel{\→}{x}{e}^{{\mathrm{jw}}_{\mathrm{offset}}t}+B+C{e}^{{\mathrm{jw}}_{\mathrm{spur}}t}$ (方程1)

其中向量

是唯一字的波形，A是表示信号幅度和相位的复值量，B是表示DC偏移幅度及相位的复值量，C是表示刺激幅度及相位的复值量，w_offset是在发射机和接收机之间的频率偏移，并且w_spur是接收机刺激频率。这些变量中，只有唯一字 和接收机刺激频率w_spur是已知的。因此，信号幅度和相位A、DC偏移幅度及相位B、刺激幅度及相位C和频率偏移w_offset(即，6个变量中的4个变量)是未知的。

应当注意的是，还隐含地存在另一未知变量即时间偏移。特别地，y是过采样(over-sampled)的信号，其中对应于唯一字波形的开始采样的时间偏移最初是未知的。然而，在TDMA***中，每个分组在特定间隔到达，因此足够来在某个约束范围(例如，+/-1符号)中估计定时。在一个实施例中，每个符号可以具有8个过采样的采样时间，由此产生用于所接收的波形的初始采样的17个不同的选择来对应于唯一字的初始采样。因此，根据本发明的一个方面，可以在初始同步期间使用该预定的范围有利地限制(还称为“约束”)时间偏移值。

根据本发明的另一方面，可以使用非常精确的温度补偿晶体振荡器(TCXO)估计频率偏移w_offset。在另一实施例中，使用提交于2004年12月30日的美国专利申请“Frequency Offset Correction Techniques For CrystalsUsed in Communication Systems”(援引于此以供参考)描述的方法可以估计频率偏移w_offset。如那里所述，可以有利地使用基于温度的开环和基于频率估计的闭环技术来得出非TCXO的频率。使用这些技术，频率偏移w_offset可以快速限制到±2ppm。在这种情况下，使用0.25ppm的单位测量，9频率偏移是可能的。因此，使用在初始同步期间使用该预定的范围还可以限制频率偏移值。

在一些实施例中，由于值的约束范围可能实际上是单一值，所以可以足够精确地得知w_offset和时间偏移值。

应当注意的是，在限制用于定时和频率偏移变量的值后，则对于每个可能的定时偏移和频率偏移对，仅剩下三个未知变量，即，A、B和C。

要注意的是，对于 $M=\left(\begin{array}{ccc}{x}_1& 1& 1\\ x_2{e}^{{\mathrm{jw}}_{\mathrm{offset}}t}& 1& e^{{\mathrm{jw}}_{\mathrm{spur}}t}\\ ...& ...& ...\\ x_n{e}^{{\mathrm{jw}}_{\mathrm{offset}}(n-1)t}& 1& e^{j{w}_{\mathrm{spur}}(n-1)t}\end{array}\right),$ 方程1可以重写为：

$\stackrel{\→}{y}=M\left(\begin{array}{c}A\\ B\\ C\end{array}\right)$ 方程2

对于给定的频率偏移freq_offset和定时偏移tim_offset，通过下面的LMS算法可以解决未知变量(A、B和C)：

$\left(\begin{array}{c}\hat{A}\\ \hat{B}\\ \hat{C}\end{array}\right)={\left(M^{T}M\right)}^{-1}{M}^T\stackrel{\→}{y}$ 方程3

其中可以由

${\mathrm{error}}_{\mathrm{tim}\_\mathrm{offset},\mathrm{freq}\_\mathrm{offset}}{=|{\stackrel{\→}{y}}_{\mathrm{tim}\_\mathrm{offset}}-(\hat{A}\stackrel{\→}{x}{e}^{{\mathrm{jw}}_{\mathrm{freq}\_\mathrm{offset}}t}+\hat{B}+\hat{C}{e}^{{\mathrm{jw}}_{\mathrm{spur}}t})|}^2$ (方程4)

表示剩余差错。

在该方程中， 表示在约束的范围内的某些特定时间采样开始的、接收的信号。

在一些实施例中，已知刺激或DC值的作用可能不显著，这允许在方程3中消除 或

从而具有M矩阵的相关简化形式。例如，如果已知刺激不重要，则可以消除M矩阵的项 和项e^jwspurt。

非常重要的是，由于

和e^jwspurt项是已知的、离散的和受限制的，则可以有利地预计算(M^TM)^-1M^T。

图2图解了可以有利地用于联合提供同步和损失估计的技术200。在该技术中，步骤201可以包括在TDMA***(即，时分多址***)中执行初始同步，其中在该***中通过使每个装置“轮流”(其中每一轮称为时隙)发送数字数据，多个装置可以同时共享同一频带。

在一个实施例中，使用从控制装置(如，小区站或基站)接收的分组(如，CCH、TCH或突发流传输)可以执行初始同步。CCH分组是在控制信道(PHS***听连接状态和控制数据的预定频率)上发送的长前导实体。TCH分组(在传输信道上的TDMA数据分组)具有相对短的前导数据和在传输信道上不时地产生的同步块(它提供与CCH分组大致相同的前导特征，但是没有控制数据)。

根据该初始同步，在步骤202，预定的数量的频率偏移选择和定时偏移选择可以有利地限制在预定的范围中。一旦提供这些预定的频率和定时偏移选择并给出包含在分组中的已知数据模式和已知接收机刺激频率，步骤203可以找出error_{tim_offset，freq_offset}的最小值以及信号幅度和相位A、DC偏移幅度及相位B和刺激幅度及相位C的估计，其中error_{tim_offset，freq_offset}的最小值给出在其相应范围中的最佳频率偏移选择和定时偏移选择组合。图3图解了包括差错表面301的离散点空间300的示例网格。在差错表面301中，箭头指示最小差错。

虽然参照附图在这里详细描述了本发明的示例性实施例，应该理解的是本发明不限于那些明确的实施例。他们不希望是无遗漏的或将本发明限制到公开的明确形式。同样地，很显然有多种修改和变型。

例如，在一个实施例中，可以缓冲信号，由此在提供同步和损失估计后，允许接收机来“赶上”。在另一实施例中，软件程序可以在无线通信***中联合地提供同步和损失估计。因此，希望由下列权利要求及其等效物定义本发明的范围。

Claims (11)

1.一种在无线通信***中提供同步和损失估计的方法，该方法包括：

执行初始同步；

根据初始同步将频率偏移限制在第一范围中，并且提供在第一预定范围中第一离散数量的频率偏移选择；

根据初始同步将定时偏移限制在第二范围中，并且提供在第二范围中第二离散数量的定时偏移选择；和

使用包含在分组中的已知数据模式和已知的接收机刺激频率，确定给出差错测量最小值的、在第一范围和第二范围上的频率偏移选择和定时偏移选择组合，由此产生信号幅度和相位以及DC偏移幅度及相位和刺激幅度及相位中的至少一个的估计。

2.如权利要求1所述的方法，其中确定差错测量最小值的步骤包括：使用包含信号幅度和相位、DC偏移幅度及相位和刺激幅度及相位的最小均方差(LMS)算法。

3.如权利要求1所述的方法，其中LMS算法由下面的方程表示：

$\left(\begin{array}{c}\hat{A}\\ \hat{B}\\ \hat{C}\end{array}\right)={\left(M^{T}M\right)}^{-1}{M}^T\stackrel{\→}{y}.$

4.如权利要求3所述的方法，其中差错测量最小值由下面的方程表示：

$\mathrm{erro}{r}_{\mathrm{nm}\_\mathrm{offset},\mathrm{freq}\_\mathrm{offset}}={|{\stackrel{\→}{y}}_{\mathrm{nm}\_\mathrm{offset}}-(\hat{A}\stackrel{\→}{x}{e}^{j{w}_{\mathrm{freq}\_\mathrm{offset}}t}+\hat{B}+\hat{C}{e}^{j{w}_{\mathrm{spur}}t})|}^2$

5.一种用于在无线通信***中联合提供同步和损失估计的软件程序，该软件程序包括：

用于根据初始同步将频率偏移限制在第一范围中、并且提供在第一范围中第一离散数量的频率偏移选择的代码；

用于根据初始同步将定时偏移限制在第二范围中、并且提供在第二范围中第二离散数量的定时偏移选择的代码；

用于使用包含在分组中的已知数据模式和已知的接收机刺激频率的代码；和

用于确定给出在第一和第二预定范围上的最佳频率偏移选择和定时偏移选择组合的差错测量最小值、以及信号幅度和相位以及DC偏移幅度及相位和刺激幅度及相位中的至少一个的估计的代码。

6.如权利要求5所述的软件程序，其中用于确定差错测量最小值的代码包括用于使用包含信号幅度和相位、和DC偏移幅度及相位和刺激幅度及相位中的至少一个的最小均方差(LMS)算法的代码。

7.如权利要求6所述的软件程序，其中LMS算法由下面的方程表示：

$\left(\begin{array}{c}\hat{A}\\ \hat{B}\\ \hat{C}\end{array}\right)={\left(M^{T}M\right)}^{-1}{M}^T\stackrel{\→}{y}.$

8.如权利要求7所述的软件程序，其中差错测量最小值由下面的方程表示：

$\mathrm{erro}{r}_{\mathrm{nm}\_\mathrm{offset},\mathrm{freq}\_\mathrm{offset}}={|{\stackrel{\→}{y}}_{\mathrm{nm}\_\mathrm{offset}}-(\hat{A}\stackrel{\→}{x}{e}^{j{w}_{\mathrm{freq}\_\mathrm{offset}}t}+\hat{B}+\hat{C}{e}^{j{w}_{\mathrm{spur}}t})|}^2$

9.如权利要求3所述的方法，其中预计算矩阵(M^TM^-1)M^T。

10.如权利要求3所述的方法，其中在处理开始前在存储器中存储经采样的接收的波形

11.一种在无线通信***中提供同步和损失估计的方法，该方法包括：

执行初始同步；

根据初始同步将频率偏移限制在第一范围中；

根据初始同步将定时偏移限制在第二范围中；和

使用包含在分组中的已知数据模式和已知的接收机刺激频率，确定给出差错测量最小值的、在第一范围和第二范围上的频率偏移选择和定时偏移选择组合，由此产生信号幅度和相位以及DC偏移幅度及相位和刺激幅度及相位中的至少一个的估计。