CN2917103Y - 接收机中的自动频率控制*** - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种新型、高精度、抗干扰、用于Rake接收机的自动频率控制(AFC)***。该***利用所有锁定的finger给出的时间同步导频I/Q符号序列，通过复数乘法器计算出所有锁定的finger给出的时间同步导频I/Q符号序列中包含的复数相位误差。然后再通过对该复数相位误差进行滤波，获得滤波后的复数相位误差。该自动频率控制器根据滤波后的复数相位误差的值，按步长调整调整VCTCXO的脉冲密度调制器(PDM)的控制电压，利用VCTCXO PDM的输出进一步调整VCTCXO输出的频率。在该自动频率控制器中，采用指数窗IIR滤波器对时间同步导频I/Q符号序列包含的复数相位误差进行滤波，提高了自动频率控制的准确性和可靠性。指数窗IIR滤波器的输出，用于调整VCTCXO的脉冲密度调制器的控制电压，从而利用VCTCXO的脉冲密度调制器的输出准确地调整、控制VCTCXO的输出频率。

Description

接收机中的自动频率控制***

技术领域：

本实用新型提出一种新型、高精度、抗干扰、用于Rake接收机的自动频率控制(AFC)***。该AFC***用于控制温度补偿压控晶体振荡器的输出的频率，以准确跟踪基站发射的载波频率，属于移动通信领域。

背景技术：

在移动通信中，移动台为了完成对接收到的射频信号的解调，需要产生一个与基站发射载波的中心频率一致的本地载波频率。

VCTCXO(温度补偿压控晶体振荡器)用于在移动台产生与基站发射载波频率f_c相匹配的本地载波频率。由于各种因素，VCTCXO存在频率精度误差。在多数情况下，产生的载波频率是f_c+Δf。其中，多普勒效应是造成产生Δf的主要原因，该效应与车辆速度有关。

如果VCTCXO产生的本地载波频率的精度不足且不及时纠正，输入信号解调性能可能会严重恶化。

自动频率控制用来跟踪VCTCXO的频率漂移。它可在一个预设范围内，在某些频率点上锁定有效的信号。

简言之，自动频率控制用于纠正频率漂移和不确定性，Δf，使频率稳定度达到并保持在可以保证解调顺利进行的水平。需要指出的是，在移动通信中，无线电波在传播过程中存在衰落，因而第三代移动通信***多采用Rake接收机。一个Rake接收机会组合来自多个Finger的信号。

因此，自动频率控制电路/逻辑是与Finger配合使用的。每个finger都有其独立的自动频率控制鉴别器(鉴频器)，执行频率误差检测过程与其他finger无关。自动频率控制环合并来自所有锁定的finger的输入，作为驱动温度补偿压控振荡器调整输出频率的误差信号。

在初始频率获取(即下行导频搜索)完成后，自动频率控制可纠正的最大频率误差是采样频率的1/2。如果频率误差超出采样频率1/2，会造成相位模糊性问题(存在多个可能的相位)。

对个人移动终端要求的最小频率分辨率为150Hz，因此，即最小测量单位也是以150Hz为步长。实际情况要求有更好的分辨率。

频率变化的速率取决于多普勒效应。在2GHz的条件下，期望的最大多普勒频率为300Hz，额定速率为80Hz，对应于大约43km/hr。做个比较，通常情况下步行速小于5km/hr，市区内车辆行驶速度一般在50km/hr左右，高速公路上行驶速度一般为100km/hr。100Hz的频率误差而造成大约为6×10^-3dB的性能恶化。

附图1示意出一个概念性的自动频率控制的***层次框图。需要指出的是，在一个移动台中，每个finger采用一个自动频率控制鉴别器(鉴频器)。对VCTCXO的纠正，是基于各个锁定的finger的鉴频器输出的误差信号加权总和完成的，即，用于产生压控电压的误差测量值E(t)，是所有锁定的finger给出的频率误差信号e_i(t)的加权总和：

$E\left(t\right)=\underset{i=0}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{w}_i\·e_i\left(t\right)$

其中i＝0，1，2，3，是锁定的finger的编号。w_i是e_i(t)的加权系数。

自动频率控制环是一种反馈控制环路。由于信道条件变化，因此需要通过控制与信号质量有关的环路带宽。同时，由于校正与跟踪的要求不同，需要根据***状态调整环路带宽。

附图二是线性自动频率控制分析框图。对于此框图，可以推导出自动频率控制的闭环传递函数为：

H(s)＝A₀KF(s)/(1+A₀KF(s))

式中

A₀＝经过自动增益控制得到的信号幅度

K＝闭环增益常量

而对于F(s)，我们采用一阶滤波器，因而有

F(s)＝1/s

和

H(s)＝A₀K/(s+A₀K)

研究表明，稳定状态下的频率误差趋近于零。K常数合并了鉴别器增益(无单位数量)和VCTCXO灵敏度(弧度/秒/伏)。F(s)＝1/s滤波器块符合VCTCXO的拉普拉斯变换特性。Phi₁和Phi₂为输入信号相位和参考相位。一阶环路设计参数仅仅与A₀K有关。因而，自动频率控制环的误差信号带宽BL定义如下：

BL＝A₀K/4

发明内容：

设计目的：本实用新型提出一种新型、高精度、抗干扰、用于Rake接收机的自动频率控制(AFC)***。该***利用所有锁定的finger给出的时间同步导频I/Q符号序列，通过复数乘法器计算出所有锁定的finger给出的时间同步导频I/Q符号序列中包含的复数相位误差。然后再通过对该复数相位误差进行滤波，获得滤波后的复数相位误差。该自动频率控制器根据滤波后的复数相位误差的值，按步长调整调整VCTCXO的脉冲密度调制器(PDM)的控制电压，利用VCTCXO PDM的输出进一步调整VCTCXO输出的频率。

设计方案：

本实用新型提出的自动频率控制环路的结构的简化框图，如附图3所示。

根据本实用新型，自动频率控制环路由以下部件构成：(1)RF直接频率转换器；(2)高速A/D(模数)转换器；(3)Finger解调单元(多个)；(4)自动频率控制器(AFC)；(5)VCTCXO(温度补偿压控晶体振荡器)；(6)频率合成器。

在该自动频率控制环路中，RF直接频率转换器完成对接收到的无线电信号(RF信号)的下变频处理，提取出模拟调制信号。A/D转换电路将模拟调制信号转换成原始I/Q码片序列。原始I/Q码片序列送入Finger解调单元(多个)后，Finger解调单元从原始I/Q码片序列中解调恢复出时间同步导频I/Q符号序列。

所有锁定的finger给出的时间同步导频I/Q符号序列被送入自动频率控制器中。自动频率控制器首先同步地计算出各Finger输出的时间同步导频I/Q符号序列的迟延共轭复数相乘的结果。然后，按时间同步合并各Finger迟延共轭复数乘积序列的实部和虚部，从而获得一个新的复数序列(或者看作是两个正交的实数序列)。然后根据这个新的复数序列，利用该序列每一时刻的实部和虚部，就可以计算出每一时刻(时间同步导频)的相位误差。

利用每一时刻(时间同步导频)的相位误差，就可以获得调整VCTCXO输出频率的控制电压。方法是将每一时刻(时间同步导频)的相位送入单极点指数窗IIR滤波器中滤波，根据滤波输出的结果，调整用于控制VCTCXO输出频率的脉冲密度调制器(PDM)的控制电压，从而实现用VCTCXO PDM的输出调整VCTCXO输出的频率。

上述是自动频率控制环路的基本原理和工作过程。自动频率控制器是自动频率控制环路中最复杂、最核心的部件。自动频率控制器的框图，如附图四所示。自动频率控制器是由以下部件构成：(1)复数乘法器；(2)延迟共轭器；(3)加法器；(4)除法器；(5)单极点指数窗IIR滤波器；(6)脉冲密度调制器。

这种自动频率控制器利用所有锁定的finger给出的时间同步导频I/Q符号序列，通过复数乘法器计算出所有锁定的finger给出的时间同步导频I/Q符号序列中包含的复数相位误差。然后再通过对该复数相位误差进行滤波，获得滤波后的复数相位误差。该自动频率控制器根据滤波后的复数相位误差的值，按步长调整调整VCTCXO的脉冲密度调制器(PDM)的控制电压，利用VCTCXO PDM的输出进一步调整VCTCXO输出的频率。

所有锁定的finger给出的时间同步导频I/Q符号序列被送入自动频率控制器中。自动频率控制器首先同步地计算出各Finger输出的时间同步导频I/Q符号序列的迟延共轭复数相乘的结果。然后，按时间同步合并各Finger迟延共轭复数乘积序列的实部和虚部，从而获得一个新的复数序列(或者看作是两个正交的实数序列)。然后根据这个新的复数序列，利用该序列每一时刻的实部和虚部，就可以计算出每一时刻(时间同步导频)的复数相位误差。

利用每一时刻(时间同步导频)的复数相位相位，就可以获得调整VCTCXO输出频率的控制电压。方法是将每一时刻(时间同步导频)的复数相位误差送入单极点指数窗IIR滤波器中滤波，根据滤波输出的结果，调整用于控制VCTCXO输出频率的脉冲密度调制器(PDM)的控制电压，从而实现用VCTCXO PDM的输出控制和调整VCTCXO输出的频率。

以上所述是本实用新型提出的自动频率控制器的基本原理和工作过程，以下阐述该自动频率控制器使用的有关算法。

1.将第N个锁定的Finger输出的时间同步导频I/Q符号序列分别记作I(N，k)和Q(N，k)

(1)I(N，k)表示第N个锁定的Finger输出的时间同步导频I符号序列中第k个符号；

(2)Q(N，k)表示第N个锁定的Finger输出的时间同步导频Q符号序列中第k个符号；

式中，N是锁定的Finger的编号，k表示I/Q符号序列中第k个符号。

2.对所有锁定的Finger输出的时间同步导频I/Q符号序列，分别计算延迟共轭复数乘积。该共轭复数乘积的实部(同相符号)C_i(N，k)和虚部(正交相位符号)C_q(N，k)分别按下式计算：

(1)C_i(N，k)＝I(N，k)·I(N，k-1)+Q(N，k)·Q(N，k-1)；

(2)C_q(N，k)＝Q(N，k)·I(N，k-1)-I(N，k)·Q(N，k-1)。

3.对所有锁定的Finger，按下式分别计算C_i(N，k)和C_q(N，k)的叠加：

$\left(1\right)C_i\left(k\right)=\underset{N=0}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{C}_i(N,k);$

$\left(2\right)C_q\left(k\right)=\underset{N=0}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{C}_q(N,k).$

4.按下式计算由C_i(k)和C_q(k)构成的复数相位误差：

$\mathrm{\α}\left(k\right)=\frac{C_q\left(k\right)}{C_i\left(k\right)};$

5.α(k)送入单极点指数窗IIR滤波器，按下式进行滤波，计算出滤波后的复数相位误差：

θ(k)＝(1-β)·θ(k-1)+β·α(k)

式中，θ(k)是滤波后的复数相位误差，k是α(k)和θ(k)序列的下标。β是单极点IIR滤波器的遗忘因子。

6.根据θ(k)的值，调整VCTCXO的脉冲密度调制器(PDM)控制电压，以调整VCTCXO输出的频率：

(1)如果θ(k)≥0，则将VCTCXO的脉冲密度调制器(PDM)的控制电压增加一个电压调整步长Δc；

(2)如果θ(k)＜0，则将VCTCXO的脉冲密度调制器(PDM)的控制电压减少一个电压调整步长Δc。

技术方案1：自动频率控制的鉴频器算法，频率误差估计的准确的公式，不受小角度近似值及幅度的影响，通过对正交样本做复数共轭乘法而得到：

(I_k+jQ_k)(I_k-1+jQ_k-1)^*＝(I_kI_k-1+Q_kQ_k-1)+j(Q_kI_k-1-I_kQ_k-1)

技术方案2：新型高精度抗干扰用于Rake接收机的自动频率控制(AFC)***，自动频率控制环路由以下部件构成：(1)RF直接频率转换器；(2)高速A/D(模数)转换器；(3)Finger解调单元(多个)；(4)自动频率控制器(AFC)；(5)VCTCXO(温度补偿压控晶体振荡器)；(6)频率合成器。

自动频率控制器是由以下部件构成：(1)复数乘法器；(2)延迟共轭器；(3)加法器；(4)除法器；(5)单极点指数窗IIR滤波器；(6)脉冲密度调制器。

对所有锁定的Finger输出的时间同步导频I/Q符号序列，分别计算延迟共轭复数乘积。对所有锁定的Finger输出的时间同步导频I/Q符号序列，分别计算延迟共轭复数乘积。该共轭复数乘积的实部(同相符号)C_i(N，k)和虚部(正交相位符号)C_q(N，k)分别按下式计算：

(1)C_i(N，k)＝I(N，k)·I(N，k-1)+Q(N，k)·Q(N，k-1)；

(2)C_q(N，k)＝Q(N，k)·I(N，k-1)-I(N，k)·Q(N，k-1)。

对所有锁定的Finger的延迟共轭复数乘积的实部和虚部进行叠加。其特征是：

对所有锁定的Finger，按下式分别计算C_i(N，k)和C_q(N，k)的叠加：

$\left(1\right),C_i\left(k\right)=\underset{N=0}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{C}_i(N,k);$

$\left(2\right),C_q\left(k\right)=\underset{N=0}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{C}_q(N,k).$

计算所有锁定的Finger输出的时间同步导频I/Q符号序列包含的复数相位误差。按下式计算由C_i(k)和C_q(k)构成的复数相位误差：

$\mathrm{\α}\left(k\right)=\frac{C_q\left(k\right)}{C_i\left(k\right)};$

采用单极点指数窗IIR滤波器对复数相位误差进行滤波。

α(k)送入单极点指数窗IIR滤波器，按下式进行滤波，计算出滤波后的复数相位误差：

θ(k)＝(1-β)·θ(k-1)+β·α(k)

式中，θ(k)是滤波后的复数相位误差，k是α(k)和θ(k)序列的下标。β是单极点IIR滤波器的遗忘因子。

根据滤波后的复数相位误差，调整VCTCXO的脉冲密度调制器(PDM)控制电压，以调整VCTCXO输出的频率。其特征是：

根据θ(k)的值，调整VCTCXO的脉冲密度调制器(PDM)控制电压，以调整VCTCXO输出的频率：

(1)如果θ(k)≥0，则将VCTCXO的脉冲密度调制器(PDM)的控制电压增加一个电压调整步长Δc；

(2)如果θ(k)＜0，则将VCTCXO的脉冲密度调制器(PDM)的控制电压减少一个电压调整步长Δc。

本实用新型提出的自动频率控制器，利用所有锁定的finger给出的时间同步导频I/Q符号序列，通过复数乘法器计算出所有锁定的finger给出的时间同步导频I/Q符号序列中包含的复数相位误差。然后再通过对该复数相位误差进行滤波，获得滤波后的复数相位误差。该自动频率控制器根据滤波后的复数相位误差的值，按步长调整调整VCTCXO的脉冲密度调制器(PDM)的控制电压，利用VCTCXO PDM的输出进一步调整VCTCXO输出的频率。在该自动频率控制器中，采用指数窗IIR滤波器对时间同步导频I/Q符号序列包含的复数相位误差进行滤波，提高了自动频率控制的准确性和可靠性。指数窗IIR滤波器的输出，用于调整VCTCXO的脉冲密度调制器的控制电压，从而利用VCTCXO的脉冲密度调制器的输出准确地调整、控制VCTCXO的输出频率。该自动频率控制器结构简单、复杂度小、计算开销低、自动频率控制的可靠性高、易于实现、实用性强，非常适合于嵌入在通信芯片中以硬件的方式实现，可直接商用。

附图说明：

图1是自动频率控制环路框图。

图2是自动频率控制环路的线性分析框图。

图3是自动频率控制环路的结构的简化框图。

图4是自动频率控制器的框图。

具体实施方式：

实施例1：参照附图1。附图1所示的是一个概念性的自动频率控制的***层次框图，包括一个频率误差检测器，一个环路滤波器和一个参考载波发生器。频率误差检测器的输出经过环路滤波，作为参考载波发生器的输入。

实施例2：参照附图2。附图2所示的是自动频率控制环路的线性分析框图，包括一个闭环增益放大器A₀K，一个一阶环路滤波器F(s)和一个加法器。加法器的输入分别是跟踪信号的相位以及自动频率控制环路反馈相位的反相。

实施例3：参照附图3和附图4。附图3所示的是自动频率控制环路的结构框图，附图4所示的是自动频率控制器的框图。

附图3和附图4中，RF直接频率转换器完成对接收到的无线电信号(RF信号)的下变频处理，提取出模拟调制信号。A/D转换电路将模拟调制信号转换成原始I/Q码片序列。原始I/Q码片序列送入Finger解调单元(多个)后，Finger解调单元从原始I/Q码片序列中解调恢复出时间同步导频I/Q符号序列。

所有锁定的finger给出的时间同步导频I/Q符号序列被送入自动频率控制器中。自动频率控制器首先同步地计算出各Finger输出的时间同步导频I/Q符号序列的迟延共轭复数相乘的结果。然后，按时间同步合并各Finger迟延共轭复数乘积序列的实部和虚部，从而获得一个新的复数序列(或者看作是两个正交的实数序列)。然后根据这个新的复数序列，利用该序列每一时刻的实部和虚部，就可以计算出每一时刻(时间同步导频)的相位误差。

利用每一时刻(时间同步导频)的相位误差，就可以获得调整VCTCXO输出频率的控制电压。方法是将每一时刻(时间同步导频)的相位误差送入单极点指数窗IIR滤波器中滤波，根据滤波输出的结果，调整用于控制VCTCXO输出频率的脉冲密度调制器(PDM)的控制电压，从而实现用VCTCXO PDM的输出调整VCTCXO输出的频率。

需要理解到的是：上述实施例虽然对本实用新型作了比较详细的说明，但是这些说明只是对本实用新型说明性的，而不是对本实用新型的限制，任何不超出本实用新型实质精神内的发明创造，均落入本实用新型的保护范围内。

Claims (2)

1、一种新型高精度抗干扰用于Rake接收机的自动频率控制AFC***，其特征是：自动频率控制环路由以下部件构成：RF直接频率转换器，高速A/D模数转换器，多个Finger解调单元，自动频率控制器AFC，VCTCXO温度补偿压控晶体振荡器，频率合成器，RF直接频率转换器完成对接收到的无线电信号RF信号的下变频处理，提取出模拟调制信号，高速A/D模数转换器将模拟调制信号转换成原始I/Q码片序列，原始I/Q码片序列送入多个Finger解调单元后，Finger解调单元从原始I/Q码片序列中解调恢复出时间同步导频I/Q符号序列，所有锁定的finger给出的时间同步导频I/Q符号序列被送入自动频率控制器中。

2、根据权利要求1所述的新型高精度抗干扰用于Rake接收机的自动频率控制AFC***，其特征是：自动频率控制器是由以下部件构成：

(1)复数乘法器；

(2)延迟共轭器；

(3)加法器；

(4)除法器；

(5)单极点指数窗IIR滤波器；

(6)脉冲密度调制器。

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