TWI390920B - 頻率偏移估計方法和利用該方法之頻率偏移校正裝置 - Google Patents

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Description

頻率偏移估計方法和利用該方法之頻率偏移校正裝置
本發明關於一種頻率偏移估計技術，更具體而言，本發明關於一種估計由複數個天線接收到的信號中所包含的頻率偏移(frequency offset)的頻率偏移估計方法，亦關於一種利用該方法的頻率偏移校正裝置。
在無線通信中，通常需要的是，能夠有效地使用有限的頻率資源。有效使用頻率資源的一種技術是適應式陣列天線(adaptive array antenna)技術。在適應式陣列天線技術中，對複數個天線中要處理的信號的振幅和相位進行控制，從而形成預定指向性型樣(directional pattern)的天線。更具體而言，設有適應式陣列天線的裝置分別改變由複數個天線接收到的信號的振幅和相位，並對複數個這樣改變後的接收信號進行總和計算。結果，該裝置接收與由具有對應於上述振幅和相拉上的變化(此後稱之為“權重(weight)”)的指向性型樣的天線所接收到的信號等效的信號。然後，根據與上述權重相對應的天線的指向性型樣來傳送這些信號。
在適應式陣列天線技術中，計算權重的處理包括：根據最小均方誤差(Minimum Mean Square Error,MMSE)方法的處理。作為MMSE方法，係使用諸如RLS(Recursive Least Squares,遞迴最小平方)演算法和LMS(Least Mean Square,最小均方)演算法等適應式演算法。通常，另一方面，在從傳送裝置的本地振盪器(local oscillator)輸出的載波和從接收裝置的本地振盪器輸出的載波之間存在頻率偏移。其結果會產生相位誤差。例如，如果使用諸如QPSK(Quadrature Phase Shift Keying,四相移位鍵控)之相位調變作為傳送裝置和接收裝置之間的調變方式(modulation scheme)，則接收信號的分佈(constellation)會由於該相位誤差而發生旋轉。該分佈的旋轉通常會使信號的傳輸品質惡化。在一些情況下，可以藉由適應式陣列天線技術中的適應式演算法來估計頻率偏移(例如，參照以下相關技術列表中的參考文獻(1)
相關技術列表
(1)日本專利特開平10－210099號公報。
當使用LMS演算法作為適應式演算法來計算權重時，亦可以將頻率偏移包含在權重的方式來計算頻率偏移。然而，其中可計算之頻率偏移的範圍通常會較小。因此，頻率偏移變得越大，則上述頻率偏移的精確估計將變得越難。此外，若天線數量增加，則要施加LMS演算法的權重數量也會增加。因此，可計算之頻率偏移的範圍將趨向於進一步變小。另一方面，作為將能夠利用LMS演算法來估計頻率偏移的範圍變寬的一種方法，該方法可以採用使LMS演算法的步幅(step－size)參數變得更大。然而，根據該方法，濾波效果通常較小，從而導致信號傳輸品質下降。
本發明係鑑於上述情形而研創者，其目的在於提供一種估計頻率偏移來校正由複數個天線所接收到的信號之間所包含的頻率偏移的方法，以及提供一種利用該方法的頻率偏移校正裝置。
為了解決上述問題，根據本發明較佳實施例的一種頻率偏移校正裝置包括：輸入單元，輸入分別與複數個天線相對應且包含已知信號的複數個接收信號；校正單元，分別校正該等複數個接收信號中所包含的頻率偏移；處理單元，通過對複數個校正後接收信號應用適應式演算法，分別導出與該等已知信號相對應的權重向量及該等權重向量和該等已知信號之間的誤差；估計單元，根據所導出的權重向量和所導出的誤差，而估計複數個校正後接收信號中所包含的頻率偏移的殘餘成分、以及與已知信號相對應的頻率偏移的殘餘成分；頻域轉換單元，該頻域轉換單元分別將複數個校正後接收信號轉換到頻域中，而輸出複數個頻域信號至各校正後接收信號；其中該處理單元藉由對相互對應的已知信號應用適應式演算法，抽出複數個頻域信號中包含的已知信號成分，並導出權重向量和誤差；以及其中該估計單元係根據權重向量和誤差來估計與已知信號相對應的頻率偏移的殘餘成分。該校正單元係透過反映頻率偏移的經估計的殘餘成分來校正頻率偏移。
根據該實施例，在適應式演算法中所導出的加權因數和誤差係用於對頻率偏移的殘餘成分的估計。因此，可以使殘餘成分的估計處理和適應式演算法的一部分得到通用。結果，可以對頻率偏移進行校正，同時防止電路規模 的增加。
上述估計單元係可以將複數個校正後接收信號的複共軛分別乘以所導出的誤差，再從將乘法結果除以所導出的權重向量的除法結果中抽出虛數成分，作為頻率偏移的殘餘成分。在這種情況下，可以利用簡化的處理來估計頻率偏移的殘餘成分。
該處理單元可以導出與除了已知信號之外的其他信號相對應的權重向量；並且上述裝置還可以包括加權單元，該加權單元利用由該處理單元導出的權重向量，分別對複數個校正後接收信號進行加權。在這種情況下，藉由權重向量來進行加權，從而能夠提高傳輸品質。
該處理單元可以抽出複數個頻域信號中所包含的複數個已知信號，並且可以導出分別與該等複數個已知信號相對應的權重向量和誤差；而該估計單元可以估計分別與複數個已知信號相對應的頻率偏移，並根據分別與複數個已知信號相對應的經估計的頻率偏移，來導出應由該校正單元使用的頻率偏移的殘餘成分。在這種情況下，使用分別與複數個已知信號相對應的頻率偏移的殘餘成分，從而導出要用於校正的頻率偏移的殘餘成分，從而提高導出精確度。
根據本發明的另一較佳實施例係關於一種頻率偏移估計方法。該方法的特徵在於：藉由向分別與複數個天線相對應且包含已知信號的複數個接收信號應用適應式演算法，分別導出與已知信號相對應的權重向量、以及權重向量和已知信號之間的誤差，並且根據所導出的權重向量和 誤差，來估計複數個校正後接收信號中所包含的頻率偏移的殘餘成分、以及與已知信號相對應的頻率偏移的殘餘成分，且分別將前述複數個校正後接收信號轉換到頻域中，而輸出複數個頻域信號至各校正後接收信號；藉由對相互對應的已知信號應用適應式演算法，抽出複數個頻域信號中包含的已知信號成分，並導出權重向量和誤差；根據權重向量和誤差來估計與已知信號相對應的頻率偏移的殘餘成分，且透過反映頻率偏移的經估計的殘餘成分來校正頻率偏移。
根據本發明的另一較佳實施例係關於一種頻率偏移估計方法。該方法包括：輸入分別與複數個天線相對應且包含已知信號的複數個接收信號；分別校正複數個接收信號中所包含的頻率偏移；藉由對複數個校正後接收信號應用適應式演算法，來分別導出與已知信號相對應的權重向量、以及該等權重向量和已知信號之間的誤差；以及根據所導出的權重向量和所導出的誤差，來估計複數個校正接收信號中所包含的頻率偏移的殘餘成分、以及與已知信號相對應的頻率偏移的殘餘成分；及分別將該複數個校正後接收信號轉換到頻域中，並輸出複數個頻域信號至各校正後接收信號；其中該導出步驟係抽出複數個頻域信號中所包含的已知信號成分，並藉由對相互對應的已知信號應用適應式演算法來導出權重向量和誤差，以及其中該估計步驟係根據所導出的權重向量和誤差，來估計與已知信號相對應的頻率偏移的殘餘成分，且藉由反映頻率偏移的經估計的殘餘成分來校正頻率偏移。
該估計步驟可以是：將複數個校正後接收信號的複共軛分別乘以所導出的誤差，然後，從將乘法結果除以所導出的權重向量的除法結果中抽出虛數成分，作為頻率偏移的殘餘成分。上述導出步驟可以是：導出與除該等已知信號之外的其他信號相對應的權重向量；上述方法還包括利用藉由上述導出步驟所導出的權重向量分別對複數個校正後接收信號進行加權。
上述導出步驟可以是：抽出複數個頻域信號中所包含的已知信號，並導出分別對應於複數個已知信號的權重向量和誤差；以及上述估計步驟可以是：估計分別與複數個已知信號相對應的頻率偏移，並從分別與複數個已知信號相對應的經估計的頻率偏移，來導出應在校正單元中使用的頻率偏移的殘餘成分。上述估計步驟可以是：估計在將複數個校正後接收信號轉換到頻域的期間中的頻率偏移的殘餘成分。上述導出步驟可以是：導出與除該等已知信號之外的其他信號相對應的權重向量；並且上述方法還可以包括：利用藉由上述導出步驟所導出的權重向量分別對複數個頻域信號進行加權。
資料可以由複數個流(streams)構成。已知信號可以由複數個流構成。控制信號可以由複數個流構成。
應該注意的是，上述方法、裝置、系統、記錄媒體和電腦程式等之間的結構元件和改變的表示的任意組合均是有效的，可以由目前的實施例所涵蓋。
而且，本發明內容不必描述所有所需特徵，從而使本發明還可以是這些描述特徵的子組合。
現在，將根據舉例說明本發明而並未限定本發明範圍的以下實施例來描述本發明。這些實施例中所描述的所有特徵及其組合並非一定是本發明所必須的。
在詳細描述本發明之前，首先描述本發明的概要。根據本發明的實施例係關於一種對複數個天線所接收到的複數個信號分別執行適應式陣列信號處理的基地台裝置。在此，對接收到的信號進行調變(modulated)，特別是藉由正交分頻多工(orthogonal frequency division multiplexing；OFDM)，並且這些接收到的信號形成叢發信號(brust signal)。基地台裝置將複數個接收到的信號轉換為複數個基頻信號(baseband signal)。複數個經轉換的基頻信號分別包含頻率偏移。
根據本實施例的基地台裝置粗略地或不嚴謹地估計基頻信號中(在叢發信號之間的引導部分的前置碼(preamble)中)所包含的頻率偏移，並且藉由前饋(feedforward)來校正所估計的頻率偏移。在藉由FFT(Fast Fourier Transform,快速傅立葉轉換)將其轉換為頻域信號之後，對其執行適應式陣列信號處理。在前置碼週期(period)終止之後，基地台裝置估計經估計的偏移中所包含的殘餘成分，然後，藉由對其進行反饋來校正如上述估計出的殘餘頻率偏移。
第1圖係顯示根據本發明實施例的多載波信號的頻譜。特別地，第1圖係顯示與OFDM調變方式相容的多載波信號的頻譜。在OFDM調變方式中的多載波之一通常稱為次載波(subcarrier)。然而，在此，次載波由“次載波號”來表示。類似IEEE 802.11a標準，在此定義53個次載波，即“－26”至“26”。應該注意的是，將次載波號“0”設置為空(null)，從而減小基頻信號中的直流成分的效果。各次載波係藉由可變地設置的調變方式來調變。在此係使用BPSK(Binary Phase－Shift Keying,二元相移鍵控)、QPSK(四相移位鍵控)、16QAM(Quadrature Amplitude Modulation,十六相振幅調變)和64QAM中的任意調變方式。
如果在接收到的多載波信號中存在頻率偏移，則次載波信號的相位會旋轉。現在將對此進行解釋。從傳送裝置傳送的信號係以下式(1)表示：
其中A1 至An 均為表示各次載波中所包含的信號成分的向量。如果將頻率偏移加到多載波信號中，則接收信號表示為：S exp(jωt)＝(A1 exp(jω1 t)＋A2 exp(jω2 t)＋Λ＋An exp(jωn t))exp(jωt)－－－(2)
當頻率偏移較小時，exp(j ω t)可以近似為常數C，並且式(2)中的信號可以表示為：SC＝(A1 exp(jω1 t)＋A2 exp(jω2 t)＋Λ＋An exp(jωn t))C－－－(3)
當對該信號進行FFT時，各次載波係表示為CA1 、CA2 等。這等效於以下情況：各次載波信號以對應於其頻率偏移的相位發生旋轉。
第2圖係顯示根據本發明實施例的通信系統100的結構。通信系統100包括：終端裝置10、基地台裝置34及網路32。終端裝置10包括：基頻單元26、數據機單元28、無線電單元30及用於終端裝置的天線16。基地台裝置34包括：總稱為“用於基地台裝置的天線14”或“基地台天線14”的第一基地台天線14a、第二基地台天線14b、……、以及第N基地台天線14n；總稱為“無線電單元12”的第一無線電單元12a、第二無線電單元12b、……、以及第N無線電單元12n；信號處理單元18；數據機單元20；基頻單元22；及控制單元24。以信號而言，基地台裝置34包括：總稱為“數位接收信號300”的第一數位接收信號300a、第二數位接收信號300b、……、以及第N數位接收信號300n；總稱為“數位傳送信號302”的第一數位傳送信號302a、第二數位傳送信號302b、……、以及第N數位傳送信號302n；合成信號304；分離前信號308；信號處理器控制信號310；以及無線電單元控制信號318。
基地台裝置34中的基頻單元22是與網路32之間的介面。終端裝置10中的基頻單元26是與連接於終端裝置10的PC或終端裝置10內部的應用程式之間的介面。基頻單元22及26對從通信系統100傳送和由通信系統100接收的信號執行其各自的上層(upper－layer)處理。基頻單元22及26亦可以執行錯誤校正或自動重傳處理，但在此省略該類處理的描述。
基地台裝置34中的數據機單元20和終端裝置10中的數據機單元28係執行調變處理和解調處理。以調變方式而言，數據機單元20和數據機單元28執行BPSK、QPSK、16QAM和64QAM中的任意調變方案。從控制單元24接收所採用的調變方案的指令。數據機單元20及28響應OFDM調變方案來執行調變處理中的IFFT，並執行解調處理中的FFT。
信號處理單元18執行適應式陣列信號處理。容後詳細描述適應式陣列信號處理。基地台裝置34的無線電單元12和終端裝置10的無線電單元30執行基頻信號和射頻信號之間的頻率轉換處理。在此，基頻信號係由信號處理單元18、數據機單元20、基頻單元22、基頻單元26和數據機單元28處理。無線電單元12及無線電單元30進一步執行放大處理、A－D或D－A轉換處理等。
基地台裝置34中的基地台天線14和終端裝置10中的終端天線16對射頻信號執行傳送/接收處理。各個天線的指向性可以是任意的，並且基地台天線14的數量由N表示。控制單元24控制無線電單元12、信號處理單元18、數據機單元20及基頻單元22的時序(timing)等。
第3圖係顯示根據本發明實施例的叢發格式的結構。其係在作為無線LANs(區域網路)之一的IEEE802.11a標準的訊務通道(traffic channel)中所使用的叢發格式。IEEE802.11a標準使用OFDM調變方案。在OFDM調變方案中，係將傅立葉轉換尺寸和保護區間(guard interval)中的符號數量的總和定義為一個單元。在本實施例中，將該一個單元稱為“OFDM符號”。在IEEE802.11標準中，傅立葉轉換的尺寸為64(此後，一個FFT點係稱為“FFT點”)。因此，由於針對保護區間的FFT點的數量為16，因此，OFDM符號等效於80個FFT點。
將主要用於時序同步和通道估計的前置碼(preamble)配置在叢發的四個引導OFDM符號中。該前置碼信號等效於已知信號。因此，信號處理單元18可以使用前置碼作為後述的訓練信號(training signal)。跟隨在“前置碼”之後的“標頭(header)”和“資料(data)”並非為已知信號，但等效於資料信號。在IEEE802.11a標準中，已知的引示信號(pilot signal)係包含在甚至是資料信號期間中的次載波號“－21”、“－7”、“7”和“21”中。
第4圖係顯示第一無線電單元12a的結構。第一無線電單元12a包括切換單元40、接收器42和傳送器44。接收器42包括頻率轉換單元46、AGC(Automatic Gain Control,自動增益控制)單元48、正交檢測(quadrature detection)單元50及A－D轉換單元52。傳送器44包括：放大單元54、頻率轉換單元56、正交調變單元58及D－A轉換單元60。
切換單元40根據來自控制單元24(第4圖中未圖示)的無線電單元控制信號318，將信號的輸入和輸出切換到接收器42和傳送器44。即，切換單元40在傳送時選擇來自傳送器44的信號，而在接收時，則選擇往接收器42的信號。接收器42中的頻率轉換單元46和傳送器44中的頻率轉換單元56在射頻和中頻之間對目標信號執行頻率轉換。
AGC單元48藉由自動控制增益來放大接收信號，以使接收信號的振幅為A－D轉換單元52的動態範圍(dynamic range)內的振幅。正交檢測單元50藉由對中頻信號執行正交檢測，來產生基頻類比信號。另一方面，正交調變單元58藉由對基頻類比信號執行正交調變，來產生中頻信號。A－D轉換單元52將基頻類比信號轉換為數位信號，而D－A轉換單元60將基頻數位信號轉換為類比信號。放大單元54將應傳送的射頻信號放大。
第5圖係顯示信號處理單元18的結構。信號處理單元18包括：頻率偏移校正單元110；FFT單元170；總稱為“乘法器62”的第一乘法器62a、第二乘法器62b、……、以及第N乘法器62n；加法器64；接收權重向量計算單元68；參考信號產生器70；總稱為“乘法器74”的第一乘法器74a、第二乘法器74b、……、以及第N乘法器74n；傳送權重向量計算單元76；以及響應向量計算單元80。信號處理單元18中相關信號包括：權重參考信號306；總稱為“接收權重向量信號312”的第一接收權重向量信號312a、第二接收權重向量信號312b、……、以及第N接收權重向量信號312n；總稱為“傳送權重向量信號314”的第一傳送權重向量信號314a、第二傳送權重向量信號314b、……、以及第N傳送權重向量信號314n；響應參考信號320；響應向量信號322；殘餘頻率信號324；總稱為“校正後接收信號326”的第一校正後接收信號326a、第二校正後接收信號326b、……、以及第N校正後接收信號326n；以及總稱為“頻域信號330”的第一頻域信號330a、第二頻域信號330b、……、以及第N頻域信號330n。
頻率偏移校正單元110輸入分別與複數個基地台天線14相對應的數位接收信號300(在此未圖示)。數位接收信號300已知處於前置碼期間中，並且其在數位信號期間中包含引示信號。頻率偏移校正單元110校正分別包含在數位接收信號300中的頻率偏移，然後輸出這些信號作為校正後接收信號326。儘管稍後將描述細節，頻率偏移校正單元110首先估計頻率偏移(此後稱為“初始頻率偏移(initial frequency offsets)”)，並且利用這樣估計出的初始頻率偏移來校正數位接收信號300。然後，頻率偏移校正單元110還藉由反映頻率偏移中的殘餘成分來校正頻率偏移。頻率偏移的殘餘成分包括在初始頻率偏移已經校正之後仍然存在的頻率偏移。在這種情況下，使用殘餘頻率信號324。
FFT單元170對校正後接收信號326執行傅立葉轉換，從而輸出頻域信號330。亦即，FFT單元170將校正後接收信號326分別轉換到頻域中。在此係假定與複數個次載波相對應的信號在各頻域信號330(例如在第一頻域信號330a)中串列地排列。第6圖係顯示作為頻域信號的第一頻域信號330a的結構。在此，假定第i個OFDM符號在於次載波以次載波號“1”至“26”和次載波號“－26”至“－1”的順序排列。還假定第“(i－1)”個OFDM符號位於第i個OFDM符號之前，並且第“(i＋1)”個OFDM符號位於第i個OFDM符號之後。
再次參考第5圖。利用LMS演算法，接收權重向量計算單元68根據頻域信號330、合成信號304和權重參考信號306來計算接收權重向量信號312。在此，還分別與複數個基地台天線14相對應地、以及與頻域中的複數個次載波相對應地導出(derive)接收權重向量信號312。在此，如果天線數量由N表示而次載波的數量由M表示，則LMS演算法係以下式(4)表示：
其中，Wm (t)是在時間t處與次載波m相對應的接收響應向量，而其成分的數量係天線的數量N。如上上述，按每一次載波(subcarrier－by－subcarrier)執行LMS演算法。在此，假定在前置碼週期期間對接收權重向量信號312進行估計，並且接收權重向量信號312在前置碼週期終止之後將是固定的。在資料信號期間中，類似於此的接收權重向量312還對應於引示信號和除了引示信號之外的其他信號。
即使在前置碼週期已經終止之後，接收權重向量計算單元68從頻域信號330中抽出(extract)複數個次載波中所分配(assigned)的引示信號，並且藉由對引示信號應用LMS演算法，而導出與引示信號相對應的接收權重向量信號312、以及接收權重向量信號312與引示信號之間的誤差。在此，將LMS演算法應用於複數個頻域信號中的相互對應的引示信號。例如，將LMS演算法應用於複數個頻域信號330中與次載波號“－21”相對應的成分。其結果使得接收權重向量計算單元68導出引示信號的數量(即“4”)的誤差。
根據接收權重向量信號和誤差，接收權重向量計算單元68估計頻域信號330之間的引示信號中所包含的頻率偏移的殘餘成分。亦即，接收權重向量計算單元68將與引示信號相對應的頻域信號330的複共軛(complex conjugation)分別與這些誤差相乘，然後，從除以與引示信號相對應的接收權重向量信號312的結果中抽出虛數成分。在此，“與引示信號相對應”還可以等效於“與經分配引示信號的次載波相對應”。利用以上處理，估計分別與引示信號相對應的頻率偏移的殘餘成分。
另外，接收權重向量計算單元68對分別與引示信號相對應的頻率偏移的殘餘成分執行諸如平均處理等統計處理，從而取得頻率偏移的殘餘成分。接收權重向量計算單元68輸出如上取得的頻率偏移的殘餘成分，作為殘餘頻率信號324。估計頻率偏移的殘餘成分，作為當將校正後接收信號326轉換為頻域的週期(亦即“一個OFDM符號”的週期)中的值。
乘法器62利用接收權重向量信號312對頻域信號330進行加權，並且加法器64將乘法器62的輸出加在一起，然後輸出合成信號304。由於如上上述，頻域信號330s在在此按照次載波號的次序排列，接收權重向量信號312也與其相對應地排列。也就是，各乘法器62連續輸入按照次載波號的次序排列的接收權重向量信號312。因此，加法器64按每一次載波將乘法結果相加。結果，合成信號304也按照次載波號的次序串列地排列，如第6圖所示。
在以下敘述中，同樣地，如果要處理的信號定義在頻域中，將基本上按每一次載波執行該處理。為了簡化描述，在此將解釋單個次載波的處理。因此，為了實現複數個次載波的處理，並行地(in parallel)或串列地執行單個次載波的處理。
在訓練週期期間，參考信號產生器70輸出預先儲存的訓練信號作為權重參考信號306和響應參考信號320。在訓練週期之後，將預先儲存的引示信號作為權重參考信號306而予以輸出。
響應向量計算單元80根據頻域信號330及響應參考信號320來計算響應向量信號322，來作為接收信號相對於傳送信號的接收響應特性。計算響應向量信號322的方法可以是任意的，但是可以如下根據諸如相關處理來執行。在此，假定頻域信號330和響應參考信號320不僅從信號處理單元18內部輸入，而且從與經由信號線的應處理的其他信號相對應的信號處理單元(在此未圖示)輸入。如前上述，以下描述將焦點放在複數個次載波其中之一上。如果將對應於第一處理物件的頻域信號330表示為x1 (t)，對應於第二處理物件的頻域信號330表示為x2 (t)，對應於第一處理物件的響應參考信號320表示為S1 (t)且對應於第二處理物件的響應參考信號320表示為S2 (t)，則x1 (t)和x2 (t)係以下式(5)表示：x1 (t)＝h1 1 S1 (t)＋h2 1 S2 (t) x2 (t)＝h1 2 S1 (t)＋h2 2 S2 (t)－－－(5)其中hi j 是第i個終端裝置至第j個基地台天線14j的響應特性，其中忽略雜訊(noise)。第一相關矩陣R1 係以下式(6)表示，其中E為總體平均：
響應參考信號320之間的第二相關矩陣R2 係藉由下式(7)來計算：
最後，將第一相關矩陣R1 乘以第二相關矩陣R2 的逆矩陣，從而導出響應向量信號322，其係以下式(8)表示：
傳送權重向量計算單元76根據接收權重向量信號312或作為接收響應特性的響應向量信號322，來估計對分離前信號308加權所需的傳送權重向量信號314。估計傳送權重向量信號314的方法可以是任意的。然而，作為最簡單的方法，可以完整地使用接收權重向量信號312。另外，可以利用習知技術來校正接收權重向量信號312或響應向量信號322，同時考慮由接收處理和傳送處理之間的時序差(timing difference)所引起的傳播環境的多普勒頻率變化(Doppler frequency variation)。
乘法器74利用傳送權重向量信號314對分離前信號308分別進行加權，然後，輸出上述經加權的傳送權重向量信號314來作為數位傳送信號302。在此，假定由信號處理器控制信號310來指示上述操作中的時序。
在硬體方面，上述結構可以由任意電腦的CPU、記憶體和其他LSIs來實現。在軟體方面，其由具有預留管理功能等之載入有記憶體的程式來實現，但是在此所描寫和敘述的是聯合該等軟硬體而實現的功能區塊(function block)。因此，熟習該項技藝者將會理解：這些功能區塊可以按諸如僅是硬體、僅是軟體或其組合等各種形式來實現。
第7圖係顯示頻率偏移校正單元110的結構。頻率偏移校正單元110是第一頻率偏移校正單元110a、第二頻率偏移校正單元110b、……、以及第N頻率偏移校正單元110n的總稱。各頻率偏移校正單元110a至110n係包括：延遲單元120；相位誤差檢測器122；平均單元124；初始頻率設定單元126；乘法器128；乘法器130；以及殘餘頻率設定單元132。
延遲單元120係使所輸入的數位接收信號300延遲。在此，延遲單元120使其延遲一個OFDM符號。相位誤差檢測器122對於由延遲單元120延遲的數位接收信號300與所輸入的數位接收信號300之間的相位誤差進行檢測。該相位誤差相當於由於頻率偏移所引起的一個OFDM符號中的相位旋轉量。如果數位接收信號300包含信號成分，則移除這些信號成分。平均單元124對由相位誤差檢測器122檢測到的相位誤差進行平均，以便抑制雜訊成分。初始頻率設定單元126將由平均單元124平均後的相位誤差設定為與初始頻率偏移相對應的相位誤差，並輸出基於初始頻率偏移而振盪的信號。乘法器128將由初始頻率設定單元126輸出的初始頻率偏移而發生振盪的信號與所輸入的數位接收信號300相乘，並從所輸入的數位接收信號300中移除與初始頻率偏移相對應的相位誤差。
殘餘頻率設定單元132藉由利用已由外部輸入的殘餘頻率信號324來連續更新殘餘頻率偏移，而設定殘餘頻率偏移，並輸出基於最近更新的殘餘頻率偏移而發生振盪的信號。在此，由於在訓練信號週期已經終止之後輸入殘餘頻率信號324，因此在訓練信號週期已經終止之後，輸出基於殘餘頻率偏移而發生振盪的信號。乘法器130將來自乘法器128的輸出信號乘以來自殘餘頻率設定單元132的輸出信號，從而從乘法器128中移除輸出信號中所包含的殘餘頻率偏移，並且輸出結果信號來作為校正後接收信號326。
第8圖係顯示接收權重向量計算單元68的結構。接收權重向量計算單元68是第一接收權重向量計算單元68a、第二接收權重向量計算單元68b、……、以及第N接收權重向量計算單元68n的總稱，並且包括判定單元180。各接收權重向量計算單元68a至68n包括：加法器140；複共軛單元142；乘法器148；步幅參數儲存單元150；乘法器152；加法器154；延遲單元156；估計單元158；以及開關182。估計單元158包括：複共軛單元160；乘法器162；除法器164；虛數成分抽出單元166；以及乘法器168。
加法器140計算合成信號304和權重參考信號306之間的差，並且輸出誤差信號。加法器140導出與所有次載波相對應的合成信號304和權重參考信號306之間的誤差信號。在前置碼結束之後，加法器140導出與引示信號相對應的合成信號304和權重參考信號306之間的誤差信號。合成信號304和權重參考信號306均具有第6圖所示的格式。複共軛單元142對該誤差信號進行複共軛轉換。
乘法器148將經複共軛轉換的誤差信號乘以第一頻域信號330a，從而產生第一乘法結果。乘法器152將第一乘法結果乘以步幅參數儲存單元150中所儲存的步幅參數，從而產生第二乘法結果。延遲單元156和加法器154對第二乘法結果進行反饋。之後，將第二乘法結果與新的第二乘法結果相加。藉此方式，將由LMS演算法連續更新的加法結果作為接收權重向量312來輸出。儘管上述處理是在前置碼週期對所有次載波進行，亦可在前置碼結束之後對引示信號執行該處理。開關182將在前置碼結束時的接收權重向量信號312的值予以固定。
估計單元158估計頻率偏移的殘餘成分。在描述估計單元158的各元件之前，將概述估計單元158的整個操作。為了清楚地說明，將解釋如何估計針對單個引示信號的頻率偏移的殘餘成分。在此假定在時間t處的接收權重向量312表示為W(t)。另外，與頻域信號330中所包含的殘餘頻率偏移相對應的相位以ψ表示。然後，在時間t＋1處的接收權重向量W(t＋1)係以下式(9)表示：W(t＋1)＝W(t)exp(j ψ)－－－(9)
如果接收權重向量W(t＋1)和W(t)之間的誤差為△，則接收權重向量W(t＋1)和W(t)之間的關係以下式(10)表示：W(t＋1)＝W(t)＋△－－－(10)
結合或等同(equating)上述式(9)和式(10)會產生：W(t)exp(j ψ)＝W(t)＋△－－－(11)
如果相位ψ較小，則式(11)表示為：W(t)．j ψ＝△－－－(12)
因此，相位φ表示為：
其中“Img”表示虛數成分。如果式(13)與LMS演算法的遞迴公式相關聯，則誤差係表示為：△＝μ．X＊ (t)．e(t)－－－(14)
其中μ是LMS演算法中的步幅參數，X是與頻域信號330相對應的向量，以及e是與LMS演算法中的誤差信號相對應的向量。因此，應估計的相位φ表示為：
如上上述，由於***四個引示信號，因此針對單個引示信號所估計的相位φ已經經過統計處理，然後導出了與一個基地台天線14相對應的相位。如果統計處理正在進行平均，則應導出的相位係表示為下式(16)：
在式(16)中，應導出的相位亦以φ表示。換言之，將估計單元158如此建構來計算式(16)。另外，可將已經分別針對複數個基地台天線14導出的相位平均。
複共軛單元160對頻域信號330進行複共軛轉換。乘法器162將經複共軛轉換的頻域信號330乘以從加法器140輸出的誤差信號。除法器164將由乘法器162導出的乘法結果除以從延遲單元156輸出的接收權重向量信號312。虛數成分抽出單元166從除法結果中抽出虛數成分。乘法器168將除法結果中的虛數成分乘以步幅參數，以產生殘餘成分信號332。各殘餘成分信號332對應於各上述基地台天線14，且還對應於與各引示信號相對應的相位。
判定單元180輸入複數個殘餘成分信號332，然後藉由對這些殘餘成分信號332執行統計處理來導出一個相位。然後，判定單元180將一個相位作為殘餘頻率信號324輸出。在此，判定單元180執行如上上述的作為統計處理的平均。藉由諸如此類的處理，導出其中考慮了所有基地台天線14且還考慮了所有引示信號的相位。應該注意的是，該殘餘頻率信號324係在完成前置碼週期之後被輸出。
第9圖係顯示校正頻率偏移的過程的流程圖。在前置碼週期期間(S10的“是”)，延遲單元120、相位誤差檢測器122和平均單元124估計初始頻率偏移(S12)。當已完成估計，初始頻率設定單元126設定所估計的初始頻率偏移，且乘法器128校正數位接收信號300中所包含的初始頻率偏移(S14)。然後，接收權重向量計算單元68估計接收權重向量(S16)，並且乘法器62和加法器64藉由接收權重向量來執行適應式陣列處理(S18)。
當前置碼週期終止時(S10中的“否”)，接收權重向量計算單元68根據頻域信號330來估計頻率偏移的殘餘成分，並將其作為殘餘頻率信號324予以輸出(S20)。然後，將殘餘頻率信號324反饋到殘餘頻率設定單元132，並且乘法器130校正頻率偏移的殘餘成分(S22)。根據接收權重向量信號312，乘法器62和加法器64對頻域信號330執行適應式陣列處理。即使在前置碼已經終止之後，繼續對初始頻率偏移進行校正。
以下描述採用上述結構的基地台裝置34的操作。在接收到的叢發的前置碼週期期間，延遲單元120、相位誤差檢測器122和平均單元124估計數位接收信號300中所包含的初始頻率偏移。在訓練信號週期期間，將來自乘法器128的輸出信號作為校正後接收信號326予以輸出。FFT單元170將校正後接收信號326轉換到頻域中，然後輸出頻域信號330。將頻域信號330輸入到接收權重向量計算單元68，並且由接收權重向量計算單元68估計接收權重向量信號312。
在訓練信號週期已經終止之後，乘法器130藉由基於殘餘頻率信號324的殘餘頻率誤差來校正從乘法器128輸出的信號，並將上述校正後的信號作為校正後接收信號326予以輸出。FFT單元170將校正後接收信號326轉換到頻域中，並輸出頻域信號330。接收權重向量計算單元68估計殘餘頻率信號324。將殘餘頻率信號324反饋到殘餘頻率設定單元132。在頻域信號330的各均在乘法器62處利用接收權重向量信號312加權之後，由加法器64將其總和在一起。
根據本發明的實施例，在估計頻率偏移的殘餘成分時使用了在適應式演算法中所導出的加權因數和誤差。因此，可以使對殘餘成分的估計處理和適應式演算法的一部分得到通用。由於處理的一部分能夠共用，因此能夠防止電路規模增加。由於可校正頻率偏移，故可提高傳輸品質。由於將引示信號用作估計頻率偏移所需的參考，可防止估計頻率偏移時的參考信號的誤差。由於引示信號作為參考，因此可取消對合成信號的判定處理。由於可取消對合成信號的判定處理，故可縮短估計頻率偏移時的延遲週期。可以通過經簡化的處理來估計頻率偏移的殘餘成分。由於在利用權重向量進行加權的同時來執行適應式陣列處理，因此可提高傳輸品質。這些實施例同樣可以應用於多載波信號。由於利用與複數個引示信號相對應的殘餘成分來導出頻率偏移的殘餘成分，故可提高取得精確度(derivation accuracy)。
在計算接收權重向量之前藉由前饋來校正初始頻率偏移，並且校正頻率偏移的殘餘成分。因此，即使頻率偏移較大，也可對其進行校正。即使存在頻率偏移，亦可以將在適應式演算法中獲取接收權重向量所需的步幅參數設置為特定的較小值。因此，可防止由於雜訊而引起的信號惡化。而且，在計算頻率偏移的殘餘成分時可以使用在適應式演算法的過程中計算出的值，從而可防止電路規模增加。
以上根據實施例，對本發明進行了說明，該實施例僅為例示。因此，熟習該項技藝者將會理解：對各元件和過程的組合的其他各種修改均是可能的，並且這樣的修改也在本發明的範圍內。
根據本發明的這些實施例，接收權重向量計算單元68使用LMS演算法來作為用以估計接收權重向量信號312的適應式演算法。然而，亦可在接收權重向量計算單元68中使用除了LMS演算法之外的其他適應式演算法。例如，可以使用RLS演算法來替代。根據該修改，接收權重向量信號312收斂得更快。亦即，只要產生估計殘餘頻率偏移所需的接收權重向量和誤差信號即可。
根據本發明的這些實施例，延遲單元120將數位接收信號300延遲一個符號來估計初始頻率偏移。然而，本發明並不侷限於此，例如，可以將數位接收信號300延遲複數個符號。根據該修改，能夠提高檢測頻率偏移的精確度。亦即，可以按照作為頻率偏移的殘餘成分所期望的值，來設定要延遲的符號數。
在本實施例中，通信系統100傳輸多載波信號，並且假定在多載波信號的一部分中***引示信號。然而，其配置並不侷限於此，例如，通信系統100可以傳輸單載波信號，並且可以將引示信號***到單載波信號的部分期間中。換句話說，可以離散地且週期性地***引示信號。在這樣的情況下，在離散的定序處估計頻率偏移的殘餘成分。通信系統100可以是MIMO(Multiple－Input Mutiple－Output,多輸入多輸出)系統。在這種情況下，終端裝置10具有複數個終端天線16，並且傳輸分別與複數個終端天線16相對應的信號。然後，基地台裝置34具有複數個信號處理單元18和複數個數據機單元29，用於分別對應於複數個終端天線16的信號。根據該修改，本發明可以應用於各種類型的通信系統100。也就是，只要將引示信號用作利用其來估計頻率偏移的殘餘成分的參考即可。
在本實施例中，判定單元180執行平均處理，以根據複數個殘餘成分信號332來導出一個殘餘頻率信號324。然而，其配置並不侷限於此，例如，判定單元180可以執行除了平均之外的例如取中值(median value)等之統計處理。此外，判定單元180可以簡單地從複數個殘餘成分信號332中選擇一個，並且將該所選擇的信號取作殘餘頻率信號324。根據該修改，可藉由採用各種方法來確定殘餘頻率信號324。亦即，只要能夠確定單個殘餘頻率信號324即可。
儘管已經使用特定的術語描述了本發明的較佳實施例，但是這樣的描述僅是說明性的，應該理解在不脫離所附申請專利範圍的精神或範疇的情況下，可以進行改變和修改。
10．．．終端裝置
12．．．無線電單元
12a．．．第一無線電單元
12b．．．第二無線電單元
12n．．．第N無線電單元
14．．．基地台天線
14a．．．第一基地台天線
14b．．．第二基地台天線
14n．．．第N基地台天線
16．．．天線
18．．．信號處理單元
20．．．數據機單元
22．．．基頻單元
24．．．控制單元
26．．．基頻單元
28．．．數據機單元
30．．．無線電單元
32．．．網路
34．．．基地台裝置
40．．．切換單元
42．．．接收器
44．．．傳送器
46．．．頻率轉換單元
48．．．AGC(自動增益控制)單元
50．．．正交檢測單元
52．．．A－D轉換單元
54．．．放大單元
56．．．頻率轉換單元
58．．．正交調變單元
60．．．D－A轉換單元
62．．．乘法器
62a．．．第一乘法器
62b．．．第二乘法器
62n．．．第N乘法器
64．．．加法器
68．．．接收權重向量計算單元
68a．．．第一接收權重向量計算單元
68b．．．第二接收權重向量計算單元
68n．．．第N接收權重向量計算單元
70．．．參考信號產生器
74．．．乘法器
74a．．．第一乘法器
74b．．．第二乘法器
74n．．．第N乘法器
76．．．傳送權重向量計算單元
80．．．響應向量計算單元
100．．．通信系統
110．．．頻率偏移校正單元
110a．．．第一頻率偏移校正單元
110b．．．第二頻率偏移校正單元
110n．．．第N頻率偏移校正單元
120．．．延遲單元
122．．．相位誤差檢測器
124．．．平均單元
126．．．初始頻率設定單元
128．．．乘法器
130．．．乘法器
132．．．殘餘頻率設定單元
140．．．加法器
142．．．複共軛單元
148．．．乘法器
150．．．步幅參數儲存單元
152．．．乘法器
154．．．加法器
156．．．延遲單元
158．．．估計單元
160．．．複共軛單元
162．．．乘法器
164．．．除法器
166．．．虛數成分抽出單元
168．．．乘法器
170．．．FFT單元
180．．．判定單元
182．．．開關
300．．．數位接收信號
300a．．．第一數位接收信號
300b．．．第二數位接收信號
300n．．．第N數位接收信號
302．．．數位傳送信號
302a．．．第一數位傳送信號
302b．．．第二數位傳送信號
302n．．．第N數位傳送信號
304．．．合成信號
306．．．權重參考信號
308．．．分離前信號
310．．．信號處理器控制信號
312．．．接收權重向量信號
312a．．．第一接收權重向量信號
312b．．．第二接收權重向量信號
312n．．．第N接收權重向量信號
314．．．傳送權重向量信號
314a．．．第一傳送權重向量信號
314b．．．第二傳送權重向量信號
314n．．．第N傳送權重向量信號
318．．．無線電單元控制信號
320．．．響應參考信號
322．．．響應向量信號
324．．．殘餘頻率信號
326．．．校正後接收信號
326a．．．第一校正後接收信號
326b．．．第二校正後接收信號
326n．．．第N校正後接收信號
330．．．頻域信號
330a．．．第一頻域信號
330b．．．第二頻域信號
330n．．．第N頻域信號
現在，將參考範例的且非限定性的附圖，僅作為示例來描述實施例，其中在複數個附圖中，相同元件的編號類似。
第1圖係顯示根據本發明實施例的多載波信號的頻譜。
第2圖係顯示根據本發明實施例的通信系統結構。
第3圖係顯示根據本發明實施例的叢發格式的結構。
第4圖係顯示第1圖所示的第一無線電單元的結構。
第5圖係顯示第1圖所示的信號處理單元的結構。
第6圖係顯示第5圖所示的第一頻域信號的結構。
第7圖係顯示第5圖所示的頻率偏移校正單元的結構。
第8圖係顯示第5圖所示的接收權重向量計算單元的結構。
第9圖係顯示校正第5圖中的頻率偏移的過程的流程圖。
18．．．信號處理單元
62a．．．第一乘法器
62b．．．第二乘法器
62n．．．第N乘法器
64．．．加法器
68．．．接收權重向量計算單元
70．．．參考信號產生器
74a．．．第一乘法器
74b．．．第二乘法器
74n．．．第N乘法器
76．．．傳送權重向量計算單元
80．．．響應向量計算單元
110．．．頻率偏移校正單元
170．．．FFT單元
300a．．．第一數位接收信號
300b．．．第二數位接收信號
300n．．．第N數位接收信號
302a．．．第一數位傳送信號
302b．．．第二數位傳送信號
302n．．．第N數位傳送信號
304．．．合成信號
306．．．權重參考信號
308．．．分離前信號
310．．．信號處理器控制信號
312a．．．第一接收權重向量信號
312b．．．第二接收權重向量信號
312n．．．第N接收權重向量信號
314a．．．第一傳送權重向量信號
314b．．．第二傳送權重向量信號
314n．．．第N傳送權重向量信號
320．．．響應參考信號
322．．．響應向量信號
324．．．殘餘頻率信號
326a．．．第一校正後接收信號
326b．．．第二校正後接收信號
326n．．．第N校正後接收信號
330a．．．第一頻域信號
330b．．．第二頻域信號
330n．．．第N頻域信號

Claims (13)

  1. 一種頻率偏移校正裝置，包括：輸入單元，輸入分別與複數個天線相對應、且包含已知信號的複數個接收信號；校正單元，分別校正該等複數個接收信號中所包含的頻率偏移；處理單元，藉由對複數個校正後接收信號應用適應式演算法，分別導出與該等已知信號相對應的權重向量及該等權重向量和該等已知信號之間的誤差；估計單元，根據所導出的權重向量和所導出的誤差，而估計複數個校正後接收信號中所包含的頻率偏移的殘餘成分、以及與已知信號相對應的頻率偏移的殘餘成分；及頻域轉換單元，該頻域轉換單元分別將複數個校正後接收信號轉換到頻域中，而輸出複數個頻域信號至各校正後接收信號；其中該處理單元藉由對相互對應的已知信號應用適應式演算法，抽出複數個頻域信號中包含的已知信號成分，並導出權重向量和誤差；以及其中該估計單元係根據權重向量和誤差來估計與已知信號相對應的頻率偏移的殘餘成分，且透過反映頻率偏移的經估計的殘餘成分來校正頻率偏移。
  2. 如申請專利範圍第1項的頻率偏移校正裝置，其中，該估計單元係將複數個校正後接收信號的複共軛分別乘 以所導出的誤差，再從將乘法結果除以所導出的權重向量的除法結果中抽出虛數成分，來作為頻率偏移的殘餘成分。
  3. 如申請專利範圍第1項的頻率偏移校正裝置，其中，該處理單元係導出與除該等已知信號之外的其他信號相對應的權重向量；該裝置復包括加權單元，該加權單元利用由該處理單元導出的權重向量，分別對複數個校正後接收信號進行加權。
  4. 如申請專利範圍第1項的頻率偏移校正裝置，其中，該處理單元係抽出複數個頻域信號中所包含的複數個已知信號，並且導出分別與該等複數個已知信號相對應的權重向量和誤差；以及其中該估計單元係估計分別與複數個已知信號相對應的頻率偏移，並根據分別與複數個已知信號相對應的經估計的頻率偏移，來導出應由上述校正單元使用的頻率偏移的殘餘成分。
  5. 如申請專利範圍第1項的頻率偏移校正裝置，其中，該估計單元係估計在應將複數個校正後接收信號轉換到頻域的期間中的頻率偏移的殘餘成分。
  6. 如申請專利範圍第1項的頻率偏移校正裝置，其中，該處理單元係導出與除該等已知信號之外的其他信號相對應的權重向量；該裝置復包括加權單元，該加權單元係利用由該處 理單元所導出的權重向量分別對複數個頻域信號進行加權。
  7. 一種頻率偏移估計方法，其特徵在於：藉由向分別與複數個天線相對應、且包含已知信號的複數個接收信號應用適應式演算法，分別導出與已知信號相對應的權重向量、以及權重向量和已知信號之間的誤差，並且根據所導出的權重向量和誤差，來估計複數個校正後接收信號中所包含的頻率偏移的殘餘成分、以及與已知信號相對應的頻率偏移的殘餘成分，且分別將前述複數個校正後接收信號轉換到頻域中，而輸出複數個頻域信號至各校正後接收信號；藉由對相互對應的已知信號應用適應式演算法，抽出複數個頻域信號中包含的已知信號成分，並導出權重向量和誤差；根據權重向量和誤差來估計與已知信號相對應的頻率偏移的殘餘成分，且透過反映頻率偏移的經估計的殘餘成分來校正頻率偏移。
  8. 一種頻率偏移估計方法，包括：輸入分別與複數個天線相對應且包含已知信號的複數個接收信號的輸入步驟；分別校正複數個接收信號中所包含的頻率偏移的校正步驟；藉由對複數個校正後接收信號應用適應式演算 法，來分別導出與已知信號相對應的權重向量、以及該等權重向量和已知信號之間的誤差的導出步驟；根據所導出的權重向量和所導出的誤差，來估計複數個校正後接收信號中所包含的頻率偏移的殘餘成分、以及與已知信號相對應的頻率偏移的殘餘成分的估計步驟；及分別將該複數個校正後接收信號轉換到頻域中，並輸出複數個頻域信號至各校正後接收信號的輸出步驟；其中該導出步驟係抽出複數個頻域信號中所包含的已知信號成分，並藉由對相互對應的已知信號應用適應式演算法來導出權重向量和誤差，以及其中該估計步驟係根據所導出的權重向量和誤差，來估計與已知信號相對應的頻率偏移的殘餘成分，且藉由反映頻率偏移的經估計的殘餘成分來校正頻率偏移。
  9. 如申請專利範圍第8項的方法，其中，該估計步驟係將複數個校正後接收信號的複共軛分別乘以所導出的誤差，然後，從將乘法結果除以所導出的權重向量的除法結果中抽出虛數成分，作為頻率偏移的殘餘成分。
  10. 如申請專利範圍第8項的方法，其中，該導出步驟係導出與除該等已知信號之外的其他信號相對應的權重向量；該方法復包括：利用藉由該導出步驟所導出的權重向量分別對複數個校正後接收信號進行加權。
  11. 如申請專利範圍第8項的方法，其中，該導出步驟係抽出複數個頻域信號中所包含的已知信號，並導出分別對應於複數個已知信號的權重向量和誤差；以及其中該估計步驟係估計分別與複數個已知信號相對應的頻率偏移，並從分別與複數個已知信號相對應的經估計的頻率偏移，來導出應在校正單元中使用的頻率偏移的殘餘成分。
  12. 如申請專利範圍第8項的方法，其中，該估計步驟係估計在將複數個校正後接收信號轉換到頻域的期間中的頻率偏移的殘餘成分。
  13. 如申請專利範圍第8項的方法，其中，該導出步驟係導出與除該等已知信號之外的其他信號相對應的權重向量；該方法復包括：利用藉由該導出步驟所導出的權重向量分別對複數個頻域信號進行加權。
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