專利名稱：一種碼分多址系統(tǒng)上行專用信道頻偏估計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線移動通信領(lǐng)域中直接擴(kuò)頻碼分多址系統(tǒng)中信道頻偏估計(jì)的方法，更具體而言是如何在寬帶碼分多址系統(tǒng)(WCDMA)中如何準(zhǔn)確進(jìn)行上行專用信道的頻偏估計(jì)。
背景技術(shù)：
在第三代移動通訊系統(tǒng)中，由于無線傳輸信道和射頻本振誤差的影響，基站接收信號的載波中心頻率和基站的射頻本振頻率之間存在一定的偏差。頻率偏差范圍一般在正負(fù)1000赫茲左右，如果不對這個頻率偏差進(jìn)行補(bǔ)償，會造成接收性能的下降，因此我們需要估計(jì)頻率偏差的大小，并進(jìn)行頻偏補(bǔ)償。自動頻率控制系統(tǒng)(AFC，Auto Frequency Control)就是用來實(shí)現(xiàn)頻偏估計(jì)和頻偏補(bǔ)償?shù)摹?br> 在WCDMA系統(tǒng)中，上行鏈路和下行鏈路均采用QPSK調(diào)制方式，發(fā)射機(jī)發(fā)送的調(diào)制信號經(jīng)過多徑衰落信道進(jìn)入接收機(jī)，當(dāng)存在頻率偏差時，接收機(jī)接收到的第k個符號如下所示r[k]=Esa[k]c[k]exp[j2πΔfkt]+n[k]]]>其中c[k]是發(fā)射端發(fā)送的調(diào)制符號；Es是信號能量；a[k]＝A[k]exp(jθ[k])是由于衰落而引入的信道參數(shù)，其中A[k]和θ[k]分別表示信道衰落的幅度增益和隨機(jī)相位；Δf表示收到信號的中心頻率和接收機(jī)本振之間的頻率偏移；n[k]是復(fù)數(shù)高斯白噪聲。
由于頻偏的存在，特別是頻偏的值比較大的時候，信道估計(jì)就無法有效補(bǔ)償頻偏對相位造成的影響，這樣會造成接收性能的嚴(yán)重下降。因此需要估計(jì)頻偏值的大小，并用AFC進(jìn)行頻偏補(bǔ)償，消除頻偏對相位的影響。傳統(tǒng)的差分頻偏估計(jì)方法是把連續(xù)兩個符號r[k+1]，r[k]共軛相乘，當(dāng)使用導(dǎo)頻符號時，由于在接收端已知，則c[n]＝1，得到如下
r[k]×r[k+1]=(Esa[k]exp[j2πΔfkt]+n[k])×(Esa[k+1]exp[j2πΔfk(t+T)]+n[k+1])]]>=Esa[k+1]a[k]exp[j2πΔfkT]+n[k]Esa[k+1]exp[j2πΔfk(t+T)]]]>+n[k+1]Esa[k]exp[j2πΔfkt+2n[k]n[k+1]]]>其中T是符號周期時間，其中后三項(xiàng)都可以看作噪聲，表示為n′[t]，則上式表示為r[k]×r[k+1]＝Esa[k+1]a[k]exp(j2πΔfT)+n′[k]頻偏Foffset可以表示為Foffset＝angle(r[k]r[k+1])/2π/T其中angle表示取復(fù)數(shù)的相角值，由于實(shí)際中r[k]r[k+1]的相角值比較小，可以用其虛部比實(shí)部，即tag值來作為近似相角值。通常對一幀中所有的導(dǎo)頻信號分別進(jìn)行上述操作，得到一個頻偏估計(jì)值序列，取平均后就得到頻率偏移值。將該值送入壓控振蕩器，以控制接收機(jī)的本振頻率，就可以消除頻偏影響。
當(dāng)信噪比Eb/N0比較大的時候，該算法所得到的頻偏值還比較準(zhǔn)確。但是當(dāng)信噪比Eb/N0相對比較小的時候，該算法得到的頻偏值就相當(dāng)不準(zhǔn)。而且由于在瑞利衰落信道中存在多普勒頻移，本身就會造成信號相位的偏移，這樣就會造成頻偏估計(jì)值更加不準(zhǔn)確。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是要提出一種比較準(zhǔn)確的上行專用信道頻偏估計(jì)方法，從而提高頻偏估計(jì)的精度，提高整個系統(tǒng)的性能。
本發(fā)明的技術(shù)方案為先進(jìn)行大尺度的頻偏估計(jì)，按照大尺度頻偏估計(jì)值進(jìn)行校正后，然后進(jìn)行小尺度的頻偏估計(jì)；所述大尺度的頻偏估計(jì)包括1.1讓專用物理控制信道一幀中的所有連續(xù)150個數(shù)據(jù)通過一個截止頻率超過最大可能頻偏值的低通濾波器，用來消除高頻噪聲和干擾；
1.2將濾波后的數(shù)據(jù)序列中每相隔p個數(shù)據(jù)取一個數(shù)據(jù)，得到一定長度的數(shù)據(jù)序列，從其中取長度為2M的連續(xù)數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行2M點(diǎn)的快速傅立葉變換，得到數(shù)據(jù)的頻域表示；對頻譜值進(jìn)行取模計(jì)算，得到頻譜幅度值；1.3對頻譜幅度值進(jìn)行低通濾波，尋找濾波后數(shù)據(jù)峰值對應(yīng)的頻率就是頻偏值；1.4將步驟1.3得到的頻偏值送入到壓控振蕩器，初步校正接收機(jī)的本振頻率，消除大尺度的頻率偏移；所述小尺度的頻偏估計(jì)包括1.5在消除了大尺度的頻率偏移后，將專用物理控制信道中若干幀的連續(xù)信號送入到截止頻率為2或者3倍的大尺度頻偏估計(jì)精度的低通濾波器，去除信號中的高頻干擾和噪聲；1.6將濾波后的數(shù)據(jù)序列中每相隔q取一個信號得到長度為2L的時域數(shù)據(jù)，對長度為2L的數(shù)據(jù)信號進(jìn)行快速傅立葉變換，得到其頻率表示；對頻譜值進(jìn)行取模計(jì)算，得到頻譜幅度值；1.7為了提高頻偏估計(jì)的精度，先采用Z倍內(nèi)插將長度2L的數(shù)據(jù)變成Z*2L的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行低通濾波，尋找濾波后數(shù)據(jù)峰值對應(yīng)的頻率就是頻偏值。
由于本發(fā)明將時域信號轉(zhuǎn)換到頻域中進(jìn)行頻偏估計(jì)，可以在信噪比很低的情況下得到準(zhǔn)確的頻偏值，而且通過尋找頻譜包絡(luò)中心的方法，可以消除由于瑞利衰落造成對頻偏估計(jì)的影響。由于使用大尺度頻偏估計(jì)和小尺度頻偏估計(jì)相結(jié)合的方法，大大降低算法的運(yùn)算量，不需要消耗系統(tǒng)很多的運(yùn)算時間。當(dāng)可以準(zhǔn)確消除頻偏影響的時候，鏈路性能會有很大的改善。


圖1是上行鏈路專用信道的幀結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是頻偏500赫茲并且沒有噪聲情況下專用物理控制信道的信號圖；圖3是頻偏500赫茲并且噪聲比較強(qiáng)時專用物理控制信道的信號圖；圖4是頻偏500赫茲并且噪聲比較強(qiáng)時傳統(tǒng)頻偏估計(jì)的結(jié)果圖；
圖5是頻偏0赫茲并且噪聲比較強(qiáng)時專用物理控制信道信號的頻域圖；圖6是頻偏500赫茲并且噪聲比較強(qiáng)時專用物理控制信道信號的FFT結(jié)果圖；圖7是頻偏500赫茲存在瑞利衰落和較強(qiáng)噪聲時專用物理控制信道信號和瑞利衰落的FFT結(jié)果圖；圖8是頻偏500赫茲時濾波前和濾波后專用控制信道的頻譜信號圖；圖9是濾波插值系數(shù)的曲線；圖10是頻偏500赫茲并且噪聲比較強(qiáng)時新方法頻偏估計(jì)結(jié)果圖；圖11是本發(fā)明的流程圖。
具體實(shí)施例方式對寬帶碼分多址系統(tǒng)中的上行專用物理控制信道(Dedicated PhysicalControl Channel，DPCCH)中非導(dǎo)頻符號進(jìn)行解碼，得到非導(dǎo)頻符號的值。結(jié)合導(dǎo)頻符號就可以得到連續(xù)的接收信號。在本發(fā)明中使用傅立葉變換的方法。本發(fā)明的頻偏估計(jì)分為大尺度頻偏估計(jì)和小尺度頻偏估計(jì)兩部分。
具體流程如圖11所示第一步在初始的信道建立時，首先進(jìn)行大尺度頻偏估計(jì)。由于在專用信道建立的時候頻偏值也不會超過幾千赫茲，同時考慮到初始的頻偏估計(jì)既要準(zhǔn)確，又要比較快的得到，這里采用一幀中的專用物理控制信道數(shù)據(jù)來得到。讓專用物理控制信道一幀中連續(xù)的150個數(shù)據(jù)通過一個截止頻率為3000赫茲的低通濾波器，濾除高頻的噪聲和干擾。
第二步將濾波后的數(shù)據(jù)序列中每相隔若干個點(diǎn)取一個點(diǎn)，在本實(shí)施例中，每隔一個點(diǎn)取一個點(diǎn)，得到長度為75的數(shù)據(jù)序列，而此數(shù)據(jù)的符號周期也就變成1/7500秒。為了使用快速傅立葉變換，從其中取長度為64的連續(xù)數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行64點(diǎn)的快速傅立葉變換，就得到數(shù)據(jù)的頻域表示。由于使用快速傅立葉變換，僅需要192次乘法和384次加法操作，對系統(tǒng)的運(yùn)算負(fù)荷較小。對頻譜值進(jìn)行取模計(jì)算，得到頻譜幅度值。
第三步由于瑞利衰落的存在，會造成信號產(chǎn)生一個寬度大約為2倍多普勒頻率的頻譜包絡(luò)。而其包絡(luò)的中心位置所對應(yīng)的頻率就是頻偏值。對頻譜幅度值進(jìn)行低通濾波，尋找濾波后數(shù)據(jù)峰值對應(yīng)的頻率就是頻偏值。
第四步在得到大尺度頻偏估計(jì)之后，將該值送入到壓控振蕩器，以初步校正接收機(jī)的本振頻率。這樣就可以消除大尺度的頻率偏移，但是由于大尺度頻偏估計(jì)的精度比較差，還需要進(jìn)行小尺度的頻偏估計(jì)。
第五步經(jīng)過大尺度頻偏估計(jì)后，頻偏值已經(jīng)不可能很大，我們可以在比較小的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行小尺度頻偏估計(jì)。將專用物理控制信道中的信號送入到截止頻率800赫茲的低通濾波器，去除信號中的干擾。
第六步將濾波后的數(shù)據(jù)序列中每相隔7個點(diǎn)取一個信號得到長度為32的時域數(shù)據(jù)，而此數(shù)據(jù)的符號周期也就變成1/1875秒。對長度為32的數(shù)據(jù)信號進(jìn)行快速傅立葉變換，得到其的頻率表示。由于使用快速傅立葉變換，僅需要80次乘法和160次加法操作，對系統(tǒng)的運(yùn)算負(fù)荷較小。對頻譜值進(jìn)行取模計(jì)算，得到頻譜幅度值。
第七步由于瑞利衰落的存在，會造成信號產(chǎn)生一個寬度大約為2倍多普勒頻率的頻譜包絡(luò)。而其包絡(luò)的中心位置所對應(yīng)的頻率就是頻偏值。為了提高頻偏估計(jì)的精度，這里采用4倍內(nèi)插將32點(diǎn)長的數(shù)據(jù)變成128點(diǎn)。然后再對數(shù)據(jù)進(jìn)行低通濾波，尋找濾波后數(shù)據(jù)峰值對應(yīng)的頻率就是頻偏值。
第八步在得到小尺度頻偏估計(jì)之后，將該值送入到壓控振蕩器，以精確校正接收機(jī)的本振頻率。
由于頻率偏移會隨時間發(fā)生變化，所以需要每隔一定時間從第五步開始進(jìn)行一次小尺度頻偏估計(jì)。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的一些內(nèi)容進(jìn)行說明。
圖1表示的是上行鏈路專用信道的幀結(jié)構(gòu)，上行鏈路專用信道的專用控制信道和專用數(shù)據(jù)信道是并行發(fā)送的。由于上行專用物理控制信道中的導(dǎo)頻信號是已知的，而其非導(dǎo)頻符號在解碼過程中也是佷容易得到，因此可以用專用控制信道信號作為一個連續(xù)的時間序列r[k]。當(dāng)存在瑞利衰落和高斯白噪聲時，信號可以表示為r[k]=Esa[k]c[k]exp[j2πΔfkt]+n[k]]]>圖2表示的是在沒有噪聲和瑞利衰落情況下頻偏500赫茲時專用物理控制信道的信號。從圖中可以看出，由于沒有噪聲和瑞利衰落的影響，其實(shí)部和虛部佷明顯的表現(xiàn)出500赫茲頻偏對相位的影響。在這種情況下，傳統(tǒng)的頻偏估計(jì)方法可以取得比較好的效果。但當(dāng)存在比較大的噪聲時，如圖3所示，信號的相位變化就比較的混亂，這時如果還采用傳統(tǒng)的用相位差的方法，就會造成頻偏估計(jì)值誤差很大。圖4就給出了存在瑞利衰落，頻偏500赫茲并且噪聲比較大時傳統(tǒng)頻偏估計(jì)的結(jié)果，每次使用一幀中150個點(diǎn)進(jìn)行估計(jì)，共對80幀連續(xù)數(shù)據(jù)進(jìn)行估計(jì)。從圖中可以看出，估計(jì)值偏離實(shí)際值很大，最大值是1228赫茲，最小值是-161赫茲，標(biāo)準(zhǔn)差是277.8赫茲。使用這樣的頻偏估計(jì)值進(jìn)行頻偏補(bǔ)償，不但不會改善接收機(jī)性能，反而會造成接收性能下降。
從頻域來看，頻偏的效果是將原來的低頻信號搬移到其對應(yīng)的頻率偏移值上去，這也就是使用傅立葉變換進(jìn)行頻偏估計(jì)的理論基礎(chǔ)。圖5表示頻偏是0赫茲時信號的頻域表示，可以看出信號在零頻率有一個峰值，在中頻和高頻處的是噪聲的分量。而圖6就表示頻偏500赫茲并且噪聲比較強(qiáng)時專用物理控制信道信號的FFT結(jié)果，很明顯，信號的峰值被搬移到了一定的頻率，該頻率就是頻偏值。因此只要找到該峰值對應(yīng)的頻率，就找到了頻偏值。
這里我們用大尺度頻偏估計(jì)為例說明如何進(jìn)行頻偏估計(jì)，對信號r[k]，k＝1，...，64進(jìn)行快速傅立葉變化，得到其離散傅立葉變換R[m]=Σk=063r[k]Wkm]]>其中W＝e-j2π/64由于時域中信號的周期T=115000×2=17500]]>則R[m]對應(yīng)的頻率是f=mT×64=117.18Hz]]>即大尺度頻偏估計(jì)的精度是117.18赫茲，而同樣可以算得對于32點(diǎn)FFT的小尺度頻偏估計(jì)精度是58.59赫茲，但這是插值以前的精度，插值以后的精度是14.64，這一點(diǎn)在后面會詳細(xì)描述。圖6表示的是頻偏500赫茲并且噪聲比較強(qiáng)時專用物理控制信道信號的FFT結(jié)果，可以看出其幅度的峰值是117.18×4＝468.7赫茲。使用傳統(tǒng)的方法在相同信噪比情況下是不可能準(zhǔn)確估計(jì)頻偏值，這也正是本方法的優(yōu)越之處。
以上的結(jié)果都是在沒有瑞利衰落，僅有高斯白噪聲情況下的結(jié)果。當(dāng)存在瑞利衰落時，由于移動臺的運(yùn)動，會造成接收到的信號變成一個寬度大約是兩倍多普勒頻移的低頻包絡(luò)。多普勒頻移可以由輸入的移動臺速度來定出，計(jì)算公式如下fm=vc×fc]]>其中，fm時多普勒頻移；v是移動臺運(yùn)動速度；c是光速；fc是載頻，為800MHz或1.9GHz。
圖7中上面的圖是一幀中專用物理控制信道信號的頻域表示，下面的圖是同一幀中瑞利衰落的頻域表示?？梢钥闯銎渲腥鹄ヂ涞念l譜大約是一個寬度為兩倍多普勒頻率的包絡(luò)，其中心頻率為零。而頻偏的作用是把這個包絡(luò)進(jìn)行搬移，其包絡(luò)中心就是頻偏值。因此我們要估計(jì)頻偏值，只要找到專用物理控制信道信號頻譜包絡(luò)的中心頻率就可以了。
可以使用適當(dāng)?shù)牡屯V波器來尋找頻譜包絡(luò)的中心頻率，為了簡化算法復(fù)雜度，本方案采用的線性平均進(jìn)行濾波。線性平均的長度就是信號包絡(luò)的寬度，即兩倍的多普勒頻率。由于實(shí)際中可能出現(xiàn)的最大多普勒頻率一般不會大于200赫茲，因此我們可以對頻譜幅度信號進(jìn)行長度為400赫茲的線性平均，從濾波后的波形中尋找最大值對應(yīng)的頻率就是頻率偏移值。圖8就表示頻偏500赫茲時濾波前和濾波后專用控制信道的頻譜信號，可以看出濾波得到的信號峰值所對應(yīng)的頻率就是117.18×4＝468.7赫茲。這里給出的是大尺度頻偏估計(jì)的結(jié)果，當(dāng)使用小尺度頻偏估計(jì)就可以得到更加精確的結(jié)果。
在小尺度頻偏估計(jì)中，為了在不提高算法復(fù)雜度的同時提高頻偏估計(jì)的精度，先對頻譜幅度進(jìn)行4倍的插值，然后再進(jìn)行低通濾波尋找峰值。由于采用4倍的插值，原來58.59赫茲的頻譜間隔就變成了14.65赫茲，這樣頻偏估計(jì)的精度就會大大提高。圖9就表示所使用的4倍濾波插值系數(shù)。
這里給出在頻偏500赫茲，存在相同的瑞利衰落和噪聲時本算法的頻偏估計(jì)結(jié)果，如圖10所示。其中第一個點(diǎn)是大尺度頻偏估計(jì)的結(jié)果，之后的79個數(shù)據(jù)是小尺度頻率估計(jì)的結(jié)果，最大值是512.8赫茲，最小值是468.7赫茲，標(biāo)準(zhǔn)差是11.06。可以看出和傳統(tǒng)的頻偏估計(jì)方法相比，在相同的信噪比和瑞利衰落情況下，本方法大大提高了頻偏估計(jì)的精度。
權(quán)利要求
1.一種碼分多址系統(tǒng)上行專用信道頻偏估計(jì)方法，其特征在于，該方法先進(jìn)行大尺度的頻偏估計(jì)，按照大尺度頻偏估計(jì)值進(jìn)行校正后，然后進(jìn)行小尺度的頻偏估計(jì)；所述大尺度的頻偏估計(jì)包括1.1讓專用物理控制信道一幀中的所有連續(xù)150個數(shù)據(jù)通過一個截止頻率超過最大可能頻偏值的低通濾波器，用來消除高頻噪聲和干擾；1.2將濾波后的數(shù)據(jù)序列中每相隔p個數(shù)據(jù)取一個數(shù)據(jù)，得到一定長度的數(shù)據(jù)序列，從其中取長度為2M的連續(xù)數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行2M點(diǎn)的快速傅立葉變換，得到數(shù)據(jù)的頻域表示；對頻譜值進(jìn)行取模計(jì)算，得到頻譜幅度值；1.3對頻譜幅度值進(jìn)行低通濾波，尋找濾波后數(shù)據(jù)峰值對應(yīng)的頻率就是頻偏值；1.4將步驟1.3得到的頻偏值送入到壓控振蕩器，初步校正接收機(jī)的本振頻率，消除大尺度的頻率偏移；所述小尺度的頻偏估計(jì)包括1.5在消除了大尺度的頻率偏移后，將專用物理控制信道中若干幀的連續(xù)信號送入到截止頻率為2或者3倍的大尺度頻偏估計(jì)精度的低通濾波器，去除信號中的高頻干擾和噪聲；1.6將濾波后的數(shù)據(jù)序列中每相隔q取一個信號得到長度為2L的時域數(shù)據(jù)，對長度為2L的數(shù)據(jù)信號進(jìn)行快速傅立葉變換，得到其頻率表示；對頻譜值進(jìn)行取模計(jì)算，得到頻譜幅度值；1.7為了提高頻偏估計(jì)的精度，先采用Z倍內(nèi)插將長度2L的數(shù)據(jù)變成Z*2L的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行低通濾波，尋找濾波后數(shù)據(jù)峰值對應(yīng)的頻率就是頻偏值。
2.權(quán)利要求1所述的碼分多址系統(tǒng)上行專用信道頻偏估計(jì)方法，其特征在于，所述低通濾波采用線性平均濾波。
3.權(quán)利要求1所述的碼分多址系統(tǒng)上行專用信道頻偏估計(jì)方法，其特征在于，所述p取1；所述M取6；所述q取7；所述L取5；所述Z取4。
全文摘要
一種碼分多址系統(tǒng)上行專用信道頻偏估計(jì)方法，先進(jìn)行大尺度的頻偏估計(jì)，按照大尺度頻偏估計(jì)值進(jìn)行校正后，然后進(jìn)行小尺度的頻偏估計(jì)；大尺度和小尺度的頻偏估計(jì)都是用專用物理控制信道中的信號通過低通濾波器去除高頻干擾，然后取一部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行傅立葉變換，對頻譜值進(jìn)行取模計(jì)算，得到頻譜幅度值；再對頻譜幅度值進(jìn)行低通濾波，尋找濾波后數(shù)據(jù)峰值對應(yīng)的頻率。由于本發(fā)明將時域信號轉(zhuǎn)換到頻域中進(jìn)行頻偏估計(jì)，并且使用大尺度頻偏估計(jì)和小尺度頻偏估計(jì)相結(jié)合的方法，大大降低算法的運(yùn)算量，不需要消耗系統(tǒng)很多的運(yùn)算時間。當(dāng)可以準(zhǔn)確消除頻偏影響的時候，鏈路性能會有很大的改善。
文檔編號H04J13/00GK1741395SQ20041004183
公開日2006年3月1日 申請日期2004年8月23日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月23日
發(fā)明者楊奕 申請人:中興通訊股份有限公司