專利名稱：用于多重路徑衰減環(huán)境下自動頻率控制的頻率偏移檢測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于第三代(3rdgeneration parnership project，GPS)無線通訊網(wǎng)路中一基站與一移動單元間相互通訊時(shí)的自動頻率控制(Automatic Frequency Control)，特別是涉及一種用來補(bǔ)償介于該基站及該移動單元間因多普勒偏移(Doppler shift)所引致的頻率偏移的裝置及相關(guān)方法。
背景技術(shù)：
無線通訊網(wǎng)路中的移動單元的運(yùn)作深受其所處環(huán)境的影響，一基地所發(fā)射的無線電訊號會依不同的結(jié)構(gòu)及地形以散射或以反射的方式傳送至該移動單元，因此，由一接收天線所接收到的無線電訊號中不僅包括依散射方式所傳來的直接波，還包括經(jīng)由多重路徑(multipath)所傳來的反射波。一般而言，影響該接收天線所接收到的多重路徑反射波品質(zhì)優(yōu)劣的主要因素有以下兩點(diǎn)。
第一個(gè)因素稱為慢速衰減(slow fading)，又稱為對數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化衰減(lognormal fading)。慢速衰減導(dǎo)因于該無線電訊號中的部份能量被位于該基站及該移動單元間的地形所吸收，而最能說明慢速衰減的例子就是，當(dāng)一移動單元行經(jīng)隧道時(shí)，隧道的地形會吸收無線電訊號的部分能量。
第二個(gè)因素稱為快速衰減(fast fading)，又稱為多重路徑衰減(multipath fading)或瑞利衰減(Rayleigh fading)?？焖偎p導(dǎo)因于該移動單元所接收到的多重路徑反射波相對于該移動單元所接收到的直接波為一破壞波(destructive)，這種現(xiàn)象極可能導(dǎo)致整體頻寬的減小。另一種型式的多重路徑衰減導(dǎo)因于該移動單元相對于該基站移動時(shí)所產(chǎn)生的顯現(xiàn)于頻率上的多普勒偏移(Doppler shift)。
存在于該發(fā)射器與該接收器間的頻率偏移會干擾到許多無線網(wǎng)絡(luò)資源控制機(jī)制(Universal Mobile Telecommunications System TerrestrialRadio Access Network，UTRAN)下的寬頻碼分多址(Wideband Code DivisionMultiple Access，WCDMA)中的功能。舉例來說，在設(shè)計(jì)WCDMA中波道估測(channel estimation，CE)的頻寬時(shí)需考慮到多普勒擴(kuò)散(Doppler spread)的效應(yīng)。請參閱圖1及圖2，圖1顯示在沒有頻率偏移存在的情況下，一恰好位于一專屬頻寬(allotted bandwidth)10的中心的接收訊號中頻道復(fù)數(shù)增益(channel complex gain)15的頻譜圖，而圖2則顯示當(dāng)一接收訊號的頻道復(fù)數(shù)增益25頻譜圖因一頻率偏移而落在專屬頻寬10以外的區(qū)域時(shí)，該接收訊號是如何變形的。
而自動頻率控制(automatic frequency control，AFC)是一種可補(bǔ)償頻率偏移的方法。如圖3所示，一鎖相回路(phase-locked loop，PPL)40包含一相位檢測器(phase detector，PD)42、一回路濾波器(loop filter，LP)44及一壓控振蕩器(voltage controlled oscillator，VCO)46。在圖3中，u1(t)為鎖相回路40的輸入訊號，而u2(t)為壓控振蕩器46的輸出訊號，該誤差(在此例中為該相位差)是由相位檢測器42所檢測而得，而輸出訊號ud(t)正比于該誤差。被相位檢測器42所檢測而得的輸出訊號ud(t)更進(jìn)一步地過濾于回路濾波器44，而回路濾波器44的輸出訊號uf(t)被傳送至壓控振蕩器46，以作為控制壓控振蕩器46的控制訊號。壓控振蕩器46的輸出訊號u2(t)與輸入訊號u1(t)間的相位誤差再一次會被相位檢測器42所檢測而得，圖3中所示的負(fù)回饋會降低存在于u1(t)及u2(t)間的相位誤差。
為了實(shí)際制作適用于基頻的鎖相回路40，壓控振蕩器46由一可變復(fù)數(shù)聲源器(variable complex tone generator)所取代，而一乘法器與一頻率偏移檢測器共同取代了相位檢測器42，以實(shí)際制作該自動頻率控制。請參閱圖4，圖4顯示一已知偏移檢測器50，偏移檢測器50微分該輸入相位。在數(shù)字基頻中，在將輸入訊號u1(t)乘以該作為補(bǔ)償?shù)挠玫妮斎胗嵦杣2(t)后，這可藉由將一現(xiàn)行取樣訊號乘以該現(xiàn)行取樣訊號的前一個(gè)取樣訊號的共軛復(fù)數(shù)來完成，以數(shù)學(xué)式子的方式來表示就是ud(n)＝u1(n)u2(n)[u1(n-1)u2(n-1)]*。
然而，這類的檢測器極易受到多普勒擴(kuò)散的影響而增加相位噪聲。

發(fā)明內(nèi)容
因此本發(fā)明的主要目的在于提供一種通訊網(wǎng)路，如第三代(3rdgeneration parnership project，GPS)無線通訊網(wǎng)路中的自動頻率控制在多重路徑衰減環(huán)境下仍能完美運(yùn)作的偏移檢測器。
本發(fā)明的自動頻率控制為一包含六部分的鎖相回路，該鎖相回路包含一相位檢測模塊、一回路濾波模塊及一壓控振蕩產(chǎn)生器模塊，這些模塊皆已被修正成可鎖住多重路徑衰減環(huán)境下的頻率偏移，以工作于基頻的環(huán)境中。該回路濾波器模塊包含一低通濾波器及一增益放大器，該偏移檢測器模塊包含一乘法器及一偏移檢測器，而該壓控振蕩器模塊則包含一可變相位產(chǎn)生器及一用來乘至一入射無線電訊號上的指數(shù)項(xiàng)ejΔωt。
本發(fā)明的偏移檢測器包含一濾波器、一放大器、一延遲模塊、三個(gè)加法器、及兩個(gè)可輸出一輸入訊號的絕對值的模塊。在本發(fā)明的較佳實(shí)施例中，該濾波器為一有限脈沖響應(yīng)濾波器，其可對該輸入復(fù)數(shù)增益進(jìn)行希氏轉(zhuǎn)換(Hilbert Transformation)。該希氏有限脈沖響應(yīng)濾波器(FIR)、連同該復(fù)數(shù)增益及該三個(gè)加法器中的兩個(gè)加法器，可產(chǎn)生兩個(gè)分別代表該輸入復(fù)數(shù)訊號的正頻率部分及負(fù)頻率部分的復(fù)數(shù)訊號Xp及Xn。該檢測器輸出等于訊號Xp及Xn的振幅間的差。其它濾波器具有直流偏移(DC-offsets)奇函數(shù)的功能也可用來替代該希氏有限脈沖響應(yīng)濾波器，而不會偏離本發(fā)明的精神，該檢測器輸出等于復(fù)數(shù)訊號Xp及Xn的振幅的差。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于該偏移檢測器在多重路徑衰減的環(huán)境下仍能完美地運(yùn)作，因此可改進(jìn)傳送于第三代無線通訊網(wǎng)路中的無線電訊號的品質(zhì)。


圖1顯示一不含頻率頻率偏移的波道復(fù)數(shù)增益的頻譜圖。
圖2顯示一內(nèi)含頻率頻率偏移的波道復(fù)數(shù)增益的頻譜圖。
圖3為一用于自動頻率控制的鎖相回路的方塊圖。
圖4為已知一頻率偏移檢測器的方塊圖。
圖5顯示在沒有頻率偏移的多重路徑衰減環(huán)境下一波道復(fù)數(shù)增益的頻譜圖。
圖6顯示在有頻率偏移的多重路徑衰減環(huán)境下一波道復(fù)數(shù)增益的頻譜圖。
圖7為本發(fā)明一自動頻率控制的方塊圖。
圖8為顯示在圖7中一偏移檢測器的方塊圖。
圖9為本發(fā)明中一偏移檢測器的輸出訊號與頻率偏移的關(guān)系圖。
圖10為本發(fā)明中另一偏移檢測器的輸出訊號與頻率偏移的關(guān)系圖。
附圖符號說明40 鎖相回路 42、100相位檢測器44 路濾波器 46 壓控振蕩器50、92 偏移檢測器90 自動頻率控制91 乘法器108、110、 加法器11293 低通濾波器94、104增益放大器95 可變相位產(chǎn)生器96 指數(shù)項(xiàng)102 有限脈沖響應(yīng)濾波器106延遲模塊114、 模塊11具體實(shí)施方式
本發(fā)明披露了一種對于自動頻率控制而言在多重路徑衰減環(huán)境下仍能完美運(yùn)作的偏移控制器。本發(fā)明的實(shí)際效果顯現(xiàn)于頻域，在時(shí)域上則不容易看出。
在多重路徑衰減環(huán)境下，該復(fù)數(shù)波道增益的頻譜圖呈現(xiàn)一“U”字形，一頻率偏移在一載波相位上的作用可被模型化成將一指數(shù)項(xiàng)ejΔωt乘至一入射無線電訊號，其結(jié)果可使該“U”字形波所偏移的量等于該頻率偏移。在沒有頻率偏移的情況下，該多普勒擴(kuò)散是對稱的。
請參閱圖5及圖6，圖5為沒有頻率偏移的復(fù)數(shù)波道增益在前述的指數(shù)項(xiàng)ejΔωt相乘作用下所呈現(xiàn)的頻譜圖，圖5顯示一原始訊號60及原始訊號60的負(fù)部分62及正部分64。相較于圖5，圖6顯示帶有頻率偏移的復(fù)數(shù)波道增益在前述的指數(shù)項(xiàng)ejΔωt相乘作用下所呈現(xiàn)的頻譜圖，圖6中顯示一原始訊號70、頻率偏移76、及原始訊號70的負(fù)部分72及正部分74。本發(fā)明披露了一種利用該接收訊號的正部分及負(fù)部分以補(bǔ)償頻率偏移的裝置及相關(guān)方法。一誤差訊號依據(jù)該正部分及該負(fù)部分的能量而產(chǎn)生。
圖7中所顯示的發(fā)明中自動頻率控制90是一包含六部分的鎖相回路，其中包括一相位檢測器、一回路濾波器、及一壓控產(chǎn)生器，然而這些模塊是已經(jīng)過修正以將該多重路徑衰減環(huán)境下的頻率偏移鎖住并進(jìn)而工作于基頻。自動頻率控制90的回路濾波器模塊包含一低通濾波器93及一增益放大器94，該壓控產(chǎn)生器模塊包含一可變相位產(chǎn)生器95及上述的指數(shù)項(xiàng)ejΔωt96，而自動頻率控制90的相位檢測器模塊則包含一乘法器91及一偏移檢測器92。較為詳盡的等效偏移檢測器100顯示于圖8。
顯示于圖8的相位檢測器100包含一有限脈沖響應(yīng)濾波器102(FiniteImpulse Response，F(xiàn)IR)、一放大器104、一延遲模塊106、三個(gè)加法器108、110及112、以及兩個(gè)用來輸出一輸入訊號的絕對值的模塊114及116。有限脈沖響應(yīng)濾波器102將該輸入的復(fù)數(shù)增益進(jìn)行希氏轉(zhuǎn)換(Hilberttransform)。有限脈沖響應(yīng)濾波器102、連同該復(fù)數(shù)增益與加法器108及110，可共同產(chǎn)生兩個(gè)分別代表正頻率部分及負(fù)頻率部分的復(fù)數(shù)訊號Xp及Xn。希氏轉(zhuǎn)換用來取得該正頻率部分及該負(fù)頻率部分的平衡值。如圖8所示，Xp＝X+j，而Xn＝x-jx，其中x為延遲模塊106的輸出訊號，而jx為有限脈沖響應(yīng)濾波器102經(jīng)由放大器104所輸出的訊號。
檢測器輸出訊號120系等于復(fù)數(shù)訊號Xp及Xn的振幅間的差，而檢測器輸出訊號120的特性圖顯示于圖9。理論上，有限脈沖響應(yīng)濾波器102所施加于該復(fù)數(shù)增益上的希氏轉(zhuǎn)換為雙向(non-causal)且無限響應(yīng)，而上述的制作方式卻會使得顯示在圖9中的轉(zhuǎn)換區(qū)域的長度為有限的，并使得顯示在圖8中的延遲模塊106變得不可或缺。在有限轉(zhuǎn)換區(qū)域124中，該線的斜率代表該檢測器的增益。為了簡化延遲模塊106，本發(fā)明的有限脈沖響應(yīng)濾波器102中的tap數(shù)為奇數(shù)。圖9顯示以一作為希氏濾波器102的具有五個(gè)tap的有限脈沖響應(yīng)濾波器的特性圖。
圖9也顯示檢測器100中的飽和區(qū)域，檢測器100在該頻率偏移大于轉(zhuǎn)換區(qū)域124及多普勒擴(kuò)散122的總和時(shí)，進(jìn)入該飽和區(qū)域。借著改變有限脈沖響應(yīng)濾波器102中tap的數(shù)目可改變轉(zhuǎn)換區(qū)域124的大小，而減少tap數(shù)可增加該飽和頻率并進(jìn)而降低復(fù)雜度。多普勒擴(kuò)散122相關(guān)于該移動單元的移動速度，因此，檢測器100的轉(zhuǎn)折位置是不固定的，但幸好檢測器100在進(jìn)入該飽和區(qū)域時(shí)，并不會降低鎖相回路90的效能。
本發(fā)明中的有限脈沖響應(yīng)濾波器102也可用其它濾波器來替代，只要這些濾波器的振幅響應(yīng)為一已直流補(bǔ)償(DC-offset)過的奇函數(shù)即可。圖10顯示符合上述要求的四種替代濾波器，其分別為鋸齒形濾波器、正弦波形濾波器、三角形濾波器、及方形濾波器。
相較于已知技術(shù)，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于其所披露用于自動頻率控制的偏移檢測器在多重路徑衰減下仍可運(yùn)作的相當(dāng)良好，因此可改進(jìn)傳輸于第三代無線通訊網(wǎng)路中無線電訊號的品質(zhì)。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，凡依本發(fā)明的權(quán)利要求所做的均等變化與修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明專利的涵蓋范圍。
權(quán)利要求
1.一種在一無線通訊網(wǎng)路中用于自動頻率控制的偏移檢測器，該偏移檢測器包含一濾波器，其振幅響應(yīng)一經(jīng)過直流補(bǔ)償?shù)钠婧瘮?shù)，該濾波器包含一輸入端及一輸出端，該輸入端用來接收一復(fù)數(shù)增益訊號；一延遲模塊，包含一輸入端及一輸出端，該輸入端用來接收該復(fù)數(shù)增益訊號；一第一加法器，電連接于該濾波器的輸出端及該延遲模塊的輸出端，用來輸出該濾波器的輸出端上所輸出的訊號及該延遲模塊的輸出端上所輸出的訊號的和；一第二加法器，電連接于該濾波器的輸出端及該延遲器的輸出端，用來輸出該濾波器的輸出端上所輸出的訊號及該延遲模塊的輸出端上所輸出的訊號間的差；以及一第三加法器，電連接于該第一加法器的輸出端及該第二加法器的輸出端，用來輸出該第一加法器的輸出端上所輸出的訊號及該第二加法器的輸出端上所輸出的訊號間的差。
2.如權(quán)利要求1所述的偏移檢測器，其中輸出于該偏移檢測器的輸出訊號的振幅等于輸出于該第一加法器的輸出訊號的振幅及輸出于該第二加法器的輸出訊號的振幅間的差。
3.如權(quán)利要求1所述的偏移檢測器，其中該濾波器為一鋸齒形、正弦波形、三角形、或一方形濾波器。
4.如權(quán)利要求1所述的偏移檢測器，其中該濾波器為有限脈沖響應(yīng)濾波器。
5.如權(quán)利要求4所述的偏移檢測器，其中該濾波器對該復(fù)數(shù)增益訊號進(jìn)行希氏轉(zhuǎn)換。
6.如權(quán)利要求5所述的偏移檢測器，其中該希氏轉(zhuǎn)換的tap數(shù)為奇數(shù)。
7.如權(quán)利要求5所述的偏移檢測器，其中該希氏轉(zhuǎn)換的tap數(shù)為五。
8.一種應(yīng)用于一無線通訊網(wǎng)路中自動頻率控制的偏移檢測器，該偏移檢測器包含一有限脈沖響應(yīng)濾波器，其可對一復(fù)數(shù)增益訊號進(jìn)行希氏轉(zhuǎn)換；一延遲模塊，其輸入端連接于該復(fù)數(shù)增益訊號；一第一加法器，電連接于該有限脈沖響應(yīng)濾波器的輸出端及該延遲模塊的輸出端，用來加總該有限脈沖響應(yīng)濾波器的輸出訊號及該延遲模塊的輸出訊號，以輸出一第一復(fù)數(shù)訊號；一第二加法器，電連接于該有限脈沖響應(yīng)濾波器的輸出端及該延遲器的輸出端，用來將該有限脈沖響應(yīng)濾波器的輸出訊號減去該延遲模塊的輸出訊號，輸出一第二復(fù)數(shù)訊號；以及一第三加法器，電連接于該第一加法器的輸出端及該第二加法器的輸出端，用來輸出一等于該第一復(fù)數(shù)訊號及該第二復(fù)數(shù)訊號的振幅間的差的訊號。
9.如權(quán)利要求8所述的偏移檢測器，其中該有限脈沖響應(yīng)濾波器的tap數(shù)為單數(shù)。
10.一種用來檢測一無線通訊網(wǎng)路中自動頻率控制中的頻率偏移的方法，該方法包含使用一直流補(bǔ)償過的奇函數(shù)濾波器轉(zhuǎn)換一復(fù)數(shù)增益訊號；使用該濾波器的輸出訊號及一延遲模塊的輸出訊號產(chǎn)生二分別代表該復(fù)數(shù)增益訊號的正部分及負(fù)部分的復(fù)數(shù)訊號；以及產(chǎn)生一等于該二復(fù)數(shù)訊號的振幅間的差的輸出訊號。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中該濾波器為一鋸齒形、正弦波形、三角形、或一方形濾波器。
12.如權(quán)利要求10所述的方法，其中該濾波器為一有限脈沖響應(yīng)濾波器。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中該有限脈沖響應(yīng)濾波器的tap數(shù)為五。
14.如權(quán)利要求12所述的方法，其中該有限脈沖響應(yīng)濾波器執(zhí)行一希氏轉(zhuǎn)換。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于多重路徑衰減環(huán)境下自動頻率控制的頻率偏移檢測器，該自動頻率控制包含一可變相位產(chǎn)生器、一用來相乘于一輸入訊號的指數(shù)項(xiàng)e
文檔編號H04L27/00GK1578189SQ20041006182
公開日2005年2月9日 申請日期2004年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月7日
發(fā)明者彭寶杞 申請人:明基電通股份有限公司