專(zhuān)利名稱(chēng)：基于實(shí)頻率參考信號(hào)的數(shù)字化自動(dòng)頻率校正方法
基于實(shí)頻率參考信號(hào)的數(shù)字化自動(dòng)頻率校正方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通信傳輸領(lǐng)域中的頻率同步系統(tǒng)，尤其涉及一種基于實(shí)頻率參考信號(hào)的數(shù)字化自動(dòng)頻率校正方法。
背景技術(shù)：
在通信傳輸系統(tǒng)中，接收端的頻率源信號(hào)頻率通常需要與發(fā)射端的頻率源信號(hào)頻率保持一致。為了做到這一點(diǎn)，可以采用的一種方法是在收發(fā)兩端采用高精度的晶體振蕩器。但是高精度的晶體振蕩器通常比較昂貴，而且長(zhǎng)時(shí)間使用之后會(huì)發(fā)生頻率漂移，需要定期進(jìn)行人工頻率校正。
可以采用的另一種方法是由發(fā)射端向接收端發(fā)送一個(gè)頻率參考信號(hào)(又稱(chēng)為校頻信號(hào)或?qū)ьl信號(hào))，接收端根據(jù)接收的頻率參考信號(hào)對(duì)本地頻率源信號(hào)的頻率進(jìn)行自動(dòng)校正，使得本地頻率源信號(hào)的頻率在精度允許的范圍內(nèi)跟蹤于頻率參考信號(hào)的頻率，從而達(dá)到收發(fā)雙方頻率同步的目的。這種方法稱(chēng)為自動(dòng)頻率跟蹤或自動(dòng)頻率校正。
有時(shí)頻率參考信號(hào)并不是一直存在的，而是間歇發(fā)送的。此時(shí)在實(shí)施自動(dòng)頻率校正之前必須先檢測(cè)接收信號(hào)中是否存在頻率參考信號(hào)。只有在頻率參考信號(hào)存在的前提下才可以實(shí)施自動(dòng)頻率校正。
在自動(dòng)頻率校正中，通常只需一個(gè)普通的壓控振蕩器(vco)和一些控制電路就可以實(shí)現(xiàn)高精度的頻率同步，不但價(jià)格比較低廉，而且頻率校正是自動(dòng)完成的，不需要定期進(jìn)行人工校頻。
自動(dòng)頻率校正的一個(gè)典型例子是GSM移動(dòng)通信系統(tǒng)中基站與移動(dòng)臺(tái)或直放站之間的頻率校正?；驹谙滦袕V播信道中，每隔約46ms或51ms發(fā)送一個(gè)持續(xù)時(shí)間約為577s的校頻突發(fā)包(FCB),即頻率參考信號(hào)，移動(dòng)臺(tái)或直放站可根據(jù)這些FCB校正自己的頻率源頻率。
自動(dòng)頻率校正方法分為模擬式和數(shù)字式兩種。模擬式自動(dòng)頻率校正方法通過(guò)對(duì)模擬信號(hào)的處理來(lái)獲得用于頻率校正的調(diào)整信號(hào)，而數(shù)字式自動(dòng)頻率校正方法則先將模擬信號(hào)數(shù)字化，然后再通過(guò)對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理來(lái)獲得用于頻率校正的調(diào)整信號(hào)。
通常的數(shù)字式自動(dòng)頻率校正方法是根據(jù)接收頻率參考信號(hào)的復(fù)數(shù)形式(即I、 Q兩路相互正交的實(shí)頻率參考信號(hào))來(lái)實(shí)施的，例如美國(guó)專(zhuān)利公告
US 6226336B1和US2005/0129149A1。這種基于復(fù)頻率參考信號(hào)的數(shù)字式自動(dòng)頻率檢測(cè)和校正方法所處理的采樣數(shù)據(jù)是復(fù)數(shù)，其實(shí)部和虛部分別是在同一時(shí)刻對(duì)I、 Q兩路相互正交的實(shí)頻率參考信號(hào)采樣得到的實(shí)數(shù)樣值。
然而基于復(fù)頻率參考信號(hào)的數(shù)字式自動(dòng)頻率校正方法具有較高的復(fù)雜度。獲得復(fù)數(shù)形式的I、 Q兩路頻率參考信號(hào)需要通過(guò)對(duì)實(shí)數(shù)形式的一路頻率參考信號(hào)進(jìn)行正交變頻來(lái)實(shí)現(xiàn)，這比獲得實(shí)數(shù)形式的一路頻率參考信號(hào)要
復(fù)雜得多；另外，在得到I、 Q兩路頻率參考信號(hào)的過(guò)程中又可能會(huì)引入一些失衡，包括幅度失衡(I、 Q兩路幅度不同)、相位失衡(I、 Q兩路相位不正交)等，這些失衡會(huì)影響自動(dòng)頻率校正方法的精度。為了解決這一問(wèn)題需要對(duì)失衡進(jìn)行補(bǔ)償，但這樣做又會(huì)使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度增加。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為克服上述基于復(fù)頻率參考信號(hào)的數(shù)字式自動(dòng)頻率校正方法復(fù)雜度較高的缺點(diǎn)，提供一種基于實(shí)頻率參考信號(hào)的數(shù)字化自動(dòng)頻率校正方法。
為此，本發(fā)明采取如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)
本發(fā)明之基于實(shí)頻率參考信號(hào)的數(shù)字化自動(dòng)頻率校正方法，其頻率參考信號(hào)來(lái)自發(fā)射端，默認(rèn)存在或經(jīng)頻率檢測(cè)確認(rèn)存在，其中包括
將來(lái)自發(fā)射端的一路中頻或基帶模擬實(shí)信號(hào)進(jìn)行采樣、模數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的步驟；
以該實(shí)采樣數(shù)據(jù)計(jì)算本地頻率源信號(hào)與發(fā)射端頻率源信號(hào)的頻率誤差函數(shù)的步驟；
在默認(rèn)所述頻率參考信號(hào)存在或經(jīng)頻率檢測(cè)確認(rèn)頻率參考信號(hào)存在的標(biāo)志信號(hào)置位時(shí)，選通頻率誤差函數(shù)的計(jì)算結(jié)杲并進(jìn)行數(shù)據(jù)變換以獲得對(duì)本地的頻率進(jìn)行調(diào)整的調(diào)整增量的步驟；
將所述調(diào)整增量進(jìn)行累加以獲得本地頻率源數(shù)字調(diào)整信號(hào)的步驟；將該數(shù)字調(diào)整信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬調(diào)整信號(hào)的步驟；
對(duì)該模擬調(diào)整信號(hào)進(jìn)行濾波形成本地頻率源控制電壓的步驟；以該頻率源控制電壓控制本地頻率源實(shí)現(xiàn)本地頻率調(diào)整使之與發(fā)射端的頻率同步的步驟。
所述采樣、模數(shù)轉(zhuǎn)換的步驟中，采樣時(shí)鐘由本地頻率源信號(hào)經(jīng)分頻/倍頻得到，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中不同的收發(fā)頻差允許范圍，采樣頻率與本地頻率源信號(hào)頻率之比取不同的預(yù)設(shè)值，采樣頻率隨著本地頻率源的調(diào)整而變化。
所述計(jì)算頻率誤差函數(shù)的步驟中，頻率誤差函數(shù)由所述信號(hào)的兩組實(shí)采樣數(shù)據(jù)的乘積之差的2倍經(jīng)平滑后獲得的，其中每組均包含兩個(gè)實(shí)采樣數(shù)據(jù)，一組中兩個(gè)實(shí)采樣數(shù)據(jù)的采樣時(shí)刻之和與另一組中兩個(gè)實(shí)采樣數(shù)據(jù)的采樣時(shí)刻之和相等，每組中兩個(gè)實(shí)采樣數(shù)據(jù)的采樣時(shí)刻之差為采樣時(shí)間的奇數(shù)倍。
所述計(jì)算頻率誤差函數(shù)的步驟中，更具體地，所述兩組實(shí)采樣數(shù)據(jù)中，
每組的兩個(gè)實(shí)采樣數(shù)據(jù)通過(guò)乘法器相乘之后，兩組實(shí)采樣數(shù)據(jù)的的乘積均輸出至減法器計(jì)算兩者之差，然后對(duì)其進(jìn)行平滑處理，獲得所述頻率誤差函數(shù)。
所述獲得調(diào)整增量的步驟中，由所述標(biāo)志頻率參考信號(hào)存在的標(biāo)志信號(hào)觸發(fā)一個(gè)選通器，使其允許所述頻率誤差函數(shù)的計(jì)算結(jié)果通過(guò)一變換器進(jìn)行數(shù)據(jù)變換，以最終獲得所述調(diào)整增量。
所述對(duì)頻率誤差函數(shù)進(jìn)行的數(shù)據(jù)變換為單調(diào)變換。單調(diào)增還是單調(diào)減由所選采樣時(shí)間決定。
與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于
首先，只需對(duì)實(shí)數(shù)形式的頻率參考信號(hào)信號(hào)(即一路實(shí)頻率參考信號(hào))的實(shí)采樣數(shù)據(jù)直接進(jìn)行處理，就可以計(jì)算出頻率校正所需的調(diào)整量，與對(duì)復(fù)數(shù)形式的頻率參考信號(hào)進(jìn)行采樣和處理要簡(jiǎn)單得多；
其次，由于無(wú)需得到復(fù)數(shù)形式的I、 Q兩路相互正交的頻率參考信號(hào)，也不存在失衡補(bǔ)償問(wèn)題，因此本發(fā)明在確保頻率校正精度的前提下大大減小了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度；
再者，本發(fā)明便于采用DSP芯片、FPGA芯片或ASIC芯片等來(lái)實(shí)現(xiàn)。


圖1是以本發(fā)明之基于實(shí)頻率參考信號(hào)的數(shù)字化自動(dòng)頻率校正方法為基礎(chǔ)的系統(tǒng)的原理框圖2是本發(fā)明實(shí)施例中參數(shù)i[w]、 C["]、 S["]的算法結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是本發(fā)明實(shí)施例中參數(shù)^\["]、 CM["]、 Sw["]的算法結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4是本發(fā)明實(shí)施例中計(jì)算本地頻率源調(diào)整信號(hào)的算法結(jié)構(gòu)示意圖； 圖5是本發(fā)明實(shí)施例中，頻率參考信號(hào)存在且無(wú)噪聲時(shí)，檢測(cè)度量C4"]
和頻率誤差函數(shù)Sw[w]與采樣時(shí)間W々關(guān)系曲線(xiàn)。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例和原理作詳細(xì)的說(shuō)明 如圖l所示，本發(fā)明之基于實(shí)頻率參考信號(hào)的數(shù)字化自動(dòng)頻率校正方法 與本申請(qǐng)人同時(shí)在另一申請(qǐng)中予以保護(hù)并在本申請(qǐng)中公開(kāi)之基于實(shí)信號(hào)的數(shù) 字化自動(dòng)頻率檢測(cè)方法一起在其中實(shí)現(xiàn)，包括A/D變換器(也即模數(shù)變換器) 102、自動(dòng)頻率和校正算法模塊104、 D/A變換器(也即數(shù)模變換器)106、 低通濾波器108、壓控振蕩器110和分頻/倍頻器112。
在圖1中，接收的模擬實(shí)信號(hào)KO來(lái)自于發(fā)射端的中頻或基帶輸出。KO 經(jīng)過(guò)A/D變換器102的采樣和模數(shù)變換，得到離散的數(shù)字實(shí)信號(hào)送入
自動(dòng)頻率和校正算法模塊104。
A/D變換器102的采樣時(shí)鐘由壓控振蕩器110和分頻/倍頻器112構(gòu)成的
本地頻率源提供。設(shè)所接收的實(shí)信號(hào)的頻率參考信號(hào)的頻率為/，本地頻率
源信號(hào)的頻率為/+ A/，則本地頻率源信號(hào)與所述頻率參考信號(hào)之間的頻率
誤差為A/,而采樣時(shí)間r與本地頻率源信號(hào)頻率/"+A/的關(guān)系為
_ 4A + 1 r = 4(/ + A/)，
或
一 4"3 r = 4(/ + A/)。
其中A:為設(shè)計(jì)參數(shù)，且A:e(O, 1，2,...},可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合的需要來(lái)選取。 由于本地頻率源存在頻率誤差A(yù)/,因此按照上述關(guān)系選取的采樣時(shí)間2" 是不確定的，在本發(fā)明中，其允許變化的范圍為A:2A: + 1
——<T <-，
或
2A: + 1A: + l --<r<-。
與之相對(duì)應(yīng)的頻率誤差的允許變化范圍為
-~< △/ <丄，
或
# + 4 4A: + 2
也就是說(shuō)， 一旦按照上述關(guān)系選定了采樣時(shí)間r，若頻率誤差A(yù)/處于上述允 許變化范圍之內(nèi)，則用本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)頻率檢測(cè)和校正；否則頻率誤差 A/將超出本發(fā)明的校正范圍而無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)頻率檢測(cè)和校正。
自動(dòng)頻率和校正算法模塊104內(nèi)部的算法結(jié)構(gòu)如圖2、圖3、圖4所示。 該算法首先在圖2中按照如下公式
」2[ ] = , [w] + r2 [" - l]， G[ 〗=2(r[w] r[w - 4] 一 - 1] r[w - 3])， = 2(r[w] r[w - 3〗一 r[" - 1] r[" - 2]); 分別完成對(duì)f["]、 C["]、 S["]的計(jì)算；然后在圖3中按照如下公式
會(huì)]=|￡、2["-附]，
1 M-1
對(duì)爿2[w]、 C["]、 S["]分別進(jìn)行平滑，得到爿2丄["〗、CM["]、 5V["]。其中丄、M、 W為設(shè)計(jì)參數(shù)，且丄、M、 We {1,2,3, 可根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的需要來(lái)選取。 ^i[w]的物理含義為接收實(shí)信號(hào)功率(或其2倍)的估計(jì)值，此處用作檢 測(cè)所接收的實(shí)信號(hào)中頻率參考信號(hào)是否存在的判決門(mén)限基準(zhǔn)；CV[w]的物理含
8義為在一定的頻率誤差范圍內(nèi)檢測(cè)所接收的實(shí)信號(hào)中頻率參考信號(hào)是否存在
的檢測(cè)度量；Sw[w]的物理含義為本地頻率源信號(hào)與頻率參考信號(hào)的頻率誤差 函數(shù)。
圖2和圖3中僅包括4種基本的算法單元，它們是延時(shí)器202、乘法器 204、加法器206和放大器208。
在圖4中，爿M"]作為檢測(cè)頻率參考信號(hào)是否存在的判決門(mén)限基準(zhǔn)，經(jīng)過(guò) 放大器208之后得到判決門(mén)限C64、["]，其中a為設(shè)計(jì)參數(shù)，且ae(O, 1)，可 根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合的需要來(lái)選取。
C4"]作為檢測(cè)頻率參考信號(hào)是否存在的檢測(cè)度量在門(mén)限比較器402中 與判決門(mén)限C64、["]進(jìn)行比較，若
則判定頻率參考信號(hào)存在，通過(guò)產(chǎn)生一個(gè)預(yù)定的信號(hào)，觸發(fā)打開(kāi)選通器404，
允許&[w]通過(guò)；否則判定頻率參考信號(hào)不存在，產(chǎn)生另一個(gè)信號(hào)關(guān)閉選通器
404，禁止Sw["]通過(guò)。
需要指出的是，上述對(duì)爿2["] 、 、」2丄[/z] 、 的計(jì)算，以及利用爿2丄["]、 C4"]對(duì)頻率參考信號(hào)是否存在所進(jìn)行的檢測(cè)在已知頻率參考信號(hào)一直存在 的場(chǎng)合下是不需要的。
Sw[w]作為頻率誤差函數(shù)，若頻率參考信號(hào)存在，則通過(guò)選通器404加到 變換器406上進(jìn)行變換，得到本地頻率源的調(diào)整增量。該調(diào)整增量經(jīng)過(guò)累加 器(由延時(shí)器202和加法器206構(gòu)成)之后得到本地頻率源的數(shù)字調(diào)整信號(hào)， 送往圖1中的D/A變換器106。
若所選取的采樣時(shí)間為
—4A: + 1 r = 4(/ + A/)，
則當(dāng)
一]> 0
時(shí)，表示采樣時(shí)間z偏大，即本地頻率源信號(hào)的頻率小于頻率參考信號(hào)的頻率， 此時(shí)可調(diào)整本地頻率源信號(hào)使其頻率增大。當(dāng)
< 0
時(shí)，表示采樣時(shí)間^小，即本地頻率源信號(hào)的頻率大于頻率參考信號(hào)的頻率，此時(shí)可調(diào)整本地頻率源信號(hào)使其頻率減小。 若所選取的采樣時(shí)間為
4A: + 3
r = 4(/ + A/) 則當(dāng)
〉 0
時(shí)，表示采樣時(shí)間rf扁小，即本地頻率源信號(hào)的頻率大于頻率參考信號(hào)的頻率， 此時(shí)可調(diào)整本地頻率源信號(hào)使其頻率減小。當(dāng)
5V["] < 0
時(shí)，表示采樣時(shí)間ri^大，即本地頻率源信號(hào)的頻率小于頻率參考信號(hào)頻率， 此時(shí)可調(diào)整本地頻率源信號(hào)使其頻率增大。
為得到調(diào)整增量而對(duì)5V["]實(shí)施的變換可以為±/ sign}或土P 5V[w]等 形式，其中
-1 jc<0 sign{x}=〗0 x = 0， / >0; 1 jc>0
正、負(fù)號(hào)及戶(hù)的選取取決于采樣時(shí)間的選取和VCO壓控曲線(xiàn)斜率的符號(hào)及大小。
在圖1中，D/A變換器106將自動(dòng)頻率和校正算法模塊104算出的數(shù)字 調(diào)整信號(hào)變換成模擬調(diào)整信號(hào)，再經(jīng)過(guò)低通濾波器108進(jìn)行環(huán)路濾波之后形 成壓控振蕩器IIO控制電壓，控制由壓控振蕩器110和分頻/倍頻器112構(gòu)成 的本地頻率源，使得本地頻率源信號(hào)的頻率跟蹤于接收頻率參考信號(hào)的頻率。
以上描述的是本發(fā)明的具體實(shí)施方式
，下面對(duì)本發(fā)明的原理作進(jìn)一步的 說(shuō)明。
接收實(shí)信號(hào)可以表示為
jJsinP祈+ ^ +柳，頻率參考信號(hào)存在 ^) = 1 40 +7(0， 頻率參考信號(hào)不存在 其中^sin(2; /H《為頻率參考信號(hào)，丄/、餘別為頻率參考信號(hào)的幅度、頻 率和初始相位，/7(,)為噪聲，s(O為其它信號(hào)，它是一個(gè)隨機(jī)過(guò)程。
為了方便本對(duì)發(fā)明原理的說(shuō)明，可令調(diào)整前VCO控制電壓保持不變，即釆樣時(shí)間T不變，并暫且忽略噪聲"W的影響，同時(shí)假設(shè)s(Z)的釆樣序列4"] 為各態(tài)歷經(jīng)的獨(dú)立同分布離散隨機(jī)序列，均值為0，方差為D2/2。 當(dāng)頻率參考信號(hào)不存在時(shí)，有
爿2["] = s2["] + s2[" - l]，
= 20["] 4" - 4] - s[ - 1] - 3])， jS[m〗=2(咖]s[w - 3] _ _ 1] 5[w _ 2]);
^!["] = — 2^(52["_附]+ 52[" —附一1])，
丄w一n
1 Af—1 1 AM = 一 X! 2(4" 一 w]s[m —附一3] _ s[打 一 附一_ m — 2])。 當(dāng)丄、M、 oo時(shí)，有
Ca/["] — 0， — 0。
此時(shí)對(duì)于某個(gè)給定的ae (0, 1)，判決關(guān)系式
不成立，因此當(dāng)丄、M、 7V選取得足夠大時(shí)，C4"]可以作為判決頻率參考刊
號(hào)不存在的檢測(cè)度量。
當(dāng)頻率參考信號(hào)存在時(shí)，有
A"] = j2 - j2cos(2柳cos(2祈2w -1)1 + 20)， C[w] =(cos(8<t) - cos(4<r))，
，
>S[ 〗=J (cos(6^fr) — cos(2^/V));
1 i_1
^[w] "2 -爿2 cosWr) — Zcos(2^"(2w - 2m -1> + 20)，
Cjw["] = J2 (cos(8; fr) _ cos(4; fr)), 5V["] =(cos(6; /"r) _ cos(2<r))。
當(dāng)丄、M、 oo時(shí)，有
— j2，CV["] e j (cos(8<r) - cos(4; fr)),
5V[w]三J2 (cos(6; /V) _ cos(2<r)) 可見(jiàn)CU"]和Sw["]只是采樣時(shí)間T^函數(shù)，而與采樣時(shí)刻w無(wú)關(guān)，它們與rf々 關(guān)系曲線(xiàn)如圖5所示。
在頻率參考信號(hào)存在的情況下，若采樣時(shí)間遞取為
_ 1
r = 4(/ + 40，
則采樣時(shí)間r^I允許變化范圍為
即頻率誤差A(yù)/的允許變化范圍為
-<oo。 2
從圖5可以看出，在區(qū)間(O， 1/2y)中，C^["]相對(duì)于r= 1/4/為偶函數(shù)。 當(dāng)4/"=0，即r^l/4/時(shí)，CM["]=」2,達(dá)到極大值。當(dāng)A/偏離0，即rilj離1/4/ 時(shí)，Cw["]逐漸變小。此時(shí)對(duì)于某個(gè)給定的a e (0， 1),總存在7= 1/4/的一個(gè) 鄰域5(cO，當(dāng)re3(a),即頻率誤差A(yù)/小于某個(gè)確定的值時(shí)，判決關(guān)系式
CM[w] > /42丄["〗
成立，因此當(dāng)Z、 M、 7V選取得足夠大時(shí)，Q/["]可以作為在一定的頻率誤差 范圍內(nèi)判決頻率參考信號(hào)存在的檢測(cè)度量。
從圖5還可以看出，在區(qū)間(0，l/2力中，S4"]相對(duì)于r= 1/4/為奇函數(shù)。 當(dāng)△/=()，即r-l/4/時(shí)，^["] = 0。當(dāng)△/<(),即r〉l/4/時(shí)，5V["]〉0;反之， 當(dāng)4/">0,即7<1/4/時(shí)，5W["]<0。因此在已知或沖全測(cè)到頻率參考信號(hào)存在
的情況下，當(dāng)丄、M、 7V選取得足夠大時(shí)，5V["]可以作為本地頻率源信號(hào)與 頻率參考信號(hào)的頻率誤差函數(shù)。
通過(guò)對(duì)Sw["]進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖儞Q，可以得到本地頻率源的調(diào)整增量。假設(shè) VCO的壓控曲線(xiàn)具有正斜率，對(duì)Syv["]的變換可以是yOsign^Ar["U。若r處于 1/4/附近一個(gè)相對(duì)較窄的范圍內(nèi)，則5W[w]與T^l關(guān)系近似為線(xiàn)性關(guān)系，此時(shí) 對(duì)5W["]的變換也可以是pSw["]。當(dāng)然，對(duì)5V[w]的變換還可以有其它形式。
本地頻率源的調(diào)整增量經(jīng)過(guò)累加之后，送往D/A變換器去產(chǎn)生VCO控
12制電壓。若A/〈0,即r〉1/4/，則調(diào)整增量為正值，累加之后使VCO控制電 壓增大，本地頻率源信號(hào)的頻率隨之增大，從而導(dǎo)致A/增大；反之，若A/X)， 即r〈l/4/"，則調(diào)整增量為負(fù)值，累加之后使VCO控制電壓減少，本地頻率 源信號(hào)的頻率隨之減少，從而導(dǎo)致A/減小。因此，通過(guò)上述調(diào)整作用，△/ 將圍繞著O上下波動(dòng)，從而使得本地頻率源信號(hào)的頻率跟蹤于接收頻率參考 信號(hào)的頻率，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)頻率校正的功能。
在頻率參考信號(hào)存在的情況下，若采樣時(shí)間t選取為
4(/ + 40
則釆樣時(shí)間t的允許變化范圍為
1 1
——<r<—, 即頻率誤差A(yù)/的允許變化范圍為
4 2
從圖5可以看出，區(qū)間(1/2/, 1//)中的CM[w]和^["]分別與區(qū)間(0, 1/2/) 中的Cm[w]和Sw[m]形狀相同，但Sw[w]的符號(hào)相反，即在t = 1/4/處S4"]以正 斜率穿過(guò)零點(diǎn)，而在t = 3/4/處&["]以負(fù)斜率穿過(guò)零點(diǎn)。因此，與上述原理 相同，當(dāng)￡、 M、 7V選取得足夠大時(shí)，Cw[w]仍然可以作為在一定的頻率誤差 范圍內(nèi)判決頻率參考信號(hào)存在的檢測(cè)度量，Sw["]仍然可以作為本地頻率源信 號(hào)與頻率參考信號(hào)的頻率誤差函數(shù)，但在計(jì)算本地頻率源調(diào)整增量時(shí)對(duì) 所作的變換中，5W[w]要用-Sw[w]代替。
將上述結(jié)論加以推廣。在頻率參考信號(hào)存在的情況下，若采樣時(shí)間ii4取
為
_ 4A: + 1 、/ + △/)，
則采樣時(shí)間rt々允許變化范圍為
A:2A + 1
即A/的允許變化范圍為4& + 2
丄 4A:
若采樣時(shí)間遞取為
46 + 3
4(/ + A/)
則采樣時(shí)間r^;允許變化范圍為
即A/的允許變化范圍為
<A/<
其中，A: e{ 0, 1， 2, ...}。對(duì)于以上兩種情況，當(dāng)丄、M、 7V選取得足夠大時(shí)， C4"]都可以作為在一定的頻率誤差范圍內(nèi)判決頻率參考信號(hào)存在的檢測(cè)度 量，Sw["]都可以作為本地頻率源信號(hào)與頻率參考信號(hào)的頻率誤差函數(shù)。但就 本地頻率源調(diào)整增量的計(jì)算而言，前一種情況下計(jì)算出來(lái)的調(diào)整增量可以直 接用于頻率調(diào)整量的累加，而后一種情況下計(jì)算出來(lái)的調(diào)整增量必須在符號(hào) 取反之后才能用于頻率調(diào)整量的累加。
以上對(duì)本發(fā)明原理的說(shuō)明是在忽略噪聲的情況下給出的。若考慮噪聲77(^ 的影響，以上方法的性能將有所惡化。假設(shè) 7(0的采樣序列^7["]為均值為0， 方差為o2/2的白噪聲序列，且各態(tài)歷經(jīng)，則當(dāng)頻率參考信號(hào)不存在且丄、M、 A/^oo時(shí)，有
因此，在丄、M、 W足夠大的情況下，上述方法仍然成立，性能的惡化可以 控制在允許的范圍之內(nèi)。
A["] 4/)2+ o2，
~> o。
當(dāng)接收頻率參考信號(hào)存在且丄、M、 iV—oo時(shí)，有
爿2￡["] 4爿2 + o2，
Ca/["] — v42 (cos(8; fr) - cos(4; /V)), ~>(cos(6;^V) - cos(2; f力)。需要說(shuō)明的是，在上述方法中，當(dāng)檢測(cè)門(mén)限因子a給定后，采樣時(shí)間r必 須處于(2A+l)/4/附近一個(gè)相對(duì)較窄的范圍內(nèi)，即頻率誤差必須限制在一個(gè)較 小的范圍內(nèi)，頻率參考信號(hào)才能被檢測(cè)到。為了擴(kuò)大檢測(cè)范圍，即擴(kuò)大頻率
誤差的允許范圍，可以采用 一 些措施。例如，可以用Vc^["]+4["]代替Cm["]
作為檢測(cè)度量，也可以在檢測(cè)階段往VCO的壓控端加一個(gè)鋸齒波掃描電壓 進(jìn)行慢速頻率掃描。另外，為了擴(kuò)大頻率誤差函數(shù)的線(xiàn)性范圍，可以用 arctgO^["]/CM[w])代替5V["]作為頻率誤差函數(shù)。不過(guò)采用以上措施是以增加 實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度為代價(jià)的。
本發(fā)明特別適用于那些僅需要在實(shí)數(shù)域?qū)邮招盘?hào)進(jìn)行處理的系統(tǒng)。例 如GSM移動(dòng)通信系統(tǒng)中的移頻直放站，它只需要將實(shí)數(shù)形式的一路射頻接 收信號(hào)在實(shí)數(shù)域移頻、放大后轉(zhuǎn)發(fā)出去，而不需要將實(shí)數(shù)形式的一路接收信 號(hào)變換成復(fù)數(shù)形式的I、 Q兩路正交信號(hào)之后再在復(fù)數(shù)域上進(jìn)行信息解調(diào)等 處理。但是，本方法并不受此一局限，也即，本發(fā)明利用數(shù)字化頻率參考信 號(hào)校正頻率的方法的應(yīng)用，只要某一個(gè)場(chǎng)合存在一個(gè)頻率參考信號(hào)且需要用 之進(jìn)行頻率校正，則便可為本領(lǐng)域內(nèi)普通技術(shù)人員鑒別后所套用。
在GSM系統(tǒng)移頻直放站中，采用上述基于實(shí)頻率參考信號(hào)的數(shù)字式自 動(dòng)頻率檢測(cè)和校正方法跟蹤基站下行的校頻信號(hào)(即頻率參考信號(hào))，只需一 個(gè)普通的壓控晶體振蕩器(VCXO),加上簡(jiǎn)單的算法實(shí)現(xiàn)電路，就可以為移 頻直放站提供高精度的本地頻率源，使移頻直放站與基站的相對(duì)頻率誤差保 持在GSM規(guī)范(ETSI EN 300 609-4、 YD/T 1337-2005 )所要求的土5 x l(T8 以?xún)?nèi)。與采用昂貴的恒溫晶體振蕩器提供本地頻率源的方法相比，既降低了 成本，又不需要定期進(jìn)行人工校頻。與采用基于復(fù)頻率參考信號(hào)的數(shù)字式自 動(dòng)頻率檢測(cè)和校正方法相比，由于無(wú)需得到復(fù)數(shù)形式的I、 Q兩路相互正交 的頻率參考信號(hào)，也不存在失衡補(bǔ)償問(wèn)題，因此在確保頻率校正精度的前提 下大大減小了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度。
權(quán)利要求
1、一種基于實(shí)頻率參考信號(hào)的數(shù)字化自動(dòng)頻率校正方法，該頻率參考信號(hào)來(lái)自發(fā)射端，默認(rèn)存在或經(jīng)頻率檢測(cè)確認(rèn)存在，其特征在于，包括將來(lái)自發(fā)射端的一路中頻或基帶模擬實(shí)信號(hào)進(jìn)行采樣、模數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的步驟；以該實(shí)采樣數(shù)據(jù)計(jì)算本地頻率源信號(hào)與發(fā)射端頻率源信號(hào)的頻率誤差函數(shù)的步驟；在默認(rèn)所述頻率參考信號(hào)存在或經(jīng)頻率檢測(cè)確認(rèn)頻率參考信號(hào)存在的標(biāo)志信號(hào)置位時(shí)，選通頻率誤差函數(shù)的計(jì)算結(jié)果并進(jìn)行數(shù)據(jù)變換以獲得對(duì)本地的頻率進(jìn)行調(diào)整的調(diào)整增量的步驟；將所述調(diào)整增量進(jìn)行累加以獲得本地頻率源數(shù)字調(diào)整信號(hào)的步驟；將該數(shù)字調(diào)整信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬調(diào)整信號(hào)的步驟；對(duì)該模擬調(diào)整信號(hào)進(jìn)行濾波形成本地頻率源控制電壓的步驟；以該頻率源控制電壓控制本地頻率源實(shí)現(xiàn)本地頻率調(diào)整使之與發(fā)射端的頻率同步的步驟。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于實(shí)頻率參考信號(hào)的數(shù)字化自動(dòng)頻率校正方 法，其特征在于所述采樣、模數(shù)轉(zhuǎn)換的步驟中，采樣時(shí)鐘由本地頻率源信號(hào)經(jīng)分頻/倍頻 得到，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中不同的收發(fā)頻差允許范圍，采樣頻率與本地頻率源信 號(hào)頻率之比取不同的預(yù)設(shè)值，采樣頻率隨著本地頻率源的調(diào)整而變化。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于實(shí)頻率參考信號(hào)的數(shù)字化自動(dòng)頻率校正方 法，其特征在于所述計(jì)算頻率誤差函數(shù)的步驟中，頻率誤差函數(shù)由所述信號(hào)的兩組實(shí)采 樣數(shù)據(jù)的乘積之差的2倍經(jīng)平滑后獲得的，其中每組均包含兩個(gè)實(shí)采樣數(shù)據(jù)， 一組中兩個(gè)實(shí)采樣數(shù)據(jù)的采樣時(shí)刻之和與另一組中兩個(gè)實(shí)采樣數(shù)據(jù)的采樣時(shí) 刻之和相等，每組中兩個(gè)實(shí)采樣數(shù)據(jù)的采樣時(shí)刻之差為采樣時(shí)間的奇數(shù)倍。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于實(shí)頻率參考信號(hào)的數(shù)字化自動(dòng)頻率校正方 法，其特征在于所述計(jì)算頻率誤差函數(shù)的步驟中，所述兩組實(shí)采樣數(shù)據(jù)中，每組的兩個(gè) 實(shí)采樣數(shù)據(jù)通過(guò)乘法器相乘之后，兩組實(shí)采樣數(shù)據(jù)的的乘積均輸出至減法器 計(jì)算兩者之差，然后對(duì)其進(jìn)行平滑處理，獲得所述頻率誤差函數(shù)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1至4中任意一項(xiàng)所述的基于實(shí)頻率參考信號(hào)的數(shù)字化 自動(dòng)頻率校正方法，其特征在于所述獲得調(diào)整增量的步驟中，由所述標(biāo)志頻率參考信號(hào)存在的標(biāo)志信號(hào) 觸發(fā)一個(gè)選通器，使其允許所述頻率誤差函數(shù)的計(jì)算結(jié)果通過(guò)一變換器進(jìn)行 數(shù)據(jù)變換，以最終獲得所述調(diào)整增量。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于實(shí)頻率參考信號(hào)的數(shù)字化自動(dòng)頻率校正方 法，其特征在于所述對(duì)頻率誤差函數(shù)進(jìn)行的數(shù)據(jù)變換為單調(diào)變換。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于實(shí)頻率參考信號(hào)的數(shù)字化自動(dòng)頻率校正方法，涉及通信中需要收發(fā)雙方保持頻率同步的技術(shù)領(lǐng)域。該方法對(duì)一路實(shí)接收信號(hào)進(jìn)行采樣，在接收信號(hào)中存在實(shí)頻率參考信號(hào)的情況下，計(jì)算本地頻率源信號(hào)與接收頻率參考信號(hào)的頻率誤差函數(shù)，并依此對(duì)本地頻率源的頻率進(jìn)行校正，使得收發(fā)雙方保持頻率同步。與常用的基于復(fù)頻率參考信號(hào)的頻率校正方法相比，由于無(wú)需得到I、Q兩路相互正交的復(fù)頻率參考信號(hào)，也不存在I、Q失衡補(bǔ)償問(wèn)題，因此該方法在確保頻率校正精度的前提下大大減小了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度。
文檔編號(hào)H04B7/26GK101471726SQ20081018497
公開(kāi)日2009年7月1日 申請(qǐng)日期2008年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月29日
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