專利名稱：用于多重路徑衰減環(huán)境下自動(dòng)頻率控制的頻率偏移檢測(cè)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(wú)線通訊網(wǎng)路中一基站與一移動(dòng)單元間相互通訊時(shí)的自動(dòng)頻率控制(Automatic Frequency Control)，特別是涉及一種用來(lái)補(bǔ)償介于該基站及該移動(dòng)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(wú)線通訊網(wǎng)路中的移動(dòng)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(wú)線電訊號(hào)會(huì)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(dòng)單元，因此，由一接收天線所接收到的無(wú)線電訊號(hào)中不僅包括依散射方式所傳來(lái)的直接波，還包括經(jīng)由多重路徑(multipath)所傳來(lái)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(duì)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化衰減(lognormal fading)。慢速衰減導(dǎo)因于該無(wú)線電訊號(hào)中的部份能量被位于該基站及該移動(dòng)單元間的地形所吸收，而最能說(shuō)明慢速衰減的例子就是，當(dāng)一移動(dòng)單元行經(jīng)隧道時(shí)，隧道的地形會(huì)吸收無(wú)線電訊號(hào)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)。快速衰減導(dǎo)因于該移動(dòng)單元所接收到的多重路徑反射波相對(duì)于該移動(dòng)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(dòng)單元相對(duì)于該基站移動(dòng)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(huì)干擾到許多無(wú)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(lái)說(shuō)，在設(shè)計(jì)WCDMA中波道估測(cè)(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(qǐng)參閱圖1及圖2，圖1顯示在沒(méi)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(hào)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(hào)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(hào)是如何變形的。
而自動(dòng)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(cè)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(hào)，而u2(t)為壓控振蕩器46的輸出訊號(hào)，該誤差(在此例中為該相位差)是由相位檢測(cè)器42所檢測(cè)而得，而輸出訊號(hào)ud(t)正比于該誤差。被相位檢測(cè)器42所檢測(cè)而得的輸出訊號(hào)ud(t)更進(jìn)一步地過(guò)濾于回路濾波器44，而回路濾波器44的輸出訊號(hào)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(hào)。壓控振蕩器46的輸出訊號(hào)u2(t)與輸入訊號(hào)u1(t)間的相位誤差再一次會(huì)被相位檢測(cè)器42所檢測(cè)而得，圖3中所示的負(fù)回饋會(huì)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(cè)器共同取代了相位檢測(cè)器42，以實(shí)際制作該自動(dòng)頻率控制。請(qǐng)參閱圖4，圖4顯示一已知偏移檢測(cè)器50，偏移檢測(cè)器50微分該輸入相位。在數(shù)字基頻中，在將輸入訊號(hào)u1(t)乘以該作為補(bǔ)償?shù)挠玫妮斎胗嵦?hào)u2(t)后，這可藉由將一現(xiàn)行取樣訊號(hào)乘以該現(xiàn)行取樣訊號(hào)的前一個(gè)取樣訊號(hào)的共軛復(fù)數(shù)來(lái)完成，以數(shù)學(xué)式子的方式來(lái)表示就是ud(n)＝u1(n)u2(n)[u1(n-1)u2(n-1)]*。
然而，這類的檢測(cè)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(wú)線通訊網(wǎng)路中的自動(dòng)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(cè)器。
本發(fā)明的自動(dòng)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(cè)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(cè)器模塊包含一乘法器及一偏移檢測(cè)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(lái)乘至一入射無(wú)線電訊號(hào)上的指數(shù)項(xiàng)ejΔωt。
本發(fā)明的偏移檢測(cè)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(hào)的絕對(duì)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(duì)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(hào)的正頻率部分及負(fù)頻率部分的復(fù)數(shù)訊號(hào)Xp及Xn。該檢測(cè)器輸出等于訊號(hào)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(lái)替代該希氏有限脈沖響應(yīng)濾波器，而不會(huì)偏離本發(fā)明的精神，該檢測(cè)器輸出等于復(fù)數(shù)訊號(hào)Xp及Xn的振幅的差。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于該偏移檢測(cè)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(wú)線通訊網(wǎng)路中的無(wú)線電訊號(hào)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(dòng)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(cè)器的方塊圖。
圖5顯示在沒(méi)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(dòng)頻率控制的方塊圖。
圖8為顯示在圖7中一偏移檢測(cè)器的方塊圖。
圖9為本發(fā)明中一偏移檢測(cè)器的輸出訊號(hào)與頻率偏移的關(guān)系圖。
圖10為本發(fā)明中另一偏移檢測(cè)器的輸出訊號(hào)與頻率偏移的關(guān)系圖。
附圖符號(hào)說(shuō)明40 鎖相回路 42、100相位檢測(cè)器44 路濾波器 46 壓控振蕩器50、92 偏移檢測(cè)器90 自動(dòng)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(duì)于自動(dòng)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(wú)線電訊號(hào)，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(méi)有頻率偏移的情況下，該多普勒擴(kuò)散是對(duì)稱的。
請(qǐng)參閱圖5及圖6，圖5為沒(méi)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(hào)60及原始訊號(hào)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(hào)70、頻率偏移76、及原始訊號(hào)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(hào)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(hào)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(dòng)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(cè)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(guò)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(dòng)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(dòng)頻率控制90的相位檢測(cè)器模塊則包含一乘法器91及一偏移檢測(cè)器92。較為詳盡的等效偏移檢測(cè)器100顯示于圖8。
顯示于圖8的相位檢測(cè)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(lái)輸出一輸入訊號(hào)的絕對(duì)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(hào)Xp及Xn。希氏轉(zhuǎn)換用來(lái)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(hào)，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(hào)。
檢測(cè)器輸出訊號(hào)120系等于復(fù)數(shù)訊號(hào)Xp及Xn的振幅間的差，而檢測(cè)器輸出訊號(hào)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(wú)限響應(yīng)，而上述的制作方式卻會(huì)使得顯示在圖9中的轉(zhuǎn)換區(qū)域的長(zhǎng)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(cè)器的增益。為了簡(jiǎn)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(cè)器100中的飽和區(qū)域，檢測(cè)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(dòng)單元的移動(dòng)速度，因此，檢測(cè)器100的轉(zhuǎn)折位置是不固定的，但幸好檢測(cè)器100在進(jìn)入該飽和區(qū)域時(shí)，并不會(huì)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(lái)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(guò)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(dòng)頻率控制的偏移檢測(cè)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(wú)線通訊網(wǎng)路中無(wú)線電訊號(hào)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(wú)線通訊網(wǎng)路中用于自動(dòng)頻率控制的偏移檢測(cè)器，該偏移檢測(cè)器包含一濾波器，其振幅響應(yīng)一經(jīng)過(guò)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(lái)接收一復(fù)數(shù)增益訊號(hào)；一延遲模塊，包含一輸入端及一輸出端，該輸入端用來(lái)接收該復(fù)數(shù)增益訊號(hào)；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(lái)輸出該濾波器的輸出端上所輸出的訊號(hào)及該延遲模塊的輸出端上所輸出的訊號(hào)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(lái)輸出該濾波器的輸出端上所輸出的訊號(hào)及該延遲模塊的輸出端上所輸出的訊號(hào)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(lái)輸出該第一加法器的輸出端上所輸出的訊號(hào)及該第二加法器的輸出端上所輸出的訊號(hào)間的差。
2.如權(quán)利要求1所述的偏移檢測(cè)器，其中輸出于該偏移檢測(cè)器的輸出訊號(hào)的振幅等于輸出于該第一加法器的輸出訊號(hào)的振幅及輸出于該第二加法器的輸出訊號(hào)的振幅間的差。
3.如權(quán)利要求1所述的偏移檢測(cè)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(cè)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(cè)器，其中該濾波器對(duì)該復(fù)數(shù)增益訊號(hào)進(jìn)行希氏轉(zhuǎn)換。
6.如權(quán)利要求5所述的偏移檢測(cè)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(cè)器，其中該希氏轉(zhuǎn)換的tap數(shù)為五。
8.一種應(yīng)用于一無(wú)線通訊網(wǎng)路中自動(dòng)頻率控制的偏移檢測(cè)器，該偏移檢測(cè)器包含一有限脈沖響應(yīng)濾波器，其可對(duì)一復(fù)數(shù)增益訊號(hào)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(hào)；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(lái)加總該有限脈沖響應(yīng)濾波器的輸出訊號(hào)及該延遲模塊的輸出訊號(hào)，以輸出一第一復(fù)數(shù)訊號(hào)；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(lái)將該有限脈沖響應(yīng)濾波器的輸出訊號(hào)減去該延遲模塊的輸出訊號(hào)，輸出一第二復(fù)數(shù)訊號(hào)；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(lái)輸出一等于該第一復(fù)數(shù)訊號(hào)及該第二復(fù)數(shù)訊號(hào)的振幅間的差的訊號(hào)。
9.如權(quán)利要求8所述的偏移檢測(cè)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(lái)檢測(cè)一無(wú)線通訊網(wǎng)路中自動(dòng)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(guò)的奇函數(shù)濾波器轉(zhuǎn)換一復(fù)數(shù)增益訊號(hào)；使用該濾波器的輸出訊號(hào)及一延遲模塊的輸出訊號(hào)產(chǎn)生二分別代表該復(fù)數(shù)增益訊號(hào)的正部分及負(fù)部分的復(fù)數(shù)訊號(hào)；以及產(chǎn)生一等于該二復(fù)數(shù)訊號(hào)的振幅間的差的輸出訊號(hào)。
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(dòng)頻率控制的頻率偏移檢測(cè)器，該自動(dòng)頻率控制包含一可變相位產(chǎn)生器、一用來(lái)相乘于一輸入訊號(hào)的指數(shù)項(xiàng)e
文檔編號(hào)H04L27/00GK1578189SQ20041006182
公開(kāi)日2005年2月9日 申請(qǐng)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(qǐng)人:明基電通股份有限公司