專利名稱：具有初始頻率估計值和反饋路徑的頻率誤差修正系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明大致涉及一種頻率誤差修正單元及方法，尤其涉及一種在無線局域網(wǎng)絡(Wireless Local Area Network，簡稱WLAN)通訊系統(tǒng)中的接收機。
背景技術：
在通訊系統(tǒng)中，對接收機重要的是要與發(fā)射機同步，以便在發(fā)射機與接收機之間成功地交換信息。在一無線電通訊系統(tǒng)中，尤其重要的是要將接收機調諧到發(fā)射機的頻率，以便得到最佳的接收。
無線局域網(wǎng)絡(以下簡稱為WLAN)是一種被實施成有線局域網(wǎng)絡的延伸或替代的可彈性使用的數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)。WLAN系統(tǒng)利用射頻或紅外線技術而經(jīng)由空氣傳輸及接收數(shù)據(jù)，以便盡量減少對有線聯(lián)機的需求。因此，WLAN系統(tǒng)將數(shù)據(jù)聯(lián)機能力與用戶移動能力結合。
目前大部分的WLAN系統(tǒng)使用擴頻(spread-spectrum)系統(tǒng)，這是一種為了用于可靠且安全的通訊系統(tǒng)而開發(fā)的寬帶射頻技術。擴頻技術被設計成以頻寬效率來換取可靠性、完整性、及安全性。目前經(jīng)常使用了兩類的擴頻無線電系統(tǒng)跳頻(frequencyhopping)及直接序列(directsequence)系統(tǒng)。
在直接序列擴頻系統(tǒng)中，是利用具有高許多的頻率及信息位速率的字碼(code word)或符號將每一數(shù)據(jù)位編碼，而實現(xiàn)擴頻。將在一較寬的頻寬中的信號進行擴頻時，將產(chǎn)生一較低的功率譜密度(powerspectrum density)，因而其它的通訊系統(tǒng)較不可能受到傳輸該直接序列擴頻信號的裝置的干擾。直接序列擴頻采用發(fā)射機及接收機都知道的一虛擬隨機噪聲字碼來擴展數(shù)據(jù)。該字碼包含被要傳輸?shù)男畔⑽贿M行乘法運算(或互斥運算exclusive-ORed)的一個″片″(″chips″)的序列。許多無線網(wǎng)絡符合IEEE802.11標準，該標準采用公知的Barker碼對數(shù)據(jù)進行編碼及擴展。Barker字碼包含一預定序列的十一個片。其在由一包含信息的符號所占用的時間間隔中傳輸一個完整的Barker字碼。
為了可進行較高數(shù)據(jù)傳輸速率的傳輸，IEEE802.11標準被擴展到IEEE802.11b。除了11位的Barker片之外，IEEE802.11b標準將8位互補碼移位鍵(Complementary Code Keying，簡稱CCK)算法用于高數(shù)據(jù)傳輸速率的傳輸。
采用包括正交相移鍵控(Quadrature Phase-Shift Keying，簡稱QPSK)調制的較高階調制技術，即可將數(shù)據(jù)傳輸速率提升到高于符號速率。根據(jù)此種調制技術，以一較大數(shù)目的可能相位來代表每一位。因此，發(fā)射機產(chǎn)生兩個信號，亦即被稱為″同相(in-phase)″(I)信號或″I頻道″的第一信號、以及其為在相同頻率上的90°相移正弦載波且被稱為″正交(quadrature)″(Q)信號或″Q頻道″的第二信號。
使用直接序列擴頻技術的無線LAN的IEEE802.11標準采用一訓練(train)前置碼來訓練接收機至發(fā)射機。每一傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息包含一初始訓練前置碼、及接續(xù)的數(shù)據(jù)域位。該前置碼包含一同步字段，用以確保接收機可執(zhí)行必要的同步作業(yè)。對于前置碼長度而言，已界定了兩個選項，亦即一長前置碼及一短前置碼。所有符合802.11b的系統(tǒng)都必須支持長前置碼。該標準中提供了短前置碼選項，以便在傳輸諸如語音及視訊等的特殊數(shù)據(jù)時改善網(wǎng)絡傳輸率的效率。長前置碼的同步字段包含128個位，而短前置碼的同步字段包含56個位。
接收機檢測同步符號，并使接收機的內部頻率對準該同步字段中的符號，以便建立一固定的基準幀時幀，且利用該固定的基準幀時幀來解譯該前置碼之后的傳輸幀結構中的各字段。在每一信息(數(shù)據(jù)封包)開始時傳輸其中包括同步字段的前置碼。
當操作一無線LAN接收機時，碼同步是必要的，這是因為該碼是將所需的信息解擴頻(despreading)的解鑰。當?shù)竭_接收機的編碼后信號在其碼幀面(pattern)位置及其片生成率上都符合精確的時序時，即實現(xiàn)了一良好的同步。
接收機及發(fā)射機中的振蕩器由于制造上的不完美及不同的溫度等的因素，可能會提供不同的頻率，因而將造成基頻帶信號的頻率漂移。此種頻率差異或頻率偏移以接收機端的頻率誤差修正單元修正。
現(xiàn)在請參閱圖1，重復地取得一頻率誤差估計，并根據(jù)所取得的頻率誤差估計而對輸入信號執(zhí)行一頻率誤差修正，即可獲得頻率同步。此種修正程序系在一反饋循環(huán)中重復地執(zhí)行。
現(xiàn)在將參照圖2而說明用來執(zhí)行圖1所示的頻率誤差修正的頻率誤差修正單元。該頻率誤差修正單元是用來獲得所接收信號的頻率同步的處理回路。所接收的信號200被施加到混頻器210。混頻器210的輸出被傳送到頻率誤差檢測器230，以便計算頻率誤差。經(jīng)由具有一預定濾波功能的回路濾波器240及數(shù)值控制振蕩器250(Numerically ControlledOscillator；簡稱NCO)處理頻率誤差檢測器230的輸出。該數(shù)值控制振蕩器(NCO)的輸出也被施加到混頻器210，而完成用來修正所檢測到的頻率誤差的該頻率回路。
頻率誤差修正單元仍然有若干問題。一個問題是該頻率誤差修正單元需要若干耗時的反復步驟，以便獲得接收機頻率與輸入信號間的頻率同步。此外，只有在完成了該反饋循環(huán)之后，才可能進行第一頻率誤差修正。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供一種可較快地獲得頻率同步的改進的頻率誤差修正。
本發(fā)明的一個方面，設有一頻率誤差修正單元，用以根據(jù)所接收的通訊信號的檢測的頻率誤差而修正該通訊信號的頻率。該頻率誤差修正單元具有用來接收該通訊信號的第一輸入端、用來接收初始頻率誤差估計值的第二輸入端、以及用來接收反饋頻率誤差估計值的第三輸入端。該頻率誤差修正單元的輸出端提供頻率修正后的通訊信號，其中系根據(jù)該初始頻率誤差估計值而執(zhí)行對該輸入信號的第一頻率誤差修正。
本發(fā)明的另一個方面，通訊系統(tǒng)中設有接收單元，用以接收通訊信號，該通訊信號包含預定義的同步數(shù)據(jù)。該接收單元包含同步數(shù)據(jù)檢測部分及頻率誤差修正部分。該同步數(shù)據(jù)檢測部分檢測所接收通訊信號中的該預定義的同步數(shù)據(jù)，并計算該通訊信號的頻率誤差的初始估計值。該頻率誤差修正部分根據(jù)各頻率誤差估計值而修正所接收通訊信號的頻率，其中自該同步數(shù)據(jù)檢測部分接收初始頻率誤差估計值。
本發(fā)明的另一個方面，提供一種在通訊系統(tǒng)中的頻率誤差修正方法，用以修正其中包含預定義的同步數(shù)據(jù)的所接收的通訊信號的頻率。在檢測該預定義的同步數(shù)據(jù)期間，取得所接收通訊信號的初始頻率誤差估計值。根據(jù)所取得的初始頻率誤差估計值，而對所接收通訊信號的頻率執(zhí)行初始修正。然后，接收反饋頻率誤差估計值，并由此執(zhí)行頻率誤差修正。
本發(fā)明的另一個方面，提供一種在通訊系統(tǒng)中的接收通訊信號的方法。該通訊信號包含預定義的同步數(shù)據(jù)。在接收到該通訊信號之后，在檢測所接收的該通訊信號的預定義的同步數(shù)據(jù)期間，計算初始頻率誤差估計值。根據(jù)該初始頻率誤差估計值，而對所接收通訊信號的頻率執(zhí)行第一修正。然后，取得若干反饋頻率誤差估計值，并由此執(zhí)行頻率誤差修正。
在又一個實施例中，相位差誤差檢測器依近似值計算決定該初始頻率誤差估計值。
在又一個實施例中，該相位差Δerr從接收的通訊信號的復數(shù)信號分量I和Q利用下述的公式作逼近 在又一個實施例中，該相位差Δerr從接收的通訊信號的復數(shù)信號分量I和Q利用下述的公式作逼近 在又一個實施例中，在獲得傳送幀同步期間計算初始頻率誤差估計值。
在又一個實施例中，該接收單元為無線LAN接收器。
本發(fā)明的另一個方面，提供一種在通訊系統(tǒng)中的接收通訊信號的方法。該通訊信號包含預定義的同步數(shù)據(jù)。在接收到該通訊信號之后，在檢測所接收的該通訊信號的預定義的同步數(shù)據(jù)期間，計算初始頻率誤差估計值。根據(jù)該初始頻率誤差估計值，而對所接收通訊信號的頻率執(zhí)行第一修正。然后，取得若干反饋頻率誤差估計值，并由此執(zhí)行頻率誤差修正。
在又一個實施例中，相位差誤差檢測器依近似值計算決定該初始頻率誤差估計值。
在又一個實施例中，該相位差Δerr從接收的通訊信號的復數(shù)信號分量I和Q利用下述的公式作逼近 在又一個實施例中，該相位差Δerr從接收的通訊信號的復數(shù)信號分量I和Q利用下述的公式作逼近 在又一個實施例中，在獲得傳送幀同步期間計算初始頻率誤差估計值。


各附圖包含在本說明書中，且構成本說明書的一部分，以便解說本發(fā)明的原理。不得將這些附圖視為對本發(fā)明的限制，而只是用來例示并說明如何制作并使用本發(fā)明的一些例子。若參照前文中對本發(fā)明較詳細的說明，并配合各附圖，將可易于了解進一步的特征及優(yōu)點，這些附圖有圖1是頻率誤差修正程序的流程圖；圖2是頻率誤差修正單元的各組件的方塊圖；圖3是修正接收的通訊信號中的頻率誤差的程序的流程圖；圖4是通訊系統(tǒng)的接收單元中包含的頻率誤差修正單元的各組件的方塊圖；圖5是圖4的頻率誤差修正單元的組態(tài)中所示的回路濾波器模塊組態(tài)的一部分的方塊圖；圖6是圖4所示組態(tài)中包含的數(shù)值控制振蕩器模塊的一組態(tài)的方塊圖；
圖7是圖4的組態(tài)中所示的一混頻器模塊的一組態(tài)的方塊圖；圖8表示在采用第一近似法則時頻率誤差計算的近似法的一例；以及圖9表示在采用第二近似法則時頻率誤差計算的近似法的一例。
具體實施例方式
現(xiàn)在將參照各附圖而說明本發(fā)明的實施例。
現(xiàn)在請參閱各附圖，尤其請參閱圖3，圖中示出將于本文中說明的用于頻率誤差修正的處理序列。首先，在步驟300中，自所接收的通訊信號取得初始頻率誤差估計值。在步驟310中，輸入的通訊信號根據(jù)該初始頻率誤差估計值而接受第一頻率誤差修正。該初始頻率誤差估計提供用來啟動該頻率誤差修正單元的反饋頻率誤差估計值。由于一開始就對通訊信號進行了修正，因而可減少使所接收通訊信號的頻率與接收機頻率同步所需的反復步驟的數(shù)目，所以該處理架構可有利地縮短后續(xù)傳統(tǒng)的頻率誤差修正程序。
在該第一頻率誤差修正之后，在一閉循環(huán)中使輸入的通訊信號的頻率同步，該閉循環(huán)包含下列步驟估計經(jīng)過頻率修正后的通訊信號的頻率誤差(步驟320)；以及修正輸入的通訊信號的頻率(步驟330)。通過提供初始頻率誤差估計及修正(步驟300、310)，即可采用較小數(shù)目的修正步驟且在一段較短的時間中，獲得頻率同步。
用來執(zhí)行上文所述獲得頻率同步的過程的接收機架構表示于圖4的方塊圖。所接收的通訊信號410被施加到一同步數(shù)據(jù)檢測器420及一混頻器430。數(shù)值控制振蕩器440(NCO)的輸出亦被傳送到混頻器430?；祛l器430的經(jīng)過頻率修正的輸出信號被施加到頻率誤差檢測器450，以便進行頻率誤差估計。自同步單元420或頻率誤差檢測器450接收的各頻率誤差估計值被施加到一回路濾波器460?；芈窞V波器460選擇其中一個所測量的頻率誤差估計值，且該頻率誤差估計值又被施加到數(shù)值控制振蕩器440(NCO)，而完成了用來修正所檢測的頻率誤差的頻率回路。
現(xiàn)在將參照圖4的方塊圖而說明獲得頻率同步的過程。輸入的通訊信號的每一傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息都包含初始訓練前置碼。利用一調制架構來傳輸其中包括由128或56個符號構成的同步字段的該前置碼，而在該調制架構中，I頻道及Q頻道包含這些數(shù)據(jù)信息。接收機檢測這些同步符號，并使接收機的內部頻率對準該同步字段中的這些符號，以便建立固定的基準時幀，且利用該固定的基準幀時幀來解譯該同步字段之后的各字段。同步單元420(特指前置碼檢測器PDT)首先檢測無線LANIEEE訊幀。前置碼檢測單元420亦提供對會造成傳輸?shù)呐c接收的通訊信號間的頻率誤差的發(fā)射機及接收機中的各自本機振蕩器間的頻率誤差的估計。可根據(jù)將于下文中更詳細地概述的一些預定近似法而計算該初始頻率估計值。
然后經(jīng)由具有一預定義的濾波功能的回路濾波器460及數(shù)值控制振蕩器440(NCO)處理該頻率誤差估計值。該混頻器430被連接而接收將要進行頻率修正的輸入的通訊信號410，且該混頻器430被連接到數(shù)值控制振蕩器440，以便控制混頻器430的作業(yè)?；祛l器430根據(jù)數(shù)值控制振蕩器440提供的接收信號，而使所接收的通訊信號接受頻率修正。
在該初始頻率誤差修正之后，由自混頻器430接收反饋輸出的頻率誤差估計單元450、回路濾波器460、數(shù)值控制振蕩器440、及混頻器430構成頻率同步回路，而完成該回路。該同步作業(yè)相當于前文中參照圖2所述的頻率誤差估計及修正程序。
上文所述的配置可有利地改進傳統(tǒng)無線LAN接收機之處在于尤其通過取得一從位于傳統(tǒng)通訊信號頻率同步處理部分上游的獨立處理部分提供給該同步回路的第一頻率誤差估計值，而縮短的頻率同步。將立即把一開始即取得的頻率估計值用來作為該頻率誤差修正單元中的初始值，因而加速了同步程序。
圖5是根據(jù)本發(fā)明一實施例的回路濾波器460的一部分的較詳細的方塊圖?；芈窞V波器460自兩個不同的來源接收頻率誤差估計值，亦即，接收來自外部來源的初始頻率誤差估計值、以及經(jīng)由一反饋路徑而提供的后續(xù)頻率誤差估計值。為了選擇用來控制輸入的通訊信號的頻率誤差修正的適當?shù)念l率估計值，回路濾波器460包含一選擇器500。
選擇器500連接到諸如根據(jù)本發(fā)明的較佳實施例的前置碼檢測器420的外部來源，以便接收初始頻率誤差估計值。此外，選擇器500連接到位于反饋路徑中的頻率誤差檢測器450，以便接收后續(xù)的頻率誤差估計值。此外，選擇器500還連接到控制單元(圖中未示出)，該控制單元提供信號，用以針對現(xiàn)有的頻率誤差估計值而選擇適當?shù)膩碓?。選擇器500根據(jù)所接收的控制信號530而輸出一適當?shù)念l率誤差估計值，且將該頻率誤差估計值施加到數(shù)值控制振蕩器440。于初始階段，在檢測到傳輸訊幀的前置碼之后，選擇器500提供自該前置碼檢測器接收的初始頻率誤差估計值。然后，將頻率誤差檢測器450所產(chǎn)生的頻率誤差信號施加到數(shù)值控制振蕩器440。
請參閱圖6，圖中示出一數(shù)值控制振蕩器440(NCO)的一實施例。該數(shù)值控制振蕩器自回路濾波器460接收的輸入信號540被傳送到一積分器610。可將積分器610被設定成將其延遲后的輸出信號加到其接收的輸入信號540。該積分器的輸出被連接到查詢表(LUT)裝置620、630，以便提供復數(shù)輸出信號640、650，且這些復數(shù)輸出信號640、650被施加到混頻器430。
請參閱圖7，圖中示出混頻器430的一實施例?；祛l器430使所接收的復數(shù)通訊信號接受頻率修正，并輸出經(jīng)過頻率修正的復數(shù)信號。如圖7所示，將該復數(shù)通訊信號乘以數(shù)值控制振蕩器440所產(chǎn)生的復數(shù)信號。更具體而言，是將系將每一輸入樣本的復數(shù)輸入信號乘以自該數(shù)值控制振蕩器接收的共軛復數(shù)值。每一輸入信號被各別地連接到四個乘法器710、720、730、740中的一個乘法器，且每一乘法器被連接到輸入復數(shù)通訊信號的一個分量及復數(shù)修正信號的一個分量。
在該無線LAN接收機中是以若干額外的處理模塊(圖中未示出)進一步處理混頻器430的輸出信號，在此同時，反饋頻率誤差估計并進行修正。
根據(jù)一實施例，在前置碼檢測器420中的前置碼檢測期間計算頻率誤差估計值。該前置碼檢測器提供前置碼檢測信號、及頻率誤差的初始估計值，作為輸出信號。該前置碼檢測器提供初始頻率誤差估計的額外工作并不會使硬件配置有大幅增加的復雜性，這是因為前置碼檢測運行本身即可提供取得第一頻率估計值所需的信號成分。
該前置碼檢測器量測所接收通訊信號的一個相位差誤差，亦即，所接收的及經(jīng)差動解調的通訊信號相對于理想信號集的旋轉角。
可根據(jù)下列方程式來計算作為頻率誤差的典型近似法的相位差誤差 其中Q及I對應于在對前置碼檢測器內的所接收通訊信號進行差動解調之后的各復數(shù)分量。
采用諸如下文所述的兩種近似法中的一種近似法，即可計算出上述方程式的近似結果。所述的第一種近似法是基于下列假設arc tan x≈x根據(jù)該假設，可將相位差計算近似為下式 當所采用的硬件配置中可使用除法運算時，最好是使用此類的相位差計算近似法。
在第二種近似法中，假設接收單元的功率標準化(powernornalization)正確地運作。在此種狀況下，下列的假設是有效的Q≈Qo≈1I≈Io≈ 1根據(jù)這些假設，可將相位差近似為下式 因為所述的該第二種近似法只需最低的硬件配置因而可能是有利的。
上述的兩種近似法將產(chǎn)生不同程度的近似誤差。圖8及圖9中分別示出這兩種近似法所產(chǎn)生的近似誤差。如圖8及圖9所示，當采用第二種近似法時，近似誤差的量增加了。因此，在所產(chǎn)生的近似誤差超過所需的一個近似誤差范圍時，應選擇第一種相位差近似法。
雖然已參照前文所述的兩種近似法說明了由一前置碼檢測器執(zhí)行的相位差誤差檢測，但是并非將本發(fā)明限制在這些近似法。熟習此項技術者當可了解，亦可采用其它的近似法，或者甚至可以不采用任何近似法。
工業(yè)上的應用顯然，本發(fā)明益于使用在工業(yè)制程和產(chǎn)品上。
權利要求
1.一種在通訊系統(tǒng)中用來修正所接收的通訊信號的頻率的頻率誤差修正單元，包含用來接收通訊信號的第一輸入端；用來接收初始頻率誤差估計值的第二輸入端；用來接收反饋頻率誤差估計值的第三輸入端；以及用來提供經(jīng)頻率誤差修正后的通訊信號的輸出端；其中開始時系根據(jù)初始頻率誤差估計值而修正該通訊信號的頻率，且系根據(jù)反饋頻率誤差估計值而進行后續(xù)的頻率修正。
2.如權利要求1所述的頻率誤差修正單元，其中該第二輸入端系連接到一同步數(shù)據(jù)檢測裝置(420)，以便檢測通訊信號中包含的同步數(shù)據(jù)。
3.如權利要求2所述的頻率誤差修正單元，其中該同步數(shù)據(jù)系包含在該通訊信號中的傳輸訊幀的前置碼中，且該同步數(shù)據(jù)檢測裝置(420)是前置碼檢測器。
4.如權利要求3所述的頻率誤差修正單元，其中系在獲得傳輸訊幀同步期間決定該初始頻率誤差估計值。
5.如權利要求1所述的頻率誤差修正單元，其中該第三輸入端系連接到經(jīng)過頻率修正的通訊信號的反饋路徑中所設的頻率誤差檢測器(450)。
6.一種在通訊系統(tǒng)中的接收單元，用以接收通訊信號，該通訊信號包含預定義的同步數(shù)據(jù)，該接收單元包含同步數(shù)據(jù)檢測部分(420)，用以檢測所接收通訊信號中的該預定義的同步數(shù)據(jù)，并計算所接收通訊信號的頻率誤差的初始估計值；以及頻率誤差修正部分(430，440，450，460)，用以根據(jù)各頻率誤差估計值而修正所接收通訊信號的頻率，其中系自該同步數(shù)據(jù)檢測部分(420)接收初始頻率誤差估計值。
7.如權利要求6所述的接收單元，其中系自位于經(jīng)過頻率修正的通訊信號的反饋路徑中的頻率誤差檢測器(450)取得接續(xù)該初始頻率誤差估計值的這些頻率誤差估計值。
8.如權利要求6所述的接收單元，其中該同步數(shù)據(jù)檢測部分(420)包含一相位差誤差檢測器，用以決定該初始頻率誤差估計值。
9.一種在通訊系統(tǒng)中的頻率誤差修正方法，用以修正所接收的通訊信號的頻率，該通訊信號包含預定同步資料，該方法包含下列步驟在檢測所接收通訊信號中的該預定義的同步數(shù)據(jù)期間，接收所取得的接收通訊信號的頻率誤差估計值；根據(jù)該初始頻率誤差估計值，而對所接收通訊信號的頻率執(zhí)行初始修正(310)；以及接收反饋頻率誤差估計值，并因應地修正(330)該通訊信號的頻率。
10.如權利要求9所述的頻率誤差修正方法，其中該同步數(shù)據(jù)是該通訊信號中包含的傳輸訊幀的前置碼的一部分。
全文摘要
一種接收單元，包括一同步數(shù)據(jù)檢測部分及一頻率誤差修正部分。該同步數(shù)據(jù)檢測部分檢測所接收通訊信號中包含的預定義的同步數(shù)據(jù)，并計算所接收通訊信號的頻率誤差的初始估計值(300)。該頻率誤差修正部分根據(jù)各頻率誤差估計值而修正所接收通訊信號的頻率(330)從該同步數(shù)據(jù)檢測部分接收用于第一頻率誤差修正的初始頻率誤差估計值(320)。
文檔編號H04L27/227GK1643865SQ03806760
公開日2005年7月20日 申請日期2003年2月28日 優(yōu)先權日2002年3月27日
發(fā)明者J·鮑勃斯基, T·翰努茲, U·?？乒咸?申請人:先進微裝置公司