TW201234817A - Automatic frequency offset compensation in zero-intermediate frequency receivers using minimum-shift keying (MSK) signaling - Google Patents

Description

201234817 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於數位通信，且更特定言之，係關於在零中 頻接收器中接收最小頻移鍵控（MSK)發信號之自動頻率控 制。 本申5月案主張2010年12月23日申請，J6zsef G. N6meth及 P6ter Sz. Kovdcs的名為「在零中頻接收器中使用最小頻移 鍵控（MSK)發k號之自動頻率控制（Automatic Frequency Control in Zero-Intermediate Frequency Receivers Using Minimum-Shift Keying (MSK) Signaling)」的共同擁有之 美國臨時專利申請案第61/426,864號的優先權，為了所有 目的’該案以引用的方式併入本文中。 【先前技術】 行動無線裝置中所使用之傳輸器及接收器（收發器）之載 波頻率由固定的有限精確度晶體振盪器合成。因此，在一 對通信之無線裝置中，在各別傳輸器與接收器之载波頻率 之間了存在差異，且該差異（歲β福參）顯現於經解調變 之基頻信號中。儘管數位技術可藉由修改接收到之信號串 流來移除載波偏移（CFO)之效應，如同該接收到之信號串 流已藉由恢復之傳輸器載波頻率來解調變；仍將此稱作自 動/自適應頻率控制（AFC)。由載波偏移引起之變換為確定

性的，但該信號串流亦載運雜訊。為了不成為瓶頸，AFC 數位技術應至少谷忍雜訊以及基頻處理之剩餘部分亦爲容 忍雜訊。 161131.doc

S 201234817 AFC判定載波偏移（「自動跟蹤（lock onto)傳輸器載波」） 所用之時間延長了所需傳輸訊框前導碼，因此縮短（經由 無線電接通時間之增加）了電池壽命，因而提高了無線裝 置之操作成本。AFC可補償之載波偏移之量判定所需振盪 器晶體容差’因而影響了裝置之購買成本。 對晶體精確度之要求隨著增加之有效負載位元速率而變 得較嚴格。在多速率無線收發器中，晶體精確度必須滿足 最高位元速率之要求，最高位元速率可能對較低位元速率 下之低成本應用起相反作用。此為ieee8〇2.154無線收發 窃之情況’該等無線收發器亦具有具125k 25〇k 5〇〇k_lM_ 2M bps位元速率或其子集的專屬操作模式。 【發明内容】

因此，需要自動頻率控制（AFC)方式，其在IEEE 8〇2.15.4相容無線收發器中放鬆對於專屬1及2 Mbps資料速 率的晶體精確度要求。 根據本發明之教示’使用由特定選擇之前導碼 樣j之重複構叙MSK調變前導狀方法根據間隔輸入信 號引導碼週期長度之兩個樣本的相關性來計算一載波頻率 偏移（CF〇)之自由運作精細估計，對於接收到之每-新的 二^重Hi·算並對結果滤波。該方法與精細c⑽估計之 十算並仃地藉由對來自間隔半個前導碼週期長度之所計算 之兩個相關的結果求平均傕氺 卞S值來叶算CFO之一自由運作粗略 估計，其中用於計算中益 <母—對樣本間隔一個MSK符號長 度，對於接收到之每一薪沾拔1 祈的樣本重複該計算並對結果濾 161131.doc 201234817 波。該方法接著比較除了在±180。處之可能繞回〜 :)之外為精確的精細估計與遠不及精確但沒有繞回之粗 δ卜若該粗略料與精細料之間的差異大於一預定 臨限值（在計算精細估計中的確發生繞回之指示卜則該方 法修改該精細估計。其後，將該正確精細估計用於術。 根據-實施例，一種用於在一零中頻接收器中解調變最 小頻移鍵控（MSK)信號之自動頻率偏移補償的方法可包含 以下步驟：運作一粗略載波頻率偏移估計；運作一精細載 f頻率偏移估計；判定是否已偵測到一職信號之-預期 別導碼’其中若尚未谓測到該預期前導碼’則繼續運作該 粗略及該精細載波頻率偏移估計，及若已伯測到該預期前 導碼’則停止運作該粗略及該精細載波頻率偏移估計；計 算該粗略與該精細載波頻率偏移估計之間的一絕對值差 異，判定該絕對值差異是否小於—臨限值，其中若該絕對 值差異小於該臨限值’則使用該精細載波頻率偏移估計來 補償該載波頻率偏移，及若該絕對值差異等於或大於該臨 限值，則藉由每週期加上或減去18〇度來調整該精細=波 頻率偏移估計，直至絕對值差異小於該臨限值為止， 且其後使用該經調*之精細載波頻率偏们古言十來補償該載 波頻率偏移。 ~ 根據該方法之另一實施例，該預期前導碼產生一無直流 (DC)解調變信號。根據該方法之另一實施例，該預期前導 碼為八個MSK符冑’可&含：纟有正相位旋轉之四個邏輯 一；及具有負相位旋轉之四個邏輯零。根據該方法之另一 161131.doc •6. 201234817 實施例，該等MSK信號以二兆鮑MSK符號速率運行。根據 該方法之另一實施例，藉由運作具有一個前導碼週期時滯 之自相關來判定該精細載波頻率偏移估計。根據該方法之 另一實施例’藉由對運作具有一 MSK符號時滯之間隔四個 符號的兩個自相關之結果求平均值來判定該粗略載波頻率 偏移估計》根據該方法之另一實施例，低通濾波該平均值 以移除其中之信號雜訊。根據該方法之另一實施例，該粗 略及5亥精細載波頻率偏移估計為自由運作的直至偵測到該 刖導碼為止。根據該方法之另一實施例，該補償該載波頻 率偏移之步驟藉由反旋該等MSK符號之一粗略I/Q波形來 進行。 【實施方式】 雖然本發明允許具有各種修改及替代形式，但已在圖式 中展示本發明之特定實例實施例且在本文中詳細描述。然 而，應理解，特定實例實施例之本文描述並不意欲將本發 明限於本文所揭示之特定形式，而相反，本發明將涵蓋如 由隨附申請專利範圍所界定之所有修改及均等物。 可藉由參考結合附圖所作之以下描述來獲取本發明之較 完整理解。 如圖1所示，載波偏移將旋轉引入至解調變 為典型事實。（隨機初始相位炉〇取決於諸如以下之因 素自傳輸器至接收器之傳播延遲以及載波在調變/解調 變期間之隨機初始相位）。 因此，AFC方法概括之說明可為如下： 161131.doc 201234817 在訊框開頭估計妁及Δρ，及在進一步處理之前「使每一 接收到之符號向後旋轉」所積累相位（抑+Δ9)，^+2*δ% 妁+3*Δ%…）。另外，在灼及Δ(〇之計算中使用足夠長之波 形，以便消除/減少存在於信號中之雜訊的效應。 在一些情況下，尤其在本發明所涵蓋之方法中不需要 判定灼。又，術語「使符號串流向後旋轉」炉」一般用以描 述該過程。 圖2展示開放環路AFC模組之概念結構及置放。計算藉 由所涉及信號波形之經取樣版本進行；在補償（「向後旋 轉」）中’使用歸因於兩個連續樣本之間的CF〇之相移的 量。 吾人正在尋求一種可適用於零11? MSK接收器中之方 法。此類接收器要求一最小8 MSK符號、無DC前導碼樣 式。選擇滿足此等要求之11110000序列作為訊框前導碼之 週期。 如圖3所說明’此樣式於i_q平面中顯現為四個+9〇。旋轉 接著四個-90。旋轉。若信號以每MSK符號N個樣本之速率 取樣’則連續樣本在相應MSK符號旋轉之方向上旋轉9〇/N 度。 自圖3顯而易見之對於冷泠運作赛知」炉從說重要的特性 在於：在理想、無雜訊及無CFO情況下，信鬆向禮 表f #箏码遇游之畏肩J激馮勿届。因此，兩個樣本之相關 向量之相位為〇。亦即 Φ (Si*S_i+8*N)=0 161131.doc 201234817 其中加粗表示複共輛》若」必之CFO存在，則其引入一額 外帶正負號」供樣本間頻移（Γ為取樣週期），其 在前導瑪週期内積累至识。同時，上述相關向量 得出 Φ(5ΐ*5_ΐ + 8*Ν) = φ' 而¢7在±180。範圍内，〆=炉且」^=^7(W)。 由於逐樣本位置地重複該相關，且所得相移經平均，所 以來自輸入之雜訊效應在結果中減少。用ΑφηΝΕ來表示因 此汁算出之樣本間相移Α φ。 如圖3所說明，該方法之限制在於：在於土18〇。計算φ，時 可能發生繞回。 然而，即使發生繞回，在可偵測到潛在繞回及其方向的 情況下，A(pFINE結果仍可使用。此可在可根據樣本之相關 性計算Δφ估計的情況下達成，該等樣本足夠接近而在給定 之晶體容差下不會發生繞回。結果△(pc〇ARSE將較不精確但 足夠好’使得可將值丨△q>C〇ARSE-AcpFINE丨用作繞回之指示 符。若差異係僅歸因於雜訊與計算精確度，則該差異將顯 著小於繞回已發生的情況下的差異。 可在圖3找到再次自由運作粗略么中估計的提示。重要觀 測在於處於4符號（4*#檬名）距離之樣本總是在相反方向上 旋轉；而CFO所引起之額外旋轉之方向在全部前導碼上相 同。 因此，上述對中之向量的樣本間相移分別為_9〇/N+△中度 161131.doc 201234817 及90/Ν+Δφ度。因此，在兩值之總和中來自無c阳符號 向量自身之旋轉的相移經抵銷。此在自一對進一步移動至 另一對時對於所積累相移亦為適用的。亦即 φ0、Sj七4*N*SJ + 4*N+k、=2*k*A(p 對於所有j ' k . 7 y+ 。良好實用選擇為p及 灸=#(因為N通常為2的冪）。若沒有繞回可在k個樣本上發 生，則此提供A(pC0ARSE估計。在存在頻道雜訊的情況下， 相位估計亦由雜訊污染。為了減少雜訊之效應，在每個新 的輸入符號處計算估計，且將濾波應用至所得之 估計序列。 如圖5所展示，可並行地計算么和〇^^估計及△仏_估 計。概念上，將傳入之Ϊ-Q符號移位至一暫存器甲，該暫 存器在相位估β十所需之級處具有分接頭。在填充暫存器之 後’在每個樣本頻移處產生新的估計。 圖6中呈現用於判定將在AFC中應用之樣本間相移之動 作流程，及圖7描繪基於本發明中所呈現之方法的AFC模 組之概念結構以及其在接收器之數位部分中的置放。 估計 在2兆鮑符號速率下，8符號前導碼消耗4叩。在2 4 GHz 下，標準±25 ppm晶體精確度可在最壞情況下在4 μ3内產 生±180積累之相位誤差。在5〇〇 ns(1符號）間隔内計算 △®C0ARSE ’因此原則上可將其用以偵測Δωρ丨那之多個繞 回。然而，實務上，演算法經實施以將晶體容差規格放鬆 161131.doc •10·

S 201234817 至±50 ppm(在每一極限值處一個繞回），此可在便宜的行 動無線模組中達到顯著的成本節省。 雖然已描緣、描述且藉由參考本發明之實例實施例來界 定本發明之實施例，但此類參考並不暗示對本發明之限 制，且將不會推斷出此類限制。所揭示之標的能夠在形式 及功能上具有相當大的修改、更改及均等物，如熟習相關 技術且受益於本發明者所將理解。本發明之所描繪及描述 實施例僅為實例，且並非本發明之範疇之詳盡表示。 【圖式簡單說明】 圖1說明傳輸器與接收器之間的引入旋轉至接收到之信 號向量中的載波頻率偏移（CFO)的典型圖形表示； 圖2說明一自動頻率控制（AFC)模組之概念結構及其在接 收器之數位部分中之置放； 圖3說明提供計算粗略載波頻率偏移估計之基礎的圖形 關係； 圖4說明針對相位計算實例的結果在+ 1 8〇。繞回之效應； 圖5說明根據本發明之教示的產生載波頻率偏移所引起 之樣本間相移之粗略及精細估計的計算的示意表示； 圖6說明根據本發明之特定實例的用於計算用於載波頻 率偏移補償之逐樣本相移的流程圖；及 圖7說明根據本發明之特定實例實施例的AFC模組之概 念結構及其在接收器之數位部分中之置放的示意方塊圖。 161131.doc

Claims (1)

1. 201234817 七、申請專利範圍： 1. 一種用於在一零中頻接收器中解調變最小頻移鍵控 (MSK)信號之自動頻率偏移補償的方法，其包含以下步 驟： 運作一粗略載波頻率偏移估計； 運作一精細載波頻率偏移估計； 判定是否已偵測到一MSK信號之一預期前導碼，其中 若尚未偵測到該預期前導碼，則繼續運作該粗略載 波頻率偏移估計及該精細載波頻率偏移估計，及 若已偵測到該預期前導碼，則停止運作該粗略載波 頻率偏移估計及該精細載波頻率偏移估計； 計算該冑略載波頻率偏#估計與該精細載波頻率偏移 估計之間的一絕對值差異 判疋該絕對值差異是否小於一臨限值，其中 右忒絕對值差異小於該臨限值，則使用該精細載波 頻率偏移估計來補償載波頻率偏移，及 右该絕對值差異等於或大於該臨限值，則藉由每週 期加上或減去丨80度來調整該精細載波頻率偏移估 汁’直至該絕對值差異小於該臨限值為止，且其後使 經調整之精細載波頻率偏移估計來補償該載波頻 千移。 2·如請求項1之方法 (DC)解調變信號。 3·如請求項丨之方法 其中該預期前導碼產生一無直流 其中該預期前導碼為八個MSK符 I6I131.doc 201234817 號，包含.· 具有正相位旋轉之四個邏輯一；及 具有負相位旋轉之四個邏輯零。 4. ::求項i之方法，其中該等職信號以二錢體符 號速率運行。 5. 如請求項1之方法，豆中藉由運祚且 ^ T猎由逑作具有一個前導碼週期 時滯之自相關來判定該精細載波頻率偏移估計。 6. ΓΓ3之方法’其中藉由對運作具有-贿符號時 …四個符號的兩個自相關之結果求平均值來判定 該粗略載波頻率偏移估計。 來W及 7· 如請求項6之方法，甘、公 .^ 法其進一步包含低通濾波該平均值以 移除其中之信號雜訊的步驟。 8 : °奢求項1之方法’其中該粗略載波頻率偏移估計及該 、.載波頻率偏移估計為自由運作的直至㈣到該前導 碼為止。 9. 如請求項3之方法，计+ y 中該補償該載波頻率偏移之步驟 係藉由反旋該等MgK您祕> K付唬之—粗略I/Q波形來進行。 161131.doc S •2-