CN101584177B - 用于高速通信的改进的频率估计的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种在高频数据通信系统中用于改进的频率误差估计的系统和方法。在一个实施例中，用于提供改进的频率误差估计的方法包括：对原始的信息比特执行编码、交织和码元映射，以便形成调制的信息码元的数据流；以逐渐更长的时间间隔插入导引码元到数据流中；以及从数据发射机把该数据流作为无线电信号发送到接收机。该方法还包括：使用所接收的、以逐渐更长的时间间隔发送的导引码元来执行频率误差估计。在某些实施例中，接收的导引码元还可被使用来执行改进的信道估计更新。

Description

用于高速通信的改进的频率估计的系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求在先提交的、共同未决的美国临时申请，即：2007年1月16日提交的序列号No.60/885,158的权益。

发明背景

1.发明领域

本发明总的涉及数据通信领域，更具体地，但不排他地，涉及发送数据信号的系统和方法。

2.相关技术描述

未来的高速无线通信系统预期在更高的频率(例如，60Ghz)上进行。与这样的系统相关联的挑战之一是在发射机与接收机之间的相对高频失配。在60Ghz处，在发射机和接收机处使用市面上可买到的20ppm误差的晶体，则这种失配可以高达2.4MHz。这种失配高达今天5GHz WLANS的失配的十倍。

传统的分组结构，诸如对于高速通信用于WLAN的那些分组结构，不提供精确的频率误差估计。这是因为传统的分组结构仅仅在数据的开头包含前同步序列。虽然这种结构导致在例如5Ghz的低频时适用的性能，因为预期的频率误差将不超过200kHz(40ppm)。然而，使用类似的结构对于在例如60GHz的高频的系统将不能导致良好的性能。为了对高速系统得到良好的估计精度，在分组的开头需要非常长的前同步。然而，这导致非常低效的系统。传统的用来改进性能的方法是随数据规则地插入前同步。这些重复的前同步不仅可以被使用于频率误差估计，而且也可以被使用于其它目的，诸如信道估计更新。虽然这种结构改进了性能，但它不适用于例如60Ghz的高频应用。而且，规则地插入的前同步增加了开销，由此降低了信道效率。

所以，存在对用在高频上的、具有可接受开销的频率误差估计系统和方法的需要。

发明概要

所以，鉴于以上问题，作出本发明。因此，本发明提供一种用于在数据通信系统中提供改进的频率误差估计的系统和方法。在一个实施例中，提供一种数据结构，其包括导引码元序列，该导引码元序列要被插入到数据码元序列中，以从数据发射机无线传输到数据接收机。按照本发明的方法，导引码元以逐渐更低的重复率(即，逐渐更大的重复时间间隔)被插入到数据码元序列中。通过以初始的高的传输重复率来发送导引码元，数据接收机能够作出频率误差的粗略估计。此后，当重复率被逐渐降低时，得到频率误差的更精细的估计。以所描述的方式发送的导引码元序列是有用的，其不仅用于提供改进的频率误差估计，而且还用于提供改进的信道估计更新。

下面更详细地描述本发明的各种不同的方面和实施例。

附图简述

通过考察以下结合附图考虑的本发明的详细说明，将明白本发明的这些和其它目的、特征和优点，其中：

图1是数据发射机的一个实施例的功能性框图；

图2是可被采用来用于由数据发射机发送的数据分组的分组结构的一个实施例；

图3是集中在频率误差估计和校正部分上的数据接收机之一部分的一个实施例的功能性框图；

图4是图3的数据接收机的频率估计块308的更详细的框图；以及

图5和6图示对于三种系统配置的两个不同的仿真结果，所述的三种系统配置分别对应于第一和第二现有技术系统配置以及按照本发明的实施例的系统配置。

优选实施例详细说明

在以下的讨论中，阐述了许多具体的细节，以便提供对本发明的透彻的了解。然而，本领域技术人员将会意识到，本发明可以在没有这样的具体细节的情况下被实践。在其它实例中，熟知的单元以示意图或框图的形式被示出，以免在不必要的细节上遮蔽本发明。

应当明白，在附图上显示的单元可以以各种形式的硬件、软件或它们的组合而被实施。优选地，这些单元以硬件和在一个或多个适当地编程的通用设备上的软件的组合而被实施，这些通用设备可包括处理器、存储器和输入/输出接口。

本说明阐明了本公开内容的原理。因此应意识到，本领域技术人员将能够设计出各种安排，这些安排虽然在这里没有被明显地描述或显示，但它体现了所述公开内容的原理，并且被包括在本公开内容的精神和范围内。

这里叙述的所有的例子和条件语言打算用于教学目的，用来帮助读者理解本公开内容的原理和发明人为了促进技术而贡献的概念，并且应当被解释为不限于这样的明确叙述的例子和条件。

而且，这里的叙述本公开内容的原理、方面、和实施例及其具体例子的所有的陈述，打算包括它们的结构和功能的等同物。另外，这样的等同物打算包括当前已知的等同物以及将来研究出的等同物，即，研究出的执行相同功能的任何单元，而不管其结构如何。

因此，例如，本领域技术人员将会意识到，这里给出的框图代表体现本公开内容原理的说明性电路的概念图。同样地，将会意识到，任何流程图、作业图、状态转移图、伪码等等代表各种过程，这些过程基本上可以被表示在计算机可读的介质上，从而由计算机或处理器执行，无论这样的计算机或处理器是否被明显地示出。

在附图上显示的各种单元的功能可以通过使用专用硬件以及能够与适当的软件相联合地来执行软件的硬件而被提供。当由处理器提供时，所述功能可以由单个专用处理器、由单个共享处理器、或由多个单独的处理器来提供，该多个单独的处理器中的某些处理器可以被共享。而且，术语“处理器”或“控制器”的明显的使用不应当被解释为排它地指能够执行软件的硬件，而是可以隐含地包括，但不限于：数字信号处理器(“DSP”)硬件，用于存储软件的只读存储器(“ROM”)，随机存取存储器(“RAM”)，和非易失性存储装置。

也可以包括其它的传统的和/或定制的硬件。同样地，在附图上显示的任何开关仅仅是概念上的。它们的功能可以通过编程逻辑的操作、通过专用逻辑、通过程序控制和专用逻辑的交互作用、或甚至人工地被实行，特定的技术是可由实施者选择的，正如从上下文中更具体地了解的。

在本发明的权利要求中，被表示为用于执行规定功能的装置的任何单元打算包括执行该功能的任何方式，例如包括a)执行该功能的电路单元的组合，或b)任何形式的软件(因此包括固件、微代码等等)，组合以用于执行该软件来完成所述功能的适当电路。由这样的权利要求定义的公开内容存在于这样的事实：由各种叙述的装置提供的功能性被组合，并以权利要求所要求的方式集合在一起。因此应注意到，可以提供那些功能性的任何装置等同于在这里显示的那些。

综述

本发明在减小以高频通信的发射机与接收机之间出现的相对高频失配、由此改进对于高速通信的频率误差估计方面，具有特定的但不排他的应用。有利地，改进的频率误差估计以合理的开销被实现。

众所周知，在无线通信系统中估计频率误差的传统方式是通过被接收数据的自相关。例如，发射机发送一个信号s(t)。在由RF单元进行下变频、排除多径之后，被接收信号于是可被表示为： $r\left(t\right)=s\left(t\right)e^{i({2\mathrm{\πf}}_{\mathrm{\Δ}}t+\mathrm{\α})}+n\left(t\right)$ 方程[1]

其中f_Δ是频率误差(即，发射机和接收机振荡器的失配)，α是相位偏移，而n(t)是加性噪声。

估计这个频率误差f_Δ的通常的方法是通过在已知的时间间隔内发送两个相同的序列。在接收机处，执行延迟的-自相关运算，以便如下地计算频率误差。

频率误差估计的离散时间等效计算可被描述为： $f\left(n\right)=\underset{m=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}r(\mathrm{nT}-\mathrm{mT})r^{*}(\mathrm{nT}-\mathrm{mT}-\mathrm{KT})$ 方程[2]

其中T是采样速率，KT是序列的重复间隔，而N是序列的长度。这里，假设积分仅仅在重复发送的部分上进行。结果，在被重复部分重叠的点上发现以下结果。 $f\left(n\right)={\mathrm{\δe}}^{i2\mathrm{\π}{f}_{\mathrm{\Δ}}\mathrm{KT}}+n^{\′}\left(n\right)$ 方程[3]

其中δ是常数。取上式的角度，可以得到频率误差为： ${f^1}_{\mathrm{\Δ}}=f_{\mathrm{\Δ}}+\frac{n^{\′\′}}{2\mathrm{\πKT}}$ 方程[4]

其中n”是噪声项。从方程(4)应当注意到，频率误差的精度受噪声项和间隔KT的严重影响。噪声项或多或少是恒定的。减少噪声项的负面影响的一种方法是增加间隔KT。然而，这个间隔不能在不引起其它有害效果的情况下增加。为了让以上的估计行得通，预期的角度旋转不应当超过360°，这样，才可以执行明确的估计，即，f_ΔKT≤1。为了满足这个约束条件，必须使KT小于频率误差的倒数，即，KT＜1/f_Δ方程[5]

因此，KT需要对于最大预期的误差来被选定尺寸。实际上，它应当远小于预期的频率误差的倒数。例如，对于超宽带(UWB)应用，KT＝300ns。在理论上，这允许高达3.3MHz时钟偏差的估计。然而，估计精度取决于噪声，其要求更大的KT值。

所以表明了存在两个相冲突的要求。更具体地，为了允许估计大的频率误差，重复间隔KT必须小，但为了得到精确的估计误差，重复间隔KT必须大。

对于在相对较低的速度在频率-例如5GHz或更低的频率下运行的系统，可以通过把最大可容忍的频率误差设置为某个值，诸如200KHz，而克服上述的相冲突的要求。通过这样地限制最大可容忍的频率误差，可以找出适当的KT值。因此，可以使用具有20ppm技术规格的晶体振荡器，它们是可以以低成本得到的。

不幸地，对于在例如60GHz量级的高速下运行的通信系统，该相冲突的要求不容易满足。对于这样的在60GHz量级的高速通信系统，使用20ppm晶体会导致2.4MHz的不可接受的频率误差。这不便于找出既适合于精度又适合于较大幅度估计的、适当的KT值。一个可能的解决方案是使用具有2ppm技术规格的晶体振荡器。然而，这个要求从成本观点来看是不希望的。

本发明通过提供一种以合理的开销提供对于高速通信系统(例如，60GHz)的改进频率误差估计的系统和相关方法，从而解决找出既适合于精度又适合于较大幅度估计的、适当的KT值的问题。一个示例性实施例被描述为如下。

发射机

图1是数据发射机100的一个实施例的功能性框图。正如本领域技术人员将会意识到的，图1所示的各种功能可以通过使用软件控制的微处理器、硬布线的逻辑电路、或它们的组合而物理地实施。另外，虽然为了说明起见，功能块在图1上被图示为分开的，但它们可以在任何实际的实现中被组合。

数据发射机100包括信道编码器105、信道交织器107、码元映射器109、导引信号插入器111、数据插入模块113、保护间隔插入器115、上采样滤波器117和数字-模拟转换器119。

信道编码器105按照编码方法来对输入信息比特序列进行信道编码。信道编码器105可以是块编码器、卷积编码器、turbo编码器、或它们的某些组合，包括链接码(concatenated code)。

信道交织器107按照交织方法来对编码的数据进行交织。虽然在图1上未示出，但无疑地，包括转发器和凿孔器的速率匹配器可存在于信道编码器105与信道交织器107之间。

从信道交织器107输出的数据码元被发送到导引信号插入器111，在其中导引码元被插入在数据码元之间。导引信号插入器111生成导引码元，它们可被使用来帮助接收机检测发送的信号。导引码元的更详细的说明在下面参照图2进一步地讨论。数据码元和导引码元在此后共同地被简称为码元。码元被传送到保护间隔插入器115，以便给码元加上前缀。信号然后被传送通过上采样滤波器117、数字模拟转换器121和射频(RF)发射机121，该发射机把SBCT码元作为信号通过第一发射天线123进行发送。

保护间隔插入器113包括分用器或开关112，用于选择性地提供从导引信号插入器111输出的码元或是例如来自训练序列的其它数据码元。

分组结构

图2是按照本发明的一个实施例的、可以在通信发射机的数据传输中采用的数据分组200的结构的一个实施例。数据分组结构200通过把短的前同步分组12插入在数据流中以形成由前同步分组12分隔开的离散数据序列14而得到。前同步分组在此后被称为码元12。按照本发明的方法，码元12以越来越大的K_NT值(其中N＝1，2，3，...)被插入到数据流14，其中K_NT是码元12序列的重复间隔(即，时间插入间隔)。

数据发射机100以适合于供传统的20ppm晶体使用的可变重复时间间隔KT发送码元12。通过以可变重复间隔KT发送码元12，较小的KT值允许接收机300得到粗略频率误差的估计。粗略估计对于允许接收机300执行对被接收信号的初始校正(去旋转)是足够的。由于通过使用更大的KT值，所发送的码元12的间隔变得越来越大，所以频率估计误差随之变得越来越小。一旦达到需要的精度，就可以停止码元序列12的发送。替换地，一旦达到需要的精度，可以使用更大的KT值继续进行码元序列12的发送。

接收机

现在转到图3，图上描绘了数据接收机300的简化的示例性实施例。在图3的实施例中，数据接收机400包括复合混频器302、可变延迟块304、频率误差估计块306和本地振荡器308。

在运行时，从无线电发射机121(见图1)无线地接收的输入无线电信号30作为第一输入被供应到复合混频器302，在其中该输入无线电信号与从振荡器308输出的、具有等于载波频率的特征频率f_c的参考信号32相组合。最终得到的复合信号34由可变延迟块304处理，该可变延迟块被配置成把复合信号34延迟一个已知的延时，以产生延时的复合信号36。延时的复合信号36作为一个输入被供应到频率估计器块306。复合信号34作为第二输入被供应到频率估计器块306。频率误差估计块308被配置成确定频率参考信号32的频率特征，并把频率误差估计38输出到振荡器308。

现在转到图4，图上显示频率估计块306的更详细的框图。频率估计块306包括复合混频器406、求和器/积分器408、角度估计器410、加法器412和延迟块414。复合混频器406与求和器408对两个输入执行延迟的自相关运算。具体地，频率估计块306接收以下两个输入：第一输入，即，从复合混频器302输出的复合信号34，和第二输入，即，从可变延迟块304输出的延时的复合信号36。这两个输入在复合混频器406中被组合，且产生复合信号输出42，它作为一个输入被提供到求和器块408。这两个操作共同地完成以上参照图2描述的延迟的自相关运算，在这里它被重写为方程[6]。复合混频器执行方程[6]的乘法部分，而求和器/积分器块408执行方程[6]的求和部分。 $f\left(n\right)=\underset{m=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}r(\mathrm{nT}-\mathrm{mT})r^{*}(\mathrm{nT}-\mathrm{mT}-\mathrm{KT})$ 方程[6]

求和块410的输出然后作为一个输入被提供到角度估计块410，该角度估计块计算f(n)的角度。这在上面被描述为方程[4]，在这里它被重写为方程[7]。 ${f^1}_{\mathrm{\Δ}}=f_{\mathrm{\Δ}}+\frac{n^{\′\′}}{2\mathrm{\πKT}}$ 方程[7]

角度估计作为一个输入被提供到加法器412。加法器412从延迟块414接收第二输入。延迟块414包括一阶反馈环的单个单元，并且该延迟块被配置成把先前计算的频率误差估计加到当前的频率误差估计38。该延迟块例如每TN秒把延迟的频率误差估计输出提供到加法器412，其中T是以秒计的采样周期而N是积分间隔，如在方程[2]和[6]中显示的。有利地，通过把先前计算的频率误差估计加到当前计算的频率误差估计上，噪声可被平均掉(average out)，因此，提供更精确的频率误差估计。

实验结果

图5和图6图示对于三种系统配置的仿真结果(图5)和在分别的三种系统配置的每种系统配置中使用的对应的数据分组结构(图6)。更具体地，图5图示对于两种现有技术系统配置的仿真结果(曲线51与53)--被显示为仿真输出曲线51和53；和对于按照本发明的实施例的系统配置的单个仿真结果--被显示为输出曲线55。

三个仿真按照以下的参数被执行，这些参数包括对于运行在60GHz的高速通信系统的典型的参数。1.4GHz的采样速率，2.4MKHz的频率偏移(＝在60GHz的40ppm误差)，和具有7.5ns延迟扩散的随机指数衰变信道。

现在参照图6，图上显示分别的数据分组结构61、63和65，它们在分别的三种系统配置的每个系统配置中使用。第一数据分组结构61在基本现有技术系统配置中使用。如图所示，这种数据分组结构61包括6个前同步序列601，它们被插入在第一个发送的数据分组的开头，以帮助在接收机处的粗略频率估计。

图6还图示按照现有技术的第二数据分组结构63，它被包括来作为基本现有技术系统配置的改进。第二数据分组结构63包括基本分组结构61的6个前同步序列601，并且还包括10个附加的前同步分组603(其中的五个被示出)，它们在整个数据分组结构63中被以规则的间隔“T”间隔开，以便在数据接收机处提供更精细的频率估计。

继续参照图6，图上还显示按照本发明的第三数据分组结构65。本发明的第三数据分组结构包括6个前同步序列601，如在分组结构61、63中显示的，并且还包括10个前同步分组603，它们按照本发明的原理以逐渐增加的间隔(例如，T1、T2等)被插入。回想该渐进地间隔开的前同步分组的新颖方法是在上面相对于图2详细地描述的。应当指出，本发明的第三数据分组结构63产生仿真结果55，它比起现有技术的分组结构61、63优越10dB之多。

虽然在这里详细地显示和描述了引入本公开内容的教导的实施例，但本领域技术人员可以容易地设计出许多仍然引入这些教导的其它的变化实施例。在描述了对用于在同一个分组中高效地传输多媒体和数据的系统和方法的优选实施例(其打算是说明性的而不是限制性的)之后，应当指出，本领域技术人员可以鉴于以上的教导做出修改和变化。所以应当明白，可以在所公开的公开内容的特定实施例中做出改变，这些改变仍在由所附权利要求概述的本公开内容的范围和精神内。在这样地用专利法所要求的细节和特定性描述了公开内容后，在所附权利要求中阐述了被要求权利的和想要由专利许可证保护的内容。

Claims (13)

1.一种用于在数据通信系统中提供改进的频率估计的方法，该方法包括以下步骤：

a)对原始的信息比特执行编码、交织和码元映射，以便形成调制的信息码元的数据流；

b)以初始的高的传输重复率插入初始发送的导引码元，以及此后以逐渐更长的时间间隔插入另外发送的导引码元到数据流中；以及

c)从数据发射机把该数据流作为无线电信号发送。

2.按照权利要求1的方法，还包括以下步骤：

在接收机处接收数据流；以及

在接收机处使用接收的导引码元来执行频率误差估计。

3.按照权利要求2的方法，其中所述的在接收机处使用接收的导引码元来执行频率误差估计的步骤还包括以下步骤：

在接收机处，通过使用被插入到数据流中的所述初始发送的导引码元，而得到频率误差的粗略估计；以及

在接收机处，通过使用以所述逐渐更长的时间间隔插入到数据流中的所述另外发送的导引码元，而得到所述频率误差的更精细估计。

4.按照权利要求3的方法，还包括以下步骤：

确定在接收机处何时达到需要的估计精度；以及

暂停在所发送的数据流中另外的导引码元的发送。

5.按照权利要求3的方法，还包括：

确定在接收机处何时达到需要的估计精度；以及

调节在所发送的数据流中另外的导引码元的传输速率。

6.按照权利要求5的方法，其中当达到所述需要的估计精度时，所述传输速率被向下调节。

7.按照权利要求1的方法，其中所述的步骤(b)还包括：

以初始重复间隔K₁T插入所述初始发送的导引码元到数据流中，其中T是数据码元的采样速率，而K₁是正整数；以及

以逐渐增加的重复间隔K_NT插入所述另外发送的导引码元，其中K_N包括大于K₁的正整数的序列。

8.按照权利要求7的方法，其中导引码元以所述初始重复间隔K₁T被插入到所述数据流中，该初始重复间隔K₁T低于在接收机处的最大期望频率误差的倒数。

9.一种数据传输系统，包括数据发射机，其包括：

用于对原始的信息比特执行编码、交织和码元映射以便形成调制的信息码元的数据流的装置；

用于以初始的高的传输重复率插入初始发送的导引码元，以及此后以逐渐更长的时间间隔插入另外发送的导引码元到数据流中的装置；

用于从数据发射机将数据流作为无线电信号发送的装置；以及

用于由接收机接收该无线电信号的装置。

10.按照权利要求9的数据传输系统，还包括接收机：所述接收机包括用于在接收机处使用接收的导引码元来执行频率误差估计的装置。

11.按照权利要求10的数据传输系统，其中所述的用于在接收机处使用接收的导引码元来执行频率误差估计的装置还包括：

用于通过使用所述初始发送的导引码元，而在接收机处得到频率误差的粗略估计的装置；

用于通过使用以所述逐渐更长的时间间隔发送的所述另外发送的导引码元，而在接收机处得到所述频率误差的更精细估计的装置；以及

用于确定在接收机处何时达到需要的估计精度的装置。

12.按照权利要求11的数据传输系统，还包括：

用于在确定达到所需要的估计精度后，暂停在所发送的数据流中另外的导引码元的发送的装置。

13.按照权利要求11的数据传输系统，还包括：用于在确定达到所需要的估计精度后，调节在所发送的数据流中另外的导引码元的传输速率的装置。

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