ИТЕРАТИВНАЯ КОРРЕКЦИЯ ЧАСТОТЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОБУЧАЮЩЕЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ И БИТОВ ДАННЫХ
ITERATIVE FREQUENCY CORRECTION USING TAUGHT SEQUENCE AND DATA BITS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к приемнику и способу приема. В частности, но не только, настоящее изобретение относится к способу приема сигнала, содержащего информацию, зависящую от частоты или характеристик, относящихся к частоте.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известны беспроводные системы связи. Одна известная система проиллюстрирована схематично на фиг.1. Область покрытия беспроводной сети 2 связи разделена на некоторое число сот 4. Эти соты могут находиться рядом одна с другой и/или перекрываться. Каждая сота 4 снабжена базовой станцией 6. Каждая базовая станция 6 приспособлена для связи с мобильными станциями 8 или другим оборудованием пользователя, расположенным в пределах соты.
Известны различные стандарты, которые регулируют осуществление связи между базовыми станциями и мобильными станциями. Одним широко используемым стандартом является стандарт GSM (Global System for Mobile Communications, Глобальная система мобильной связи). Это цифровая система связи. В GSM данные пересылаются между мобильными станциями 8 и базовыми станциями 6 как радиосигнал в физическом канале, который может использовать мультиплексирование с частотным и/или временным разделением для создания последовательности радиочастотных каналов и временных интервалов (тайм-слотов). Каждая частотная полоса разделена на кадры множественного доступа с временным разделением, с 8-ю пользователями на один кадр. Каждый пользователь имеет выделенный временной отрезок для отправки одной порции информации. Обычно мобильная станция и базовая станция, которые осуществляют связь между собой, используют различные частотные полосы.
В некоторых реализациях GSM может использовать модуляцию GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying, гауссова манипуляция с минимальным частотным сдвигом). Модуляция GMSK использует фазу радиосигнала для передачи данных. Фаза сигнала, естественно, зависит от частоты сигнала. Для правильной идентификации передаваемых данных частота сигнала, принятого базовой станцией и мобильной станцией, должна находиться в определенных пределах по сравнению с исходной частотой передачи этого сигнала. Если частота смещена за границы этих пределов, то при восстановлении данных могут появиться ошибки.
Ошибки в частоте при приеме в мобильной станции или базовой станции могут появляться по нескольким причинам. Например, это может случиться, если одна из этих станций перемещается. Конечно, обычно мобильная станция будет перемещаться. Изменения частоты могут, конечно, появляться из-за допплеровского смещения. Этот эффект особенно заметен, когда мобильная станция перемещается относительно быстро. Например, предложены высокоскоростные поезда, имеющие скорость около 330 км/ч. На таких скоростях допплеровское смещение, вызванное движением мобильной станции, приведет к относительно большому изменению частоты. Конечно, нужно отметить, что и движение с меньшей скоростью также приводит к допплеровскому смещению.
Движение мобильной станции относительно базовой станции - не единственный источник изменений частоты. Могут появляться и другие ошибки. Например, частоту принимаемого сигнала может изменить многолучевое распространение. Генератор передатчика может работать некорректно, например, в силу температурных изменений, поэтому частота передаваемого сигнала и, соответственно, принятого сигнала будет неточна. Кроме того, неблагоприятные погодные условия, особенно очень жаркая или очень холодная погода, могут изменить состояние радиоканала, что опять-таки приведет к смещению частоты принятого радиосигнала. В общем, изменения частоты вызваны либо радиочастотными искажениями, либо изменением параметров канала. Искажения радиочастот включают многолучевое распространение и вариации параметров кристаллического (кварцевого) генератора. Изменения в параметрах канала включают эффекты, связанные с движением и изменением погодных условий.
В основном стандарт GSM весьма надежен. По существу, есть возможность справиться с некоторыми вариациями частоты. Однако могут присутствовать несколько источников ошибок, которые в сумме дадут относительно большую ошибку частоты. Кроме того, очень быстрое движение мобильных станций может вызвать относительно большое смещение частоты этих станций.
В заявке WO 03/039025 настоящего заявителя описана автоматическая частотная коррекция. На первом этапе частота оценивается с использованием части обучающей последовательности. Затем оцененное отклонение частоты удаляется из выборок и отводов. На втором этапе некоторые символы подвергаются предварительному выравниванию с использованием эквалайзера с решающей обратной связью. Отклонение частоты оценивается с использованием обучающей последовательности, хвостовых частей и расширенных символов. Затем отклонение частоты удаляется из выборок и отводов.
Эта реализация имеет потенциальную проблему, заключающуюся в том, что общие характеристики автоматической коррекции частоты зависят от первого этапа. Однако первый этап использует только обучающую последовательность. Оценка отклонения частоты с использованием только порции обучающей последовательности может не быть надежной в случае низкого отношения сигнал/шум. В таком сценарии эквалайзер с решающей обратной связью может привести к большим ошибкам, чем решения, сделанные без первого этапа, в итоге влияя на общие характеристики.
Кроме того, рассматриваются быстрые синтезаторы, которые могут осуществлять скачки между тайм-слотами. Однако это приводит к строгим ограничениям в алгоритмах цифрового процессора сигналов. Хвостовая часть и несколько символов могут быть повреждены и не могут быть использованы. Из-за предложенных скачков между тайм-слотами время установления этих синтезаторов зависит от стоимости и может быть, например, порядка 20-30 микросекунд. Как результат этого времени установления, несколько символов и хвостовая часть получаются непригодными для использования.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В соответствии с одним аспектом изобретения предлагается приемник для приема переданных сигналов, включающих эталонную информацию, известную указанному приемнику, указанный приемник включает средство для оценки указанной эталонной информации и неэталонной информации для предоставления оцененной информации, указанная неэталонная информация непосредственно предшествует указанной эталонной информации и/или непосредственно следует за ней; и средство, использующее оцененную информацию для определения ошибки указанных принятых сигналов, а также компенсирующее указанную ошибку.
В соответствии с другим аспектом изобретения предлагается приемник для приема переданных сигналов, включающих эталонную информацию, известную указанному приемнику, указанный приемник включает оцениватель для оценки указанной эталонной информации и неэталонной информации для предоставления оцененной информации, указанная неэталонная информация непосредственно предшествует указанной эталонной информации и/или непосредственно следует за ней; оцениватель ошибки, использующий оцененную информацию для определения ошибки частоты указанных принятых сигналов; и корректор ошибки частоты, компенсирующий указанную ошибку в принятом сигнале.
В соответствии с другим аспектом изобретения предлагается способ приема переданных сигналов, включающих известную эталонную информацию, указанный способ приема включает этапы оценки указанной эталонной информации и неэталонной информации для предоставления оцененной информации, причем указанная неэталонная информация непосредственно предшествует указанной эталонной информации и/или непосредственно следует за ней; и использование оцененной информации для определения ошибки в указанных принятых сигналах, а также компенсирования указанной ошибки.
В соответствии с другим аспектом изобретения предлагается способ коррекции частоты, включающий первую ступень и вторую ступень, указанная первая ступень включает первое средство для оценки первого числа символов принятого сигнала, первое средство для оценки ошибки частоты на базе оцененных символов и первое средство для выполнения коррекции отклонения частоты на втором числе символов принятого сигнала для предоставления модифицированного сигнала, а указанная вторая ступень включает второе средство для оценки по меньшей мере второго числа символов модифицированного сигнала, второе средство для оценки ошибки частоты на базе оцененных символов, вырабатываемых указанным вторым средством оценки, и второго средства для выполнения коррекции отклонения частоты принятого сигнала с использованием ошибки частоты, оцененной указанным вторым средством оценки.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Для лучшего понимания настоящего изобретения, а также того, как это изобретение может быть осуществлено, будут сделаны ссылки на примеры с сопроводительными чертежами, где:
фиг.1 - схематический вид сети;
фиг.2 - схематическое представление пакета в стандарте GSM;
фиг.3 - общая структура приемника, который может быть использован в реализациях настоящего изобретения;
фиг.4 - часть приемника, показанного на фиг.3, более детально;
фиг.5. - модифицированная структура пакета;
фиг.6 - блок-схема этапов, выполняющихся в реализациях настоящего изобретения; и
фиг.7 - вторая реализация изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ РЕАЛИЗАЦИИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Обратимся к фиг.2, которая показывает схематическое представление пакета в стандарте GSM. В стандарте GSM данные с использованием модуляции GMSK или 8PSK формируются в пакет, содержащий последовательность из 156.25 комплексных символов. Каждый символ имеет реальную часть и мнимую часть. 156.25 - это число символов, которые могут поместиться в тайм-слот. Пакет 22 имеет шесть компонент. Обеспечивается первое поле 26 - «хвостовой бит». Это первое поле 26 хвостового бита содержит 3 символа. Далее идет первый набор закодированных данных 28. Он состоит из 58 символов. За этим набором следует обучающая последовательность 24, которая содержит 26 символов. Обучающая последовательность заранее известна приемнику. Она известна как «перемежающаяся», поскольку появляется между двумя полями данных. За обучающей последовательностью 24 следует второй набор данных 30, который также содержит 58 символов закодированных данных. В завершение за этим набором следует второе поле «хвостовой бит», которое содержит 3 символа. В конце пакета есть защитный период 34, который пуст и расширяет пакет до периода, кратного 8.25 символам.
В модуляционной схеме GMSK символ эквивалентен биту, поэтому в пакете содержится 148 бит. Нужно принять во внимание, что символы обучающей последовательности заранее известны приемнику.
Частота пакета, принятого одной из мобильных станций и базовой станцией, часто отличается от изначальной частоты передачи пакета на некоторую величину «отклонения частоты». Это отклонение частоты влияет на фазу сигнала, изменяющегося во времени.
Реализации настоящего изобретения предназначены для компенсирования любых отклонений частоты, независимо от вызвавших его причин. Например, отклонение частоты может быть вызвано движением мобильной станции, изменениями температуры, изменениями в характеристиках компонент и подобным.
Обратимся к фиг.3, которая схематически показывает приемник, используемый в настоящем изобретении. Этот приемник может быть встроен в мобильную станцию, в базовую станцию или в оба устройства.
Переданный пакет 22 принимается антенной 12. Сигнал, принятый антенной, подается на усилитель 14, который усиливает этот сигнал. Усиленный сигнал выводится из усилителя на фильтры и смесители 16. Фильтры и смесители 16 удаляют сигналы, который лежат вне интересующей полосы частоты, а также преобразуют сигнал до основной полосы частот. Выходной сигнал фильтров и смесителей 16 подается на вход аналого-цифрового преобразователя 18. Выход фильтров и смесителей 16 является аналоговым сигналом. Этот сигнал преобразуется аналого-цифровым преобразователем 18 в цифровой сигнал. Цифровой сигнал подается на цифровой сигнальный процессор. Реализации настоящего изобретения осуществляются преимущественно в цифровом сигнальном процессоре или, по меньшей мере, в цифровой среде. Однако имеется, по меньшей мере, частичная возможность осуществления альтернативных реализации настоящего изобретения в аналоговой среде.
Обратимся к фиг.4, которая показывает более подробно часть приемника фиг.3.
Первый блок RSSE 102 (Reduced State Sequence Estimation, Оценка Последовательности с Уменьшенными Состояниями) принимает обучающую последовательность (TRS) от блока 100 обучающей последовательности. Это локальная версия обучающей последовательности, а не версия обучающей последовательности, которая была передана. Блок RSSE 102 также принимает импульсную характеристику канала h и принятые выборки у. Этот блок оценивает 10 символов с каждой стороны от обучающей последовательности. Другими словами, оценивается выравнивание десяти символов принятых данных, расположенных с каждой стороны обучающей последовательности.
20 оцененных символов, по 10 с каждой стороны от обучающей последовательности, XRsse, и известные 26 обучающих символов (XTRS) являются входными данными для блока 104 оценивателя частоты LMMSE (Linear Minimum Means Square Error, Минимальная Среднеквадратичная Линейная Ошибка). Этот блок 104 также принимает как входные данные импульсную характеристику канала h и принятые выборки у.
Блок 104 оценивателя частоты LMMSE использует 10 оцененных символов с каждой стороны обучающей последовательности, а также 26 обучающих символов для оценки отклонения частоты. Выходными данными блока 104 оценивателя частоты LMMSE, таким образом, является fDopplerTmp (оценка доплеровского отклонения частоты), служащая входными данными для блока 106 коррекции отклонения частоты.
Блок 106 коррекции отклонения частоты дополнительно принимает импульсную характеристику канала h и принятые выборки у. Оцененное отклонение частоты корректируется для принятых выборок и отводов. Однако эта коррекция выполняется только для обучающей последовательности и 30 символов данных с каждой стороны от обучающей последовательности. Модифицированная импульсная характеристика канала h^ и скорректированные принятые выборки у^ являются выходными данными блока 106 коррекции отклонения частоты и подаются на блок 108 DFE/RSSE (Decision Feedback Equalizer/Reduced State Sequence Estimation, Эквалайзер с Решающей Обратной Связью/Оценка Последовательности с Уменьшенными Состояниями).
Этот блок 108 дополнительно принимает обучающую последовательность от блока 100. Блок 108 приспособлен для выравнивания, т.е. оценки, 30 символов с каждой стороны от обучающей последовательности. Другими словами, суммарно оценивается 60 символов. Этот блок использует модифицированную импульсную характеристику канала и скорректированные выборки.
Оцененные расширенные символы являются выходными данными блока 108 для второго блока 110 оценивателя частоты LMMSE. Второй блок 110 оценивателя частоты также принимает импульсную характеристику канала h, принятые выборки у и обучающую последовательность. Затем частота оценивается с использованием 60 предварительно выровненных или оцененных символов и 26 символов обучающей последовательности. Второй оцениватель частоты обеспечивает вторую оценку допплеровской частоты fDopplerFina, эта оценка является входными данными для второго блока 112 коррекции отклонения частоты.
Второй блок коррекции отклонения частоты также принимает исходную импульсную характеристику канала h, принятые выборки у.
Вторая коррекция отклонения частоты обеспечивает модифицированную импульсную характеристику канала h" и модифицированные выборки у" второму, финальному этапу коррекции отклонения частоты. Таким образом, финальная коррекция отклонения частоты, в отличие от известных технических решений, применяет финальную коррекцию к выборкам и отводам, отклонение частоты которых не было скорректировано. Было установлено, что применение коррекции отклонения частоты к исходным выборкам обеспечивает лучшие характеристики, чем применение коррекции к промежуточным скорректированным выборкам.
Таким образом, реализации настоящего изобретения способны улучшить решающие характеристики Автоматической Коррекции Частоты (AFC) путем улучшения решений предварительного выравнивания. Такие реализации применимы к решающей автоматической коррекции частоты как основанной на хвостовой части, так и не зависящей от нее. Было установлено, что это может быть направлено на устранение проблем характеристик улучшенной базовой станции, которые требуют учета скачков частоты во времени установления. Настоящие реализации способны, по меньшей мере, в некоторых реализациях настоящего изобретения достигнуть характеристик, близких к известным алгоритмам, которые используют завершающую часть. В некоторых реализациях данного изобретения символы хвостовой части могут быть использованы дополнительно.
В стандарте Edge (Enhanced Data Rate for GSM Evolution, Улучшенная Скорость Данных для Развития GSM) предполагается введение нового нормального формата пакета для улучшения эффективности классов мобильных мульти-слотов. Одна опция, предполагающая увеличение скорости передачи полезных данных, состоит в удалении некоторых или всех заранее заданных данных из тайм-слота после начального слота; примерами таких данных являются биты хвостовой части, флаги FACCH, обучающая последовательность, и/или защитный период из распределенных мульти-слотов 2…n. Для поддержания возможностей отслеживания канала может существовать необходимость в обновлении отклонения частоты для назначенных слотов 2…n. В этом случае эталонные данные для оценки частоты нужно генерировать с использованием такого же принципа DFE/RRSE, как и для расширения обучающей последовательности, изложенного по отношению к реализациям данного изобретения.
Обратимся к фиг.5, которая показывает предложение для возможности мульти-слота стандарта EDGE фазы 2. В этом примере мульти-слот расширен для схватывания двух слотов. В этих предложениях есть первое поле 126, включающее хвостовые части. За ним следует первое поле данных 128. Обеспечивается поле флага 146, содержащее один символ флага. За ним следует обучающая последовательность 124, после которой обеспечивается второе поле флага 148. Нужно принять во внимание, что поля флагов могут быть обеспечены в реализации, показанной на фиг.2. Структура этого поля по-прежнему схожа с той, которая показана на фиг.2. Однако затем идет поле данных, расширенное от одного слота на следующий слот и содержащее намного больше символов. Например, текущее предложение для второго слота данных содержит 57 символов. Предложение, иллюстрированное на фиг.5, имеет 213.25 символов. За этим расширенным слотом данных следуют хвостовые части слота 132. Нужно учесть, что длина второго поля данных может быть расширена для схватывания следующих слотов. Таким образом, удаление обучающей последовательности из формата пакета GSM освобождает больше места для дополнительных данных пользователя. Соответственно, при размещении в пределах мульти-слота это может быть сделано, начиная со слота 2…n, т.е. обучающая последовательность, остающаяся в первом слоте, может отсутствовать в последующих слотах. Флаги могут быть удалены из слотов 2…n, поскольку могут применяться флаги (первого) слота. Реализации данного изобретения могут быть применены в частности к структуре слота, показанной на фиг.6.
Реализации настоящего изобретения, два отвода, два эквалайзера уменьшенной сложности с двумя состояниями используются для предварительного выравнивания. С этим типом эквалайзера сложность оценки 20 жестких символов относительно незначительна.
В предпочтительной реализации настоящего изобретения рекомендовано использовать при первой оценке 10 таких символов с каждой стороны от обучающей последовательности. При первой оценке частоты используют 20 предварительно выровненных символов и 26 символов обучающей последовательности, обеспечивая 46 символов. Во втором оценивателе частоты используют 30 символов с каждой стороны от обучающей последовательности. Нужно учесть, что число используемых символов может быть различным в альтернативных реализациях настоящего изобретения. Например, в первом блоке выравнивания число использованных символов с каждой стороны от обучающей последовательности может быть предпочтительно от 10 до 15. Предпочтительно, чтобы число символов, использующихся во втором эквалайзере (ориентировочно), было такое же, как и число символов обучающей последовательности. Обрабатывающая часть цифрового сигнального процессора может эффективно определить верхний лимит как число обрабатываемых символов с каждой стороны обучающей последовательности.
В предпочтительной реализации настоящего изобретения выравнивают символы с каждой стороны от обучающей последовательности. Однако в альтернативных реализациях настоящего изобретения могут быть использованы символы только с одной стороны от обучающей последовательности. Эти символы могут быть расположены рядом с обучающей последовательностью или удалены от нее на малое количество символов.
Обратимся к фиг.6, показывающей этапы способа, реализующего настоящее изобретение.
На этапе S1 10 символов с каждой стороны от обучающей последовательности выравнивают (оценивают).
На этапе S2 оценивается допплеровское отклонение частоты с использованием 10-и символов с каждой стороны от обучающей последовательности и обучающей последовательности.
На этапе S3 оцененное допплеровское отклонение частоты используется для корректирования 30 символов с каждой стороны от обучающей последовательности и принятая обучающая последовательность. Скорректированная по частоте импульсная характеристика канала и принятые выборки используют на этапе S4. В частности, 30 символов с каждой стороны от обучающей последовательности выравнивают (оценивают). Это действие базируется на исходных принятых символах и изначально определенной импульсной характеристике канала.
Оцененные 30 символов с каждой стороны от обучающей последовательности используют на этапе S5 вместе с обучающей последовательностью для оценки частоты. Вторая оценка допплеровской частоты рассчитывается на базе импульсной характеристики канала и исходных принятых выборок, без какой бы то ни было коррекции. Другими словами, на этапе S5 используется та же версия импульсной характеристики канала и принятых выборок, что и на этапе S1.
Оцененная частота используется на этапе S6 для коррекции изначально определенной импульсной характеристики канала и принятых выборок.
Обратимся к фиг.7, которая показывает вторую реализацию настоящего изобретения. В этой реализации используется усреднение. Усреднение необходимо для удовлетворения требований высокой скорости. Из-за увеличивающейся скорости поездов желательно улучшить характеристики базовых приемопередающих станций для поддержания требований по качеству, особенно для сигналов, использующих модуляцию GMSK. Базовая приемопередающая станция удовлетворяет среднему требуемому качеству уровня-4 или лучше для успешного процесса установления и передачи управления при движении мобильных терминалов со скоростями вплоть до 330 км/ч.
Блоки 100, 102, 104, 106, 108, 110 и 112 работают подобно тому, что описано в отношении фиг.4. Однако вместо принятия импульсной характеристики канала h и принятых выборок у блоки 102, 104, 106, 110 и 112 принимают модифицированную импульсную характеристику канала h' и модифицированные принятые выборки у', являющиеся выходным сигналом блока 180 удаления среднего.
Имеется дополнительный блок оценивателя частоты LSE (Least Square Error, Наименьшая Среднеквадратичная Ошибка) 184. Он принимает выходные данные от блока 108 и блока 180 удаления среднего. Этим обеспечивается оценка отклонения частоты с использованием алгоритма наименьшей среднеквадратичной ошибки частоты. Блок 184 также использует 30 символов с каждой стороны от обучающей последовательности вместе с самой обучающей последовательностью.
Отклонение частоты, вычисленное блоком оценивателя частоты LSE 184, предоставляется блоку 182 обновления среднего. Тем самым обеспечивается усреднение отклонения частоты. Усредненное отклонение частоты используется затем в блоке 180 удаления среднего.
Реализации настоящего изобретения могут быть внедрены в базовую станцию и/или мобильную станцию, а также в другое подходящее оборудование.
Предпочтительная реализация настоящего изобретения был описана в контексте системы GSM с использованием модуляции GMSK. Нужно учесть, что реализации настоящего изобретения могут быть использованы с различными способами модуляции, которые связаны с частотными или зависящими от частоты параметрами. Конечно, реализации настоящего изобретения могут быть использованы и с любым другим стандартом или способом связи, использующим модуляцию, зависящую, по меньшей мере, от частоты. Реализации настоящего изобретения безусловно применимы к беспроводным сотовым системам связи, однако могут быть использованы в любом устройстве, где сигнал передается с использованием модулированного радиосигнала или подобного сигнала.