CN1649289A - 差量相位检测方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种差量相位检测方法，适用于实时检测一接收信号中的一丛发序列，包括下列步骤：计算该接收信号中每两个连续样本的复数相位差；通过比较各相位差与一上限值及一下限值，检测该丛发序列并找出该丛发序列的结束点；以及当该丛发序列被检测到后，估计该丛发序列的一丛发频率。本发明在接收的信号中检测丛发序列，并找出丛发序列的结束点，而丛发序列的结束点可以被接收器当作一个时序参考，并且以一种简单、迅速、低成本的方式检测丛发序列的频率，丛发序列用来调整本地震荡器频率，以维持接收端与传送端之间的同步性。

Description

差量相位检测方法与系统

技术领域

本发明涉及无线通信系统，特别是涉及一种在无线通信系统中通过检测丛发序列而维持同步性的方法及系统。

背景技术

无线通信系统主要是为了在基站与移动装置之间建立起语音以及数据的通信。大部分的无线通信系统是按照一组标准规范操作的，对传输频率、频宽、协议、以及其它通信规格做详细规范。通信标准规范的一个实例为全球移动通信系统(Global System for Mobile；GSM)。图1说明一个基本GSM网络的架构。移动装置(Mobile Station；MS)100是由使用者所携带的，用来与GSM网络联机，以无线方式互相交换数据。基站子系统118包括至少一个基站(BaseStation；BTS)102，以及一个基站控制器(Base Station Controller；BSC)104。基站子系统118控制着MS 100与BTS 102之间的无线电链路。中央网络子系统120主要包含一个移动服务交换中心(Mobile Service Switching Center；MSC)106。MSC 106为MS 100与其它GSM网络或有线电话使用者提供转接电话的服务，同时也管理GSM网络提供的其它无线服务。MSC 106与网关移动服务交换中心(Gateway MSC；GMSC)108、设备特性寄存器(Equipment IdentityRegister；EIR)110、鉴别中心(Authentication Center；AUC)112、归属位置寄存器(Home Location Register；HLR)1 14、以及访问位置寄存器(VisitorLocation Register；VLR)116联机。

GSM系统中，各用户可以与最多其它七个使用者同时分享一个通信信道，因为GSM系统利用了时分多重存取(Time Division Multiple Access；TDMA)的概念，将一个大约为20KHz的频宽分成八个时间槽(time slot)。因此用户所接收到的GSM信号并不是连续的，这些信号其实是在有着固定间隔的时间槽中被传送的。

当一个GSM用户将移动装置(MS)100开启与基站102联机的时候，移动装置100必须与基站建立时序的同步性，以正确地接收信息。如图2所示，移动装置100中有一个内部频率参考基准，通常为一个晶体震荡器(crystaloscillator)216。晶体震荡器216的频率会随着温度、时间与环境状态而改变，而这个晶体震荡器216提供无线电频率(Radio Frequency；RF)锁相回路(Phase Lock Loop；PLL)220，以及中间频率(Intermediate Frequency；IF)PLL218参考频率。RF PLL 220产生本地震荡器频率，用来将接收到的RF信号降频。PLL本地震荡器频率必须精确地与接收到的信号的频率相符，以准确地将信号所载的数据解调。为了维持移动装置100与联机网络的同步性，本地震荡器频率将周期性地被频率校正信道(Frequency Correction Channel；FCCH)中传送的丛发序列(burst sequence)调整。FCCH丛发序列为正弦波，此正弦波的频率等于传输速率的四分之一。例如，GSM系统的传输速率为270.8Kb/s，丛发频率为67.7KHz。由于GSM系统中每一个时间槽为577微秒(μs)，因此FCCH丛发序列的长度也为577微秒。

现有检测丛发频率的方法可大约分为三类型：频率、相位、以及幅度。由于频率通常不容易被噪声干扰，所以经常使用的是频率检测方法。频率检测方法通过观察频域中一个最高点来鉴别丛发的频率。相位检测方法通过储存并检验接收信号中各样本的相位找出丛发的频率。如果一段时间内这些相位为线性增加，可判断接收的信号为正弦波，而相位增加的速率即该正弦波的频率。信号的波幅度很容易被外在环境因素而干扰，因此幅度检测方法不常被应用在检测丛发的频率上。但是，频率检测方法需要变换频谱(spectrumtransformation)，例如快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform；FFT)，用来将频域转换为时域。变换频谱通常需要较长的时间，所以频率检测方法并不是用于实时应用，例如在GSM系统中搜寻FCCH丛发。而相位检测方法中的计算与检测不确定斜率的直线，则需要复杂的运算操作。

美国专利第6,393,071中描述了一种检测FCCH丛发频率的方法，利用样本数据中零交叉(zero crossing)的平均值与变异数而判断的。FCCH丛发频率是当计算指针比一先前决定的设定值更大的时候而被辨识出来的。而FCCH丛发序列的开头则是由丛发频率的最小变异数而推算出来的。此美国专利揭露的检测FCCH丛发序列方法，主要通过观察连续的零交叉之间的周期，因为如果样本数据为一个固定频率的正弦波，此周期理论上为相同的。

本发明提供一种差量(delta)相位检测方法，在接收信号中实时检测出丛发序列的频率，并找出此丛发序列的结束点。与现有技术相较，本发明揭露的检测方法只需要简单的运算，即可计算出丛发序列的频率。本发明的差量相位检测方法可用在检测任何长度，以及极宽广的频率传送的丛发序列。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种差量相位检测方法及系统，在接收的信号中检测丛发序列，并找出丛发序列的结束点，而丛发序列的结束点可以被接收器当作一个时序参考。

本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种差量相位检测方法及系统，以一种简单、迅速、低成本的方式检测丛发序列的频率，丛发序列是用来调整本地震荡器频率，以维持接收端与传送端之间的同步性。

为了实现上述目的，本发明提供了一种差量相位检测方法，用来实时鉴别接收信号中的丛发序列。首先，接收信号中每两个连续样本的相位差(即差量相位)会被计算，如果接收信号包括了一个丛发序列，会有一段时间内的相位差会保持不变。之后，通过将各相位差与一个上限值与一个下限值相比，找出允许的检测范围内连续相位差的数目。允许的检测范围是由一个上限值与一个下限值所定义的，而上限值与下现值则是由一个代表错误容忍度的因子而决定的。在允许的检测范围内连续相位差的数目接着会与一个有效范围相比，如果此数目在该有效范围内，代表检测到丛发序列。有效范围是由期待的丛发序列的长度而决定的。举例来说，如果要检测GSM系统中FCCH丛发序列，所期待的序列长度为577微秒，在一个抽样率为270.8KHz的接收器中，对应的有效范围通常被设定为122~148。当丛发序列被检测到后，丛发序列的频率可以通过简单的运算得到。

本发明揭露的差量相位检测方法还包括将接收的信号带通滤波(band-pass filtering)，将相位差低通滤波，以及调整本地震荡器频率。接收信号首先会先被带通滤波，以滤掉信道的噪声。在计算完相位差之后，因通道干扰引起的突出的变异数可以通过低通滤波这些相位差而被调平。当丛发信号被检测到时，晶体震荡器接收估计的丛发频率，并产生一个参考频率给RFPLL与IF PLL。

本发明也同时提供一种差量相位检测系统，用来执行上述的差量相位检测方法。差量相位检测系统可以直接实施在移动装置的数字信号处理器当中，用来维持移动装置与所联机的网络之间的同步性。差量相位检测系统包括一个带通滤波器、差量相位计算单元、低通滤波器、直线检测单元、以及一个频率估计单元。带通滤波器只让特定范围内的频率通过，而减少接收信号的干扰与噪声。差量相位计算单元运算接收信号中每两个连续样本的相位差。低通滤波器接收从差量相位计算单元来的相位差，并阻挡相位差中过于尖锐的改变。直线检测单元通过将各相位差与允许检测范围比较而判断丛发序列，以及计算有多少连续的相位差在此允许检测范围内。当丛发序列被检测到时，频率检测单元接收由直线检测单元传来的平均相位差，并通过一个简单的数学算式计算丛发频率。

本发明的功效在于，在接收的信号中检测丛发序列，并找出丛发序列的结束点，而丛发序列的结束点可以被接收器当作一个时序参考，并且以一种简单、迅速、低成本的方式检测丛发序列的频率，丛发序列用来调整本地震荡器频率，以维持接收端与传送端之间的同步性。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1为GSM网络的结构方块图；

图2为移动装置的方块图；

图3为本发明的差量检测系统的方块图；

图4为本发明揭露的检测丛发序列的原理示意图；

图5为根据本发明的检测丛发序列方法的逻辑程序图。

100-移动装置，102-基站(BTS)

104-基站控制器(BSC)，106-移动服务交换中心(MSC)

108-网关移动服务交换中心(GMSC)，110-设备特性寄存器(EIR)

112-鉴别中心(AUC)，114-归属位置寄存器(HLR)

116-访问位置寄存器(VLR)，118-基站子系统

120-中央网络子系统，200-RF接收器

202-IF解调与降频器，204-模拟至数字转换器(ADC)

206-低通滤波器，208-数字信号处理器(DSP)

210-天线，212-数字至模拟转换器(DAC)

214-电容电路，216-晶体震荡器

218-中间频率锁相回路(IF PLL)，220-无线电频率锁相回路(RF PLL)

222-喇叭，224-温度传感器

226-显示器，228-电子可抹除可编程只读存储器(EEPROM)

300-信号，302-带通滤波器

304-差量相位计算单元，306-低通滤波器

308-直线检测单元，310-标记

312-丛发频率

500至514-检测丛发序列及计算丛发频率的步骤

具体实施方式

第2图为使用GSM系统的移动装置中接收区的功能方块图。移动装置100包括RF接收器200与天线210连接，用来接收RF信号。RF接收器200根据RF PLL 220给的频率，将接收的RF信号降频至中间频率(IF)信号。在GSM系统中，大部分的RF信号在800MHz、1800MHz、以及1900MHz的频率上传输，而IF则通常为200MHz。IF解调与降频器202将IF信号解调成基频模拟信号，该信号包括同相(In-Phase；IP)分量与正交(Quadrature；IQ)分量。模拟至数字转换器(Analog-to-Digital Converter；ADC)204与低通滤波器206将基频模拟信号转换成低通滤波过的数字信号。数字信号处理器(Digital SignalProcessor；DSP)208接收此信号并控制喇叭222输出声音或使显示器226显示数据。控制DSP 208的指令是储存在电子可抹除可编程只读存储器(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory；EEPROM)228之中。DSP 208也从温度传感器224接收信息。本发明可被实施在DSP 208中，用来监控接收到的信号，以判断是否有FCCH丛发序列。DSP 208于是将FCCH丛发序列的频率传至模拟转换器(Digital-to-Analog Converter；DAC)212。模拟FCCH丛发频率可调整电容电路214的电压值，从而控制晶体震荡器216的频率。晶体震荡器216所产生的参考频率应该是与接收的信号相配，使移动装置100与接收的信号的时序为同步的。RF PLL 220与IF PLL 218都会丛晶体震荡器216接收此参考频率作为参考时钟。

本发明利用正弦波的特性来判断是否接收到的信号在一段时间内为固定频率的正弦波。假设接收的信号在每周期的一特定时间点被抽样，如果频率固定，则连续两个抽样样本之间的相位差(差量相位)的改变应为固定的。因此通过观测样本之间的相位差可以在接收的信号中检测有无频率固定的正弦波。FCCH丛发序列的复合正弦波可以由以下公式表示。

$x\left(n\right)=I\left(n\right)+j*Q\left(n\right)$

复合正弦波包括同相分量I(n)与正交分量Q(n)。在此复合正弦波的公式中显示任何邻近样本之间的相位差(差量相位)为：

上面计算差量相位(delta-phase；Δφ)的公式证明，如果正弦波的频率(f)为固定不变的值，差量相位(Δφ)便为固定不变的值。下面计算正弦波的频率的公式可以由上述公式推算。

图3为说明本发明实施例的方块图，其中带通滤波器302接收信号300，并将信号300滤波以减少噪声与干扰。信号300为一个基频数字信号，包括同相(IP)分量与正交(IQ)分量。如果信号300为FCCH丛发序列，信号300中任何的连续两个样本的相位差会是固定的。差量相位计算单元304接收带通滤波器302的输出，并且计算连续样本之间的相位差(Δφ)。带通滤波器302的输出为(I(n)，Q(n))，其中I为数字信号的实部(real part)，而Q为数字信号的虚部(imaginary part)。差量相位计算单元304执行下列运算：

y(n)＝I(n)*I(n-1)+Q(n)*Q(n-1)

z(n)＝Q(n)*Q(n-1)-I(n)*I(n-1)

      Δ′  z(n)＞0，y(n)＞0

      -Δ′ z(n)＜0，y(n)＞0Δ＝

     π-Δ′z(n)＞0，y(n＜0

     π+Δ′z(n)＜0，y(n)＜0

其中，Δφ’为Δφ在第一象限的对应值。

低通滤波器306接收由差量相位计算单元304计算的相位差。低通滤波器306主要目的为移除相位差中的高频，因为通常信号中的高频为噪声。直线检测单元308接收从低通滤波器306传来的低通相位差，并输出代表检测到丛发序列的标记310以及估计的丛发频率312。

图4进一步说明图3中直线检测单元308的功能。直线检测单元检验各差量相位，并且计算在允许检测范围内连续差量相位的数目。在图4中，允许检测范围是由两个值A与B所界定的。A与B为图中垂直轴上的值，并且是由一个因子S决定的上限值与下限值。因子S决定此差量相位检测系统可忍受的最大错误值。实际运作时，通常此因子S被设为9％(0.09)，代表系统可以接受以本方法估计出的丛发频率最大偏移值为9％。在水平轴上，N1与N2分别是允许检测范围内连续差量相位的开始样本与结束样本。直线检测单元从N1数到N2，通过此数目决定接收的信号是否检测到预期长度的丛发序列。在允许检测范围内的连续差量相位要够大，才可以确定接收信号的频率在一段够长的时间内为不变的。FCCH丛发序列为一个在577微秒内，频率都是固定为67.7KHz的正弦波，所以在允许检测范围内的连续差量相位的预期数目大约为156个。在实际运作上，这个预期数目的有效范围大约为122到148之间。也就是如果在允许检测范围内有连续122至148个差量相位，则可判断检测到FCCH丛发序列。而丛发序列的频率可以由下面的公式简单地得到。

$f=\frac{(A+B)*f_s}{4\mathrm{\π}}$

其中A与B分别为差量相位的上限值与下限值，而f_s是抽样的频率。

图5为显示直线检测单元中使用的逻辑流程图。在步骤500中，将从直线检测器接收到的差量相位的抽样号码n、计数器(counter)、上限值A、下限值B、以及标记(flag)的值重设为零。上限值A与下限值B是在步骤510中被因子S设定的，因子S如先前所述，是用来决定可接受最大误差程度的。步骤504中，每个差量相位的值x(n)会先与上限值A比较，但由于执行第一次计算，也就是当抽样号码n为1的时候，由于上限值A尚未设定，结果一定为“否”，于是程序会执行步骤510。第一次计算时，上限值会比第一个差量相位的值大一个预先设定的比例S，而下限值则会比第一个差量相位的值小同一个预先设定的比例S。

于是通过步骤502中抽样号码的增加，执行下一个抽样的差量相位的比较。如果在步骤504的比较中差量相位比A小，差量相位于是在步骤506中与下限值B进行比较。这时如果差量相位比A小且比B大，计数器(counter)便会加一。如果之后的差量相位都在A与B的值之间，直线检测单元将会继续执行步骤502至步骤508。当最新接收到的差量相位样本不在上限值与下限值之间时，程序将会执行步骤512来判断计数器的值是否在一个有效范围内。这里的有效范围是以一个可允许最大值(max)与一个可允许最小值(min)界定的，而这两个值是根据预期的丛发序列的持续时间而设定的。如果计数器的值在最大值与最小值之间，程序接着执行步骤514。步骤514中，直线检测单元设定一个标记(flag)，表示已检测到丛发序列，而丛发频率则先将最大值A与最小值B的值平均，再乘上抽样频率并除以2π。如果在步骤512的比较中，计数器的值没要到达下限值(min)的值，或是比上限值(max)更大，程序将会执行步骤510，重设计数器，并按照最新接收到的差量相位更新上限值与下限值。程序继续比较之后接收到的差量相位，直至检测到有预期长度的丛发序列。

直线检测单元的输出被用作维持移动装置与联机的网络(即基站)之间时序与频率的同步性。输出中的标记可被用来标示丛发序列的结束点位置，而丛发频率则被用来调整晶体震荡器，使移动装置的标准频率与联机网络的标准频率相同。由于本发明在接收到丛发序列之后，立即检测到丛发序列，并运算出丛发频率，因此适用于实时的应用。与现有技术相比，本发明的差量相位检测方法非常简单且易于实施。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (12)

1、一种差量相位检测方法，适用于实时检测一接收信号中的一丛发序列，其特征在于，包括下列步骤：

计算该接收信号中每两个连续样本的复数相位差；

通过比较各相位差与一上限值及一下限值，检测该丛发序列并找出该丛发序列的结束点；以及

当该丛发序列被检测到后，估计该丛发序列的一丛发频率。

2、根据权利要求1所述的差量相位检测方法，其特征在于，还包括：

在计算该等相位差之前将该接收信号施以带通地滤波，以降低噪声的干扰；以及

将该接收信号施以低通地滤波，去除该相位差之间快速尖锐的变异。

3、根据权利要求1所述的差量相位检测方法，其特征在于，检测该丛发序列与找出该丛发序列的结束点的步骤中还包括：

提供标示一最大变动值的一因子给该相位差；

根据该因子决定界定一允许检测范围的该上限值与该下限值；

将每一个相位差与该上限值与该下限值比较；

计算在该允许检测范围之内的连续相位差的数目，并储存该数目在一计数器内；

根据该丛发序列的一预期持续期间决定一有效范围；

比较该计数器与该有效范围的值；以及

当该计数器的值包含在该有效范围内时，即可找出该丛发序列的结束点。

4、根据权利要求1所述的差量相位检测方法，其特征在于，估计该丛发序列包括利用一线性数学式，由该上限值与该下限值计算得知该丛发序列的频率。

5、根据权利要求4所述的差量相位检测方法，其特征在于，计算该丛发频率的该线性数学式是先将该上限值(A)与该下限值(B)平均，再乘上一抽样频率(fs)除以两倍的圆周率 $(f=\frac{(A+B)*f_s}{4\mathrm{\π}}).$

6、根据权利要求1所述的差量相位检测方法，其特征在于，还包括根据该丛发频率调整一晶体震荡器的一输出频率，因此维持频率的同步性。

7、一种信号处理器，适用于实时检测一接收信号中的一丛发序列，其特征在于，包括：

一计算单元，用来计算该接收信号中每两个连续样本的复数相位差；

一检测单元，通过比较各相位差与一上限值及一下限值，检测该丛发序列并找出该丛发序列的结束点；以及

一估测单元，当该丛发序列被检测到后，用来估计该丛发序列的一丛发频率。

8、根据权利要求7所述的信号处理器，其特征在于，还包括：

一带通滤波单元，用于计算该相位差之前，将该接收信号带通滤波，以降低噪声的干扰；以及

一低通滤波单元，用来将该相位差低通滤波，去除该相位差之间快速尖锐的变异。

9、根据权利要求7所述的信号处理器，其特征在于，该检测单元还包括执行下列步骤：

提供标示一最大变动值的一因子给该相位差；

根据该因子决定界定一允许检测范围的该上限值与该下限值；

将每一个相位差与该上限值与该下限值比较；

计算在该允许检测范围之内的连续相位差的数目，并储存该数目在一计数器内；

根据该丛发序列的一预期持续期间决定一有效范围；

比较该计数器与该有效范围的值；以及

当该计数器的值包含在该有效范围内时，即可找出该丛发序列的结束点。

10、根据权利要求7所述的信号处理器，其特征在于，还包括一校准单元，根据该丛发频率调整一晶体震荡器的一输出频率，维持频率的同步性。

11、一种差量相位检测系统，适用于实时检测一接收信号中的一丛发序列，其特征在于，包括：

一带通滤波器，用来接收并滤波该接收信号，以降低噪声的干扰；

一差量相位计算单元，偶接至该带通滤波器，计算该接收信号中每两个连续样本的复数相位差；

一低通滤波器，用来将由该差量相位计算单元算出的该相位差滤波，以去除该相位差之间快速尖锐的变异；以及

一直线检测单元，通过比较从该低通滤波器传来的各相位差与一上限值及一下限值，检测该丛发序列并找出该丛发序列的结束点。

12、根据权利要求11所述的差量相位检测系统，其特征在于，该直线检测单元还包括一频率估测单元，当该丛发序列被检测到后，根据该上限值与下限值估计出该丛发序列的一丛发频率。

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