（通信与信息系统专业论文）wcdma手机中的自动频率控制afc模块的设计与实现.pdf

摘要 摘要 频偏是影响手机接收性能的主要因素之一，随着移动通信技术和高速铁路的 不断发展，业已产生对高性能、低成本的自动频率控制( a f c ) 装置的大量研究 工作。论文以中兴通讯股份有限公司所属项目e g p r s w c d m a 双模手机基带 芯片开发为背景重点关注w c d m a 手机中的自动频偏纠正问题。 论文讨论了w c d m a 手机中的频偏估计与频偏补偿原理，分析了目前手机 中常用的四种频偏估计和两种频偏补偿方法，以算法性能仿真和项目系统方案为 依据，确立了w c d m a 手机将要采用的频偏估计与频偏补偿方案。并将整个自 动频率控制模块的开发工作划分为自动频率控制模块的设计、自动频率控制模块 的实现与自动频率控制模块的功能测试三部分内容进行阐述。 对于自动频率控制模块的设计，论文重点就a f c 模块的功能需求、概要与 详细设计、设计难点三部分内容进行了讨论与分析，其主要内容包括：结合项 目系统方案分析了a f c 模块所要实现的所有功能；概要阐述了a f c 模块的逻 辑结构和整体功能实现流程设计，详细描述并分析了a f c 模块每个功能点的软 件实现流程设计；针对多径环境下的频偏控制、a f c 进程如何快速而有效地 响应硬件中断消息等设计难点，论文提出了分径处理加综合调整射频v c o 的频 偏控制方法、选择性地响应硬件中断消息的设计思想。 对于自动频率控制模块的实现，论文基于自动频率控制模块的功能设计、模 块软件功能实现平台的分析，利用c 语言实现了自动频率控制模块的软件功能， 并详细描述了整个模块的软件实现流程，同时针对异常条件下的频偏扫描功能等 实现难点问题，论文对此提出了相应的解决方案。 在自动频率控制模块的功能测试中重点对模块的测试方案、测试内容进行了 阐述，在此基础上定性分析了测试结果，结果分析表明：通过本文设计与实现的 自动频率控制模块对w c d m a 手机终端频偏进行实时跟踪和调整，极大地降低 了频偏对w c d m a 手机接收性能的影响，满足w c d m a 系统对手机终端频偏调 整的精度要求( o i p p m ) ，论文所提方案在一定程度上解决了设计与实现过程 中的难点问题，并从多方面验证了模块设计与实现的正确性。文章最后给出了自 动频率控制功能在高速环境下的设计与实现等相关问题的研究与思考。 关键词：w c d m a自动频率控制频偏估计频偏补偿 a b s t r a c t a b s t r a c t f r e q u e n c y o f f s e ti so n eo ft h em a i nf a c t o r st h a ta f f e c tt h ep e r f o r m a n c eo fm o b i l e p h o n e st or e c e i v e ，a sm o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dh i g h - s p e e dr a i lc o n t i n u e t od e v e l o p ，i n d u s t r yh a sb e e nc r e a t e dal a r g en u m b e ro fr e s e a r c hw o r k sf o r k g h - p e r f o r m a n c e ，l o w - c o s ta u t o m a t i cf r e q u e n c yc o n t r o l ( a f c ) d e v i c e s t h i sp a p e r f o c u so nt h ep r o b l e mo fa u t o m a t i cf r e q u e n c yc o r r e c ti nw c d m am o b i l ep h o n e s b a s e do nz t ec o r p o r a t i o np r o j e c t - e g p r s 厂w c d m 渔d u a l m o d em o b i l ep h o n e b a s e b a n dc h i pd e v e l o p m e n t t h ea r t i c l ed i s c u s s e st h ep r i n c i p l eo ff r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o na n df r e q u e n c y o f f s e tc o m p e n s a t i o ni nw c d m am o b i l ep h o n e s ，a n da n a l y s e sf o u rk i n d so ff r e q u e n c y o f f s e te s t i m a t i o na n d t w ok i n d so ff r e q u e n c yo f f s e tc o m p e n s a t i o nm e t h o d sw h i c ha r e n o wu s e di nm o b i l ep h o n e s ，o nt h eb a s i so fa l g o r i t h mp e r f o r m a n c es i m u l a t i o na n d p r o j e c ts y s t e ms o l u t i o n s ，m e t h o d so ff r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o na n df r e q u e n c y o f f s e t c o m p e n s a t i o nw h i c hw i l lb eu s e di nw c d m a h a n d s e t sh a v e b e e ne s t a b l i s h e d ，a n dt h e w h o l ed e s i g nw o r ko fa u t o m a t i cf r e q u e n c yc o n t r o lm o d u l ei sd i v i d e di n t ot h ed e s i g n o fa u t o m a t i cf r e q u e n c yc o n t r o lm o d u l e ，t h ei m p l e m e n t a t i o no fa u t o m a t i cf r e q u e n c y c o n t r o lm o d u l ea n dt h ef u n c t i o n a lt e s t so fa u t o m a t i cf r e q u e n c yc o n t r o lm o d u l et h r e e p a r t st od e s r i b e f o rt h ed e s i g no fa u t o m a t i cf r e q u e n c yc o n t r o lm o d u l e ，a f cm o d u l e sf u n c t i o n a l r e q u i r e m e n t s ，d e s i g no fo u t l i n ea n dd e t a i l e d ，a n dd e s i g nd i f f i c u l t i e sa r ef o c u s e d , t h e m a i nc o n t e n t si n c l u d e ：( 至) c o m b i n i n gs y s t e mp r o g r a mo fp r o j e c t ，a l lf u n c t i o n so fa f c m o d u l ew h i c hw i l lb ea c h i e v e da r ea n a l y z e d ；a f cm o d u l e sl o g i c a ls t r u c t u r e a n dt h eo v e r a l lf u n c t i o no ft h ed e s i g np r o c e s sa r eo u t l i n e d , t h ea f cm o d u l e i m p l e m e n t a t i o no f e a c hf u n c t i o n a l p o i i l t o fp r o c e s s d e s i g n i s d e s c r i p e d i n d e t a i l e ；( 查) 晰mr e g a r dt of r e q u e n c yo f f s e tc o n t r o li nm u l t i p a t he n v i r o n m e n t ，a n d m e t h o d so fa f cp r o c e s s e sr e s p o n dt oh a r d w a r ei n t e r r u p t sd e s i g nd i f f i c u l t i e s ，t h i s p a p e rp r o p o s e sa ni n t e g r a t e ds u b - t r a c kt r e a t m e n tp l u s 位r fv c of r e q u e n c yo f f s e t a d j u s t m e n tc o n t r o l ，s e l e c t i v er e s p o n s et oh a r d w a r ei n t e r r u p tm e s s a g ed e s i g n f o rt h er e a l i z a t i o no fa u t o m a t i cf r e q u e n c yc o n t r o lm o d u l e ，t h ea r t i c l ei m p l e m e n t t h es o f t w a r ef u n c a t i o n so fa u t o m a t i cf r e q u e n c yc o n t r o lm o d u l ef o rw c d m ah a n d s e t s u s i n gcl a n g u a g eb a s e do na n a l y s i so ft h ed e s i g nf u n c a t i o no fa u t o m a t i cf r e q u e n c y c o n t r o lm o d u l ea n dp l a t f o r mo f m o d u l ei m p l e m e n t a t i o n , ad e t a i l e dd e s c r i p t i o no ft h e w h o l em o d u l ei m p l e m e n t a t i o nf l o w w i t l lr e g a r dt of r e q u e n c yo f f s e ts c a ni na b n o r m a l a b s t r a c t e n v i r o n m e n t ，s o m es o l u t i o n s a r ep u tf o r w a r d i nt h ef u n c t i o n a lt e s to fa u t o m a t i cf r e q u e n c yc o n t r o lm o d u l e ，t h ea r t i c l e e l a b o r a t st h et e s tp r o g r a m ，t h et e s tc o n t e n to fa f cm o d u l e ，a n do nb a s i so f w h i c ht h e t e s tr e s u l t si sq u a l i t a t i v ea n a l y s e d , t h et e s tr e s u l t sa n a l y s i ss h o w st h a t ：u s i n gt h et h i s a u t o m a t i cf r e q u e n c yc o n t r o lm o d u l ed e s i g n e da n di m p l e m e n t e dt ot r a c ka n da d j u s t t i m e l yt h ew c d m ah a n d s e t s ，t h ef r e q u e n c yd e v i a t i o n o ft h ep e r f o r m a n c eo f w c d m ah a n d s e t st or e c e i v ei s g r e a t l yr e d u c e d r e a l - t i m et r a c k i n ga n df r e q u e n c y o f f s e ta d j u s t m e n ta n dg r e a t l yr e d u c e st h ef r e q u e n c yd e v i a t i o no ft h ep e r f o r m a n c eo f w c d m ah a n d s e t st or e c e i v e ，m e e t i n gt h e s y s t e m sp r e c i s i o nf r e q u e n c yo f f s e t a d j u s t m e n t ( 士o 1p p m ) o fw c d m ah a n d s e t s ，mp r o p o s e ds o l u t i o ns o v l e dt h e d i f f i c u l t i e sd u r i n gt h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n , a n dp r o v e dt h ec o r r e c t n e s so f m o d u l a rd e s i g na n di m p l e m e n t a t i o ni nm a n yw a y s 。f i n a l l y , t h ea r t i c l eo f f e r sr e s e a r c h a n dt h i n k i n gw h i c ha r er e l m e dt od e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fa u t o m a t i cf r e q u e n c y c o n t r o li nh i g h s p e e de n v k o n m e n t k e y w o r d s ：w c d m a ，a u t o m a t i cf r e q u e n c yc o n t r o l ，f r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o n , f r e q u e n c yo f f s e tc o m p e n s a t i o n i i i 缩略表 缩略表 l 强c r a d i of r e q u e n c yc o n t r o l 射频控制 r x r e c e i v e ri nd o w n l i n k 下行接收机 c s r c e l lr e s e a r c h 小区搜索 h s d p a h i g hs p e e dd o w n l i n kp a c k e ta c c e s s 高速下行分组接入 h s u p a h i g hs p e e du p l i n kp a c k e ta c c e s s 高速上行分组接入 e qe q u a l i z e ri na d r 均衡器 a f c a u t o m a t i cf r e q u e n c yc o n t r o l 自动频率控制 a d ra d v a n c e dr e c e i v e r 高级接收机 l 1 s l a y e r ls y n c h r o n o u s 物理层同步模块 r a k er a k er e c e i v e r r a k e 接收机 v c o v o l t a g e - c o n t r o l l e do s c i l l a t o r 压控振荡器 3 g p pt h et h i r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t 第三代协作伙伴项目 v n 第一章绪论 1 1 选题背景 第一章绪论 w c d m a 作为第三代移动通信系统( 3 g ) 的国际标准之一，其技术产业链 涵盖了网络运营商、系统设备制造商、终端设备制造商、终端核心技术提供商、 测试设备提供商等几个部分。其技术特点表现为：它能够将语音通信和多媒体通 信相结合，提供包括图像、音乐、网页浏览、视频会议以及其他一些信息业务等 增值服务，所支持的最高数据速率可达2 m b s t q ；它是一种直接扩频序列、码分 多址技术( d s c d m a ) ，信息被扩展成3 8 4 m c h i p s ，然后在5 m h z 带宽内传送 h 。目前，w c d m a 手机终端物理层软件主要由欧美公司掌握。国内除了中兴、 华为正在研发，没有别的公司对此进行投入。虽然国产手机现在已经占据了中国 g s m g p r s 手机市场的半壁江山，但由于并未掌握手机的核心技术，实际上国 产手机的利润并不高。现在已经有一些手机厂商开始迫切希望能够掌握手机的核 心技术，但是这种核心技术的开发投入很大，需要有一定的技术积累。目前来看 缺乏手机核心技术( 如手机通信协议栈) 已经成了制约中国手机厂商进一步发展 壮大和获得巨大利润的瓶颈。3 g 牌照发放后巨大的3 g 手机市场对开发拥有自 主知识产权的手机软、硬件核心技术3 g 终端通信协议栈软件和3 g 终端核心 芯片，也提出了必要性和紧迫性。 1 1 1 课题来源 课题源于中兴通讯股份有限公司所属e g p r s w c d m a 双模手机基带芯片开 发项目，该项目开始于2 0 0 8 年1 0 月，在w c d a m 单模手机基带芯片的基础之 上，增加了双模、h s d p a 、h s u p a 等功能，是前一版本的增强版，作者于2 0 0 8 年1 1 月进入该项目，负责w c d m a 手机基带芯片物理层射频控制( i 江c ) 、自 动频率控制( a f c ) 模块的软件设计与开发工作，课题研究内容就来源于作者实 际参与设计并实现的自动频率控制( a f c ) 模块。 在参与e g p r s 脚c d m a 双模手机基带芯片开发项目中，作者主要参与了 w c d m a 手机基带芯片物理层软件的设计与实现工作。在设计与实现过程中， 深刻意识到物理层软件的重要性、频偏控制对提高手机接收性能的重要性，它是 衡量手机终端性能优劣的重要指标，因此，论文在结合自己所参与的项目内容、 总结自己工作经验的基础上，展开了本文的研究。 重庆邮电大学硕士论文 1 1 2w c d m a 手机终端频偏概述 在移动通信中，由于发射机中信号调制所用的本振频率与接收机中的信号混 频用的本振频率不一致( 他们之间的差值我们称之为固定频偏) ，造成混频后的 基带信号会残留固定频偏的频率分量。，同时由于用户设备( u e ) 本身的运动 而会引起另外一种频率偏移，即多普勒频移h 。：f d = ( v , z ) c o s a = 厶* e o s a ，厶 为最大多普勒频偏，a 为电波到达方向与移动台运动方向之间的夹角，它反映了 无线信道的时变特性，多普勒频偏的大小主要与载波波长、移动台运动速度，以 及电波到达方向与移动台运动方向之间的夹角有关，多普勒频偏也会通过混频和 滤波残留在基带信号中。我们将这两种频率合称为频偏。它对基带信号处理的影 响有一个量变到质变的过程旧。，如果频偏很小，它对信号处理结果的影响也就很 小，反之就越大，当频偏超过某一值时，信号会出现相位混叠，而直接导致无法 正确判别数据内容，因此，在移动通信中，对于手机终端来说总有一个自动频率 控制装置来实时跟踪频偏并校正频偏，使发射机和接收机在不同的工作场景下都 能保持一定精度的频率同步。 1 1 3 研究现状 传统的非扩频通信系统通常采用锁相环来纠正手机中的频偏【6 】。随着移动通 信技术的不断发展，为了便于携带，手机的体积、重量都受到很大的限制，另外， 由于现代集成电子工艺和d s p 技术的迅猛发展，手机中基带处理单元可以制作 在很小很轻的芯片中，整机大部分的体积和重量来自于射频部分。如果再使用射 频的锁相环技术，则会给手机带来很大的体积和重量负担。同时传统的频偏估计 算法也没有讨论在扩频通信系统中的应用，算法实现时采用了模拟环路滤波器 ( 仍需较大的体积) ，只能工作在连续导频模式系统中，并且仅能纠正最大为 3 0 0 h z 的频偏【7 1 ，这远不能满足当代移动通信技术的需要。 频偏补偿的重要前提是正确估计出频偏大小，因此对频偏估计算法的研究显 得尤为重要。进入第三代移动通信以来，业内对手机终端的频偏估计算法展开了 大量的研究工作，提出了很多满足当代移动通信系统要求的频偏估计算法，如适 用于t d s c d m a 系统的差分相关算法、f 池估计算法；适用于w c d m a 通信系 统的k a y 估计算法【1 4 1 ，这些算法的估计精度、抗干扰能力在理论上都满足要求， 且其性能远远超出传统的频偏估计算法，但是这些算法由于其存在复杂的运算却 难以实现，而模块功能设计的重要原则之一是易于实现，因此，易于实现而又满 足系统性能需求的频偏估计算法是我们所追求的。 w c d m a 作为第三代移动通信系统最为成熟的技术，由于采用了扩频技术， 2 第一章绪论 信号带宽大于信道相干带宽，信道为频率选择性衰落信道。接收机接收到的信号 有若干个时延多径，若在基带中采用锁相环技术来纠正频偏，势必要使用很多个 锁相环，仍然会造成硬件资源很大的消耗。因此现代移动通信中的手机往往采用 一种称为a f c ( a u t o m a t i cf r e q u e n c yc o n t r o l 自动频率控制) 的技术来达到频偏纠 正的目的。 近年来，随着3 g 技术的不断成熟和逐渐走向商业化，手机中的频偏纠正技 术也得到了极大地发展，其中g s m 、w c d m a 、t d s c d m a 等单模手机芯片中 的a f c 技术目前大多只能支持小区搜索( c s r ) 、下行接收( 1 c ) 等物理层子 模块的频偏估计与频偏补偿功能。进入第三代移动通信后，特别是h s d p a 、 h s u p a 技术的逐渐成熟，逐渐进入终端领域，这对同时需要支持c s r 、r x c 、 a d r 物理层子模块的频偏估计与频偏补偿的3 g 手机终端提出了更高的要求，使 得3 g 手机终端中的a f c 子系统的设计与开发面临着巨大的挑战。目前关于手 机终端自动频率控制技术和装置的研究与设计为数不多，其中以各通信设备生产 开发商申请的专利为主。 综上所述，频偏影响手机接收性能，在一定程度上克服频偏是提高手机接收 性能的关键所在，传统的抑制频偏方法大多存在一个先验条件，那就是初始频偏 不能太大、手机体积不受限制，为了满足这样的要求，对手机终端所使用的晶振 有比较严格的要求，要求手机晶振的精度在l p p m 内，而且必须使用带有温度补 偿功能的晶振，同时手机体积较大，这样一来极大地提高了生产成本，这对终端 制造商来说是一笔不小的开销。另外，当代移动通信系统中很多a f c 技术方案 都存在一些相同的问题，比如说频偏估计、频偏补偿算法难以实现，所设计出来 的系统在后期工程测试中遇到很多不便等，这使得设计并开发出一种高性能、低 成本，满足当代移动通信技术需要的自动频率控制装置成为必要。 1 2 论文内容安排 全文共分为六章。论文第一章概要介绍了课题来源、w c d m a 手机中的频 偏来源、频偏对接收机的性能影响以及研究现状等内容。 第二章对w c d m a 手机中的频偏估计与频偏补偿原理进行了理论分析，在 此基础上讨论了四种频偏估计方法和两种频偏补偿方法，并确立了本文将要采用 的方法。 第三章、第四章详细阐述了w c d m a 手机中的a f c 模块的设计过程以及软 件功能实现流程，总结和分析了设计与实现过程中的难点问题，并就此提出了相 应的解决方案。 重庆邮电大学硕士论文 第五章对本文所设计并实现的a f c 模块进行了验证，并详细介绍了验证过 程、分析了验证结果。 第六章为全文总结和对课题研究的展望。 4 第二章w c d m a 手机中的频偏估计与频偏补偿原理分析及设计方案选择 第二章w c d m a 手机中的频偏估计与频偏补偿原理分析及设 计方案选择 2 1 引言 频偏影响手机接收性能，找到合适的频偏消除方法是解决问题的关键，而频 偏估计与频偏补偿理论则是频偏抑制方案的设计基础。因此，本章将以两个小结 的内容对w c d m a 手机中的频偏估计与频偏补偿原理进行理论分析，在此基础上 对比分析了目前手机中常用的四种频偏估计和两种频偏补偿方案，以项目系统方 案、算法性能仿真为依据，确立了w c d m a 手机中的自动频率控制模块将要采用 的设计方案。 2 2w c d m a 手机中的频偏估计原理 由于手机设计需要灵活小巧、便于携带，其设备复杂度受到很大的限制。因 此手机中的电压控制振荡器( v c o ，俗称晶体振荡器) 体积很小，其频率稳定度 也受到了影响，在w c d m a 系统中为3 p p m ，在输出2 1 1 2 1 7 g h z 频率的情况下， 可产生最大频率偏差达6 3 3 6 5 1 k h z i s ，为了使手机能正常工作，必须对频偏加 以纠正，而频偏纠正的重要前提是正确估计出频偏值。频偏估计可以采用f f t 和 延时共轭相乘法，由于受导频符号非连续性和物理资源的限制，无法使用f f t ， 因此最常用的方法就是延时共轭相乘法1 9 】，即根据物理公共导频信道( p c p i c h ) 解调后上报的数据，即公共导频符号c p i c h ，进行频偏估计处理的【1 州1 1 。对于 w c d m a 手机，在实际设计与实现过程中，整个频偏估计过程包括初始频偏估计、 频偏值的计算与转换和频偏值的后续处理三个部分。其中初始频偏估计在物理层 主要由硬件( 保留软件) 来实现，而其他两部分由a f c 软件实现。 2 2 1 初始频偏估计 假设u e 的接收信号为r ( t ) = a e 7 蚺p 【，o ) + q ( ，) 】，其中a 表示信道衰减，p 表 示信道相移，w = w o + 嘞是基站本振频率与多普勒频移屹之和( 这里不考虑噪 声对接收信号的影响) 。接收端解调时，l i e 的解调信号即本振信号为s o ( t ) = p 朋， 则下变频解调后的基带信号为【1 2 】： r ( f ) = a p a m 【，( f ) + 旭( ，) 】 式( 2 1 ) 5 重庆邮电大学硕士论文 这里的a w = w o + 屹一即为我们关心的频偏。按照延时共轭相乘法的思想， 将信号r ( r ) 延时t 得到信号r 。( f + r ) ： r o + 丁) = a e 。a 。+ 7 + 8 1 【，o + r ) + q + 丁) 】 式( 2 2 ) 其中t 的取值要保证延时后的口、0 和a o s 变化很小，对频偏估计结果所带来 的影响可以忽略不计，且i 、q 符号不发生变化，即i ( t + z ) = ，o ) 和q ( t + r ) = q ( f ) ， 这就要求t 值足够小。实际上，这不难做到。将r ( f ) 和r o + 丁) 进行时域共轭相 乘可得： 尺”o ) 只o + r ) = 位2 p 必r 【，2 p + 即+ q 2 p + 丁) 】 式( 2 3 ) r e r o ) r o + 丁) 】= 口2 【j 2 0 + r ) + q 2 ( t + t ) c o s ( a c o t ) 式( 2 4 ) i m r o ) r o + r ) 】= a2 【，2 0 + 丁) + q 2 ( t + t ) s i n ( a c o t ) 式( 2 5 ) 式( 2 4 ) 和( 2 5 ) 即为初始频偏估计结果，w c d m a 手机中的初始频偏估计 周期定为s l o t 级【1 3 】，即每个s l o t 进行一次初始频偏估计，在实际实现过程中，软 硬件都能实现初始频偏估计功能，目前在w c d m a 手机中主要是通过硬件来实现 这一功能的，并保留软件实现( 详情见第三、四章a f c 模块的设计与实现部分) 。 2 2 2 频偏值的计算与转换 基于初始频偏估计的结果我们可以用式( 2 5 ) 的结果除以式( 2 4 ) 的结果进 而得到t a n ( a w t ) 。然后通过a r c t a n o 运算可得到w r ，最后根据频率f 与角频率w 之间的关系进行转换后可计算出频偏值矽，具体如下【1 4 】： ：! a r c t a i l f 塑1 7 z l r e ( c ) ：15 0 0 _ _ _ _ t oa r c t a n f l 堡盟1= 二二- i z ( r e ( c ) j 式( 2 6 ) 其中t 表示一个s y m b o l 的时间，针对w c d m a 系统其值为t = 1 0 1 0 * 1 5 m s ； ，表示初始频偏估计过程中进行相关运算的相邻符号之间的时间间隔( 单位为 s y m b 0 1 ) ；c 代表r ( f ) r ( f + 丁) 。 矽：丝= 型蝴f 堡粤17 2 z瘕 l r e ( c ) 式( 2 7 ) 关于反正切函数a r c t a n o 值的计算，数学上有很多的方法，并且不同的方法得 出的结果在精度上有很大的差异，结合项目算法方案以及实际实现过程中的难易 6 第二章w c d m a 手机中的频偏估计与频偏补偿原理分析及设计方案选择 程度，w c d m a 手机中最常用的方法是查表和分段直线逼近方法。查表的方法相 对来说实现起来较简单，只需要做一个角度值与正切函数值之间一一对应的表格 即可，软件根据不同的正切函数值，通过查表得到我们需要的角度值。由于需要 考虑卜万，石】范围内的所有值，增加了表格设计与实现的难度，所以在实际设计与 实现过程中最常用的方法是分段直线逼近方法。 结合频偏估计值的计算与转换结果，采用分段直线逼近方法求反正切函数 a r c t a n o 值的过程如下“： 步骤一、计算频偏角西 多 l 一竺a 5 j n i l | l f 图2 1 y = a r c t a n ( x ) 函数分段直线逼近示意图 设，= l h n ( c ) r e ( c ) i ，得咖= a r c t a n y ，为了求得妒，我们采用分段直线逼近曲 线y = a r c t a n ( x ) 的方法，分段直线如下： y = x( x - 0 5 )式( 2 8 ) y = 0 5 7 x + 0 2 1 5f o 5 x _ 1 )式( 2 9 ) y = 0 3 2 2 * x + o 4 6 3( 1 x _ 2 )式( 2 1 0 ) y = 0 1 1 0 x + o 8 8 7( 2 x = 4 ) 式( 2 1 1 ) y = 0 0 3 * x + 1 2 0 6( 4 x = 8 ) 式( 2 1 2 ) y = 0 0 1 5 6 * x + 1 5 8 7 5 ( 8 x 0 ，9 = a r c t a ：n ( r ) 式( 2 15 ) i fr e ( c ) 0 ，9 = 万一a r c t a n ( r ) 式( 2 1 6 ) i fr e ( c ) 0a n di r a ( c ) 0 ，9 = - a r c t a n ( r ) 式( 2 17 ) i fr e ( c ) 0a n di r a ( c ) 0 ，9 = 一万+ a r c t a ：n ( r ) 式( 2 18 ) 最后需要根据各频偏补偿模块所需要的实际补偿值进行频偏估计值的转换， 基于项目所采用的频偏补偿方案，w c d m a 手机中各频偏补偿模块所需要的补偿 值可通过以下表达式求得，详细内容见2 3 2 节。 批= r o u n d ( 篙字 9 ， 2 2 3 频偏估计值的后续处理 通过以上理论分析可以看出，w c d m a 手机中整个频偏估计过程的关键在于 初始频偏估计，因为这一过程直接针对我们的接收信号，因此，频偏估计的最终 结果在一定程度上取决于初始频偏估计阶段，对于初始频偏估计，我们需要从以 下两个方面加以考虑：一方面在满足3 g p p 对频偏估计精度最低要求的前提下，尽 可能地提高频偏估计精度；另一方面使频偏估计范围尽可能大，力争做到覆盖 w c d m a 手机在实际应用场景中可能产生的所有频偏值。同时初始频偏估计过程 并没有考虑噪声对接收信号的影响，而实际环境中的噪声影响是不可避免的，所 以，为了提高频偏估计精度，满足协议对频偏估计精度的最低要求，通常在实际 实现过程中需要对频偏估计值进行一系列的后续处理，整个处理流程如图2 2 所 示： 按照算法，对一个时 隙内的8 个符号数据 i ，q 数据 对一帧内的所有初始 i ，q 数拥 滤波处理，一帧 d q 数据 做时域相关运算( 初 频偏估计结果求和后 ( 滤波系数： 频偏估计，一帧 平均 ) 始频偏估计) 图2 2 频偏估计值的后续处理流程 如图2 2 所示，频偏估计功能单元每一个s l o t 进行一次初始频偏估计，频偏值 的计算与转换单元对一帧内的初始频偏估计参数进行累加平均，再通过滤波，最 终得到所需要的估计值，试验结果表明通过以上处理流程后，在一定程度上可以 提高频偏估计精度和频偏估计值的范围。 第二章w c d m a 手机中的频偏估计与频偏补偿原理分析及设计方案选择 2 3w c d m a 手机中的频偏补偿原理 频偏补偿对w c d m a 手机在异步系统中的同步与解调起着非常重要的作用。 w c d m a 手机在实际实现过程中基于相位旋转频偏补偿原理采用了3 2 段相位旋转 频偏补偿方法，实践表明这种方法在一定程度上提高了频偏补偿精度，降低了硬 件实现难度，目前在手机基带芯片开发中得到了广泛的应用。 2 3 1 相位旋转频偏补偿原理 w c d m a 通信系统是一个典型的扩频通信系统，接收信号是由若干个码片累 加而成的。系统中的频偏主要是指u e 与n o d eb 之间的频率偏移，更具体地说是 指发射信号与接收信号之间存在的相位偏移，因此目前w c d m a 系统中的频偏纠 正更多是通过对i q 输入采样信号进行相位旋转而实现频偏补偿的。同理，w c d m a 手机通过对接收信号进行相位反旋转来实现终端频偏补偿，其基本原理如下u ： 假设u e 端接收到的i q 信号可用矢量表示为：z = i + j q ，发射端发射的原始信 号可用矢量表示为： z i + i q ，由于存在频偏，发射信号与接收信号存在相位 偏移，其偏移角为日。如图2 3 所示： q o l ，z | 纱z 一 图2 3 发射信号与接收信号相位偏移矢量图 为了能够在接收端恢复出原始信号，我们可以通过相位旋转的方法，即将矢 量z 向相反的方向旋转( 旋转角度为0 ) 而得到矢量z 。，经过旋转后可以得到： 1 = i c o s 0 一q s i n o 式( 2 2 0 ) q = q e o s o + i s i n o 式( 2 2 1 ) z = i c o s 0 一q s i n o + j ( q c o s 0 + i s i n 0 ) 式( 2 2 2 ) 9 重庆邮电大学硕士论文 通过以上数学公式推导可知，只要知道原始发射信号与接收信号之间的相位 偏移角p ，接收机就可以采用相位旋转的方法恢复出原始信号，而这里的相位偏移 角日正是通过频偏估计得到的，这种频偏补偿方法我们称之为相位反旋转频偏补偿 方法，这也是目前w c d m a 手机中最常用的频偏补偿方法的理论所在。但在实际 实现过程中所采用的频偏补偿方法有所不同，本文接下来将详细分析w c d m a 手 机中实际采用的频偏补偿方法的原理。 2 3 23 2 段相位旋转频偏补偿原理 对于某一频偏，在时域内体现为相移随时间在0 2 a t 之间的变化( 0 = 2 z r z x f f ) ， 在进行频偏补偿时如果直接用( 2 2 2 ) 式计算，可能需要计算0 2 z r 的所有角度的 正弦值和余弦值，在电路上很难实现，所需的复数乘法器也要占用很大的硬件资 源。为此，本文采用一种分段近似相位旋转和查表的方法用于w c d m a 手机中的 频偏补偿，所谓分段近似相位旋转就是在信号星座图上将i q 复平面等分为k 段 ( 如图2 4 所示) ，每一段内的相移近似相等，固定为2 z r k ，由频偏和相移之间的 关系2 z r k = 2 u a f n t 可知，对n 个抽样周期( t ) 时间内的信号都进行反方向旋转 ( 2 z r k ) 即可达到频偏补偿的目的，这样不管频偏鲈是多少，都只需进行( 2 , t k ) 及其倍数的正负旋转，只是做同一旋转的持续时间不同而已，从而简化硬件实现 电路。其中分段的数目k 不能过大，那样会引起存储表等硬件资源过大，计算过 于频繁而导致功耗增大；同时也不能过小，过小会导致补偿的精度不够，甚至引 起不恰当的补偿。为了在资源和精度之间做个折衷，k 的取值需要合理，这里我 们假设把频偏等分为2 七个分隔，频偏补偿的精度分隔为6 = 2 r r 2 七。由于频偏对接 收信号的解调所造成的影响理论上可以估算为c o s 2 ( a 2 ) ，结合硬件资源的需求， 通过理论仿真发现，当k = 5 时，即k = 3 2 ，频偏对接收信号的解调所造成的影响理 论上趋于0 ，即把相位误差限制在1 1 2 5 0 精度分隔范围内，这样系统因为频偏所造 成的性能影响将小于0 0 5 d b ，满足w c d m a 系统性能要求，这就是我们在实际应 用中采用3 2 段进行相位旋转补偿的原因【l 。 1 0 第二章w c d i r a 手机中的频偏估计与频偏补偿原理分析及设计方案选择 q 驴趣殓- 刚6 励萝浮一 i 图2 43 2 段相位旋转示意图 相位旋转频偏补偿原理告诉我们通过计算相位偏移角的正弦值和余弦值就可 以进行频偏补偿，从而在接收端恢复出原始发射信号。而对于3 2 段相位旋转频偏 补偿方法却有所不同，3 2 段相位旋转频偏补偿主要用于基带信号的频偏补偿，此 时的频偏在经过同步之前的调整后已经变得很小，它更多的是通过硬件来实现的， 软件只是进行调度控制、提供旋转方向指示和进行同一补偿的抽样周期数目等参 数。这两个参数( 旋转方向和旋转采样数) 与相位偏移角0 之间的联系将通过以下 数学推导而得到： 由于硬件并不识别相位偏移角p ，它的基本做法是：假设在时间t 内，频偏大 小始终为f ( 对应相位偏移角为口) ，即有： 0 = w t = 2 z r f i 式( 2 2 3 ) 针对3 2 段相位旋转，这里的相位偏移角8 等于1 1 2 5 0 ，则有： 2 j r 3 2 l f = 二_ 一= 一2 z r f3 2 幸f 式( 2 2 4 ) 将时间t 转化成以c h i p 为单位的值得： ，宰s = 意掌3 8 4 1 0 6 ( c h i p ) 3 2 厂 式( 2 2 5 ) 再转化为以s a m p l e 为单位的值得： 1 t * s = b 3 8 4 1 0 6 4 ( 帆啦) 式(226)32幸厂 、。3 。愀7 。 这就是式( 2 1 9 ) 的由来，a f c 软件根据频偏估计值f 计算出旋转采样数后 重庆邮电大学硕士论文 配置给硬件，硬件根据以上理论推导得到相位偏移角0 ，再通过查表或者c o r d i c 算法【1 8 1 得到相位偏移角0 的正弦值和余弦值，从而基于相位旋转频偏补偿原理实 现3 2 段相位旋转频偏补偿。 2 4w c d m a 手机中的频偏估计与频偏补偿方案选择 2 4 1 频偏估计方案选择 频偏估计是a f c 技术得以实现的难点之一，由于传统的频偏估计方法并没有