估计频率偏移的设备及其方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于估计接收到的多载波信号的频率偏移的设备。另外，本发明 还涉及一种对应的方法、一种包括此类估计设备的通信设备、一种计算机程序和一种计算 机程序产品。
【背景技术】
[0002] 近来，正交频分复用（OFDM)已广泛运用于无线通信标准，包括4G长期演进（LTE)、 Wi-Fi和全球微波互联接入（WiMax)。正交频分复用技术允许多载波传输的频谱重叠，确保 了无线数据的高速传输，从而提高了频谱效率。另一方面，与常规的单载波传输系统相比， OFDM传输系统对频率偏移更敏感。如图1所示，OFDM要求传输的信号在每个子载波的中心 频率进行采样。频率偏移引起信号退化、相位翻转和载波间干扰（ICI)，这些将会导致性能 退化。因此，频率偏移的估计和校正对于一个基于OFDM的接收器至关重要。
[0003] 频率偏移称为发射器和接收器之间的载波频率的频率漂移，通常称为载波频率偏 移（CFO) εσ。。CFO可进一步划分为两个部分：整数倍频率偏移（IFO)和小数倍频率偏移 (FF0)，即：ε σ。= ε IF(]+eFF。，其中eIF。是一个由子载波间隔相乘得到的整数，ε FF。的大小 限定在子载波间隔的一半以内。例如，LTE的频点间隔为15kHz，则IFO可以为土N*15kHz， 其中N是一个整数，而FFO仅限为±7. 5kHz或者±0. 5 (归一化频率偏移）。
[0004] 当处理一个接收到的OFDM信号时，LTE中的用户终端，用户设备（device)，也称为 用户设备（UE)，需要估计和校正频率偏移。该过程通常可分为两步，即获取阶段和跟踪阶 段。
[0005] 获取阶段的目标在于估计粗略的频率误差，通常在每个无线帧（例如，IOms时长） 内进行。另一方面，跟踪阶段设计用于估计精细的频率偏移，可以在LTE中的每个子帧（例 如Ims时长）内更频繁地进行。
[0006] 接收器中的典型操作如图2所示，天线11接收一个传输信号，并在无线前端放大 该接收到的信号并将载波频率下变频为基带信号。随后由数字基带单元进行多种操作，包 括上述的频率偏移估计。然后通过频率偏移估计输出12调整接收器的本地振荡器载波频 率。接收器的低成本晶体振荡器会引起大的频率偏差，尤其是当接收器内有温度变化的时 候。此外，在LTE中无线前端会频繁地接通和断开，LTE中的非连续接收（DRX)也会引起大 的频率偏移，从而降低接收器性能。
[0007] LTE UE设计用于估计和校正频率误差来减轻其影响。频率偏移估计可在时域或者 频域中进行。时域方案通常利用：发射器（例如，基站或者接入点）发送的接收到的专用训 练符号/前导来协助同步；接收到的OFDM信号的循环前缀部分（或者也称为保护间隔）。
[0008] 利用接收到的信号的信号特征来进行时域操作。循环前缀（CP)本质上是OFDM符 号的最后几个样本的副本，且放置在该OFDM符号的前面。在接收到的CP部分和OFDM符号 的最后几个样本的相关性中进行最大似然（ML)估计，可以估计频率偏移。时域频率偏移 估计通常具有相当宽的频率偏移估计范围。根据现有技术，归一化频率偏移估计可在 |_^TO￡_| 范围内在跟踪阶段进行。
[0009] 然而，使用专用训练符号或者循环前缀的时域频率偏移估计面临几个实际问题， 包括对残留的直流（DC)偏移、刺激信号和窄带干扰敏感。这些缺陷的存在会破坏相关值输 出。循环前缀也可能因为多径衰落现象而遭到损坏，从而造成频率偏移估计值不再准确。 [0010]另一方面，用于频率偏移估计的频域方案通常使用在传输信号某些位置接收到的 导频符号，其原理操作也取决于传输信号的相关性操作，其频率偏移捕获范围也由导频符 号在时域中的位置决定。
[0011] 频域频率偏移估计存在一个主要的问题，频率偏移范围受到所接收到的信号的导 频结构限制。根据一些常规方法，导频符号的位置限制在两个相邻的OFDM符号中，从而频 率偏移捕获范围为|秦_| <0.5然而，例如LTE系统并不提供这种导频结构。
[0012] 另一种常规方法是利用小区通用参考符号（CRS)来估计小数倍频率偏移（FFO)， 这是一种很著名的方法可命名为基线法。
[0013] 相位翻转由两个OFDM符号中的CRS相关值衡量，可用于估计频率偏移。LTE系统 存在的问题是，两个连续的OFDM符号的参考符号/导频不位于相同的子载波。接收器进行 最小二乘信道估计：=气,。其中Rlik是接收到的导频，S lik是存储的已知导频，1是符 号指数，k是子载波指数。随后，如图3所示，执行该最小二乘信道估计的一个简单的线性 频域内插，从而在无导频的子载波上形成一个虚拟信道估计。获得的相关值输出为：
[0014]
[0015] 其中&是OFDM符号指数1和子载波指数k的交集，也是CRS符号所在的位置。另 外，相位翻转θ Λ i可表达为：
[0016] θ λ != θ ι+Δ- θ 1= arg{ μ }
[0017] 其中Δ是两个带有CRS符号的OFDM符号的间距。所估计的频率偏移可由下 公式得出，
[0018]
[0019] 归一化的最大绝对值范围为，
[0020]
[0021] 带有正常CP配置的LTE中的CRS分别位于OFDM符号数字0、4、7和11。同一个天 线口的CRS的OFDM符号的最小间距，即，符号4和7 ( Δ = 3)。因此，基线法的频率偏移捕 获范围的最大极限可达l&i?l<G·1553 _，但小于ε FF。。
[0022] 另一种常规方案可捕获更大的范围，约为。因此，其不能覆盖整个小 数倍频率偏移。这种方法需要包括跨子帧的ODFM符号间的几个相关值。此外，需要实施查 找表（LUT)。因此，LUT实施的准确性对其结果影响很大。
[0023] 从上述常规方案的描述可以得出，本领域需要一种用于频率偏移估计的改善方 案。
【发明内容】
[0024] 本发明的一个目标是提供一种方案，以减轻或者解决频率偏移估计的常规方案中 存在的缺点和问题。
[0025] 本发明的另一个目标是提供接收到的信号（比如多载波信号）的改善的频率偏移 估计方法。
[0026] 本发明的第一方面，提供一种例如在无线通信系统中用于估计接收到的（多载 波）信号的频率偏移的设备，实现上述以及其他目标。该设备用于：
[0027] 接收包括通过无线信道传输的至少一个正交频分复用OFDM符号对的信号；
[0028] 通过在频域中对所述接收到的信号进行至少一次频率位移，扩展用于所述接收到 的信号的频率偏移估计的频率捕获范围；
[0029] 基于所述扩展的频率捕获范围，估计所述接收到的信号的频率偏移4?。
[0030] 本发明的第二方面，提供一种通信设备，用于在无线通信系统中进行通信并且包 括本发明实施例的至少一种用于估计频率偏移的设备，以实现上述以及其他目标。
[0031] 本发明的第三方面，提供一种例如在无线通信系统中用于估计接收到的（多载 波）信号的频率偏移的方法，实现上述以及其他目标。该方法包括如下步骤：
[0032] 接收包括通过无线信道传输的至少一个正交频分复用OFDM符号对的信号；
[0033] 通过在频域中对所述接收到的信号进行至少一次频率位移，扩展用于所述接收到 的信号的频率偏移估计的频率捕获范围；
[0034] 基于所述扩展的频率捕获范围，估计所述接收到的信号的频率偏移
[0035] 一个OFDM符号对是两个携带导频符号的OFDM符号，其中一个符号对中的OFDM符 号的间距反映频率偏移估计范围。频率捕获范围是指接收器所能估计和校正的频率偏移的 范围。
[0036] 本发明实施例提供的估计方案带有灵活的频率偏移捕获范围，例如该范围可以覆 盖整个小数倍频率偏移e FF。或者甚至在LTE系统中覆盖更大的范围。进一步地，本方案的 频率估计是在时域中进行的，因此可有效抵抗例如DC偏移和窄带干扰之类的损伤。
[0037] 此外，最大复杂性预期会随着基线频率偏移估计器的范围扩展的倍增因数近似线 性增加，这是一个优势。所述方案还提供了复杂性和性能之间的折衷选择。因此，性能可以 在任何需要的时候通过利用更多的数据/输入得以改善。
[0038] 根据本发明的一个实施例，该设备还用于使用有限长单位冲击响应FIR数字滤波 器对所述接收到的信号的进行频率位移，从而扩展频率捕获范围。所述FIR数字滤波器可 以具有通过如下公式计算出的滤波器系数C (m)
[0039]
[0040] 其中m是滤波器系数指数，ε s是频率位移，Nfft是快速傅