专利名称：用于信号的数字频率校正的方法和电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及主要应用于发射机-/接收机电路中，权利要求1或7前序部分所述的，用于信号的数字频率校正的方法和电路。
在发射机-/接收机电路(收发信机)中，用于产生一个参考频率的本地振荡器被使用。主要由于产品的允差，温度和供电电压波动，参考频率可能有不希望的波动。这使得被处理的信号同样具有大的频率波动，并且发射机/接收机电路的效率降低。
为了减小频率波动，在发射机/接收机电路中采用例如昂贵的优质振荡器，它产生非常稳定的，即无波动的和精确的参考频率。为了减小电压波动和温度对参考频率的影响，也可使用电压波动补偿和温度补偿振荡器。此外通常应用所谓的自动频率校正环路(AFC-环路自动频率校正环路)来精确调整本地参考频率。
然而存在着以下缺点这个方案一方面太昂贵，另一方面电路技术很复杂。
为了保持主要应用诸如移动电话这样的批量产品的发射机-/接收机电路的低成本，要求应用便宜的振荡器，它具有一个供电-及温度控制装置。然而尤其在这种产品中不允许有太大的参考频率波动。因此肯定需要追加被处理信号的频率校正。
数学上诸如一个移动通信接收机的发射机/接收机电路中的一个基带信号X的频率校正过程可表示如下其符号具有一个符号宽度T的基带信号的取样值x(k) 与一个(复)频率校正信号z(k)＝2πf·T/m·k相乘，这里m是所谓的过取样因子；此时域的乘积对应于频域中基带信号x(k)频率移动一个频率f。在复信号-矢量平面中这代表“矢量”x(k)旋转一个角度2(k)，
x(k)·exp(j z(k))＝[i(k)+j·q(k)][cos(z(k))+j·sin(z(k))]＝[i(k)cos(z(k))-q(k)sin(z(k))]+j·[i(k)·sin(z(k))+q(k)·cos(z(k))]，频率校正信号z(k)愈精确和精细可调，频率校正愈好，即“矢量”x(k)在复平面上可以更精细的步距旋转。
虽然例如可以由数字乘法器和正弦-和余弦-函数的系数表，按照上面的公式计算频率校正，然而这需要很大的电路技术费用，从而这个解决方案昂贵而复杂。尤其是在实施为集成电路时，这个方案需要大的芯片面积，因而非常昂贵。
本发明的目的在于给出主要用于发射机-/接收机电路中的用于数字频率校正的方法和电路，它以较小的电路技术开支产生非常精确的频率校正。
上述任务由具有权利要求1所述特征的方法和具有权利要求7所述特征的装置完成。本发明的其它设计由相应权利要求给出。
本发明的基本思路是利用CORDIC(座标旋转数字计算机)-算法于信号的频率校正。借助于CORDIC-算法可以相当简单地完成频率-和相位校正。CORDIC-算法可以用较少的电路技术开支实现，从而基于此算法的电路-便宜的振荡器和CORDIC-校正-的成本低于复杂补偿的振荡器时的成本。
CORDIC-算法被描述在J.E.Volder的文章“CORDIC三角学计算方法”中，IRE电子计算机会刊，第8卷，第340-334页，1959，此算法是N-次迭代的，并且用于一个矢量旋转一个确定的角度αn＝arctan(2-n)，n＝0，1，...N-1。如果矢量像本说明书开始处所述那样表示一个复信号矢量，通过这个旋转可以对应于与一个频率校正信号的相乘改变信号频率，随着每次迭代，旋转角变得更小(α0＝45°＞α1＝26.6°＞...＞αN-1)，从而信号的频率随着迭代次数的增加以愈来愈小的步距改变。
改变一个角度a的迭代旋转可以表示为下面的线性组合a≈σ0α0+σ1α1+ ...+σN-1αN-1(σn＝±1)旋转的精度由最小旋转角αN-1确定。旋转方向由符号бn给定(+1逆时钟方向，-1顺时钟方向)。
由同相分量In和正交-分量Qn表示的一个信号现在通过CORDIC-算法迭代旋转角度a。并且各单个旋转可按CORDIC-算法由简单的移位-和加法运算实现In+1＝In-σn2-nQnQn+1＝σn2-nIn+Qn利用旋转角公式αn＝arctan(2-n)，上面的等式也可表示如下；In+1＝sqrt(1+2-2n)·[cos(σnαn)·In-sin(σnαn)·Qn]Qn+1＝sqrt(1+2-2n)·[sin(σnαn)·In+cos(σnαn)·Qn]在N次旋转后得到IN＝K·[cos(z)·I0-sin(z)·Q0]QN＝K·[sin(z)·I0+cos(z)·Q0]其中K≈1.647.这样，被校正的信号在频率上可被调节。
在本发明方法中，一个信号，尤其是一个基带信号的取样值x(k)与频率校正信号z(k)的复数乘法由CORDIC-算法实现。因为原则上不进行“硬性的”频率校正而是基于CORDIC-算法进行可变的频率校正，一个振荡器的参考频率的恒定不起重要的作用。
为了利用CORDIC-算法于本发明方法，算法的一些缺点必须被本发明克服掉—因为CORDIC-算法只可能有近似99°的旋转角这一有限的校正范围，必须减小用于校正所必需的旋转角。为此在本发明中如此校正旋转角，使得它总具有小于或等于90°的值。由z(k)表示的旋转角以模-2π存储在比特宽度为NW的一个寄存器中。存储在寄存器中的值w(k)由公式w(k)＝w(k-1)+f·T/m被累积。w(k)的值111...111对应于对应角度2π·(1-2NW)的最大值1-2NW；通过简单地忽略掉寄存器的溢出实现模-2π-运算。
此外为了最佳地实现CORDIC-算法，要求表示频率校正信号的矢量z(k)位于复I/Q-平面的第一或第四象限中。为此当矢量在复I/Q-平面的第二或第三象限中时，被校正信号的矢量的同相-和正交-分量分别乘以(-1)s，s＝0，1，并且然后矢量旋转角度z(k)-π。
符号-标识s像符号бn一样对CORDIC-算法的各次迭代(微小旋转)计算。按照本发明还存在一个符号表，在表中对所有可能的旋转角度如此存储微小旋转的相应符号；符号-标号s和两个符号б0和б1被直接求出，而其余的符号бn，n＝2，3，...，N-1，由存储在寄存器中的值w(k)的比特w2，w3，...，wN+1求出。
寄存器的比特宽度NW和CORDIC-算法的微小旋转数N影响频率校正信号x(k)exp(jz(k))的校正范围及相位噪声，因此按照本发明选择如下比特宽度NW对于一个可校正的频率范围Δf应满足以下不等式Nw＞＝log2(m)-log2(Δf·T)对于一个希望有的信号-相位噪声-比SNR微小旋转数N应选择如下(SNR+3)/6＜＝N＜＝Nw-2这样获得所希望有的信号-相位噪声-比，并且N的上界由寄存器的比特宽度给出。
最后，在实现CORDIC-算法时在算法的每次迭代中还存在两个保护-比特，以便能处理定标因子的可能最大值，即sqrt(2)·K≈sqrt(2)·1.647≈2.33。K是基于CORDIC-算法的定标因子，sqrt(2)是在通过CORDIC-算法时同相-和正交-分量的可能的“增长因子”。因而CORDIC-算法的输入-和输出比特宽度应尽可能地大，最好至少大于N+2。否则的话CORDIC-算法的截断误差将产生比相位误差所产生的更大的噪声。
下面借助附图对本发明的优化实施例的说明进一步详细说明了本发明。附图中
图1示出具有用于实施本发明方法的主要部件的方框图，图2示出用于CORDIC-算法的符号-表的结构，图3示出用于CORDIC-算法的微小旋转块的结构，以及图4示出在GSM-移动电话的收发信机中利用本发明的方法。
图1中复基带信号x(k)的同相及正交-分量的取样值i0和q0被送给一个象限校正块10(k在此表示离散的取样时刻)。象限校正块10的作用是使得表示基带信号x(k)的矢量位于复同相-/正交平面中的第一或第四象限中。如果矢量在第二和第三象限中，CORDIC-算法不正确工作。如前所述当矢量位于复I/Q-平面的第二或第三象限中时，同相-和正交-分量必须分别乘以-1。
接在象限校正块10后面的是串联的N个微小旋转块，它们之中仅有三个块11，12和13被示出。每个微小旋转块计算CORDIC-算法的一个步距，即将由同相-和正交-分量表示的矢量在复I/Q-平面上旋转一个角度±αn＝±arctan(2-n)。在微小旋转块11的输入端上输入分量I0和Q0，其输出端输出的分量I1和Q1表示旋转了角度±α0＝±arctan(1)的矢量。在微小旋转块12的输出端输出分量I2和Q2，它们表示一个旋转了角度±α1＝±arctan(1/2)的矢量。最后，在进行了CORDIC-算法的N级过程之后在微小旋转块13的输出端上输出一个由分量IN和QN表示的矢量，它表示经频率校正后的复基带信号。每次在一个微小旋转块中旋转时，不是逆时钟方向就是顺时钟方向旋转。旋转方向取决于符号бn。
符号бn和象限校正块10的输入符号S由符号表示14产生。符号表14由一个具有比特宽度NW的寄存器31控制，在寄存器中存储具有NW个比特的寄存值W。并且寄存器31的前(N+2)个比特被送给符号表14。
在图2中示出符号表14的结构。用于象限校正块10的输入信号S通过寄存值W的两个最低有效比特w0和w1的逻辑XOR(异或)运算求出。第一个符号б0直接对应于寄存值w的比特w1。第二个符号б1通过对寄存值w的比特w2求反运算17求出。其余的符号б2至бN-1被存储在一个固定值存储器15(ROM只读存储器)中，在其中2N(N-2)个比特被存储。通过由三个最低有效比特w0至w2求出S，б0和б1，ROM，即固定值存储器15变小。否则的话要求2N+2(N+1)比特的存储器容量。
下表说明了由寄存值的三个最低有效比特0至2计算S，б0和б1以及相应的旋转角范围
符号бn被如此编码，使得逻辑“0”意味着逆时钟旋转，而逻辑“1”意味着顺时钟旋转。
符号表14的输入比特，即寄存值w通过累加w(k)＝w(k-1)+f·T/m由预定值f·T/m求出。此外存在一个相加器18和一个延迟单元19。延迟单元19延迟最后的寄存值w(k-1)一个时间T/m。然后相加器将预定值f·T/m-此值规定校正频率f-加到w(k-1)上。相加的结果给出用于寄存器31的新的寄存值w。
图3示出一个微小旋转块的结构，它完成本说明书开始处所说明的CORDIC-基本运算In+1＝In-σn2-nQnQn+1＝σn2-nIn+Qn此外存在第一和第二个移位寄存器20及21，它们分别将同相分量In和正交分量Qn移位n个比特(2-n)。被移位n个比特的同相分量In或正交分量Qn然后与符号бn或-бn相乘，即被移位分量的符号被相应改变。并且在第一22或第二23累加器中被加到原来的正交分量Qn或同相分量In上。作为结果，得到一个被旋转的矢量，它由同相分量In+1和正交分量Qn+1表示。
图4示出本发明方法在GSM-移动电话的一个收发信机中的有优点的应用。基带信号的取样值x(k)被送给一个数字预滤波器24，它以一个高取样率工作，它是基带信号取样率的几倍。
第一抽取器25接在数字预滤波器24之后，它将预滤器24输出信号的高取样率变为较低的取样率。
第一抽取器25后接一个偏置-补偿块26，用于在必要时补偿基带信号中含有的直流-偏置，即直流分量。被补偿的偏置由一个数字信号处理器30给到偏置-补偿块26。数字信号处理器30借助于基带信号的前面的取样值评估出信号中可能含有的偏置，即直流成分，并将此评估出的直流成份大小送给偏置-补偿块26用于补偿。如果基带信号的偏置没有被消除掉，这个偏置将被CORDIC-算法转换为一个干扰的正弦信号，它然后例如在数字信号处理器30中复杂地再被消除掉。
偏置-补偿块26后接用于实现本发明方法的一个CORDIC-频率校正块27。基带信号应被校正的校正频率与由数字信号处理器30送给CORDIC-频率校正块27。CORDIC-频率校正块27如前所述那样校正基带信号的频率一个校正频率值f。
CORDIC-频率校正块27后接一个数字后滤波器28，它精确地以基带信号取样率的两部工作。数字后滤波器28是一个具有很陡峭的频率特性的低通滤波器，用以去除干扰频率和基带信号的噪声。
利用第二个抽取器29，经频率校正和多次滤波的基带信号取样率除以2，降低为基带信号取样率，并且此基带信号被送给数字信号处理器30继续处理。
在此应指出本发明方法和相应用于实现此方法的装置也有优点地适用于UMTS(全球移动通信系统)-移动无线设备的发射机和接收机中的频率校正。另一个应用是应用本发明方法于任意发射机和接收机中，这时本发明方法和相应装置除了进行频率校正外；也用于数字混频。因为频率校正的任务和混频的任务非常相近，这样可以省去传统的混频器，从而更加显著地降低了成本。这种发射机和接收机的例子可以在DECT-标准(数字增强型无绳电话)的无绳电话，DVB(数字视频广播)和电缆调制解调器中找到。
符号表10 象限校正块 11-13 CORDIC-算法的微小旋转块14 符号表 15 固定值存储器(ROM) 16 异或-运算17 求反 18 相加器 19 延迟单元 20，21第一，第二移位寄存器 22，23第一，第二累加器 24 数字预滤波器 25 第一抽取器 26偏置-补偿块 27 CORDIC-频率校正块 28 数字后滤波器29 第二抽取器 30 数字信号处理器 31 寄存器
权利要求
1.用于对一个信号进行数字频率校正的方法，该信号以取样时刻(k)被取样和数字化(x(k))，并且它借助于具有N-级的CORDIC-算法被如此处理，使得信号(x(k))的频率改变一个可预置的频率值，其中—信号(x(k))由在复I/Q平面上具有第一个同相分量(io)和第一个正交分量(qo)的第一个矢量表示，—其中第一个矢量借助于CORDIC-算法旋转一个预定的角(z(k))成为具有第二个同相分量(IN)和第二个正交分量(QN)的第二个矢量，并且第二个矢量表示具有改变了的频率和相位的信号，—其中预定角(z(k))由N个不同的旋转角(αn)中的多个综合得到，—其中每个不同的角(αn)按公式arctan(2-n)，n＝0，1，...，N-1计算，并且分别具有一个符号(бn)，它规定旋转方向。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，预定的角(z(k))如此被限定在0至2π的范围内，角(z(k))由一个寄存值(w(k))表示，其比特宽度预定为角(z(k))的0至2π的范围，并且在取样时钟的每一时刻(k)通过将对应于预定角(z(k))的值(f·T/m)和取样时钟前一时刻(k-1)的寄存值(w(k-1))相加计算出寄存值(w(k))，并且寄存值(w(k))的溢出被忽略。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，预定角(z(k))被如此限定在-π/2至+π/2的范围内在CORDIC-算法之前一个象限校正被进行，其中第一个同相分量(io)和第一个正交分量(qo)分别乘以(-1)s，s＝0，1。
4.如以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，寄存值(w(k))的比特宽度NW满足以下条件Nw＞＝log2(m)-log2(Δf T)，其中m是信号(x(k))的过取样因子，Δf是可预置的频率值，T表示信号(x(k))的数字值的符号持续期。
5.如权利要求2至4中任一项所述的方法，其特征在于，CORDIC-算法的级数N对于规定的信号-相位噪声-比SNR和寄存值(w(k))满足以下条件(SNR+3)/б＜＝N＜＝Nw-2.
6.如以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在CORDIC-算法的每一级中存在两个保护比特，并且CORDIC-算法的输入-和输出比特宽度至少大于N+2。
7.用于对一个信号进行数字频率校正的装置，该信号以取样时刻(k)被取样的数字化(x(k))，—其中存在N个微小旋转块(11-13)的串联电路，信号(io，qo)被送给此电路，—其中每个微小旋转块(11-13)分别被输入一个来自符号表(14)的符号(бn)，—其中存在一个寄存器(31)，其存储值(w(k))作为地址被送到符号表(14)，—其中存在一个相加器(18)和一个延迟单元(19)，并且相加器(18)将一个预定的数字频率值(f·T/m)和延迟单元(19)的输出值相加，相加的结果存储在寄存器(31)中，且前一时刻(k-1)的寄存值(w(k-1))被送给延迟单元(19)。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，微小旋转块(11-13)的串联电路前接一个象限校正块(10)，输入信号(s)被送给它，并且当表示信号的矢量(io，qo)在复I/Q-平面的第二或第三象限中时，此矢量被象限校正块(10)旋转。
9.如权利要求7或8所述的装置，其特征在于，每个微小旋转块(11-13)具有用于将微小旋转块(11-13)的输入矢量(In，Qn)的分量移位n个比特的两个移位寄存器(20，21)和两个用于将输入矢量(In，Qn)的分量和移位寄存器(20，21)的输出值相加的累加器，并且移位寄存器(20，21)的输出值被备以分配给相应微小旋转块(11-13)的符号(бn)。
10.如权利要求7至9中任一项所述的装置，其特征在于，符号表(14)具有一个能存储2N(N-2)比特的固定值存储器(15)，一个异或-门(16)和一个求反器(17)，它们用于产生给第一和第二微小旋转块(11，12)的符号(б0，б1)和象限校正块(10)的输入信号(S)。
11.如权利要求10所述的装置，其特征在于，象限校正块(10)的输入信号(s)通过寄存值(w(k))的两个最低有效比特(w0，w1)的异或-门逻辑运算构成。
12.如权利要求10或11所述的装置，其特征在于，给第一个微小旋转块(11)的符号(б0)对应寄存值(w(k))的第二个比特(w1)。
13.如权利要求10至12中任一项所述的装置，其特征在于，给第二个微小旋转块(12)的符号(б1)对应寄存值(w(k))的第三个比特(w2)的求反。
14.移动无线设备的接收机，它具有用于滤波和处理接收到的基带信号(x(k))的具有多级(24-30)的基带滤波器，并且其中应用了权利要求1至6中任一项所述的方法和/或权利要求7至13中任一项所述的装置于基带滤波器的末级(28)之前，用于对基带信号(x(k))进行频率校正。
15.如权利要求14所述的接收机，其特征在于，在应用权利要求1至6中任一项所述的方法和/或如权利要求7至13中任一项所述的装置之前，存在一个基带信号(x(k))的偏置-补偿(26)，用于去除直流成份。
16.如权利要求14或15所述的接收机，其特征在于，接收机被用在一个GSM-或UMTS-移动无线设备中。
17.如权利要求1至6中的任一项所述的方法和/或如权利要求7至13中的任一项所述的装置在一个通信系统中用于数字中频-混频和/或频率校正的应用。
全文摘要
本发明涉及用于对信号进行频率校正的方法和电路,它们主要应用于发射机－/接收机电路。为了对复数字信号进行频率校正,借助于CORDIC－算法将信号矢量(i
文档编号H04L27/38GK1378734SQ0081408
公开日2002年11月6日 申请日期2000年10月11日 优先权日1999年10月11日
发明者宾扬, 史蒂芬·布其 申请人:英芬能技术公司