BRPI0902026A2

BRPI0902026A2 - receptor e método para receber sinal digital

Info

Publication number: BRPI0902026A2
Application number: BRPI0902026-8A
Authority: BR
Inventors: Juan Xiang; Li Zou
Original assignee: Thomson Licensing
Priority date: 2008-06-30
Filing date: 2009-06-29
Publication date: 2010-04-13
Also published as: CN101621491B; KR101608530B1; EP2141875B1; EP2141875A1; US8433007B2; KR20100003209A; JP5553544B2; EP2141877A1; CN101621491A; JP2010016820A; US20100034300A1

Abstract

RECEPTOR E MéTODO PARA RECEBER SINAL DIGITAL. A presente invenção apresenta um receptor para receber sinais digitais que incluer quadros com um preâmbulo cíclico com modulação binária, o qual compreende: um dispostivo para correlacionar pelo menos parte de um primeiro preâmbulo cíclico em um primeiro quadro e pelo menos parte de um segundo preâmbulo cíclico em um segundo quadro e par determinar um deslocamento de frequência de portadora com base na correlação.

Description

"RECEPTOR E MÉTODO PARA RECEBER SINAL DIGITAL"

CAMPO DA INVENÇÃO

A presente invenção refere-se em geral a um receptor e um método para recebersinal digital e, mais especificamente, a um receptor e um método para recuperar a freqüên-cia da portadora no sistema de comunicação digital.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

Em um sistema de comunicação ou difusão digital, devido à influência do desloca-mento de Freqüência Doppler e ao erro de portadora local, a freqüência do sinal recebidoserá deslocada. O deslocamento da freqüência provocará uma rotação de fase adicional dosinal recebido, que fará deteriorar seriamente o desempenho do receptor.

Especialmente na tecnologia de modulação com várias portadoras utilizada em umsistema de transmissão de Multiplexação por Divisão de Freqüência Ortogonal (OFDM), quedivide um fluxo de dados de taxa alta em vários fluxos de taxa mais baixa a serem transmiti-dos simultaneamente através de várias sub-portadoras, um deslocamento de freqüência deportadora introduzirá a Interferência Inter-Portadora (ICI), reduzindo a ortogonalidade dassub-portadoras. Portanto, os sistemas OFDM são muito sensíveis ao deslocamento da fre-qüência de Portadora. O problema é importante no que se refere à qualidade percebida peloconsumidor em um receptor orientado para o consumidor baseado na tecnologia OFDM.

Quanto à estimação do deslocamento da freqüência em um sistema OFDM tradi-cional baseado nos Padrões de Difusão de Meios Terrestres Digitais, ela usualmente incluiráduas partes: um deslocamento de freqüência de número inteiro (IFO, múltiplo do intervalo^entre as sub-portadoras) e um deslocamento de freqüência fracionário (FFO, menor quemetade do intervalo entre as sub-portadoras). O IFO pode ser determinado através de corre-lação cruzada com a utilização pilotos no domínio da freqüência, enquanto o FFO pode serdeterminado através de auto-correlação com a utilização de prefixos cíclicos no domínio dotempo.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

De acordo com um aspecto da invenção, é apresentado um receptor para recebersinais digitais que incluem quadros com um preâmbulo cíclico com modulação binaria, oqual compreende: um dispositivo para correlacionar pelo menos parte de um primeiro pre-âmbulo cíclico em um primeiro quadro e pelo menos parte de um segundo preâmbulo cíclicoem um segundo quadro e para determinar o deslocamento da freqüência de portadora combase na correlação.

A invenção também diz respeito a um método para receber sinais digitais que inclu-em quadros com um preâmbulo cíclico com modulação binaria, o qual compreende: correla-cionar pelo menos parte de um primeiro preâmbulo cíclico em um primeiro quadro e pelomenos parte de um segundo preâmbulo cíclico em um segundo quadro e determinar o des-locamento da freqüência de portadora com base na correlação.

DESCRIÇÃO RESUMIDA DOS DESENHOS

A Figura 1 é um diagrama que mostra uma estrutura de quadros exemplar da técni-ca anterior de um símbolo OFDM de acordo com uma primeira modalidade da invenção;

A Figura 2 é um diagrama esquemático que mostra uma Modelação de Desloca-mento de Freqüência em um sistema de comunicação de acordo com a primeira modalidadeda invenção;

A Figura 3 é um diagrama de blocos de dispositivos de recuperação de freqüênciade portadora no receptor OFDM mostrado na Figura 2 de acordo com a primeira modalidadeda invenção;

A Figura 4 é um diagrama que compreende uma estrutura de quadros exemplar deum símbolo OFDM e utilizada para explicar parte do processo de acordo com a primeiramodalidade da invenção;

A Figura 5 é um fluxograma que mostra o procedimento de recuperação da fre-quência de portadora de acordo com a primeira modalidade da presente invenção;

A Figura 6 é um diagrama que mostra um deslocamento de freqüência de portadoraestimado em um ambiente de simulação de acordo com a modalidade da Figura 5;

A Figura 7 é uma estrutura de quadros exemplar de um símbolo OFDM de acordocom uma segunda modalidade da invenção;

A Figura 8 é uma estrutura de quadros exemplar para explicar a correção do retar-do de rotação de fase de acordo com a modalidade da Figura 8; e

A Figura 9 é um diagrama de blocos de dispositivos de recuperação de freqüênciade portadora no receptor OFDM de acordo com a segunda modalidade da invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA DAS MODALIDADES PREFERIDAS

Uma descrição será agora apresentada com referência às figuras anexas para mos-trar as vantagens e características da presente invenção, de acordo com diversas caracte-rísticas da presente invenção, de acordo com diversas modalidades ilustrativas da presenteinvenção.

A Figura 1 é um diagrama que mostra uma estrutura de quadros exemplar da técni-ca anterior de um símbolo OFDM de acordo com uma primeira modalidade da invenção.Conforme mostrado na Figura 1, a estrutura de quadros OFDM inclui uma área de símbolosOFDM, que é o símbolo efetivo dos dados a serem transmitidos e uma área de Intervalo deProteção (Gl) inserida antes do símbolo OFDM. O Gl inserido pode ajudar a suprimir a Inter-ferência Inter-Símbolo (ISI) que é gerada por reflexões de multipercurso superpostas. Maisespecificamente, o intervalo de proteção é escolhido como sendo mais longo que o retardode multipercurso esperado, de modo que os componentes de multipercurso de um símbolonão interfiram com o símbolo seguinte. O Gl pode ser também utilizado para recuperar afreqüência de portadora no receptor OFDM.

Em determinados aplicativos, como o DVB-T, por exemplo, o Gl compreende umPrefixo Cíclico (CP), que consiste nos mesmos dados OFDM da última parte do símboloOFDM correspondente. De acordo com a presente modalidade da invenção, o CP é substi-tuído por uma seqüência de Pseudo-Ruído (PN), que tem um espectro semelhante a umaseqüência aleatória de bits, mas é gerada de maneira determinística. Por exemplo, durantea transmissão em canais, a seqüência PN é convertida em um símbolo binário não zero a-través do mapeamento de um valor de 0 bit em um valor de +1 e de um valor de 1 bit em umvalor de -1. Além da seqüência PN, outro preâmbulo cíclico com modulação binaria pode sertambém utilizado para cada quadro.

A Figura 2 é um diagrama esquemático que mostra a Modelação de Deslocamentode Freqüência em um sistema de comunicação de acordo com a modalidade da invenção.

Na Figura 2, o transmissor 100 envia o sinal OFDM s(k) ao receptor 200 através da trans-missão de multipercurso 105, e em seguida o sinal r(k) será recebido no receptor 200 depoisque diversos ruídos nos canais são adicionados ao sinal. A transmissão do sinal pode serexpressa como a equação 1 seguinte:

<formula>formula see original document page 4</formula>

O símbolo '*' representa uma convolução, h é a influência do multipercurso sobre osímbolo, n(k) e n' (k) representam ruído gaussiano. Além disto, um deslocamento de fre-quência de Portadora será provocado durante a transmissão. Para simplificar e sem perdade generalização, supõe-se que h=1, o que significa que o canal é apenas um canal de Ruí-do Gaussiano Branco Aditivo (AWGN).

A Figura 3 é um diagrama de blocos de um módulo de recuperação de freqüênciade portadora 309 em um receptor OFDM 200, conforme mostrado na Figura 2, de acordocom a modalidade da invenção. O dispositivo de recuperação de freqüência de portadora300 inclui um retardador 305, uma unidade de conjugado complexo 310, um multiplicador315, um correlacionador 320, um estimador de fase 325 e uma unidade de compensação defreqüência de portadora 330.

O sinal r(k) recebido no receptor 200 é introduzido no dispositivo de recuperação defreqüência de portadora 300. Aqui, o dispositivo de recuperação de freqüência de portadora300 utiliza pelo menos parte de um intervalo de proteção PN, que é o sinal r(k), e pelo me-nos parte de outro intervalo de proteção PN, que é o sinal r(k+L), para recuperar a freqüên-cia de portadora. Aqui, as duas partes são selecionadas a partir de um intervalo de proteçãode dois quadros diferente e podem ter um ponto de partida diferente com relação ao respec-tivo quadro, isto é, o r(k) pode ser iniciado a partir do mésm° dado do intervalo de proteção, eo r(k+L) pode começar do nésimo dado do outro intervalo de proteção. O retardador 305 poderetardar a entrada em um intervalo de retardo predeterminado L de modo a obter o sinalr(k+L). A determinação do intervalo de retardo L será descrita em detalhe mais adiante.

A unidade de conjugado complexo 310 é adaptada para fornecer um conjugadocomplexo r*(k) do sinal r(k) recebido. Em seguida, o multiplicador 315 multiplica o r(k) re-tardado, isto é, r(k+L), com a conjugado complexo r\k) do sinal r(k). O correlacionador 320é adaptado para fornecer um valor de correlação de N amostras com o intervalo de retardopredeterminado L acima. Em seguida, o estimador de fase 325 pode obter um deslocamentode freqüência de Portadora OF de acordo com o valor de correlação transmitido do correla-cionador 320. De modo a recuperar a freqüência de portadora, a unidade de compensaçãode freqüência de portadora 330 compensa o deslocamento OF com relação à portadora, istoé, 0F será multiplicado pelo sinal de portadora de modo a recuperar a freqüência de porta-dora. O processo será descrito em detalhe de acordo com a estrutura de quadros mostradana Figura 4.

A Figura 4 é uma estrutura de quadros exemplar de um símbolo OFDM que seráutilizada para explicar o processo de correlação de acordo com a modalidade da invenção.Na modalidade, duas seqüências PN em dois quadros OFDM adjacentes são utilizadaspara determinar o deslocamento de fase, de modo que o intervalo de proteção predetermi-nado L possa ter o comprimento de um quadro, isto é, o comprimento da seqüência PN adi-cionado ao comprimento do símbolo OFDM. De acordo com a modalidade, o sinal r(k) rece-bido com deslocamento de freqüência de portadora na primeira seqüência PN pode ser ex-presso da seguinte maneira:

<formula>formula see original document page 5</formula>

O sinal r(k+L) recebido com deslocamento de freqüência de portadora na segundaseqüência PN pode ser expresso da seguinte maneira:

<formula>formula see original document page 5</formula>

O sinal r(k+L) é armazenado no retardador 305, que retarda o sinal na segunda se-qüência PN. Em seguida, no multiplicador 315, o sinal r(k+L) é multiplicado pelo conjugadocomplexo do sinal r(k) obtido da unidade de conjugado complexo 310, e o resultado étransmitido para o correlacionador 320. O cálculo no multiplicador 315 pode ser expresso daseguinte maneira:

<formula>formula see original document page 5</formula>

Em seguida, o correlacionador 320 calcula a correlação da primeira seqüência PNdo primeiro quadro com a segunda seqüência PN do segundo quadro da seguinte maneira:

<formula>formula see original document page 5</formula>N é o número de amostra na seqüência PN, e

A(k) é um número com valor real positivo, que pode ser expresso como A. Aqui, oquadrado do sinal é utilizado para eliminar a influência do símbolo PN sobre a fase. Note-seque as duas partes de um intervalo de proteção PN aqui podem ser qualquer parte no inter-valo de proteção. De preferência, a mesma parte em dois intervalos de proteção será sele-cionada de modo a se eliminar a influência da transmissão de multipercurso.

A partir da equação E5 acima, o estimador de fase 325 obtém o deslocamento defreqüência de portadora Af que é necessário remover de uma portadora para se recuperar afreqüência da portadora;

Embora a modalidade acima utilize duas seqüências PN em quadros adjacentes demodo a obter o deslocamento de fase, qualquer par de seqüências PN em dois quadros di-ferentes pode ser utilizado. Ou seja, o intervalo de retardo L pode ser o comprimento de doisquadros ou mais, e tal correlação é chamada de correlação inter-quadro.

A Figura 5 é um fluxograma que mostra o procedimento de recuperação de fre-quência de portadora de acordo com a modalidade mostrada na Figura 4. Na etapa S501, osinal r(k) na primeira seqüência PN em um quadro é recebido no receptor 200, e em seguidao sinal recebido é retardado em um intervalo de retardo L na etapa S502. Na etapa 503, osinal retardado r(k+L) é multiplicado pelo conjugado complexo do sinal recebido r(K) na se-gunda seqüência PN em outro quadro. Na etapa 504, r)k) e r(K+L) nas duas seqüências sãocorrelacionados, e na etapa 505 um deslocamento de fase é obtido do resultado da correla-ção. No final, a freqüência da portadora pode ser recuperada removendo-se o deslocamentode freqüência do sinal recebido na etapa 506.

A Figura 6 é um diagrama que mostra um deslocamento de freqüência de portadoraestimado em um ambiente de simulação de acordo com a modalidade da Figura 5. Esteambiente de simulação é um sistema de Difusão de Meios Terrestre Digital (DTMB), queutiliza a OFDM como uma tecnologia básica. O Intervalo de Proteção inclui 420 amostras deuma seqüência PN, isto é, o número de amostra N nas equações acima é 420. O intervaloentre quadros, que é o comprimento do quadro que inclui o comprimento da seqüência PN edo símbolo OFDM é de 4200 amostras. O tamanho de FFT é 3780 e a freqüência de amos-tragem é de 7,56 MHz.

Nesta simulação, o intervalo de retardo corresponde à duração de 8400 amostras.Isto significa que são utilizadas duas seqüências PN com afastamento mútuo de dois qua-dros. Um ruído que pode provocar um Deslocamento de Freqüência de Portadora de 170KHz é introduzido no sinal transmitido para simular o ambiente de canal. O deslocamento defreqüência de portadora estimado pode ser visto na Figura 6. Ela mostra que, de acordocom a presente modalidade da invenção, a precisão da estimação é muito elevada, de modoque a precisão da estimação é muito pequena, e pode até ser omitida. Uma vez que o des-locamento estimado é muito pequeno, apenas um único valor de freqüência de portadora1,7*105 KHz pode ser visto na Figura 6 de acordo com a resolução da simulação, de modoque a faixa do deslocamento estimado é inferior a 0,0001 KHz.

Realmente, a precisão da estimação é aumentada com o aumento do intervalo deretardo L. Entretanto, a extensão de retardo provocará um longo retardo de cálculo e umlongo retardo de recuperação de portadora. Portanto, o intervalo de retardo L pode ser sele-cionado pelos versados na técnica de acordo as exigências do sistema de comunicação.

Na modalidade acima, seqüências PN idênticas estão presentes em cada intervalode proteção de cada quadro OFDM. Na prática, podem ser utilizados intervalos de proteçãoPN com rotação de fase. Girar em fase uma seqüência PN consiste em deslocar a seqüên-cia em bits antes de modulá-la em suas portadoras. Um bit deslocado de uma seqüência éreinserido no início da seqüência para se manter a natureza aleatória da seqüência. Isto émostrado na Figura 7. A Figura 7 é uma estrutura de quadros exemplar de um símboloOFDM de acordo com uma segunda modalidade da invenção, em que a seqüência depseudo-ruído PN1 é "01101110", enquanto a seqüência de pseudo-ruído PN2 de um segun-do símbolo é "00110111", isto é, deslocada em um bit comparada com a seqüência anterior.Se a estimação da freqüência de portadora das modalidades acima utiliza intervalos entresinais no mesmo local de dois intervalos de proteção (isto é, r(k) e r(k+L) embora o conteúdodestes intervalos não seja o mesmo, a precisão da estimação será prejudicada em um am-biente de canal de multipercurso.

A Figura 8 é uma estrutura de quadros exemplar para explicar a influência de umcanal de multipercurso sobre a estimação da freqüência de portadora de acordo com a se-gunda modalidade. Na Figura 8, um canal de dois percursos de sinal é usado como um e-xemplo que mostra um canal equivalente em banda base utilizado para emulação e é com-posto de dois percursos de sinal com amplitude complexa A1 e A2.

No primeiro símbolo OFDM, suponha-se que

s(k) = p(m), s{k -r) = p{n),

e no segundo símbolo OFDM,

s(k + L) = p(m + L), s(k + L-r) = p(n+L).

Então, os sinais r(k) e r(k+L) recebidos serão:

<formula>formula see original document page 7</formula>

e

<formula>formula see original document page 7</formula>

Suponha-se que s(k) = p{m), s{k -r) = p(n)

Devido à modulação binaria do código PN, p(x) = 1 ou (-1)). Se houver uma rotaçãode fase nos dois intervalos de proteção PN, então:

p{rri) p{n) = -p{m+L) p{n + L)

Utilizando-se o cálculo de correlação em E5

<formula>formula see original document page 8</formula>

Do exposto acima, quando houver uma rotação de fase nos dois intervalos de pro-teção PN, uma vês que a equação acima inclui uma parte complexa

<formula>formula see original document page 8</formula>

0 deslocamento de freqüência estimado terá o seguinte deslocamento adicional causado pelo canal de multipercurso:

<formula>formula see original document page 8</formula>

Na segunda modalidade, os códigos PN em cada intervalo de proteção de quadrovariarão e serão ligeiramente deslocados de um para o seguinte. Esta característica podeser utilizada na execução de uma Correlação de Retardo com Rotação de Fase. Mais espe-cificamente, as amostras de um intervalo de proteção PN utilizado para calcular a freqüênciade portadora garantirão que

p{m)p{n) = p(m + L)p(n + L) (E9)

Se a E9 acima for satisfeita, o ponto de partida da estimação, isto é, se os mesmossinais em dois intervalos de proteção PN tiverem sido encontrados, então a rotação de fasepode ser corrigida e a parte complexa na E8 será eliminada. Em um sistema com um inter-valo de proteção PN com rotação de fase, utilizando-se a equação 9 acima, os mesmos si-nais podem ser obtidos antes da estimação do deslocamento de freqüência de portadora, demodo que a resolução da estimação da freqüência da portadora pode ser aperfeiçoada.

A Figura 9 é um diagrama de blocos do dispositivo de recuperação de freqüênciade portadora no receptor OFDM de acordo com a segunda modalidade da invenção. Na Fi-gura 9, um deslocador 901 é adicionado para completar o deslocamento do intervalo de pro-teção PN para obter o mesmo sinal. O deslocamento pode ser aplicado a um dos dois inter-valos de proteção PN, ou a ambos. Note-se que o cálculo da equação 9 é efetuado antes dodeslocamento e não é mostrado na Figura 9. Após o processo do deslocador 901, o proces-so e os módulos do dispositivo de recuperação de freqüência de portadora 900 serão osmesmos que os da Figura 3.

Embora as modalidades da invenção sejam descritas com base em um sistemaOFDM que inclui um símbolo OFDM com intervalo de proteção PN, os versados na técnicapodem adaptar a invenção a outros ambientes utilizando qualquer preâmbulo cíclico commodulação binaria.

Tal preâmbulo cíclico é freqüentemente combinado com uma área de dados efetivade cada quadro para ajudar a recuperação da freqüência e síncrona em fase, e localizadoem cada quadro de sinais digitais periodicamente em ordem, tal como a repetição do mes-mo código PN.

Embora as Figuras 3 e 9 representem um diagrama de blocos possível para imple-mentar a modalidade descrita, outras implementações podem ser feitas. Em particular, osdiferentes itens das Figuras 3 e 9 podem ser implementados em hardware ou software, e osdiferentes blocos funcionais das Figuras 3 e 9 podem ser combinados ou divididos, confor-me exigido por uma aplicação específica.

O exposto acima meramente ilustra as modalidades da invenção e, portanto, deve ficar entendido que os versados na téc-nica poderão conceber numerosas disposições alternativas, as quais, embora não descritasexplicitamente aqui, corporificam os princípios da invenção e estão dentro do seu espírito ealcance.

Claims

1. Receptor para receber sinais digitais que incluem quadros com um preâmbulo cí-clico com modulação binaria, CARACTERIZADO por compreender:um dispositivo (320, 325) para correlacionar pelo menos parte de um primeiro pre-âmbulo cíclico em um primeiro quadro e pelo menos parte de um segundo preâmbulo cíclicoem um segundo quadro e para determinar um deslocamento de freqüência de portadoracom base na correlação.

2. Receptor, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de queo preâmbulo cíclico com modulação binaria é um intervalo de proteção, e o intervalo de pro-teção contém uma seqüência de pseudo-ruído.

3. Receptor, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, CARACTERIZADO pelo fato deque o dispositivo (320, 325) para correlacionar e determinar compreende:um correlacionador (320) para correlacionar o preâmbulo cíclico, eum estimador de fase (325) para determinar o deslocamento de freqüência de por-tadora do sinal recebido de acordo com a correlação do correlacionador (320).

4. Receptor, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes,CARACTERIZADO pelo fato de que a pelo menos parte dos dois preâmbulos cíclicos incluios mesmos dados com modulação binaria.

5. Receptor, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes,CARACTERIZADO por compreender também um deslocador (901) para deslocar pelo me-nos um dos dois preâmbulos cíclicos de modo a obter os mesmos dados com modulaçãobinaria quando as fases dos dois preâmbulos cíclicos estão deslocadas uma com relação àoutra.

6. Receptor, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes,CARACTERIZADO por compreender também uma unidade de compensação de freqüênciade portadora (330) para compensar o deslocamento da freqüência de portadora com o sinalrecebido.

7. Receptor, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes,CARACTERIZADO pelo fato de que o primeiro preâmbulo cíclico e o segundo preâmbulocíclico são de dois quadros sucessivos, respectivamente.

8. Método para receber sinais digitais que incluem quadros com um preâmbulo cí-clico com modulação binaria, CARACTERIZADO por compreender:correlacionar pelo menos parte de um primeiro preâmbulo cíclico em um primeiroquadro e pelo menos parte de um segundo preâmbulo cíclico em um segundo quadro e de-terminar um deslocamento de freqüência de portadora com base na correlação.

9. Método, de acordo com a reivindicação 8, CARACTERIZADO pelo fato de que opreâmbulo cíclico com modulação binaria é um intervalo de proteção, e o intervalo de prote-ção contém uma seqüência de pseudo-ruído.

10. Método, de acordo com a reivindicação 8 ou 9, CARACTERIZADO pelo fato deque a pelo menos parte dos dois preâmbulos cíclicos inclui os mesmos dados com modula-ção binaria.

11. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 a 10,CARACTERIZADO por compreender também deslocar pelo menos um dos dois preâmbuloscíclicos de modo a obter os mesmos dados com modulação primária quando as fases dosdois preâmbulos cíclicos estão deslocadas uma com relação à outra.

12. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 a 11,CARACTERIZADO por compreender também compensar o deslocamento da freqüência deportadora com o sinal recebido.

13. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 a 12,CARACTERIZADO pelo fato de que o primeiro preâmbulo cíclico e o segundo preâmbulocíclico são de dois quadros sucessivos, respectivamente.