CN100433746C - 产生同步脉冲的方法、产生同步脉冲的设备和一种接收机 - Google Patents

Abstract

通过导出第一信号和第二信号并且合并第一和第二信号以便导出一个结果信号，则可获得一个表示诸如OFDM信号的一个信号中的码元边界的同步脉冲，其中：第一信号表示被OFDM码元有用部分分开的抽样的幅度之间的差值，第二信号表示抽样之间的相位差。结果信号被检查并且响应于按照一种预定方式改变的信号来产生同步脉冲。

Description

产生同步脉冲的方法、产生同步脉冲的设备和一种接收机

技术领域

本发明涉及这样一种类型的信号同步，其包括一些帧，在这些帧中，有一个保护间隔与一个有用码元周期，有用码元周期部分包含与保护间隔中的部分相对应的数据。它特别地但是非独占地涉及例如使用在傅里叶变换解调中的同步脉冲的产生，所述同步脉冲表示一个正交频分多路复用(OFDM)调制信号的码元边界。

背景技术

OFDM系统众所周知。许多技术已被用于OFDM接收机的同步。其中一些技术需要发射一个专门的同步信号。其它一些技术依赖于一个标准OFDM信号，其中，一个完整的码元包括一个”有用部分”和一个”保护空间”，所述保护空间有时被称为保护间隔、循环扩展或者循环前缀。

所述保护空间在码元有用部分前面并且包含有用部分结束处的数据的一个重复。(这等价于在有用部分之后具有一个保护空间，其包含与有用部分开始处相同的数据。)

通常，依赖于在保护空间中复制数据的那些同步技术通过在分开码元有用部分那么长距离的复合抽样之间执行一个互相关来进行操作。这样产生一个定时脉冲，该定时脉冲被使用于接收信号的傅里叶变换中。该脉冲定时使得傅里叶变换窗口只包含来自单个码元的数据。

如果定时不正确，则码间干扰(ISI)出现。可是，保护空间的使用容许脉冲定时中有某一数量的偏差同时仍然避免ISI。保护空间应该比经由不同路径接收的信号之间最长的预期扩展延迟更长。保护空间与信号的有用部分相比相对很小；典型情况下，保护空间可以包含N/32、N/16、N/8或N/4个抽样，在此，N是码元有用部分中的抽样数。

存在各种用于从互相关函数中导出同步脉冲的技术。虽然这些技术足以在通常接收条件下工作，但是也存在一些情况，在一个不希望的点处产生定时脉冲，导致ISI。

如果没有噪声或多径干扰，互相关器产生一个平均为零的输出，除了在保护空间抽样与码元有用部分的抽样互相关期间之外，它们是相等的值。在那段周期期间，互相关器产生一个高电平输出。这个高电平输出在一个码元结束和下一码元开始处终止。一种现有技术配置把相关器的输出累积，然后对结果信号进行峰值检测以便在每个码元结束处产生一个定时脉冲。在多径干扰的情况下，其中经由不同的延迟接收相同的信号，以避免ISI，应该在一个窗口期间产生同步脉冲，其中所述窗口的宽度等于信号的各个接收版本的保护空间之间的重叠。可是，互相关器将在不同接收信号版本的任何保护空间抽样的抽样正被互相关器处理的整个周期中产生一个显著的输出。在某些情况中，这将导致定时脉冲被提供到最佳窗口外部，从而导致ISI。

GB-A-2373692(在此并入以供参考)公开了旨在减轻这个问题的一种配置，它通过把相关器输出应用到一个具有短滑动平均窗口的积分器，从而更紧密地跟踪所述输出中的变化。这样，相关性输出很显著的周期(因为相关器正在处理来自接收信号版本中的保护空间抽样)被有效分割为子时间间隔，并且同步脉冲能够被提供于适当的子时间间隔中。还可以使用这样一种配置来代替一个互相关器，所述配置确定被码元有用部分的长度所分开的抽样绝对值之间的差值，如EP-A-1079579中所述(在此并入以供参考)。这避免了由于本机振荡器偏移引起的同相旋转中的变化所导致的误差。

发明内容

理想的是提供一种用于产生OFDM码元同步脉冲的改良技术。

本发明各个方面在随后的权利要求中被陈述。

根据本发明的另外一个方面，通过检查被与码元有用部分对应的周期所分开的接收信号的抽样对来导出一个同步脉冲，以便根据每一对抽样的幅度之间的关系来提供第一信号并且根据每一对抽样的相位之间的关系来提供第二信号。这两个信号被合并并且结果信号被检查，响应于以一种预定方式改变的结果信号来产生同步脉冲。

当从保护间隔和信号有用部分中的对应抽样中得到抽样对时，抽样应该具有对应的幅度与相位值。实际上，由于噪声、多径干扰、本机振荡器频率中的偏移等等，幅度和相位值可能不相等。然而，幅度之间的差值与相位之间的差值两者都应该相对较低。

另一方面，当从码元的其他部分中得到抽样时，在每一对中各个抽样的幅值和相位值之间将没有固定的关系。因此，幅度差和相位差二者都将明显不同并且平均来说两者都相对较高。

通过分别考虑幅度和相位差(而不是象许多现有技术配置一样丢弃相位信息)，使得在保护周期抽样正在被处理的周期和保护周期抽样未被处理的周期之间提供一个更清楚的区别成为可能。此外，在多径干扰情况下，当存在不同电平的ISI噪声时(正如从不同版本的信号中得到保护周期抽样那样)，可更容易地区分正在处理保护周期抽样的周期的不同子时间间隔。

在本发明的一个优选实施例中，在多径干扰情况下，每当一个单独的保护周期(对应于各个接收信号版本之一)开始或停止被处理时，结果信号都呈现电平变化。响应于检测第一电平变化来产生同步脉冲以便指示一个保护周期已经停止被处理。

优选地，幅度差与相位差信号中至少一个或者两个(优选)和相邻抽样的对应值一起被低通滤波以便降低噪声影响。这可以通过采用连续值的滑动平均来实现。优选地，相位差信号被滤波以便跟踪相对高的相位差值，由此提高在不同保护周期的抽样被处理时出现的数值之间的差值。

优选地，连续码元对应部分的信号值被滤波以便降低噪声影响。

附图说明

现在将参考附图通过示例来描述具体描述本发明的一种配置，附图中：

图1是根据本发明的OFDM接收机框图；

图2示意性地示出了一个OFDM信号上的多径干扰效应；

图3是图1接收机的同步电路框图；和

图4示出了图3电路的中值滤波器的输出示例。

具体实施方式

参见图1，OFDM接收机2包括天线4，天线4接收一个信号并把它提供给一个下变频器6，下变频器6把所述RF信号转换成一个IF信号。然后此信号被一个中频到基带转换器8转换成一个基带信号。中频到基带转换器8在它的输出端产生每个被发射的OFDM码元的复合抽样。这些复合抽样被一个模拟数字(A/D)转换器10数字化，并被传递给一个快速傅里叶变换(FFT)电路14。FFT电路14把抽样从时域转换到频域，并且在输出端将码元数据提供给一个解码器17。如果期望的话，来自A/D转换器10中的复合抽样也可以被传递给一个抽样时钟与频率同步电路18，它被用来控制被下变频器6和中频到基带转换器8使用的本机振荡器频率。可是，不需要这些反馈也可实现所述接收机。

复合抽样还被传递给一个码元同步电路20，它产生被快速傅里叶变换(FFT)电路14使用的一个同步脉冲。FFT电路14需要此同步脉冲以使每个转换操作与一个OFDM码元的开始对准。

迄今为止所述的电路可从现有技术中知晓，并且本身可以按照许多已知的方式进行修改。本发明是针对一种使用在码元同步电路20中的新颖和创造性的技术。

图2示意性地示出了一个发射信号，所述信号包括一些帧，每一帧包括包括N_g个抽样的保护间隔，这N_g个抽样后跟着形成码元有用部分的N个抽样。有用部分包括(N-N_g)个抽样，这(N-Ng)个抽样后跟随了与保护间隔中那些抽样相同的Ng个抽样。

对于一个慢衰落多径信道，该接收机将看到发射信号的许多复制，如图2所示。根据信道延迟包络，每个信号复制通过对应信道路径的复合衰减和延迟来独立地进行换算。接收信号是所有这些复制的线性叠加，产生模糊帧边界。

检查这多个复制的对准，十分清楚：一个OFDM码元的接收信号的无ISI区域存在于最后一个复制的开始点和第一复制的结束点之间。假定信道延迟扩展小于保护间隔的长度，则这个区域将可能具有一个以上的选择用于定义一个用于FFT处理的N抽样块。虽然这些块中任何一个在避免ISI噪声方面都将有效，但是优选的是把FFT窗口与从第一复制的保护间隔结束处的位置开始的抽样块同步，以使保护间隔可以被完全利用。这还在频域输出中导致最小的相位变化速率，它可能会导致更少需要后FFT均衡的努力。从这种观点看，人们可以把最佳定时同步问题等价视为估计第一路径相对于接收机内部基准时钟的时间位置的问题。

图1中的码元同步块20在图3中被详细示出。参考图3，块20从如图1所示的OFDM接收机前端的A/D转换器10中接收并处理被数字化的复合基带抽样r(k)。

复合基带输入抽样r(k)被延迟电路202延迟N个抽样周期，得到延迟的抽样r(k-N)，以便可以轻易地利用OFDM码元序列中的结构冗余度(即，事实是：形成保护间隔的分段是有用部分分段的复制)。接收信号抽样和它们的延迟版本然后被两个不同的信号处理链路处理以便在每一抽样基础上产生一个幅值特性输出信号p(k)和一个相位变化特性输出信号σ(k)，正如将要描述的。

非延迟的抽样r(k)和延迟的抽样r(k-N)被传给各自的平方电路204、206，这两个电路的输出被发送给加法器208以便从一个中减去另外一个。从一个模数电路210中导出该差值的模，模数电路210的输出被发送给一个滑动平均计算器212。幅度输出p(k)因此是接收到的抽样和被延迟若干抽样N的那些抽样的平方差值的滑动平均，在此，N对应于一个OFDM的有用部分在抽样上的长度。在一个窗口尺寸Ls(例如Ls＝5)上计算出滑动平均值，该窗口尺寸基本上比OFDM码元的保护间隔长度要小。

非延迟的抽样r(k)被传送给一个复共轭器214然后通过乘法器216与延迟的抽样r(k-N)相乘。因此，延迟的和非延迟的抽样被互相关从而隐含地估计抽样对之间的相位差。其结果然后被一个滑动平均计算器218累积，在这个实施例中滑动平均计算器218也具有一个Ls的窗口尺寸。复合输出y(k)被传给一个相角计算器220以便提取相角

(k)。正如在下面讨论的，这个相位信号被进一步处理以便产生一个输出σ(k)，该输出与相邻输出值

(k)的相位中的变化相关。

一个相位变化特性计算器222把函数Γ(φ)应用到相角

(k)以便计算一个数值，该数值表示Ls个抽样的本地窗口中的相位变化。Γ(φ)是一种操作，它计算一组抽样中的相位差并取第二大的差值作为它的输出，即：

σ_k＝Γ_k(φ)＝max{trimmed_max{|φ_k-φ_k+j|}}，j＝-L_s/2，...，L_s/2.    (1)

在这里，(1)中的表达式|φ_k-φ_j|表示采用两个角度值之间的最短距离运算(即，消除任何额外的2π值以便获得比π更小的一个绝对值)，trimmed_max{}表示在输入集中去除(删掉)最大的数值成分。最大的数值成分被忽略以便减少由于噪声异常引起的误差可能性，即减轻偶然异常的效果。可是，这不是必要的；函数Γ(φ)能够改为计算最大相位变化值。

当不处理从保护空间中得到的抽样时，相位差将在高低值之间显著浮动。通过跟踪较高值，即有效忽略任何罕有的瞬态低值，函数Γ(φ)将产生一个输出，该输出与处理从保护空间得到的抽样时的输出相比较甚至更明显。此外，正如将在下面示出的，通过对于以位置k为中心的一个给定本地区域给出相位校准的一个数量表示，则当保护空间抽样正被处理时的周期内的输出值将取决于ISI噪声程度而趋向于呈现不同的特性。

可是，应当指出，也可使用其它函数。例如，Γ(φ)可以计算平均相位差值。

还应当指出：因为这种方式使用了相位角度，所以

(k)的计算不需要非常精确。这在实施方面有好处，因为可以使用一个中等尺寸的查找表来代替一个获取相角值的相位计算设备。

幅度相关信号p(k)和相位变化相关信号σ(k)将被乘法器224合并以便产生z(k)。值得注意的是：信号z(k)是实数值并且包含与原始复数值的基带抽样对r(k)和r(k-N)相关的信息。因为信号z(k)是实数而不是复数，所以后续电路组件被简化。

一个IIR(无限脉冲响应)滤波器块226(系数为α和β)被应用到信号z(k)，用于产生一个滤波输出v(k)＝β*v(k-N₈-N)+α*z(k)，在此，α＝1-β，N_g是抽样中的保护间隔长度。通过滤波器226的延迟电路228获得的N_g+N个抽样的延迟长度是一个OFDM码元整个抽样序列的长度，由于该延迟长度，所以在每一抽样每一码元的基础上进行IIR滤波。

然后，信号v(k)接着在长度为Lm(例如Lm＝5)的中值滤波器230中被进一步处理以便产生一个输出u(k)。与传统的低通滤波器相比，一个中值滤波器除了消除噪声之外，还具有保持输入信号中的陡沿的期望特性。同样，滤波器窗口尺寸Lm应该很小，并且，如果不等于Ls的话，也是可与Ls相比的一个数值。所述中值滤波器操作可以被描述为：

u_k＝mid{v_k+j}，j＝-L_m/2，...，L_m/2            (2)

中值滤波器简单地利用块中的中值或中间的值来代替一个抽样块。

可以以下列方式实现所述中值滤波器。存储器块存储接收到的最后Lm个抽样。每个新抽样被加到此存储器中，代价是最老的那个抽样，最老的抽样被从所述窗口或块中去掉。整个总数然后需要被排序，使用一种“冒泡排序”可实现之。优选地，存储器不仅存储抽样值而且还存储表示它年龄的一个数值。当一个新的抽样被接收时，当前储存的最老的抽样被删除。释放出来的空间被用来允许剩余抽样向上或向下移位一个位置以便允许那个新的抽样被插入到它在该数字次序中的正确位置去。这样，抽样总数在任何时候都以数字次序被储存。那么，所述中值很简单就是列表中间的数值。当然，其它排序法也可用来改善效率。

图4示出了在一个时间间隔期间中值滤波器230的输出示例，在所述时间间隔中，系统正在处理已经经历不同延迟的多个接收信号的保护周期码元，即：当码元结束处的复制抽样正被接收并与延迟的保护周期抽样一起被处理时。纵轴表示任意单元中该中值滤波器输出的幅度，横轴表示抽样数。

应当指出：最初，波形采用一个相对高的电平，它在如虚线所示的一个平均电平周围变化(由于数据内容的任意性质，噪声等等引起)。可是，一旦第一接收信号版本中的复制抽样被处理，则信号电平显著下降以使它在用2表示的一个低电平周围变化。当下一接收信号版本的复制码元出现时，电平仍然下降，如3所示。同样地，当第三信号版本的复制码元出现时，水平下降为如4所示那样。

应当指出：电平在周期2期间显著浮动，但是在周期3和4中浮动较小。这是因为在连续的电平处ISI噪声有一个逐渐降低的程度，并且，由于函数Γ(φ)，一个增加的噪声将趋向于使输出值中产生更大的摆动。信号特性中的这个差值是除了平均信号电平中的差值之外的。

在第一信号版本中的复制抽样结束之后，信号电平增加到5所示的电平。同样地，在其它接收信号版本中的复制码元序列结束之后，发生其他信号电平的增加，直到信号达到级6，此时电平再一次采用如虚线所示的平均值。

因此，如图所示，在感兴趣区域中，波形在多电平波谷的两边呈现双肩。图4所示波谷的第一上升沿对应(正如在上面所讨论的)出现同步信号的最佳点。

因此，从帧观点来看，信号u(k)具有一个理想的特性：它最深的凹口出现在这样一个区域，该区域指示了在保护间隔中受ISI影响最少的r(k)抽样的位置。一个最小值检测器232(图3)通过确定信号u(k)的最小值u_min和最小点k_min的索引值来利用这个特性。这些然后被用于分别设置一个自适应门限值和一个搜索起始点，以查找信号u(k)的下一上升沿。按照一个线性公式计算自适应门限值δ₁(u_min)：

δ₁(u_min)＝λ*u_min+η                                (3)

在此，λ是一个数值在1.25周围的常数增益，η是一个固定偏移，它最好大约是肩区域中的平均值的5％(图4)。虽然在一个自适应方法中这些参数也能够在线调整，但是把它们设想作为系统设计的一部分而进行确定。

一个边缘检测器234包括一个电平交叉检测器和一个被实现为FIR(有限脉冲响应)滤波器的微分器。通过在索引升序方向上从最小值位置k_min开始的一个搜索操作来确定同步点。更明确地说，同步点k_sync是k的最小值，对于它：

(a)超过自适应门限值，即u_k＞δ₁(u_min)，和

(b)在紧跟着位置k的一个周期中的数值通常比刚好在位置k前面的周期中的那些数值大至少某一数量，即

$\underset{j=1}{\overset{2L_s}{\mathrm{\Σ}}}{u}_{k+j}-\underset{j=1}{\overset{2L_s}{\mathrm{\Σ}}}{u}_{k-j}>{\mathrm{\δ}}_2,k=k_{\min }+1,...$

在此，δ₁(u_min)是经由方程式(3)获得的自适应门限，δ₂是一个固定门限值。这个k_sync索引值指向N抽样数据块的开始位置，其受ISI污染最少并且它现在可以被使用作为表示OFDM码元FFT窗口开始的同步脉冲。

应当指出：条件(b)意味着只有在信号u(k)已变成相对稳定之后，而不是在高ISI噪声周期期间，才可以定位同步点。这个条件理想的是包括检查点k之前和之后的检查周期，这些周期与L_s相比相对长，但是基本上仍然比保护间隔短。

各个滤波器212、218、222、226、230的性质和位置可以以多种形式来达到类似效果。在抽样方向上动作的那些滤波器212、218、222和230实际上是低通滤波器，但是应该确保它们全部都具有一个有效时间常数，此有效时间常数基本上比保护周期短以便允许中值滤波器230(同步脉冲从该中值滤波器230中被导出)的输出在正处理保护周期抽样的时间期间在若干循环上显著浮动。因此，以这样一种方式确定设备的滤波和处理参数，以使相对于保护间隔而很好地规定通过该处理所提取的特性。

已经在一个OFDM接收机的环境下描述了本发明，其中：同步脉冲被用来规定执行快速傅里叶变换的抽样窗口。可是，本发明也可用于需要表示码元边界的同步脉冲的其他情况中。例如，在不执行完整FFT解调的中继器中，这样一个脉冲也会很重要。

虽然已在多载波信号(特别是OFDM信号)环境下描述了本发明，但是它也适用于诸如SC-FDE(单载波频域均衡器)信号之类的单载波信号中。

在此描述的功能元件可以在专用硬件中实现或者以软件的形式实现。

Claims (10)

1.一种产生同步脉冲的方法，所述同步脉冲表示包括由保护空间分开的有用码元周期的一个信号中的码元边界，在每个保护空间中的数据对应于相应有用周期中的部分数据，所述方法包括：通过根据每对抽样的幅度之间的关系来导出第一信号，根据每对抽样的相位之间的关系来导出第二信号，由此处理接收信号的抽样对，所述接收信号的抽样对被与码元有用部分相对应的一个周期分开，合并第一和第二信号，并且响应于检测到结果信号中的一个变化来产生同步脉冲，所述变化对应于经历各自不同的延迟的该信号多个信号版本的第一个信号版本的保护空间数据的处理终止。

2.权利要求1的方法，包括如下步骤：对第一信号进行低通滤波以便降低连续抽样对的第一信号值中的变化。

3.权利要求1的方法，包括如下步骤：对第二信号进行低通滤波以便降低连续抽样对的第二信号值中的变化。

4.权利要求1的方法，其中所述第二信号表示相位差的高和低的值，所述方法包括如下步骤：通过跟踪相位差高的值来对第二信号进行滤波。

5.权利要求1的方法，包括如下步骤：把一个滤波器应用到结果信号上，以便将结果信号的数值与不同码元对应部分的数值合并，并且从滤波后的结果信号中导出同步脉冲。

6.权利要求1的方法，包括：在导出同步脉冲之前使结果信号经历中值滤波器。

7.权利要求1的方法，包括导出第一、第二和结果信号，以使结果信号在远比保护空间更短的时间间隔中浮动。

8.权利要求1的方法，当被使用时，用于产生表示OFDM信号中的一个码元边界的同步脉冲。

9.一种产生同步脉冲的设备，所述同步脉冲表示包括由保护空间分开的有用码元周期的一个信号中的码元边界，在每个保护空间中的数据对应于相应有用周期中的部分数据，所述设备包括：处理装置，用于处理接收信号的抽样对，所述接收信号的抽样对被与码元有用部分相对应的一个周期分开，所述处理装置包括通过根据每对抽样的幅度之间的关系来导出第一信号，和根据每对抽样的相位之间的关系来导出第二信号的装置，和用于合并第一和第二信号的装置，所述设备还包括：响应于检测到结果信号中的一个变化来产生同步脉冲的装置，所述变化对应于经历各自不同的延迟的该信号多个信号版本的第一个信号版本的保护空间数据的处理终止。

10.一种接收机，它包括用于接收和解调信号的装置，所述接收机包括如权利要求9所述的设备。

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