CN100589472C - 用于fdm信号的数字发生器和数字接收器 - Google Patents

Abstract

本发明的一方面涉及用于多载波频分复用(FDM)信号的数字发生器。该数字发生器包括在计算机程序的控制下运行的电子电路。该数字发生器被配置为生成包含FDM符号的FDM信号，其中至少一个FDM符号具有在频率上非等间隔的导频符号。本发明的另一方面涉及用于多载波FDM信号的数字接收器。该数字接收器包括在计算机程序的控制下运行的电路，并且还包括用于解调数字多载波FDM信号的解调器，所述信号包括具有导频符号的FDM符号，至少一个FDM符号的导频符号在频率上是非等间隔的。此外，该数字接收器包括信号修正单元，所述单元被配置为在子载波的基础上用导频符号替换至少一个数据符号，藉此该替换得到导频符号的间隔，该间隔对于所有FDM符号在频率上是等距的。

Description

用于FDM信号的数字发生器和数字接收器

技术领域

本发明一般地涉及使用多载波传输的通信系统，特别地，本发明涉及用于多载波频分复用(FDM)信号的数字发生器和数字接收器。

背景技术

使用多载波传输的电信系统是众所周知的。其使用多个电磁载波来传输信息，该多个电磁载波也称为子载波。例如根据数字音频广播标准(DAB)运行的数字用户线(DSL)调制器或系统。在这些例子中，传输是基于正交频分复用(OFDM)的。

最近，已经讨论使用用于蜂窝移动无线通信的多载波电信系统。像在所有的蜂窝电信系统中那样，这引起对干扰问题的关注。因为在蜂窝系统中，在某些距离内重用类似频率或码这样的资源，所以信号接收可能会由于干扰而失真。

发明内容

考虑这种相关技术，本发明的实施例的目的是提供用于多载波频分复用(FDM)信号的数字发生器和数字接收器，其中这些信号具有一定的自由度，在蜂窝电信系统中这些信号可以在某些距离内重用。

通过本发明的数字发生器和数字接收器的特征实现了该目的。本发明的其他实施例还描述了其他特征。

本发明的第一方面涉及用于多载波频分复用(FDM)信号的数字发生器。该数字发生器包括在计算机程序的控制下运行的电子电路。该电子电路适合于生成包括FDM符号的数字FDM信号，其中至少一个FDM符号具有在频率上非等距间隔的导频符号。

在本描述中，应该将子载波理解为具有在某一频带内的频率的电磁波。使用每个子载波在被称为符号的单元内向用户传输信息。子载波具有不同的频率，并且电信系统是频分复用(FDM)系统，例如OFDM系统。涉及用户信息(例如诸如文本数据或语音数据之类的用户数据)的符号被称为数据符号。系统为了正确传输信息而需要的其他信息被包含在导频符号中，该导频符号通常缩写为“导频”。导频符号被多载波系统使用来完成信道估计，即确定所需信号的信道转移函数的过程。在信道转移函数的帮助下，可以从接收的信号中得到所传输的信息。

多载波信号中的导频符号和数据符号的排列或图案由时间频率映射来管理，此处将时间频率映射缩写为TF映射。TF映射限定了数据符号和导频符号在时间和频率上的位置。该频率是子载波的频率，在很多情况下其是由规范或产业标准所确定的。传输时间被细分为固定长度的时隙，例如在OFDM的情况下是2ms。时隙，在OFDM的情况下也称为TTI(传输时间间隔)被用来传输数据符号和导频符号。于是，在频率上的非等距间隔意味着所关联的FDM符号，例如OFDM符号，在两个(相邻的)导频符号之间具有可变数目的数据符号。同样地，在带有导频符号的两个子载波之间也存在可变数目的子载波。

本发明的所述第一方面的数字发生器提供具有可选导频图案的多载波信号。出于传输目的实际所选的导频图案取决于多载波电信系统的需求。数字发生器可以使得能够为这种系统的不同小区提供不同的导频图案。在其导频图案的帮助下，可以使用该自由度来区分信号。

导频图案代表了自由度，其可被蜂窝电信系统在某些距离中进行重用。作为一般规则，当蜂窝电信系统的两个小区彼此相距太远以至于源自这两个小区的信号仅显示可忽略的干扰时，蜂窝电信系统的两个小区可以使用相同的导频图案。

另一个实施例提出，所有FDM符号显示出其导频符号是非等距间隔的。所有FDM符号显示出其导频符号是相同的非等距间隔的也是可能的。

如果希望，FDM系统可以是OFDM系统，使得将数字发生器配置为输出OFDM信号。这有利于蜂窝移动无线系统中使用OFDM。

在另一个实施例中，电子电路是数字信号处理器(DSP)或现场可编程门阵列(FPGA)。这允许对与DSP或FPGA相关联的计算机程序的灵活修改。然而，本领域的普通技术人员将容易导出也可以使用其他硬件解决方案。这样，可以选择纯硬件解决方案，例如专用集成电路(ASIC)，其中由硬件逻辑来表示计算机程序。这样，应该将术语“计算机程序”理解为包括诸如ASIC之类的电子电路逻辑。此外，可以使用由计算机程序运行的任何其他微处理器。

所生成的多载波信号是数字信号。另一个实施例提供连接到电子电路的输出端口的数模(D/A)转换器和连接到该D/A转换器的输出端口的天线。接着，使用天线来在空中接口上传输模拟信号。

本发明的其他方面涉及具有上述数字发生器的设备。一方面，无线蜂窝电信系统的基站或接入点可以具有这种数字发生器。另一方面，由这种基站或接入点提供服务的终端设备可以具有这种发生器。终端设备可以是移动终端设备，诸如移动电话、便携式计算机、笔记本、便携式数字助理(PDA)或可以由基站或接入点以无线方式通过FDM信号特别是OFDM信号提供服务的任何其他适合的电子设备。

本发明的另一方面涉及用于多载波FDM信号的数字接收器。该数字接收器包括在计算机程序的控制下运行的电子电路。其还包括用于解调数字多载波FDM信号的解调器，该调制器适合于解调包括具有导频符号的FDM符号的信号，至少一个FDM符号的导频符号在频率上是非等距间隔的。此外，该数字接收器具有信号修正单元，所述单元适合于在子载波的基础上用导频符号替换至少一个数据符号，藉此该替换得到导频符号的间隔，该间隔对于所有FDM符号在频率上是等距的。

上述数字接收器接收并且解调具有第一图案的导频符号的信号。信号修正单元通过替换处理修改已解调信号的导频图案，并且因此得到具有第二导频图案的多载波信号。对于所有FDM符号，该替换得到在频率上是等距的导频符号的间隔。

将第二导频图案选择成适合于硬件的计算机软件，其被用来执行信号的进一步处理，特别是信道估计和数据解调。例如，第二导频图案允许使用FFT(快速傅立叶变换)信道估计来导出多载波信号的信道冲激响应。不能用FFT信道估计器来完成具有第一导频图案的信号(即在FDM符号中具有可变的导频符号间隔的信号)的直接信道估计，因为这种类型的信道估计器对导频图案有严格的要求。特别地，FFT信道估计器要求在子载波上导频符号之间是固定的距离。

在另一个实施例中，像上文所讨论的那样来处理的多载波信号是OFDM信号。该实施例有利于对具有不同导频图案的OFDM信号的接收和处理，籍此可以选择导频图案以标识信号源的起始并且在其导频图案的帮助下区别这些信号。作为一个例子，蜂窝电信系统中其各个小区可以具有各自的导频图案，籍此可以在某些距离中重用导频图案。

上述的替换可以由信号修正单元以至少两种方式来执行。一种可能是将导频符号复制到数据符号。另一种可能是执行内插，例如线性内插。

在另一个实施例中，信号修正单元适合于借助内插(例如线性内插)来提供具有导频符号的DC子载波。DC子载波根据定义是不可用于传输信息或导频符号的，但是在处理所接收的多载波FDM信号(例如OFDM信号)时其是可用的。内插可以使用相同的FDM符号或相邻的FDM符号的两个导频符号来生成OFDM信号中的新导频符号。当这两个导频符号的频率接近DC子载波的频率时，该内插更加精确。

在DC子载波上生成导频符号增加了可用的导频符号的数目，并且提高了信道估计的精确性。该导频符号生成是在接收多载波信号的相应设备的接收器部分内执行的。因此，与实(即实际传输的)导频符号形成对比，可以将这些附加的导频符号当作是虚导频符号。

在另一个实施例中，数字接收器还包括信道估计器，例如FFT信道估计器，并且包括用于FDM信号的子载波的解调单元。解调单元执行单个载波解调，其可以是QAM或QPSK解调。使用信道估计器和解调单元，可以重现包含在FDM信号中的信息。

在另一个实施例中，作为电子接收器的一部分的电子电路可以是数字信号处理器(DSP)或现场可编程门阵列(FPGA)。这允许对与用于处理所接收的FDM信号的DSP或FPGA相关联的计算机程序的灵活修改。然而，本领域的普通技术人员将容易导出也可以使用其他硬件解决方案。这样，可以选择纯硬件解决方案，例如专用集成电路(ASIC)，其中由硬件逻辑来表示计算机程序。此外，可以使用在计算机程序的控制下运行的任何其他微处理器。

本发明的其他方面涉及具有上述数字接收器的设备。一方面，无线蜂窝电信系统的基站或接入点可以具有这种数字接收器。另一方面，由这种基站或接入点提供服务的终端设备可以具有这种接收器。终端设备可以是移动终端设备，诸如移动电话、便携式计算机、笔记本、便携式数字助理(PDA)或可以由基站或接入点以无线方式通过FDM信号特别是OFDM信号提供服务的任何其他适合的电子设备。

参考下文描述的实施例，所主张的本发明的这些和其他方面将变得明显，并且将参考下文描述的实施例对这些和其他方面进行说明。应该注意，不应该将参考标号的使用解释为限制本发明的范围。

附图说明

图1示出了蜂窝电信系统的基站和终端，

图2示出了用于由数字发生器传输OFDM信号的具有不同导频图案的简化了的TF映射例子，

图3示出了在OFDM信号的数字接收器中在DC子载波上创建虚导频符号，

图4示出了在数字OFDM接收器中创建新的导频图案，

图5是说明信号传输的流程图，

图6是说明信号接收的流程图。

具体实施方式

图1示出了提供电缆3连接到天线2的基站1。基站1与具有天线6的终端设备5交换OFDM信号4。基站为蜂窝电信网络(未示出)中的多个用户提供服务。

基站1具有用于OFDM信号4的数字发生器7。数字发生器7包括电子电路8和随机访问存储器(RAM)9。电子电路8可以是DSP、FPGA或使用RAM 9来运行计算机程序的任何类型的微处理器。使用D/A转换器10来生成模拟信号，其可以借助于天线2在空中进行传输。

终端设备5在其天线6的帮助下接收所传输的OFDM信号4。终端设备5具有数字接收器11，该数字接收器11包括多载波解调器12和信号修正单元13。数字接收器11从A/D转换器14接收获得数字信号，该A/D转换器14对天线6探测到的模拟OFDM信号4进行转换。如下文将更加详细描述的，多载波解调器12对在至少一个OFDM符号中具有非等距间隔的导频符号的信号进行解调。由信号修正单元对具有该第一导频图案的OFDM信号进行修改。信号修正单元13修改导频图案并且生成在所有OFDM符号中具有等距间隔的导频符号的OFDM信号。

实际上，无线蜂窝电信网络中的基站1可以不仅适合于借助数字发生器7来生成OFDM信号4，而且可以适合于通过数字接收器11来接收这种信号。进行必要的修正，这同样适用于终端设备5，从而图1是简化图，其仅说明了信号从基站1到终端设备5的流程。

图2示出了具有不同导频图案的简化的TF映射2a)…2e)，其用于传输数字发生器7的OFDM信号。在每个TF映射中，沿着水平轴以TTI为单位绘制时间，而沿着垂直轴绘制代表子载波频率的子载波索引。为了简单，仅将水平轴细分为四个TTI，而仅将垂直轴细分为23个频率索引。因此，每个TF映射仅包含四个OFDM符号。本领域的普通技术人员将容易导出该TF映射是简化的TF映射，因为OFDM TF映射包含更多的子载波。选择该简化是为了更易于理解实施例。

图2a)是具有适合用于OFDM接收器内的FFT信道估计的导频图案的TF映射。每个OFDM符号包含六个由“P”标注的导频符号。该TF中的所有的其他格子由数据符号填充。每个OFDM符号中的导频符号在频率上是等距间隔的。相应地，在两个相邻的导频符号之间总是有相同数目的数据符号。在图1a)的例子中，在两个导频符号之间总是有三个数据符号(空格子)。对于第二和第四OFDM符号的底部，也是这种情况，因为出于上述的简化的原因，TF映射在底部进行了截短。

图2b)…2e)是具有这样的导频图案的TF映射，在该导频图案中导频符号在频率上是非等距间隔的。这些仅是存在的多种变体中的一些例子。本领域的普通技术人员将容易导出存在很多其他可能的导频图案，其具有在频率上非等距间隔的导频符号。

在图2b)中，第一OFDM符号包含6个导频符号，藉此在两个导频符号之间存在1个或者5个数据符号。这对于其他三个OFDM符号同样是正确的。

图2c)在第二和第四OFDM符号中具有等距间隔的导频符号，但是在第一和第三OFDM信号中不具有导频符号。

图2d)中，对于每个OFDM符号，具有6个导频符号，在两个(相邻的)导频符号之间带有1、3或5个数据符号。每个OFDM符号具有相同图案的导频符号，但是具有频率偏移。

图2e)中在与OFDM符号相关联的两个导频符号之间具有1、3或5个数据符号。同样，每个OFDM符号具有相同图案的导频符号，但是具有频率偏移。在下部，图2e)的TF映射与图2d)的TF映射相同，但是在上部存在差异。

数字发生器7(例如基站1)传输FDM信号(例如OFM信号4)，该FDM信号具有根据图2b)、2c)、2d)或2e)的导频图案或者具有在其中对于至少一个FDM符号导频符号“P”在频率上是非等距间隔的任何其他导频图案。从实际方面讲，首先调制各个子载波。该步骤被称为单载波调制。接着，编码器生成数据符号，例如如果选择OAM调制则是QAM符号，或者如果选择QPSK调制则是QPSK符号。接着，基于TF映射，例如根据图2b)到图2e)的TF映射中的任何一个的TF映射，来生成FDM符号，藉此插入导频符号。最后，对包括FDM符号的信号进行调制。该最后一步被称为多载波调制。

结果得到数字多载波信号。借助于数模转换器10将这些数字多载波信号转换为模拟信号。基站1使用其天线2在空中传输该模拟信号。另一个设备(例如终端设备5)具有电子数字接收器11，在天线6的帮助下接收OFDM信号4，并且借助于模数转换器14将模拟信号转换为数字信号。其已经接收的数字多载波信号具有第一导频图案。第一导频图案的特征在于在至少一个FDM符号中导频符号是非等距间隔的。该导频图案可以是根据图2b)…图2e)的导频图案。

接着，数字接收器11处理具有第一导频图案的信号。该处理包括在子载波的基础上用导频符号替换至少一个数据符号。在该方式中，替换得到第二导频图案，该第二导频图案具有的导频符号的间隔对于所有FDM符号在频率上是等距的。第二导频图案可以是在图2a)中示出的导频图案。

接着，可以使用具有第二导频图案的多载波信号来与信道估计器15(例如FFT信道估计器)一起执行信道估计，并且执行单个载波解调以导出由信号承载的信息。

在实际的情况下，数字接收器11接收蜂窝电信系统中的不同信号源的信号。每个小区可以与单独的导频图案相关联，根据上述实施例，其可以被转换为在FDM信号中具有等距间隔的导频符号的第二导频图案。上述设备提供可用于该目的的众多导频图案。

图3a-c示出上述实施例可以使用在DC子载波上具有虚(也即，未被传输的)导频符号的导频图案。在图3a)中，在DC子载波附近存在导频符号，其在频率上是等距间隔的。

图3b)示出与图2a)中一样但是向上移动一个子载波的导频符号。为了维持在导频符号之间的等距间隔，应该将导频放置在由“(P)”指示的DC子载波上。然而，不可能传输导频符号“(P)”，因为DC子载波不会用于传输。相反，在DC子载波上的导频符号是通过诸如线性内插之类的内插从DC子载波之上和之下的其他导频符号得到的。在图3c)中示出了完成这些的方式。在图3c)中，使用两个导频符号以在DC子载波上插入一个导频符号。为了清楚起见，TF映射3a)到3c)是示例性的简化的TF映射。

图4a)和4b)更详细地说明了在数字接收器11中对多载波FDM信号的处理。图4a)示出将第一和第三OFDM符号的导频符号复制到第二OFDM符号。结果得到具有导频符号的间隔在频率上是等距的第二OFDM符号。

图4b)示出借助于内插在第二OFDM符号中创建新的导频符号。该内插是在子载波的基础上执行的，也即用于内插的两个导频符号属于与新的导频符号相同的子载波。

图5根据示出了说明根据上述实施例的信号传输的流程图。在步骤2中，执行对各个子载波的调制，诸如QAM或QPSK调制，该各个子载波中包括FDM信号，例如OFDM信号。在步骤4中，生成数据符号。在步骤6中，将数据符号和导频符号插入TF映射。TF映射可以是据图2b)到2e)的TF映射，因此其在至少一个FDM信号中显示出非等距间隔(频率上)的导频符号。结果得到众多FDM符号。在步骤8中，调制FDM符号。在步骤10中，借助于(D/A)转换器10将数字调制的多载波信号转换为模拟信号。在步骤12中，在蜂窝电信网络中在空中传输模拟信号。

图5的流程图中的步骤是由数字发生器7执行的，例如基站1的数字发生器7。数字接收器11接收这些信号并对它们进行处理。图6的流程图说明了该情况。

在步骤20中，用天线6接收模拟信号。在步骤22中，借助于模数(A/D)转换器14将模拟信号转换为数字信号。在步骤24中，解调多载波信号，其中多载波是基于TF映射的，该TF映射如图2b)到2e)中的一样在FDM符号中具有非等距间隔(频率上)的导频符号。在步骤26中，借助于信号修正单元13将导频图案转换为第二导频图案。在第二导频图案中，在FDM符号中存在等距间隔(频率上)的导频符号，图2a)中就是这种情况。在步骤28中，执行FFT信道估计。在步骤30中，利用步骤28中获得的信道估计执行单个载波解调。

Claims (7)

1.一种用于多载波FDM信号的数字接收器(11)，包括：

a)用于解调数字多载波FDM信号的解调器(12)，所述信号包括具有导频符号的FDM符号，至少一个所述FDM符号的导频符号在频率上是非等距间隔的，

b)信号修正单元(13)，所述单元被配置为在子载波的基础上在至少一个子载波上放置至少一个导频符号，藉此所述放置得到导频符号的间隔，对于所有FDM符号所述得到的间隔在频率上是等距的。

2.根据权利要求1所述的数字接收器，其中所述FDM信号是OFDM信号(4)。

3.根据权利要求1或2所述的数字接收器，其中所述信号修正单元通过在子载波的基础上用导频符号替换至少一个数据符号的方式来放置至少一个导频符号，所述信号修正单元以以下方式替换所述数据符号：

a)通过将导频符号复制到数据符号，或者

b)通过内插。

4.根据权利要求1或2所述的数字接收器，其中所述信号修正单元借助内插在DC子载波上提供导频符号。

5.一种无线蜂窝电信系统的基站(1)，包括根据权利要求1至4中任意一项所述的数字接收器。

6.一种无线蜂窝电信系统的终端设备(5)，包括根据权利要求1至4中任意一项所述的数字接收器。

7.根据权利要求6所述的终端设备，还包括信道估计器(15)和用于所述FDM信号的子载波的解调单元(18)。

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