CN100591064C

CN100591064C - 用于正交频分复用系统的采样频率偏移估计设备和方法

Info

Publication number: CN100591064C
Application number: CN200610095760A
Authority: CN
Inventors: 金伦永; 卢在皓
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2005-07-19
Filing date: 2006-07-04
Publication date: 2010-02-17
Anticipated expiration: 2026-07-04
Also published as: US7702024B2; JP4320026B2; US20070019763A1; JP2007028636A; KR20070010721A; KR100719112B1; EP1746793A2; CN1901527A

Abstract

提供一种应用于OFDM(正交频分复用)系统的采样频率偏移估计设备和方法。该设备包括：ADC(模拟-数字转换器)，基于预定的采样频率对接收的信号进行采样；FFT(快速傅立叶变换)单元，将采样的接收的信号变换到频域；相位计算器，计算接收的信号的导频子载波的相移，所述信号已经被变换到频域；确定器，计算由相移导致导频子载波的采样移位的相移到达时间；时间偏移计算器，使用导频子载波计算采样时间偏移；和频率偏移计算器，基于相移到达时间和采样时间偏移来计算采样频率偏移。

Description

用于正交频分复用系统的采样频率偏移估计设备和方法

技术领域

本发明涉及一种应用于正交频分复用(OFDM)系统的采样频率偏移估计设备和方法。更具体地讲，本发明涉及一种估计接收的信号的每个导频子载波的相移以估计采样频率偏移的采样频率偏移设备和方法。

背景技术

在正交频分复用(OFDM)方法中，串行输入的数据流被转换为预定块单元的并行数据，并行码元被复用到正交的载波频率中，以将宽带传输转换为窄带并行传输。这样的OFDM方法在无线通信环境中抗多径衰落，并且允许高速数据传输。

导频子载波用于在OFDM系统中跟踪采样频率偏移。在使用导频子载波的方法中，对于发射机和接收机是已知数据的导频码元数据被发送，从而接收机可使用该数据来执行同步。导频子载波被分为两组。换句话说，存在负子载波中的导频位置和正子载波中的导频位置。使用关于由导频子载波的索引导致的偏移和相位旋转之间的线性关系的信息来跟踪采样频率偏移。

图1A和图1B是示出OFDM系统中的采样频率偏移的影响的示图。图1A是示出在发生0.5初始时间偏移的30ppm(百万分之一)的情况下的相位和幅度的失真的示图，图1B是示出在发生0.5初始时间偏移和一个采样码元时间偏移的30ppm的情况下的相位和幅度的失真的示图。

图2A和图2B是示出相关技术的OFDM系统中的采样频率偏移的估计的图解。

图2A是示出使用导频子载波之间的相位差来估计采样频率偏移的图解。参照图2A，可使用如下的等式1来计算导频子载波之间的相位差：

[等式1]

Φ_m，p-Φ_m，p+1＝-2πΔkΔt/N

其中，Φ_m，p表示第m个OFDM码元中的第p个导频子载波的相位，Φ_m，p+1表示第p+1个导频子载波的相位，Δk表示导频子载波之间的距离，Δt表示采样时间偏移，N表示快速傅立叶变换窗大小。

针对采样时间偏移，等式1可表示为如下的等式2：

[等式2]

Δ t_{p, p + 1} = - \frac{Φ_{m, p} - Φ_{m, p + 1}}{- 2 πΔk / N}

如等式2所示，可计算采样时间偏移以估计相位倾斜度(phase slope)，从而估计采样频率偏移。

图2B是示出使用对导频子载波之间的相位差随时间变化的估计来估计采样频率偏移的图解。参照图2B，可使用如下的等式3来计算导频子载波之间的相位差的变化：

[等式3]

{\hat{ϵ}}_{p, p + 1} = \frac{1}{2 π} [\tan^{- 1} {\frac{Im (R_{l} (p + 1) R_{l + 1}^{*} (p + 1))}{Re (R_{l} (p + 1) R_{l + 1} (p + 1))}} - \tan^{- 1} {\frac{Im (R_{l} (p) R_{l + 1}^{*} (p))}{Re (R_{l} (p) R_{l + 1} (p))}}]

其中，表示使用第1个和第1+1个OFDM码元中的第p个和第p+1个导频子载波之间的相位差计算的相位倾斜度的变化，Δk表示导频子载波之间的距离，Δt表示采样时间偏移。

这里，可以使用被延迟了D的码元中的第p个和第p+1个导频子载波之间的相位差，而不是使用第1+1个OFDM码元和第1个码元中的第p个和第p+1个导频子载波之间的相位差，来估计相位倾斜度的变化。

图3是示出通过传统采样频率偏移估计方法估计的码元索引和相位之间的关系的图解。这里，S表示这样一个时间点，在该时间点移位了一个码元，并且由于采样频率偏移而发生的失真在该时间点需要被补偿。

参照图3，在区域L中，采样时间偏移的相位随着时间的增加而线性增加。但是，在区域L之后，导频子载波随时间具有等于或大于-π或π的相位。因此，没有建立导频子载波之间的相位的线性。因此，在使用取决于导频子载波的索引的平均相移的情况下，可能会估计出错误的采样频率偏移。

S表示这样一个时间点，通过多个导频子载波计算的平均相位倾斜度在该时间点变化一个采样，并且在该时间点，采样由于噪声的影响而必须被添加或删除并因此具有大的标准差。换句话说，在使用导频子载波的平均相位倾斜度的情况下，不能精确地检测一个采样被添加或删除的时间点。

发明内容

本发明的示意性的、非限制性的实施例克服以上缺点和以上没有提到的其它缺点。另外，本发明不需要克服以上缺点，本发明的示意性的、非限制性的实施例可以不克服以上任何问题。

本发明提供一种采样频率偏移估计设备和方法，该设备和方法应用于OFDM系统，并且能够计算每个导频子载波的相移，而不是导频子载波的平均相移，从而精确地估计采样频率偏移。

根据本发明的一方面，提供一种采样频率偏移估计设备，该设备包括：模拟-数字转换器(ADC)，基于预定的采样频率对接收的信号进行采样；快速傅立叶变换(FFT)单元，将采样的接收的信号变换到频域；相位计算器，计算接收的信号的导频子载波的相移，所述信号已经被变换到频域；确定器，计算由相移导致导频子载波的采样移位的相移到达时间；时间偏移计算器，使用导频子载波计算采样时间偏移；和频率偏移计算器，基于相移到达时间和采样时间偏移来计算采样频率偏移。

该采样频率偏移估计设备还可包括存储器，所述存储器存储已经被变换到频域的接收的信号的导频子载波。

确定器可检测导频子载波的相位等于或大于π或者等于或小于-π的码元索引，以计算相移到达时间。

根据本发明的另一方面，提供一种使用采样频率偏移估计设备的OFDM系统。

该OFDM系统还可包括均衡器，该均衡器基于计算的采样频率偏移来纠正接收的信号的相位失真。

该OFDM系统还可包括去除/填充单元，该去除/填充单元基于计算的采样频率偏移去除或填充一个采样。

根据本发明的另一方面，提供一种采样频率偏移估计方法，该方法包括：将基于预定的采样频率而采样的接收的信号变换到频域；计算接收的信号的导频子载波的相移，所述信号已经被变换到频域；和基于由相移导致导频子载波的采样移位的相移到达时间来计算采样频率偏移。

计算采样频率偏移的步骤可包括：计算接收的信号的导频子载波的相移，所述信号已经被变换到频域；计算由相移导致导频子载波的采样移位的相移到达时间；使用导频子载波计算采样时间偏移；和基于相移到达时间和采样时间偏移来计算采样频率偏移。

该采样频率偏移估计方法还可包括：存储接收的信号的导频子载波，所述信号已经被变换到频域。

可通过检测导频子载波的相位等于或大于π或者等于或小于-π的码元索引，来计算相移到达时间。

附图说明

通过结合附图对本发明的特定示例性实施例进行描述，本发明的上述和其它方面将会变得更加清楚，其中：

图1A和图1B是示出OFDM系统中的采样频率偏移的影响的示图；

图2A和图2B是示出相关技术的OFDM系统中的采样频率偏移的估计的图解；

图3是示出通过传统采样频率偏移估计方法估计的码元索引和相位之间的关系的图解；

图4是根据本发明示例性实施例的采样频率偏移估计设备应用于其的OFDM系统的方框图；

图5是根据本发明示例性实施例的应用于OFDM系统的采样频率偏移估计方法的流程图；

图6是详细示出图5的采样频率偏移估计方法的图解；和

图7A和图7B是示出针对传统的采样频率偏移估计方法和根据本发明示例性实施例的采样频率偏移估计方法的性能而执行的仿真的结果的图解。

具体实施方式

将参照附图更详细地描述本发明的特定示例性实施例。

在下面的描述中，相同的附图标号即使在不同的附图中也用于表示相同的部件。在描述中所定义的内容(诸如详细的结构和部件)被提供以有助于全面理解本发明。另外，由于公知的功能或结构将使本发明在不必要的细节变得模糊，所以对这些公知的功能或结构不进行详细的描述。

可使用两种方法来纠正由采样频率偏移导致的OFDM系统的旋转。第一种方法是同步采样方法，通过该方法，接收机ADC的采样频率被改变以纠正OFDM系统的旋转。第二种方法是异步采样方法，通过该方法，在离散傅立叶变换(DFT)之后旋转子载波以纠正OFDM系统的旋转。

现在将描述应用于异步采样方法的采样频率偏移估计，该异步采样方法在使用采样频率对接收的信号采样然后对接收的信号执行DFT之后纠正旋转现象。

图4是根据本发明示例性实施例的采样频率偏移估计设备应用于其的OFDM系统的方框图。

参照图4，OFDM系统包括ADC 100、去除/填充(rob/stuff)单元200、FFT单元300、均衡器400、存储器500和频率偏移估计器600。

ADC 100使用由振荡器(未显示)产生的预定采样频率来对接收的信号采样。

FFT单元300将采样的接收的信号变换到频域。

存储器500存储已经被变换到频域的接收的信号的导频子载波。OFDM系统的接收机接收对于收发机是已知数据的导频码元以执行同步，因而另外存储用于采样频率偏移估计的导频子载波。

频率偏移估计器600包括相位计算器610、确定器620和偏移计算器630，并且基于每个存储的导频子载波的相移来估计采样频率和时间偏移。

相位计算器610计算已经被变换到频域的接收的信号的导频子载波的相移。由于导频子载波根据采样频率偏移而具有不同的相移率，所以相位计算器610计算每个导频子载波的相移。

确定器620估计每个导频子载波的相位突变的时间。确定器620估计相移到达时间，在该相移到达时间，每个导频子载波的相位等于或大于π或者等于或小于-π，即，移位了一个采样。采样频率偏移与由于导频子载波的索引而发生的相位旋转成线性关系。因此，位于一个码元外部的最上导频子载波到达相位等于或大于π或者等于或小于-π的时间。

偏移计算器630基于导频子载波的索引来计算采样时间偏移，并且使用计算的采样时间偏移和估计的相移到达时间来计算采样频率偏移。

均衡器400使用由频率偏移估计器600估计的采样频率偏移来纠正相位的失真。

去除/填充单元200基于由频率偏移估计器600估计的采样频率偏移来填充信号的复制的采样或者去除信号的一个采样。由于采样频率偏移，采样时刻的变化变得逐渐大于采样周期。因此，去除/填充单元200检测移位了一个采样的位置以填充或去除采样，从而纠正由采样频率偏移导致的失真。

图5是根据本发明示例性实施例的应用于OFDM系统的采样频率偏移估计方法的流程图。

参照图5，在操作S910中，计算对于收发机是已知数据的接收的信号的导频子载波的相移。使用预定的采样频率对接收的信号采样，然后使用FFT将接收的信号变换到频域。基于导频子载波的索引来计算已经被变换到频域的接收的信号的导频子载波的相移。

在操作S920中，确定导频子载波的相位是否等于或大于π或者等于或小于-π。导频子载波根据采样频率偏移而具有不同的相移率，并且有与由于采样频率偏移以及导频子载波的索引而导致的相位旋转成线性关系。因此，导频子载波的相位等于或大于π或者等于或小于-π的位置随导频子载波的索引而变化。另外，一个码元外部的上导频子载波到达相位等于或大于π或者等于或小于-π的位置。

如果在操作S920中确定导频子载波的相位等于或大于π或者等于或小于-π，则在操作S930中，计算相位等于或大于π或者等于或小于-π的相移到达时间。使用相位等于或大于π或者等于或小于-π的位置的码元索引、采样时间段以及每码元采样数来计算相移到达时间。这里，相位等于或大于π或者等于或小于-π的时间是移位了一个采样的时间。可检测移位了一个采样的相移到达时间，以基于检测的相移到达时间来填充或去除采样，从而纠正由采样频率偏移导致的失真。

如果在操作S920中确定导频子载波的相位不等于或大于π也不等于或小于-π，则随着码元索引的增加计算导频子载波的相移，然后在操作S940中，计算采样时间偏移。可基于导频子载波的索引和FFT窗大小来计算采样时间偏移。

在操作S950中，基于在操作S930中计算的相移到达时间和在操作S940中计算的采样时间偏移来计算采样频率偏移。可通过将采样时间偏移除以相移到达时间来计算采样频率偏移。

如上所述，针对具有不同相移的每个导频子载波来计算移位了一个采样的时间以及采样时间偏移，以计算采样频率偏移。因此，与导频子载波的平均相移不同地计算独立导频子载波的相移，以精确地找到一个采样被填充或被去除的时间。

这里，可计算多个导频子载波的采样频率偏移，以纠正由采样频率偏移导致的相移。但是，可仅使用移位了一个采样的上导频子载波的采样频率偏移来纠正相移。

图6是详细示出图5的采样频率偏移估计方法的图解。参照图6，水平轴表示OFDM码元索引，垂直轴表示针对每个导频子载波的索引估计的相位。

如图6所示，在接收OFDM信号期间随同每个导频子载波发生的旋转角随每个导频子载波的索引和OFDM码元索引而变化。旋转角在位于外部的导频子载波最大，并且在连续OFDM码元中增加。换句话说，采样偏移通常非常小。但是，旋转角随着码元索引的增加而增加。因此，不可能实现精确的解调。

因此，导频子载波#1至#6中的位于外部的导频子载波#1首先到达相位等于或大于π或者等于或小于-π的相移到达时间。这里，A表示当导频子载波#1到达相移到达时间时的OFDM码元索引。

当导频子载波#1到达相移到达时间时，OFDM码元索引为“182”。因此，如操作S930所述，使用导频子载波的相位等于或大于π或者等于或小于-π的“182”、每码元采样数和采样时间段来计算导频子载波的相移到达时间，如下面的等式4所示：

[等式4]

Δt₁＝182N_sT_s

其中，Δt₁表示导频子载波#1的相移到达时间，“182”表示在该相移到达时间的OFDM码元索引，N_s表示每码元采样数，T_s表示采样时间段。

可使用与计算导频子载波#1的相移到达时间的方法相同的方法来计算导频子载波#2至#4的相移到达时间，如下面的等式5所示：

[等式5]

Δt₂＝217N_sT_s

Δt₃＝278N_sT_s

Δt₄＝389N_sT_s

其中，Δt₂、Δt₃、Δt₄分别表示导频子载波#2至#4的相移到达时间。

如操作S940所述，使用每个导频子载波的索引和FFT窗大小来计算每个导频子载波的采样时间偏移，如下面的等式6所示：

[等式6]

δ_{1} = \frac{N}{(2 * 55)}

其中，δ₁表示导频子载波#1的采样时间偏移，N表示FFT窗大小，“55”表示导频子载波#1的索引。

使用与计算导频子载波#1的采样时间偏移的方法相同的方法来计算导频子载波#2至#4的采样时间偏移，如下面的等式7所示：

[等式7]

δ_{2} = \frac{N}{(2 * 45)}

δ_{3} = \frac{N}{(2 * 35)}

δ_{4} = \frac{N}{(2 * 25)}

其中，δ₂、δ₃、δ₄分别表示导频子载波#2至#4的采样时间偏移，“45”、“35”、“25”分别表示导频子载波#2至#4的索引。

如操作S950所述，使用相移到达时间和采样时间偏移来计算采样频率偏移。因此，可按如下的等式8来计算采样频率偏移：

[等式8]

Δ {\hat{f}}_{s} = Δδ / Δt

其中，

表示采样频率偏移，Δδ表示采样时间偏移，Δt表示导频子载波的相移到达时间。

如等式8所示，可使用每个导频子载波计算每个采样频率偏移，以填充或去除采样，从而纠正由采样频率偏移导致的相移。或者，可仅计算到达相移到达时间的多个子载波的上导频子载波的采样频率偏移。

如果如图6所示每码元采样数为“165”，则使用等式4、6和8计算出的作为上导频子载波的导频子载波的采样频率偏移为“-40ppm”。因此，每250个采样有一个采样被填充到导频子载波中，以纠正由采样频率偏移导致的相位失真。

图7A和图7B是示出针对传统的采样频率偏移估计方法和根据本发明的采样频率偏移估计方法的性能而执行的仿真的结果的图解。图7A是示出均方差(MSE)相对于信噪比(SNR)的变化的图解，图7B是示出分组错误率(PER)相对于SNR的图解。

如果采样频率偏移是“0ppm”、“-10ppm”、“-20ppm”或“-40ppm”，则可获得如图7A所示的MSE。如图7A所示，通过本发明的采样频率偏移估计方法获得的MSE比通过传统的采样频率偏移估计方法获得的MSE显著降低。

如果采样频率偏移是“-10ppm”、“-20ppm”、“-40ppm”，则可获得如图7B所示的PER。如图7B所示，通过本发明的采样频率偏移估计方法获得的PER比通过传统的采样频率偏移估计方法获得的PER显著降低。

在超宽带(UWB)OFDM系统中，采样率被设置为528MHz，OFDM码元大小被设置为“165”，数据率被设置为53.3Mpbs。另外，净荷大小被设置为1024字节，多径信道模型被设置为CM1。

如上所述，根据本发明，可计算每个导频子载波的相移，以精确地估计采样频率偏移。另外，可精确地纠正由采样频率偏移导致的相位失真。

上述示例性实施例和优点仅仅是示例性的，而不应被理解为限制本发明。本教导可容易地应用于其它类型的设备。另外，本发明示例性实施例的描述意图是示意性的，而不是限制本发明的范围，并且多种替换、修改和变化对于本领域技术人员是明显的。

Claims

1、一种采样频率偏移估计设备，包括：

相位计算器，计算采样的接收的信号的导频子载波的相移，所述信号已经被采样并被变换到频域；

确定器，计算由相移导致导频子载波的采样移位的相移到达时间；

时间偏移计算器，使用导频子载波计算采样时间偏移；和

频率偏移计算器，通过将采样时间偏移除以相移到达时间来计算采样频率偏移。

2、根据权利要求1所述的采样频率偏移估计设备，还包括存储器，所述存储器存储已经被变换到频域的采样的接收的信号的导频子载波。

3、根据权利要求1所述的采样频率偏移估计设备，其中，确定器检测导频子载波的相位等于或大于π或者等于或小于-π的码元索引，以计算相移到达时间。

4、一种正交频分复用系统的接收机，所述接收机包括：

模拟-数字转换器，基于预定的采样频率对接收的信号进行采样；

快速傅立叶变换单元，将采样的接收的信号变换到频域；

相位计算器，计算采样的接收的信号的导频子载波的相移，所述信号已经被变换到频域；

时间偏移计算器，使用导频子载波计算采样时间偏移；和

5、根据权利要求4所述的接收机，其中，确定器检测导频子载波的相位等于或大于π或者等于或小于-π的码元索引，以计算相移到达时间。

6、根据权利要求4所述的接收机，还包括均衡器，所述均衡器基于计算的采样频率偏移来纠正采样的接收的信号的相位失真。

7、根据权利要求4所述的接收机，还包括去除或填充单元，所述去除或填充单元基于采样频率偏移去除或填充一个采样。

8、一种采样频率偏移估计方法，包括：

计算接收的信号的导频子载波的相移，所述信号已经被采样并被变换到频域；

计算由相移导致导频子载波的采样移位的相移到达时间；

使用导频子载波计算采样时间偏移；和

通过将采样时间偏移除以相移到达时间来计算采样频率偏移。

9、根据权利要求8所述的采样频率偏移估计方法，还包括：存储接收的信号的导频子载波，所述信号已经被采样并被变换到频域。

10、根据权利要求8所述的采样频率偏移估计方法，其中，通过检测导频子载波的相位等于或大于π或者等于或小于-π的码元索引，来计算相移到达时间。

11、一种纠正正交频分复用系统中的接收机的相位失真的方法，所述方法包括：

基于预定的采样频率对接收的信号进行采样；

将采样的接收的信号变换到频域；

计算由相移导致导频子载波的采样移位的相移到达时间；

使用导频子载波计算采样时间偏移；和

12、根据权利要求11所述的相位失真纠正方法，还包括：存储接收的信号的导频子载波，所述信号已经被采样并被变换到频域。

13、根据权利要求11所述的相位失真纠正方法，其中，通过检测导频子载波的相位等于或大于π或者等于或小于-π的码元索引，来计算相移到达时间。

14、根据权利要求11所述的相位失真纠正方法，还包括：基于采样频率偏移来纠正采样的接收的信号的相位失真。

15、根据权利要求11所述的相位失真纠正方法，还包括：基于采样频率偏移去除或填充一个采样。