CN101286967A - 利用过采样率进行信道估计完成频域补偿的方法和设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及在TDS－OFDM接收机中利用过采样率进行信道估计来完成频域补偿的方法和设备，属于通信技术领域。该方法和设备包括一个对第一个信号和第二个信号进行相关操作的相关器，一个将相关以后的信号变换到频域的变换器，以及一个插值器和截断模块，将变换以后的信号进行插值和截断，为以后的使用作参考。
Description
相关申请引用
本申请主张的发明公开于2006年7月25日，临时申请号为60/820,319，名称为“基于LDPC码的TDS-OFDM通信系统中的接收机”。要求美国临时专利申请中35USC§119(e)的权利并入上述申请以作参考。
技术领域
本发明属于通信技术领域，更确切地说，本发明涉及在时域同步正交频分复用(TDS-OFDM，Time Domain Synchronous Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing)接收机中利用过采样率进行信道估计来完成频域补偿的方法和设备。
背景技术
正交频分复用(OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing)是已公开的技术。授予Chang等人的、美国专利号为3,488,445的专利描述了一个正交频分复用的设备和方法，它在大量相互正交的载波上实现大量数据信号的频分复用，因此，子载波之间存在重叠，但频带受限，产生的频谱不存在信道间干扰(ICI，Interchannel Interference)和符号间干扰(ISI，IntersymbolInterference)。每个信道的窄带滤波器幅频特性和相频特性由它们各自的对称性所规定。为每个信号提供相同的抵抗信道噪声的保护能力，仿佛每个信道中的信号通过不相关的媒介传输，并且通过降低数据率去除符号间干扰。随着信道数目的增加，总的数据率接近最大理论值。
OFDM收发信机是已公开的技术。授予Fattouche等人的、美国专利号为5,282,222的专利描述了一种允许多个无线收发信机相互交换信息(数据、语音或视频)方法。在第一个收发信机中，信息的第一个帧复用到一个宽频带上，传送给第二个收发信机。第二个收发信机接收和处理信息。信息采用相移键控的差分编码。另外，经过预先选择的时间间隔后，第一个收发信机可以再次传送信息。在预先选择的时间间隔期间，第二个收发信机可以用时分双工方式和另外的收发信机交换信息。第二个收发信机的信号处理可以包括估计发送信号的相位差和对发送信号进行预失真处理。收发信机包括一个用于信息编码的编码器、用于把信息复用到宽带语音信道上的宽带频分复用器，和用于复用信息上变换的本地振荡器。设备包括一个处理器，它对复用信息进行傅里叶变换，把信息变换到时间域进行传输。
在OFDM中采用伪噪声(PN，Pseudo-Noise)作为保护间隔(GI，GuardInterval)是已公开的技术。授予杨林等人的、美国专利号为7,072,289的专利描述了在信号传输信道中存在时延的情况下，一种估计传输信号帧开始和/或结束定时的方法。每个信号帧都有一个伪随机(PN，Pseudo-Noise)m序列，其中PN序列满足选择的正交性和封闭性(closures relation)的关系。接收到的信号和PN序列进行卷积，并从接收信号中减去，从而确定接收信号中PN序列的开始和/或结束。PN序列用于定时恢复、载波恢复、信道传输特性估计、接收信号帧同步，以及代替OFDM的保护间隔。
可以看出，尽管PN具备令人满意的性质，但是它相关的值却可能会上下波动。这种情况特别是在传输后接收相同的信号时出现。因此，需要提供一个校正因子来补偿这些涨落或不确切性。
发明内容
在时域同步正交频分复用(TDS-OFDM，Time Domain SynchronousOrthogonal Frequency Division Multiplexing)通信系统中，提出了一种校正或补偿的方法，来恢复经过多个延时的接收到的PN序列。伪随机(PN)序列作为保护间隔使用。
在TDS-OFDM通信系统中，提出了一种校正或补偿的方法，来恢复经过衰减的接收到的PN序列。伪噪声(PN)序列作为保护间隔。
在TDS-OFDM通信系统中，提出了一种校正或补偿的因子，来恢复接收到的PN序列。伪随机(PN)序列作为保护间隔。
在TDS-OFDM接收机中，提出了一种校正或补偿的方法，来恢复经过多个延时的接收到的PN序列。伪随机(PN)序列作为保护间隔。
在TDS-OFDM接收机中，提出了一种校正或补偿的方法，来恢复经过衰减的接收到的PN序列。伪随机(PN)序列作为保护间隔。
在TDS-OFDM接收机中，提出了一种校正或补偿的因子，来恢复接收到的PN序列。伪随机(PN)序列作为保护间隔。
在TDS-OFDM接收机中，提出了一种利用过采样进行信道估计来完成频域补偿的方法和设备。该方法和设备包括一个对第一个信号和第二个信号进行相关操作的相关器，一个将相关以后的信号变换到频域的变换器，以及一个插值器和截断模块，将变换以后的信号进行插值和截断，为以后的使用作参考。
附图说明
附图中的参考数字指相同或功能相似的基本单元，附图和下面的详细描述一起构成了一个整体，成为说明书的要素，并用于进一步图示各种具体实施例和解释本发明的各种原理与优点。
图1为符合本发明具体实施例的接收机的示意图；
图2为本发明实施例的结构示意图；
图2A为图2方框图所对应的一系列示意图；
图3为本发明实施例的流程示意图。
专业人士需要的是将图中的基本单元简单明了地表示出来，是否按比例描绘并不是必要的。例如，为了更好地帮助理解本发明的具体实施例，图中某些基本单元的尺寸大小相对于其它单元可能被夸大。
具体实施方式
在详细描述本发明实施例之前，应当注意，本实施例存在于方法步骤和装置部件的组合之中，它涉及到在频域提供一个补偿因子来补偿所接收到的经过相关的PN序列的不确切性。相应地，图例中使用常规的符号来描述这些设备和方法步骤，仅详细说明了与本发明具体实施例相关的关键细节，帮助大家清晰地、充分地理解本方案，以免对这些细节产生误解，使本领域的普通技术人员容易明白，并从中受益。
在本说明书中，相关的术语，例如第一和第二、顶部和底部，以及相似的术语，可能会单独使用，以区别不同的实体或处理，并不表示必须需要或暗示这些实体或处理之间的关系或顺序。术语“包括”、“由.....组成”，或是任何与之相关的其他变形，意指包含非排它的结果。所以，由一系列基本单元组成的处理、方法、文章或装置不仅仅包含那些已经指明了的基本单元，也可能包含其它的基本单元，虽然这些单元没有明确列在或属于上述的处理、方法、文章或装置。被“包括”所引述的基本单元，在没有更多限制的情况下，不排除在由基本单元构成的处理、方法、文字或装置中存在另外相同的基本单元。
这里所描述的本发明的具体实施例由一个或多个通常的处理器和唯一的存储程序指令构成，程序指令控制一个或多个处理器，配合一定的非处理器电路，去实现某些、大部分或全部的所述的在频域提供一个补偿因子来补偿接收到的经过相关的PN序列的不确切性。非处理器电路可能包括但不限于无线接收机、无线发射机、信号驱动器、时钟电路、电源电路和用户输入设备。同样的，这些功能可以解释为完成上述信道估计的方法步骤。作为替换选择，某些或所有功能可以用没有储存程序指令的状态机实现，或者使用一个或多个专用集成电路(ASIC，Application Specific Integrated Circuit)，在这些ASIC中一个功能或一些功能的某种组合作为定制逻辑来实现。当然，这两种方法也可以组合使用。因此，这里描述了实现这些功能的方法和手段。更进一步，期望普通的技术人员经过努力和许多设计选择后，例如有效的开发时间、当前的技术和经济方面的考虑，在这里所揭示的概念和原理指导下，能够容易通过最少的实验得到所述的软件指令、程序和集成电路(IC，Integrated Circuit)。
参见图1，图中阐明了基于低密度奇偶校验(LDPC，Low Density ParityCheck)码的TDS-OFDM通信系统接收机10。换而言之，图1阐明了基于LDPC的TDS-OFDM接收机10功能模块的结构图。在这里解调依据TDS-OFDM调制方案的原则。纠错编码方案基于LDPC。接收机10的基本目标是从受噪声干扰的系统中，决定发射机发送的是何种波形的有限集，并经过某种信号处理技术重新生成发射机发送的离散消息的有限集。
图1的结构图阐明了接收机10的信号和关键的处理步骤。假定接收机10的输入信号12是经过下变换的数字信号。接收机10的输出信号14是运动图像专家组标准-2(MPEG-2)的传送流。更确切的说，射频调谐器18接收射频(RF，Radio Frequency)输入信号16，并将RF输入信号转换为低中频或零中频信号12。低中频或零中频信号12以模拟信号或数字信号(通过一个可选的模数转换器20)的形式提供给接收机10。
在接收机10中，中频信号被转换到基带信号22。接着时域同步正交频分复用(TDS-OFDM)解调器根据基于低密度奇偶校验(LDPC，Low Density ParityCheck)码的TDS-OFDM调制方案的参数进行解调。信道估计模块24和相关模块26的输出送到时域解交织器28，然后送到前向纠错模块。接收机10的输出信号14是并行或者串行的MPEG-2传送流，包括有效信号、同步和时钟信号。接收机10的配置参数可以检测并自动编程，或是手动设置。接收机10可配置的主要参数有：(1)子载波调制方式：正交相移键控(QPSK，Quad PhaseShift Keying)，16正交幅度调(QAM，Quadrature Amplitude Modulation)，64QAM；(2)前向纠错(FEC，Forward Error Correction)码率：0.4，0.6，0.8；(3)保护间隔：420或者945个符号；(4)时域解交织模式：0，240或者720个符号；(5)控制帧检测；(6)信号带宽：6，7或8MHz。
接收机10的功能模块描述如下。
自动增益控制(AGC，Automatic Gain Control)模块30将输入的数字化的信号强度和一个参考进行比较。差值经过滤波，滤波值32用于控制调谐器18的放大增益。调谐器提供的模拟信号12经过模数转换器(ADC，Analog-to-DigitalConverter)20的采样。采样以后的信号以一个较低的中频为中心。例如，用30.4MH对一个36MHz的中频信号进行采样会得到一个以5.6MHz为中心的信号。中频到基带模块22将较低的中频信号转换到基带的复信号。ADC 20使用固定的采样率。从这个固定的采样率转换到OFDM的采样率是用插值的方式在模块22中完成的。定时恢复模块33计算定时误差并误差滤波来驱动一个数控震荡器(图中未示出)，数控震荡器控制采样定时的校正值，这个值用于进行采样率转换的插值器。
在输入信号12中可能存在频率偏差。自动频率控制模块34计算这个偏差，并调整中频到基带转换时所用的中频参考频率。为了改进捕获的范围和跟踪信能，频率控制分两级完成：粗调和细调。由于发送信号经过了根方升余弦滤波，接收信号也会经过同样的处理。众所周知，TDS-OFDM系统的信号包括一个PN序列和跟随的离散傅立叶逆变换(IDFT，Inverse Discrete Fourier Transform)符号。将本地生成的PN和输入的信号进行相关，很容易找到相关峰(这样就可以确定帧开始的时刻)和其它同步信息，例如频率偏差和定时误差。信道的时域响应是基于之前得到的信号相关信息。时域响应经过快速傅立叶变换(FFT，Fast Fourier Transform)就得到频域的响应。
在TDS-OFDM中，PN序列取代了传统的循环前缀。因此有必要移除PN序列并且恢复经过信道扩展的OFDM符号。模块36恢复传统的常规的OFDM符号，可以使用一个抽头的均衡器完成均衡。FFT模块38进行3780点的FFT。根据信道的频域响应，经过FFT模块38变换的数据在信道均衡器40里进行操作。解旋转以后的信号和信道的状态信息发送到FEC进行进一步的处理。
在TDS-OFDM接收机10中，时域解交织器10用来增加抗干扰的能力。时域解交织器28是一个卷积解交织器，需要大小为B*(B-1)*M/2的存储器，其中B是分支的数量，M是深度。在本文的TDS-OFDM接收机10的实现方式中，有两种时域解交织模式，模式1，B＝52、M＝240；模式2，B＝52，M＝720。
对于解码器来说，LDPC解码器42是一个软判决的迭代解码器，例如，发射机(未示出)提供的准循环低密度奇偶校验(QC-LDPC，Quasi-Cyclic LowDensity Parity Check)码。通过共享同样的硬件，可以配置LDPC解码器42解三种不同的码率(也就是，0.4码率，0.6码率和0.8码率)的QC-LDPC码。如果达到了最大迭代次数(全迭代)，或者在误码检测和校正过程中发现已经没有误码(部分迭代)，迭代过程就会终止。
基于不同调制方式(四相移键控(QPSK，Quad Phase Shift Keying)、16正交幅度调制(QAM，Quadrature Amplitude Modulation)，64QAM)和不同编码速率(0.4，0.6，0.8)，TDS-OFDM调制/解调系统是一个多速率的系统，这里QPSK(Quad Phase Shift Keying)指正交相移键控，QAM(QuadratureAmplitude Modulation)指正交幅度调制。博斯-乔赫里-霍克文黑姆码(BCH，Bose，Chaudhuri & Hocquenghem Type of Code)解码器的输出是逐比特的。根据不同的调制方式和编码速率，率转换模块将BCH解码输出的比特合并为字节，并且调整字节输出时钟的速率，使得接收机10输出的MPEG-2包在整个解调/解码过程中均匀的分布。
BCH解码器46用于解BCH(762，752)码，这个码是由二进制BCH码(1023，1013)截短而得，生成多项式为x10+x3+1。
由于发射机中的数据在BCH编码(未示出)以前经过了PN序列的扰码，经过LDPC/BCH解码器46校正误码以后的数据必须要进行解扰。PN序列由多项式1+x14+x15生成，初始状态为100101010000000。解扰器48在每一信号帧都会被复位到初始状态。其它时刻，解扰器48将自由运行直至再次复位。低8位比特将于输入信号进行异或运算。
经过解调器不同模块的数据流描述如下。
数字地面调谐器18处理接收到的射频信息16，调谐器选择将要解调的频带并将信号16下变换到基带或低中频。经过下变换的信息12经过模数转换器20变换到数字域。
经过采样率转换器50处理以后的基带信号转换为符号表示。在保护间隔里的PN信息被提取出来，并和一个本地的PN发生器作相关，来得到时域冲击响应。时域冲击响应经过FFT运算得到估计的信道响应。相关器26也被用于定时恢复32和对接收信号的频域估计校正。接收信号中的OFDM符号信息被提取出来送到3780点FFT模块38，得到频域的符号信息。用先前得到的信道估计，OFDM符号完成均衡并送到FEC解码器。
在FEC解码器中，时域解交织模块28完成发送符号序列的解卷积，并将3780的模块送到内码LDPC解码器42。LDPC解码器42与BCH解码器46串行级联，从3780个符号中移除36个传输参数信令(TPS，Transmission ParameterSignaling)符号并处理余下的3744个符号来恢复发送的传输流信息。率转换器44调整输出数据的速率，解扰器48重建发送的流信息。一个外部的存储器52与接收机10相耦合，提供预定的或按需的存储空间。
相关模块26和傅立叶变换模块38可以合并起来改进信道估计24，这些都显示在图2、图2A中。参见图2和图2A，提出了一种改进的相关方法60。一开始，接收到的包含PN信号的Rx62，包括伴随的由信道特征引起的多个延时衰减和干扰，与原本的PN 64一起送到相关器66中，其中Rx62是接收到的过采样的数据。接收到的包含PN信号的Rx62和原本的PN 64一起在相关器66中在时域上进行相关(如图2A所示)。相关的结果经过傅立叶变换器68转换到频域上。傅立叶变换器是一个数字变换，如快速傅立叶变换(FFT)。由于采样率转换，变换后的相关信号需要在插值和截断模块70中进行，以得到用于均衡的符号信道响应，然后在确定补偿模块72中确定所需的补偿值。
可以看到，频域上的插值截断图反映了恢复的PN序列的不确切性，注意图2A中的深坑71。根据这个结果，可以产生相应得相关PN序列的校正因子。见图2A的最后一幅图，注意用来校正最大频率边沿的尖峰73。
在TDS-OFDM通信系统中，时域PN序列被作为保护间隔插入在相邻的净荷之间，净荷可能是IDFT块。当收到时域PN序列后，PN序列是由信道特征引起的多个延时和衰减的总和以及伴随的干扰。因此，需要将接收的信号和一个原本的或者本地生成的PN(例如保护间隔(GI，Guard Interval)420时的PN 255，GI 945时的PN 511)在过采样的条件下进行相关，产生过采样的信道响应。用例如FFT 68的变换器，相关信息被变换到频域。然而，频域均衡需要符号的信道响应。这通过对过采样的信道频域响应进行插值来实现，例如，线性插值。
即使没有多径，这一插值的信道在最大频率边沿时性能也有限。因此，本发明考虑了一种补偿方法来对抗这一缺点。
参见图3，流程图80描述了本发明的一个例子。步骤82，接收信号Rx传送给后续的相关；步骤84，原本PN和Rx一起传送给后续的相关；步骤86，相关器对PN和接收信号进行相关运算；步骤88，相关以后的结果经过傅立叶变换到频域，傅立叶变换一般是数字变换，例如快速傅立叶变换(FFT)；步骤90，变换的结果经过插值和截断来反映变换结果在最大频率边沿的有限性能；步骤92，确定对最大频率边沿的补偿，用来作校正。
应当注意，本发明所使用的PN序列，公开于美国专利号为7,072,289、授予杨林等人的专利，涉及的申请在此合并为一体，作为参考。
在TDS-OFDM接收机中，提出了一种利用过采样进行信道估计来完成频域的方法和设备。该方法和设备包括一个对第一个信号和第二个信号进行相关操作的相关器，一个将相关以后的信号变换到频域的变换器，以及一个插值器和截断模块，将变换以后的信号进行插值和截断，为以后的使用作参考。
上面结合附图对本发明的具体实施例进行了详细说明，但本发明并不限制于上述实施例，在不脱离本发明的权利要求的精神和范围情况下，本领域的普通技术人员可作出各种修改或改变。因此，本说明书和框图是说明性而非限制性的，同时，所有修改都包含在本发明的范围中。好处、优点、问题的解决方案以及可能产生好处、优点或产生解决方案或者变得更明确的解决方案的任何基本单元，都不会作为任何或全部权利要求中重要的、必需的或者本质的特性或原理来加以解释。后面的权利要求，包括本申请未定期间的任何改正以及与颁布的那些权利要求的所有的等同权利，单独地定义了本发明。
Claims (10)
1.一种在TDS-OFDM接收机中利用过采样进行信道估计完成频域补偿的设备，其特征在于，该设备由如下构成：
一个将第一个信号和第二个信号进行相关运算的相关器；
一个将相关以后的信号变换到频域的变换器；
一个插值器和截断模块，将变换以后的信号进行插值和截断，经过变换、插值和截断以后的信号为以后的使用作参考。
2.如权利要求1所述的在TDS-OFDM接收机中利用过采样进行信道估计完成频域补偿的设备，其特征在于，该装置进一步包括一个用参考的逆作为补偿因子的补偿模块。
3.如权利要求1所述的在TDS-OFDM接收机中利用过采样进行信道估计完成频域补偿的设备，其特征在于，所述第一个信号是接收到的、含有不确切性的伪噪声序列。
4.如权利要求1所述的在TDS-OFDM接收机中利用过采样进行信道估计完成频域补偿的设备，其特征在于，所述第二个信号是接收机本地生成的一个本地伪噪声序列。
5.如权利要求1所述的在TDS-OFDM接收机中利用过采样进行信道估计完成频域补偿的设备，其特征在于，所述伪噪声序列用作发送净荷之间的保护间隔。
6.一种在TDS-OFDM接收机中利用过采样进行信道估计完成频域补偿的方法，其特征在于，该方法由如下步骤构成：
将第一个信号和第二个信号进行相关运算；
将相关以后的信号变换到频域；
将变换以后的信号进行插值和截断，经过变换、插值和截断以后的信号为以后的使用作参考。
7.如权利要求6所述的在TDS-OFDM接收机中利用过采样进行信道估计完成频域补偿的方法，其特征在于，该方法进一步包括用参考的逆作为补偿因子。
8.如权利要求6所述的在TDS-OFDM接收机中利用过采样进行信道估计完成频域补偿的方法，其特征在于，所述的第一个信号是接收到的、含有不确切性的伪噪声序列。
9.如权利要求6所述的在TDS-OFDM接收机中利用过采样进行信道估计完成频域补偿的方法，其特征在于，所述的第二个信号是接收机本地生成的一个本地伪噪声序列。
10.如权利要求6所述的在TDS-OFDM接收机中利用过采样进行信道估计完成频域补偿的方法，其特征在于，所述的伪噪声序列用作发送净荷之间的保护间隔。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20081031 Address after: No. 1, central Tsinghua Yuan, Beijing, Haidian District Applicant after: Tsinghua University Address before: D, building 5, building 8, enlightenment building, No. 1, Zhongguancun East Road, Haidian District, Beijing, China Applicant before: Legend Silicon |
|
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20081015 |