CN101286969A - 基于可变延迟的正交频分复用定时误差校正器 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，具体为一种基于可变延迟的正交频分复用定时误差校正器。该定时误差校正器由延迟可调的样值缓存器、分段二次插值滤波器、样值控制器以及定时相位控制器组成的。样值缓存器和样值控制器分别放置在插值滤波器前后，这些组件所需的控制参数和命令都由定时相位控制器产生。本发明不使用数控振荡器(NCO)，而是通过动态调节输入信号的时序来实现平滑的重采样过程，从而避免传统方法所固有的重采样失真问题。

Description

基于可变延迟的正交频分复用定时误差校正器

技术领域

本发明属于无线通信接收机技术领域，具体涉及用于正交频分复用系统的定时误差校正装置。

背景技术

正交频分复用(OFDM)是一种具有较高频谱效率的多载波传输技术，它可以有效地实现宽带信号在有线或无线信道中的传输。由于OFDM技术将高速的数据流分割为许多低速的数据流后在多个子载波上并行传输，符号的持续时间得以延长，因此该技术能够有效地对抗符号间干扰。迄今为止，OFDM技术已经成功地应用在非对称数字用户环路(ADSL)，数字视频广播(DVB-T)、无线局域网(例如IEEE802.11a/g)、宽带无线接入(例如IEEE802.16d/e)等系统中。然而，OFDM技术有一个显著的缺点，就是对同步误差(包括载波频率误差和定时误差)非常敏感。C同步误差不仅会造成接收符号的相位发生旋转、幅度发生衰减，还会导致载波间干扰，这将使得接收机解调性能下降甚至不能正确解调。因此，为了实现OFDM信号的完全同步，接收机必须对同步误差进行校正。

定时误差的校正是OFDM接收机的同步误差校正任务的一个重要部分，其在本质上是一个信号采样速率的动态转换问题。在全数字同步方案中，不同速率的信号之间的转换必须用数字方式来实现。目前，一种广泛使用的方法是通过先对接收到的基带信号的离散采样序列进行插值、再抽取所需的信号样值来实现任意速率的转换，从而达到校正定时误差的目的。一般地，插值过程由数控振荡器(NCO)来控制。但是，这种机制忽略了这样一个事实：定时误差的存在导致插值相位不断积累，一旦超过了样值时间边界，将会导致插值器的输出采样序列出现某个采样值的丢失或重复现象，从而扰乱插值器的重采样过程。这种不稳定的采样过程将会给随后的信号检测带来灾难性的影响。

发明内容

本发明的目的在于提出一种可避免采样过程中出现失稳问题的OFDM定时误差校正器。

本发明提出的定时误差校正器由如下四个部分组成：延迟可调的样值缓存器、分段二次插值滤波器、样值控制器以及定时相位控制器。其中，延迟可调缓存器、二次分段插值滤波器、样值控制器依次相连；延迟可调缓存器接收插值前的离散采样序列y_r(m)，样值控制器输出信号插值(校正)后的离散采样序列y(n)；定时相位控制器在旧值基础上根据当前采样定时偏差的估计量

经过计算，给出整数偏差量Z_n给延迟可调缓存器，给出分数插值间隔量μ_n.给二次插值滤波器，并给出模式选择命令控制样值控制器。

由于插值滤波器只能调节小于一个采样时间单元的定时误差，在其前后分别放置一个延迟时间可调的样值缓存器和一个执行剔除/复制操作的样值控制器，旨在校正整数定时偏差量。这些组件所需的控制参数和命令由定时相位控制器产生。相位控制器利用采样定时偏差(STO)的估计量导出相位信息并决定样值的操作模式。与传统的NCO方案不同，定时相位控制器不是根据NCO产生的指示信号，而是通过简单的递推计算、在旧值的基础上根据当前STO的估计值直接更新整数定时偏差量和分数插值间隔量，并且将这些信息提供给其它相应的组件。

本发明提出的定时误差校正器不需要使用数控振荡器(NCO)，因此前面所述的重采样过程失稳问题将不复存在。总之，与基于NCO的定时误差校正器相比，本发明基于可变延迟的误差校正器能克服NCO方案固有的技术缺陷；在实现上，本发明提出的定时误差校正器仅仅是增加了一些处理延迟(最多十几个时钟周期)，但这不会影响通信的实时性。

附图说明

图1为采样信号的定时关系示意图。

图2为传统的定时误差校正方案示意图。

图3为本发明的基于可变延迟的定时误差校正器的组成结构示意图。

图中标号：1为延迟可调缓存器，2为二次分段插值滤波器，3为样值控制器，4为定时相位控制器。

具体实施方式

采样信号的插值过程可以用下面的数学模型描述：

$y\left({\mathrm{nT}}_i\right)=y\left[(m_n+{\mathrm{\μ}}_n)T_{\mathrm{os}}^{\′}\right]=\underset{i=I_1}{\overset{I_2}{\mathrm{\Σ}}}{y}_r\left[(m_i-i)T_{\mathrm{os}}^{\′}\right]\·h_I\left[(i+{\mathrm{\μ}}_n)T_{\mathrm{os}}^{\′}\right]---\left(1\right)$

其中，y_r(·)和y(·)分别是接收信号在插值前、后的离散采样序列，h_I(f)表示插值滤波器的冲激响应函数，I₂和I₁分别是插值器抽头编号的上、下限，m_n是基点标号，由下式定义：

m_n＝int[nT_i/T′_os].                             (2)

μ_n是分数插值间隔量，这是一个大于等于0且小于1的数，由下式定义：

μ_n＝nT_i/T′_os-m_n，               (3)

在(2)和(3)式中，int[]表示取整运算，T_i是两个相邻插值点之间的时间间隔，T′_os是接收机的过采样时间周期(通常也是基带A/D的工作时钟)。这些参数之间的时间关系如图1所示。

在传统的定时误差校正方案中，插值滤波器由数控振荡器(NCO)控制，即NCO向插值器提供信号插值运算所需的参数：m_n和μ_n.插值滤波器的NCO控制方案如图2所示。

本发明中，定时相位控制器不使用NCO，而是通过简单计算、在旧值的基础上根据当前STO的估计量直接更新整数定时偏差量和分数插值间隔量。下面给出递推计算公式的推导过程。

在时刻n和n+1依次进行两次插值运算，很容易导出以下递推公式：

m_n+1+μ_n+1＝m_n+T_i/T′_os+μ_n.           (4)

由于0≤μ_n+1＜1，两次插值所对应的基点标号的增量是：

Δm_n＝m_n+1-m_n＝int[T_i/T′_os+μ_n].            (5)

T_i/T′_os的值由决定。考虑到 $T_i=T^{\′}/(1+\widehat{\mathrm{\δ}})$ 和T′_os＝T′_os/T′/R_os是过采样率)，可以得到：

$T_i/T_{\mathrm{os}}^{\′}=R_{\mathrm{os}}/(1+\widehat{\mathrm{\δ}}).---\left(6\right)$

于是(5)式可以重新写为：

${\mathrm{\Δm}}_n=\mathrm{int}[R_{\mathrm{os}}/(1+\widehat{\mathrm{\δ}})+{\mathrm{\μ}}_n].---\left(7\right)$

从(4)和(7)式可以导出：

${\mathrm{\μ}}_{n+1}={\mathrm{\μ}}_n+R_{\mathrm{os}}/(1+\widehat{\mathrm{\δ}})-{\mathrm{\Δm}}_n.---\left(8\right)$

而整数定时偏差量z_n可以按照下式进行更新：

z_n+1＝z_n+Δm_n-R_os.                 (9)

(7)～(9)三式就构成了计算整数定时偏差量和分数插值间隔量的递推计算公式。

延迟可变缓存器能够自动调节输出采样序列的延迟时间，从而向插值器提供一个平滑采样的数据流。如果接收信号存在负的整数定时偏差量，缓存器的延迟长度将增加，反之则减少延迟时间。如果整数定时偏差为零，信号的延迟时间将为一个固定值。放置在插值器之后的样值剔除/复制器是必不可少的组件，因为它能将缓存器的长度限定在一个可接受的范围之内。如果没有这样一个样值控制器，在持续传输模式中缓存器的长度将是无限。有了这个组件，它就可以通过剔除或复制一个基带域的采样信号来使整数定时偏差始终落在预先定义的区间，从而信号缓存器永远不会溢出。样值控制器有三种工作模式：正常模式，剔除模式和复制模式。当前工作模式由定时相位控制器决定。

在时刻n，缓存器的延迟长度由下式决定：

D_n＝D_fix-z_n.                           (10)

其中D_fix是不存在整数定时偏差时的固定时延。假设整数偏差z_n从区间[Z_min，Z_max](Z_min是负整数，Z_max是正整数)取值，于是缓存器的长度就是Z_max-Z_min。为了使其尽可能地小，有必要将z_n限定在一个小区间里。例如，考虑一个整数区间[-R_os，2R_os-1]。如果0≤z_n≤R_os-1，剔除/复制器处于正常模式。然而，当z_n落在[0，R_os-1]之外，下一个接收到的OFDM符号中循环前缀部分的一个样值将会被复制或剔除，与此同时从旧值中增加或减去R_os从而将当前的定时偏差量重新设回区间[0，R_os-1]。对于所有的OFDM系统，即使存在大如100ppm的采样时偏量，一个OFDM符号持续期间积累的定时相位误差也不会超过一个基带采样时间单元，因此整数区间[-R_os，2R_os-1]足以确保整个误差校正过程正确进行。

Claims (3)

1、 一种基于可变延迟的正交频分复用定时误差校正器，其特征在于由如下四个部分组成：延迟可调的样值缓存器、分段二次插值滤波器、样值控制器以及定时相位控制器；其中，延迟可调缓存器、二次分段插值滤波器、样值控制器依次相连；延迟可调缓存器接收插值前的离散采样序列y_r(m)，样值控制器输出信号插值后的离散采样序列y(n)；定时相位控制器在旧值基础上根据当前采样定时偏差的估计量，经过计算，给出整数偏差量Z_n给延迟可调缓存器，给出分数插值间隔量μ_n给二次插值滤波器，并给出模式选择命令控制样值控制器。

2、 根据权利要求1所述的定时误差校正器，其特征在于所述定时相位控制器中关于Z_n和μ_n的更新计算公式如下：

${\mathrm{\μ}}_{n+1}={\mathrm{\μ}}_n+R_{\mathrm{os}}/(1+\widehat{\mathrm{\δ}})-\mathrm{\Δ}{m}_n,$

z_n+1＝z_n+Δm_n-R_os，

其中， $\mathrm{\Δ}{m}_n=\mathrm{int}[R_{\mathrm{os}}/(1+\widehat{\mathrm{\δ}})+{\mathrm{\μ}}_n],$

R_os是过采样率，

为当前采样偏差估计量。

3、 根据权利要求1所述的定时误差校正器，其特征在于所述样值控制器的操作模式有：正常模式、剔除模式和复制模式。

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