CN101480009A - 用于块传输信号的前同步码结构的设计及其接收机 - Google Patents

Abstract

公开了一种具有考虑增加带宽效率的专门前同步码(410)的通信信号。该专门前同步码由一系列重复块(412)构成，其中每个块由一系列符号a₀，…，a_N构成，每个符号如公式(I)所定义，n＝0，…，N。所述系列符号还被称为“复数二次”(CQ)序列。本申请还公开了适于使用专门前同步码执行频率偏移估计、时钟同步和信道估计的通信装置。

Description

用于块传输信号的前同步码结构的设计及其接收机

技术领域

本公开涉及基于分组的通信系统领域。

背景技术

典型地，对于传统的块传输方法，诸如正交频分多路复用(OFDM)或单载波块传输(SCBT)，使用基于分组的协议的传输系统，发送和接收的每个分组由之前加有前同步码(preamble)的数据字段构成。每个数据字段将通常包括数据比特流、报头和某种形式的数据校验。每个前同步码将包括被专用于(1)同步，(2)频率偏移估计和(3)信道估计的一连串的两个或三个独立的部分。在这些块传输方案中，还典型地在块中发送前同步码，每个块被某种形式的缓冲器分离，诸如零填充(ZP)缓冲器或循环前缀(CP)缓冲器，即根据循环冗余符号形成的缓冲器。

尽管上述分组结构已经被使用了很长时间，但是某些数据通信系统的增长需求已经对提高系统性能以便使用相同可获得的带宽传送更多数据施加了增加的压力。因此，期望涉及有效发送和接收分组信息的新技术。

发明内容

在第一实施例中，一种通信装置，被配置用于供传输具有专门前同步码的通信信号而使用，该专门前同步码考虑增加的带宽效率。该通信装置包括被配置用于操作诸如OFDM或SCBT信号的块传输方案的第一装置，所述信号具有等于N的块大小，其中N是大于1的整数，块传输信号具有前同步码，该前同步码具有的符号配置使前同步码的所有符号的百分比的每个能够被用于频率偏移估计、时钟同步和信道估计中的全部。

在第二实施例中，一种用于块传输通信信号的接收和数据提取的方法包括接收块传输通信信号，该信号具有等于N的块大小，其中N是大于1的整数，以及使用前同步码中的公共符号集合执行频率偏移估计、时钟同步和信道估计中的至少两个。

在第三实施例中，提出一种通过传输介质传播的电磁波。电磁波包括块传输信号，该信号具有等于N的块大小，其中N是大于1的整数，每个信道具有包括符号的重复块的前同步码，其中从复数二次序列(complex quadratic sequence)推导每个符号。

附图说明

当参考以下附图阅读时，根据以下详细的描述，示例性实施例被最佳地理解。值得强调的是，各种特征没有必要按比例绘制。实际上，为了清楚讨论起见，尺寸可以被任意地增大或减小。在任何可应用和实际的情况下，相同的附图标记表示相同的单元。

图1是根据本公开的示例性通信系统；

图2是示例性接收机的方框图；

图3是概述针对块传输分组的接收、处理和数据提取的各个示例性操作的方框图；以及

图4描述本公开的各个方法和系统使用的示例性通信波形。

具体实施方式

在以下详细的描述中，为了说明而不是限制的目的，阐述公开具体细节的示例性实施例以便提供根据本发明教导的实施例的全面理解。但是，受益于本公开教导的本领域普通技术人员将会明白从这里公开的具体细节出发的根据本发明教导的其他实施例保持位于所附权利要求书的范围内。而且，熟知设备和方法的描述可以被省略以便不模糊示例性实施例的描述。这些方法和设备显然位于本发明教导的范围内。

典型地，在诸如OFDM或SCBT传输系统的基于分组的块传输系统中，在每个分组的开始发送时域和频域训练序列。相应的接收机使用这些训练序列用于信号同步(SYNC)、频率偏移估计(FOE)和信道估计(CE)。例如，MB-OFDM UWB通信系统的时域序列具有等于24个OFDM符号的长度而相应的频域序列具有等于6个OFDM符号的长度。该时域序列被用于同步和频率偏移估计而频域序列被用于信道估计。典型地使用循环前缀(CP)或零填充(ZP)分离这些OFDM信号。尽管该方法遵循简单的范例，它需要长的前同步码，这进而又减小系统的带宽效率。在高速率通信系统中减小这种前同步码开销以便提高系统的带宽效率是有益的。

通过减小前同步码开销，即通过减小前同步码中需要的符号数量，以及缩短一旦分组被接收处理该分组的前同步码所需的时间，本发明方法和系统能够提高效率。

图1是根据本公开的示例性通信系统100。如在图1中所示，通信系统100具有通过中间传输介质150耦合的信号源140和信号目的地160。中间传输介质150具有固有的信道响应h[t]和增加的噪声源η₀，该响应具有固有的延迟t_TAU。示例性通信系统100使用基于分组的块传输方法进行通信。

但是，不像传统的基于分组的块传输系统，示例性的通信系统100能够使用具有特殊前同步码的分组进行通信，该前同步码适合于增加的带宽效率和并行处理。

图4描述本公开的方法和系统使用的示例性块传输分组400的实例。如在图4中所示，块传输分组400包括前同步码410和数据字段420。前同步码410包括符号的重复块412。数据字段包括数据424和零或循环前缀422的交替块。

如在图4中进一步所示，每个前同步码块412能够由一系列符号a₀...a_N-1构成，每个符号a_n通过以下EQ.1定义：

$a_n=e^{-j\frac{\mathrm{\π}}{8}}{e}^{j\frac{\mathrm{\π}}{N}{n}^2},n=0,...,N-1---\mathrm{EQ}.1$

该方程有时被称为“复数二次”(CQ)序列，在通信领域中是已知的，但是从未以所公开方法和系统的发明人所开发的各种方式被应用。

复数二次序列的第一个优点在于它是循环正交的。也就是，复数二次序列正交于基于本身的循环移位的任何序列。由于这些序列消除了块之间的任何循环前缀或零填充的需要，因此复数二次序列的这种特性使其对于块传输系统的基于相关的同步是非常好的选择。这本身能够充分地减小前同步码开销。

使用复数二次序列的另一个优点在于它在时间中具有恒定的功率即|a_n|＝1。复数二次序列的这种特性能够允许以较高的功率发送前同步码而不在接收机侧陷入功率放大器非线性。

复数二次序列的再一个优点能够通过查看复数二次序列的离散傅立叶变换(DFT)被发现，这在以下EQ.2中被显示：

$A_k=e^{\frac{\mathrm{\π}}{8}}{e}^{-j\frac{\mathrm{\π}}{N}{k}^2},k=0,...,N-1---\mathrm{EQ}.2$

EQ.2的分析揭示复数二次序列还具有在频率上具有恒定的功率，即|A_k|＝1。对于OFDM通信系统，这种特性使得能够在整个带宽上，即在全部子载波上感测信道。

所以，对于信道估计目的CQ序列能够是较佳的选择。

应该注意到每个前同步码块不需要由N个符号构成，但是对于更实际的应用可替换地能够具有较少的符号。而且，前同步码块的长度可以不固定。也就是，在相同的前同步码中可以使用具有不同长度的CQ序列。取决于各种因素，可以预期优良的块长度从一个实施例到另一个实施例发生变化。

图2是示例性接收机160的方框图。如在图2中所示，该示例性的接收机包括控制器210、存储器220、相关装置230、同步装置240、频率偏移估计装置250、信道估计装置260和输入/输出装置290。经由控制/数据总线202链接各种组件210-290。

尽管图2的示例性接收机160使用总线体系结构，但是应该理解可以使用如对于本领域普通技术人员已知的任何其他体系结构。例如，在各个实施例中，各个组件210-290能够采取经由在高度专用体系结构中安排的一系列分离的总线或专用逻辑的集合被耦合在一起的分离电子组件的形式。

还应该理解以上列出的组件230-290中的部分组件能够采取驻留在存储器220中并且能够通过控制器210执行的软件/固件例程的形式，或者甚至采取驻留在分离服务器/计算机的分离存储器中通过不同控制器执行的软件/固件例程的形式。

在操作中，在控制器210的控制下被检测/被解调的块传输分组能够经由输入/输出装置290被接收并存储在存储器220中。接下来，使用相关装置230能够将接收的分组与训练序列进行相关以便确定是否有效的分组已经到达。

一旦有效的分组被检测到，控制器210就能够从分组提取前同步码和提供该前同步码的相同拷贝给同步装置240、频率偏移估计器250和信道估计器260。

尽管没有接收机160执行任何并行处理的特定要求，但是如上所述，图4的示例性分组400的前同步码唯一地适合于并行处理。也就是，当每个信道的前同步码由包含循环正交序列的块重复构成时，不同的时域和频域序列不需要被用于同步、频率偏移估计和信道估计。因此，能够使用相同的符号块与同步并行地执行频率偏移估计和校正以及信道估计。对于本实施例，应该理解同步能够被并行于频率偏移估计和信道估计其中之一或二者执行。

但是，为了执行正确的信道估计，可以首先考虑频率偏移。因此，频率偏移估计装置250能够对前同步码执行频率偏移估计。通过测量两个相继块中的(通过相关装置产生的)相似峰值之间的相位旋转能够估计任何频率偏移。为了更精确的估计，可以对来自不同块对的估计值进行平均。典型地，频率偏移仅仅采用两个重复的块，但是当然性能和性能要求能够根据非常多的情况而广泛地变化。

一旦频率偏移估计装置250已经提供适当的频率偏移信息给信道估计装置260，信道估计装置260就能够正确地估计初步的信道估计。

应该注意到，当循环正交序列被使用时，当不存在频率偏移噪声时，相关器的输出应该表示分组传输通过的通信信道。换言之，在不存在噪声和频率偏移时，在相关器的输出中M个相继采样的任何块能够类似具有未知循环移位的精确的信道冲激响应。因此，当没有噪声存在时，能够使信道估计装置260的任务变简单。

但是，当存在噪声时，信道估计装置260能够通过对大量的相继块进行平均导出较佳的信道估计(假设频率偏移被校正)。

尽管频率偏移估计装置250和信道估计装置260一起工作，同步装置240能够独立地通过在时间相关期间寻找大的峰值执行同步过程。假设典型的信道模型(例如具有指数衰减)，这种方法能够提供优良的估计。为了保证较高的同步成功概率，在顺序重复块中的相同的相对位置中能够需要不止一个峰值(通常是3-4个峰值)。换言之，如果系统观测到三个相继的块在相同的位置中产生大的峰值，就能够以高的置信度来假设这些峰值的位置是正确的同步时间。

在同步装置240导出正确的同步时间之后，同步装置240能够给信道估计装置260提供正确的同步时间。

回过来，假设信道估计装置260已经考虑频率偏移和(可选地)噪声产生正确的初步信道估计，信道估计装置260就能够循环地移位初步的信道估计以产生正确的信道估计。

应该注意到，只要用于同步的块数量大于用于频率偏移估计或信道估计的块数量，则能够合理地保证用于信道估计和频率偏移估计的接收数据包含发送的训练序列(与无用信息(garbage)成对比)。通常使用2个块能够获得信道和频率偏移估计，在具有优良峰值的3或4个块之后能够确认所述同步。

一旦信道估计装置260已经估计正确的信道估计，控制器210就能够使用该信道估计从已接收分组的数据部分提取数据。

图3是阐述针对块传输分组的接收、处理和数据提取的各个示例性操作的方框图。该处理在步骤302中开始，在该步骤中，接收诸如图4中块传输分组400的块传输分组。接下来，在步骤304中，将接收的分组与预定的训练序列进行相关以便保证其中有效的分组已经被接收。然后，在步骤306中，从所述接收的分组提取前同步码，以及识别前同步码的第一块。控制继续进行到步骤310。

在步骤310中，根据大量的中间步骤312-320处理第一分组，该处理能够(可选地)以并行的方式被执行。

在处理的第一行中，控制利用步骤312开始，在该步骤中能够执行频率偏移估计过程。接下来，在步骤314中，假设在步骤312中能够估计正确的频率偏移，就能够有条件地执行频率偏移校正过程。然后，在步骤316中，利用在能够导出正确的初步信道估计之前应该考虑频率偏移和噪声的解释能够执行信道估计过程。控制继续进行到步骤330。

在处理的第二行，控制开始于执行同步过程的步骤312。控制继续进行到步骤330。

在步骤330中，确定步骤320的同步过程是否被成功地执行。如上所讨论，当在块中特定位置的相关器的输出中找到强的输出脉冲时可以确定同步。但是，由于通过处理多个块可以具有更高水平的置信度，因此通过定义，同步可以需要处理多个块。如果成功的同步被确定将要被产生；控制继续进行到步骤332；否则，控制跳到步骤340。

在步骤340中，假设未成功的同步，则确定在前同步码中的最后可用的块是否要在步骤310中被处理。如果前同步码中最后可用的块被处理，控制继续到步骤342，在该步骤中错误报告被发送到某些相关的控制电路，以及所述处理在步骤390结束。

如果前同步码中最后可用的块未被处理，控制跳到步骤350，在该步骤中识别前同步码中的下一个顺序的块。控制然后跳回到步骤310，在该步骤中对下一个被识别的块执行上述频率偏移估计、频率偏移校正、信道估计和同步步骤312-320。

在步骤332中，假设成功的同步在步骤330处理，则步骤320产生的同步偏移能够被应用于步骤316的初步信道估计输出以循环移位信道估计输出-因此产生正确的信道估计。接下来，在步骤334中，能够使用正确的信道估计从接收分组的数据部分提取数据，以及控制继续进行到步骤390，所述处理在该步骤结束。

在使用可编程装置，诸如基于计算机的系统或可编程逻辑实现上述系统和/或方法的各个实施例中，应该理解能够使用任何各种已知的或将来开发的编程语言，诸如“C”、“C++”、“FORTRAN”、“Pascal”、“VHDL”等等实现上述系统和方法。

因此，能够准备诸如计算机磁盘、光盘、电子存储器等等各种存储介质，这些存储介质能够包含指令诸如计算机的装置实现上述系统和/或方法的信息。一旦适当的装置能够存取在存储介质上包含的信息和程序，存储介质能够提供该信息和程序给所述装置，从而使得该装置能够执行上述系统和/或方法。

例如，如果包含诸如源文件和对象文件、可执行文件等等的适当资料的计算机盘被提供给计算机，该计算机能够接收信息，正确地配置本身和执行在以上附图和流程图中阐述的各种系统和方法的功能以便实现各种功能。也就是，计算机能够从盘接收涉及上述系统和/或方法的不同单元的信息的各个部分，实现各个系统和/或方法以及协调上述各个系统和/或方法的功能。

根据详细的描述本发明教导的许多特征和优点是明显的，因此，后附的权利要求书意图覆盖落入本发明教导精神和范围内的本发明教导的所有这些特征和优点。进一步，由于对于本领域普通技术人员来说，易于发生大量的修改和变型，所以并不想要限制本发明为图示和描述的确切结构和操作，相应地，可以诉诸落入本发明范围内的所有适当的修改和等同物。

Claims (23)

1.一种通信装置，被配置用于使用具有专门前同步码的通信信号，该专门前同步码考虑增加的带宽效率，该通信装置包括：

被配置用于操作块传输信号的第一装置，所述信号具有块大小N，其中N是大于1的整数；

其中，所述块传输信号具有前同步码，该前同步码具有的符号配置使前同步码的所有符号的至少一个符号每个都能够被用于频率偏移估计、时钟同步和信道估计中的全部。

2.根据权利要求1所述的通信装置，其中，所述块传输信号具有前同步码，该前同步码具有的符号配置使前同步码的所有符号的至少50％每个都能够被用于频率偏移估计、时钟同步和信道估计中的全部。

3.根据权利要求2所述的通信装置，其中，所述块传输信号具有前同步码，该前同步码具有的符号配置使基本上前同步码的所有符号每个能够被用于频率偏移估计、时钟同步和信道估计中的至少两个。

4.根据权利要求1所述的通信装置，其中，所述前同步码是循环正交的。

5.根据权利要求4所述的通信装置，其中，所述前同步码使用没有零填充或循环前缀。

6.根据权利要求4所述的通信装置，其中，所述前同步码具有这样的符号配置，即每个符号具有相等的幅度以及具有基本上平坦的频率响应。

7.根据权利要求1所述的通信装置，其中，所述通信信号是正交频分多路复用(OFDM)信号。

8.根据权利要求6所述的通信装置，其中，所述前同步码由符号的重复块构成，其中通过以下方程确定重复块的每个符号值a_n：

$a_n=e^{-\frac{\mathrm{\π}}{8}}{e}^{j\frac{\mathrm{\π}}{N}{n}^2},n=0,...,N-1$

其中n是符号数量。

9.根据权利要求8所述的通信装置，其中，所述第一装置是接收机的一部分。

10.根据权利要求9所述的通信装置，其中，所述第一装置包括用于估计频率偏移的频率偏移估计装置，用于估计接收信号的定时的同步装置和用于估计接收信号的信道响应的信道估计装置，其中所述同步装置被配置用于与频率偏移估计装置和信道估计装置中的至少一个并行地操作。

11.一种用于块传输通信信号的接收和数据提取的方法，该方法包括：

接收块传输通信信号，该信号具有长度为N的块大小，其中N是大于1的整数；

使用块传输通信信号的第一前同步码中的公共符号集合对第一块传输通信信号执行频率偏移估计、时钟同步和信道估计中的至少两个。

12.根据权利要求11所述的用于接收和数据提取的方法，还包括使用第一前同步码中的公共符号集合执行频率偏移估计、时钟同步和信道估计中的所有三项。

13.根据权利要求12所述的用于接收和数据提取的方法，其中，第一前同步码中的公共符号集合包括符号的重复块。

14.根据权利要求13所述的用于接收和数据提取的方法，其中，通过以下方程确定重复块的每个符号值a_n：

$a_n=e^{-\frac{\mathrm{\π}}{8}}{e}^{j\frac{\mathrm{\π}}{N}{n}^2},n=0,...,N-1$

其中n是符号数量。

15.根据权利要求12所述的用于接收和数据提取的方法，其中，时钟同步的步骤与频率偏移估计和信道估计的步骤中的至少一个并行地执行。

16.根据权利要求12所述的用于接收和数据提取的方法，其中，所述时钟同步的步骤包括在运行功率谱检测处理期间检测大的峰值。

17.根据权利要求16所述的用于接收和数据提取的方法，其中，所述时钟同步的步骤包括在对符号的一系列重复块的多个块的运行功率谱检测处理期间在公共位置检测多个大的峰值。

18.根据权利要求13所述的用于接收和数据提取的方法，其中，所述时钟同步的步骤需要比频率偏移估计和信道估计中的任何一个步骤使用至少一个更多的块。

19.根据权利要求13所述的用于接收和数据提取的方法，其中，所述第一前同步码不包含零填充或循环前缀。

20.根据权利要求13所述的用于接收和数据提取的方法，其中，信道估计的步骤包括在多个前同步码块上平均噪声。

21.一种通过传输介质传播的电磁波，该电磁波包括：

块传输通信信号，该信号具有等于N的块长度，其中N是大于1的整数，前同步码包括符号的重复块，通过以下方程确定重复块的每个符号值a_n：

$a_n=e^{-\frac{\mathrm{\π}}{8}}{e}^{j\frac{\mathrm{\π}}{N}{n}^2},n=0,...,N-1$

其中n是符号数量。

22.根据权利要求21所述的电磁波波提取，其中，所述前同步码不包含零填充或循环前缀。

23.根据权利要求21所述的电磁波波提取，其中，所述电磁波由正交频分多路复用(OFDM)通信信号构成。

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