CN101675637A - 所选ofdm子载波之间的fft扩展 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于频率选择性衰落信道的改进通信系统，在发射机处使用离散傅里叶变换(FFT)在许多OFDM子载波上对数据承载调制符号进行扩展，并且在接收机处使用离散傅里叶反变换(IFFT)对这些数据承载调制符号进行解扩。在发射机处包括IFFT以用通常方式来形成OFDM符号，并且在接收机处使用相应的FFT用于对接收到的信号进行频域处理。区别在于：用于在发射机处进行扩展的FFT的大小小于在FFT之后用来创建用于传输的ODFM符号的IFFT的大小。这产生类似于单一载波块传输(SCBT)的改进误码率，同时保留传统OFDM的频域优点，例如，低带外发射以及使用主动干扰消除和其它频域技术来控制功率谱密度的能力。在WLAN或WiMedia物理层标准的较高数据速率模式中，以及在采用低冗余前向纠错的其它情况中，增强的频率分集是特别有用的。

Description

所选OFDM子载波之间的FFT扩展

技术领域

本发明涉及通信系统，更具体地，涉及正交频分复用设备和方法。

背景技术

存在由IEEE标准定义的无线局域网(WLAN)的三种不同变型：例如(1)802.11a、(2)802.11b以及802.11g。IEEE-802.11a在5GHz频带中操作，而802.11b和802.11g在2.4GHz ISM频带中操作。使用多种数据速率以及调制技术来对从1Mb/s变化至54Mb/s的数据速率进行编码。所有这些系统使用时分多址，并在可变长度的帧中传输数据。每个IEEE标准还指定具有固定时间和占空比率的若干测试模式。

802.11b WLAN发射机可以使用二进制相移键控(BPSK)或者正交相移键控(QPSK)。功率包络中的调制对峰均功率比有影响。802.11a和802.11g WLAN发射机可以使用正交频分复用(OFDM)，OFDM使用四十八个分离的数据子载波以及四个导频载波。在每个载波上相应地使用较低的数据速率。该系统的优点是可以减少由高数据速率多路径传播引入的错误。基于OFDM的系统与常规单一载波系统相比具有较高数据速率和较长范围。使用各种调制方案来传递数据，从例如从使用BPSK的最低数据速率到使用64状态正交幅度调制(64QAM)的54Mb/s的范围。

单一载波传输系统需要脉冲整形滤波器来减少带外频谱，带外频谱由直接使用典型的QAM调制方案而产生。典型地，使用对根升余弦脉冲波形的近似来在时间域中实现该滤波器，与调制波特率相比较，该波形具有额外带宽α，使得在3dB点处总占用带宽是B(1+α)。额外带宽的紧密控制需要较长的脉冲整形滤波器来充分表示脉冲响应，并且当实现为数字FIR滤波器时在计算上是不可行的。备选地，可以使用模拟脉冲整形，该模拟脉冲整形遭受分量容限的可变性问题，并且对理想根升余弦响应的不良近似。

也已经研究了OFDM的Walsh-Hadamard扩展。困难在于仅对于具有2的幂所给出的长度的块定义了Walsh-Hadamard变换。所以，当要在适当位置保持导频符号时，仅可以使用非常小的Walsh-Hadamard扩展块长度，并且限制了可以获得的频率分集。

OFDM有效地利用带宽，并且没有额外带宽要求。所需的是一种实现起来经济并且具有OFDM频率域优点的传输方案。应当通过频率选择性衰落信道获得的最可能的频率分集。该衰落对于室内WLAN和UWB来说是非常典型的。并且具体地，所需的是使用高速率前向纠错来使通信信道中可能的数据速率最大化的能力。

发明内容

在示例实施例中，一种用于频率选择性衰落信道的改进通信系统在发射机处使用离散傅里叶变换(FFT)在许多OFDM子载波上对数据承载调制符号进行扩展，并且在接收机处使用离散傅里叶逆变换(IFFT)对这些数据承载调制符号进行解扩。在发射机处包括IFFT以用通常方式形成所述OFDM符号，并且在接收机处使用相应的FFT用于对接收到的信号进行频域处理。实质改进在于：用于在发射机处进行扩展的FFT的大小小于就在FFT之后用来创建用于传输的ODFM符号的IFFT的大小。

本发明的上述概述并不意在代表本发明的每个公开的实施例、或者每个方面。在附图和以下详细描述中提供了其它方面和示例实施例。

附图说明

结合附图，考虑以下本发明的各个实施例的详细描述，可以更完整地理解本发明，其中：

图1是本发明的OFDM无线发射机实施例的功能框图，并且包括M点复数FFT，该M点复数FFT比其后的N点复数IFFT具有更小；

图2示出了本发明的OFDM无线接收机实施例的功能框图，并且包括N点复数FFT，该N点复数FFT比其后的M点复数IFFT更大；

图3是代表图1和2中的发射机和接收机组合中通过对符号的FFT扩展而获得的改进误码率(BER)性能的图；

图4示出了移除了传统OFDM导频子载波的功率谱密度；以及

图5示出了移除了导频子载波的本发明实施例的功率谱密度。

具体实施方式

尽管本发明应该服从各种的修改和备选形式，本发明的说明书已在附图中作为示例示出，并且将详细描述该细节。然而，应当理解本发明不限于描述的具体实施例。相反地，本发明将覆盖落入由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的所有修改、等同物以及备选。

OFDM是有效地将总系统带宽分为多个(N)正交子带、频调(tone)、子载波、箱(bin)、频率信道等的多载波调制技术。传统上，每个子带与可以利用数据进行调制的相应子载波相关联。

射频(RF)调制信号可以通过多条信号路径从发射机传播到接收机，通常具有不同的延迟。接收到的信号包括传输信号的多种情况，分别具有不同的振幅和相位。无线信道中的这种时间扩散引起频率选择性衰落，例如在系统带宽上变化的频率响应。在OFDM系统中，许多子带中分别经历不同的有效信道，并且从而具有不同的复数信道增益。

为了更有效率地接收每个子带上的数据，则需要发射机和接收机之间的每个无线信道的增益估计。通过从发射机发送所选子带上的导频并且在接收机测量每个导频的结果来实现这样的信道估计。每个导频由接收机预期的标准调制符号构成。对于每个导频传输子带来说，可以将信道响应估计为接收到的导频符号与已知的已传输的导频符号的比值。然后可以对散布在导频中的每个数据子带的估计进行插值。

导频传输代表OFDM系统中的开销，所以将导频传输的数目保持为最小。通过在总共N个子带的子集上发送导频符号，导频符号可以用于获得对感兴趣的所有子带的信道估计。信道估计计算工作量可以是实质上的，例如在接近频带边缘不传输数据/导频的频谱成形系统(spectrally shaped system)中，以及不能在零、DC、或者其它特定子带上传输数据/导频的系统中。

图1示出了本发明的改进的无线发射机实施例，并且在这里一般由参考数字100指示。发射机100输入M复数符号102作为用于M点复数快速傅里叶变换器(FFT)104的数据。这产生M复数值106。将N-M个导频和零子载波108加入M复数值。所以子载波映射器110将对N个子载波进行映射，其中，M个子载波是数据子载波，剩余的是导频和零子载波。将N个子载波112输入至N点复数快速傅里叶逆变换(IFFT)114。这产生N个子载波116，在块118中对子载波116给出循环/零前缀。然后将N+N_CP子载波120输入至功率放大器122，功率放大器122向无线发射机天线124提供数模转换(DAC)、射频(RF)载波、以及放大。

通过使用IFFT 114，改进的发射机100保留了OFDM的频域特性。然而，并不是将所有可用的N个子载波分配给数据传输。对一些子载波给予零值，例如，在DC和在频谱边缘处。对其它子载波给予预定值以作为导频子载波，稍后在接收机处用于信道均衡计算。最好保留用于零值子载波和导频子载波的惯用OFDM分配，以免改变来自改进的发射机100的信号的频域功率掩膜(mask)。

在传统OFDM方案中，直接将数据承载子载波分配给所有调制符号。在本发明中，从FFT块104的输出馈送数据承载子载波106，由要传输的调制符号的集合来提供FFT块104的输入。FFT的大小要小于用于创建最终传输信号的IFFT，差值是所使用的导频和零值子载波的数目。如OFDM系统中典型的，将零值后缀或者循环前缀应用于每个OFDM符号。

图2示出了本发明的OFDM无线接收机实施例，并且在这里一般由参考数字200指示。天线202从发射机100向低噪声放大器(LNA)、信道滤波器以及模数转换(ADC)块204提供无线信号。脉冲串同步检测器206恢复N+N_CP子载波208，以用于循环前缀(CP)移除和重叠及添加操作块210。仅将原始数据子载波N 212转发至N点复数FFT块214，同样N＞M。将N个输出值216输入至最小均方估计(MMSE)块218。将脉冲同步的采样220提供给信道和SNR估计器222。计算用于MMSE均衡器块218的SNR估计224，以及用于N个子载波中的每一个的信道估计226。子载波解映射块228产生M个数据承载子载波230。并且M点复数IFFT块232产生恢复的M复数符号234，该恢复的M复数符号234是最初输入至发射机100的。

在接收机200中，模拟和混合信号硬件遵循直接或者外差下变频、信道滤波以及以至少等于期望信号的带宽的采样率进行模数转换。脉冲同步配备大小与输入OFDM符号对准的N+N_CP样本块。循环前缀移除从选择N个样本的恰当相邻集合开始，该N样本的恰当相邻集合以循环前缀中最优选的样本开始。在零后缀传输的情况中(例如WiMediaMB-OFDM)，重叠和添加操作可以应用于，利用信道脉冲响应来模仿循环卷积的效果。虽然以一些噪音增强为代价。具有类似效果的其它技术也是有用的。

针对发射机100的接收机200与传统OFDM接收机的不同之处在于，接收机的频域均衡基于每个子载波复数信道抽头系数的估计，并且基于主要的信噪比(SNR)的估计，使用最小均方估计(MMSE)导出抽头(derived taps)。快速傅里叶逆变换(IFFT)适用于分配用于数据传输的子载波的子集，从而对发射机100中的FFT 104实现的动作进行逆变换。

提供M复数调制符号作为用于频域扩展的M点FFT块的输入。所以FFT大小不等于2的某次幂。可以通过确保FFT的长度仅由小素因子构成来使变换非常高效。例如，如果在可能的N＝128中使用M＝100个子载波用于数据，则可以使用2x2x5x5来分解FFT。

对子载波进行映射，使得在N个可用的FFT输入中分配M个FFT输出。添加导频载波，并且优选地，在M个数据承载子载波之中平均分布导频载波。通过使用来自可用标准的现有映射方案来保留之前OFDM方案的频谱特性，同时提供SCBT方案的传输性能优点是可能的。

在映射之后，执行N点IFFT，其中，典型地但不是必需，N是2的幂。IFFT必须具有足够的比特精度以充分地表示M点FFT的输出，但这仅仅是用于正常OFDM接收所需的精度。

优选地，通过循环前缀(例如，在无线LAN中使用的)或者作为备选的添加零(例如在WiMedia MB-OFDM中使用的)来增加N点IFFT的输出。其目的是允许利用信道脉冲响应自然发生的线性卷积有效率地变为循环卷积，允许在接收机中将频域乘法用作补充循环去卷积。基于频率域信道估计，这极大地简化了接收机中的信道均衡，通过适当设计的脉冲前置码来协助该频域信道估计。

最后，提供典型的传输步骤和电路，包括：上采样、数模转换、直接或外差上转换至合适的载波频率和RF功率放大。

N点复数FFT允许在频域中执行进一步信号处理，具体地，信道均衡。MMSE均衡器218具有针对每个频域采样的单一复数抽头。第i个抽头的权重是， ${\mathrm{MMSE}}_i=\frac{H_i^{*}}{H_i{H}_i^{*}+(1/\mathrm{SNR})},$ 其中H_i是第i个子载波的信道估计，并且SNR是可应用于正接收的脉冲串的信噪比的局部估计。可以包括其它类型的扩充的均衡器结构(包括时间域中的判定反馈均衡器(DFE)处理)以提高性能。

在频率均衡之后，以恰当顺序(例如，去映射的)选择M个数据承载子载波230。块232中的逆FFT对最初传输的符号234进行恢复。之后是对数似然率值(log-likelihood ratio values)、软符号(soft symbol)的顺序导出、去交织以及前向纠错。

图3示出了通过本发明的符号的FFT扩展所获得的改进的误码率(BER)性能。进行了与WiMedia的MB-OFDM物理层类似的3/4比率卷积编码的QPSK系统的模拟。控制情况是标准的OFDM处理，用作已在图3中标记为SCBT-LE的新方案的参考。

从图3中可以看到，本发明的改进的频率分集是显著的。可以从BER曲线的斜率估计出有效的分集阶数，并且与传统OFDM相比该改进接近两倍。

图4示出了在移除了导频子载波之后的传统OFDM的功率谱密度。图5示出了移除了导频子载波的本发明的实施例的功率谱密度。

可以通过图4和5的检验来比较两种方案的功率谱密度掩码。为了示意性的需要，在两种情况中都已经省略了导频载波。显而易见地，OFDM信号的频域特性保持了良好的保真度(应当存在导频载波的孔是清晰可见的)，同时获得单一载波块传输方案的频率分集优点。显而易见地，在不需要过多工作的情况下，高级频谱多级(notching)方案(比如主动干扰消除)还能够应用于所提出的传输方案，以检测和避免该提出的发送方案允许使用，或者采用其它高级认知性无线构思，以减少对共享该频谱的其它(较窄频带)服务的干扰。

本发明的实施例具有许多有用的应用，例如基于WiMedia物理层标准(Ecma-368或ISO/IEC 26907)的增强变型的超宽带传输。在未来版本中该增强可能是专有的或者标准化的。具有高数据速率的增强性能以及具有单一天线的增强分集的无线LAN非常适合于手持设备、WiMAX增强或者变型、最高速率的增强范围、或者用于覆盖边缘处的订户的高速度连接的较高可能性。

尽管参照若干具体示例实施例描述了本发明，但本领域技术人员将认识到，在不背离以上权利要求中阐述的本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明进行很多改变。

Claims (6)

1、一种改进的正交频分复用(OFDM)通信系统，包括：在发射机中用于形成OFDM符号的快速傅里叶逆变换(IFFT)装置、以及在接收机处用于对接收到的信号进行频域处理的相应的快速傅里叶变换(FFT)装置，所述改进包括：

发射机电路，其中，使用离散傅里叶变换(FFT)在许多OFDM子载波上对数据承载调制符号进行扩展；以及

接收机电路，使用离散傅里叶逆变换(IFFT)对所述数据承载调制符号进行解扩；

其中，提高了整体误码率(BER)性能。

2、根据权利要求1所述的改进的OFDM通信系统，其中，在发射机处用于扩展的FFT的大小小于在FFT之后用来创建用于传输的OFDM符号的IFFT的大小。

3、根据权利要求1所述的改进的OFDM通信系统，其中，启用低冗余前向纠错。

4、一种发射机方法，用于改进正交频分复用(OFDM)通信系统中的误码率(BER)性能，使得在高数据速率应用中实现低冗余前向纠错，所述方法包括：

使用M点复数快速傅里叶逆变换(IFFT)装置将M复数输入符号变换为M复数值；

对所述M复数值以及N-M附加导频和零子载波进行子载波映射，其中N＞M；以及

利用快速傅里叶逆变换(IFFT)装置对N点复数进行处理，以进行OFDM无线传输。

5、一种接收机方法，用于改进正交频分复用(OFDM)通信系统中的误码率(BER)性能，使得在高数据速率应用中实现低冗余前向纠错，所述方法包括：

对包括M个数据子载波以及N-M个导频和零子载波在内的N个OFDM子载波进行解码，其中N＞M；

使用N点复数快速傅里叶变换(FFT)装置对N复数值进行解扩；

对所述N复数值进行子载波去映射，以移除所述N-M附加导频和零子载波；以及

利用M点复数快速傅里叶逆变换(IFFT)装置对N点复数进行处理，以恢复M复数符号。

6、一种通信系统方法，用于改进正交频分复用(OFDM)通信系统中的误码率(BER)性能，使得在高数据速率应用中实现低冗余前向纠错，所述方法包括：

使用M点复数快速傅里叶逆变换(IFFT)装置将M复数输入符号变换为M复数值；

对所述M复数值以及N-M附加导频和零子载波进行子载波映射，其中N＞M；

利用快速傅里叶逆变换(IFFT)装置来处理N点复数，以进行OFDM无线传输；

使用无线接收机，对包括M个数据子载波以及N-M个导频和零子载波在内的N个OFDM子载波进行解码，其中N＞M；

使用N点复数快速傅里叶变换(FFT)装置对N复数值进行解扩；

对所述N复数值进行子载波去映射，以移除所述N-M附加导频和零子载波；以及

利用M点复数快速傅里叶逆变换(IFFT)装置对N点复数进行处理，以恢复M复数符号。

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