CN102113282B - Ofdm存在检测方法、通信设备、集成电路、以及电路模块 - Google Patents
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Abstract
一种检测由从另一通信设备传送的多个载波组成的OFDM信号的存在的方法,包括:第一选择步骤,从接收的信号的多个载波中选择第一载波,在所述第一载波中,在时域上相邻的码元之间的相位差小于预定值;第二选择步骤,从所选择的第一载波中选择第二载波,所述第二载波中的每个相对于另一载波具有所述OFDM信号的预定关系的相位;以及载波判定步骤,基于所述第一和第二载波的选择结果,判定所接收的信号是否具有从所述另一通信设备传送的OFDM信号的码元。
Description
技术领域
本发明涉及一种在电力线通信等中检测从另一通信设备传送的OFDM(正交频分复用)信号的码元的方法、包括OFDM码元检测单元的通信设备。
背景技术
诸如OFDM方法的、使用多个副载波的传送方法,在实现高质量通信中具有巨大的优势,即使传送信道处于恶劣的环境中也是如此。因此,此传送方法也被用于诸如电力线通信的有线通信以及无线通信。
在用于使用多个副载波执行通信的多载波通信设备中,传送侧将要被传送的比特数据转换为码元数据,执行对码元数据的码元映射,通过执行逆FFT转换或逆小波转换将码元数据转换为时域数据,执行并行-串行转换,通过执行DA转换将数据转换为基带模拟信号,并传送所转换的基带模拟信号。另外,接收侧通过执行AD转换将所接收的信号转换为数字信号,执行串行-并行转换,通过执行FFT转换或小波转换将数据转换为频域数据,并且执行解映射以获得接收比特数据。
多载波通信设备具有判定另一通信设备是否向传输线传送信号的载波检测功能。当另一通信设备不使用该传输线时,多载波通信设备响应于传送请求执行传送处理。
作为多载波通信设备中的载波检测方法,存在例如通过基于通过将时域上的数字波形数据转换为频域上的数据而获得的信号、计算所有副载波的平均值来检测多载波信号是否存在的公知方法(见PTL 1)。在载波检测中,可以通过基于以相同的间隔布置多个副载波的OFDM特性,使用频域中的相邻副载波之间的相关性而获得高检测精度。
作为载波检测方法的另一示例,存在通过基于复坐标上的星座点的分布判定该相关性或者通过当计算相邻副载波之间的相关性时计算隔一相邻的副载波之间的相关性来检测多载波信号是否存在的公知方法(见PTL 2)。在OFDM中,在帧头的前置码中,所有相邻副载波之间的相位差都相同。因此,通过评估复坐标上的星座点的分布,可以高精度地判定是否存在多载波信号。
引用列表
专利文献
[PTL 1]JP-A-2005-57644
[PTL 2]JP-A-2007-281577
发明内容
技术问题
在使用所有副载波的平均值执行载波检测的方法中,如在PTL 1中,存在这样的问题:载波检测在通信中使用的部分频率中存在窄带噪声的状态中是可能的,但是,因为难以处理大电平噪声跨越宽带频谱互相重叠的状态,所以不能执行载波检测。
同样,在通过使用复坐标上的星座点的分布计算载波间相关性而执行载波检测的方法中,如在PTL 2中,可以使用载波间相关性而高精度地执行载波检测。然而,例如,因为副载波的一半或更多淹没在噪声中,所以不能接收到信号。因此,存在这样的问题:例如,因为在仅接收到很少的副载波的状态中,相邻副载波之间的相位差落入预定范围内的概率较低,所以在很多情况中不能正常执行载波检测。
在已知的载波检测方法中,当存在跨越宽带频谱的大电平噪声时,即使在某些情况下存在信号,也不能正常执行载波检测。具体地,正如在电力线通信中那样,在传送特征由于另一通信设备与用作传输线的电力线的连接而变化、或者由于另一通信设备而出现噪声的环境下,不能正常判定接收目标信号是否存在,或者花费大量时间来判定所接收的信号是否是接收目标信号。
鉴于上述情况而构思本发明,并且本发明的目的在于提供一种能够在短时间内高精度地判定是否存在多载波信号的OFDM码元检测方法以及通信设备。
解决方案
根据本发明的一方面,提供了一种检测由从另一通信设备传送的多个载波组成的OFDM信号的码元的方法。所述方法包括:第一选择步骤,从接收的信号的多个载波中选择第一载波,在所述第一载波中在时域上相邻的码元之间的相位差小于预定值;第二选择步骤,从所选择的第一载波中选择第二载波,第二载波中的每个相对于另一载波具有所述OFDM信号的预定关系的相位;以及载波判定步骤,基于所述第一和第二载波的选择结果,判定所接收的信号是否具有从所述另一通信设备传送的OFDM信号的码元。
利用这种结构,通过使用OFDM信号中的另一频率的载波的相位的特性,判定多个载波是否具有OFDM信号的码元。因此,可以高精度地判定OFDM信号是否具有码元。
优选地,在所述第二选择步骤中,基于基载波(basic carrier)的相位和载波的阶,选择具有为“基载波的相位×N”的相位作为所述预定关系的相位的载波,作为所述第二载波,其中所述载波的阶是N。
利用这种结构,可以使用多个载波中的两个载波至所有任意数量的载波的相位,选择第二载波。因此,选择第二载波的条件可以变为很多。此外,可以有效地使用信号。
优选地,在所述第二选择步骤中,选择具有其中相邻载波之间的相位差恒定的相位作为所述预定关系的相位的载波,作为所述第二载波。
利用这种结构,使用多个载波中的相邻载波执行判定。因此,仅仅通过以从低频至高频或从高频到低频的顺序判定相邻载波之间的相位差,可以判定所有载波。因此,可以高速执行判定载波的处理。
优选地,在所述第二选择步骤中,选择表示所述相邻载波之间的相位差的复坐标出现在相同象限上的载波,作为所述第二载波。
利用这种结构,因为可以通过复坐标上的实部和虚部的符号判定多个载波之间的相位差,所以可以简化判定载波的处理。因此,可以以更高的速度执行处理。
优选地,在所述载波判定步骤中,当第二载波的数量与第一载波的数量的比例等于或大于预定比例时,判定所接收的信号具有所述OFDM信号的码元。
利用这种结构,可以通过使用第一载波的选择结果和第二载波的选择结果两者,高精度地执行载波检测。
优选地,在所述第一选择步骤中,在载波以及与所述载波相邻的载波中、时域上相邻的码元之间的相位差小于预定值的载波的数量被检测为载波总数。在所述载波判定步骤中,当第二载波的数量与载波总数的比例等于或大于预定阈值时,判定所接收的信号具有所述OFDM信号的码元。
利用这种结构,当第二载波的数量与在第一载波的选择中计算的载波总数的比例等于或大于预定阈值时,判定信号是否具有OFDM信号的码元。因此,可以高精度地执行载波检测。
优选地,在所述第一选择步骤中,在时域上相邻的码元之间的相位差小于预定值的各个载波的数量被检测为接收的载波的总数,并且在载波以及与所述载波相邻的载波中、时域上相邻的码元之间的相位差小于预定值的载波的数量被检测为载波总数。在所述载波判定步骤中,当第二载波的数量与载波总数的比例等于或大于第一阈值,并且第二载波的数量与所接收的载波的总数的比例等于或大于第二阈值时,判定所接收的信号具有所述OFDM信号的码元。
利用这种结构,当第二载波的数量与在第一载波的选择中计算的载波总数的比例等于或大于第一阈值,并且第二载波的数量与在第一载波的选择中所接收的载波的总数的比例等于或大于第二阈值时,判定信号是否具有OFDM信号的码元。因此,可以减少错误检测,并高精度地执行载波检测。
优选地,所接收的信号是分组的前置码。
利用这种结构,因为可以高精度地检测分组的头部,所以可以减少分组的接收错误,并提高接收性能。
优选地,所接收的信号是分组的后置码。
利用这种结构,可以高精度地检测分组的尾部。因此,甚至当噪声在分组中重叠时,也可以将状态从数据接收切换到后续分组的待命(standby)。因此,提高了接收质量。
优选地,所接收的信号是从另一通信设备传送的共存信号。
利用这种结构,因为可以高精度地接收另一通信设备的共存信号,所以另一通信设备的数据传送不被打断。
根据本发明,还提供了一种通信设备,包括:接收器,接收从另一通信设备传送的信号;以及载波检测器,通过在由所述接收器接收的信号中检测OFDM信号的码元而执行载波检测。所述载波检测器包括:第一选择单元,从接收的信号的载波中选择第一载波,在所述第一载波中在时域上相邻的码元之间的相位差小于预定值;第二选择单元,从所选择的第一载波中选择第二载波,第二载波中的每个相对于另一载波具有所述OFDM信号的预定关系的相位;以及载波判定单元,基于所述第一和第二载波的选择结果,判定所接收的信号是否具有从所述另一通信设备传送的OFDM信号的码元。
利用这种结构,通过使用OFDM信号中的另一频率的载波的相位的特性,判定与多个载波对应的所接收的信号的频率是否具有OFDM信号的码元。因此,可以高精度地执行载波检测。
根据本发明,还提供了一种集成电路,包括:接收器,通过与通信介质相接的耦接器接收从另一通信设备传送的信号;以及载波检测器,通过在由所述接收器接收的信号中检测OFDM信号的码元而执行载波检测。所述载波检测器包括:第一选择单元,从接收的信号的载波中选择第一载波,在所述第一载波中在时域上相邻的码元之间的相位差小于预定值;第二选择单元,从所选择的第一载波中选择第二载波,第二载波中的每个相对于另一载波具有所述OFDM信号的预定关系的相位;以及载波判定单元,基于所述第一和第二载波的选择结果,判定所接收的信号是否具有从所述另一通信设备传送的OFDM信号的码元。
根据本发明,还提供了一种电路模块,包括:耦接器,其与通信介质相接;接收器,通过所述耦接器接收从另一通信设备传送的信号;以及载波检测器,通过在由所述接收器接收的信号中检测OFDM信号的码元而执行载波检测。所述载波检测器包括:第一选择单元,从接收的信号的载波中选择第一载波,在所述第一载波中在时域上相邻的码元之间的相位差小于预定值;第二选择单元,从所选择的第一载波中选择第二载波,第二载波中的每个相对于另一载波具有所述OFDM信号的预定关系的相位;以及载波判定单元,基于所述第一和第二载波的选择结果,判定所接收的信号是否具有从所述另一通信设备传送的OFDM信号的码元。
本发明的有益效果
根据本发明,可以提供一种能够在短时间内高精度地判定是否存在多载波信号的OFDM码元检测方法和通信设备。
附图说明
图1是示出根据本发明实施例的电力线通信系统的结构的图。
图2A、2B和2C是示出根据本实施例的PLC调制解调器的概貌的图。
图3是示出根据本实施例的PLC调制解调器的硬件结构的示例的框图。
图4是示出根据本实施例的通信设备的接收器的输入单元的结构的框图。
图5是示出根据本实施例的、由通信设备处理的通信信号的帧结构的示例的图。
图6是示出当接收到包含共存信号的通信信号时执行的操作的示例的时序图。
图7是示出OFDM信号的副载波的布置示例的图。
图8是示出图7中所示的OFDM信号的副载波的波形的图。
图9是示出OFDM信号的副载波之间的相位差的图。
图10是示出OFDM信号的副载波之间的相位差的图。
图11是示出OFDM信号的副载波之间的相位差的图。
图12是示出极坐标上的OFDM信号的副载波的复表示的图。
图13是示出图7中所示的OFDM信号的负载波中的一半或更多由于噪声而不能被正常接收的状态的图。
图14是示出根据本实施例的通信设备的载波检测器的结构的框图。
图15是示出根据本实施例的载波检测器的操作的第一处理顺序的流程图。
图16是示出根据本实施例的载波检测器的操作的第二处理顺序的流程图。
具体实施方式
下面,将根据本发明的实施例描述将通信设备的OFDM码元检测方法应用于能够在作为传输线的电力线上执行通信的电力线通信设备中的情况。
图1是示出根据本发明实施例的电力线通信系统的结构的图。在图1中,电力线通信系统包括PLC(电力线通信)调制解调器100M、100T1、100T2、100T3、...、以及100TN,作为连接到电力线900的多个通信设备。在图1中,示出了五个PLC调制解调器,但调制解调器的数量是任意的(不被限制)。PLC调制解调器100M用作主装置,并管理其它用作从属(slave)装置的PLC调制解调器100T1、...、和100TN的连接状态(链路状态)。然而,用作主装置的PLC调制解调器并非必要装置。
在以下描述中,当提及主装置和某些从属装置时,使用术语“PLC调制解调器100M、100T1、100T2、100T3、...、以及100TN”。当提及从属装置时,使用术语“PLC调制解调器100T”。当提及无论主装置还是从属装置的PLC调制解调器时,使用术语“PLC调制解调器100”。
图1中仅示出了一条电力线900,但实际上存在两条或更多条线。PLC调制解调器100连接到两条电力线。
图2A至图2C是示出PLC调制解调器100的概貌的图。图2A是示出其前表面的外部透视图,图2B是示出PLC调制解调器的前视图,并且图2C是示出PLC调制解调器的后视图。图2A至图2C中所示的PLC调制解调器100具有壳体101。如图2A和图2B中所示,在壳体101的前表面上提供了由LED(发光二极管)105A、105B和105C组成的指示器105。如图2C所示,在壳体101的后表面上提供了电源连接器102、用于LAN(局域网)的诸如RJ 45的模块化插口(modular jack)103、以及用于切换操作模式的开关104。电力线缆(图2A至图2C中未示出)连接到电源连接器102。LAN线缆(图2A至图2C中未示出)连接到模块化插口103。PLC调制解调器100还可以配备Dsub(D类微型)连接器,以将其连接到Dsub线缆。
图3是示出PLC调制解调器100的硬件结构的示例的框图。如图3中所示,PLC调制解调器100包括电路模块200和开关电源300。例如,开关电源300向电路模块200提供各种类型的电压(例如,+1.2V、+3.3V和+12V),并包括开关变压器和DC-DC转换器(这些都未示出)。
电路模块200包括主IC(集成电路)210、AFE IC(模拟前端集成电路)220、以太网PHYIC(物理层集成电路)230、存储器240、低通滤波器(LPF)251、驱动器IC 252、带通滤波器(BPF)260以及耦接器270。开关电源300和耦接器270连接到电源连接器102,并且还通过电源线缆600、电源插头400以及插座500连接到电力线900。主IC 210用作执行电力线通信的控制电路。
主IC 210包括CPU(中央处理单元)211、PLC MAC(电力线通信媒体访问控制层)块212、以及PLC PHY(电力线通信物理层)块213。32位RISC(精减指令集计算机)处理器被安装在CPU 211中。PLC MAC块212管理传送和接收的信号的MAC层(媒体访问控制层),PLC PHY块213管理传送和接收的信号的PHY层(物理层)。AFE IC 220包括DA转换器(DAC:D/A转换器)221、AD转换器(ADC:A/D转换器)222以及可变增益放大器(VGA:可变增益放大器)223。耦接器270包括线圈变压器271以及耦合电容器272a和272b。CPU 211使用存储在存储器240中的数据控制PLC MAC块212以及PLC PHY块213的操作,并且还整体上控制PLC调制解调器100。
一般PLC调制解调器100执行通信如下。即,从模块化插口103输入的数据经由以太网PHY IC 230而被传送至主IC 210,并且通过对所传送的数据执行数字信号处理而产生数字传送信号。所产生的数字传送信号被AFE IC220的DA转换器(DAC)221转换为模拟信号,并经由低通滤波器251、驱动器IC 252、耦接器270、电源连接器102、电源线缆600、电源插头400以及插座500输出到电力线900。
从电力线900接收的信号经由耦接器270而被传送到带通滤波器260,其增益被AFE IC 220的可变增益放大器(VGA)223调整,并且该信号被AD转换器(ADC)222转换为数字信号。所转换的数字信号被传送到主IC 210,并通过对所传送的信号执行数字信号处理而将其转换为数字数据。经由以太网PHYIC 230将所转换的数字数据从模块化插口103输出。
PLC调制解调器100通过OFDM方法使用多个副载波执行多载波通信。由主IC 210实现对通信信号的数字信号处理。这里,主要由PLC PHY块213执行诸如将传送数据转换为OFDM传送信号的处理、将接收的OFDM信号转换为接收数据的处理的数字信号处理,以及检测是否存在传送的OFDM信号的载波检测处理。
图4是示出根据本实施例的通信设备的接收器的输入单元的结构的框图。该接收器包括自动增益控制电路(下文称为AGC电路)451、模拟-数字转换器(下文称为AD转换器)453、载波检测器455、码元同步电路457以及电平判决电路459。当图4的结构被应用于图3中所示的PLC调制解调器100时,AGC电路451对应于AFE IC 220的VGA 223,并且AD转换器453对应于ADC 222。由主IC 210的PLC PHY块213和CPU 211设置载波检测器455、码元同步电路457以及电平判决电路459,以实现这些单元的功能。
所接收的信号被AGC电路451在电平上调整到预定增益,被AD转换器453转换为数字信号,并被输入到载波检测器455。电平判决电路459将来自AGC电路451的增益电平与预定的阈值比较,并依据增益电平的大或小向载波检测器455和码元同步电路457输出ON信号或OFF信号。
载波检测器455评估OFDM信号的接收信号的码元间相关性,选择具有高概率(probability)的副载波作为载波,评估载波间相关性,并判定所接收的信号是否是多载波信号,以执行载波检测处理。下面描述检测载波的结构和方法的细节。基于载波检测器455的检测结果,码元同步电路457执行码元同步处理,该码元同步处理对被检测其载波的接收信号的码元进行同步。载波检测输出和码元同步输出被反馈至检波器,该检波器执行将所接收的信号的数据转换为其复数据的处理。
首先,当期望信号未出现在所接收的信号中时,AGC电路451的增益被设定为最大增益。替代地,当期望信号出现在所接收的信号中时,AGC电路451的增益被依照所接收的信号的电平来调整和设定。当期望信号出现时所设定的AGC电路451的增益小于最大值。电平判决电路459通过将AGC电路451的增益电平与阈值比较,来执行判定。当增益电平大于阈值时,电平判决电路459输出OFF信号,用于不操作载波检测器455和码元同步电路457。替代地,当增益电平小于阈值时,电平判决电路459输出ON信号,用于操作载波检测器455和码元同步电路457。如此,仅当期望信号出现在所接收的信号中时,才可以操作载波检测器455和码元同步电路457。
下面,将描述用于检测载波的OFDM信号。图5是示出根据本实施例的、由通信设备处理的通信信号的帧结构的示例的图。OFDM通信信号的帧包括前置码511、同步码元512、头部513、有效载荷514和后置码515。
前置码511是加至帧的头部的已知信号。当通过接收前置码511的一部分而执行判定时,可以知道该信号是帧的头部。前置码511被用于载波检测处理、同步处理、均衡处理等。同步码元512是用于建立同步的已知信号。头部513包含帧分组的各种附加信息,诸如数据源和数据目的地。有效载荷514是所传送的数据体的一部分。后置码515是加至帧的后部的已知信号。当通过接收后置码515的一部分而执行判定时,可以知道该信号是帧的最后部分。
当除了第一通信设备之外,第二通信设备也存在并且同时执行通信,用于传送帧的通信信号时,在前置码511的时段内,从第二通信设备传送共存信号516。共存信号516是在通信系统之间预定的已知信号,用于使诸如使用互相不同的通信方法的通信系统的多个通信系统共存。依据是否存在共存信号516,判定通信系统的传输线的使用分配。
这里,将描述共存信号。图6是示出当接收到包含共存信号的通信信号时执行的操作的示例的时序图。当通信设备输出用作共存信号的请求信号RS时,零交叉电路(未示出)检测商用交流电压AC的零交叉ZC。图6示出了存在三个通信方法的示例,即,用于在房屋或大楼内执行通信的室内(in-home)通信的通信系统(室内系统)的通信方法“A”、室内系统的通信方法“B”、以及用于使用外部传输线与外部执行通信的接入通信的通信系统(接入系统)的通信方法“C”。
通信设备与零交叉ZC同步,以判定在要被使用的信道上是否存在空闲空间。“信道”是时间和频率范围中的至少一个。这里,信道是频率范围。在此情况下,通信设备在控制时段Tc中搜索请求信号RC。例如,当在时刻t81检测到零交叉ZC时,通信设备的PLC PHY块213中的控制器通过载波检测判定从时刻t81至t82是否输出请求信号RS。
在图6的示例中,假定以通信方法“C”、“A”、“B”、...的顺序分配控制时段Tc的时隙。当通过通信方法“A”、“B”、...执行数据通信时,数据时段Td被在时间上划分为通信方法“A”、“B”、...。另外,当除了通信方法“A”和“B”之外,还通过通信方法“C”执行数据通信时,16至30MHz的范围被分配给通信方法“A”和“B”,2至16MHz的范围被分配给通信方法“C”。另外,使用的频率范围被在频率上划分。假定各个通信设备的存储器240存储表示当分配时隙和输出某个请求信号RS时将使用哪个多接入方式的信息。
例如,当在使用通信方法“A”的通信设备a1想要使用2至30MHz的频率范围的情况下,在从时刻t81至t82的时段中未输出请求信号RS时,通信设备a1的控制器判定在要被使用的信道中存在空闲空间。这是因为在后续的数据时段Td(时刻t84至时刻t86)中,未在通信方法“C”中执行数据通信。因此,在时刻t84,通信设备a1使用2至30MHz的频率范围执行数据通信,而不执行改变相位矢量的处理。此时,通信设备a1在时刻t82输出请求信号RS。另外,在时刻t83,使用通信方法“B”的通信设备b1输出请求信号RS。当通信设备b1检测到请求信号RS时,通信设备a1判定在通信方法“A和B”中以时分方式在数据时段Td中执行数据通信。因此,通信设备a1和b1在数据时段Td中执行交替的数据通信。
在此实施例中,接收通信设备的载波检测器455对上述通信信号的前置码、后置码和共存信号中的至少一个执行载波检测处理。在此实施例中,通过对前置码执行载波检测处理,可以高精度地检测分组的头部。因此,可以减少分组接收错误,并提高通信设备的接收性能。此外,在此实施例中,通过执行对后置码515的载波检测处理,可以高精度地检测分组的尾部。因此,甚至当噪声在分组中重叠时,也可以从数据接收切换到后续的待命状态,并提高通信设备的接收性能。此外,在此实施例中,通过执行对共存信号的载波检测处理,可以高精度地接收另一通信设备的共存信号。因此,可以防止在向另一设备传送数据时的干扰。
下面,将描述OFDM信号的各个副载波的频率和相位。图7是示出OFDM信号的副载波的布置示例的图。在OFDM信号中,在频域的线性线上以相同的间隔布置副载波。图7示出了使用基波、二次波、三次波、...作为副载波的OFDM信号fc1至fc10的示例。在此情况下,从传送通信设备输出的传送信号s(t)由表达式1表达。
[表达式1]
这里,fc表示OFDM的载波频带中的基载波的频率,f0表示相邻副载波之间的频率间隔,以及n表示副载波的阶。θn表示各个副载波中给出的预定相位角。在接收通信设备中,当执行载波检测处理时,相位角θn首先被反向旋转和抵消。
接着,将描述OFDM信号的码元之间的相位差的特征。图8是示出图7中所示的OFDM信号的副载波的波形的图。在图8的示例中,示出了OFDM信号的副载波的两个OFDM码元。在关注码元之间的相位的情况下,要从传送通信设备传送的OFDM信号被传送,使得在时域上连续的OFDM码元的副载波的相位相同。在此情况下,在由接收通信设备接收的接收信号中,在时域上连续的多个OFDM码元的相位在所有副载波中相同。即,当通过使用所接收的OFDM信号的副载波中的码元长度(一个码元部分)来分隔时域上连续的OFDM码元时,相邻码元之间的相位差变为0。
通过使用OFDM信号的特性来评估码元间相关性,可以判定是否存在用于携带期望信号的载波。时域上连续的OFDM码元中的相位差ΦS的分布程度被判定,以评估码元间相关性。当相位差ΦS主要靠近0分布时,判定存在载波。否则,判定不存在载波。例如,判定相位差ΦS的绝对值是否等于或小于π/4。替代地,可以计算相邻码元的星座点与目标码元的星座点的复共轭的乘积来判定该分布,而不是评估相位差ΦS。
下面,将描述OFDM信号的载波之间的相位差的特征。图9至图11是示出OFDM信号的副载波之间的相位差的图。在图9至图11的示例中,示出了用于OFDM信号的八个副载波的两个OFDM码元。在关注载波之间的相位的情况下,要从传送通信设备传送的OFDM信号被传送,使得所有副载波的相位在码元的同步时刻相同。在此情况下,在由接收通信设备接收的接收信号中,相邻副载波之间的相位差变得相等。即,在相邻副载波之间形成了均匀的相位差Φf。
当所接收的信号的接收时刻与码元部分的同步时刻匹配时,如在图9中,相邻副载波之间的载波间相位差变为0,即,所有副载波的相位相同。当所接收的信号的接收时刻与码元部分的同步时刻偏离1/4码元时,如在图10中,相邻副载波之间的载波间相位差是π/4(90度)。当所接收的信号的接收时刻与码元部分的同步时刻偏离1/2码元时,如在图11中,相邻副载波之间的载波间相位差是π/2(180度)。同样地,甚至在其它时刻,所有相邻副载波之间的载波间相位差是均匀的。
图12是示出极坐标上的OFDM信号的副载波的复表示的图。如此,当各个副载波的复表示被映射在极坐标上时,以相对于相邻副载波的均匀相位差Φf来布置副载波。即,在所有副载波中,相邻副载波之间的相位差Φf相同。
通过使用OFDM信号的特性来评估载波间相关性,可以判定是否存在携带期望信号的载波。对于载波间相关性,某个载波相对于另一载波是否具有期望的OFDM信号的预定关系的相位,可以判定是否存在所述载波。在此情况下,当载波具有“基载波的相位×N”(其中载波的阶是N)的相位时,可以基于基载波的相位和载波的阶而判定载波是具有期望的OFDM信号的码元的载波。替代地,当相邻载波之间的相位差是基于基载波的相位的相位时,可以判定载波是具有期望的OFDM信号的码元的载波。当判定了载波之间的相位差时,表示相邻载波之间的相位差的复坐标是否在相同象限(在π/2的范围内)上,可以判定是否存在所述载波。
当判定了复坐标时,可以判定相邻副载波之间的相位差Φf的分布程度。当相位差Φf主要分布在复平面的象限上时,判定存在所述载波。否则,判定不存在载波。例如,判定是否75%或更多对的相邻副载波(图12的示例中的九对相邻副载波中的七对或更多对相邻副载波)出现在相同象限上。替代地,可以计算相邻载波的星座点与目标码元的星座点的复共轭的乘积,来判定所述分布,而不是评估相位差Φf。
图13是示出图7中所示的OFDM信号的副载波的一半或更多由于噪声而不能被正常地接收的状态的图。当副载波的60%淹没在噪声中或者不能被正常地接收,且仅出现40%的副载波时,如在图13的示例中,不能正常地判定期望信号的载波是否存在的概率较高。在可以接收40%的副载波的情况下,当通过载波间相关性执行载波检测处理时,相邻副载波之间的相位差Φf存在在相同象限上的概率较低。因此,在许多情况下,不能正常地执行相位差Φf的分布判定。同样地,在使用码元间相关性的情况下,对于不能正常地接收的副载波,连续码元之间的相位差ΦS不均匀并因此出现在0附近的概率较低。因此,在许多情况下,不能判定是否存在所述载波。
因此,在此实施例中,通过组合使用码元间相关性而执行的判定处理与使用载波间相关性而执行的判定处理,提高了载波检测的精度。首先,在第一步骤(第一选择步骤)中,通过评估码元间相关性,从副载波中选择相位差ΦS接近0的副载波。接着,在第二步骤(第二选择步骤)中,通过评估相邻副载波之间的载波间相关性,从在第一步骤中选择的副载波中选择相位差Φf出现在复平面的相同象限上的副载波对。接着,当在第二步骤中选择的副载波对的数量与在第一步骤中选择的副载波的数量的比例超过预定比例时,判定存在具有期望的OFDM信号的码元的载波。此外,当在第二步骤中评估载波间相关性时,副载波并不限制于相邻副载波。相反,在理论相位差相同的情况下,通过计算具有预定频差的副载波之间的相位差,可以判定是否存在相关性。
接着,将详细描述根据此实施例的载波检测方法和通信设备。图14是示出根据此实施例的通信设备的载波检测器的结构的框图。根据此实施例的载波检测器包括FFT部分611、相位反向旋转器612、码元间计算器613、载波间计算器614、载波选择器615、象限计数器616、以及比较器617。FFT部分611通过使用快速傅立叶变换将所接收的信号从时域转换到频域,并提取OFDM信号的副载波的接收数据。相位反向旋转器612将副载波的接收数据的相位反向地旋转预定角度,并使在传送装置中赋予各个副载波的相位角θn返回原始角度。
码元间计算器613包括复共轭计算器621、一码元延迟部分622、以及乘法器623,并计算在各个副载波中连续的码元之间的相位差。即,在码元间计算器613中,复共轭计算器621计算当前时刻的某个副载波的信号的码元的复共轭,一码元延迟部分622延迟一个码元时段,以及乘法器623将当前码元的共轭复表示与一个码元之前的复表示相乘,以获得它们的乘积。该计算结果是对应于时域上连续的码元之间的相位差ΦS的值,并且该值被从码元间计算器613中输出。
这里,将详细描述码元间计算。在相同的副载波中,假定某个码元(第一码元)S1的复矢量是Cs1,该复矢量的复坐标是(Is1、Qs1),在时域上与该复矢量相邻的码元(第二码元)S2的复矢量是Cs2,以及该复矢量的复坐标是(Is2、Qs2)。为了计算互相相邻的码元S1和S2之间的相位差,通过表达式(2)将所述复数相除以计算码元在复坐标上的商。
[表达式2]
为了判定是否存在码元间相关性,判定表达式(2)的值是否落入预定范围。
替代地,通过表达式(3)使用第一码元S1的复表示与第二码元S2的象限复表示的乘积,判定表达式(3)的值是否落入预定范围中。
[表达式3]
当使用表达式(3)时,在表达式(4)中,在实部大于0且实部大于虚部的绝对值的条件下,执行码元之间的相位差|ΦS|≤π/4的判定。
[表达式4]
(Is1Is2+Qs1Qs2)>0
(Is1Is2+Qs1Qs2)>|(Qs1Is2-Is1Qs2)| ...(4)
如此,通过各个副载波中的计算,判定相同副载波中的互相相邻的码元的相位是否在连续状态中。
使用表达式(3)的实部和虚部,通过表达式(5)顺次地计算互相相邻的码元S1和S2之间的相位差Φs1s2。
[表达式5]
接着,在表达式(6)的条件下判定由表达式(5)计算的差Φs1s2是否小于预定阈值。此外,可以预先准备(Is1Is2+Qs1Qs2)和(Qs1Is2-Is1Qs2)的表。
[表达式6]
φs1s2<φ1 ...(6)
通过使用码元间计算器613的计算结果,载波选择器615选择连续码元之间的相位差是0或者接近于0的副载波。这里,载波选择器选择码元之间的相位差等于或小于π/4的副载波。此外,在每个象限中,将副载波的选择结果输出到计数器616,并且将所选择的副载波和与所选择的副载波相邻的副载波之间的所有相位差都等于或小于π/4的副载波的数量作为总数输出给比较器617。这里,码元间计算器613和载波选择器615具有第一选择单元的功能。
载波间计算器614包括复共轭计算器631、一采样延迟部分632以及乘法器633,并计算相邻副载波之间的相位差。即,在载波间计算器614中,复共轭计算器631计算某个副载波的复共轭,一采样延迟部分632延迟一个采样时段,以及乘法器633将该共轭复表示与相邻副载波的复表示相乘,以获得它们的乘积。该计算结果是对应于在频域上相邻的副载波之间的相位差Φf的值,并且将该值从载波间计算器614输出。
这里,将详细描述载波间计算。假定某个码元(第一载波)f1的复矢量是Cf1,该复矢量的复坐标是(If1、Qf1),在频域上与该复矢量相邻的副载波(第二载波)f2的相同码元的复矢量是Cf2,以及该复矢量的复坐标是(If2、Qf2)。为了计算互相相邻的载波f1和f2之间的相位差,通过表达式(7)将所述复数相除以计算载波在复坐标上的商。
[表达式7]
为了判定是否存在载波间相关性,判定表达式(7)的值是否落入预定范围。
替代地,通过表达式(8)使用第一载波f1的复表示与第二载波f2的象限复表示的乘积,判定表达式(8)的值是否落入预定范围中。
[表达式8]
使用表达式(8)的实部和虚部,通过表达式(9)顺序地计算互相相邻的载波f1和f2之间的相位差Φf1f2。
[表达式9]
作为简单地计算载波间相关性的方法,判定表达式(8)的值被描绘在复平面上的星座点的分布是否出现在I象限、II象限、III象限和IV象限中的相同象限上。当相邻副载波之间相位差相同时,表示相位差的相位角在所有副载波中相同。因此,对于所有副载波,通过表达式(8)的实部和虚部而被描绘在复平面上的星座点出现在相同的象限上。通过使用此特性,对于多个相邻副载波的对,判定表示副载波之间的相位差的相位角是否出现在相同象限上。当判定所述相位角是否出现在相同象限上时,考虑相位角主要分布在0、π/2、π和3π/2处的情况,并且判定所述相位角是否出现在两个相邻的象限上,诸如I象限和II象限、II象限和III象限、III象限和IV象限、以及IV象限和I象限。
象限计数器616通过使用载波间计算器614的计算结果,执行依据各个象限的计数,以判定针对在载波选择器615中所选择的副载波,表示相邻副载波之间的相位差的星座点在复平面上出现在哪个象限上。这里,载波间计算器614和象限计数器616具有第二选择单元的功能。
具有载波判定单元的功能的比较器617将由象限计数器616依据各个象限而计数的计数值、与从载波选择器615输出的载波的总数相比较,并判定特定象限的计数值与载波总数的比例是否等于或大于预定比例。这里,当特定象限的计数值与载波总数的比例等于或大于预定比例时,比较器617输出“载波存在”的信号(例如,高电平),作为用于判定是否存在载波的信号。替代地,当特定象限的计数值与载波总数的比例小于预定比例时,比较器617输出“载波不存在”的信号(例如,低电平),作为用于判定是否存在载波的信号。
例如,在图7所示的OFDM信号fc1至fc10的示例中,当假定依据码元间计算而选择副载波fc1、fc2、fc3、fc4、fc7和fc10时,选择作为相邻副载波对的三对fc1-fc2、fc2-fc3和fc3-fc4,并且对三对副载波执行载波间计算。接着,通过判定副载波之间的相位差是否出现在相同象限上,判定携带期望信号的载波是否存在。通过执行此处理,可以提高载波检测的精度。
下面,将描述根据此实施例的具有上述结构的载波检测器的操作示例。图15是示出根据此实施例的载波检测器的操作的第一处理顺序的流程图。在图14所示的根据此实施例的载波检测器中,在图3中的PLC PHY块213和CPU 211上执行包括图15中所示的流程图的顺序的软件程序,以实现所述单元的功能。在此情况下,接收的信号或算术处理上的数据被存储在存储器211上。当然,可以通过硬件实现根据此实施例的载波检测器。
载波检测器首先在变量初始化处理中通过替换Y(i)←0来初始化表示前一码元的FFT结果的变量Y(步骤S11)。这里,“i”表示对应于单个载波的参数。接着,作为接收数据的替换处理,“x(i)=接收数据”被替换给表示时域上的接收数据的变量x(步骤S12)。接着,在FFT计算处理中,FFT部分611对于表示频域上的接收数据的变量X,计算X=FFT(x)(步骤S13)。
接着,在码元间相位差计算处理中,码元间计算器613对于表示码元间相位差的变量A,计算A=X·Y*,并且计算码元之间的相位差(步骤S14)。这里“·”表示相乘,“*”表示复共轭。接着,载波选择器615基于码元间计算器613的计算结果执行载波选择,以选择具有高码元间相关性的副载波(步骤S15)。此时,当|arctan[A(i)]|<π/4或者|arctan[A(i+1)]|<π/4时,建立IC_tone(i)=1的关系以及Nic=Nic+1的关系。即,当某个副载波的码元间相位差A(i)的绝对值小于π/4,并且与所述某个副载波相邻的副载波的码元间相位差A(i+1)的绝对值小于π/4时,即,当相邻载波的所有码元间相位差A的绝对值都小于π/4时,将所述副载波选择作为载波间相关性的目标,并且变量Nic的值加1。这里,IC_tone(i)是表示对于各个副载波是否选择所述载波的系数,Nic是表示作为所选择的相邻副载波对的数量的载波总数的变量。另一方面,当上述条件不满足时,即,当码元间相位差A等于或大于π/4时,建立IC_tone(i)=0的关系。对所有副载波执行该计算处理。
接着,在计算载波之间的相位差的处理中,载波间计算器614计算B(i)=X(i)·X*(i+1)·IC_tone(i),以获得表示载波之间的相位差的变量B,并计算副载波之间的相位差(步骤S16)。此时,通过乘以IC_tone(i),反映了步骤S15中获得的载波选择结果。如此,仅对基于码元间计算结果而选择的副载波计算相邻副载波之间的相位差。对于在IC_tone(i)=0的情况下未选择的副载波,满足B(i)=0的关系。
接着,在象限计数处理中,象限计数器616在复平面的各个象限中,对在步骤S16中计算的表示载波之间的相位差的B(i)的数量进行计数(步骤S17)。如此,判定表示相邻副载波之间的相位差的星座点出现在哪个象限上,并且在各个对应的象限中对副载波对的数量进行计数。在此情况中,当real(B(i))>0时,即,当B(i)的实部为正并出现在I象限或II象限上时,建立Nrep=Nrep+1的关系。替代地,当real(B(i))<0时,即,当B(i)的实部为负并出现在III象限或IV象限上时,建立Nren=Nren+1的关系。此外,当imag(B(i))>0时,即,当B(i)的虚部为正并出现在I象限或IV象限上时,建立Nimp=Nimp+1的关系。替代地,当imag(B(i))<0时,即,当B(i)的虚部为负并出现在II象限或III象限上时,建立Nimn=Nimn+1的关系。这里,Nrep、Nren、Nimp和Nimn是表示出现在各个象限上的相邻副载波对的数量的计数值的变量。
接着,在最大计数值计算处理中,象限计数器616计算在步骤S17中计算的象限计数值Nrep、Nren、Nimp和Nimn的最大值(步骤S18)。此时,通过使用Nmax=MAX[Nrep Nren Nimp Nimn]来计算最大值Nmax。
接着,在计数值比较处理中,比较器617判定在步骤S18中计算的计数值的最大值Nmax是否大于预定值(步骤S19)。此时,判定是否满足Nmax/Nic>Th1的关系,即,通过将象限计数值的最大值除以载波总数所获得的值是否大于阈值Th1。如此,可以判定具有高载波间相关性的相邻副载波对的数量(Nmax)与具有高码元间相关性的副载波对的总数(Nic)的比例(Nmax/Nic)是否等于或大于预定值(Th1)。例如,阈值Th1优选地为约0.75。
在步骤S19中,当满足Nmax/Nic>Th1的关系时,判定存在所述载波(步骤S20),接着处理结束。替代地,当满足Nmax/Nic≤Th1的关系时,判定不存在载波。在Y=X的状态中初始化其它变量(步骤S21)。处理返回至步骤S12以对后续码元重复相同处理。
甚至当仅副载波总数的一半或更少不能被正常地接收时,例如通过上述顺序,可以通过组合码元间相关性计算和载波间相关性计算,高精度地执行载波检测。
图16是示出根据此实施例的载波检测器的操作的第二处理顺序的流程图。第二示例是对图15所示的第一示例的修改示例。步骤S31的码元间计算结果判定处理被添加在步骤S14和S15之间,并且步骤S19的计数值比较处理被改变为步骤S32的计数值比较处理。这里,将仅描述与图15中的第一实施例的不同点。
在码元间计算器613在步骤S14中计算A=X·Y*之后,载波选择器615判定码元间计算器613在各个载波中的计算结果(步骤S31)。此时,当|arctan[A(i)]|<π/4时,建立Nis=Nis+1的关系。即,某个副载波的码元间相位差A(i)的绝对值小于π/4,作为具有高码元间相关性的副载波的数量的、表示所接收的载波的总数的变量Nis的值加1。接着,载波选择器615基于步骤S15中的码元间计算器613的计算结果选择载波,并选择具有高码元间相关性的副载波对。在步骤S16至S18中,执行图15中所述的根据第一实施例的处理。
在象限计数器616在步骤S18中计算象限计数值Nrep、Nren、Nimp和Nimn的最大值之后,比较器617在计数值比较处理中判定步骤S18中计算的计数值的最大值Nmax是否大于预定值(步骤S32)。此时,判定是否满足Nmax/Nic>Th1的关系以及Nmax/Nis>Th2的关系。即,判定通过将象限计数值的最大值除以载波总数而获得的值是否大于第一阈值Th1,以及通过将象限计数值的最大值除以接收载波的总数而获得的值是否大于第二阈值Th2。如此,可以判定具有高载波间相关性的相邻副载波对的数量(Nmax)与具有高码元间相关性的副载波对的总数(Nic)的比例(Nmax/Nic)是否等于或大于预定值(Th1),以及具有高载波间相关性的相邻副载波对的数量(Nmax)与具有高码元间相关性的副载波对的总数(Nis)的比例(Nmax/Nis)是否等于或大于预定值(Th2)。例如,第一阈值Th1优选为约0.75,并且例如,第二阈值Th2优选为约0.5。
当判定具有高载波间相关性的副载波的数量在判定为具有高码元间相关性的副载波中的比例时,使用在相邻副载波中具有高码元间相关性的副载波对的总数、以及以副载波为单位具有高码元间相关性的副载波的总数。因此,可以区分具有高码元间相关性的副载波不连续的情形。当被判定为具有高码元间相关性的副载波不连续时,可以考虑可能发生码元间相关性的错误检测。例如,不能正常地接收副载波。因为可以从判定结果中排除此情况,所以可以减少载波的错误检测,并可以进一步提高载波检测的精度。
在此实施例中,如上所述,通过使用OFDM信号中另一频率的载波的相位的特征,基于码元间相关性而选择第一载波,并基于载波间相关性而选择第二载波。此外,根据该结果,判定对应于所接收的信号中的期望的OFDM信号的各个载波的频率是否具有期望的OFDM信号的码元。因此,可以高精度地执行载波检测。此外,当评估载波间相关性时,可以通过计算相邻载波之间的相位差和判定该相位差是否出现在复平面的相同象限上,以简单的方式并高精度地判定载波是否存在。因此,可以高速地执行判定载波的处理。因此,根据此实施例,可以在短时间内判定多载波信号是否存在。
本发明并不限制于上述实施例,而是可以被本领域的技术人员基于说明书的描述和公知技术进行修改和应用。此外,所述修改和应用属于本发明的保护范围。
工业实用性
根据本发明,可以获得高精度地并在短时间内判定多载波信号是否存在的优点。例如,在电力线通信中,本发明适用于检测从另一通信设备传送的OFDM信号的码元的OFDM码元检测方法、以及包括该OFDM码元检测器的通信设备。
附图标记列表
100:PLC调制解调器
100M:PLC调制解调器(主)
100T、100T1至100TN:PLC调制解调器(从属)
101:壳体
102:电源连接器
103:模块化插口
104:开关
105:指示器
200:电路模块
210:主IC
211:CPU
212:PLC MAC块
213:PLC PHY块
220:AFE IC
221:DA转换器(DAC)
222:AD转换器(ADC)
223:可变增益放大器(VGA)
230:以太网PHY IC
251:低通滤波器(LPF)
252:驱动器IC
260:带通滤波器(BPF)
270:耦接器
271:线圈变压器
272a、272b:耦合电容器
300:开关电源
400:电源插头
500:插座
600:电源线缆
900:电力线
451:AGC电路
453:AD转换器
455:载波检测器
457:码元同步电路
459:电平判决电路
511:前置码
512:同步码元
513:头部
514:有效载荷
515:后置码
516:共存信号
611:FFT部分
612:相位反向旋转器
613:码元间计算器
614:载波间计算器
615:载波选择器
616:象限计数器
617:比较器
621:复共轭部分
622:一码元延迟部分
623:乘法器
631:复共轭部分
632:一码元延迟部分
633:乘法器
Claims (10)
1.一种检测由从另一通信设备传送的多个载波组成的OFDM信号的码元的方法,包括:
第一选择步骤,从接收的信号的多个载波中选择第一载波,在所述第一载波中,在时域上相邻的码元之间的相位差小于预定值;
第二选择步骤,从所选择的第一载波中选择第二载波,所述第二载波中表示相邻载波之间的相位差的复坐标出现在相同象限上;以及
载波判定步骤,基于所述第一和第二载波的选择结果,判定所接收的信号是否具有从所述另一通信设备传送的OFDM信号的码元。
2.如权利要求1所述的方法,其中,在所述载波判定步骤中,当第二载波的数量与第一载波的数量的比例等于或大于预定比例时,判定所接收的信号具有所述OFDM信号的码元。
3.如权利要求2所述的方法,其中,在所述第一选择步骤中,在载波以及与所述载波相邻的载波中的时域上相邻的码元之间的相位差小于预定值的载波的数量被检测作为载波的总数;以及
其中,在所述载波判定步骤中,当第二载波的数量与载波的总数的比例等于或大于预定阈值时,判定所接收的信号具有所述OFDM信号的码元。
4.如权利要求2所述的方法,其中,在所述第一选择步骤中,时域上相邻的码元之间的相位差小于预定值的各个载波的数量被检测作为接收的载波的总数,并且在载波以及与所述载波相邻的载波中的时域上相邻的码元之间的相位差小于预定值的载波的数量被检测作为载波的总数;以及
其中,在所述载波判定步骤中,当第二载波的数量与载波的总数的比例等于或大于第一阈值,并且第二载波的数量与所接收的载波的总数的比例等于或大于第二阈值时,判定所接收的信号具有所述OFDM信号的码元。
5.如权利要求1至4中的任一项所述的方法,其中,所接收的信号是分组的前置码。
6.如权利要求1至4中的任一项所述的方法,其中,所接收的信号是分组的后置码。
7.如权利要求1至4中的任一项所述的方法,其中,所接收的信号是从另一通信设备传送的共存信号。
8.一种通信设备,包括:
接收器,接收从另一通信设备传送的信号;以及
载波检测器,通过在由所述接收器接收的信号中检测OFDM信号的码元而执行载波检测,
其中,所述载波检测器包括:
第一选择单元,从所接收的信号的载波中选择第一载波,在所述第一载波中,在时域上相邻的码元之间的相位差小于预定值;
第二选择单元,从所选择的第一载波中选择第二载波,所述第二载波中表示相邻载波之间的相位差的复坐标出现在相同象限上;以及
载波判定单元,基于所述第一和第二载波的选择结果,判定所接收的信号是否具有从所述另一通信设备传送的OFDM信号的码元。
9.一种集成电路,包括:
接收器,通过与通信介质相接的耦接器接收从另一通信设备传送的信号;以及
载波检测器,通过在由所述接收器接收的信号中检测OFDM信号的码元而执行载波检测,
其中,所述载波检测器包括:
第一选择单元,从所接收的信号的载波中选择第一载波,在所述第一载波中,在时域上相邻的码元之间的相位差小于预定值;
第二选择单元,从所选择的第一载波中选择第二载波,所述第二载波中表示相邻载波之间的相位差的复坐标出现在相同象限上;以及
载波判定单元,基于所述第一和第二载波的选择结果,判定所接收的信号是否具有从所述另一通信设备传送的OFDM信号的码元。
10.一种电路模块,包括:
耦接器,与通信介质相接;
接收器,通过所述耦接器接收从另一通信设备传送的信号;以及
载波检测器,通过在由所述接收器接收的信号中检测OFDM信号的码元而执行载波检测,
其中,所述载波检测器包括:
第一选择单元,从所接收的信号的载波中选择第一载波,在所述第一载波中,在时域上相邻的码元之间的相位差小于预定值;
第二选择单元,从所选择的第一载波中选择第二载波,所述第二载波中表示相邻载波之间的相位差的复坐标出现在相同象限上;以及
载波判定单元,基于所述第一和第二载波的选择结果,判定所接收的信号是否具有从所述另一通信设备传送的OFDM信号的码元。
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