CN1084559C - 正交频分多路复用传输系统的载波频率同步方法及其装置 - Google Patents

Abstract

一种OFDM传输装置的载波频率同步方法及其装置，该方法包括步骤：在用于校正载波频率偏移的整数部分的粗调方式和用于校正小数部分的细调方式中间确定选择哪一种方式；在选粗调方式时，计算各子信道接收的载波强度；在预定周期将计算的载波强度与延迟一符号宽度的先前载波强度累加；计算累加值到一预定门限值，用计算值校正接收载波频率偏移的整数部分，在选细调方式时，使接收载波频率偏移的小数部分校正到预定频率之内。

Description

正交频分多路复用传输系统的载波频率同步方法及其装置

本发明涉及到正交频分多路复用(OFDM)传输装置中的载波频率同步技术，特别是涉及到正交频分(orthogonal frequency division)多路复用(OFDM)传输装置的载波频率同步方法及其装置，即使是载波频率偏移超过了一个子信道的频带宽度，在OFDM传输装置中执行载波频率的同步时，也能够通过用于同步载波频率偏移的整数部分(integer part)的粗调方式和用于同步载波频率的小数部分(prime part)的细调方式的协作而有效地实现载波频率的同步。

数字电视通常采用频分多路复用(FDM)传输系统，这是一种多载波调制方法。它占用的频带宽度与单载波发送数据时所需的带宽几乎是相同的，因为在并行的几个子信道上发送的数据具有较长的符号周期(symbol period)。FDM信号是通过一种快速傅立叶逆变换(IFFT)来产生的，并且用彼此正交的载波对其进行并行的调制。

在这种情况下，在接收机执行快速傅立叶变换之前应该在发射机和接收机之间实现载波频率的同步。如果发射机和接收机之间的载波频率出现了偏移，就按照一个子信道的频带宽度通过归一化将载波频率偏移划分成一个整数部分和一个小数部分。

由于子信道中的干扰，偏移的整数部分会在接收机中造成快速傅立叶变换(FFT)后的信号发生圆形偏移(circularly shifted)，其小数部分会使信号的功率和相位受干扰。

如上所述，发射机和接收机之间的载波频率发生偏移时，使载波频率的偏移会在子信道的载波之间造成干扰，并且不能维持子信道之间的正交，这样就会增加发送数据的错误率(error rate)。

在OFDM传输系统中，可以用于地面高清晰度电视的标准化方法有8K离散傅立叶变换(DFT)和2K离散傅立叶变换。作为主要传输技术的载波恢复技术已经有了发展。

OFDM传输系统中目前所使用的同步方法可以在载波频率失步的情况下利用载波频率相位被均匀旋转的特点来同步载波频率。

在OFDM传输装置中惯用的同步方法在载波频率偏移处在一个子信道的带宽之内时可以有效地工作。然而，如果载波频率偏移超过了一个子信道的带宽，就很难测量相位的旋转量，这样就会造成同步失败。

因此，本发明的目的之一是提供一种正交频分多路复用(OFDM)传输装置的载波频率同步方法及其装置，即使是载波频率偏移超过了一个子信道的带宽，也能够成功地实现载波频率的同步。

本发明另一目的是依次按照预定的时间间隔通过用于补偿载波频率偏移的整数部分的粗调方式和用于补偿载波频率偏移的小数部分的细调方式的协作来同步载波频率。

按照本发明的一个方面，OFDM传输系统的一种载波频率同步方法包括以下步骤：在用于校正载波频率偏移的整数部分的粗调方式和用于校正小数部分的细调方式中间确定选择哪一种方式；在选择粗调方式的情况下，计算在各个子信道中接收到的载波强度；在一个预定的周期中将计算的载波强度与延迟了一个符号持续时间的前一个载波的强度累加；计算载波信号强度的累加值，直至该值达到一个预定的门限值，并且用计算的值来校正接收到的载波频率偏移的整数部分；在选择细调方式的情况下接收由发射机发出的载波，从中提取一个导频信号；计算所提取的导频信号与延迟了一个符号持续时间的前一次提取的导频信号之间的相位差；以及对计算的相位差的增益进行控制，从而将接收到的载波频率偏移的小数部分校正到预定的频率之内。

门限值最好是设定为接收载波的强度值的一半。

载波频率偏移的整数部分最好能被校正到一个子信道的频带宽度的一半之内。

最好是用每个导频与一个符号持续时间之内的前一个导频之间的相位差的平均值除以一个预定值来获得相位差。

按照本发明的另一个方面OFDM传输系统的一种载波频率同步装置包括；一个数据解调单元，利用一振荡反馈电压对接收的信号进行采样，该接收的信号是从输入端子获得的载波数据；第一方式切换单元，用于将解调的载波切换到粗调方式和细调方式；一个符号累加单元，用于累加从获得的载波数据计算的频率偏移的强度值和延迟了一个符号持续时间的累加的载波频率偏移的强度值；一个保存值检测单元，用于通过计算累加的载波频率偏移的强度值，直至该值达到一门限值时为止，从而检测出一个保存值；一个偏移检测单元，用于根据由第一方式切换单元获得的解调载波检测出频率偏移，然后获得这一载波频率偏移和前一个符号的载波频率偏移之间的相位差；一个环路滤波器单元，用于控制获得的相位差的增益；第二方式切换单元，用于在经过滤波后获得的相位差值和保存值检测单元获得的保留值中间选择和输出一个值；以及一个被锁定在由第二方式切换单元选择的保存值或是相位差值上的压控振荡单元，用于校正数据解调单元的载波频率偏移的整数部分和小数部分。

上述数据解调单元包括：一个串行-并行转换单元，用于将输入端子上输入的载波数据转换成并行数据；一个混合单元，用于混合由串行-并行转换单元转换的并行数据和压控振荡单元反馈的振荡电压；一个快速傅立叶变换单元，用于通过对混合的载波数据进行正交变换，从中提取一个采样数据；以及一个并行-串行转换单元，用于将载波的采样数据转换成串行数据并且输出这一数据。

符号累加单元最好是包括：一个绝对值计算单元，用于计算由第一方式切换单元获得的载波数据的信号强度；至少一个符号延迟单元，用来根据绝对值计算单元计算出的信号强度将符号依次延迟一个符号单位；以及一个加法单元用于累加由符号延迟单元延迟的信号强度值和由绝对值计算单元获得的信号强度值，然后输出累加的值。

保存值检测单元包括：一个包络检波单元用于将从加法单元获得的信号强度的累加值与一个预定的门限值进行比较，从中检测出包络线；以及一个上升沿检测单元利用计算检测的包络值通过第二方式切换单元来控制压控振荡单元。

偏移检测单元最好是包括：连续导频提取单元，用于从第一方式切换单元获得的串行载波数据中提取一个连续的导频信号；一个符号延迟单元，用于将提取的连续导频信号延迟一个符号周期；以及一个减法单元，用来获得被延迟了一个符号周期的连续导频信号与当前的连续导频信号之间的相位差。

其结果是，按照预定的时间差，在用于补偿载波频率偏移的整数部分的粗调方式下以及用于补偿小数部分的细调方式下可以精确地校正载波频率偏移的整数部分和小数部分。因此，即使是载波频率偏移超过了一个子信道的带宽，载波频率偏移的整数部分和小数部分仍可以得到校正，从而使载波频率精确地同步。

参照以下结合附图给出的详细说明可以更加全面地理解本发明及其多方面的优点，图中相同的符号代表相同或是相似的部件：

图1是一个方框图，用于说明按照本发明的OFDM传输系统中的一个载波频率同步装置的一个实施例。

通过以下参照附图的最佳实施例可以更清楚地认识到本发明的上述目的，特征及其优点。

图1是按照本发明最佳实施例的一个方框图，图中表示了一个正交频分多路复用(OFDM)传输系统同步的载波频率的装置。

按照本发明，OFDM传输系统同步载波频率的装置包括：数据解调单元101，利用一振荡反馈电压对接收的信号进行采样，该接收的信号是从输入端子100获得的载波数据；第一方式切换单元102，用于把数据解调器101解调的载波切换到粗调方式或细调方式；一个符号累加单元103，用于累加由第一方式切换单元102输入获得的载波数据计算的频率偏移强度值和使累加的载波频率偏移的强度值延迟一个符号持续时间；一个保存值检测单元104，通过计算累加的载波频率偏移的强度值，直至该值达到一个门限值时为止，从而检测出一个保存值；一个偏移检测单元105，用于根据由第一方式切换单元102获得的解调载波检测出频率偏移，然后获得这一符号的载波频率偏移和前一个符号的载波频率偏移之间的相位差；一个一阶有源环路滤波器单元106，用于控制通过偏移检测单元105获得的相位差的增益；第二方式切换单元107，用于在经过滤波后从一阶有源环路滤波器单元106获得的相位差值中和由保存值检测单元104获得的保存值中选择和输出一个值；以及一个被锁定在由第二方式切换单元107选择的保存值或是相位差值上的电压受控振荡单元109，用于校正数据解调单元101的载波频率偏移的整数部分和小数部分；以及一个控制单元108，用于按照预定的时间差来切换和控制第一和第二方式切换单元102和107。

数据解调单元101包括：一个串行-并行转换单元101a，用于将由输入端子100输入的载波数据转换成并行数据；一个混合单元101b用于混合由串行-并行转换单元101a转换的并行数据和电压受控振荡单元109反馈的振荡电压；一个快速傅立叶变换单元101c，通过对混合单元101b混合的载波数据进行变换，用于提取一个采样数据；以及一个并行-串行转换单元101d，用于将快速傅立叶变换单元101c输入的载波采样数据转换成串行数据并且输出这一数据。

另外，符号累加单元103包括：一个绝对值计算单元103a，用于计算由第一方式切换单元102获得的载波数据的信号强度；第一和第二符号延迟单元103b和103c，用来根据绝对值计算单元103a计算出的信号强度将符号依次延迟一个符号单位；以及第一和第二加法单元103d和103e，用于累加由第一和第二符号延迟单元103b和103c延迟的信号强度值和由绝对值计算单元103a获得的信号强度值，然后输出累加的值。

保存值检测单元104包括：一个包络检波单元104a，用于将由第二加法单元103e获得的信号强度的累加值与一预定的第一门限值进行比较，从中检测出包络线；以及一个上升沿检测单元104b，用来利用计算由包络检波单元104a检测到的包络值，并且通过第二方式切换单元107来控制压控振荡单元109。

此外，偏移检测单元105包括：连续导频提取单元105a，用于从第一方式切换单元102获得的串行载波数据中提取一个连续的导频信号；第三符号延迟单元105b，用于将提取的连续导频信号延迟一个符号周期；以及一个减法单元105c，用于获得在一个符号周期期间被延迟了的连续导频信号与当前的连续导频信号之间的相位差，并且将其提供给一阶有源环路滤波器单元106。

以下参照图1详细地说明本发明的实施例的工作方式。

首先，在通过输入端子100输入载波数据时，数据解调单元101利用由压控振荡单元109获得的振荡反馈电压对接收的信号采样，然后将采样数据提供给第一方式切换单元102。

换句话说，通过输入端子100串行输入的载波数据被数据解调单元101的串行-并行转换单元101a转换成并行数据，在混合单元101b中与电压受控振荡单元109输入的振荡电压混合，然后将其提供给快速傅立叶变换单元101c。

然后，数据解调单元101的快速傅立叶变换单元101c对通过混合单元101b输入的载波数据执行快速正交变换，然后输出经过傅立叶变换的数据。

此时，如果在混合单元101b中串行输入的载波数据中存在载波频率偏移，当数据解调单元101对数据执行快速正交变换时，数据相位的圆形偏移量相当于载波频率偏移的整数部分值。

通过快速傅立叶变换单元101c正交变换的载波数据被并行-串行转换单元101d转换成串行数据，然后提供到用模拟开关构成的第一方式切换单元102的移动端子。

此时，当控制器108通过控制第一方式切换单元102将移动端子a连接到固定支路b时，执行粗调方式，由并行-串行转换单元101d转换的载波数据通过第一方式切换单元102的移动支路a和固定支路b提供到符号累加单元103。

符号累加单元103计算来自当前输入的载波数据中的载波频率偏移的整数部分的强度，并且在几个符号周期期间将这一计算值与延迟了一个符号单位的载波频率偏移强度进行累加，然后将累加值提供给保存值检测单元104。

由绝对值计算单元103a获得的信号强度在第一和第二符号延迟单元103b和103c中分别被延迟一个符号单位。由第一符号延迟单元103b延迟了一个符号的信号强度和通过绝对值计算单元103a输入的当前信号的强度值在第一加法单元103d中累加。这一累加信号的强度值在第二加法单元103e中与经过第二符号延迟单元103c延迟的信号强度累加，然后将其提供给保存值检测单元104。

在第一方式切换单元102切换的载波数据中具有一个其信号功率为零(0)的防护频带，其作用是提供一个防止相邻子信道相互干扰的防护边界，因此，关于几个符号的载波标志(indexes)的载波数据是累加的，然后将其提供给保存值检测单元104。

保存值检测单元104计算由符号累加单元103累加的载波强度，直至其达到第一门限值，并且检查防护频带的信号移动了多少。然后，保存值检测单元104校正一个信道的半个频带之内的载波频率偏移的整数部分。换句话说，用保存值检测单元104的包络检波单元104a检测包络线，并且将符号累加单元103累加的载波信号强度与第一门限值相比较。此处的包络线是通过将第一门限值设定为信号功率的一半而获得的。

另外由上升沿检测单元104b执行计数，直到由包络检波单元104a获得的值变成大于第一门限值时为止。当计数在上升沿的点上完成时，保持这一计数值，并将其提供给例如模拟开关构成的第二方式切换单元107的固定支路b1。

第二方式切换单元107是和第一方式切换单元102一起受到控制器108控制的，并且被连接到固定支路b1。

这样就能通过第二方式切换单元107将上升沿检测单元104b检测到的保存值提供给压控振荡单元109。

压控振荡单元109产生一个振荡电压，它对应着由第二方式切换单元107输入的保存值，并且将其提供给数据解调单元101的混合单元101b。这样就能将载波频率偏移的整数部分校正到一个信道的半个频带宽度之内。

细调方式中使用的定时控制信号是根据符号累加单元103累加了载波数据的多少个符号持续时间来决定的。

另外，在细调方式下是采用符号的连续导频与载波频率偏移之间的相位差将载波频率的偏移校正到几个Hz之内的。

换句话说，载波频率偏移(ε)对接收信号造成的相位偏移大约可以达到2Πε(1+Δ/N)，其中的Δ是一个子信道的频带宽度，N是在快速傅立叶变换单元101c中使用的点数。

用于细调方式的装置包括偏移检测单元105，一阶有源环路滤波器单元106，以及压控振荡单元109。

偏移检测单元105在执行细调方式时使用快速傅立叶变换单元101c，并行-串行转换单元101d，连续导频提取单元105a，第三符号延迟单元105b，以及减法单元105c。

以下说明用于校正小数部分的细调方式。首先，在完成了粗调方式的工作之后，控制器108将例如模拟开关构成的第一和第二方式切换单元102和107的移动端子a和a1转换到固定支路c和c1。

因此，快速傅立叶变换单元101b用N个点数对采样序列执行快速傅立叶变换，然后通过并行-串行转换单元101d和第一方式切换单元102的移动端子a和固定支路c将其提供给偏移检测单元105的连续导频提取单元105a。

偏移检测单元105的连续导频提取单元105a在通过快速傅立叶变换单元101c输入的N个点数的载波数据中间连续地提取导频分量，然后通过第三符号延迟单元105b将其提供给减法单元105c。

减法单元105c计算由连续导频提取单元105a提取的当前的导频信号和在经过第三符号延迟单元105b延迟的与前一导频信号相同的子信道中发送和提取的该导频信号之间的相位差。

换句话说，通过连续导频提取单元105a，第三符号延迟单元105b和减法单元105c来平均一个符号之内的导频信号的相位差，这样就能设定一个关于载波频率偏移的假定值。在同一个子信道中发送的相邻两个符号之间的导频信号的相位差是与载波频率偏移成正比的。如果将这一平均值除以2Πε(1+Δ)，就可以获得符号之间的相位差。

由减法单元105c获得的相位差通过输出端子110被输出，并且通过一阶有源环路滤波器单元106进行滤波，然后提供给第二方式切换单元107。

一阶有源环路滤波单元106利用偏移检测单元105的当前输出直接对压控振荡单元109的输入信号使用比例增益Kp，并且利用偏移检测单元105前面的平均输出对压控振荡单元109的输入信号使用积分增益Ki。

此处可以用一个固有频率ωn来表示增益，比例增益Kp可以表示成ωn(1+ωn)，积分增益ki是4ωn²。

通过一阶有源环路滤波单元106的信号经由第二方式切换单元107被输入到压控振荡单元109。此时，压控荡单元109的增益是一(1)。

压控振荡单元109可以利用一阶有源环路滤波器单元106的增益将混合单元101b输出的载波频率偏移的小数部分降低到几个Hz以内。

此处，当遗留的载波频率偏移很小，并且能快速地跟踪载波时，确定固有频率ωn。

如上所述，按照预定的时间差通过移动用于补偿载波频率偏移的整数部分的粗调方式和用于补偿小数部分的细调方式，就可以在OFDM传输装置中实现载波频率的同步。

尽管已按照本发明的最佳实施例作出了说明，应当理解，本领域的技术人员可以实现各种变更和修改，并且在不脱离本发明范围的条件下可以用等效的元件进行替换。另外，在不脱离本发明范围的条件下，还可以作出适应特定情况的多种修改。因此，本发明并不仅限于作为本发明最佳实施方案而公开的特定实施例，也就是，本发明包括权利要求范围内的所有实施例。

Claims (21)

1.一种OFDM传输系统的载波频率同步方法，包括以下步骤：

在用于校正载波频率偏移的整数部分的粗调方式和用于校正小数部分的细调方式中间确定选择哪一种方式；

在选择粗调方式的情况下，计算在各个子信道中接收到的载波强度；

在一个预定的周期中将计算的载波强度与延迟了一个符号持续时间的前一个载波的强度累加；

计算载波强度的累加值，直至该值达到一个预定的门限值，并且用计算的值来校正接收到的载波频率偏移的整数部分；

在选择细调方式的情况下通过接收由发射机发出的载波，从中提取一个导频信号；

计算所提取的导频信号与延迟了一个符号持续时间的在先提取的导频信号之间的相位差；以及

通过对计算的相位差的增益进行控制，从而将接收的载波频率偏移的小数部分校正到预定的频率之内。

2.按照权利要求1的方法，其中，所述载波频率的信号强度是由信号幅值的绝对值的平方获得的。

3.按照权利要求1的方法，其中，所述载波频率偏移的整数部分的校正是在各个载波之间的预定频宽以内执行的。

4.按照权利要求2的方法，其中，将所述计算的载波信号强度平均之后，把这一平均值作为载波信号强度比较值的建立值。

5.按照权利要求3的方法，其中，在至少两个符号周期期间通过累加计算的当前载波的信号强度和在先载波的信号强度，从而对上述载波频率偏移的整数部分执行校正。

6.按照权利要求3的方法，其中，将所述载波频率偏移的整数部分校正到一个子信道的半个频带宽度之内。

7.按照权利要求1的方法，其中，将通过平均一个符号之内的导频的相位差得到的值除以一个预定值，从而得出所述相位差。

8.按照权利要求7的方法，其中，相邻符号之间的相位差是通过用一个符号之内的导频的相位差的所述平均值除以2Πε(1+Δ)而获得的。

9.按照权利要求7的方法，其中，与相位差的计算值成正比地控制增益，从而将所述载波频率偏移的小数部分校正到预定的Hz之内。

10.一种OFDM传输系统的载波频率同步装置，包括：

数据解调装置，利用一振荡反馈电压对接收的信号进行采样，该接收的信号是从一输入端子获得的载波数据；

第一方式切换装置，用于将所述数据解调装置解调的载波切换到用于校正载波频率偏移的整数部分或是小数部分的粗调方式或是细调方式；

符号累加装置，用于累加由所述第一方式切换装置输入的载波数据获得的频率偏移计算的强度值和延迟了一个符号持续时间的累加的载波频率偏移的强度值；

保存值检测装置，用于通过计算累加的载波频率偏移的强度值，直至该值达到一个门限值时为止，从而检测出一个保存值；

偏移检测装置，用于根据由第一方式切换装置获得的解调载波检测出频率偏移，然后获得当前符号的载波频率偏移和在先符号的载波频率偏移之间的相位差；

环路滤波装置，用于控制由偏移检测装置所获得的相位差的增益；

第二方式切换装置，用于从经过环路滤波装置滤波后获得的相位差值和由保存值检测装置获得的保存值中间选择和输出一个值；

被锁定在由第二方式切换装置选择的保存值或是相位差值上的压控振荡装置，用于校正数据解调装置的载波频率偏移的整数部分和小数部分；以及

控制装置，用于按照预定的时间差切换和控制第一和第二切换装置。

11.按照权利要求10的装置，其中，所述数据解调装置包括：

串行-并行转换装置，用于将所述输入的载波数据转换成并行数据；

混合装置，用于混合所述已转换的并行数据和所述压控振荡装置反馈的所述振荡电压；

快速傅立叶变换装置，用于对所述混合装置提供的所述混合载波数据进行正交变换，从中提取采样数据；以及

并行-串行转换装置，用于将载波的所述采样数据转换成串行数据并且输出所述数据。

12.按照权利要求10的装置，其中，所述符号累加装置包括：

绝对值计算装置，用于计算由所述第一方式切换装置获得的所述载波数据的信号强度；

符号延迟装置，用来根据所述绝对值计算装置计算出的所述信号强度将符号依次延迟一个符号持续时间；以及

加法装置，用于累加由所述符号延迟装置延迟的该信号强度值和由所述绝对值计算装置获得的该信号强度值，然后输出累加的值。

13.按照权利要求10的装置，其中，所述保存值检测装置包括：

包络检波装置，用于将由所述加法装置获得的所述信号强度的累加值与一个预定的门限值进行比较，从中检测出包络线；以及

上升沿检测装置，利用计算由包络检波装置检测的包络值，通过所述第二方式切换装置用来控制所述压控振荡装置。

14.按照权利要求10的装置，其中，所述偏移检测装置包括：

连续导频提取装置，用于从所述第一方式切换装置获得的串行载波数据中提取一个连续的导频信号；

符号延迟装置，用于将所述提取的连续导频信号延迟一个符号周期并输出；以及

减法装置，用于获得被延迟了一个符号周期的所述连续导频信号与当前的连续导频信号之间的相位差，然后将其提供给所述环路滤波装置。

15.按照权利要求12的装置，其中，所述绝对值计算装置包括一个求平方装置，用于对一个绝对值求平方，从而获得所述载波的信号强度。

16.按照权利要求12的装置，其中，具有至少两个所述符号延迟装置和加法装置，并且，该加法装置在至少两个符号期间累加载波的信号强度。

17.按照权利要求13的装置，还包括一个门限值计算装置，该门限值计算装置包括一个求平均装置和一个比较装置，所述求平均装置用于对载波的信号强度求平均，并且所述比较装置用于将由所述求平均装置获得的值与在预定的符号期间累加的值相比较，从而获得所述门限值。

18.按照权利要求13的装置，其中，所述上升沿检测装置包括一个计数器，该计数器执行计数，直到由所述包络检波装置检测的包络值变成大于所述门限值时为止，然后将所述计数值提供给所述压控振荡装置。

19.按照权利要求10的装置，其中，所述环路滤波装置包括一阶有源环路滤波器，该滤波器具有利用所述偏移检测装置的当前输出用于控制直接输入所述压控振荡装置的比例增益，和具有利用平均所述偏移装置的先前输出用于控制输入该压控振荡装置的信号的积分增益。

20.按照权利要求10的装置，其中，进一步包括一个控制器，用来按照粗调方式和细调方式控制所述第一和第二切换装置。

21.按照权利要求20的装置，其中，所述控制器包括一个定时器，该定时器的定时控制信号由所述符号累加装置的符号累加值来控制，当该符号累加值达到一定值时，所述控制器确定为细调方式，并且控制所述第一和第二方式切换装置。