CN1149801C - 补偿接收机的抽样和本振频率偏移的方法以及同步的方法 - Google Patents

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Abstract

利用Goertzel算法执行一种部分傅里叶变换、以便计算两个频率仓位。关于每个仓位计算相位偏差，所述相位偏差最好代表通过对保护间隔中样值进行的傅里叶变换计算出的仓位与通过对符号的有用部分内的匹配样值进行的傅里叶变换而计算出的仓位之间的相位差异。通过对相位偏差求和来补偿本振频率偏移，并且通过取出相位偏差之间的差异来补偿抽样频率偏移。

Description

补偿接收机的抽样和本振频率偏移的方法以及同步的方法
技术领域
本发明涉及正交频分复用(OFDM)解调。本发明具体但不仅仅地涉及OFDM接收机的微调。
背景技术
常规OFDM接收机具有必须非常准确地调谐到接收信号的解调器。接收机抽样时钟也必须准确地与接收信号对准。通常，解调器执行粗略的频率同步(信号捕获)和精细的频率调谐或跟踪。解调器还执行粗略的定时(OFDM符号同步)和精细的抽样时钟同步。
本发明主要涉及精细的频率调节和精细的抽样时钟同步。已知的各种装置用于以这样的方式执行这些操作、以便使可能导致符号间干扰(ISI)的多径干扰的影响最小。一些这样的装置依赖于每个包括“有用部分”和“保护间隙”的OFDM符号，保护间隙有时称为保护间隔、循环扩展或循环前缀。保护间隙在符号的有用部分之前，并且包含有用部分末端数据的重复。
在某些先有技术的装置中，被有用符号周期间隔开的时域样值是互相关的、以便获得符号同步、精细频率校正以及抽样时钟调整。其他装置从为时域样值的解调而提供的、常规设置的快速傅里叶变换(FFT)块的输出导出频率及抽样定时精细控制信号。
发明内容
本发明方目的是提供一种处理细微的频率和/或抽样时钟偏移的改进技术。
根据本发明，除用于从接收信号中抽取数据的FFT块之外，OFDM接收机还具有用于对接收的时域样值进行部分的和/或简化的傅里叶变换的其他装置。“部分的”FT(傅里叶变换)是指其中仅计算了频率仓位(bin)的子集的FT。“简化的”FT是指具有比用于解调OFDM信号的集合小的仓位集合的FT、即短FT。部分的和/或简化的傅里叶变换可以导出关于特定的频率输出仓位的相位偏差值，该值代表由本振频率的失调而产生的误差。作为选择、或者附加地，可以评估部分的和/或简化的FFT的两个输出仓位的内容以确定两个单独的相位偏差，这些相位偏差之间的任何差异是由抽样时钟频率中的误差导致的。因此，部分的和/或简化的FT可以提供用于校正本振频率和/或抽样时钟的信号。
在最佳实施例中，每个相位偏差代表对于OFDM符号的不同部分、同一输出仓位的相角之间的差异，这些不同部分含有相同的数据。这是通过对符号的保护间隙的样值和有用部分中的匹配样值执行部分的和/或简化的FT来完成的。在此实施例中，因为保护间隙中的几个样值与符号的有用部分中的相应样值匹配，对样值组执行简化的FT就足够了。仅有一两个仓位需要计算。
在特别适用于含有已知数值的导频信号的OFDM传输的另一实施例中，每个相位偏差可代表在特定输出仓位中的复数样值的相位与导频信号的预期相位之间的差异。在此实施例中，有必要分解各个导频符号，所以计算整个FT的一两个频率仓位。
根据本发明，提供了一种补偿正交频分复用(OFDM)接收机中的抽样频率偏移的方法，该方法对接收的多载波信号抽样并且对所述抽样信号进行傅里叶变换以便从所述信号中提取数据，所述方法包括：对所述抽样信号执行分离傅里叶变换，所述分离傅里叶变换是部分的和/或简化的傅里叶变换以便导出关于其中至少两点的相位值；以及根据所述相位值来补偿所述抽样频率偏移；其特征在于所述方法还包括：关于每一点导出代表在OFDM符号的两部分的相位之间的差异的相位偏差；根据关于各个点的相位偏差之间的差异来补偿所述抽样频率偏移；所述OFDM符号的所述两个部分是被与还包括保护间隙的符号的有用部分对应的间隔分开的。
在所述方法中，一个部分是在所述保护间隙的末端。
所述分离傅里叶变换是简化的傅里叶变换。
所述分离傅里叶变换的所述两点中每一点对应于各个导频信号，所述方法包括确定代表对于所述点的预定相位值与所述各个导频信号的期望相位值之间的差异的相位偏差的步骤，对所述抽样频率偏移的所述补偿是根据关于所述各个点的所述相位偏差之间的所述差异。
在所述方法中，根据在多个OFDM符号上测量的相位值来执行对所述抽样频率偏移的所述补偿。
所述分离傅里叶变换是部分的傅里叶变换。所述部分傅里叶变换是使用Goertzel算法来执行的。
其中，关于所述各点的所述相位值是仅响应所述接收信号的所选样值来计算的。
其中，对所述抽样频率偏移的所述补偿是通过调整所述抽样频率来完成的。或者，对所述抽样频率偏移的所述补偿是通过控制所述抽样信号的内插来完成的。
本发明还提供了一种补偿OFDM接收机中的本振频率偏移的方法，该方法对接收的多载波信号抽样并且对所述抽样信号进行傅里叶变换以便从所述信号中提取数据，所述方法包括：对所述抽样信号执行分离傅里叶变换，所述分离傅里叶变换是部分的和/或简化的傅里叶变换、以便导出关于其中至少一点的相位值；以及根据所述相位值来对所述本振频率偏移进行补偿；其特征在于所述方法还包括：关于所述点导出代表在OFDM符号的两部分的相位之间的所述差异的相位偏差，根据所述相位偏差来对所述本振频率偏移进行补偿；所述OFDM符号的所述两个部分是被与还包括保护间隙的符号的有用部分对应的间隔分开的。
其中，一个部分是在所述保护间隙的末端。
所述分离傅里叶变换是简化的傅里叶变换。
所述分离傅里叶变换的所述点对应于导频信号，所述方法包括确定表示关于所述点的预定相位值与所述各个导频信号的期望相位值之间的差异的相位偏差的步骤，对所述本振频率偏移的所述补偿是根据所述相位偏差。
所述方法根据在多个OFDM符号上测量的相位值来执行对所述本振频率偏移的补偿。
所述分离傅里叶变换是部分的傅里叶变换。所述部分傅里叶变换是使用Goertzel算法来执行的。
关于所述点的所述相位值是仅响应所述接收信号的所选样值来计算的。其中，对所述本振频率偏移的所述补偿是通过调整所述本振频率来完成的。或者，对所述本振频率偏移的所述补偿是通过对接收和抽样的信号的相位旋转来完成的。
本发明最后提供了一种使OFDM接收机同步的方法，所述方法对接收的多载波信号抽样并且对所述抽样信号进行傅里叶变换以便从其中提取数据，所述方法包括：对所述抽样信号执行分离傅里叶变换，所述分离傅里叶变换包括部分的和/或简化的傅里叶变换、以便导出关于其中至少两点的相位值，关于每一点，确定对应于OFDM符号的由所述符号的有用部分隔开的不同部分的相位值之间的差异的相位偏差，根据所述相位偏差之间的所述差异来补偿所述抽样频率偏移；根据所述相位偏差中至少一个相位偏差来补偿本振频率偏移。
本发明具有多个潜在的优点。其中一些是仅需要部分的和/或简化的FT来实现本振和/或抽样频率同步的结果，因为这可以被相对简单地执行。按照本发明特定的最佳方面，部分的和/或简化的FT是用Goertzel算法导出的。这是仅仅计算DFT(离散傅里叶变换)的少数仓位的有效方法。
可以使用从相位偏差导出的信号来补偿数字化样值中产生的误差，而不用该信号来控制本地振荡器的微调。而且，还可以使用从相位偏差导出的信号来控制内插器、以便导出校正后的、用不同步抽样时钟得到的数字化样值，而不用该信号来控制抽样时钟。
附图说明
现参照附图以示例的方式来描述实施本发明的一种装置，附图中：
图1是根据本发明的OFDM接收机的方框图；
图2表示OFDM信号。
具体实施方式
参照图1，OFDM接收机2包括天线4，该天线接收信号并且将其送到下变频器6，下变频器将RF(射频)信号转换成IF(中频)信号。然后该信号通过中频-基带变换器8转换成基带信号。这在其输出端产生每个发射的OFDM符号的复数样值。模-数(A/D)转换器10将这些复数样值数字化。相位旋转器12对这些样值进行相位旋转，以便补偿下变频器6和中频-基带变换器8所用的本振频率中的微小误差。然后把这些样值发送到快速傅里叶变换(FFT)电路14。FFT电路14把样值从时域转换到频域，并且在输出端提供的符号数据被送到信道估算器和校正器16以及解码器17。
如果需要，也可以把来自A/D转换器10的复数样值和/或来自信道估算器和校正器16的信号发送到频率同步电路18，后者用来控制下变频器6和中频-基带变换器8所用的本振频率；但是，也有可能实现不需要这种反馈的接收机。
还把复数样值发送到符号同步电路20，后者产生供快速傅里叶变换(FFT)电路14使用的同步脉冲。FFT电路14需要同步脉冲，使得每个转换操作与OFDM符号的起点对准。
本发明针对新颖而具有创造性的技术，该技术被具体化为微调谐同步电路22，后者控制相位旋转器12得到的精细频率调整，并且还达到对A/D转换器10所用的抽样时钟的精细调整，从而将其精确地对准接收信号。
参照图2，假定OFDM符号由Nu+Ng样值构成，表示信号的有用部分U中的Nu样值，在其之前是保护间隙G中的Ng样值。保护间隙G中的Ng样值含有与符号的有用部分U的最后一个Ng样值相同的数据(如关于符号之一、由阴影所示)。
把这些样值从A/D转换器10发送到同步电路22。这由硬件配置来示意性地表示，但实际上，它很可能至少部分地以软件来实现。
样值发送到块24，块24与块26结合、可工作以计算DFT的单个仓位，DFT是对来自每个符号的所选样值组执行的。在最佳实施例中，块24与块26计算16点DFT的仓位+6，这是在从保护间隔的末端取出的第一组的16个样值和包括在OFDM符号的末端的16个相应的匹配样值的第二组样值上执行的。这种计算是用Goertzel算法来执行的。
按照Goertzel算法，实际上是IIR(无限冲激响应)滤波器的块24在每个接收的样值上执行以下计算：
Sk[n]＝x[n]+2·cos(2·k·π/N)·Sk[n-1]-Sk[n-2]
其中：
Sk[-2]＝Sk[-1]＝0.0；n等于样值数目而N等于用于计算DFT的样值的总数，在此实例中为16。k表示正在计算的仓位，在此实例中为+6。
在每组的16个样值的末尾，块26计算关于+6仓位的复数值，即：
Yk[n]＝Sk[n]-Wk N·Sk[n-1]
其中：
Wk N＝exp(j·2π·k/N)
关于保护间隔末端的16个样值的合成值延迟了对应于Nu样值的一段时间，如块28所示，所以可以把它连同信号的有用部分中的相应一组样值的合成值提供给相关器30。相关所得的角度值或者自变量被送到存储器32，存储器32对在完成的符号周期中提供的相关器30的输出求平均值。
除了计算关于仓位-6、即k＝-6的值的这种情况之外，块24’到32’执行与块24到32完全相同的功能。
如果接收机频率和抽样时钟是精确调整的，则在保护周期末端关于每个仓位计算出的值会与在OFDM符号的末端关于相同仓位计算出的值一致。但是，如果有微小的频率偏移，关于相同仓位的值就不同。关于仓位+6的各值之间的差异会对应于关于仓位-6的各值之间的差异，并且会反映出频率误差。
如果抽样时钟在频率上略有偏移，这会导致在OFDM符号的不同部分对相同仓位计算出的值之间的差值。但是(在保护间隔的末端和符号的末端)对仓位+6计算的两个值之间的差值与对仓位-6计算的两个值之间的差值不同。对相同仓位计算的各值之间的相位差从仓位到仓位不等，偏差量对应于抽样时钟频率偏移。
为了利用这些特征，在加法器34中把存储器32与32′的输出相加，将该输出发送到存储器36。该存储器的输出代表调谐频率偏差，并且用于控制相位旋转器12。
另外，通过减法器38计算存储器32的32′的输出之间的差异，该输出被发送到存储器40。存储的数值代表关于仓位+6计算的值之间的相位差与关于仓位-6计算的值之间的相位差之间相差的量，并且代表抽样频率偏差。存储器40的输出用于控制A/D转换器10所用的抽样时钟频率。
存储器36和40可配置成提供代表乘上适当常数的接收值的输出，这取决于接收机调谐的灵敏度和抽样时钟控制电路。
在此实施例中，值Sk[n]，其中k＝±6，是对每个符号的每个样值来计算的，但是对于每个系数k，仅为每一个16个样值的组计算所述值Yk[n]一次、即对于k＝+6，一次是在保护间隔的末端而一次是在符号的末端，对于k＝-6也是同样，因此为每个符号总共计算四次。这显著地减小了所需的处理量。不必要对所有样值来计算值Sk[n]；如果需要，有可能仅仅为这两个16的组内的样值中每一个计算这些。当然也有可能对每个算出的Sk[n]值来计算值Yk[n]。
为了使同步电路22的操作与每个OFDM信号匹配，所述电路最好从符号同步电路20接收信号。
对本实施例的各种修改是可能的。例如，存储器36的输出可能用于控制频率同步电路18所用的本振频率，在该情况下，有可能删除相位旋转器12。模-数转换器10所用的抽样时钟可能是自由运行的，而不是同步的，而存储器40的输出用于控制内插器、以便从转换器10的输出来重构正确样值。
最好使用一组位于保护间隔末端的样值，而包括在符号末端的匹配样值的另一组作为多径失真的结果被最小化。但是可以选择其他匹配样值。
微调谐同步电路22可仅用于补偿抽样时钟频率中的误差。或者，电路22可仅用于补偿调谐频率中的误差；在这种情况下，如果需要，可省略元件24’到32’，并且存储器32的输出用于频率微调谐补偿。
本发明的备选实施例不依赖于保护间隔，而是依靠在特定频隙中的已知相位的导频信号的出现。此备选实施例的工作类似于图1的实施例。但是，在此情况下，N设置成等于每个OFDM符号中的样值数，所以各个频率仓位是分解的。k设置成对应于特定导频信号的频率仓位。由比较器代替延迟器28、28’与相关器30、30’，该比较器用于比较与带有预定的期望相角的各导频信号相联系的所计算频率仓位的相角。
这种装置需要计算整个DFT的一个或多个仓位，尽管如此，但是不需要计算所有仓位。

Claims (21)

1.一种补偿正交频分复用(OFDM)接收机中的抽样频率偏移的方法，该方法对接收的多载波信号抽样并且对所述抽样信号进行傅里叶变换以便从所述信号中提取数据，所述方法包括：
对所述抽样信号执行分离傅里叶变换，所述分离傅里叶变换是部分的和/或简化的傅里叶变换以便导出关于其中至少两点的相位值；以及
根据所述相位值来补偿所述抽样频率偏移；
其特征在于所述方法还包括：
关于每一点导出代表在OFDM符号的两部分的相位之间的差异的相位偏差；
根据关于各个点的相位偏差之间的差异来补偿所述抽样频率偏移；
所述OFDM符号的所述两个部分是被与还包括保护间隙的符号的有用部分对应的间隔分开的。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：一个部分是在所述保护间隙的末端。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述分离傅里叶变换是简化的傅里叶变换。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述分离傅里叶变换的所述两点中每一点对应于各个导频信号，
所述方法包括确定代表对于所述点的预定相位值与所述各个导频信号的期望相位值之间的差异的相位偏差的步骤，
对所述抽样频率偏移的所述补偿是根据关于所述各个点的所述相位偏差之间的所述差异。
5.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于包括：根据在多个OFDM符号上测量的相位值来执行对所述抽样频率偏移的所述补偿。
6.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述分离傅里叶变换是部分的傅里叶变换。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于：所述部分傅里叶变换是使用Goertzel算法来执行的。
8.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：关于所述各点的所述相位值是仅响应所述接收信号的所选样值来计算的。
9.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：对所述抽样频率偏移的所述补偿是通过调整所述抽样频率来完成的。
10.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：对所述抽样频率偏移的所述补偿是通过控制所述抽样信号的内插来完成的。
11.一种补偿OFDM接收机中的本振频率偏移的方法，该方法对接收的多载波信号抽样并且对所述抽样信号进行傅里叶变换以便从所述信号中提取数据，所述方法包括：
对所述抽样信号执行分离傅里叶变换，所述分离傅里叶变换是部分的和/或简化的傅里叶变换、以便导出关于其中至少一点的相位值；以及
根据所述相位值来对所述本振频率偏移进行补偿；
其特征在于所述方法还包括：关于所述点导出代表在OFDM符号的两部分的相位之间的所述差异的相位偏差，
根据所述相位偏差来对所述本振频率偏移进行补偿；
所述OFDM符号的所述两个部分是被与还包括保护间隙的符号的有用部分对应的间隔分开的。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于：一个部分是在所述保护间隙的末端。
13.如权利要求11或12所述的方法，其特征在于：所述分离傅里叶变换是简化的傅里叶变换。
14.如权利要求11所述的方法，其特征在于：所述分离傅里叶变换的所述点对应于导频信号，
所述方法包括确定表示关于所述点的预定相位值与所述各个导频信号的期望相位值之间的差异的相位偏差的步骤，
对所述本振频率偏移的所述补偿是根据所述相位偏差。
15.如权利要求11或12所述的方法，其特征在于包括：根据在多个OFDM符号上测量的相位值来执行对所述本振频率偏移的补偿。
16.如权利要求11或12所述的方法，其特征在于：所述分离傅里叶变换是部分的傅里叶变换。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于：所述部分傅里叶变换是使用Goertzel算法来执行的。
18.如权利要求11或12所述的方法，其特征在于：关于所述点的所述相位值是仅响应所述接收信号的所选样值来计算的。
19.如权利要求11或12所述的方法，其特征在于：对所述本振频率偏移的所述补偿是通过调整所述本振频率来完成的。
20.如权利要求11或12所述的方法，其特征在于：对所述本振频率偏移的所述补偿是通过对接收和抽样的信号的相位旋转来完成的。
21.一种使OFDM接收机同步的方法，所述方法对接收的多载波信号抽样并且对所述抽样信号进行傅里叶变换以便从其中提取数据，所述方法包括：
对所述抽样信号执行分离傅里叶变换，所述分离傅里叶变换包括部分的和/或简化的傅里叶变换、以便导出关于其中至少两点的相位值，
关于每一点，确定对应于OFDM符号的由所述符号的有用部分隔开的不同部分的相位值之间的差异的相位偏差，
根据所述相位偏差之间的所述差异来补偿所述抽样频率偏移，
根据所述相位偏差中至少一个相位偏差来补偿本振频率偏移。
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