CN1172467C - 在正交频分复用系统中补偿频率偏移的装置和方法 - Google Patents

Abstract

提供一种在正交频分复用(OFDM)系统中补偿频率偏移的装置和方法。在频率偏移补偿装置中，相位检测部分从输入信号中分离有效数据码元和保护间隔码元，相关有效数据码元与保护间隔码元，并根据该相关性检测相位。如果连续各码元正交的相位差是预定值或更大相位补偿部分通过反向连续码元后一码元的符号执行相位补偿。相位偏移估算器平均被补偿的相位并根据该平均值估算频率偏移。

Description

在正交频分复用系统中 补偿频率偏移的装置和方法

技术领域

本发明一般涉及一种OFDM(正交频分复用)系统，更具体地说是涉及一种利用各连续码元之间的相关获得频率同步的装置和方法。

背景技术

OFDM广泛地用于包括DBA(数字音频广播)、数字TV、WLAN(无线局域网)和WATM(无线异步传输模式)在内的数字传输技术中。OFDM是一种多载波方案，其中传输的数据被分为多个数据，利用多个子载波调制并并行发送。

虽然由于硬件的复杂性OFDM方案以前并没有广泛地使用，但因为诸如FFT(快速傅里叶变换)和IFFT(快速傅里叶反变换)之类的数字信号处理技术已经得到发展，OFDM变得有优越性。OFDM方案与常规FDM(频分复用)的区别在于数据是利用保持正交的多个子载波进行传输的。因此，在高速率传输期间可以获得最佳的传输效率。由于这种优点，OFDM已经在例如OFDM/TDMA(正交频分复用/时分多址)系统和OFDM/CDMA(正交频分复用/码分多址)系统的多种形式中实现。

在由于信道特性出现多普勒效应或接收机中的调谐器不稳定情况下，在OFDM传输系统中，发送频率可能与接收频率不同步。各载波之间的不稳定的调谐产生频率偏移，该频率偏移又产生输入信号的相位变化。因此，在各子载波之间失去正交并且使系统的解码特性变坏。在这种情况下，微小的频率偏移引起明显的系统特性的恶化。从而，对于OFDM传输系统保持各子载波之间的正交性频率同步是关键的。

一般，在子载波的间隔的基础上可以消除接收机的频率偏移，并且通过利用子载波间隔划分频率偏移，频率偏移可以表示为一个整数部分和小数部分。这里，对应于整数部分的初始频率偏移的消除是粗频率同步和在粗频率同步后对应于小数部分的剩余偏移的消除是精频率同步。

在OFDM系统中的频率同步技术被考虑为两部分：在时域利用预FFT信号算法和在频域利用后FFT信号算法。按照前一种算法，发送机复制一个有效码元的部分，并将其作为保护间隔加入到有效码元，并发送产生的码元到接收机。然后，接收机从发送机接收这种码元，并利用各码元之间的正比于频率偏移的相位差估算频率偏移。该相位差是接收码元的导频信号之间的相位差。发送机和接收机两者都知道该导频信号。因此根据导频信号之间的相位差估算频率偏移。被估算的频率偏移可以表示为实部和虚部。相位信息是利用各实部之和与各虚部之和获得的。

但是，在传输信号是在类似多径恶劣的信道环境的情况下，在特性曲线上线性区被减小，即，检测各导频信号之间的相位差的相位检测器的一种S形曲线，因此相位检测的性能恶化。从而，因为将要反复地执行相位差检测和频率偏移补偿，所以频率同步要花费很长时间。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供一种可以降低获得频率同步所要求的时间并简化频率偏移补偿过程的频率偏移补偿装置和方法。

为了实现本发明的上述目的，提供了一种在OFDM系统中补偿频率偏移的装置和方法。在根据本发明的一个方面的频率偏移补偿的装置中，相位检测部分从输入信号中分离有效数据码元和保护间隔码元，将有效数据码元与保护间隔码元进行相关，并根据相关性检测相位。如果连续的码元之间的相位差是一个预定值或大于该预定值，相位补偿部分通过将连续码元的后一码元符号反向执行相位补偿。相位偏移估算器平均补偿的各相位并根据该平均值估算频率偏移。

在按照本发明的再一个方面的频率偏移补偿方法中，输入信号被分离为有效数据码元和保护间隔码元，有效数据码元与保护间隔码元进行相关，并根据相关性检测相位。如果连续码元之间的相位差是一个预定做或大于该值，通过导连续码元的最后的码元的符号进行反向执行相位补偿。对被补偿的相位进行平均并根据该平均值估算频率偏移。

附图说明

从下面结合附图的详细描述中，本发明的上述和其它目的、特点和优点将变得更加明显。

图1是应用本发明的OFDM系统的发送机的方框图；

图2是OFDM系统的接收机的方框图；

图3表示OFDM系统的信号帧的结构；

图4表示OFDM系统中在时域和在频域的信号帧；

图5是按照本发明的一个实施例的频率偏移补偿装置的方框图；

图6是表示按照本发明的在理想信道环境下频率偏移补偿装置的特性的图；

图7是表示按照本发明的在多径信道环境下频率偏移补偿装置的特性的图。

具体实施方式

下面将参照附图描述本发明的一个优选实施例。在下面的描述中，公知的功能和结构不予详细描述，因为不必要的细节可能会混淆本发明。

图1是应用本发明的OFDM系统的发送机的方框图。OFDM系统包含在CDMA系统中。

参照图1，扩频部分111利用正交码和PN(伪随机噪声)序列扩频发送数据(Tx数据)。发送机和接收机两者知道正交码和PN序列。加法器113相加从扩频部分111接收的扩频数据并输出串行信号d(k)。串-并变换器(SPC)115变换串行信号d(k)为预定数量的比如说N个并行数据X_k。并行数据X_k的码元长度被增加为串行数据d(k)的码元长度的N倍。

IFFT(快速傅里叶反变换器)117利用N个子载波调制并行数据X_k并输出调制数据X_n。亦即，并行数据X_k被变换为对应于每个子载波的相位和幅度的一个复数，在频率谱上分配到相应各子载波，并在时间谱上进行快速傅里叶反变换。因此，利用N个子载波将并行数据X_k调制为调制数据X_n，该数据可以表示为：

$X_n=\frac{1}{N}\underset{K=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{X}_k{e}^{j2\mathrm{\πnk}/N}[n=\mathrm{1,2,3,4},\·\·\·,N]\·\·\·\left(1\right)$

并-串变换器(PSC)119变换并行数据X_k为串行数据d_s(n)。保护间隔插入器121插入保护间隔到串行数据d_s(n)。当发送信道产生码间干扰(ISI)时，保护间隔被插入到各传输码元之间吸收码间干扰。因此，在OFDM系统中保持了各子载波之间的正交性。

数-模变换器(DAC)123变换从保护间隔插入器121接收的数据为模拟基带信号d_s(t)。混频器125混频信号d_s(t)与从频率合成器127接收的合成载波频率并输出由下式给出的真正的发送数据P(t)

P(t)＝d_s(t)e(jWct)            ...(2)

其中Wc是合成载波频率。发送滤波器129滤出发送数据P(t)为基带信号并发送该基带信号。

在发送到接收机期间，在空中加性高斯白噪声(AWGN)被加入到发送数据P(t)。

将参照图2描述接收机的结构。

图2是应用本发明的OFDM系统接收机的方框图。

包含AWGN的载波信号被施加到乘法器211的输入端。乘法器211利用混频载波信号与频率合成器213合成的预定本振频率下变频输入载波信号的频率为中频频率(IF)。低通滤波器(LPF)215低通滤波从乘法器211接收的中频信号。设从LPF 215输出的基带信号是y_i，y_i表示如下：

$Y_i=\underset{K=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{H}_k{X}_k{e}^{j2\mathrm{\π}(\mathrm{k\Δf}\→\mathrm{foffset})t}+w_i\·\·\·\left(3\right)$

其中H_k是信道传输函数，f_offset是频率偏移，Δf是子载波间隔，w_i是AWGN。ADC 217利用按预定间隔取样IF信号，变换从LPF 215接收的IF信号为数字信号y_n。

$Y_n=\underset{K=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{H}_k{X}_k{e}^{j2\mathrm{\π}(K+\mathrm{\ϵ})n/N}+w_n\·\·\·\left(4\right)$

其中ε是在子载波间隔中归一化的频率偏移(即，ε＝f_offset/Δf

)和t＝nT_u/N。T_u是一个有效码元周期(即，T_u＝1/Δf)，N是有效码元样值数，即，FFT块的长度。信号y_n是利用有效码元的N个样值和为有效码元的复制部分保护间隔码元L个样值表示的。换言之，一个码元包括在时域上的N+L个样值，N个样值是有效码元，并且L个样值是保护间隔码元。

保护间隔去除器219从数字信号中去除保护间隔。SPC 221变换从保护间隔去除器219接收的无保护间隔信号为并行数据。FFT 223 OFDM利用多个子载波解调并行数据，并且PSC 225利用附加按并行接收的码元数据，变换解调的并行数据为串行数据。去扩频器227去扩频串行码元数据，恢复原来的数据。

在上述接收机中获得各子载波之间的频率同步是重要的。频率同步可以保持各子载波之间的正交并精确地解码信号。下面将描述按照本发明的一个实施例的频率同步的频率偏移补偿装置。

图3表示如图1和2所示的OFDM系统的信号帧的格式。

参照图3，用于OFDM系统的帧300包括12个码元。码元NULL指示帧300的开始，并且码元Sync#1和Sync#2是同步码元，数据码元#1 301到数据码元#9是真正传输的数据。数据码元，比如说，数据码元#1 301具有例如为256个数据的预定数据。例如为10个的预定数量的导频数据被插入到256个数据，使得通过导频数据的相位估算，接收机可以补偿各子载波之间的频率偏移。

图4表示OFDM系统中在频域和在时域的信号帧。

参照图4，保护间隔T_g被加到用于发送的有效码元T_u。多个子载波形成一个单一的载波。

图5是按照本发明的一个实施例的频率偏移补偿装置的方框图。

如上所述，从ADC217输出的信号y_n可以被表示为包括有效码元和保护间隔码元的y_symbol。

y_symbol＝[y_-L+1、y_-L+2、...、y_-1、y₀、y₁、y₂、...、y_N-1、y_N]  ...(5)

其中保护间隔码元包括L个样值[y_-L+1、y_-L+2、...、y_-1、y₀]并且有效码元包括N个样值[y₁、y₂、...、y_N-1、y_N]。

保护间隔去除器219从ADC 217的输出中去除保护间隔码元并馈送有效码元FFT 223和相关器311。

相关器311从由保护间隔去除器219接收的信号中分离保护间隔码元和有效码元，并相关有效码元样值y_N-i与保护间隔样值y_-i，i是样值的数量并且0＜i≤L-1。

相关器311输出相关值y_N-i.y^* _-i到相位检测器313。这里，相关器311将保护间隔码元样值与同样数量的有效码元样值进行相关，并且该相关是各样值之间的相关值。相位检测器313检测从相关器311接收的相关值的相位。亦即，通过计算有效码元样值的导频信号的数据值与保护间隔码元样值的导频信号的数据值的内积，实现有效码元样值的导频信号与保护间隔码元的导频信号之间的相关。如果该相关值是一个实数，则意味着已经接收到具有正交性的信号。另一方面，如果该相关值是复数，则意味着已经接收到丢失正交性的信号。

相位检测器313通过下式检测从相关器311接收的相关值的相位。

${\mathrm{\Θ}}_i={\tan }^{-1}\frac{\mathrm{Im}(y_{N-i}\·{y^{*}}_{-i})}{\mathrm{Re}(y_{N-i}\·{y^{*}}_{-i})}\·\·\·\left(6\right)$

相位差计算器315计算连续数据码元之间的相位差并馈送该相位差到相位补偿器317。

如果相位差为一个阈值(例如，π)或更大，则相位补偿器317反向连续码元的最后一个的相位的符号。亦即，如果Θ_i-Θ_i+1≥π，则Θ′_i+1＝-Θ_i+1。这里Θ′是补偿相位。如果相位差低于该阈值，保持后一码元的符号。即，如果Θ_i-Θ_i+1∠π，则Θ′_i+1＝Θ_i+1。

平均相位检测器319累加从相位补偿器317接收的各补偿的相位并计算累加相位的平均值。频率偏移估算器321利用下式从平均相位中估算频率偏移。

${f^{\mathrm{\Λ}}}_A=\frac{1}{2\mathrm{\πL}}\underset{i=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{{\mathrm{\Θ}}^{\′}}_i\·\·\·\left(7\right)$

利用频率偏移估算f^{^} _A可以实现精确的频率同步。

下面，将给出参照图6的按照本发明的实施例在频率偏移估算的理想信道环境下用于频率补偿的相位检测器的特性曲线的描述。

图6表示按照本发明的频率偏移补偿装置在理想信道环境中的特性曲线。参照图6，该特性曲线在频率偏移ε中形成从-0.5到+0.5的线性区。特性曲线的线性度，即，频率偏移补偿装置的S曲线能够实现精确的相位检测并因此实现精确的频率偏移估算。

因为真正的信道环境不是理想的并引起各种信道变化，在常规频率偏移补偿中保持线性是困难的。但是，在本发明的实施例中由于精确的相位检测和频率偏移估算，在如图7所示的真正信道环境下保持线性也是可能的。

图7表示按照本发明的实施例的频率偏移补偿装置在多径信道环境下的特性曲线。参照图7，信噪比(SNR)是5db并且以例子的方式利用无主路径的瑞利信道。

图7的特性曲线保持类似于图6所示的线性。即，在频率偏移ε的-0.5到+0.5形成一个线性区。因此，可以防止由于线性区减少引起的相位检测性能的恶化并且简化了相位差检测和频率偏移补偿的处理。因此，利用很少的时间就可以执行频率同步。

按照如上所述的本发明，保护间隔码元样值与数据码元中和有效码元样值同样数量的样值进行相关，并根据这种相关性检测数据码元的相位。利用各数据码元之间的相位差补偿数据码元的相位，因此能够实现精确的频率偏移估算并因此获得精确的频率同步。

即使在类似多径的恶劣的信道环境下，在特性曲线中保持有线性区，即检测发送信号和接收信号的导频信号之间相位差的相位检测器的S曲线，因此防止由于线性区的减低引起的相位检测性能的恶化。

产生的精确相位差检测和频率偏移补偿降低获得频率同步所需的时间。

虽然参照其某些优选实施例已经对本发明进行了表示和描述，但本专业的技术人员应当理解，在不脱离由所附的权利要求书限定的本发明的精神和范围的情况下，在形式和细节上可以作出各种变化。

Claims (18)

1.一种在正交频分复用(OFDM)系统中的频率偏移补偿装置，包括：

一个相位检测部分，用于从输入信号中分离有效数据码元和保护间隔码元，相关有效数据码元与保护间隔码元，并且根据这种相关性检测相位；

一个相位补偿部分，如果连续各码元之间的相位差是预定值或更大，则通过对连续码元的后一码元的符号反向，执行相位补偿；和

一个相位偏移估算器，用于平均被补偿的各相位并根据该平均值估算频率偏移。

2.权利要求1的频率偏移补偿装置，其中通过相关有效码元的导频信号与保护间隔码元的导频信号，检测相关性。

3.权利要求1的频率偏移补偿装置，其中如果相位差是π或更大，则反向后一码元的符号。

4.权利要求1的频率偏移补偿装置，其中如果相位差低于该预定值，则保持各码元的符号。

5.权利要求1的频率偏移补偿装置，其中保护间隔码元与同样数量的有效码元进行相关。

6.权利要求1的频率偏移补偿装置，其中相位检测部分包括：

一个相关器，用于检测连续码元的相关性；和

一个相位检测器，用于根据从相关器接收的相关性检测连续码元的相位。

7.权利要求1的频率偏移补偿装置，其中相位补偿部分包括：

一个相位差计算器，用于计算各连续码元之间的相位差；

一个相位补偿器，如果该相位差是预定值或更大，则通过反向后一码元的符号，补偿各码元的相位。

8.权利要求7的频率偏移补偿装置，其中相位差低于该预定值，则保持各连续码元的符号。

9.权利要求1的频率偏移补偿装置，其中频率偏移估算部分包括：

一个平均相位检测器，用于累加各补偿的相位并计算各相位的平均值；和

一个频率偏移估算器，用于根据该平均值估算频率偏移。

10.一种OFDM系统中的频率偏移补偿方法，包括以下步骤：

从输入信号中分离有效数据码元和保护间隔码元，相关有效数据码元与保护间隔码元，并且根据这种相关性检测相位；

如果连续各码元之间的相位差是预定值或更大，则通过对连续码元的后一码元的符号反向，执行相位补偿；和

平均被补偿的各相位并根据该平均值估算频率偏移。

11.权利要求10的频率偏移补偿方法，其中利用相关有效码元的导频信号与保护间隔码元的导频信号，检测相关性。

12.权利要求10的频率偏移补偿方法，其中如果相位差是π或更大，则反向后一码元的符号。

13.权利要求10的频率偏移补偿方法，其中如果相位差低于该预定值，则保持各码元的符号。

14.权利要求10的频率偏移补偿方法，其中保护间隔码元与同样数量的有效码元进行相关。

15.权利要求10的频率偏移补偿方法，其中相位检测步骤包括以下步骤：

检测各连续码元的相关性；和

根据该相关性检测连续码元的相位。

16.权利要求10的频率偏移补偿方法，其中相位补偿步骤包括以下步骤：

计算各连续码元之间的相位差；和

如果该相位差是预定值或更大，则通过反向后一码元的符号，补偿各码元的相位。

17.权利要求16的频率偏移补偿方法，还包括如果该相位差低于该预定值保持连续码元的符号的步骤。

18.权利要求10的频率偏移补偿方法，其中频率偏移估算步骤包括以下步骤：

累加各补偿的相位并计算各相位的平均值；和

根据该平均值估算频率偏移。

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