CN1186583A - 在发射数字信号时改进接收的方法和电路装置 - Google Patents

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Abstract

在OFDM方法的情况下,采用频分多路复用发射大量被调载波,由于大量载波的缘故产生了具有虚拟矩形的频谱。为在接收机中再次将载波彼此分离,执行快速傅立叶变换,只要载波彼此间完全正交,就可将每个载波与其他的载波清楚地分离。但载波的正交性会受各种因素干扰。此外,必须通过在接收机中进行模拟或数字滤波将需要的信号与不需要的相邻通道信号分离。为改进载波和通道分离,可通过加大FFT部件数来增大FFT滤波的选择性。然而,这常常会导致计算复杂性的剧增,这是不希望的。根据本发明细化用于FFT的时间窗口和在FFT之前过采样可省去一些系数的计算。

Description

在发射数字信号时改进接收 的方法和电路装置
本发明涉及在发射数字信号时改进接收的方法和电路装置。
在OFDM(正交频分多路复用)方法的情况下，对每个节目不是使用一个载波，而是使用采用频分多路复用发射的大量已调制载波。调制的类型可能是例如QPSK、64QAM或其它数字型调制。N个载波的频率位于等距离间隔ftr，并且其选择方式要使其构成一个正交函数系统。在这种情况下，大量的载波导致一个具有虚拟矩形形状的频谱，从而使OFDM信号在使用的频带中具有恒定的功率密度，与有限带宽白噪声类似。
节目信号被分解为持续时间Ts＝l/ftr的符号，并且分布在N个不同的载波频率上。在这种情况下，对每个OFDM符号指定长度为Tg的保护间隔，在该保护间隔中重复符号的一部分，以便使信号对回波不敏感。
为了在接收机中再次将载波彼此分开，进行长度为N的快速傅立叶变换(FFT)，从而只要载波彼此之间完全正交，就可以将载波彼此清晰地分开。
然而，载波的正交性可能受各种原因干扰，从而载波中的频率误差或载波的传播可以由于相位噪声的结果而产生。如果在载波之间存在频率成分，正交性也受到干扰，这可能由频率与载波频率不相符合的白噪声或谐波干扰引起。
此外，必须通过在接收机中进行模拟或数字滤波将需要的信号与不需要的相邻通道信号分开。如果需要的信号占据了整个通道直至频带界限，那么两个相邻信号之间的小分离也需要很陡的分离滤波器，这就要求很高的系统复杂性。减少频带界限上的载波数量来增大分离只能在有限的程度上克服该困难。
在上述两种情况下都对所有频率成分进行积分(FFT的漏泄效应)，该积分可能导致相应OFDM接收机中干扰的显著增大。
本发明的目的是提供一种方法，该方法通过纯净载波和通道分离，在数字信号被发射时改进接收。这一目的由权利要求1和6中描述的方法来实现。
本发明的另一个目的是提供一种使用本发明方法的电路装置，该目的由权利要求8和11所述的电路装置来实现。
为了改进对N个载波的分离，可以通过增加FFT部件的数目来增大FFT滤波的选择性。然而，由于FFT的长度以及计算出来的系数的数目必须是N的整数倍，因此这通常会导致计算复杂性严重增大，这是不希望的。但是，根据本发明对用于FFT的时间窗口的细化可以使得某些系数的计算被省却。根据发射的信号和发射条件，借助于对通道特性的估计，在这种情况下窗口的实现可以与发射条件自适应匹配。
在FFT之前，如果在接收机中信号被过采样，那么通道分离可以改进。此时根据本发明选择过采样也可以在这种情况下免除计算某些系数，并且能使用相对简单的模拟滤波，因为此时不再需要很陡的滤波。
在载波和通道分离的情况下，可以采用减小频带的原理(频率抽取)执行FFT，以便只有FFT的第一级才需要采用所有的系数进行计算。使用的其它系数则采用常规N-FFT计算，从而减小了因为N的扩大而引起的复杂性增加。
从原理上说，在数字信号被发射时改进其接收的本发明方法中，数字信号被分解为持续时间为Ts的符号进行发射，并对每个符号指定一个保护间隔，这些符号被分布在N个不同的载波频率上，并在一个接收机中对发射的信号进行傅立叶变换，该方法的要点是为这些符号产生持续时间为M1*Ts的新符号，并在傅立叶变换过程中用持续时间为M1*Ts的时间窗口相乘，在对信号进行采样之后，傅立叶变换的长度为M1*N，并由每一第M1个系数的傅立叶变换进行计算。
最好使符号延长持续时间Tv，由此产生延长的符号，在延长的符号之前和之后的样本被设置为零，以便以这种方式产生新的符号，并且在每种情况下时间窗口由一个奈奎斯特窗口和设置为零的一个区域构成。
选择设置为零的样本的数目最好使得新的符号的持续时间为2*Ts，奈奎斯特窗口在Ts/2和3Ts/2有奈奎斯特点，傅立叶变换的长度是2*N，并且只计算每第二个系数。
新的符号最好由所述的符号和保护间隔的一部分组成。
特别有利的是在接收机中计算保护间隔的当前最大有用长度，以便保证用于构成新的符号的保护间隔的这些部分的长度适用性。
从原理上说，在发射数字信号时改进其接收的本发明方法中，信号向若干通道发射，对每个通道使用N个载波频率，并且在接收机中选择其中一个通道，对信号采样并执行傅立叶变换，该方法包括在采样时产生M2*N个样本，傅立叶变换的长度是M2*N，并且由傅立叶变换计算中心N个系数。
权利要求6的特征最好与权利要求1至5之一的特征相结合。
从原理上说，用于根据权利要求1至5中一个或多个所述的在发射数字信号时改进其接收的方法的本发明电路装置，在该装置的情况下，发射的信号被提供给在其中进行信号采样和转换为I/Q信号的第一单元，借助于频率混合单元进行I/Q信号的频率匹配，并在处理器中进行N个载波频率的分离，该装置的要点是在处理器中产生持续时间为M1*Ts的新符号，用持续时间为M1*Ts的时间窗口执行开窗，进行长度为M1*N的傅立叶变换，并且只计算每第M1个系数。
保护间隔的当前最大可用长度最好由检测单元确定，以便产生新的符号。
第一单元最好包括一个A/D转换器和一个数字滤波器。
从原理上说，根据权利要求6所述的用于在发射数字信号时改进其接收的方法的本发明电路装置，在该装置的情况下，发射的信号被提供给在其中进行信号采样和转换为I/Q信号的第一单元，借助于频率混合单元进行I/Q信号的频率匹配，并在处理器中进行N个载波频率的分离，该装置的要点是通过同步单元选择采样率，使得在采样过程中产生M2*N个样本，在处理器中计算长度为M2*N的FFT，并且只计算中心M个系数。
M1和M2最好是自然数，特别是2的幂。
本发明的实施例将结合下述附图进行描述，其中：
图1A示出了一个OFDM信号、图1B示出了一个矩形时间窗口和图1C示出了相关的系数频谱；
图2示出了相应于图1的2N-FFT的滤波器响应；
图3A示出了一个OFDM信号、图3B示出了一个奈奎斯特时间窗口和图3C示出了相关的系数频谱；
图4A、4B、4C示出了对各种滚降因子相应于2N-FFT的滤波器响应；
图5A和5B示出了在常规的FFT和本发明的FFT中的干扰的比较；
图6A示出了采用轻微模拟滤波的相邻通道滤波(在顶部)，图6B示出了过采样和2N-FFT的形成(在底部)；
图7示出了采用4基数算法简化4N-FFT来形成一个N-FFT；
图8示出了根据本发明的电路装置的方框图。
图1示出了根据本发明改进载波分离的方法。在时域中，OFDM信号的频谱有一个很明显的噪声包络，如图1A所示，一个符号的持续时间通过例如加长保护间隔现在被增大到发射机中持续时间的两倍(或2n倍)。此时从这个信号取2N个样本b1，b2，b3，...b2N-1，b2N，根据图1B该样本与一个时间窗口相乘，以便将单个符号彼此之间分离。在这种情况下矩形时间窗口的长度是2Ts，在该时间范围内，长度为2N的FFT从该采样值计算2N个复系数a1，a2，a3...，a2N-1，a2N，这些系数包括来自每个单独的载波、并在发射机中被调制的信息，2N个系数中只有系数a1，a3，a5，a7....a2N-1，a2N包含相关信息，如图1C所示，其余的系数不需要，因此不必计算。
图2示出了2N-FFT的滤波器响应。载波信息的一项只包括每隔一个的系数。正如相应于图1所描述的那样，对FFT来说，这意味着仅这一半系数需要计算，而另一半系数不需要考虑。对每个载波而言滤波器响应具有sm(x)/(2Nx)函数的形式。从而每个函数相应于一个滤波器，该滤波器使N个载波中的其中一个无损耗地通过，同时从信号中滤除其它载波。在这种情况下每个函数的绝对最大值相应于其它滤波器的过零点。滤波器的最大值位于一个减小的间隔ftr/2内，并且滤波器的数目是N-FFT情况下的两倍。特别是相应滤波器的通带是N-FFT情况下宽度的一半。这对信一噪比产生了改进，原因是：
-与传统的情况相比较，如果白噪声存在，每个载波只有一半的噪声功率被积分，这对信噪比产生了3dB的改进。
-如果在滤波器最大值的区域中发生谐波干扰，在其中没有载波存在，那么即使这个干扰元也从需要的信号中被完全滤除。
根据本发明采用奈奎斯特开窗进行载波分离被示于图3。持续时间为Ts的现有符号被延长时间Tv，可以根据需要改变Tv，并且它是保护时间间隔Tg(Tv＜Tg)的一部分，其中，例如Tg/Ts＝1∶4。特别是，如果传输只有很短的回波，Tv可以选择适当长。通过对需要的符号Ts和符号扩展Tv采样得到样本br+1，br+2，...b2N-r。值b1，b2，...，br和b2N-r，...，b2N等于零，由此获得的新符号SN构成如下：
         新符号＝零+旧符号+符号扩展+零
根据图3A，新符号的持续时间为：
(Ts-Tv)/2+Ts+Tv+(Ts-Tv)/2＝2Ts
由此可以采用一个奈奎斯特窗口，该窗口关于符号中心是对称的。可以将开窗设计成例如余弦滚降，当然其它奈奎斯特窗口(三角、梯形等等)同样也可以使用。由奈奎斯特频率类推得到的“奈奎斯特时间”是1/2Ts和3/2Ts，如图3B所示。采用2N-FFT转换所有2N个样本，以便得到2N个系数。然而，如图3C所示，同样只计算一半的系数。
图4示出了具有奈奎斯特开窗的2N-FFT的滤波器响应。同样，这时的滤波器数量是N-FFT情况下的两倍，载波信息包含在系数a1，a3，a5，a7，...，a2N中。由于剩余的系数不需要考虑，因此为清楚起见，在图中没有示出它们以及相应的偶数阶的滤波器。由于该奈奎斯特开窗的缘故(图4C)，也就是说余弦滚降等于1，与余弦滚降等于0.5(图4B)或相应于余弦滚降等于0的矩形窗口(图4A)相比，滤波器函数的过冲更早衰减。
因此该奈奎斯特开窗有以下优点：
一根据选定的滚降系数，在存在白噪声的情况下，信噪比被改进高达1.2dB。
一如果在要求的频带中存在离散干扰，那么信噪比被减小，相关的载波在较低程度上被干扰，而相邻的载波在较低程度上受影响。
一在频率误差或相位噪声存在时，信噪比得到改进。
以频率误差存在为例，在图5中可以看到信噪比的改进。对采用2048个载波的一个16QAM，在该图中对传统N-FFT(A)和具有奈奎斯特开窗和滚降等于1的本发明的2N-FFT(B)的向量图作了比较。在这种情况下图中的每个点相应于一个载波。对传统的N-FFT而言，可以看出围绕相应的参考值载波有显著的分散，而在本发明的方法中该分散明显降低。
本发明的相邻通道滤波在图6中进行解释。需要的信号通道IS和相邻的通道NC在这种情况下彼此直接相邻。OFDM需要的信号采用去假频滤波器-相对简单的模拟滤波-在基带中选择，并随后被采样。虚线F在这种情况下示出了滤波的频率特性。随后采用简单过采样A/D转换信号。从过采样的信号构成长度为2N的一个FFT。N个系数1到N/2和N3/2+1到2N不包含任何需要的信息，而是来自相邻通道的干扰。因此这些系数不需要计算出来，从而2-FFT的复杂性被显著简化。与此相反，N个系数N/2+1到N3/2包含需要的信息，并被用于进一步处理。这种通过过采样和加倍FFT的滤波适合其功率与需要信号的功率相应的OFDM相邻信号。然而，如果需要减小泄漏效应的影响并增大滤波效应，通道滤波可以与上面描述的开窗相结合。此时开窗需要将FFT系数的数目再次加倍，但不需要再次过采样，因此产生4N个样本。然而，在这种情况下4N-FFT只比N-FFT稍微复杂，因为最后只需要计算四分之一的系数。
因此，当例如采用4基数算法计算4N-FFT时，第一复数乘法之后的复杂性与一个N-FFT的相等。图7示出了N＝16的一个简单例子。在FFT的第一级，采用N＝16的原始傅立叶变换在这种情况下被分离为四个傅立叶变换的线性组合，每个使用N＝4(开环)，以便通过减少乘法运算来减少带来的时间损失。因为只需要每第四个系数，因此这些N＝4的傅立叶变换中现在只需要计算一个，如虚线区域所示的那样。
图8示出了本发明电路装置的方框图。在发射的OFDM信号被转换为基带后，数字信号被送到第一单元IQ，在其中被发射的OFDM信号借助于A/D转换器进行采样。另外，在用于改进载波分离的方法中，这个单元包括一个数字滤波器(FIR滤波器)，用于产生I/Q信号。当执行改进通道分离的方法时，由于OFDM信号在A/D转换器中被过采样，由此产生了M2*N个样本，因此FIR滤波可以省去。在处理器FFT中执行载波频率分离之前，此时借助于频率混合单元M执行I/Q信号的频率匹配。为此进行快速傅立叶变换，用持续时间为M1*Ts的时间窗口开窗，并将符号延长到M1*Ts的符号长度，以便改进载波分离。FFT的长度与符号长度和/或执行的任何过采样匹配，因此是M1*N，M2*N，或如果两种方法同时执行，则为M1*M2*N。因此在处理器中只计算系数的第1/M1、1/M2或1/(M1*M2)部分。为了产生新的符号，由检测单元GI向处理器FFT报告保护间隔的当前最大可用长度，该检测单元GI以公知的方式采用接收的OFDM信号来确定回波的长度和保护间隔的长度。转换单元IQ和处理器FFT通过同步单元TS被同步。
本发明可以用于例如DAB译码器或数字地面电视机。

Claims (11)

1.一种在发射数字信号时改进其接收的方法，该数字信号被分解为持续时间为Ts的符号进行发射，并为每个符号分配一个保护间隔，这些符号被分布在N个不同的载波频率上，并在一个接收机中对发射的信号进行傅立叶变换，其特征在于对应这些符号产生持续时间为M1*Ts的新符号，并在傅立叶变换过程中用持续时间为M1*Ts的时间窗口相乘，在对信号进行采样之后，傅立叶变换的长度为M1*N，并由每个第M1个系数的傅立叶变换进行计算。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
-符号被延长持续时间Tv，由此产生延长的符号，
-在延长的符号之前和之后的样本被设置为零，由此产生新的符号，
-时间窗口由一个奈奎斯特窗口和设置为零的一个区域构成。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：
-选择设置为零的样本的数目使得在每种情况下新的符号的持续时间为2*Ts，
-奈奎斯特窗口在Ts/2和3Ts/2有奈奎斯特点，
-傅立叶变换的长度是2*N，
-并且只计算每第二个系数。
4.根据权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于新的符号由符号和保护间隔的一部分组成。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于在接收机中计算保护间隔的当前最大有用长度，以便保证用于构成新的符号的保护间隔的这些部分的长度匹配。
6.一种在发射数字信号时改进其接收的方法，在该方法的情况下将信号向若干通道发射，每个通道使用N个载波频率，并且在接收机中选择其中一个通道，对信号采样并执行傅立叶变换，其特征在于在采样期间产生M2*N个样本，傅立叶变换的长度是M2* N，并且由傅立叶变换计算中心N个系数。
7.在发射数字信号时改进其接收的方法，在该方法中权利要求6的特征最好是与权利要求1至5之一的特征相结合。
8.用于根据权利要求1至5中一个或多个方法的在发射数字信号时改进其接收的电路装置，在该电路装置的情况下，发射的信号被提供给在其中进行采样和转换为I/Q信号的第一单元(IQ)，借助于频率混合单元(M)进行频率匹配，并在处理器(FFT)中进行N个载波频率的分离，其特征在于在处理器(FFT)中产生持续时间为M1*Ts的新符号，用持续时间为M1*Ts的时间窗口执行开窗，进行长度为M1*N的傅立叶变换，并且只计算每第M1个系数。
9.根据权利要求8所述的电路装置，其特征在于保护间隔的当前最大可用长度由检测单元(GI)确定，以便产生新的符号。
10.根据权利要求8或9所述的电路装置，其特征在于第一单元(IQ)包括一个A/D转换器和一个数字滤波器。
11.用于根据权利要求6所述的方法中的在发射数字信号时改进其接收的电路装置，在该装置的情况下，发射的信号被提供给在其中进行采样和转换为I/Q信号的第一单元(IQ)，借助于频率混合单元(M)进行频率匹配，并在处理器(FFT)中进行N个载波频率的分离，其特征在于通过同步单元(TS)选择采样率，使得在采样过程中产生M2*N个样本，在处理器(FFT)中执行长度为M2*N的FFT，并且只计算中心N个系数。
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