CN1194517A - 正交频分多路复用器系统接收机的精密fft窗口位置恢复设备 - Google Patents

Abstract

一种OFDM系统接收机的精密快速傅里叶变换窗口位置恢复设备,特别是一种使用在发送的及接收的复数值之间计算的相位偏离值的过零点数用来恢复FFT窗口的相位差错的设备,其包括一模/数变换器;一符号开始检测器,一FFT装置;一相位计算器;一过零计数器;一FFT窗口控制器,根据符号开始检测器检测的该符号开始部分,用于激活FFT装置的FFT和通过从该过零计数器产生的过零点数检测一个样置单元的其余FFT位置差错,用于补偿FFT装置的FFT的样值差错。

Description

正交频分多路复用器系统接收机的 精密FFT窗口位置恢复设备

本发明涉及正交频分多路复用器(orthogonal frequency dirisionMultiplexer)(OFDM))系统，更具体地讲，涉及OFDM接收机的精密快速傅里叶变换(FFT)窗口位置恢复设备。

一般地，对于恢复从发射机发送的欧洲数字广播的OFDM信号的接收机应该准确地执行时间同步。时间同步包括用于校正信号的并行处理的FFT窗口位置恢复和取样时钟恢复，该取样时钟恢复用于控制取样时钟信号，该取样时钟信号是用于取样一个部分的模/数变换器(ADC)，在该部分中信噪比(SNR)在接收的信号中是最高的。

图1是表示常规OFDM系统接收设备结构的方框图，它包括一个ADC110，用于变换接收的OFDM模拟信号为数字信号，一个符号开始检测器120，用于检测从ADC 110输出的样值中一个符号的开始，一个FFT窗口控制器130，利用从符号开始检则器120输出的符号开始信号产生一个FFT窗口控制信号，和一个FFT 140，用于根据从FFT窗口控制器130产生的FFT窗口控制信号快速傅里叶变换在ADC 110中产生的数据。

OFDM信号的符号包括插在符号之间具有G个样值长度的一个保护间隔(guard interval)，以便防止N个有效数据样值之间的干扰，该N个有效数据样值是反快速傅里叶变换(IFFT)的输出和在有N个FFT时的符号。即保护间隔复制有效数据部分的后面部分。发射机(未示出)发送包括将N个复数值加到IFFT(未示出)输出的G复数值得到的(G+N)样值的一个符号。

式1： $S_j-\underset{n=-G}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{m,n}=\underset{n=-G}{\overset{1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{X}_{\mathrm{mk}}{e}^{j2\mathrm{\πk}(N+n)/N}+\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{X}_{m,k}{e}^{j2\mathrm{\πkn}/N}$

式1表示由FFT 140输出的复数值构成的第m个符号。式中m，k，N和n分别代表符号数，副载波数(索引(index))，有效数据的样值数，取样时间。在式1中，第一项

代表一个保护间隔而第二项 代表有效数据。

如图1所示，接收的OFDM信号由模/数变换器(ADC)110变换为数字数据。在从ADC 110输出的取样OFDM信号中，一个符号的开始由符号开始检测器120进行检测，以便检测接收信号的交叉相关值是最高的该位置。第二项在该保护间隔被移去之后顺序地被输入到FFT 140，该保护间隔是式1的第一项。FFT窗口控制器130使用符号开始检测器120的符号开始信息指定FFT 140的FFT窗口开始位置。在这里，发送的第一个IFFT(未示出)的值必须输入到FFT 140的第一个。从IFFT输出的第N个值必须输入到FFT 140第N个。在检索接收机的符号开始之后，从发射机的IFFT输出的第一值必须输入给FFT 140。如上所述符号开始检测器120检测在初始阶段中该符号的开始。但是，由于接收机的衰落(fading)现象和在该接收机移动时其周围的影响，符号开始检测器120不可能正确地估计符号的开始。因此，第N个值或前一符号的第二个值被输入到FFT 140第一个。因此，一个值可能被加上或移去并且被输入到FFT端口。当没有正确地估计符号的开始时，该符号不能正确地被恢复。因此，降低了系统的性能。

本发明的一个目的是使用OFDM系统中发送与接收的复数值之间计算的相位偏差值的过零点数提供用于恢复快速傅里叶变换(FFT)窗口的相位差错的设备。

本发明的另一个目的是使用OFDM系统中接收的复数值的实部或虚部的幅度过零点数提供用于恢复FFT窗口的相位差错的设备。

为了达到第一个目的，提供了一种OFDM接收机的精密FFT窗口位置恢复(window position recovery)设备，它使用包括N个有效数据样值和G个保护间隔的一个符号用于恢复快速傅里叶变换(FFT)窗口位置，该设备包括一个模/数变换器，用于变换OFDM信号为数字复数样值；一个符号开始检测器，用于检测从模/数变换器输出的数字复数样值中的该符号的开始部分；一个FFT装置，根据从该符号开始检测器检测的符号开始部分快速傅里叶变换从模/数变换器产生的数字复数样值；一个相位计算器，用于计算从FFT装置输出的复数值和已知发送的复数值之间的相位偏差；一个过零点计数器，用于计数从该相位计算器产生的相位偏离的过零点数；和一个FFT窗口控制器，用于根据从该符号开始检测器检测的符号开始部分来激活FFT装置的FFT和通过检测由过零计数器产生的过零点数中样值单元的其余FFT位置差错来补偿FFT装置的FFT的样值误差。

为了达到第二个目的，提供一个OFDM接收机的精密FFT窗口位置恢复设备，使用包括N个有效数据样值和G个保护间隔作为一个单元的一个符号用于恢复FFT窗口位置，它包括一个模/数变换器，用于变换OFDM信号为数字的复数样值；一个符号开始检测器，用于检测从该模/数变换器输出的数字复数样值中的该符号的开始部分；一个FFT装置，根据从该符号开始检测器检测的符号开始部分快速傅里叶变换从模/数变换器产生的复数数字样值；一个过零计数器，用于计数从FFT装置输出的复数信号幅度的过零点数；和一个FFT窗口控制器，根据从该符号开始检测器检测的符号开始部分来激活FFT装置的FFT和通过检测由过零点计数器产生的过零点数中样值单元的其余FFT位置差错来补偿FFT装置的FFT的样值差错。

通过参照附图详细地叙述其优选实施例，本发明的上述目的和优点更加清楚，其中：

图1是表示常规的OFDM系统接收设备结构的方框图；和

图2是表示根据本发明的OFDM系统接收机的精密FFT窗口位置恢复设备的第一实施例的方框图；

图3是表示根据本发明的OFDM系统接收机的精密FFT窗口位置恢复设备的第二实施例的方框图；

图4A至4D是表示根据图2所示的设备中窗口位置差错在发送与接收的复数信号值之间产生相位偏离的曲线图；

图5A至5D是表示根据图3所示的设备中的窗口位置差错在FFT输出值的实部中产生的变化的曲线图；和

图6A至6D是表示根据图3所示的设备中的窗口位置差错在FFT输出值的虚部中产生的变化的曲线图。

下面，参照附图叙述本发明的优选实施例。

图2所示的设备是表示根据本发明的OFDM系统接收机的精密FFT窗口位置恢复设备的第一实施例。该设备包括一个ADC 220，用于变换接收的OFDM信号为数字的复数样值；一个符号开始检测器230，用于检测在从ADC 220输出的样值中的一个符号的开始；一个FFT 250，用于快速傅里叶变换从ADC 220产生的样值；一个相位计算器260，用于计算从FFT250输出的复数值与该发射机及接收机已知的值之间的相位偏离；一个过零计数器270，利用在相位计算器260中计算的相位来计数过零数；和一个FFT窗口控制器240，从符号开始检测器230检测的符号开始信号及由过零计数器270产生的过零点数来指定该FFT 250的FFT开始位置。

图3所示的设备是表示根据本发明的OFDM系统接收机的精密FFT窗口位置恢复设备的第二实施例。该设备包括一个ADC 330，用于变换接收的OFDM信号为复数数字样值；一个符号开始检测器340，用于检测ADC 330输出的样值中的一个符号的开始；一个FFT 360，用于根据从符号开始检测器340检测的符号开始信号快速傅里叶变换从ADC 330产生的数据；一个过零计数器350，用于计数FFT 360输出的幅度的过零点，和一个FFT窗口控制器360，用于从符号开始检测器340检测的符号开始信号和由过零计数器370产生的过零点数来指定FFT 360的FFT激活位置区。

图4A至4D是表示根据图2的相位计算器260中计算的窗口位置差错(e＝0，-1，-2和-3)在发送与接收的信号值之间产生相位偏离的曲线图。如图4A的曲线所示当顺序地检测副载波索引号0至2047时，因为样值位置差错不存在，所以没有产生相位差。图4B至4D是表示产生了相位差的状态的曲线图，其因为产生了样值中的差错(e＝-1，-2和-3)。和X轴代表副载波索引号，而Y轴代表相位偏离的大小。

图5A至5D是表示根据图3的窗口位置差错(e＝0，-1，-2和-3)产生FFT输出值实部变化的曲线图。当顺序地检测副载波索引号0至2047时，其幅度没有改变，如图5A所示，因为当(1，0)值从该发射机发送时不存在样值位置差错。图5B至5D是表示其幅度改变的实部的曲线图，因为在样值中产生了差错(e＝-1，-2和-3)。和X轴代表副载波的索引而Y轴代表图5A至5D中实部的大小。

图6A至6D是表示根据图3的窗口位置差错产生FFT输出值的虚部变化的曲线图。当顺序地检测副载波索引号0至2047时，幅度没有改变，如图6A中所示，因为当(1，0)值从发射机发送时不存在样值位置差错。图6B至6D是表示幅度变化的虚部的样值曲线图，因为样值中产生了位置差错。和X轴代表副载波的索引，而Y轴是虚部的大小。

下面叙述本发明的操作与效果。

如图2中所示，接收的OFDM信号通过ADC 220变换为复数样值并且顺序地输入到FFT 250。符号开始检测器230使用ADC 230输出的样值检测符号的开始，并且将符号开始信号加到FFT窗口控制器240。FFT 250解调由发送端给FFT的IFFT调制的每个副载波信号和在从符号开始检测器230所提供的符号开始信号的基础上，快速傅里叶变换在去掉式1的右侧第一项之后顺序地输入的第二项的样值。相位计算器260计算相对于特定副载波为发射机及接收机已知的复数信号值与在通过将每个副载波索引(subcarrierindex)中的特定副载波收到之后从FFT 250输出的复数信号值之间的相位偏离。在这里，已知的复数信号值存储在特定存储装置(未示出)中，如ROM。在符号开始检测器230的符号开始检测中产生差错的情况下，在每个副载波中产生相位偏离，因此降低了接收机的性能。这时，相位偏离的大小根据副载波索引而不同。

式2：

_MAX＝e.2π

式3： ${\mathrm{\φ}}_K=\frac{e.2\mathrm{\π}.k}{N},K=\mathrm{0,1},...,N-1$

式2和3代表根据符号开始检测的差错最大相位偏离的大小和每个副载波产生的相位偏离的大小。在这里，e代表FFT符号位置恢复差错的大小，一个单元(unit)是一个样值，而k代表副载波索引。从式2和3注意到，在具有最高频率的副载波的复数信号值中产生最大相位偏离，因为当副载波索引较低(频率较低)时，相对于相同的符号位置恢复差错，相位偏离度数较小和当频率变得较高时该相位偏离度数就变得更大。

图4A至4D表示在发射机使用每个副载波发送相同复数值的情况下根据FFT符号位置恢复差错的相位偏离。相应于每个副载波的复数值的相位偏离示于式4中。

式4： $\widehat{{\mathrm{\φ}}_k}={\tan }^{-1}\{\mathrm{Im}(Y_k\·X_k^{*})/\mathrm{Re}(Y_k\·X_k^{*})\}$

在式4中，K、X、Y、R_e(Y_k·X_k ^*)和1m(Y_k·X_k ^*)和*分别表示副载波号、发射机及接收机已知的复数值、接收的复数值、复数值的实部与虚部和复数值的共轭值。

根据FFT窗口位置恢复差错估计的相位偏离_k的形状可通过_k过零点数表示。过零计数器270通过检测该符号的变化来计数相位计算器260中计算的变化的过零点数。过零点数以式5表示。

式5：

a＝2e-1

其中a和e分别表示过零点数和样值误差。例如，当发射机发送该发射机及接收机之间已知的复数值而接收机在FFT 250中执行快速傅里叶变换而没有窗口恢复差错时，在图4A中不产生相位差，因为在接收的数据与已知数据之间不产生相位偏离。但是，当产生一个样值误差(e＝-1)时，如图4B中所示接收数据与已知数据之间从副载波的索引0至索引2047(0，…，N-1)产生不同的相位偏离。当副载波索引变大时相位偏离的度数就增加。在最大索引2047(N-1)产生大小为360度(2π半径)的最大相位偏离(360度表示为0度，因为在图4B中tan^-1函数用于式4中。而且，在产生两个样值误差(e＝-2)的情况下，倍数的样值差错(e)产生(2e-1)的过零点，如式5中所示，因为在索引N产生的最大相位偏离具有720度的大小，它是360度的两倍。FFT窗口位置恢复差错可通过顺序地检测过零计数器270中副载波复数符号的过零点数(a)在样值单元中进行估计。即，如式5所示，样值差错(e)变为(a+1)/2。FFT窗口控制器240指定从符号开始检测器230检测的符号的开始激活了的FFT的位置，通过计算来自过零计数器270产生的过零点数的其余FFT样值单元的差错(e)来校正符号的开始，和FFT窗口控制器改变利用校正了的符号的开始激活的FFT的位置。而且，在估计FFT窗口位置差错的大小之后，FFT窗口控制器240必须确定差错正负号。即，它必须确定接收机的FFT窗口位置是在正确的FFT窗口时间点前面或后面。例如，图4B表示在FFT窗口差错是-1的情况下在各个副载波中产生的相位偏移。在FFT窗口差错为+1样值的情况下，在各个副载波中产生的相位偏离相对于偏离为0的X轴是对称的。因此，通过在从副载波索引0起实现过零点的位置上来检测正负号是从正(+)到负(-)或从负(-)到正(+)的变化可确定正负号。但是，在系统的初始阶段存在有相位偏移情况时该偏移是发射机与接收机的RF副载波之间的相位差，过零位置被水平地移动，因为该相位偏移加到了相对于FFT窗口位置差错的相位偏离上。此时，在移动量大的情况下，不能再使用确定该FFT窗口位置差错符号的方法。但使用以下方法可补充这点。即使如图4B、4C和4D所示存在有FFT窗口差错，在副载波索引0和(N-1)中有小的相位偏离。因此，FFT窗口控制器240可通过从图2的相位计算器260得到的副载波索引0至(N-1)的相位偏离值减去号码0的相位偏离值来消除相位偏移的影响，由此使用在实现过零的位置时正负号的变化正确地确定FFT窗口位置差错的正负号。

而且，使用用于估计差错的一些特定副载波而不用全部载副波能够改善传送效率和减少图2的相位计算器260的负荷。但是，可确定的误差的范围反比于所选副载波之间的距离。由于接收机ADC取样时钟的相位差错引起的复数值的摆动和由周围附加白高斯噪声引起的噪声影响，在产生过零的位置中产生小范围的摆动，因此可产生不希望的过零点。通过使用幅度的最大及最小值的正负号改变来计数该正负号改变的次数能够估计过零点数。

在图3中，利用过零计数器370计算从FFT 360输出的接收复数值的实部或虚部的幅度变化。通过从FFT 360输出复数信号值的实部或虚部幅度变化选择实部或虚部的幅度，过零计数器370计数过零点数。通过计算FFT 360输出的复数值得到的估计相位偏移的过零点数建立式6所示的关系。图5B、5C、5D、6B、6C和6D中示出实部及虚部的幅度变化。

式6：

γ＝2e＝a+1

式7：

i＝2e-1＝a

γ和i代表在式6及7中FFT360输出的接收复数值的实部及虚部的过零点数。使用FFT 360输出的接收值的过零点数而不通过估计由计算发送的与接收的复数值之间的相位偏离得到的相位偏离值检测过零点数能够降低系统的复杂性。FFT窗口控制器350指定从符号开始检测器340检测的符号开始部分中激活了的FFT的位置，利用式6和7以过零计数器370产生的过零点数来计算样值单元的其余FFT位置差错(e)，控制产生差错的样值位置，和执行精密位置恢复差错。

根据本发明，通过使用在发送与接收复数值之间计算的相位偏离的过零点数和接收的复数值的实部或虚部的幅度过零点数校正FFT窗口的相位误差，即使产生FFT窗口位置恢复差错，也能够保证系统的可靠性。

Claims (10)

1.一种OFDM接收机的精密FFT窗口位置恢复设备，它使用了包括N个有效数据样值和G个保护间隔的一个符号用来恢复快速傅里叶变换(FFT)窗口位置，该设备包括：

一个模/数变换器，用于变换OFDM信号为数字复数样值；

一个符号开始检测器，用于检测该模/数变换器输出的数字复数样值中该符号的开始部分；

一个FFT装置，根据从该符号开始检测器检测的该符号开始部分快速傅里叶变换从模/数变换器产生的数字复数样值；

一个相位计算器，用于计算从FFT装置输出的复数值与已知的发送的复数值之间的相位偏离；

一个过零计数器，用于计数从该相位计算器产生的相位偏离的过零点数；和

一个FFT窗口控制器，根据该符号开始检测器检测的该符号开始部分用于激活FFT装置的FFT和通过从该过零计数器产生的过零点数检测一个样值单元的其余FFT位置差错用于补偿FFT装置的FFT的样值差错。

2.根据权利要求1的精密FFT窗口位置恢复设备，其中，该相位计算器的相位偏离以tan¹{Im(Y_k·X_k ^*)/Re(Y_k·X_k ^*)}计算，其中K，X，Y，Re(Y_k·X_k ^*)和Im(Y_k·X_k ^*)和*分别表示副载波数，该发射机及接收机已知的发送复数值，接收的复数值，该复数值的实部和虚部，以及该复数值的共轭。

3.根据权利要求1的精密FFT窗口位置恢复设备，其中，该过零计数器计数通过对副载波号1至N顺序检测的相位偏离的过零点。

4.根据权利要求1的精密FFT窗口位置恢复设备，其中，FFT窗口控制器的样值差错为(a+1)/2，其中a是过零点数。

5.根据权利要求1的精密FFT窗口位置恢复设备，其中，该FFT窗口控制器使用在实现过零点的位置中正负号的改变确定FFT窗口位置差错的正负号。

6.根据权利要求5的精密FFT窗口位置恢复设备，其中，该FFT窗口位置差错的正负号通过从所有副载波号的相位偏离值减去该副载波号为0的相位偏离值确定。

7.一种OFDM接收机的精密FFT窗口位置恢复设备，它使用了包括N个有效数据样值和G个保护间隔的一个符号来恢复快速傅里叶变换(FFT)窗口位置，该设备包括：

一个模/数变换器，用于变换OFDM信号为数字复数信号；

一个符号开始检测器，用于检测该模/数变换器输出的数字复数样值中该符号的开始部分；

一个FFT装置，根据从该符号开始检测器检测的该符号开始部分快速傅里叶变换从模/数变换器产生的复数数字样值；

一个过零计数器，用于计数该FFT装置输出的复数信号幅度的过零点数；和

一个FFT窗口控制器，根据该符号开始检测器检测的该符号开始部分用于激活FFT装置的FFT和通过从该过零计数器产生的过零点数检测一个样值单元的其余FFT位置差错用于补偿FFT装置的FFT的样值差错。

8.根据权利要求7的精密FFT窗口位置恢复设备，其中，通过选择该FFT装置输出的复数值的实部或虚部计数过零点得到过零计数器的过零点数。

9.根据权利要求7的精密FFT窗口位置恢复设备，其中，当选择该实部时该FFT窗口控制器的样值差错(e)为(r+1)/2，其中r是该实部幅度的过零点数。

10.根据权利要求7的精密FFT窗口位置恢复设备，其中，当选择该虚部时该FFT窗口控制器的样值差错(e)为(i+1)/2，其中i是该虚部幅度的过零点数。

Images