CN1219021A - 离散多音调制解调器中的定时恢复和信道估算方法及系统 - Google Patents

离散多音调制解调器中的定时恢复和信道估算方法及系统 Download PDF

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Abstract

在离散多音调制解调器系统中用于获取数据帧定时的方法和系统,其中具有第一预定数目的脉冲信号的探测帧被产生。每个脉冲信号的时间间隔为2(P+1)Ts,其中1/Ts为采样传输速率,P为增加到数据帧的循环词头的采样中的时间长度。紧跟探测帧之后产生数据帧。每个数据帧包括循环词头和至少与循环词头的采样数目相同的数据采样。

Description

离散多音调制解调器中的定时恢复 和信道估算方法及系统
本发明涉及电信领域。更为特别地，本发明涉及离散多音(DTM)系统中获取和跟踪接收到的DMT信号的帧边界。
在常规离散多音(DMT)调制解调器中，长伪随机(PN)序列和相关计算被用于定时探测和跟踪。使用长序列导致了高实现复杂性，同样也导致了与呼叫建立和数据传输相关的增长的额外开销和信号处理延迟。PN序列首先被编码成离散单音(tone)，并且接着使用反向离散傅立叶转换将之转换为用于传输的时域采样。接收到的采样被傅立叶转换以再次产生PN序列，并且接着被相关测试以确定帧边界。用于相干信号检测的信道估算仅在信号建立期间进行并且需要单独的PN序列。因此，后续信号检测容易产生时钟漂移。
需要的是与DMT调制解调器一起用于联合(joint)定时恢复和信道估算的有效的技术。
本发明提供了与DMT调制解调器一起用于联合定时恢复和信道估算的有效的技术。DMT调制解调器的时钟恢复通过利用信道色散(dispersion)特性被简化，并且作为结果，在呼叫建立时和数据传输期间减小了额外开销和延迟时间，同时最小化误定时(mistiming)的影响。例如，在HDSL(高速数字用户线路)环境中，其中高度色散的双绞铜线被用于高速数据传输，本发明显著地减小了额外开销和计算复杂性，并且因此减小建立和跟踪DMT帧边界所需的时间。另外，连带进行信道估算，因此使信号检测对采样定时不敏感。本发明也应用于无线电传输，其中载波调制用于将传输信号频移到指定的频率范围。
本发明的优点在于在离散多音调制解调器系统中获取数据帧定时的方法和系统，在该调制解调器系统中产生具有第一预定数目的脉冲信号的探测帧。根据本发明，脉冲信号的时间间隔为2(P+1)Ts，使得1/Ts为采样传输速率，P为以加到数据帧的循环词头(cyclic prefix)的采样数表示的时间长度。更好地是，循环词头长度P的选择使得当接收机处接收到的信号以1/Ts速率采样时，接收机处看到的信道脉冲响应的有效跨度不超过P+1个采样。例如，通过一组包括信息数据的离散单音的反向离散傅立叶转换在探测帧之后产生数据帧。每个数据帧包括(在反向离散傅立叶转换之后)循环词头和至少与循环词头采样数目相同的数据采样。接着，探测帧和数据帧从数字信号转换为用于传输的模拟信号。接收机采样接收到的探测帧并且以每次使累加窗口(summationwindow)前进一个采样的方式遍历接收到的探测帧。采样的探测帧通过每个累加窗口累加，同时每个累加窗口具有P+1个探测帧采样的跨度。随着累加窗口推进确定最大累加值，并且基于对应于最大累加值的累加窗口来确定数据帧边界。信道脉冲响应基于P+1个接收到的对应于最大累加值的探测帧的采样来估算，并且基于估算的信道脉冲响应来对数据进行相干检测。
在每预定数目的数据帧之后产生同步帧，该数据帧具有第二预定数目的脉冲信号。因此，同步帧的每个脉冲信号彼此间的时间间隔为2(P+1)Ts。每个同步帧的第一脉冲信号与刚好在该同步帧之前的数据帧中的最后的数据采样间的时间间隔为2(P+1)Ts，并且每个同步帧的最后的脉冲信号与紧跟该同步帧的数据帧的第一词头采样间的时间间隔为2(P+1)Ts。再次，接收机采样同步帧并且通过接收到的同步帧，累加窗口每次推进一个采样。采样的同步帧通过每个累加窗口累加，同时每个累加窗口具有P+1个同步帧采样的跨度。随着累加窗口推进确定最大累加值，并且基于对应于最大累加值的累加窗口来修正数据帧边界。基于接收到的对应于最大累加值的同步帧的P+1个采样来修正估算的信道脉冲响应，并且基于已修正的估算的信道脉冲响应来对数据进行相干检测。
本发明在相应的附图中通过例子来说明并且并不限于此，附图中相同的参考数字指示类似的部分。其中：
图1显示了示意性的电路框图，根据本发明该电路用于产生定时探测和跟踪的信号；
图2显示了被传输信号的定时图，根据本发明该信号用于定时探测和跟踪；
图3显示了示意性的电路框图，根据本发明该电路用于获取和跟踪帧边界；
图4显示了接收到的信号的定时图，根据本发明该信号用于定时探测和跟踪。
本发明提供了用于在DMT系统中最佳获取和跟踪接收到的离散多音(DMT)信号的帧(也就是符号)边界的低额外开销和低复杂性的技术。此外，本发明的技术产生相干信号检测所需要的信道脉冲响应的估算。结果，时钟漂移导致的对定时探测和跟踪的任何不利影响均被最小化。
本发明使用相互间隔一段合适时间的预定数目的数字脉冲，也就是，离散增量(delta)信号，它们在呼叫建立期间被传输。对接收机处被传输信号的脉冲响应的信道色散的影响的确定方法是：将累加窗口沿接收到的扩展(spread)脉冲的可能时间跨度推进并与从其它累加窗口中获得的累加相比较以确定在累加窗口内具有最大平方(squared)采样累加的累加窗口。由标识数据帧边界的具有最大和的累加窗口及同一累加窗口内与信道脉冲响应相近的接收到的脉冲采样来完成联合定时探测和信道估算。本发明提供的技术的优化是通过选择符号边界以使得平均信噪比最大化实现的。
根据本发明，以类似的方式进行定时跟踪。包括间隔一段合适时间的预定数目的数字脉冲的短同步帧被插入到由每个均比同步帧长的几个数据帧形成的超帧(superframe)中。接着，通过随同步帧边界内累加窗口的推进确定最大累加来提供定时跟踪。因此，同时提供了信道估算并且信道估算用于相干检测出现在下一超帧内的后面的数据帧。
图1显示了电路10的示意性框图，根据本发明该电路用于产生定时探测和跟踪的信号。电路10包括多音数据帧产生器11和离散脉冲产生器12，它们连接到多路调制器13的各自的输入。以众所周知的方式控制多路调制器13以有选择地输出多音数据帧产生器11产生的多音信号或者离散脉冲产生器12输出的离散脉冲信号。多路调制器13的输出被用于数字-模拟(D/A)转换器14。D/A转换器14的输出应用于发射机15来传输。发射机15以众所周知的方式将D/A转换器14的输出转换为具有适合于电路10使用的环境的特性和参数的信号。
图2显示了被传输信号的定时图，根据本发明该信号用于定时探测和跟踪。在数据传输之前，在定时探测帧20内预定数目的离散脉冲I以两倍于信道脉冲响应的有效长度被传输到接收机。也就是，每个脉冲I的时间间隔为2(P+1)Ts，其中1/Ts是采样传输速率，P为以增加到数据帧或符号的循环词头的采样数表示的时间长度。循环词头长度P的选择使得如果接收到的信号也以1/Ts速率采样，接收机处看到的信道脉冲响应有效跨度不超过P+1个采样。具有多个数据采样和增加的循环词头的数据帧21紧跟着定时探测帧。
图3显示了电路30的示意性框图，根据本发明该电路用于获取和跟踪帧边界。电路30包括接收被传输信号的接收机31。接收机31的输出应用于模拟-数字(A/D)转换器32的输入。A/D转换器32以速率1/Ts采样接收到的信号。A/D转换器32的采样输出由平方(squaring)电路33平方并且接着由累加电路34通过推进跨度为P+1个采样的累加窗口来累加。由处理器35以众所周知的方式确定产生最大累加的累加窗口。处理器35使用最大累加的累加窗口来确定数据帧边界和估算信道脉冲响应。接着被估算的信道脉冲响应输出到相干多音信号探测器(detector)36以使用该被估算的信道脉冲响应来相干检测数据。
图4显示了接收到的信号的定时图，根据本发明该信号用于定时探测和跟踪。在接收机处，探测帧20内每个被传输的脉冲I成为信道的脉冲响应，只是已被噪音和干扰所污染。信道色散导致被传输的脉冲扩展到达到P+1个采样的有效时间跨度。因此，在探测帧期间接收到的信号被定义成如被传输的脉冲那样具有相同数目的被污染的信道脉冲响应，并且每个信道脉冲后面紧跟基本为零的信号的P+1个采样。在接收信号的数据帧21期间，任意时刻的全部信号是来源于P+1个传输数据采样的P+1单个信号的重叠。
为了建立帧(符号)边界，或等价地，为了建立由于传输离散脉冲而接收到的信号的有效边界，具有P+1接收采样的时间长度的累加窗口被用于计算包括在窗口中的采样平方的累加。通过接收到的定时探测帧，累加窗口每次推进一个采样使得能够确定最大累加。引起最大累加的特定P+1采样被作为信道脉冲响应并且被用于相干数据检测。
精确调整的步骤能够用于改善定时探测和跟踪。例如，多个累加窗口能够用于确定最大累加，在定时探测和跟踪帧期间能够增加采样速率，并且在每个数据帧中能够使用专用引导单音(dedicatedpilot tone)来校正时钟漂移。当使用P+1个时间离散采样的多累加窗口来累加时，能够改善定时估算精确度。另外，在定时探测和跟踪帧期间能够在接收机处使用高于1/Ts的采样速率来精确调整信道脉冲响应估算。
上面描述的本发明的定时探测过程实现了初始的定时探测。同样的技术能够应用于在数据传输期间实现定时跟踪，如果，在每个预定数目的数据帧(符号)之后，具有预定数目的离散脉冲I的缩短的同步帧(在图2和图4中表示为20)被插入传输信号。如与探测帧一起，定时帧的每个离散脉冲I彼此时间间隔为2(P+1)Ts。另外，第一离散脉冲与先前数据帧中最后的数据采样的时间间隔为同样的时间量。类似地，最后的离散脉冲与下一数据帧的第一词头采样的时间间隔为2(P+1)Ts。通过确定与累加窗口相关的最大累加来进行定时跟踪，通过接收到的同步帧，该累加窗口每次推进一个采样。如前，在同步帧期间能够使用多累加窗口和/或增加的采样频率。在累加窗口中形成最大累加的接收到的采样是一更新的信道脉冲响应，该脉冲响应能够用于检测同步帧和下一同步帧之间的数据符号。如果数据符号帧包括专用引导单音(dedicated pilot tone)，那么定时修正能够进一步引入每个数据符号。在同步帧中使用的离散脉冲的数目与定时探测帧期间所使用的数目相比能够减少，因为已经建立初始定时。
虽然本发明与示意性的实施方式一起描述，但是应该理解的是可以进行不偏离本发明的真正精神和范围的修改。

Claims (16)

1、在离散多音调制解调器系统中为获取数据帧定时产生信号的方法，该方法包括步骤：
产生探测帧，该探测帧具有第一预定数目的脉冲信号，每个脉冲信号的时间间隔为2(P+1)Ts，其中1/Ts为采样传输速率，P为以增加到数据帧的循环词头的采样数表示的时间长度；并且
在探测帧之后产生至少一个数据帧，每个数据帧具有其自身的循环词头和至少与数据帧的循环词头的采样同样数目的数据采样。
2、根据权利要求1的方法，进一步包括传输探测帧和至少一个数据帧的步骤。
3、根据权利要求1的方法，其中循环词头长度P的选择使得当接收机处接收到的信号以1/Ts速率采样时，接收机处看到的信道脉冲响应有效跨度不超过P+1个采样。
4、根据权利要求2的方法，进一步包括步骤：
接收探测帧；
采样接收到的探测帧；
沿接收到的探测帧推进累加窗口；
对每个累加窗口累加采样的探测帧，每个累加窗口具有探测帧的P+1个采样的跨度；并且
确定具有最大累加和的累加窗口。
5、根据权利要求4的方法，其中推进累加窗口的步骤每次推进累加窗口一个采样。
6、根据权利要求4的方法，其中接收到的探测帧以1/Ts速率采样。
7、根据权利要求4的方法，其中接收到的探测帧以大于1/Ts的速率采样。
8、根据权利要求4的方法，其中沿接收到的探测帧来推进累加窗口的步骤包括沿接收到的探测帧推进多个累加窗口的步骤，
其中对每个累加窗口累加采样的探测帧的步骤包括对多个累加窗口的每一个累加采样探测帧的步骤，并且
其中确定具有最大累加和的累加窗口的步骤包括从多个累加窗口确定具有最大累加和的多个累加窗口的步骤。
9、根据权利要求1的方法，进一步包括在每预定数目的数据帧之后产生同步帧的步骤，同步帧具有第二预定数目的脉冲信号，同步帧的每个脉冲信号彼此间的时间间隔为2(P+1)Ts，每个同步帧的第一脉冲信号与刚好在该同步帧之前的数据帧中的最后的数据采样间的时间间隔为2(P+1)Ts，并且每个同步帧的最后的脉冲信号与紧跟该同步帧的数据帧的第一词头采样间的时间间隔为2(P+1)Ts；并且
传输该同步帧。
10、根据权利要求9的方法，进一步包括步骤：
接收同步帧；
采样接收到的同步帧；
沿接收到的同步帧推进累加窗口；
对每个累加窗口累加采样的同步帧，每个累加窗口具有同步帧的P+1个采样的跨度；并且
确定具有最大累加和的用于同步帧的累加窗口。
11、根据权利要求10的方法，其中推进累加窗口的步骤每次推进累加窗口一个采样。
12、根据权利要求9的方法，进一步包括基于具有最大累加和的用于同步帧的累加窗口，跟踪先前确定的数据帧边界的步骤。
13、根据权利要求12的方法，进一步包括步骤：
基于同步帧中对应于具有最大累加和的累加窗口的那部分所接收到的同步帧，更改所估算的信道脉冲响应的步骤；并且
基于更改的信道脉冲响应，相干检测数据的步骤。
14、在离散多音调制解调器系统中为获取数据帧定时产生信号的系统，用于产生信号的该系统包括：
多音数据帧产生器，输出至少一个多音数据帧，每个数据帧包括具有至少一个采样的循环词头以及至少与数据帧的循环词头的采样数目相同的数据采样；
离散脉冲产生器，输出具有第一预定数目脉冲的离散脉冲信号，每个脉冲的时间间隔为2(P+1)Ts，其中1/Ts为采样传输速率，P为以多音数据帧的循环词头的采样数表示的时间长度；并且
多路调制器，连接到多音数据帧产生器和离散脉冲产生器，多路调制器有选择地输出探测帧信号和紧跟着探测帧信号的数据帧信号，探测帧信号包括离散脉冲信号并且数据帧信号包括至少一个多音数据帧。
15、根据权利要求14的系统，其中循环词头长度P的选择使得当接收机处接收到的信号以1/Ts速率采样时，接收机处看到的信道脉冲响应的有效跨度不超过P+1个采样。
16、根据权利要求14的系统，其中多路调制器进一步在每个预定数目的数据帧之后输出同步帧，同步帧具有由离散脉冲产生器产生的第二预定数目的脉冲，同步帧的每个脉冲信号彼此间的时间间隔为2(P+1)Ts，每个同步帧的第一脉冲信号与刚好在该同步帧之前的数据帧中的最后的数据采样间的时间间隔为2(P+1)Ts，并且每个同步帧的最后的脉冲信号与紧跟该同步帧的数据帧的第一词头采样间的时间间隔为2(P+1)Ts。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication