CN1229933C - 获得与正交频分复用信号的码元定时和频率同步的设备和方法 - Google Patents

获得与正交频分复用信号的码元定时和频率同步的设备和方法 Download PDF

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Abstract

提供了一种用于正交频分复用(OFDM)信号的频率和码元定时同步设备，和由该设备执行的方法。该设备包括：自相关单元、比较器、峰值平顶检测器、频率偏移估计器、频率偏移补偿单元、互相关单元和码元定时同步单元。自相关单元接收包括由至少三个相同的同步信号组成的一个同步码元的数据，将所接收的数据延迟预定的延迟量，在接收的数据和延迟的数据之间执行自相关，使自相关值归一化，并输出经归一化的自相关值。比较器将经归一化的自相关值与与一预定阈值进行比较。峰值平顶检测器检测作为平坦部分的经归一化的自相关值等于或大于阈值的部分。频率偏移估计器估计平坦部分内的频率偏移以获得频率偏移值。频率偏移补偿单元使用频率偏移值补偿接收信号的频率偏移。互相关单元使用补偿了频率偏移的信号和参考信号执行互相关，并归一化互相关值以输出归一化的互相关值。码元定时同步单元检测互相关值最大的点，并执行码元定时估计，因而执行码元定时同步。在该码元定时和频率同步设备和方法中，因为可以允许大的采样误差，可以实现精确的频率同步。另外，由于使用补偿了频率偏移的信号实现码元定时同步，可以减小码元定时误差。

Description

获得与正交频分复用信号的码元定时 和频率同步的设备和方法
                         技术领域
本发明涉及获得码元定时和频率同步的设备和方法，更具体地说，涉及在正交频分复用(OFDM)系统中使码元定时和频率同步的设备和方法。OFDM技术已经被采用为IEEE的802.11a的物理层标准或BRAN ETSI的HIPERLAN TYPE 2标准，它们都是宽带无线LAN(局域网)的标准。本发明涉及适用于这个宽带无线LAN的频率同步设备和方法。
                         背景技术
在授予Timothy M.Schmidl和Donald C.Cox的、题为“Timing andfrequency sycchronization of OFDM signals(OFDM信号的定时和频率同步)”的美国专利5,732,113中公开了一种常规OFDM定时和频率同步的方法。图1A是上述专利中公开的常规定时和频率同步设备的结构的框图，图1B是说明图1A的设备的操作的视图。
参照图1A和图1B，在常规定时和频率同步设备中，具有半个码元长度的同步码元由两个码元SYN_A、一个码元SYN_B和一个码元SYN_C组成。通过在如上所述形成的同步码元和延迟码元之间自相关检测最大点。从所检测的最大点获得码元定时，并执行小数倍数频率偏移补偿(decimal multiplefrequency offset compensation)。然后，逆傅立叶变换器将接收的时域信号和经补偿的接收信号逆傅立叶变换为频域信号。另外，使用通过将同步信号A和B进行差分编码获得的差分(differential)信号执行整倍数频率偏移补偿。
可是，上述常规方法存在的一个问题是：由于信道中噪声的影响，自相关值的最大点处的变化量很大，使得在获得信号定时期间发生差错的概率较高。另外，精细的频率同步和粗略的频率同步依赖于信号定时同步，使得它们易于受信号定时差错的影响。再有，在上述的常规方法中，存储于存储器中的接收信号和当前的接收信号都进行产生复杂性的逆傅立叶变换。
同时，宽带无线LAN使用20MHz频带和64个副载波，最大频率偏移设为200kHz。因此，宽带无线LAN不考虑对应于副载波频率的整倍数的频率偏移。可是，OFDM信号的常规频率和码元同步方法考虑整倍数频率偏移，因此效率不高。
                        发明的公开
本发明的一个目的在于提供一种频率和码元定时同步设备，它可以从正交频分复用(OFDM)信号获得更精确的频率同步和更精确的信号定时同步，该OFDM信号已经过了附加有噪声并引起幅值和相位的失真的多径信道。
本发明的另一个目的在于提供一种在频率和码元定时同步设备中执行的频率和码元定时同步的方法。
本发明的第一个目的通过一种频率和码元定时同步设备实现，该设备用于取得正交频分复用(OFDM)信号的频率同步和信号定时同步，该设备包括：一个自相关单元、一个比较器、一个峰值平顶(peak flat)检测器、一个频率偏移估计器、一个频率偏移补偿单元、一个互相关单元和一个码元定时同步单元。自相关单元接收包括由至少三个相同的同步信号组成的一个同步码元的数据，将所接收的数据延迟预定的延迟量，在接收的数据和延迟的数据之间执行自相关，使自相关值归一化，并输出经归一化的自相关值。比较器将经归一化的自相关值与与一预定阈值进行比较。峰值平顶检测器(flat section)检测作为平坦部分的经归一化的自相关值等于或大于阈值的部分。频率偏移估计器估计平坦部分内的频率偏移以获得频率偏移值。频率偏移补偿单元使用频率偏移值补偿接收信号的频率偏移。互相关单元使用补偿了频率偏移的信号和参考信号执行互相关，并归一化互相关值以输出归一化的互相关值。码元定时同步单元检测互相关值最大的点，并执行码元定时估计，因而执行码元定时同步。
最好是频率和码元定时同步单元还包括一个模式选择单元，用于推断频率同步模式并选择码元定时同步模式。
另外，最好是同步信号的长度等于或小于OFDM半码元的长度。
最好是，峰值平顶检测器计算自相关值和阈值的差值或比率，并检测作为平坦部分的该差值或比率等于或大于一预定值的部分。
另外，峰值平顶检测器可以检测作为平坦部分的在自相关值大于阈值的点之后的具有预定样本长度的部分。
另外，可替换地，峰值平顶检测器可包括：一个加法单元，用于计算在自相关值大于或等于阈值的点之后的预定数量样本的和值；和一个平坦部分检测单元，用于计算该和值与阈值的差值或比率，并检测作为平坦部分的该差值或比率大于或等于该预定值的部分。
频率偏移估计器可以包括：频率偏移估计单元，用于通过两次或三次估计该部分内的频率偏移获得频率偏移值；和平均单元，用于计算所获得的频率偏移值的平均值以取得平均频率偏移值。
本发明的第二个目的通过用于取得正交频分复用(OFDM)信号的频率同步和码元定时同步的频率和码元定时同步方法实现，该方法包括：(a)用至少三个相同的同步信号组织一个同步码元；(b)接收包括该同步码元的信号，将所接收的信号延迟预定的延迟量，在所接收的信号和延迟的信号之间执行自相关，归一化自相关值，并检测作为平坦部分的该归一化的自相关值大于预定阈值的部分；(c)估计平坦部分内的频率偏移以获得频率偏移值；(d)使用频率偏移值补偿接收信号的频率偏移；(e)使用补偿了频率偏移的信号和参考信号执行码元定时同步。
                         附图简述
图1A是用于实现正交频分复用(OFDM)信号的码元定时和频率同步的常规设备的方框图；
图1B是说明在图1A的码元定时和频率同步设备中执行的码元定时和频率同步方法的视图；
图2是根据本发明实施例实现OFDM信号的码元定时和频率同步的设备的方框图；
图3是说明根据本发明实施例实现OFDM信号的码元定时和频率同步的方法的流程图；和
图4A、4B和4C是用于说明根据本发明实施例实现OFDM信号的码元定时和频率同步的设备操作的视图。
               实现本发明的最佳方式
参照图2，根据本发明用于实现与正交频分复用(OFDM)信号码元定时和频率同步的设备，包括：一个模式选择单元20、一个自相关单元21、一个频率同步单元22、一个频率偏移补偿单元23、一个互相关单元24、一个码元定时同步单元25。自相关单元21包括一个延迟单元212、一个复数共轭器214、一个乘法器216、一个移动平均计算器218、和一个归一化器219。频率同步单元22包括一个比较器222、一个峰值平顶(peak flat)检测器224、和一个频率偏移估计器226。互相关单元24包括参考信号发生器242、一个复数共轭器244、一个乘法器246、一个移动平均计算器248、和一个归一化器249。
图4A到4C是用于说明根据本发明实现OFDM信号的频率和码元定时同步的设备操作，和根据本发明的频率和码元定时同步方法的视图。这个设备接收OFDM信号。OFDM信号由报头(preamble)数据和有效负载数据组成。该报头数据包括AGC码元和同步码元。用于这个实施例中的同步码元包括四个相同的码元SYNC_A，如图4A所示。即，在这个实施例的步骤300中，同步码元由四个码元组成，其中每个码元具有32个样本长度，该长度为OFDM码元的64个样本长度的一半。假设具有这个同步码元的OFDM信号被接收。最好是，同步码元的长度是OFDM码元的长度的一半。
模式选择单元20首先选择频率同步模式。在步骤302，延迟单元212将接收的数据r(K)延迟对应于在同步期间使用的每个码元的32个样本长度的预定延迟量(D)。复数共轭器214对被延迟的数据r(K-D)进行复数共轭运算。乘法器216将接收的数据r(K)乘以被延迟的数据r(K-D)，移动平均计算器218计算移动平均值。这里，移动平均的窗口大小对应于延迟量(D)，即32个样本。如上所述，乘法器216和移动平均计算器218在步骤304执行自相关，并输出一个自相关值。接下来，归一化器219在步骤306对自相关值归一化。因此，自相关单元210输出一个归一化的自相关值。
在步骤308，比较器222比较归一化自相关值和预定的阈值。峰值平顶检测器224在步骤310检测归一化自相关值等于或大于阈值的部分，作为平坦部分，图4B所示。峰值平顶检测器224可以检测作为平坦部分的自相关值和阈值之间的差值或比率大于该预定值的部分。另外，峰值平顶检测器224可以检测作为平坦部分的在自相关值大于阈值的点之后的具有预定样本长度的部分。另外，峰值平顶检测器224可以由一个加法单元(未示出)和一个平坦部分检测单元(未示出)组成。加法单元计算在自相关值大于阈值的点之后的预定数量样本的和值。平坦部分检测单元(未示出)检测该和值与阈值的该差值或比率大于该预定值的部分。
在步骤312，频率偏移估计器226估计平坦部分内的频率偏移以获得频率偏移值。这里，可以在该平坦部分内的一任意点执行频率偏移估计，从而允许大约+/-16个样本的误差。当频率偏移值的估计完成时，频率偏移估计器226还输出由模式选择单元20接收的模式控制信号mode_ctrl。用这种方式，频率同步单元22通过估计平坦部分的频率偏移获得频率偏移值。
另外，频率偏移估计器226可以由频率偏移计算单元(未示出)和平均单元(未示出)组成。频率偏移计算单元两次或更多次地计算平坦部分内的多个频率偏移值。平均单元通过计算多个频率偏移值的平均值获得一个平均的频率偏移值，并输出经平均的频率偏移值作为最终的频率偏移值。
接下来，模式选择单元20响应于模式控制信号而推断频率同步模式，并选择码元定时同步模式。
频率偏移补偿单元23使用由频率同步单元22获得的最终频率偏移值对接收的信号执行频率偏移补偿。
参考信号发生器242产生并输出一个参考信号，复数共轭器244对该参考信号进行复数共轭运算。乘法器246将经复数共轭的参考信号乘以从频率补偿器23输出的补偿了频率偏移的信号，移动平均计算器248计算一个移动平均值。即，通过由乘法器246和移动平均计算器248执行的互相关获得一个互相关值。归一化器249将从移动平均计算器输出的互相关值归一化。用这种方式，互相关单元24使用补偿了频率偏移的信号和参考信号执行互相关，并使该互相关值归一化，因此输出一个归一化的互相关值。
码元定时同步单元25检测互相关值最大的点，如图4C所示。此时，由于接收的信号已经被频率补偿，可以估计一个精确的最大点。因此，使用精确估计的最大点执行码元定时估计，由此，减少码元定时误差。
如上所述，在根据本发明的码元定时和频率同步设备和方法中，顺序执行频率同步和码元定时同步，并允许大约+/-16个样本的误差。即，可以允许大采样误差，使得可以实现精确的频率同步。另外，使用精确估计的最大点执行码元定时估计，由此，减少码元定时误差。
如上所述，在根据本发明的码元定时和频率同步设备和方法中，因为可以允许相对大的采样误差，可以实现精确的频率同步。另外，由于使用补偿了频率偏移的信号实现码元定时同步，可以减小码元定时误差。
                      工业适用性
由于定义了小于一个码元间隔的频率偏移，根据本发明的码元定时和频率同步设备和方法适合于宽带无线LAN，该宽带无线LAN不要求粗略的频率偏移估计。

Claims (12)

1.一种频率和码元定时同步设备，用于取得正交频分复用(OFDM)信号的频率同步和码元定时同步，该设备包括：
自相关单元，用于接收包括由至少三个相同的同步信号组成的一个同步码元的数据，将所接收的数据延迟预定的延迟量，在接收的数据和延迟的数据之间执行自相关，使自相关值归一化，并输出经归一化的自相关值；
比较器，用于将经归一化的自相关值与一预定阈值进行比较；
峰值平顶检测器，用于检测作为平坦部分的经归一化的自相关值等于或大于该阈值的部分；
频率偏移估计器，用于估计平坦部分内的频率偏移，以获得频率偏移值；
频率偏移补偿单元，用于使用频率偏移值补偿接收信号的频率偏移；
互相关单元，用于使用补偿了频率偏移的信号和参考信号执行互相关，并归一化互相关值，以输出归一化的互相关值；
码元定时同步单元，用于检测互相关值最大的点，并执行码元定时估计，由此执行码元定时同步；和
模式选择单元，用于推断频率同步模式，并选择码元定时同步模式。
2.如权利要求1所述的频率和码元定时同步设备，其中同步信号的长度等于或小于OFDM半码元(half-symbol)的长度。
3.如权利要求1所述的频率和码元定时同步设备，其中峰值平顶检测器计算自相关值和阈值的差值或比率，并检测作为平坦部分的该差值或比率等于或大于一预定值的部分。
4.如权利要求1所述的频率和码元定时同步设备，其中峰值平顶检测器检测作为平坦部分的在自相关值大于该阈值的点之后的预定样本长度的部分。
5.如权利要求1所述的频率和码元定时同步设备，其中峰值平顶检测器包括：
加法单元，用于计算在自相关值大于或等于阈值的点之后的预定数量样本的和值；和
平坦部分检测单元，用于计算该和值与阈值的差值或比率，并检测作为平坦部分的该差值或比率大于或等于预定值的部分。
6.如权利要求1所述的频率和码元定时同步设备，其中频率偏移估计器包括：
频率偏移估计单元，用于通过两次或更多次估计该部分内的频率偏移，获得频率偏移值；和
平均单元，用于计算所获得的频率偏移值的平均值，以取得平均频率偏移值。
7.一种频率和码元定时同步方法，用于取得正交频分复用(OFDM)信号的频率同步和码元定时同步，该方法包括下列步骤：
(a)用至少三个相同的同步信号组织一个同步码元；
(b)接收包括该同步码元的信号，将所接收的信号延迟预定的延迟量，在所接收的信号和延迟的信号之间执行自相关，归一化自相关值，并检测作为平坦部分的该归一化的自相关值大于预定阈值的部分；
(c)估计平坦部分内的频率偏移，以获得频率偏移值；
(d)推断频率同步模式并选择码元定时同步模式；
(e)使用频率偏移值补偿接收信号的频率偏移；
(f)使用补偿了频率偏移的信号和参考信号执行码元定时同步。
8.如权利要求7所述的频率和码元定时同步方法，其中同步信号的长度等于或小于OFDM半码元(half-symbol)的长度。
9.如权利要求7所述的频率和码元定时同步方法，其中在步骤(b)中，计算自相关值和阈值的差值或比率，并检测作为平坦部分的该差值或比率等于或大于一预定值的部分。
10.如权利要求7所述的频率和码元定时同步方法，其中在步骤(b)中，检测作为平坦部分的在自相关值大于该阈值的点之后的预定样本长度的部分。
11.如权利要求7所述的频率和码元定时同步方法，其中步骤(b)包括：
计算在自相关值大于或等于阈值的点之后的预定数量样本的和值；和
计算该和值与阈值的差值或比率，并检测作为平坦部分的该差值或比率大于或等于预定值的部分。
12.如权利要求7所述的频率和码元定时同步方法，其中步骤(c)包括：
两次或更多次估计该平坦部分内的频率偏移；和
计算所获得的频率偏移估计值的平均值，以取得平均频率偏移值。
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