CN1258892C - 正交频分复用系统的复杂度降低的快速付里叶变换窗同步 - Google Patents

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Abstract

一种正交频分多路复用(OFDM)接收器，通过从快速付里叶变换(56)和均衡化(58)的OFDM信号中提取导频(62)，并处理提取的导频以导出FFT窗调整因子(65)和相关的均衡器抽头调整值(67)来补偿FFT窗漂移。OFDM接收器利用导出的FFT调整因子和均衡器抽头调整值来同时控制FFT窗的位置和均衡器抽头的相位。

Description

正交频分复用系统的复杂度降低的 快速付里叶变换窗同步
本发明涉及处理正交频分多路复用(OFDM)信号。
无线LAN(局域网)(WLAN)是灵活的数据通信系统，作为建筑物或校园内有线LAN的扩充物或替代物使用。通过使用电磁波，WLAN在空中发送和接收数据，使得对有线连接的需要降到最低。因此，WLAN将数据可连通性与用户移动性相结合，并通过简单化了的结构，启动可移动LAN。一些已经从使用便携式终端(例如，笔记本电脑)发送和接收实时信息的生产力增强中获益的企业是数字家用网、医疗保健、零售、制造和五金等行业。
WLAN的制造商在设计WLAN时有广泛的发送技术可供选择。一些示范性的技术有多载波系统、扩频系统、窄带系统和红外系统。尽管每种系统有其自身的长处和缺陷，一种特定类型的多载波传输系统，即正交频分多路复用(OFDM)已经证明格外适用于WLAN通信。
OFDM是在信道上高效率发送数据的强健(robust)技术。该技术使用了信道带宽内的多个副载波频率(副载波)发送数据。与为了分隔和分离副载波频谱从而避免副载波间干扰(ICI)的可能浪费信道带宽的一些部分的传统频分多路复用(FDM)相比，这些副载波被排列成使带宽效率最佳。相比之下，尽管OFDM副载波的频谱在OFDM信道带宽内显著重叠，但OFDM仍然能够使已经调制在每个副载波上的信息得到分辨和恢复。
通过借助于OFDM信号的信道的数据传输比更传统的传输技术提供了一些其它优点。这些优点的一些是对多径延迟扩展和频率选择衰落的耐受度、有效频谱使用简化子信道均衡、和良好的干扰特性。
现在参照图1，OFDM信号10作为用户数据块12发送，用户数据块12由称为循环前缀14的保护区间分隔开。循环前缀14是相邻用户数据块12的一部分的拷贝，用于降低多径衰落引起的码元间干扰(ISI)。更具体地说，正如本领域普通技术人员所知的，与用户数据12相反，只有循环前缀14受到ISI的影响。因此，通过OFDM接收器去除循环前缀14从接收的OFDM信号中消除了ISI的影响。
OFDM接收器数字化或取样接收的OFDM信号10，将该OFDM信号从模拟信号转换成数字信号。此后，OFDM接收器将快速付里叶变换(FFT)窗应用于OFDM信号，从接收的OFDM信号中去除循环前缀。理想的情况是，OFDM窗只将用户数据12送到FFT单元18，而丢弃循环前缀14。然而，如果在OFDM发送器与OFDM接收器之间存在取样频率偏移，那么FFT窗16可能会漂移到超出用户数据12的边界。如果如图2所示那样，发生了这种漂移，那么循环前缀14的一部分或样本20可能被送到FFT单元18，而用户数据12的一部分或样本22却可能丢失了。结果，窗漂移效应可能导致在接收的OFDM信号中出现ISI。并且，FFT窗16的偏移将导致在FFT单元18的输出中发生相位旋转。发生旋转是因为时间域中的时间移位导致了频率域中的相位旋转。相位旋转可以在OFDM接收器恢复的用户数据中产生误差。
校正漂移效应的一种途径是利用锁相环将接收器的取样器或ADC(模数转换器)的频率锁定在发送器取样频率上。转到图3，示例性的锁相环结构24包括ADC 26，ADC 26取样接收的OFDM信号。FFT窗单元28按如上所述接收OFDM取样值，去除循环前缀，并将用户数据送到FFT单元30。导频(pilot)提取器32提取嵌在用户数据中的导频，并将导频送到相差计算器32。导频是在预定副载波上嵌在OFDM码元中的基准信号(具有已知相位)。相差计算器32计算各OFDM码元内导频之间的相差，并将计算的差值送到取样偏移检测器36。取样偏移检测器36利用计算的差值检测发送器与接收器之间的取样偏移，并将该取样偏移输出到数字锁相环38。数字锁相环38控制ADC 26的取样时钟，并且一旦数字锁相环38已经锁定，就在整个传输的接收期间确保一致的FFT窗定位。
尽管一旦数字锁相环38已经锁定，PLL(锁相环)结构24就能确保一致的FFT窗定位，但这种PLL结构24仍然存在几方面缺点。一个缺点是由于噪声和信道效应，PLL结构24可能不能正确地定位FFT窗。不正确的定位(即窗偏移)可能引起FFT单元30的输出产生相位旋转，接着可能引起OFDM接收器恢复的用户数据产生误差。另一个缺点是实现PLL结构24的数字锁相环38价格昂贵。
如果相对于发送器取样频率OFDM接收器的本地取样时钟具有小偏移，那么去除数字锁相环并利用自激(free-running)本地时钟也许是有利的。但是，利用自激时钟而不用锁相环，小的取样偏移在时间上可以不断累加在一起，使FFT窗移到用户数据边界之外。如上所述，FFT窗移位可能将诸如ISI之类的误差带入接收的OFDM码元的用户数据部分中。本发明目的在于解决这个问题。
正交频分多路复用(OFDM)接收器从快速付里叶变换并均衡化的OFDM信号中提取导频，并处理提取的导频以导出FFT窗调整因子和相关均衡器抽头(tap)调整值。OFDM接收器利用FFT调整因子和均衡器抽头调整值同时控制FFT窗的位置和均衡器抽头的相位。
通过结合附图对本发明的优选实施例进行详细描述，本发明的上述优点以及其它优点将得到更完整地理解，在附图中：
图1是含有用户数据和循环前缀的OFDM信号，和相关处理器的示意图；
图2是说明出现FFT窗漂移的示意图；
图3是用于传统OFDM接收器的锁相环结构的方块图；
图4是说明训练序列、用户数据和导频信号在根据本发明的OFDM码元帧内的位置的示意图；
图5是说明根据本发明用于OFDM接收器的窗漂移校正配置的方块图；和
图6是说明本发明的FFT窗校正算法的流程图。
从如下通过举例给出的描述中可以更明显地看出本发明的特征和优点。
转到图4，图4显示了本发明的示例性OFDM码元帧。码元帧40包括训练序列44、预定数量的循环前缀42和用户数据对，训练序列44包含用于OFDM载波中每个副载波的已知传输值。用户数据46含有预定数量的导频48，导频48也包含嵌在预定副载波上的已知传输值。例如，推荐的ETSI-BRAN HIPERLAN/2(欧洲)和IEEE 802.11a(美国)无线LAN标准具有位于箱(bin)或副载波±7和±21上的四个导频，这里引用这两个标准供参考用。
现在参照图5，图5显示了本发明的FFT窗同步网络或系统50。应该注意到，系统50可以用软件、硬件、或它们的某种组合来具体实现。例如，系统50可以是WLAN适配器的一部分，作为用于笔记本或掌上电脑的PC卡、台式计算机的一个卡或集成到手提计算机内来实现。系统50与OFDM时间域样本的源52(例如，由不受PLL控制的自激时钟驱动的ADC的输出)相耦合，源52相对于OFDM发送器的取样频率具有小的取样频率偏移。如上所述，这样的偏移将会引起FFT窗漂移，这种漂移又可以导致FFT单元的输出发出相位旋转，并导致ISI。系统50包括与源52和FFT单元56耦合的粗FFT窗同步单元54。粗FFT窗同步单元54获取FFT窗位置的初始估算值，并当来自源52的样本落入估算的窗位置中时触发FFT单元56。粗FFT窗同步单元54可以使用已知的窗同步技术，譬如，已知训练序列(例如，图的所示的训练序列44)的互关联峰或自关联峰的检测。粗FFT窗同步单元54获取窗位置的近似(在正确窗位置的几个样本内)初始估算值。此后，按下文进一步详细描述的那样细调窗位置。
均衡器58与FFT单元56的输出相耦合。均衡器58降低OFDM信号通过其中传输的信道的多径失真效应。均衡器58利用存储在存储器60中的训练序列(例如，图4的训练序列44)来初始化，以设置均衡器抽头的设定。正如上面所讨论的，训练序列包含在OFDM载波的所有副载波的已知传输值。计算关于每个副载波的初始抽头值的传统技术是将用于副载波的抽头设置成等于(存储在存储器60中的)副载波的已知传输值除以从FFT单元56接收的副载波上的输出。均衡器58的初始化不仅降低了信道效应，而且消除了由不正确FFT窗位置产生的相位旋转。但是，根据本发明的一个特征，初始化只消除了在初始化时导频副载波的相位旋转，均衡器58并不能跟踪由漂移窗位置引起的导频副载波的连续相位旋转。
在初始设置均衡器58的抽头之后，均衡器58采用用于数据副载波的均衡器抽头，而不是采用用于导频副载波(例如，图4的导频48)的抽头。均衡器58不采用导频抽头，使得在导频副载波上由不正确FFT窗位置产生的相位旋转被送至导频提取单元62和细FFT窗同步单元64，正如下文进一步详细讨论的。
导频提取单元62与均衡器58的输出和细FFT窗同步单元64的输入相耦合。导频提取单元62提取嵌在发送到下游处理66(例如，解调、解码等)的用户数据(例如，图4的用户数据46)中的导频(例如，图4的导频48)，并将导频送到细FFT窗同步单元64。细FFT窗同步单元64与FFT单元56的输入相耦合，以细调FFT窗位置。细FFT窗同步单元64还与均衡器58的输入相耦合，以调整均衡器抽头的相位旋转。更具体地说，细FFT窗同步单元64执行提供两个输出的算法。第一输出是细窗调整因子65，它被送到FFT单元56使FFT窗移位一个样本增量。第二输出是相位补偿值67，它被送到均衡器58，以便与FFT窗的细调诱发的相位旋转大小相等方向相反地旋转均衡器抽头。均衡器抽头的旋转是避免可能会干扰均衡器58的跟踪能力的离散相位跳跃所必需的。
现在参照图6，图6显示了说明本发明的算法的流程图70。起初，在步骤72，细FFT窗同步单元64获取嵌在用户数据中的导频的相位。接着，在步骤74，细FFT窗同步单元64将所得的相位的绝对值与Ω的绝对值相比较。Ω定义为：
       Ω＝kTs+[sgn(k)*λ]其中k是导频的副载波或箱(bin)位置(例如，±7或±21)。Ts是由1个样本的FFT窗偏移引起的最低正频率副载波的相移(例如，可以在副载波或箱位置+1上产生的相移)。因此，对于第k个载波，相应的相移是kTs(例如，在第7个副载波上，相移是7Ts)。λ是为了防止由于噪声引起的伪窗调整而加到kTs的安全裕度(margin)或缓冲值。sgn( )表示依照副载波的符号产生+1或-1的正负号(signum)函数(例如，在+7箱位置上，sgn( )函数给出+1，在-7箱位置上，sgn( )函数给出-1)。
如果相位的绝对值不超过Ω的绝对值，细FFT窗同步单元64就将正相移(M+)计数器和负相移(M-)计数器复位或置零，并返回到步骤72，获取下一导频的相位。应该注意到，有正和负相移计数器(M+和M-)用于每个导频副载波。例如，如果导频位于±7和±21箱上，则将分配八个计数器用于跟踪±7和±21箱上的正和负相移。
如果相位的绝对值超过Ω的绝对值，则在步骤78，细FFT窗同步单元64确定相移是否是正的。如果相移是正的，则在步骤82，细FFT窗同步单元64使与导频相关的正相移计数器(M+)增1。如果相移不是正的，则在步骤80，细FFT窗同步单元64使与导频相关的负相移计数器(M-)增1。
在对于给定导频使计数器(M+或M-)递增之后，在步骤84，细FFT窗同步单元64确定用于所有导频的大多数计数器(M+或M-)是否已经到达阈值或预定值。例如，如果导频位于±7和±21，则细FFT窗同步单元64获取八个计数器(四个M+计数器和四个M-计数器)的计数。此后，细FFT窗同步单元64确定大多数M+或M-计数器是否已经到达预定值(例如，其值为5)。如果还没有到达预定值，细FFT窗同步单元64返回到步骤72，并获取下一导频的相位。当到达预定值时，将FFT窗调整至少一个样本。调整方向根据哪些计数器(M+或M-)已经到达预定值来选择。因此，如果已经到达预定值，则在步骤86，细FFT窗同步单元64调整FFT 56的窗位置和均衡器58的均衡器抽头的相位，正如下面进一步详细讨论的。应该注意到，阈值或预定值用于降低噪声对检测窗偏移的影响。例如，噪声的增加可能使所检导频相位的绝对值超过Ω一次。但是，只有由窗移位所致的相位旋转可能会引起多次连续发生导频相位超过Ω。
将FFT窗位置调整一个样值给频域数据造成了相位的不连续跳跃。为了避免这种相位的不连续跳跃，将每个均衡器数据抽头的相位调整kTs弧度，其旋转调整的方向与不这样就可能已经由FFT窗移位所致的旋转的方向相反。但是，应该注意到，不调整均衡器导频抽头的相位，使细FFT窗同步单元64可以跟踪由FFT窗漂移引起的导频副载波的相位改变。
因此，根据本发明的原理，OFDM接收器从快速付里叶变换和均衡化的OFDM信号中提取导频，并处理提取的导频以导出FFT窗调整因子和相关均衡器抽头(tap)调整值。OFDM接收器利用FFT调整因子和均衡器抽头调整值同时控制FFT窗的位置和均衡器抽头的相位。
虽然参照优选实施例已经对本发明进行了描述，但很明显，可以对这些实施例进行各种改动而不超出所附权利要求书所限定的精神和范围。

Claims (20)

1.一种在正交频分多路复用(OFDM)接收器中进行快速付里叶变换(FFT)窗位置恢复的方法，该方法的特征在于包括下列步骤：
预处理接收的OFDM信号以产生快速付里叶变换和均衡化的OFDM信号；
从快速付里叶变换和均衡化的OFDM信号中提取导频；
处理提取的导频以导出FFT窗调整值和相关的均衡器抽头调整值；和
在预处理步骤中利用所述调整值。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，OFDM接收器是在无线LAN(局域网)适配器中实现的。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，OFDM接收器整体形成在便携式或台式计算机之一内。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在预处理步骤中利用调整值的步骤包括利用FFT窗调整值和相关的均衡器抽头调整值同时控制FFT窗的位置和均衡器抽头的相位。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述窗调整值代表窗漂移校正。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述均衡器抽头调整值代表抵消窗漂移校正对均衡器抽头产生的影响的相位校正。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述均衡器抽头是均衡器数据抽头。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述处理步骤包括：
将所提取的导频的相位与一预定值相比较；
如果该相位超过该预定值，则递增计数器计数；和
如果该计数器超过一阈值，则产生FFT窗调整值和相关的均衡器抽头值。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述预定值代表由于FFT窗偏移所致的相位旋转。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述预定值还包括噪声缓冲值。
11.如权利要求8所述的方法，其特征在于，选择所述阈值以降低噪声对FFT窗位置恢复的影响。
12.一种在正交频分多路复用(OFDM)接收器中用于快速付里叶变换(FFT)窗位置恢复的设备，该设备的特征在于包括：
FFT窗模块，用于接收OFDM信号并从该OFDM信号中去除循环前缀；
FFT模块，用于对窗选的OFDM信号进行快速付里叶变换；
均衡器模块，用于从变换的OFDM信号中去除信道失真；和
窗调整模块，用于从变换的OFDM信号中提取导频，并响应于所提取导频的相位控制FFT窗模块和均衡器模块的操作。
13.如权利要求12所述的设备，其特征在于，窗调整模块将提取的导频的相位与一预定值相比较，并且如果该所提取导频的相位超过该预定值达预定次数，则调整FFT窗的位置和均衡器抽头的相位。
14.如权利要求13所述的设备，其特征在于，预定值代表由于FFT窗偏移所致的相位旋转。
15.如权利要求14所述的设备，其特征在于，所述预定值还包括噪声缓冲值。
16.如权利要求14所述的设备，其特征在于，所述FFT窗偏移是一个样本的偏移。
17.如权利要求12所述的设备，其特征在于，窗调整模块同时控制FFT窗模块的窗位置和均衡器模块的均衡器数据抽头的相位。
18.如权利要求17所述的设备，其特征在于，调整所述均衡器数据抽头的相位以抵消由窗位置的漂移所致的相位旋转。
19.如权利要求12所述的设备，其特征在于，OFDM接收器是在无线LAN适配器中实现的。
20.如权利要求12所述的设备，其特征在于，OFDM接收器整体形成在便携式或台式计算机之一内。
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