CN1432244A - 在进行无线电广播传送时使ofdm符号同步的方法 - Google Patents

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Abstract

建议一种在进行无线电广播传送时使OFDM符号同步的方法，该方法有助于实现最可靠和最有效的帧同步和频率同步。在此，在发射端给OFDM符号添加附加导频，这样构成双导频。给这些双导频加调制从接收端提取的一个序列，以便利用已提取的序列和已存储的序列的比较产生每个OFDM符号的量度。具有最大量度的OFDM符号作为帧的第一个OFDM符号进行识别。所述的序列利用差分调制、QPSK或BPSK进行调制。在接收端根据保护间隔由相关性确定第一个粗时间同步。以此，也可确定一个非整数频差，以便以所述的这种非整数频差纠正接收到的OFDM符号。已提取的序列和已存储的序列利用互相关性进行比较，其中由互相关性提供所述的量度。从此，也可确定所述的整数频差。通过在OFDM符号组上对帧同步结果求平均来改进帧同步。

Description

在进行无线电广播传送时使OFDM符号同步的方法
技术水平
本发明出发点是按照独立权利要求的前序部分所述的在进行无线电广播传送时使OFDM符号同步的方法。
已知，在采用数字无线电广播传送方法时象DAB(数字音频广播)和DVB-T(数字视频广播-地面)采用频率同步和帧同步，以便在接收机中采用正确频率时找到帧开始。在此，采用DAB时为进行同步使用一种完整的OFDM(正交频分多路复用)符号，而在采用DVB-T时则采用连续的导频载波。
本发明的优点
与此相反，按照本发明所述的、在进行无线电广播传送时以独立权利要求的特征使OFDM符号同步的方法具有的优点是，具有帧同步和频率同步的双导频的OFDM符号也含有有用数据，以致于仅用于同步无须一个完整的OFDM符号。这尤其在进行数字无线电广播传送时具有优点，该无线电广播传送设定在短波和中波以及长波范围内，已知名称为DRM(全球数字无线电广播)。在这里，尤其需考虑节约带宽。
此外，还具有的优点是，将双导频分配到OFDM符号的所拥有的信道带宽上，以致于使频率相关性衰落对所述的双导频的影响减到最低。在采用DRM时，由于多种原因只使用总带宽为10kHz中的有限的带宽3kHz。
通过在从属权利要求所述的措施和扩展方案，在进行无线电广播传送时可以改进优选在独立权利要求中给出的使OFDM符号同步的方法。
尤其应优选的是在发射端，经由正交相位键控和二进制相位键控用差分调制来把序列加调制到所述的导频上。这种调制方式将使序列抗噪声和抗信道干扰能力特别强。
首先，利用保护间隔的分析来实施OFDM符号的粗同步。从保护间隔的相关值的相位来确定非整数的频差，然后以这个非整数频差纠正接收到的OFDM符号。在此，这种OFDM符号同步优选利用在信号处理中很简单和公开的方法所用的相关性来达到。
此外，具有的优点是，将调制到双导频上的接收序列利用互相关性与已知的和存储的发射序列比较。以此获得确定整数频差的量度，并且也获得帧同步，因为以此可识别帧的第一个OFDM符号。只有帧的第一个OFDM符号才具有带双导频的已调制的序列。
还有具有的优点是，通过在OFDM符号组上对帧同步结果求平均来达到改进帧同步，因为以此可优选地在确定帧同步的过程中校正误差。
最后具有的优点是，规定采用允许实现本发明所述的方法的无线电广播发射机和无线电广播接收机。
附图
本发明的实施例在附图中示出，并且下面做详细说明。图1示出了本发明所述方法的方框图，图2示出了在使用本发明所述方法的情况下总传送系统的方框图，图3为在第一个OFDM符号中设置双导频的排列图。
说明
对每个传送系统的基本要求是使输入的数据流快速地同步，以致于快速的继续处理象音频播放包含在接收的无线电广播信号中的音频信号那样是可能的。也就是说，如果数据按帧传输，则不仅需设立频率同步而且需设立时间同步，并且在此特别需设立帧同步。在此，特别是频差也即由固定频率震荡器产生的接收机中的频差由预定频率给予补偿。这种频差由震荡器的温度效应和还有震荡器的老化造成。在此，对帧同步来说找到帧开始是其目的。
通常，利用正交频分多路复用来进行数字无线电广播传送。正交频分多路复用(OFDM＝正交频分多路复用)意味着，将要传输的数据分配到不同频率的许多接近载波上。在此，载波应如此构成，即给载波分配的信息互不干扰。这种特性可用正交来说明。使用OFDM特别可导致，在进行无线电传输时已知的频率相关性衰落、也即频率相关性衰减不影响应传输的完整信息，而只是其中的小部分，以致于能利用纠错法、也称之为信道编码，来校正这种干扰。在此，信道编码意味着，给要传输的数据添加冗余码，从冗余码可复原同样在接收机中接收到的失真的数据。
DAB和DVB是2个已经采用的使用OFDM的无线电广播传送方法。还有，DRM(全球数字无线电)使用OFDM进行短波、中波和长波范围的传输。在采用DRM时，特别是由于苛刻的电波传播条件和低的发射频率而必须注意同步的很大可靠性和要传输的数据的最佳效率。
因此，按照本发明在进行无线电广播传送时使用实现同步OFDM符号的方法，其中在要传输的帧的第一OFDM符号中补充导频，以使用已经具有的导频产生双导频。按照本发明把在接收端从接收到的信号中提取的一个序列调制到双导频上。通过比较，特别是利用接收到的序列和在接收机中存储的序列的互相关性来确定第一OFDM符号是否存在或不存在。由此，来达到帧同步。此外，从互相关性的量值来确定整数频差。
在利用分析OFDM符号的保护间隔而达到的第一粗时间同步中，确定非整数频差，然后对接收到的OFDM符号纠正这个频差。此外，这个粗时间同步是必要的，以便最佳地配置快速傅立叶变换的窗口。这特别取决于存在有按导频形式进行帧同步的数据，并且因此只有在OFDM解调器，也即FFT(快速傅立叶变换)之后才能实现帧同步。故而，实现时间同步和频率同步的这种2级的方法是必须的。
调制到双导频上的序列利用差分调制、也即QPSK(正交相移键控)或二进制相移键控(BPSK)进行调制。在此，信息在改变2个连续的导频载波之间的相位过程中插入。这将导致很可靠的传输。在采用BPSK时，这例如相位是0或180°，并且在采用QPSK时，为4个相位，每个分别偏移90°，然后，这些例如是45°、135 °、225°和315°。
通过在OFDM符号的多个组对帧同步结果求平均，其中所述的组可以是帧的分量，来达到帧同步结果的改进，因为可彼此校正所述的偏差。
图1作为方框图示出了在进行无线电广播传送时实现OFDM符号同步的本发明所述的方法。数据流2送迭OFDM调制器1，以便如上所述对不同的十分接近的载波分配不同的频率。在方框3中，给OFDM数据添加了导频，其中在帧的第一个OFDM符号中，产生双导频。在方框4中，发射具有导频的OFDM符号，然后在方框5中经无线信道进行传输。在方框6中，接收OFDM符号，然后在方框7中利用保护间隔与符号结束的相关性实现粗时间同步。这种分析利用识别OFDM符号的保护间隔来实现。OFDM符号的保护间隔的任务是补偿多径传播，因为在进行无线电传输时经过不同长度的不同的路径将信号从发射机发送到接收机。这就取决于，无线电信号通过建筑物、山脉和植物的反射出现了从发射机到接收机的不同的路径。保护间隔应如此长时间地进行选择，以致于因多径传播导致的连续符号的重叠被消失。照此，保护间隔提供了一种缓冲器，以便避免有用信息的重叠。
由于在发射机和接收机之间存在着频率漂移，所以存在可能分成2部分的频差。其一部分是载波间隔的整数倍，另一部分是形成了非整数的余数的一部分。整数部分只导致在OFDM解调器输出端所有载波的漂移。由此，不干扰OFDM传输系统的正交性。但非整数部分却干扰OFDM系统的正交性。因此，应对这个非整数部分进行评估，以便以这个非整数部分纠正OFDM符号。这可通过分析计算保护间隔的自相关值的相位来实现。下面的公式阐述了自相关值的相位φ和频差的非整数部分df之间的数学关系。
Figure A0181020700071
其中dopt＝OFDM信号的启始位置
NPD＝DFT长度
NG＝在取样值中保护间隔的长度
TU＝有用的符号时延
DFT意味着离散的傅立叶变换，其中FFT是一个按照有效的算法运行的DFT。
然后，补偿接收信号所有取样值的非整数部分df。然后，这在方框8中实现。在方框9中则进行OFDM解调。在OFDM解调的输出端，则存在有已解调的OFDM符号。于是，在方框10中，从导频中提取序列。因为在那里并不知道哪一个OFDM符号是第一个OFDM符号，所以接收机试验从不同的OFDM符号中提取序列，然后再将所提取的序列与准确地相当于已发射的序列的所存储的序列相比较。在方框10中，还可在OFDM符号中为提取导频使用而不同的试验位置，因为利用保护间隔的第一粗时间同步不需要准确地导致与OFDM-符号-起始相同步。除了利用保护间隔的同步以外，还有其他的同步算法也是可能的。
在此，在方框10中，接收机实现差分解调，以提取序列。通过为所提取的序列和所存储的序列的比较使用互相关性而确定一个相关性优值Λ，当所解调的序列与所存储的序列一致时，相关性优值Λ最大。计算相关性优值Λ的最大值所用的那个OFDM符号是帧的第一个OFDM符号。然后，由此实现帧同步。计算这个最大值所用的试验位置给出了整数频差。
以下用数学方式说明帧同步和频率同步。S是一个具有良好的相关特性的还需定义的序列：
s＝[s(0)，...，s(i)，....，s(Np-1)]
通过移动分析窗口，从所接收到的副载波符号X计算每个所接收到的OFDM符号和每个试验位置g的解调序列r。 r k , g = [ ( X k , f ( 0 ) + g · X k , f ( 0 ) + 1 + g * ) , … , ( X k , f ( l ) + g · X k , f ( i ) + 1 + g * ) , … , ( X k , f ( N p - 1 ) + g · X k , f ( N p - 1 ) + 1 + g * ) 其中，
k：在帧(k＝1..15)中，OFDM符号的号码
g：试验位置
i：双导频的指数(i＝0..Np-1)
Np：双导频的数量
f(i)，f(i)+1：双导频的副载波指数(频率)
Xk，i：副载波符号(时间指数k，频率指数i)
序列r的每个单一的元素都通过双导频的差分解调求出。
对每个解调序列r都可计算与对接收机已知的序列S的周期性的互相关性。
其值为：
假定为理想的传输条件，那么，当所有的双导频处于帧和频率同步的分析窗口之内时，则上面公式(1)符合序列s的周期性的自相关性。
为判定相关性结果，需定义不同的互相关性优值，象比如品质因数(MF)，该因数给出了周期性互相关性主值的能量与包含在补充值中的总能量之比：
Figure A0181020700092
对每个按公式(1)求出的相关性序列需求出这个相关性优值。从公式(2)可看出，只有当序列s与序列r最相似时，品质因数才最大。在这种情况下，包含在周期性互相关性的主值中的能量最大，并且包含在补充值中的能量最小。
除品质因数外的另一个相关性优值是互相关性主值最大值与最大绝对值的补充值最大值之比。但研究表明，在期望的噪声形式的干扰情况下，品质因数是合适的相关性优值。
在选择相关性序列s时，下面应注意：原则上对每个序列的长度都能找到具有极好的自相关特性的序列，换句话说，双导频的数量是一个可选择参数。根据多径传播，在接收机上的各个OFDM符号都受到强烈的干扰。因为在同步阶段却不存在信道评估，所以在接收机上，相关序列r用差分解调从各个副载波符号对中求出。为达到抗噪声干扰的最大可靠性，相关序列s的相位状态数量应尽可能的小。因此，应使用二进制相移键控或正交相移键控，它们一方面具有2个相位状态和另一方面具有4个相位状态。然后，作为方框10的输出值，存在帧同步11和整数频差12。
图2示出了在使用本发明所述的方法情况下总传输系统的方框图。图中有数据源13、音频编码15、剩余数据和控制数据19。所述的数据源13、15和19都分别通向信道编码14、16和20。在信道编码14或16后面，分别紧跟着：在以时间交织而已知的方框17和18中，按时间将数据分类。按照时间将数据分类具有的优点是，相邻的数据例如语音数据不完全会受一个干扰脉冲串干扰，因为它们按照时间交织随时间彼此被消除。然后，通过采取纠错措施更容易地在接收端纠正所述说的脉冲串的影响。
在方框21中，时间交织器17、18和信道编码器20的输出数据都被组合在一起采用多路复用。在方框22中，数据被分配到不同的载波，在此，也用OFDM调制。在方框23中，OFDM信号转换成时域，其中在方框24中，导频被添加到OFDM符号中。在方框25中，OFDM信号利用数/模转换器25被转换成模拟信号以进行传输。下面具有天线的高频发射机26通过无线电信道27发射该模拟信号。
高频接收机28接收经无线电信道27传输的OFDM信号。高频接收机28将接收到的OFDM信号移交给模/数转换器29，该转换器29将接收到的OFDM信号变换成数字信号。在方框30中，实现OFDM解调，其中在前面在方框31中如上所述实现粗时间同步。然后，解调信号被送至方框32中以对控制信息进行解码，和/或在方框33中进行所谓的解交织，也即将按时间分类的数据反转过来，以致于它们再次融入正确的时间序列，并且发进行送程序选择。在方框34中，实现信道编码，而在方框35中，实现音频数据或其它数据的解码。
图3示出了帧的第一个OFDM符号中导频的设置。在水平方向的数表示OFDM符号的不同的载波。用符号38表示已经为信道评估设立的导频。利用符号39表示按本发明添加给第一个符号的导频，以便产生双导频或甚至三导频。在此，也使用这些附加的导频以改进对相关联的解调所必须的信道评估。
双导频装置首先是任意的，其中序列被调制到其上的双导频的数量大可导致比较少的双导频数量更好的帧同步。在导频之间存在有用信息，该有用信息也在用来实现帧同步的第一个符号中进行传输。对于具有良好相关特性的不同的已知序列象CAZAC序列、MiLeweski序列、Frank序列、Lemple序列、差分量序列和二次剩余序列，都要计算不同品质因数Λ，其中已经表明，对具有序列长度10、14和18的序列，用很少相位状态计算出的品质因数可能较差。但具有16个双导频的序列、即一个Frank序列将具有一个特别高的品质因数，并且因此特别可靠。在此，使用4个相位状态，也即QPSK。
通过在OFDM符号组上求平均，其中OFDM符号组可以是帧的一部分，使同步方法的工作能力将进一步提高。这在于通过求平均可能消除各个误差。
在中波范围或长波范围采用的DRM GROUND模式中，设置附加的导频以构成双导频，在采用相应的载波指数时将按下表1设置确定的频率和附加载波的相位：
表1：在DRM GROUND模式中附加导频的载波指数和附加载波的相位
载波指数 附加载波的相位
17 270°
19 180°
21 0°
28 0°
29 0°
32 180°
33 0°
39 90°
40 180°
41 180°
53 90°
55 0°
56 0°
60 0°
61 0°
63 270°
71 0°
73 180°
在下表2中，示出了采用DRM SKY模式添加的导频所使用的附加载波的指数和附加载波的相位。设想将DRM SKY模式用于短波范围。
表2：在DRM SKY模式中，附加导频的载波指数和新载波的相位。
载波指数 附加载波的相位
14 90°
18 180°
20 0°
24 0°
26 180°
32 90°
36 0°
42 180°
44 270°
50 0°
54 0°
56 0°
62 270°
66 0°
68 180°

Claims (12)

1.在无线电广播传送时使OFDM符号同步的方法，其中OFDM符号按帧传送，其中OFDM符号具有有用数据、导频和保护间隔，其特征在于，在发射端给帧的第一个OFDM符号添加附加的导频，以构成双导频；在发射端给双导频加调制一个序列；对接收到的OFDM符号解调双导频，以便提取所述的序列；通过产生每个OFDM符号的量度，在接收端对已提取的序列和已存储的序列进行比较；并且把具有最大量度的OFDM符号识别为帧的第一个OFDM符号。
2.按权利要求1所述的方法，
其特征在于，
利用差分调制把所述的序列调制到导频上。
3.按权利要求2所述的方法，
其特征在于，
作为差分调制使用正交相移键控或二进制相移键控。
4.按上述权利要求之一所述的方法，
其特征在于，
在接收端根据OFDM符号的保护间隔实现符号同步和确定非整数频差，并且以该非整数频差纠正接收到的OFDM符号。
5.按权利要求4所述的方法，
其特征在于，
利用相关性达到符号同步。
6.按权利要求4或5所述的方法，
其特征在于，
根据保护间隔的自相关值的相位确定非整数频差。
7.按上述权利要求之一所述的方法，
其特征在于，
利用互相关性比较已提取的和已存储的序列。
8.按上述权利要求之一所述的方法，
其特征在于，
利用所述的量度确定一个整数频差。
9.按上述权利要求之一所述的方法，
其特征在于，
通过对OFDM符号组的帧同步结果求平均实现OFDM符号组上的帧同步。
10.按上述权利要求之一所述的方法，
其特征在于，
在DRM GROUND模式中，作为附加导频的载波指数使用载波指数17、19、21、28、29、32、33、39、40、41、53、55、56、60、61、63、71以及73，以及分别属于这些载波指数的相位270°、180°、0°、0°、0°、180°、0°、90°、180°、180°、90°、0°、0°、0°、0°、270°、0°和180°。
11.按上述权利要求之一所述的方法，
其特征在于，
在DRM SKY模式中，作为附加导频的载波指数使用载波指数14、18、20、24、26、32、36、42、44、50、54、56、62、66、和68，以及分别属于这些载波指数的相位90°、180°、0°、0°、180°、90°、0°、180°、270°、0°、0°、270°、0°和180°。
12.用于执行按照权利要求1-11之一所述的方法的无线电广播发射机和无线电广播接收机。
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