CN1531808A - Ofdm接收机的频率和时间同步化的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于接收固定载频上的OFDM信号的接收机(E)的频率和时间同步化。发明方法的特征在于，在第一程序步骤中，或者是通过一种二维频率－时间搜索模式并且确定具有OFDM信号的最佳质量标准的区域点，或通过评估由发射机发送的一个同步化序列，来确定OFDM信号的频率和时间起点的近似标称值。在一个后续第二程序步骤中，在接收机(E)中确定与OFDM信号一同发送的至少一个导频信号的相位，并且在数个OFDM信号块上对该相位进行平均化；并由此确定OFDM信号的频率和时间起点的更准确的标称值。然后，将接收机(E)同步到如此确定的频率，并且从如此确定的时间起点开始解调OFDM信号。

Description

OFDM接收机的频率和时间同步化的方法

技术领域

本发明涉及一种用于接收在固定载频上发送的OFDM信号的接收机的频率和时间同步化的方法。

背景技术

在现代数字技术中，将正交频分多路复用(OFDM)系统用于数字传输。根据这种原理，在传输之前，数字数据流通过映射被转换成复数值符号并且被分割成大量的、每个均在分离载波上发送的部分信号。例如，DVB-T(数字视频广播)系统使用1,705和/或6,817个这样的分离载波。在这种接收机中，组合这种部分信息，以从发送的数字数据流形成完整的信息。这种OFDM系统是众所周知的，并且有过详尽的说明，例如，1999年10月份的IEEE会刊第10期87卷1778页，HERMANN ROHLING，THOMASMAY，KARSTEN BR NINGHAUS和RAINER GR NHEID发表的文章“多媒体应用的宽带OFDM无线电传输”。

对于这种系统，使接收机与发送的OFDM信号块的频率和时间精确地同步是十分重要的。由于发射机和/或接收机的移动和/或频率差，各个载波可能会发生多普勒频移。此外，使接收机与OFDM信号块的正交性间隔的起点在时间上精确地同步也是十分重要的。例如，由于传播延迟中的差异，根据发射机与接收机之间的距离，OFDM信号块不总是在相同的标称时间到达接收机。

发明内容

本发明的目的是要提供一种能够使这种OFDM接收机尽可能快而精确地在频率和时间上与接收的OFDM信号同步的方法。

从一种根据独立权利要求的前序部分的方法开始，通过这个权利要求的特征部分实现这个目的。在从属权利要求中进一步说明了优选实施例。

根据本发明，两个连续的程序步骤使得能够迅速达到OFDM接收机的频率和时间的同步化。由于固定频率模式允许使用专门的平均和平滑(averaging and smoothing)方法，所以，因在固定载频上进行接收而限制了在此情况下所需的计算强度。

具体实施方式

以下参考示意图和示例实施例来说明本发明。

图1示出了一个用于接收OFDM信号的高频接收机的电路框图，OFDM信号是通过一个接收机组件(E)在固定载频上接收的。在本示例实施例中，频率和时间同步化是根据第一程序步骤的第一选择执行的，即，利用二维频率-时间搜索模式。在模拟高频接收机组件E之后，在一个模拟/数字转换器A/D中将接收的OFDM信号数字化，并且存储在一个缓冲存储器S中。为实现同步化，提供一个二维频率和时间搜索装置Z，利用装置Z，在一个二维搜索阶段期间，为一个预定频率范围f₁至f₂内的A/D转换器的每个抽样确定接收的OFDM块的依赖于频率的质量标准，接收机的标称频率值f₀在这个预定频率范围f₁至f₂内。图2中以示意图形式示出了二维搜索。在f₁至f₂之间，频率搜索范围构成二维搜索范围的一个维度；另一维度构成具有OFDM块的标称时间起点τ₀的τ₁至τ₂之间的时间搜索范围。确定这个二维频率-时间搜索范围f₁至f₂和/或τ₁至τ₂中各点的接收OFDM块的质量标准。搜索频率范围f₁至f₂的步长取决于OFDM信号的类型和标称频率位置f₀与实际频率位置f_x之间的最大预期差。时间轴上的步长是通过A/D转换器的抽样速率确定的；步长可以是抽样的倍数。在图2中，用交叉阴影线表示出总的搜索范围。

在发送信道中，在至少两个连续OFDM块中接收并且存储在缓冲存储器S中的OFDM信号或多或少地有一些失真。这些失真可能会影响二维搜索，也就是说，由于这种失真，可能会使质量标准的最佳值位移。因此，在评估二维搜索和确定质量标准之前最好均衡信号。为此，如图1中所示，在每一种情况下提供了均衡器R；这些均衡器R连接在用于确定质量标准的计算机单元D的下游。在这种情况下，均衡可以用于评估与OFDM信号一同发送的导频载波。这些信号一般用于使相位同步，从而使得能够进行相干解调，但是，在本例中，可以将它们另外用于均衡化。由于已知这些导频载波的幅度和相位位置彼此相关联，因此，可以用已知的方法确定信道失真。因此，均衡器R包含有关在预定的固定发送频率上发射机与接收机之间发送信道的相位和幅度响应信息，并且，因此可以适当地均衡OFDM信号。例如，这可以发生在将每个OFDM载波乘以一个复数值的情况中，这个复数值对应于发送信道的幅度和相位响应。如果仅通过调相和调频来调制OFDM载波，那么在一些情况下，乘以一个从发送信道的相位响应评估得到的相位值就足够了。但是，如果载波是经过调幅的，那么需要乘以评估的幅度响应的倒数(除法)。在组合调幅和调相的情况下，例如，在高序QAM调制的情况下，必须用复数——发送信道的发送函数的评估值——除相关的载波。

在计算机D中，通过将输入信号(从缓冲存储器S输出的信号)与从均衡器R输出的信号进行比较，确定二维搜索操作期间每个点的OFDM信号的质量标准；也就是说，计算瞬时频率值与标称目标值的距离差。该标准一般是欧几里德距离，但是，也可以是距离的绝对值或各个载波的相位差值。对于二维搜索范围的每个区域点，根据以这种方式确定的频率和时间的质量标准来确定具有最佳质量标准的区域点，并且，因此可以在第一程序步骤中考虑到标称频率与对应于最佳质量标准的频率值之间的差，大致地使接收机同步。从对应于最佳质量标准的时间值开始，然后，可以解调OFDM信号，并且可选地，也可以对OFDM信号进行译码。但是，由于在这个第一程序步骤中仅是近似地达到了频率和时间的实际值，实际、精确的频率和时间同步化是在第一程序步骤之后的第二程序步骤中利用连续的评估标准实现的。

在第二和后续的程序步骤中，评估与OFDM信号块一同发送和接收的导频载波的相位位置。在解调器中，计算每个OFDM信号块的同时发送的导频载波的相位。此后，适当地平均化数个连续OFDM块上的各个导频载波的相位；也就是说，将它们进行滤波和平滑。在第一阶段中，展开在一个OFDM块中确定的导频载波的相位(展开代表将已经在间隔-π至+π上利用反正切计算出的相位映射到连续的相位轴上。这考虑到OFDM块之间的相位不会突然变化的事实)。然后，可以利用一个窄带滤波器过滤用这种方式投射的每个相位，以提高测量的精度。合适的滤波器包括线性回归，诸如中值滤波器之类的所谓的“顺序统计滤波器”或PLL结构。

确定的各个导频载波的相位特性是频率偏移的函数，频率偏移的发生是由于发射机与接收机之间的振荡器偏移，和由于发射机和/或接收机移动造成的多普勒频移，或由于发射机与接收机之间的抽样时钟失调以及OFDM块中导频载波的相对位置。因此，可以根据这些相位特性计算频率偏移以及时钟失调。用这种方式，在第二程序步骤中，通过平均化数个OFDM块上的导频载波的相位，可以以相当高的精度确定OFDM块的标称频率和起点的时间。然后，将接收机与这些值进行最终地同步化，并且也在整个发送中连续地调节接收机；也就是说，在发送过程中，为了实现同步，仅利用导频载波的相位位置执行这个第二程序步骤。

为了保证在平均化相位值中尽可能地忽略孤立的大偏差，根据质量标准对过滤的相位值进行加权；也就是说，在平均化过程中较少地考虑与其它值有较大偏差的值。这种质量标准以乘积的方式与有关的最佳值相关联，并且将它用于从平均化算法中完全地排除该值，或是减小它的重要性。优选根据OFDM接收机的译码质量导出这个标准。这种类型的OFDM接收机经常配有最大似然译码器(ML)，这种译码器从译码过程的结果额外地提供一种质量标准。在平均化计算中，可以直接使用这一标准对滤波值进行加权。APP译码器也适合于这种目的，因为它们也为接收的OFDM信号提供适当的质量标准；在这种情况下，将其称为后验概率(aposteriori-probability)。也可以使用从CRC-译码获得的结果作为这种情况下的质量测量值。

在OFDM接收机A中实际解调和译码之前，在一个自适应数字滤波器F中对接收的信号进行滤波。经过接收机A中的解调器，参考这个自适应滤波器的滤波值，控制这个自适应滤波器。也可以把接收机中计算的频率和时间值提供给这个滤波器。

在发送过程中，所确定的最佳抽样点和实际频率仅缓慢地变化，或根本不变化。例如，如果发射机和接收机相互离开或相互靠近，那么有可能发生缓慢变化。由于变化的缓慢性，所以可以调节这些值。在这种情况下，经过一个自适应滤波器来调节OFDM接收机A中所确定的最佳频率和时间值。卡尔曼滤波器特别适合于这种情况。

利用接收机的固定频率操作，也可以凭借判定反馈(DFE)更新自适应输入滤波器F，因为在确定了准确的频率和时间值之后对OFDM信号进行解调和译码，然后，利用这个译码后的OFDM信号执行进一步的信道评估和均衡。然后，经过这个DFE调节自适应输入滤波器F。

由于发射机与接收机中的振荡器之间的差异，时钟相位可能产生漂移。结果，没有额外的措施，可能会在接收机中偶尔多产生一个抽样，或少产生一个抽样。这可以通过调节接收机中的抽样时钟进行补偿，例如，通过控制从中导出各个时钟的A/D转换器或主振荡器时钟。另一种可能性是调节均衡滤波器中的差异，使相位位移，直到超过阈值一个抽样。可以在这个阈值简单地使用相位向前或向后位移一个抽样之后的信号。

在大致确定OFDM信号的频率和起点的第一程序步骤中，可以使用发射机在发送开始时发送的和/或周期性或非周期性重复的同步化序列的评估来代替上述二维搜索程序。这进一步简化了同步化程序。可以使用任何能够用来在接收机中直接确定OFDM信号的近似标称频率和标称时间起点的已知信号作为一个同步化序列，例如，线性调频信号。如图1中所示，再次根据这些值控制自适应输入滤波器F。整个发送函数的脉冲响应长度(信道+接收机滤波器)必须不超过OFDM保护间隔的长度。优选用能够产生一个最佳维纳滤波器的方式产生滤波器。在这种情况下，也可以将自适应输入滤波器适于通过DFE改变传播条件。其次，再次如上所述地执行后续程序步骤。

Claims (19)

1.一种用于在固定载频上接收OFDM信号的接收机的频率和时间同步化方法，其特征在于，

在第一程序步骤中，或者是经过一种二维频率-时间搜索模式并且通过确定具有OFDM信号的最佳质量标准的区域点，或是通过评估由发射机发送的一个同步化序列，来确定OFDM块的频率和时间起点的近似标称值；

在第二、后续程序步骤中，在数个OFDM信号块上确定并且平均化至少一个与OFDM信号一同发送的导频载波的相位；

参考这个相位，确定OFDM块的频率和时间起点的更准确的标称值；和

然后，将接收机同步于用上述方式确定的频率，并且从用这种方式确定的时间起点值开始，解调OFDM信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

在初始频率和时间同步化之后的发送过程中，仅连续周期性地或非周期性地重复同步化程序的第二步骤。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，

在OFDM接收机的输入端设置一个通过在接收机中计算的滤波常数控制的自适应数字滤波器。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，

自适应滤波器另外适合于改变发送信道的传播条件。

5.根据上述权利要求中任何一个所述的方法，其特征在于，

在第一程序步骤中，为二维频率-时间搜索范围中的每一点确定OFDM信号的一个质量标准，这个二维频率-时间搜索范围在一个维度中是由包括OFDM信号的标称频率的频率搜索范围确定的，而在另一个维度中是由包括OFDM信号的标称起点的时间搜索范围确定的；

然后，参考这个质量标准，确定具有OFDM信号最佳质量标准的区域点；

最后，考虑到标称频率与对应于最佳质量标准的频率值之间的差，将接收机同步到标称频率；和

从对应于最佳质量标准的时间值开始，解调OFDM信号。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，

在最佳质量标准确定之前，利用在OFDM信号中发送的导频载波，为OFDM信号的每个载波评估发送信道的发送函数，并且据此均衡OFDM信号。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，

将均衡器的输入与输出之间的偏差(距离)用作质量标准。

8.根据权利要求5至7所述的方法，其特征在于，

仅为与OFDM信号一同发送的导频载波确定质量标准。

9.根据权利要求5至8所述的方法，其特征在于，

或是在发送的开始，或是在发送过程中周期性和/或非周期性地，通过发射机发送一个特定比特码型的同步化序列，并参考这个序列确定最佳质量标准。

10.根据权利要求6至9所述的方法，其特征在于，

通过将各个OFDM载波与一个对应于发送信道的幅度和相位响应的复数值相乘，来执行均衡。

11.根据权利要求1至10中任何一个所述的方法，其特征在于，

通过在数个OFDM信号块上进行滤波和平滑处理，对第二程序步骤中计算的导频载波的相位值进行平均化。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，

将线性回归用于滤波。

13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，

将顺序统计滤波器，特别是一个中值滤波器用于滤波。

14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，

将一个相位控制环路用于滤波。

15.根据权利要求11至14所述的方法，其特征在于，

计算的相位值根据OFDM信号的质量标准被加权，并且以适当加权方式在平均化计算中被考虑。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，

将接收机中译码结果的质量用作加权标准。

17.根据上述权利要求中任何一个所述的方法，其特征在于，在接收机解调器中提供一个可以通过其补偿缓慢变化的附加自适应滤波器，特别是一个卡尔曼滤波器。

18.根据上述权利要求中任何一个所述的方法，其特征在于，

在确定了OFDM信号的频率和起点的更准确的值之后，解调和译码这些OFDM信号，并且利用译码后的OFDM信号，执行OFDM信号的进一步的信道评估和均衡。

19.根据上述权利要求中任何一个所述的方法，其特征在于，

通过控制主振荡器或A/D转换器的抽样时钟，或者是通过在接收机滤波器中使相位位移，使接收机的抽样时钟与发射机的抽样时钟同步。

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