CN1574816A - 时域同步正交频分复用系统的载波频率恢复装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

一种载波频率恢复装置及其方法。该载波频率恢复装置应用于时域同步正交频分复用(TDS－OFDM)系统，其接收其中具有同步段信号的OFDM信号，并且具有：乘法器，用于相乘同步段信号和本机振荡同步段信号；抽取器单元，用于根据采样周期“k”来抽取来自乘法器的输出；N/k点快速傅立叶变换(FFT)单元，用于预定间隔地相乘来自抽取器单元的输出和载波，并且积分相乘的结果；和峰值检测器，用于计算来自N/k点FFT单元输出的绝对值并且检测绝对值中的最大值，以相应地估计接收到的OFDM信号的载波频率。结果，当与现有的使用GI的方法相比时，恢复载波频率的范围是宽的，并且收敛时间变短。

Description

时域同步正交频分复用系统的载波频率 恢复装置及其方法
                          技术领域
本发明涉及一种时域同步正交频分复用(TDS-OFDM)系统的载波频率恢复装置及其方法，尤其涉及这样一种载波频率恢复装置及其载波同步方法，其通过使用插入在OFDM信号中的同步(sync)段和快速傅立叶变换(FFT)来在OFDM系统中具有扩展的补偿载波频率偏移的范围。
                          背景技术
根据正交频分复用(OFDM)方案，以串行模式的数据序列的输入重新组成为基于块的并行数据，并且并行码元被多路复用到不同的有互相正交关系的载波频率，所以宽带传输转换成多个窄带并行传输。因此，OFDM能够最大化频率的利用。
OFDM系统因为通过使用多载波而具有长的码元传输时间，所以其在多径环境下抵抗如“重影”的干扰信号的能力很强。另外，因为使用了带有正交性的载波频率，所以OFDM系统抗码元间干扰(ISI)能力很强。
OFDM方案能够实现单频网(SFN)和利用单频进行的全国广播。OFDM系统能够利用有限的频率资源，并且适合陆地数字电视广播。
OFDM发送机使用时域同步来发送OFDM信号，并且通常执行离散傅立叶逆变换(IDFT)，其中在预定的频段沿着频率轴的来提供某服务的OFDM信号沿着时间轴重新排列。
OFDM发送机在通过IDFT沿时间轴重新排列的OFDM信号中插入保护间隔(GI)来防止信号间干扰，并且在GI的前面插入如同步段的同步信息，并且发送该信号。
图1显示了由传统的TDS-OFDM发送机发送的OFDM信号的帧结构的例子。参考图1，OFDM信号帧包括携带要被传输的实际数据的有效码元、连同保护间隔(GI)和同步段。
当无线信道中发送的信号在多径信道环境下被延迟并且与接下来的信号重叠时，GI减少码元间干扰。GI也用于载波恢复，以有效地在OFDM无线调制解调器的接收机中找出频率和相位同步。在图1中，GI用间隔a表示。如果GI在结构上与有效码元的最后部分a′相同，接收机通过测量GI和有效码元的最后部分a′之间的相位旋转差来恢复载波频率。同步段Tss包括伪噪声(PN)序列，并且以Tss+Tg+Ts的时间间隔传输，并且OFDM系统基于这些特性来执行同步和信道估计。
图2A是显示传统的OFDM系统的载波频率恢复装置的方框图。参考图2A，该载波频率恢复装置200包括延迟器205、共轭复数单元210、乘法器215、相关器220、绝对值计算器225、峰值检测器230和相位估计器235。
载波频率恢复装置通过使用以上提到的OFDM信号的帧结构的特性来测量GI和有效码元之间的相对的相位旋转差。因此，延迟器205延迟接收到的OFDM信号预定的时间Ts，并且乘法器215用共轭复数的值来乘以延迟后的信号。峰值检测器230找出GI的位置，并且相关器220计算GI(图1中的‘a’)和与GI相距预定时间间隔Ts的有效码元的最后部分(图1中的‘a′’)之间的相关值。相位估计器235计算已计算出的相关值的相位。
图3是显示指示如在图2A中显示的载波频率恢复装置可恢复的载波频率偏移的范围的特性曲线的示图。
传统的载波频率恢复装置测量距GI预定的时间间隔Ts的有效码元的相位旋转，并且具有如在图3中显示的特性曲线。图3也显示了传统的载波频率恢复装置的缺点，其中可恢复的频率偏移的范围限制在±1/2Ts，这是很小的值。
图2B是传统的码分多址(CDMA)系统的载波频率恢复装置的方框图。如显示，载波频率恢复装置包括：第一乘法器310、延迟器320、滑动积分器315、第二乘法器325、相关器327和相位估计器330。
载波频率恢复装置使用插入到接收到的同步段信号中的PN序列来补偿载波频率偏移。首先，第一乘法器310用本机振荡同步段信号乘以接收到的同步段信号，并且输出结果信号到滑动积分器315。为了减少可能的噪声分量的影响，滑动积分器315根据载波频率偏移的大小而变动积分区域。例如，用区域Tm除同步段区域Tss，并且分别积分Tss/Tm的区域。
延迟器320将来自滑动积分器315的关于同步段的积分结果延迟一个Tm长度。第二乘法器325相乘延迟后的结果和距该延迟后的结果一个Tm长度的区域的积分结果。相关器327获得延迟后的结果和积分结果之间的相关值。
相位估计器330测量关于从相关器327输出的相关值的相对的相位改变。更具体地讲，相位估计器330测量关于邻近区域的积分值的同步段的相对相位改变，以估计载波频率偏移。因为在输出值在同步段信号区域Tss不重叠的条件下，对于作为系统参量的Tm的来自滑动积分器315的输出的总数目是Tss/Tm，所以计算(Tss/Tm-1)个相位改变的平均值，来获得最终的相位改变并且因此估计载波频率偏移。
因为以上提到的使用同步段的方法以时间间隔Tss/Tm测量相位旋转，所以可恢复的范围变成±Tm/2Tss。因此当与使用GI的方法相比较时，这个方法沿着相对宽的范围提供恢复。然而，因为当载波频率偏移变大时，系统参量Tm必须是小的，所以在低信噪比(SNR)的环境下性能恶化。
                         发明内容
本发明的提出是为了解决与传统装置相关的以上缺点和其他问题。本发明的目的是提供一种载波频率恢复装置及其方法，其能够通过使用插入到接收到的OFDM信号中的同步段和快速傅立叶变换(FFT)，提高载波频率偏移补偿的范围。
通过一种接收其中具有同步段信号的OFDM信号的时域同步正交频分复用(TDS-OFDM)系统的载波频率恢复装置，来充分地实现本发明的以上目的及其他特性，该装置包括：乘法器，用于相乘同步段信号和本机振荡同步段信号；抽取器单元，用于根据采样周期‘k’来抽取来自乘法器的输出；N/k点快速傅立叶变换(FFT)单元，用于以预定间隔相乘来自抽取器单元的输出和载波，并且积分相乘的结果；和峰值检测器，用于计算来自N/k点快速傅立叶变换单元的输出值的绝对值，并且检测绝对值中的最大值，从而估计接收到的OFDM信号的载波频率。
当同步段信号的组成码元的数目是N时，抽取器单元从大于或者等于1、并且小于N1/2的整数中选择采样周期k作为数目N的除数。
当同步段信号的组成码元的数目是N时，并且Tss是同步段信号的长度时，N/k点FFT单元以间隔
Figure A20041004626700051
相乘(N/k)个载波和来自乘法器的输出。
根据本发明的一个目的，提供了一种接收其中具有同步段信号的时域同步正交频分复用(TDS-OFDM)系统的OFDM信号的载波同步方法，包括：相乘同步段信号和本机振荡同步段信号；抽取步骤，用于根据采样周期‘k’来抽取来自乘法器的输出；以预定间隔相乘来自抽取器单元的输出和载波，并且积分相乘的结果；和计算绝对值，并且检测绝对值中的最大值，从而估计接收到的OFDM信号的载波频率。
当同步段信号的组成码元的数目是N时，抽取器步骤从大于或者等于1、并且小于N1/2的整数中选择采样周期k作为数目N的除数。
当同步段信号的组成码元的数目是N时，并且Tss是同步段信号的长度时，计算绝对值步骤以间隔
Figure A20041004626700061
相乘(N/k)个载波和来自乘法器的输出。
                         附图说明
通过参照本发明的附图描述本发明的某些实施例，本发明的上述目的和特点将会变得更加清楚，其中：
图1是显示由传统的时域同步正交频分复用(TDS-OFDM)传输的正交频分复用(OFDM)信号的帧结构的示图；
图2A是传统的OFDM系统的载波频率恢复装置的方框图；
图2B是传统的码分多址(CDMA)的载波频率恢复装置的方框图；
图3是显示可由图2A中的载波同步装置恢复的载波频率偏移区域的特性线的示图；
图4是根据本发明实施例的载波频率恢复装置的示图，其使用了快速傅立叶变换(FFT)；
图5是解释根据本发明实施例的载波同步方法的载波频率恢复装置的方框图；和
图6是用于显示根据本发明实施例的载波频率恢复装置的操作的流程图。
                       具体实施方式
下面参照附图来详细说明本发明的某些实施例。
在下面的描述中，即使在不同的图中，对相同的部件使用相同的图标号。在描述中限定的内容如详细的结构和部件只是有助全面理解本发明。因此，很显然，不采用那些限定的内容也能够实现本发明。另外，因为众所周知的功能或者结构会在不必要的细节上模糊该发明，所以没有详细地描述他们。
图4是显示根据本发明实施例地载波频率恢复装置的示图，其使用快速傅立叶变换(FFT)，和图5是解释根据本发明实施例的载波同步方法的载波频率恢复装置的方框图。
首先，下面将参照如在图5中显示的一个载波频率恢复装置的例子，描述根据本发明的载波频率恢复装置的概念。
根据本发明实施例的载波频率恢复装置包括：第一乘法器510、第二乘法器单元520、积分器单元530、绝对值计算单元540和峰值检测器550。
第一乘法器510相乘接收到的同步段信号和本机振荡同步段信号。发送机和接收机是预先知道该同步段信号的，并且本机振荡同步段信号与从发送机发送的同步段信号相同。为了在下面描述中的解释的方便，本机振荡同步段信号设置成为来自发送机的同步段信号的共轭复数值。
接收到的同步段信号包括当信号传输到接收机时产生的载波频率偏移。当乘以本机振荡同步段信号时，补偿了来自发送机的同步段信号分量，并且因此，载波频率偏移分量单独地保留下来。
第二乘法器单元520包括数目(N)个乘法器。第二乘法器单元520的各个乘法器以 间隔相乘来自第一乘法器510的输出和(N/k)个载波。Tss是指相应于如在图1中显示的同步段信号区域的长度。
积分器单元530包括(N/k)数目的积分器，所以每个积分器积分来自第二乘法单元520的乘法器的输出。绝对值计算器单元540包括(N)个绝对值计算器，所以每个绝对值计算器计算来自积分器单元530的积分器的输出的绝对值。
峰值检测器单元550在来自绝对值计算器单元540的输出中求出峰值，并且估计具有峰值载波值的频率为实际的载波频率偏移。间隔地用从第一乘法器510输出的载波频率偏移分量乘以载波，并且积分相乘的结果。简而言之，如果载波最接近载波频率偏移的共轭复数值，则积分值的绝对值是最大的。
以上提到的用于估计载波频率偏移的方法称为“最大似然估计”。最大似然估计优于其他的可用估计，尤其是它的宽的补偿范围和短的收敛时间。
虽然因为对算法和硬件的大量需求，最大似然法估计不是十分普遍，但本发明对采用最大似然估计的载波频率恢复装置预期使用TDS-OFDM系统的快速傅立叶变换(FFT)。
图4显示采用最大似然估计和使用TDS-OFDM系统的FFT的载波频率恢复装置。该载波频率恢复装置包括乘法器410、抽取器单元415、N/k点FFT单元420和峰值检测器425。
乘法器410相乘接收到的同步段信号和本机振荡同步段信号。抽取器415根据采样周期‘k’间隔地抽取来自乘法器410的输出。如果‘N’是组成同步段信号的码元的数目，则‘k’是‘N’的除数，其从大于或等于‘1’到小于N1/2整数中选择出。
一般来讲，TDS-OFDM系统具有FFT单元。该FFT单元用于恢复数据，并且因为数据是在OFDM信号的有效码元区域中恢复的，所以该FFT单元不使用在具有与有效码元区域不同的时间的同步段信号区域。因此FFT单元能够用于使用同步段信号的载波频率的恢复而不影响系统的性能。
TDS-OFDM接收机通常使用3780点的FFT单元。根据本发明的各种实施例，该FFT单元可以部分或者整体使用。N/k点FFT单元420是用于数据恢复的FFT单元的一部分，并且当用于在有效码元区域数据恢复时，用于在同步段信号区域中的载波频率恢复。同步段信号在长度上近似是有效码元的十分之一，并且因此，N/k点FFT单元420的大小近似是整个FFT单元大小的1/(10×k)。
N/k点FFT单元420如图5中的载波频率恢复装置的第二乘法器单元520和积分器单元530所做的来执行FFT操作。换言之，N/k点FFT单元420以间隔
Figure A20041004626700081
相乘来自抽取器单元415的输出和载波，并且积分相乘的结果。峰值检测器425获得来自N/k点FFT单元420输出的绝对值，并且检测在绝对值中的最大值。具有峰值的载波频率相应于实际的载波频率偏移。
一般来讲，使用在TDS-OFDM系统中的同步段信号的长度近似是Ts的十分之一。根据本发明，可调范围比使用GI的传统方法宽10×N/k倍。
图6是显示根据本发明实施例的载波频率恢复装置的操作流程图。如在图6中显示，载波频率恢复装置接收其中具有同步段信号的OFDM信号(步骤s610)。乘法器410相乘接收到的同步段信号和本机振荡同步段信号(步骤S620)，和抽取器单元415根据采样周期‘k’来间隔地抽取乘法器410的输出。
N/k点FFT单元420以间隔
Figure A20041004626700082
相乘来自乘法器410的输出和载波，并且积分相乘的结果，以获得各个载波的相关值(步骤S625)，并且通过计算积分结果的绝对值来获得各个功率(步骤S630)。峰值检测器425检测获得的绝对值中的峰值(步骤S635)，并且其结果是，估计具有峰值的载波频率为实际的载波频率偏移。
如以上所描述的，参照本发明的示例性的实施例，接收到的同步段信号乘以本机振荡同步段信号，并且由一般的FFT单元执行FFT运算。然后，执行最大似然估计，其中通过使用从FFT运算获得的功率的峰值来补偿载波频率偏移。其结果是，当与现有的使用GI的方法相比时，恢复载波频率的范围是宽的，并且收敛时间变短。
根据本发明，不使用分离的信号或者电路进行载波频率的恢复，而利用插入在OFDM信号中的并且沿着该OFDM信号携带的同步段信号和连同现有的FFT单元。因此，数据恢复的时间和成本显著地减少了。
前述的实施例和优越性仅仅是示例性的，不应该解释为对本发明的限制，当前的教述能够容易地应用于其他类型的装置。另外，对本发明实施例的描述是说明性的，本发明不限于上述实施例，在不脱离本发明范围的情况下，可以进行各种变形和修改。

Claims (6)

1、一种时域同步正交频分复用(TDs-OFDM)系统中的载波频率恢复装置，其接收其中具有同步段信号的OFDM信号，包括：
乘法器，用于相乘同步段信号和本机振荡同步段信号；
抽取器单元，用于根据采样周期‘k’来抽取来自乘法器的输出；
N/k点快速傅立叶变换(FFT)单元，用于以预定间隔相乘来自抽取器单元的输出和载波，并且积分相乘的结果；和
峰值检测器，用于计算来自N/k点FFT单元输出的绝对值，并且检测绝对值中的最大值，以相应地估计接收到的OFDM信号的载波频率。
2、如权利要求1所述的载波频率恢复装置，其中，当同步段信号的组成码元的数目是N时，抽取器单元从大于或等于‘1’、并且小于N1/2的整数中选择采样周期k作为数目N的除数。
3、如权利要求2所述的载波频率恢复装置，其中，当同步段信号的组成码元的数目是N，并且Tss是同步段信号的长度时，N/k点FFT单元以间隔 相乘(N/k)个载波和来自乘法器的输出。
4、一种时域同步正交频分复用(TDS-OFDM)系统中的载波同步方法，其接收其中具有同步段信号的OFDM信号，包括步骤：
相乘同步段信号和本机振荡同步段信号；
抽取步骤，用于根据采样周期‘k’来抽取来自乘法器的输出；
以预定间隔相乘来自抽取器单元的输出和载波，并且积分相乘的结果；弄口
计算绝对值，并且检测绝对值中的最大值，以相应地估计接收到的OFDM信号的载波频率。
5、如权利要求4所述的载波同步方法，其中，当同步段信号的组成码元的数目是N时，抽取步骤从大于或等于‘1’、并且小于N1/2的整数中选择采样周期k作为数目N的除数。
6、如权利要求5所述的载波同步方法，其中，当同步段信号的组成码元的数目是N，并且Tss是同步段信号的长度时，计算绝对值的步骤以间隔 相乘(N/k)个载波和来自乘法器的输出。
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C10 Entry into substantive examination
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C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication