CN1640030A - 正交频分多路复用接收机的集中式缓冲器结构 - Google Patents

正交频分多路复用接收机的集中式缓冲器结构 Download PDF

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Abstract

公开的实施例涉及正交频分多路复用(OFDM)接收机的集中式缓冲器结构(60)。在这种结构中，中央缓冲器(68)被OFDM接收机的主功能块或模块(70－90)共享。状态机(62)使功能块(70－90)能够访问缓冲器(68)，以保持缓冲器的相干性。

Description

正交频分多路复用接收机的集中式缓冲器结构
技术领域
本发明涉及正交频分多路复用(OFDM)接收机的改进结构。
背景技术
这个部分旨在向读者介绍可能与下面所述和/或所要求的本发明的各个方面有关的现有技术的各个方面。我们相信，这个讨论有助于向读者提供背景信息，以便于更好地了解本发明的各个方面。于是，应该明白，这些陈述是起这样的作用，不是作为现有技术的引言。
无线局域网(WLAN)是作为建筑物或校园内的有线局域网的替代物或扩充物实现的柔性数据通信系统。利用电磁波，WLAN在空中发送和接收数据，使对有线连接的需要降到最低程度。因此，WLAN将数据连通性与用户移动性结合在一起，并且，通过简化配置，启用可移动LAN(局域网)。已经从利用便携式终端(例如，笔记本电脑)发送和接收实时信息的生产率提高中获益的一些产业是数字本地连网业、保健业、零售业、制造业、和仓储业。
WLAN的制造者在设计WLAN的时候，有形形色色的发送技术可供选择。一些示范性的技术是多载波系统、扩频系统、窄带系统、和红外线系统。尽管每种系统都有它自身的优缺点，但已经证明一种特定类型的多载波发送系统--正交频分多路复用(OFDM)系统对于WLAN通信格外有用。
OFDM是有效地在信道上发送数据的强壮技术。该技术利用信道带宽内的数个子载波频率(子载波)发送数据。与会浪费部分信道带宽以便分离和孤立子载波频谱从而避免载波间干扰(ICI)的传统频分多路复用(FDM)相比，这些子载波安排成具有最佳的带宽频率。相比之下，尽管OFDM子载波的频谱在OFDM信道带宽内较多的重叠，但OFDM仍然使得已经调制在每个子载波上的信息可以分辨和恢复。
通过OFDM信号经由信道发送数据还提供了比较为传统的发送技术要好的几个其它优点。这些优点的一些是对多路径延迟扩展和频率选择性衰落的容忍度、高效的谱使用、简化的子信道均衡、和良好的干扰特性。
处理OFDM信号需要处理非常大量的数据。典型OFDM接收机中的许多功能块需要使用数据缓冲器，这些数据缓冲器是存储供随后处理使用的数据的存储单元。在OFDM信号处理中使用缓冲器的一个示范性功能块是典型OFDM接收机的快速付里叶变换(FFT)模块。在FFT的基本计算单元(称为蝶式计算器)计算各个级的同时，FFT模块可能需要缓冲器以及临时存储单元来存储输入数据。在OFDM信号处理中使用缓冲器的另一个示范性功能块是典型OFDM接收机的均衡器模块。在滤波和自适应过程中，均衡器模块可能需要缓冲器来存储数据。
OFDM接收机的功能块或模块通常是串联的，以便一个功能块的输出进入与下一个功能块相关联的缓冲器中。这种安排占用空间，并且增加了与处理OFDM信号相联系的处理开销。希望一种避免这些缺点的缓冲器结构。
发明内容
公开的实施例涉及正交频分多路复用(OFDM)接收机的集中式缓冲器结构。在这种结构中，中央缓冲器由接收机的主功能块或模块共享。状态机允许功能块访问缓冲器，以保持缓冲器的相干性。
附图说明
在附图中：
图1是示范性OFDM接收机的方块图；
图2是例示训练序列、用户数据、和导频信号在OFDM符号帧内的位置的框图；和
图3是示出根据本发明的OFDM接收机的集中式缓冲器结构的方块图。
优选实施例详述
通过举例给出的如下描述，本发明的特征和优点将变得更加清楚。
参照图1，典型OFDM接收机10的第一部件是RF(射频)接收机12。存在许多种RF接收机12的变型，并且在现有技术中是众所周知的，但是，通常，RF接收机12包括天线14、低噪声放大器(LNA)16、RF带通滤波器18、自动增益控制(AGC)电路20、RF混合器22、RF载频本机振荡器24、和IF(中频)带通滤波器26。
通过天线14，RF接收机12在RF OFDM调制后的载波经过信道之后，接入RF OFDM调制后的载波。然后，通过将它与RF本机振荡器24生成的频率fcr的接收机载波混合，RF接收机12降频转换RF OFDM调制的载波，以获得接收的IF OFDM信号。接收机载波和发送机载波之间的频差导致载频偏移Δfc。
将这个接收的IF OFDM信号耦合到混合器28和混合器30，以分别与同相IF信号和90°相移(正交)IF信号混合，以便分别生成同相和正交OFDM信号。馈入混合器28的同相IF信号是IF本机振荡器32生成的。在同相IF信号被提供给混合器30之前，通过将同相IF信号经过90°相移器34，而从IF本机振荡器32的同相IF信号中导出馈入到混合器30的90°相移IF信号。
然后，让同相和正交OFDM信号分别经过模拟-数字转换器(ADC)36和38，在ADC 36和38中以时钟电路40确定的取样速率fck_r数字化所述同相和正交OFDM信号。ADC 36和38分别生成形成同相和正交离散时间OFDM信号的数字样本。接收机的取样速率和发射机的取样速率之差是取样速率偏移Δfck＝fck_r-fck_t。
然后，让来自ADC 36和38的未滤波同相和正交离散时间OFDM信号分别经过低通滤波器42和44。低通滤波器42和44的输出分别是接收OFDM信号的滤波的同相和正交样本。这样，接收的OFDM信号被转换成分别代表复值的OFDM信号ri＝qi+jqi的实部和虚部的同相(qi)和正交(pi)样本。然后，在被传送给快速付里叶变换(FFT)模块48之前，将接收的OFDM信号的这些同相和正交(实部和虚部)样本传送给缓冲器46。应该注意到，在接收机10的一些传统实现中，模拟-数字转换是在IF混合处理之前完成的。在这样的实现中，混合处理涉及数字混合器和数字频率合成器的使用。此外，还应该注意到，在接收机10的一些传统实现中，模拟-数字转换是在滤波之后进行的。
FFT 48对接收的OFDM信号进行快速付里叶变换(FFT)，以便恢复在每个OFDM符号间隔内用于调制子载波的频域子符号的序列。然后，FFT 48将子符号的这些序列传送到缓冲器50，缓冲器50保存子符号的序列，直到它们可以被均衡器52处理为止。然后，将均衡子符号数据传送到缓冲器54。缓冲器54保存均衡的子符号数据，直到它们可以被解码器56处理为止。
解码器56从FFT 48传送给它的频域子符号的序列中恢复发送的数据位。这种恢复是通过解码频域子符号，以获得理论上应该与馈送到OFDM发射机的数据位流匹配的数据位流进行的。这种解码过程可以包括(例如)软维特比(Viterbi)解码和/或里德-索洛蒙(Reed-Solomon)解码，以便从块和/或卷积编码的子符号中恢复数据。
通过在FFT 48、均衡器52和解码器56的前面插入独立缓冲器46、50和54，使接收机10的设计更加连续。独立缓冲器46、50和54在构成FFT 48、均衡器52和解码器56的集成电路部件中占用额外空间。另外，独立缓冲器46、50和54不希望地增加了OFDM接收机10的计算开销。
转到图2，图2示出了本发明的示范性OFDM符号帧50。符号帧50包括训练序列或符号52、和预定个数的成对循环前缀54和用户数据56，所述训练序列或符号52包含OFDM符号中每个子载波的发送值。例如，建议的ETSI-BRAN HIPERLAN/2(欧洲)和IEEE 802.11a(美国)无线LAN标准(特此引用，以供参考)将64个已知值或子符号(即，52个非零值和12个零值)指定给训练序列的所选训练符号(例如，建议的ETSI标准的“训练符号C”和建议的IEEE标准的“长OFDM训练符号”)。用户数据56含有预定个数的导频符号58，导频符号58内嵌在预定子载波中，也包含已知发送值。例如，建议的ETSI和IEEE标准含有位于储存箱(bin)或子载波±7和±21上的4个导频符号。尽管本发明被描述成在遵从所建议的ETSI-BRAN HIPERLAN/2(欧洲)和IEEE 802.11a(美国)无线LAN标准的接收机中工作，但本领域的普通技术人员应该认识到，也可以在其它OFDM系统中实现本发明的原理。
图3是示出根据本发明应用共享缓冲器结构的接收机60的方块图。取代使用OFDM接收机10(图1)的串行化缓冲方法，如图3所示的接收机的结构应用了多个主接收机块共享的一个中央缓冲器。使用中央缓冲器可能需要比数据速率更快的系统时钟频率。
接收机60包括接收机控制器模块62，该接收机控制器模块62可操作地与接收机60中的所有相关功能块或模块连接。下面更详细地讨论接收机控制器62的操作。为了简化图3的例示，图中未示出接收机控制器模块62和其它模块之间的连接。
首先将接收的OFDM信号64传送到反旋器模块66，反旋器模块66用于将信号变成基带(理想)或接近基带的频率(实际)。然后，将反旋的OFDM信号数据传送到可被接收机60的周围功能块或模块访问的中央缓冲器68。
反旋器模块66被连接成用来接收来自粗载波估计和帧同步模块70、细载波估计模块72和导频载波跟踪模块74的输入。粗载波估计和帧同步模块70被连接成与中央缓冲器68交换数据。另外，粗载波估计和帧同步模块70被耦合成向细载波估计模块72提供输入。粗载波估计和帧同步模块70是基于自相关的，因此可能需要延迟缓冲器。
细载波估计模块72被连接成与中央缓冲器68交换数据。细载波估计模块72被连接成接收来自粗载波估计和帧同步模块70的输入。另外，细载波估计模块72适合与导频载波跟踪模块74和最小均方(LMS)自适应引擎76交换数据。细载波估计模块72是基于自相关的，因此可能需要延迟缓冲器。
导频载波跟踪模块74被连接成向反旋器模块66提供输入和接收来自均衡器模块78的输入。另外，导频载波跟踪模块74被连接成与细载波估计模块72交换数据。导频载波跟踪模块74可以被细载波估计模块72重新用于提取均衡器模块78的输出信号的相位。
LMS自适应引擎76被连接成向均衡器模块78、均衡器抽头初始化模块80、和细帧同步模块82提供输入。LMS自适应引擎76还被耦合成与细载波估计模块72交换数据。另外，LMS自适应引擎76可以被均衡器抽头初始化模块80重新用于进行递归辗转相除(recursive division)运算。在Maxim B.Belotserkovsky和Louis Robert Litwin Jr.于2001年9月18日提出、名称为“Mechanism For OFDM Equalizer Tap Initialization Using An Adaptive Algorith(利用自适应算法的OFDM均衡器抽头初始化的机制)”的美国专利申请第09/955,392号中阐述了这样的递归辗转相除法的至少一个例子，特此引用该专利申请，以供参考。
LMS自适应引擎76也可以被均衡器模块78重新用于计算LMS抽头更新值。并且，LMS自适应引擎76也可以被细帧同步模块82重新用于进行递归辗转相除运算。在美国专利申请第09/955,392号中(上面为了参考而引用)阐述了这样的递归辗转相除运算的至少一个例子。
均衡器模块78被连接成接收来自中央缓冲器68、LMS自适应引擎76和均衡器抽头初始化模块80的数据。此外，均衡器模块78被连接成向导频帧跟踪模块86和导频载波跟踪模块74提供输入。均衡器模块78在数据经过快速付里叶变换/快速付里叶逆变换(FFT/IFFT)处理器90处理之后，使数据均衡化，并且传送输出数据89以供下游处理使用。
均衡器模块78可能只需要用硬件实现数量相对少的抽头。相关硬件可以重新用于使接收的OFDM信号的所有子频带或子载波均衡化。在这个均衡过程中，中央缓冲器68可以用作存储单元。
均衡器抽头初始化模块80被连接成接收来自LMS自适应引擎76的输入数据和向均衡器模块78提供数据。均衡器抽头初始化模块80还被连接成与中央缓冲器68交换数据。
细帧同步模块82被连接成接收来自LMS自适应引擎76的数据。细帧同步模块82还被连接成与中央缓冲器68交换数据。
导频帧跟踪模块86被连接成接收来自均衡器模块78的数据。导频帧跟踪模块86还被连接成向中央缓冲器68提供数据。因为所有相关模块都从同一个缓冲器导出数据，中央缓冲器68的使用简化了帧跟踪。为了移动FFT窗口位置，导频帧跟踪模块86可以改变指向中央缓冲器68的索引指针。
FFT/IFFT处理器模块90被连接至中央缓冲器68。在所例示的实施例中，FFT/IFFT处理器模块90只包括计算单元(称为蝶式计算器)。FFT/IFFT处理器模块90将中央缓冲器68用于数据存储，而不是使用分离的专用缓冲器。FFT/IFFT处理器模块90适合于接收来自缓冲器的数据、对数据进行计算、和将数据返回到缓冲器，供随后的处理使用。
如前所述，中央缓冲器68被连接成与OFDM接收机60的许多功能块交换数据。中央缓冲器68可以与之交换数据的功能块包括粗载波估计和帧同步模块70、细载波估计模块72、细帧同步模块82、均衡器抽头初始化模块80、和FFT/IFFT处理器90。中央缓冲器68还被连接成接收来自反旋器模块66和导频帧跟踪模块86的数据。最后，中央缓冲器68被连接成向均衡器模块78提供数据。
在所公开的实施例中，中央缓冲器68包括用于复数数据的128个存储单元。这个大小使缓冲器可以存储数据的大约两个OFDM符号。缓冲器的确切大小可以随特定应用的设计特性而改变。中央缓冲器68的确切大小不是本发明的关键方面。
接收机控制器模块62是控制接收机60的操作、包括各个模块对中央缓冲器68的访问的状态机。这样，接收机控制器模块62起保持中央缓冲器68的相干性的作用。接收机控制器模块62还控制数据从中央缓冲器68到均衡器模块78的传送。
在接收机60的初始化阶段，可以接收前置码。这个前置码可以包括训练符号。可以作为前置码的一部分接收的那种类型的训练符号的例子是在Hiperlan/2技术规范中提到的A、B和C训练符号。
接收机控制器模块62使粗载波估计和帧同步模块70在A和B训练符号间隔内操作和访问中央缓冲器68。然后在C训练符号间隔内，启动均衡器抽头初始化模块80、细载波估计模块72和细帧同步模块82，并允许它们访问中央缓冲器68。粗载波估计和帧同步模块70和细载波估计模块72控制反旋器模块66的操作。
在前置码之后，OFDM处理器60开始处理接收的、内嵌有导频的用户数据(参见图2)。在这个操作阶段，接收机控制器模块62启动均衡器模块78、导频载波跟踪模块74、和导频帧跟踪模块86。
尽管本发明可容许各种变型和替代形式，但在附图中通过例子示出了特定实施例并将在本文中对其进行详细描述。应该明白，本发明无意限于所公开的特定形式。本发明涵盖落在所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内的所有变型、等效物和替代物。

Claims (20)

1.一种适合于接收正交频分多路复用OFDM信号的OFDM接收机，该OFDM接收机包括：
缓冲器(68)，用于存储与OFDM信号相对应的数据；
处理器，适合于接收来自缓冲器(68)的数据，对数据进行计算和将数据返回给缓冲器(68)；
均衡器模块(78)，适合于接收来自缓冲器(68)的数据和使数据均衡化；和
接收机控制器(62)，用于控制处理器对缓冲器(68)的访问，和控制数据从缓冲器(68)到均衡器模块的传送。
2.根据权利要求1所述的OFDM接收机，包括：
导频帧跟踪模块(86)，适合于通过改变指向缓冲器(68)的索引指针，移动FFT窗口位置。
3.根据权利要求1所述的OFDM接收机，包括：
导频载波跟踪模块(74)，适合于向缓冲器(68)提供导频载波跟踪数据；和
细载波估计模块(72)，适合于访问缓冲器(68)，以获得导频载波跟踪数据。
4.根据权利要求1所述的OFDM接收机，包括：
均衡器抽头初始化模块(80)，适合于与缓冲器(68)交换数据；和
最小均方(LMS)自适应引擎(76)，适合于向均衡器抽头初始化模块(80)提供输入。
5.根据权利要求4所述的OFDM接收机，其中，均衡器抽头初始化模块(80)适合于将来自LMS自适应引擎的输出重新用于进行递归辗转相除法。
6.根据权利要求1所述的OFDM接收机，包括：
最小均方(LMS)自适应引擎(76)，适合于向均衡器模块(78)提供输入；和
其中，均衡器模块(78)适合于将LMS自适应引擎(76)提供的数据重新用于计算最小均方抽头更新值。
7.根据权利要求1所述的OFDM接收机，包括：
细帧同步模块(82)，适合于与缓冲器(68)交换数据；和
最小均方(LMS)自适应引擎(76)，适合于向细帧同步模块(82)提供输入。
8.根据权利要求7所述的OFDM接收机，其中，细帧同步模块(82)适合于将来自LMS自适应引擎(76)的输出重新用于进行递归辗转相除法。
9.根据权利要求1所述的OFDM接收机，包括：
粗载波估计和帧同步模块(70)，适合于与缓冲器(68)交换数据；并且
其中，接收机控制器(62)适合于响应OFDM接收机对前置码的至少一部分的接收，使粗载波估计和帧同步模块(70)可以访问缓冲器(68)。
10.根据权利要求1所述的OFDM接收机，包括：
均衡器抽头初始化模块(80)，适合于与缓冲器(68)交换数据；
细载波估计模块(72)，适合于与缓冲器(68)交换数据；
细帧同步模块(82)，适合于与缓冲器(68)交换数据；并且
其中，接收机控制器(62)适合于响应OFDM接收机对前置码的至少一部分的接收，使均衡器抽头初始化模块(80)、细载波估计模块(72)和细帧同步模块(82)可以访问缓冲器(68)。
11.根据权利要求1所述的OFDM接收机，包括：
导频载波跟踪模块(74)，适合于接收来自均衡器模块(78)的数据；
导频帧跟踪模块(86)，适合于向缓冲器(68)提供数据；和
其中，接收机控制器(62)适合于响应OFDM接收机对OFDM信号的至少一部分的接收，启动均衡器模块(78)、导频载波跟踪模块(74)和导频帧跟踪模块(86)。
12.根据权利要求1所述的OFDM接收机，其中，接收机控制器(62)是状态机。
13.一种设备，包括：
缓冲器(68)，用于存储与信号相对应的数据；
处理器，适合于接收来自缓冲器(68)的数据，对数据进行计算和将数据返回给缓冲器(68)；
均衡器模块(78)，适合于接收来自缓冲器(68)的数据和使数据均衡化；和
设备控制器(62)，用于控制处理器对缓冲器(68)的访问，和控制数据从缓冲器(68)到均衡器模块(78)的传送。
14.根据权利要求13所述的设备，包括：
导频帧跟踪模块(86)，适合于通过改变指向缓冲器(68)的索引指针，移动FFT窗口位置。
15.根据权利要求13所述的设备，包括：
导频载波跟踪模块(74)，适合于向缓冲器(68)提供导频载波跟踪数据；和
细载波估计模块(72)，适合于访问缓冲器(68)，以获得导频载波跟踪数据。
16.根据权利要求13所述的设备，包括：
均衡器抽头初始化模块(80)，适合于与缓冲器(68)交换数据；和
最小均方(LMS)自适应引擎(76)，适合于向均衡器抽头初始化模块(80)提供输入。
17.根据权利要求13所述的设备，包括：
最小均方(LMS)自适应引擎(76)，适合于向均衡器模块(78)提供输入；并且
其中，均衡器模块(78)适合于将LMS自适应引擎(76)提供的数据重新用于计算最小均方抽头更新值。
18.根据权利要求13所述的设备，包括：
粗载波估计和帧同步模块(70)，适合于与缓冲器(68)交换数据；并且
其中，设备控制器(62)适合于响应前置码信号的至少一部分的接收，使粗载波估计和帧同步模块(70)可以访问缓冲器(68)。
19.根据权利要求13所述的设备，包括：
均衡器抽头初始化模块(80)，适合于与缓冲器(68)交换数据；
细载波估计模块(72)，适合于与缓冲器(68)交换数据；
细帧同步模块(82)，适合于与缓冲器(68)交换数据；并且
其中，设备控制器(62)适合于响应前置码信号的至少一部分的接收，使均衡器抽头初始化模块(80)、细载波估计模块(72)和细帧同步模块(82)可以访问缓冲器(68)。
20.根据权利要求13所述的设备，包括：
导频载波跟踪模块(74)，适合于接收来自均衡器模块(78)的数据；
导频帧跟踪模块(86)，适合于向缓冲器(68)提供数据；并且
其中，设备控制器(62)适合于响应该设备对信号的接收，而启动均衡器模块(78)、导频载波跟踪模块(74)和导频帧跟踪模块(86)。
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