CN1669256A - 提取正交频分多路复用信号样本的相位 - Google Patents

Abstract

公开的实施例涉及无需实现额外昂贵的电路或应用相对慢的反正切查用表，利用存在于典型正交频分多路复用(OFDM)接收机中的电路来得到与输入信号相对应的一个复数的相位。通过一个闭环来归一化(106)并处理(108，110)该复数的幅度，以产生与该复数的相位成正比的输出(112)。

Description

提取正交频分多路复用信号样本的相位

技术领域

本发明涉及处理正交频分多路复用(OFDM)信号。

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，便于更好地了解本发明的各个方面。于是，应该明白，这些叙述起的就是这样的作用，而不是作为现有技术的介绍。

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灵活数据通信系统。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，通过简化配置就可以使移动LAN(局域网)得以实现。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产业、保健产业、零售产业、制造产业、和仓储产业。

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是在信道上有效发送数据的强抗干扰技术。该技术利用信道带宽内的数个副载波频率(副载波)发送数据。将这些副载波安排成与可能浪费部分信道带宽的传统频分多路复用(FDM)相比最佳的带宽效率，以便分离和孤立副载波频谱，从而避免载波间干扰(ICI)。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仍然使已经调制在每个副载波上的信息得到分辨和恢复。

通过OFDM信号经由信道发送数据还提供了比传统发送技术好得多的几个其它优点。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。

在处理OFDM信号时，往往希望确定与输入信号相对应的给定复数的相位。这样复数的一个例子是频域副载波值。确定代表输入信号的复数的相位的能力对于许多目的都是有用的，譬如，使接收数据信号同步，以便与发送数据相比，最大程度地保证接收数据的完整性。传统上，确定复数的相位需要首先求出复数相位的正切：

正切＝虚部/实部

在确定了复数的正切之后，使用反正切查用表来确定与输入信号相对应的复数的相位角。取决于所要求的精度，这样的反正切查用表可能非常巨大，用硬件来实现十分昂贵。无需访问反正切查用表就能够确定与输入信号相对应的复数的相位的方法和设备是众望所归。

发明内容

公开的实施例涉及无需实现额外昂贵的电路或应用相对慢的反正切查用表，利用存在于典型正交频分多路复用(OFDM)接收机中的电路来求出与输入信号相对应的复数的相位。将与输入信号相对应的复数的幅度归一化，这样做具有提取样本的复部的指数的效果。可以让指数经过包括数控振荡器(NCO)的闭环。到闭环的输入值在长到足以使循环对输入样本的任何相位都收敛的预定个数时钟周期内保持常数。在收敛之后，NCO的输出将是与对应于输入信号的复数的相位成正比的信号。可能需要附加的数学处理将NCO输出转换成所希望相位值。

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码元帧内的位置的图形；

图3是提取与输入信号相对应的复数的相位的电路的方块图；

图4是归一化与输入信号相对应的复数的电路的可替代实施例；和

图5是例示本发明的示范性实施例的操作的过程流程图。

具体实施方式

通过举例给出如下描述，本发明的特征和优点将更加清楚。

参照图1，典型OFDM接收机10的第一单元是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混频器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调制载波经过信道之后，接入RFOFDM调制载波。然后，通过将它与RF本机振荡器24生成的频率f_cr的接收机载波混合，RF接收机12下变频转换RF OFDM调制载波，以获得接收IF OFDM信号。接收机载波和发射机载波之间的频差对载频偏移Δf_c有贡献。

将这个接收IF OFDM信号耦合到要分别与同相IF信号和90°相移(正交)IF信号混频的混频器28和混频器30，以便分别生成同相和正交OFDM信号。馈入混频器28的同相IF信号是IF本机振荡器32生成的。馈入混频器30的90°相移IF信号是将它提供给混频器30之前，让同相IF信号经过90°相移器34，从IF本机振荡器32的同相IF信号中导出的。

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f_{ck_r}数字化它们。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Δf_ck＝f_{ck_r}-f_{ck_t}。

然后，让来自ADC 36和38的未滤波同相和正交离散时间OFDM信号分别经过数字低通滤波器42和44。低通数字滤波器42和44的输出分别是接收OFDM信号的滤波同相和正交样本。这样，接收OFDM信号被转换成分别代表复值OFDM信号r_i＝q_i+jp_i的实部和虚部的同相(q_i)和正交(p_i)样本。然后，将接收OFDM信号的这些同相和正交(实部和虚部)样本传送给FFT 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混频处理之前完成的。在这样的实现中，混频处理涉及数字混频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的许多传统实现中，模拟-数字转换是在滤波之后进行的。

FFT 46对接收OFDM信号进行快速付里叶变换(FFT)，以便恢复在每个OFDM码元间隔内用于调制副载波的频域子码元的序列。然后，FFT 46将子码元的这些序列传送到解码器48。

解码器48从FFT 46传送给它的频域子码元的序列中恢复发送数据位。这种恢复是通过解码频域子码元，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，以便从该块和/或传统编码子码元中恢复数据。

转到图2，图2示出了本发明的示范性OFDM码元帧50。码元帧50包括训练序列或码元52、和预定个数的成对循环前缀54和用户数据56，训练序列或码元52包含OFDM码元中每个副载波的已知发送值。例如，推荐的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个已知值或子码元(即，52个非零值和12个零值)指定给训练序列的所选训练码元(例如，推荐ETSI标准的“训练码元C”和推荐IEEE标准的“长OFDM训练码元”)。用户数据56含有预定个数的导频信号58，导频信号58内嵌在预定副载波中，也包含已知发送值。例如，推荐ETSI和IEEE标准含有位于箱体或副载波±7和±21上的4个导频信号。尽管本发明被描述成在遵从推荐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是提取与输入信号相对应的复数的相位的电路的方块图。在处理OFDM信号时，常常希望确定复数，譬如，来自BPF 26(图1)的输出的相位。希望知道其相位的复数在图3中用标号60标识。复数一般可以表示如下：

$\left|a\right|e^{j*\mathrm{phi}}$

在这个表示中，|a|是复数的幅度，和phi是用弧度表示的复数相位角。

为了提取这个相位角，必须用数学方法运算复数表示，以确定角度phi。这种数学运算的第一步是从样本的复表示中提取指数。指数的提取可以通过将样本的幅度归一化成1来完成。归一化复数的幅度保证了不变增益闭环操作，这又保证了在固定个时钟周期上的循环收敛。归一化复数幅度的步骤使环路输出在预定个数时钟周期(即，在已知循环已经收敛之后)之后得到取样，从而不需要实现相当昂贵和可能不可靠的锁环指示器。

为了归一化复数，求平方电路62求出复数幅度|a|的平方，求平方电路62通常存在于大多数OFDM接收机中(即，无需专门包括)。求平方电路64求出复数总值(实部和虚部两者)的平方。如果在本发明得以实现的OFDM接收机中不存在另外的求平方电路，求平方电路62可以用于求出复数的平方，以及确定复数幅度的平方。求倒数电路66(通常也存在于大多数OFDM接收机中)用于求出求平方电路62的输出的倒数。乘法器68将求平方电路64的输出和求倒数电路66的输出组合在一起。乘法器68的输出等于复数平方的归一化值，它可以表达成e^2j*phi。

现在，复数的幅度已经被归一化，确定复数相位角的第二步包括通过闭环发送乘法器68的输出。通常在OFDM接收机(即，无需专门加入)中实现的二阶载波跟踪环用于这个目的。

本领域的普通技术人员应该认识到，必须在预定个数时钟周期内将乘法器68的输出提供给跟踪环(从退旋器70开始)，以保证循环稳定化。本领域的普通技术人员可以容易地确定在给定OFDM接收机配置中保证循环稳定化所需的确切时钟周期个数。此外，循环稳定化所需的时钟周期个数的确定不是本发明的关键方面。

继续描述诸如典型OFDM接收机的载波跟踪环之类的闭环对复数的处理，将来自乘法器68的输出馈送到退旋器70和让退旋器70的输出经过相位检测器72。让相位检测器72的输出经过积分增益放大器74和比例增益放大器76。将积分增益放大器74的输出馈送到积分器78。求和电路80将积分器78的输出与比例增益放大器76的输出组合在一起。将求和电路80的输出馈送到数控振荡器(NCO)82，数控振荡器(NCO)82将输出馈送到正弦/余弦查用表84。将正弦/余弦查用表84的输出作为反馈提供给退旋器70。

在所示的实施例中，NCO 82的输出等于与输入信号相对应的复数的相位的两倍。除法器电路84将NCO 82的输出除以2得出相当于复数的相位角phi的信号86。因此，本发明无需麻烦的和昂贵的反正切查用表就可以确定与输入信号相对应的复数的相位角。

图4是归一化复数的电路的可替代实施例。在如图4所示的实施例中，求倒数电路90求出复数60的倒数。复共轭电路92确定样本倒数的复共轭。乘法器94将复共轭电路92的输出乘以复数60(实部和虚部两者)。可以将乘法器94的输出-复数60的归一化值馈送到从退旋器70开始的如图3所示的闭环电路。然后，继续像参照图3所述的那样的信号处理。

图5是例示本发明的示范性实施例的操作的过程流程图。整个过程用标号100表示。过程从步骤102开始。在步骤104中，获取与输入信号相对应的复数。这个复数可以代表OFDM接收机接收的OFDM信号的一部分。在步骤106中，归一化复数。归一化可以利用包括硬件方法、软件方法、和硬件和软件组合方法在内的任何已知方法进行。可以用于归一化复数的电路例子如图3(馈送到退旋器70的电路)和图4所示和参照图3和图4所述。如上所述，与输入信号相对应的复数的归一化保证了在预定个数接收机时钟周期内的循环收敛。

接着，在步骤108中将归一化复数馈送到闭环。这样环路的例子是通常存在于OFDM接收机中的载波跟踪环。在步骤110中，保持到闭环的输入在预定个数时钟周期内不变。如上所述，等待预定个数时钟周期的目的是允许循环收敛在与复数的相位成正比的值附近。在步骤112中，将环路输出除以2，得出复数的相位。本发明的方法不需要实现昂贵的和费时的反正切查用表来确定与输入信号相对应的复数的相位。在步骤114中，结束图5的过程。

尽管本发明可容许各种变型和可替代形式，但在附图中通过例子示出了和在本文中详细描述了特定实施例。应该明白，本发明无意限于所公开的特定形式，而是，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)

1.一种确定与输入信号相对应的复数的相位的方法，该方法包括如下步骤：

归一化(106)复数以获得归一化的复数；

通过闭环处理(108)归一化的复数，以生成与复数的相位成正比的信号；和

从与复数的相位成正比的信号中确定(110，112)复数的相位。

2.根据权利要求1所述的方法，包括：

接收(104)正交频分多路复用OFDM信号；和

其中，复数对应于OFDM信号的至少一部分。

3.根据权利要求1所述的方法，处理归一化的复数的步骤包括等待(110)循环收敛。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，等待(110)步骤是在预定个数时钟周期内执行的。

5.根据权利要求3所述的方法，其中，确定相位的步骤包括将与复数的相位成正比的信号除以(112)一个数，以得出复数的相位。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，这个数是2。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，归一化(106)复数的步骤包括：

求出复数的倒数(90)以获得复数倒数；

确定(92)复数倒数的复共轭；和

将复数倒数的复共轭乘以(94)复数。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，归一化(106)复数的步骤包括：

求出复数的幅度的平方(62)，以生成复数幅度平方；

求出复数幅度平方的倒数(66)，以生成复数幅度平方倒数；

求出复数的平方(64)，以获得复数平方；和

将复数幅度平方倒数乘以(68)复数平方。

9.一种确定复数相位的设备，该设备包括：

归一化复数以生成归一化的复数的电路(62-68)；和

接收归一化的复数并生成与复数的相位成正比的输出的闭环电路(70-84)。

10.根据权利要求9所述的设备，其中，该设备包含在正交频分多路复用(OFDM)接收机中。

11.根据权利要求9所述的设备，其中，与复数的相位成正比的输出(86)是复数的相位的两倍。

12.根据权利要求9所述的设备，其中，在预定时间间隔内向闭环电路提供归一化复数。

13.根据权利要求12所述的设备，其中，预定时间间隔对应于预定个数时钟周期。

14.根据权利要求9所述的设备，其中，归一化复数的电路包括：

适合于求出复数的倒数以获得复数倒数的电路(90)；

适合于确定复数倒数的复共轭的电路(92)；和

适合于将复数倒数的复共轭乘以复数的电路(94)。

15.根据权利要求9所述的设备，其中，归一化复数的电路包括：

适合于求出复数幅度的平方以生成复数幅度平方的电路(62)；

适合于求出复数幅度平方的倒数以生成复数幅度平方倒数的电路(66)；

适合于求出复数的平方以获得复数平方的电路(64)；和

适合于将复数幅度平方倒数乘以复数平方的电路(68)。

16.一种正交频分多路复用OFDM接收机，包括：

接收发送OFDM信号和将发送OFDM信号的至少一部分转换成复数的电路；

归一化复数以生成归一化复数的电路(62-68)；和

接收归一化复数和生成与复数相位成正比的输出的闭环电路(70-84)。

17.根据权利要求16所述的OFDM接收机，其中，与复数相位成正比的输出是复数相位的两倍。

18.根据权利要求16所述的OFDM接收机，其中，在预定时间间隔内向闭环电路提供归一化复数。

19.根据权利要求16所述的OFDM接收机，其中，归一化复数的电路包括：

适合于求出复数的倒数以获得复数倒数的电路(90)；

适合于确定复数倒数的复共轭的电路(92)；和

适合于将复数倒数的复共轭乘以复数的电路(94)。

20.根据权利要求16所述的OFDM接收机，其中，归一化复数的电路包括：

适合于求出复数幅度的平方以生成复数幅度平方的电路(62)；

适合于求出复数幅度平方的倒数以生成复数幅度平方倒数的电路(66)；

适合于求出复数的平方以获得复数平方的电路(64)；和

适合于将复数幅度平方倒数乘以复数平方的电路(68)。

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