CN1905547A - 通过时域过采样分集接收ofdm信号的方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种OFDM接收机的分集接收方法与装置。该方法首先在时域过采样OFDM信号，通过插值将时域信号以发射信号采样频率的整倍数重采样。在同步调整完成之后，将信号分成多路分别通过FFT模块，再将各路FFT的输出结果做相应的子载波相位校正，然后将各路信号合并，再做后续均衡解码等处理。该方法通过时域信号的过采样，增加部分运算复杂度来获取OFDM系统的分集增益，降低了噪声对系统的影响，提高了接收机的整体性能。

Description

通过时域过采样分集接收OFDM信号的方法与装置

技术领域

一种通过时域过采样分集接收OFDM信号的方法与装置。它属于数字通信技术领域，涉及正交频分复用(OFDM)通信系统中接收机解调器设计的技术。

背景技术

正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)技术是在信道上高效率发送数据的性能比较优越的技术，该技术使用了信道带宽内的多个子载波发送数据。与频分复用(FDM)相比，后者为了避免载波间的干扰，需要将副载波分隔开来，从而浪费了一部分频率资源。而OFDM系统的副载波尽管可能相互重叠，但仍然能够在接收端使已经调制在每个副载波上的信息得到分辨和恢复。同时，OFDM系统在有效码元前部加上循环前缀构成的保护间隔，具有对多径延迟扩展和频率选择性衰落的耐受程度、有效的频谱使用和良好的抗干扰等特性。目前在高比特数字用户线(HDSL)，数字音频广播(DAB)，数字视频广播(DVB)，无线局域网(WLAN)IEEE 802.11a/HiperLAN2标准，无线城域网(WMAN)IEEE 802.16-2004标准中的OFDM模式，IEEE 802.16e标准中的OFDMA模式等数据传输系统中获得广泛应用。

通常OFDM发送系统采用快速付立叶变换(FFT)经子载波发送信息。如附图1所示，发射数据经过子载波调制，IFFT变换，并行串行转换，加入循环前缀后，DA变换器以采样间隔发送。其中T_b表示发射的OFDM符号中，有效数据长度，即除去循环前缀后的符号长度，N_FFT代表FFT变换用的点数，即子载波个数。最后信号通过RF器件变频放大发射。在接收端，射频信号经天线进入RF器件放大与下变频，以AD变换器以同样的时间间隔 采样接收，去除循环前缀后，经过串并转换，FFT变换，子载波解调，得到输出数据。

在射频端引入的噪声使得通信系统的性能下降。通信系统中的噪声来自各种没有用的射频干扰和射频电路元件本身的各种噪声，如MOS晶体管寄生电阻所产生的各种噪声。对于接收机的设计来讲，为了提高性能，就必须降低噪声的影响，提高接收机的灵敏度。

发明内容：

为了提高OFDM系统在噪声环境下通信的性能，本发明采用在时域过采样，频域子载波相位补偿后分集合并的方法，以增加少量系统运算复杂度为代价，降低了噪声对通信系统的整体影响，提高了系统性能。

发射的OFDM基带信号可以表示为：

$s\left(t\right)=\underset{k=-N_{\mathrm{FFT}}/2}{\overset{N_{\mathrm{FFT}}/2-1}{\mathrm{\Σ}}}{c}_k\·e^{j2\mathrm{\πk\Δf}(t-T_g)}$

设信道冲击响应函数为h(τ)，则对应基带等效接收信号为：

                r(t)＝h(τ)*s(t)+n(t)r(t)表示接收机基带模拟信号，n(t)表示接收端的噪声，通常噪声具有加性高斯白噪声的性质。由OFDM系统的特性可知，见附图2，只要FFT窗口的起始位置位于循环前缀扣除信道冲击响应h(τ)长度起到有效数据起始位置之间，将FFT窗口内的信号依采样间隔

采样，再通过FFT变换后校正子载波相位偏差即可以恢复出发射调制数据。用任意一个起始时刻的FFT窗内以 间隔采样的采样数据都能恢复出发射的调制数据，且性能相同。注意到噪声n(t)具有一定的不相关特性，采样的数据经过FFT变换后叠加在每个子载波上的噪声也具有一定的独立性。那么将来自不同起始时刻的采样数据分别经过FFT变换，再将相同子载波的数据经过相位补偿后相叠加，噪声就可以得到抑制，接收机整体性能可以获得相应提高。

本发明的特征在于，它依次含有以下步骤：

(1)首先以高于频率Δf·N_FFT的A/D采样率采集射频输出的模拟基带信号，其中Δf表示OFDM子载波间隔，N_FFT代表FFT变换用的点数，即子载波个数

(2)将A/D采样后的信号通过插值器得到整倍数于频率Δf·N_FFT的数字基带信号，即过采样频率为N_oversampling·Δf·N_FFT，N_oversampling表示过采样倍数。

(3)利用位同步与FFT窗口调整单元模块获取正确的FFT窗口位置。可让该FFT窗起始位置稍提前于有效数据的起始位置处。由于过采样，此时FFT窗口内包含整数倍个FFT变换点数的采样点，即N_oversampling·N_FFT个采样点。

(4)采样的信号依采样间隔 通过分路选通单元分为并列的几路信号。见附图4中所描述的分路选通单元的示意图。其中T_b表示发射的OFDM符号中，有效数据长度，即除去循环前缀后的符号长度。

(5)并列的几路信号分别通过FFT单元

(6)FFT单元的各路输出子载波数据分别做子载波的相位补偿

(7)将相位补偿后的各路FFT输出子载波数据，依据相同的子载波号相加合并

(8)将合并后的信号送给后续下游均衡，信道解码等模块处理

上述步骤描述的方法中，OFDM接收系统的A/D变换的采样间隔小于 其中T_b表示发射的OFDM符号中，有效数据长度，即除去循环前缀后的符号长度。如果过采样的速率恰好为N_oversampling·Δf·N_FFT，则第二个步骤重采样的过程就可以省略。对于多路采样信号的FFT处理，既可以通过多个FFT单元模块并行完成，也可以通过一个高速FFT单元模块串行处理完成。

上述步骤描述的方法中，将依据以下公式完成FFT输出子载波数据的相位补偿。

$\mathrm{\Δ\θ}(m,k)=-\frac{2\mathrm{\π}\·k\·(m-1)}{N_{\mathrm{FFT}}\·N_{\mathrm{oversampling}}}---\left(1\right)$

其中m代表该FFT模块对应的分路选通单元序号，1≤m≤N_oversampling，k代表子载波的序号， $-\frac{N_{\mathrm{FFT}}}{2}\≤k\≤\frac{N_{\mathrm{FFT}}}{2}-1,$ Δθ(m，k)代表对第m路FFT输出的第k个子载波的补偿角。其特征在于，对于子载波相位补偿的处理，既可以通过多个子载波相位补偿单元模块并行完成，也可以通过一个高速子载波相位补偿单元模块串行处理完成。

附图说明：

图1表示通常的OFDM收发系统结构框图

图2表示可选的FFT窗位置示意图

图3表示采用本发明的OFDM基带接收系统结构图

图4表示本发明中分路选通模块的具体工作示意图

具体实施方式

基于本发明的实施实例，应用于无线局域网IEEE 802.11a协议标准的OFDM接收机。参照附图3，附图4，给出具体实施步骤。其中附图4为附图3中的单元模块(40)的详细描述。

OFDM接收机的AD采样器(10)以50Msps采样速率过采样。

将过采样的数据通过插补器模块(20)，获得40Mbps的采样速率，因此过采样倍数为2。

利用位同步与FFT窗口调整单元模块(30)对帧前导序列Short Preamble与Long Preamble同步，同时进行频偏估计与校正，以及获取FFT窗口位置。

通过FFT窗口去除循环前缀，将截取的40Mbps的采样数据流依每个OFDM符号128个数据点，通过分路选通器(40)分成并列的两路64点数据(见附图4)，通过2个并行的64点FFT模块(50)，得到2组64点FFT的输出。

将得到的第二路FFT输出数据，依照公式 $\mathrm{\Δ\θ}\left(k\right)=-\frac{\mathrm{\π}\·k}{64},$ -26≤k≤26对52个子载波数据依据子载波号通过子载波相位补偿单元模块(60)分别补偿。

将补偿后的52个子载波数据与第一路FFT输出52个子载波数据依相同子载波号分别相加，具体在图3中的分路合并单元(70)完成。

将合并完成后的数据送给下游的模块(80)来完成载波跟踪，采样跟踪，均衡，解码等后续一系列处理。

在AWGN信道下与通常采用20Msps采样率的系统对比，该方法实现的40Msps采样率系统的8种速率对应的误码率性能曲线(BER vs SNR)与误帧率性能曲线(FER vs SNR)能获得大于2dB的SNR性能提升。

这里描述的模块以及单元既可以采用硬件实现，也可以采用软件实现，或软硬件的组合方式来实现。本发明技术方法并不局限于上述实施例，本领域内普通技术人员应理解的是可在本发明范围内做各种形式和细节上的改变。本发明可用于符合IEEE 802.11a标准、HiperLAN2标准、IEEE 802.16标准，IEEE 802.16e标准中的OFDM，OFDMA系统以及其他采用OFDM模式的通信系统。本发明的最大优点在于通过过采样引入了噪声独立的多组数据，依据OFDM系统自身的特点，在频域完成数据的分集合并，从而降低了噪声对系统的影响。提高了通信系统的性能。

Claims (6)

1.本发明涉及一种在正交频分复用接收系统中利用时域信号过采样分集接收信号的方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

●以高于频率Δf·N_FFT的A/D采样频率采集射频输出的基带模拟信号，其中Δf表示OFDM子载波间隔，N_FFT代表FFT变换用的点数，即子载波个数

●将A/D采样后的信号通过插值的方法得到整倍数于频率Δf·N_FFT的数字基带信号，即过采样的采样频率为N_oversampling·Δf·N_FFT，N_oversampling表示过采样倍数

●利用位同步与FFT窗口调整单元模块获取正确的FFT窗口位置。由于过采样，此时FFT窗口内包含整数倍个FFT变换点数的采样点，即N_oversampling·N_FFT个采样点

●将过采样的信号依发射信号D/A变换采样间隔

通过分路选通单元分为并列的几路信号，其中T_b表示发射的OFDM符号中，有效数据长度，即除去循环前缀后的符号长度。

●将并列的几路信号分别通过FFT单元

●将FFT单元的各路输出信号分别做子载波的相位补偿

●将相位补偿后的各路FFT输出信号，依据相同的子载波号相加合并

●将合并后的信号送给下游后续均衡，信道解码等模块处理

2.如权利要求1所述，其特征在于，方法描述的OFDM接收系统中，A/D变换的采样间隔小于

其中T_b表示发射的OFDM符号中，有效数据长度，即除去循环前缀后的符号长度。

3.如权利要求1所述，其特征在于，对于多路采样信号的FFT处理，既可以通过多个FFT单元模块并行完成，也可以通过一个高速FFT单元模块串行处理完成。

4.如权利要求1所述，其特征在于，将依据以下公式完成FFT输出数据的子载波相位补偿。

$\mathrm{\Δ\θ}(m,k)=-\frac{2\mathrm{\π}\·k\·(m-1)}{N_{\mathrm{FFT}}\·N_{\mathrm{oversampling}}}---\left(1\right)$

其中m代表该FFT模块对应的分路选通单元序号，1≤m≤N_oversampling，k代表子载波的序号， $-\frac{N_{\mathrm{FFT}}}{2}\≤k\≤\frac{N_{\mathrm{FFT}}}{2}-1,$ Δθ(m，k)代表对第m路FFT输出的第k个子载波的补偿角。

5.如权利要求1所述，其特征在于，对于子载波相位补偿的处理，既可以通过多个子载波相位补偿单元模块并行完成，也可以通过一个高速子载波相位补偿单元模块串行处理完成

6.如权利要求1所述，一种在正交频分复用接收系统中利用时域信号过采样分集接收信号的装置，其特征在于该装置包括下列模块单元：

●用于以高于频率Δf·N_FFT的采样频率采集模拟信号的A/D采样单元

●用于将信号变换至整数倍于采样频率Δf·N_FFT的插值重采样单元(插补器)

●用于获取位同步以及FFT窗口位置的位同步与FFT窗口调节单元

●用于将过采样信号以采样间隔

分配到多路FFT输入的分路选通单元

●用于多路信号FFT变换的多路并行FFT单元模块或一个高速串行FFT单元模块

●用于将各FFT变换输出的信号，依据公式(1)补偿子载波相位偏差的多路并行子载波相位偏差补偿单元，或者一个对应的高速串行子载波相位偏差补偿单元

●用于将相位补偿后的信号依据相同子载波号合并的多路合并单元

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