CN1993954B - 用于接收包括保护频带的ofdm信号的装置和相应方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于检测载波频率偏移的OFDM信号接收器。当在接收器中处理该信号的FFT变换时，估计器利用FFT变换的频谱形状来估计载波频率偏移。

Description

用于接收包括保护频带的OFDM信号的装置和相应方法

技术领域

本发明涉及一种用于接收OFDM信号的接收器。本发明还涉及一种用于接收OFDM信号的移动台、子组件、芯片组、计算机程序和这种装置的用途。 

背景技术

多载波信号无线电技术如正交频分复用(OFDM)无线电技术一般用于通过各种频率来发送大量数据。OFDM可以用于数字广播系统如DVB系统中。在多载波信号系统如广播(广播本身在电视和无线电方面具有悠久历史，甚至作为数字化广播也是如此)方面的环境和情形已经明显地产生了一种在原先设计多载波信号技术时所不曾有的情形中评价此技术的需求。这种情形的例子可以是移动接收。因此，OFDM无线电技术正在面临突显的移动性挑战。 

RF业界中的问题例子可能是频率偏移。当接收这样的信号时，载波中心频率可能相对于正常的信道栅有所偏移。该偏移可能多达0.5MHz。已知的方式、接收器、接收器芯片或者设备只能够同步到具有有限最大偏移的信号中。通常，此最大偏移约为130kHz。因此，必须针对每个信道利用数个偏移来执行信道搜索。 

这样的已知同步和信道搜索/调试可以基于下述方式。在信道搜索期间，RF解调器利用约125kHz的步长在标称载波频率上扫描。因此，利用四个步长(f_c-0.375MHz，f_c-0.125MHz，f_c+0.125MHz，f_c+0.375MHz)即可覆盖整个可能的范围。 

这是非常耗时的已知解决方案。特别地，针对给定频率偏移的每次信道搜索可能花费多达数秒的时间。因此，同步对于移动接收而言过于耗时。 

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种用以减少所需同步时间的接收器、移动台、子组件、芯片组和计算机程序。另外，提供了这种装置的用途和数据系统。 

根据本发明，经FFT变换的接收OFDM信号的频谱形状可以适于指示可能的载波频率偏移。因此无需已知的扫描过程。由于该扫描过程花费大量时间，所以本发明实现了接收时间的显著节省。另外，接收器可以更直接地调试到所需频率/信道。 

本发明的又一实施例公开了一种用于接收OFDM无线电信号的接收器。针对接收的信号执行FFT变换。通过在接收器中利用现有FFT，例如仅用一个2k FFT即可导出粗略的载波频率偏移估计。例如保护频带的位置这样的OFDM信号频谱形状可适用于并且被处理用于确定载波偏移。 

在再一实施例中，估计器(或者所谓的万能(one-shot)FFT模块，或者也可供选择地称作万能支路或者载波频率估计器)输出可相当直接地获得的粗略频率偏移估计。这允许将接收器的RF调制器直接调试到+/-125kHz的采集范围中。因此无需扫描，这就节省了接收器中信号接收处理的大量时间。 

本发明的更多实施例在从属权利要求中详细地说明。 

附图说明

现在将参照附图仅通过例子来描述本发明，在附图中： 

图1根据本发明的一些更多实施例对于示出了FFT信号保护频带的没有频率偏移的示例性频谱方案进行了描绘， 

图2描绘了根据本发明的另外的实施例的具有万能FFT的接收器的简化局部方块图，以及 

图3描绘了根据本发明的另外的实施例的万能模块的功能方块图。 

具体实施方式

本发明的更多实施例涉及OFDM无线电信号接收，尤其涉及在接收器的启动期间的信道搜索。该OFDM信号和其它实施例可应用于DVB-T/H系统(例如地面、无线、手持或者移动DVB系统)中。 

正如简短地提到的，图1根据本发明的一些其它实施例对于示出了FFT(快速傅立叶变换)信号保护频带(102)的没有频率偏移的频谱方案(100)进行了描绘。根据一些其它实施例的一种算法是基于对保护频带(102)进行检测的。保护频带(102)在图1中清楚地示出。该FFT覆盖了从-4.6到4.6MHz的完全FFT范围(101)。因此可以检测到通常位于从-4.2到-3.8MHz和3.8到4.2MHz的保护频带(102)。频谱形状可以在图1中显著地示出，例如在接收器过滤(103)中示出。 

在各种其它实施例中在确定载波偏移时的滑动窗口功率求和 

通过在32个子载波之上使用滑动窗口功率求和(SWPS)，可以导出当前信道的功率分布(profile)： 

${\mathrm{SWPS}}_n=\underset{m=-u}{\overset{u-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|f_{n+m}\right|}^2,$ 其中n∈N|{u≤n≤(2048-u)}和u＝16。 

N在公式中表示所有自然数。在本例中，n的第一个值是16，其中该求和从f₀一直到f₃₁执行。n的下一个值是17，使得下一求和从f₁ 一直到f₃₂执行等等。最后一个是2032(2048-u)。由此可以计算2017(SWPS)。应当注意并不需要为所有2017个轮次执行该计算。因而，这一特征对于各种实施例而言不是必须的。在各种其它实施例中描述这些较短的轮次和较快的计算。 

在原理上，如果子载波的关联SWPS在总功率(P)的某一百分比(p)以下，则假设该子载波属于保护频带(102)，其中 

$P=\underset{m=0}{\overset{2047}{\mathrm{\Σ}}}{\left|f_m\right|}^2.$

然而，为了允许高效的实施和较短的处理时间，基于计算SWPS_n 所需要的那些载波来计算参考功率(P_ref，n)： 

$P_{\mathrm{ref},n}=\frac{\underset{m=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{SWPS}}_m}{n}$ 以及 

如果SWPS_n≤p*P_ref，n则SWPS_n∈保护频带。P的值可以变化。通常p≈0.5。 

后续的处理通过在某一数目的连续子载波(通常≈200)之内检验所有子载波满足这一标准来高效地对错误的检测进行过滤。保护频带(102)的下角由这些200个连续子载波中的第一个子载波来给定。 

本发明的又一实施例可以无论实际传输模式如何都对使用单个2kFFT的万能FFT进行应用。 

已经结合2k模式描述了各种实施例。例如有时候甚至于无论实际传送模式如何(2k，4k，8k)都使用单个2k FFT。应当注意，从频率的观点看在4k模式中组合了两个载波。另外，在8k模式中可以分别组合四个载波。因此通过组合载波可以应用4k和8k模式。在4k和8k模式中可以忽略一些载波，而着重关注符合2k模式的载波。例如，在4k和8k模式中任何附加载波(例如在2k模式的载波之间的位置)的信息被部分地折合(collapse)到2k载波中。2k模式的FFT足够准确，而窗口功率求和也优选地使用32个子载波。 

各种偏移校正 

其它实施例有利地提供了在±130kHz之内实现的准确度。通过相应地校正载波频率，其余的载波频率偏移有利地位于在FFT之后的载波频率同步的范围之内。 

支持更多实施例的容限 

虽然公式在一些其它实施例中可能表明应当针对所有2048个载波进行计算，例如针对整个信道进行计算，但是计算过程可以中断并 且找到载波偏差估计。在已经计算出FFT中载波位置的足够的结果时，这些结果可以表明找到了保护频带(102)。因此，载波偏移是可确定的。由于与滑动窗口功率求和(SWPS_n)的计算相并行地执行参考功率(P_ref，n)的计算，所以二者对于载波0到2047而言，可以在计算出(P_ref，n)和(SWPS_n)的所有值之前检测到保护频带。这一点之所以可能，是因为并非所有载波对于该计算都是必要的，即对于(P_ref，n)和(SWPS_n)，只有载波0至n是必要的。 

参照图2的另一实施例，描绘了具有万能FFT的接收器(200)的简化局部方块图。接收器(200)包括用于OFDM射频信号接收的天线。前端(201)在接收器(200)中位于天线之后用于在接收器(200)中开始射频接收。接收器(200)也具有用于针对接收的OFDM信号执行FFT变换的FFT模块(202)。应当注意，FFT模块(202)在数字OFDM接收器中是标准模块。例如，通常针对RF信号总是执行FFT变换。因此应用已有FFT变换的结果是有益的。另外，接收器(200)包括所谓的万能模块(203)。正如所讨论的，作为选择，万能模块(203)可以称作万能支路，据此描绘了整个万能回路。另外，在不将本发明的范围限于图2例子的情况下，该万能模块也可以称作用于估计载波偏移的估计器。 

回到图2，万能模块(203)获得FFT模块(202)的FFT。万能模块(203)由此直接地进行粗略的频率偏移估计。这可以允许将接收器直接调试到所需频率/信道。万能模块(203)的输出是第一信道的中心频率，其中该第一信道的下降沿(在频带中的)被进行了检测。一般而言，万能模块(203)控制或者适于控制对中心频率的调试。基于该中心频率，接收器可以相应地校正载波频率。由此其余的载波频率偏移可以位于在FFT之后的载波频率同步的范围之内。 

接收器中的万能支路 

一般而言，万能模块(203)或者载波偏移估计器可以不是接收器的正常数据路径中的一部分。例如可以将它考虑为该逻辑的附加部分，即运行一次以便确定可能的载波频率偏移。 

控制 

万能模块(203)或者载波偏移估计器(或者诸如此类)可以是独立模式。例如，如果信道方案未知，则可能需要单独地启动万能模块(203)。该软件、该逻辑等获得结果，调试前端(201)的中心频率，并且开始正常接收，即补偿载波偏移。该逻辑可以对运行万能支路或者正常接收具有完全控制。然而，也有可能使得万能模块(203)成为在接收时的默认选项。例如，信号总是被万能模块(203)检验。 

参照图3，示出了根据本发明又一实施例的万能模块的功能方块图(300)。图3的例子描绘了组合的模块和过程图。以‘a’和‘b’标记对各种模块的输入，而以‘c’标记这些模块的输出。在载波频率估计器中的FFT信号处理始于I和Q支路处理。 

在步骤(301)中为信号确定|I|²+|Q|²值。这些值在本实施中对应着用于(SWPS_n)的公式的值|f_n+m|²。方块(302)图示了Fifo缓冲器。从基本意义上说，用于每个子载波的值被逐个地输入到Fifo。Fifo例如可以保持用于32个子载波的值。在步骤(303)中确定窗口和。添加一个子载波即下一子载波和减去(subcontract)‘最旧的’子载波，计算针对每个n的窗口和。例如，窗口和可以代表针对n变量而对(SWPS_n)的确定。在步骤(304)中确定总和。从窗口和中导出总和。例如，P_ref，n可以是总和的一个例子，该总和在步骤(308)中除以计数n从而给定了值‘总和/n’＝P_ref，n/n。在步骤(305)中对窗口和进行缩放。缩放因子在本例中是1/p。在步骤(309)中将缩放后的窗口和与除以n后的‘总和’做比较。如果缩放后的窗口和小于‘总和/n’，则表示载波n属于保护频带。如果缩放后的窗口和较大，则表示子载波n不属于保护频带。在步骤(309)与步骤(310)之间的循环‘cnt’中计算窗口和小于‘总和/n’的数目，而且该数目在步骤(310)中用作输入。这一累计的计数值表示属于保护频带的子载波的数目。在步骤(310)中，最后估计频率偏差。偏移因子(306)是子载波间隔。频率偏移(307)是子载波间隔(306)的n倍。该频率偏移对于实际的子载波可能有效，对于实际的子载波来说窗口和缩放的可靠阈值数 目比与这一载波的指数相除后的总和更小。与偏移因子相乘后的子载波数目可以给定相对于FFT范围的起始而言的频率偏移。 

调试频率的灵活性 

调试频率可以有利地通过该逻辑进行限定。它可以因国家而不同以便即使在启动阶段仍然允许用于中心频率的适当的第一初始值。 

用于锁定到信号的各种方案 

各种其它实施例描述了用于锁定到信号的不同方案。应当注意，在某些情况下接收器没有载波偏移校正能力也可以工作。然而，例如如果“标准的”过程失败等，则无论如何都显然需要这样的能力。 

(A)信道和传输参数已知。因此不需要扫描。 

(B)信道已知但是传输参数未知。在这一实施例中，不需要实际的扫描。然而，接收器检验不同的参数直至收到足够低的误码率为止。 

在没有足够准确地满足信道中心频率的情况下，这两个模式可以包括备用解决方案。例如，数字基带接收器能够在小范围(500Hz)内对信道进行移位。然而，这一过程在某些情况下可能非常耗费时间。 

(C)如果有望存在新的频带方案，则载波频率估计器或者万能支路可以用来检测信道偏移。此后可以有利地在无需利用耗费时间的中心频率数字移位的情况下启动上述两个方案之一以便锁定到专用信道。 

如果与(A)或者(B)有关的实施例没有获得适当的或者所希望的接收，则万能支路或者载波偏移检测过程可以有助于接收器找到该偏移。因此，可以相应地校正所接收的信号。 

其它实施 

本发明的各种其它实施例可以在许多DVB-T/H接收器中实施。在一些实施例中这可以例如通过ASIC来完成。例如根据其它实施例的用于接收OFDM信号的芯片组可以是一个或多个ASIC芯片。然而，应当注意相似的原理也可以用于软件实施。 

衍生和范围 

虽然以上描述包含许多细节，但是提供这些细节仅仅是为了说明 本发明而不应当理解为对本发明的范围的限制。因此对于本领域技术人员是明显的：在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以在本发明的装置和过程中做出各种修改和变形。 

Claims (17)

1.一种用于接收包括保护频带的OFDM信号的接收器，所述接收器包括：

用于获得所述OFDM信号的FFT变换的装置，其特征在于，所述接收器还包括：

估计器，用于针对所述OFDM信号估计载波频率偏移，使得所述OFDM信号的可检测频谱形状适于指示所述载波频率偏移，其中所述OFDM信号的所述可检测频谱形状基于所述保护频带中的一个或多个保护频带在所述FFT变换之内的位置，

其中所述FFT变换适于覆盖一个范围，使得所述估计器适于检测所述一个或多个保护频带在所述FFT变换之内的定位中的所述位置以便估计所述载波频率偏移。

2.根据权利要求1所述的接收器，其中所述范围是预定的，以及在所述范围之内的所述定位是预定的。

3.根据权利要求1所述的接收器，其中所述估计器包括用于针对一个或多个子载波确定所述OFDM信号的功率分布使得如果所述功率分布在所述信号的总功率的某一百分比以下则子载波与所述保护频带相关联的装置。

4.根据权利要求3所述的接收器，其中针对一个或多个子载波确定所述OFDM信号的功率分布是通过滑动窗口功率求和SWPS来执行的。

5.根据权利要求4所述的接收器，其中所述滑动窗口功率求和适于基于以下公式来计算：

其中n∈N|{u≤n≤(2048-u)}和u＝16。

6.根据权利要求3所述的接收器，其中所述信号的所述总功率适于基于以下公式来计算：

$P=\underset{m=0}{\overset{2047}{\mathrm{\Σ}}}{\left|f_m\right|}^2.$

7.根据权利要求3所述的接收器，其中所述估计器还包括用于为功率分布已确定的所述OFDM信号的后续处理确定参考功率以便对错误的检测进行过滤的装置。

8.根据权利要求7所述的接收器，其中所述估计器适于应用所述参考功率以取代所述总功率。

9.根据权利要求7所述的接收器，其中如果所述功率分布在所述参考功率以下则所述子载波与所述保护频带相关联。

10.根据权利要求9所述的接收器，其中所述参考功率适于以某一因子进行缩放。

11.根据权利要求7所述的接收器，其中所述参考功率适于基于以下公式来计算：

$P_{\mathrm{ref},n}=\frac{\underset{m=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{SWPS}}_m}{n}.$

12.根据权利要求1所述的接收器，其中所述估计器被配置用以基于所估计的所述载波频率偏移来建立用于调试所述FFT变换的中心频率的反馈回路。

13.根据权利要求1所述的接收器，其中所述估计器适于利用仅一个2k模式FFT变换来估计所述可检测载波频率偏移。

14.根据权利要求1所述的接收器，其中所述载波频率偏移估计器适于在所述OFDM信号的信道被检测到具有低于阈值的质量时被启动。

15.一种用于接收包括保护频带的OFDM信号的移动台，所述移动台包括：

用于获得所述OFDM信号的FFT变换的装置，其特征在于，所述移动台还包括：

用于针对所述OFDM信号估计载波频率偏移使得在所述FFT变换中包括所述保护频带的可检测频谱形状适于指示所述载波频率偏移的装置，其中所述OFDM信号的所述可检测频谱形状基于所述保护频带中的一个或多个保护频带在所述FFT变换之内的位置，

其中所述FFT变换适于覆盖一个范围，使得所述估计器适于检测所述一个或多个保护频带在所述FFT变换之内的定位中的所述位置以便估计所述载波频率偏移。

16.一种用于接收包括保护频带的OFDM信号的设备，所述设备包括：

用于获得所述OFDM信号的FFT变换的装置，其特征在于，所述设备还包括：

用于针对所述OFDM信号估计载波频率偏移使得在所述FFT变换中包括所述保护频带的可检测频谱形状适于指示所述载波频率偏移的装置，其中所述OFDM信号的所述可检测频谱形状基于所述保护频带中的一个或多个保护频带在所述FFT变换之内的位置，

其中所述FFT变换适于覆盖一个范围，使得所述估计器适于检测所述一个或多个保护频带在所述FFT变换之内的定位中的所述位置以便估计所述载波频率偏移。

17.一种用于接收包括保护频带的OFDM信号的方法，所述方法包括：

获得所述OFDM信号的FFT变换，其特征在于，所述方法还包括：

针对所述OFDM信号估计载波频率偏移，使得在所述FFT变换中包括所述保护频带的可检测频谱形状适于指示所述载波频率偏移，所述OFDM信号的所述可检测频谱形状基于所述保护频带中的一个或多个保护频带在所述FFT变换之内的位置，

其中所述FFT变换适于覆盖一个范围，使得所述估计器适于检测所述一个或多个保护频带在所述FFT变换之内的定位中的所述位置以便估计所述载波频率偏移。

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