CZ304589B6 - Způsob frekvenční a časové synchronizace přijímače - Google Patents

Abstract

Způsob frekvenční a časové synchronizace přijímače pro příjem signálů OFDM na pevné nosné frekvenci obsahuje následující kroky: v přijímači se v prvním způsobovém kroku pro pilotní signály, přenášené společně se signály OFDM, určí kritérium kvality OFDM signálu pro každý bod dvojrozměrné frekvenčně časové vyhledávací oblasti, která je v jedné dimenzi určena frekvenční vyhledávací oblastí, zahrnující jmenovitou frekvenci signálu OFDM, a v druhé dimenzi časovou vyhledávací oblastí, zahrnující jmenovitý začátek signálu OFDM. Z toho se určí bod oblasti s optimálním kritériem kvality signálu OFDM. Potom se určí rozdíl mezi jmenovitou frekvencí a hodnotou frekvence, odpovídající optimálnímu kritériu kvality, a časovou hodnotou, odpovídající optimálnímu kritériu kvality. V následujícím druhém způsobovém kroku se v přijímači určí fáze nejméně jednoho z pilotních signálů, přenášených společně se signálem OFDM, a zprůměruje se přes několik bloků signálů OFDM. Z toho se určí přesnější hodnota frekvence a časového začátku signálu OFDM. Přijímač se nakonec na tuto takto určenou frekvenci synchronizuje a signál OFDM se demoduluje počínaje takto určenou hodnotou časového začátku.

Description

Vynález se týká způsobu frekvenční a časové synchronizace přijímače pro příjem signálů OFDM na pevné nosné frekvenci, které jsou vysílány na pevné nosné frekvenci.

Dosavadní stav techniky

V moderní digitální technice se k přenosu dat používá tak zvaná ortogonálního frekvenčního dělení a multiplexování (OFDM - Orthogonal Frequency Division and Multiplexing).

Podle tohoto principu se digitální proud dat před vysíláním přemění tak zvaným mapováním na symboly komplexních hodnot a rozdělí se do velkého počtu částečných signálů, z nichž každý se přenese odděleně zvláštní nosnou frekvencí.

Tak zvaný systém digitálního videovysílání (DVB-T - Digital Video Broadcasting) používá například 1705 případně 6817 takových jednotlivých nosných frekvencí.

V přijímači se tyto částečné informace zase shrnou do celkové informace vysílaného digitálního proudu dat.

Tento systém OFDM je známý a je blíže popsán například v publikaci HERMANN ROHLING, THOMAS MAY, KARSTEN BRÚNINGHAUS a RAINER GRÚNHEID, Broad-Band OFDM Rádio Transmission for Multimedia Applications, Proceedings of the IEEE, svazek 87, číslo 10, říjen 1999, str. 1778, a v dalších publikacích.

U takových systémů je důležité, aby přijímač byl vzhledem k frekvenci a času přenášených bloků signálů OFDM přesně synchronizován.

Pohybem vysílače a/nebo přijímače případně rozdílem frekvence může vzniknout Dopplerovo a frekvenční posunutí jednotlivých nosných frekvencí.

Kromě toho je třeba dát pozor na to, aby také přijímač byl přesně synchronizován vzhledem k času na začátek intervalu ortogonality bloků signálů OFDM.

V důsledku časových rozdílů šíření, například v závislosti na vzdálenosti vysílače a přijímače, nedosáhnou bloky signálů OFDM přijímač vždy ve stejném žádaném čase.

Podstata vynálezu

Úkolem vynálezu je poskytnout způsob, kterým může být takový přijímač OFDM synchronizován s přijatým signálem OFDM rychle a co možno přesně jak vzhledem k frekvenci, tak vzhledem k času.

Tento úkol se řeší na základě způsobu podle nadřazeného pojetí hlavního nároku jeho charakteristickými význaky. Výhodná další provedení plynou z podnároků.

Oba po sobě následující kroky způsobu podle vynálezu umožňují rychlou frekvenční a časovou synchronizaci přijímače OFDM, přičemž ktomu vyžadovaná potřeba výpočtů je v důsledku příjmu na pevné nosné frekvenci omezená, protože provoz při pevné frekvenci umožňuje použít nasazení speciálních průměrovacích a vyhlazovacích metod.

- 1 CZ 304589 B6

Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude dále vysvětlen pomocí schematických výkresů příkladů provedení. Obr. 1 uvádí principiální schéma zapojení vysokofrekvenčního přijímače.

Obr. 2 schematicky uvádí dvojrozměrné vyhledávání.

Příklady provedení vynálezu

Obr. 1 uvádí principiální schéma zapojení vysokofrekvenčního přijímače k příjmu signálů OFDM, které jsou přijímány na pevné frekvenci v přijímací části E.

Frekvenční a časová synchronizace v tomto příkladu provedení se uskutečňuje podle první alternativy prvního kroku způsobu, jmenovitě dvojrozměrným časově frekvenčním režimem vyhledávání. Přijatý signál OFDM se po analogové vysokofrekvenční přijímací části E v analogově digitálním (A/D) převodníku digitalizuje a uloží se ve vyrovnávací paměti S. K synchronizaci je poskytnuto dvojrozměrné frekvenční a časové vyhledávací zařízení Z, pomocí kterého se během dvojrozměrné vyhledávací fáze určí frekvenčně závislé kritérium kvality přijatého bloku OFDM pro každou hodnotu vzorku analogově digitálního (A/D) převodníku v předem určené frekvenční oblasti fi až f₂, ve které leží jmenovitá hodnota frekvence f₀ přijímače.

Dvojrozměrné vyhledávání schematicky ukazuje obr. 2. Frekvenční vyhledávací oblast tvoří mezi frekvencemi f, a f₂ jeden rozměr dvojrozměrně vyhledávací oblasti, druhý rozměr tvoří časová vyhledávací oblast mezi xj a x₂ s jmenovitým časovým začátkem Xo bloku OFDM.

V této dvojrozměrné frekvenční a časové vyhledávací oblasti f| až f₂ případně Xi až x₂ se v každém bodě vždy určí kritérium kvality přijatého bloku OFDM.

Šířka kroku, kterým se prohledává frekvenční oblast až f₂ závisí a druhu signálu OFDM a na očekávaném maximálním rozdílu mezi jmenovitou frekvenční polohou f₀ a skutečnou frekvenční polohou f_x.

Šířka kroku na časové ose se určí velikostí vzorku analogově digitálního (A/D) převodníku, šířka kroku může být mnohonásobkem hodnoty vzorku.

Na obr. 2 je celá vyhledávací oblast znázorněna šrafovaně.

Přijatý a ve vyrovnávací paměti S uložený signál OFDM se v alespoň dvou po sobě následujících blocích OFDM v přenosovém kanálu více nebo méně silně zkreslí. Tato zkreslení mohou mít vliv na dvojrozměrné vyhledávání, tj. takovým zkreslením se může posunout optimum kritéria kvality·

Je proto výhodné signál před dvojrozměrným vyhledávacím vyhodnocením a určením kritéria kvality signál vyrovnat (zbavit zkreslení).

K tomu jsou podle obr. 1 vždy poskytnuty vyrovnávače R, které jsou zapojeny před počítačovou jednotkou D k určení kritéria kvality.

Jedna možnost vyrovnávání spočívá v tom, že se vyhodnotí pilotní nosné frekvence, přenášené se signálem OFDM, které mohou být obecně použity k synchronizaci fáze ke koherentní demodulaci a v daném případě mohou být dodatečně použity k vyrovnání.

-2CZ 304589 B6

Na základě známých vzájemných poloh fáze těchto pilotních nosných frekvencí a také známých amplitud se mohou známým způsobem určit kanálová zkreslení.

Vyrovnávače R proto obsahují znalost o fázové a amplitudové charakteristice přenosového kanálu mezi vysílačem a přijímačem při předem dané pevné vysílané frekvenci a tím mohou odpovídajícím způsobem signál OFDM vyrovnat.

K tomu může dojít například tak, že každá nosná frekvence OFDM se násobí komplexní hodnotou, která odpovídá amplitudové a fázové charakteristice přenosového kanálu.

Jestliže nosné frekvence OFDM jsou modulovány jen fázovou nebo frekvenční modulací, potom za určitých okolností stačí násobení hodnotou fáze, která se dostane jako výsledek odhadu fázové charakteristiky přenosového kanálu.

Když je však nosná frekvence modulována amplitudově, potom musí bát násobena inverzní hodnotou odhadnuté amplitudové charakteristiky (dělením). Při kombinované amplitudové a fázové modulaci, jak je použita například při kvadratumí amplitudové modulaci (QAM - quadrature amplitudě modulation) vyšší hodnoty, se příslušný nosič musí dělit komplexní odhadnutou hodnotou přenosové funkce přenosového kanálu.

Kritérium kvality signálu OFDM se během dvojrozměrného průběhu vyhledávání určí pro každý bod srovnáním vstupního signálu (výstupního signálu z vyrovnávací paměti S) s výstupním signálem z vyrovnávače R v počítačové jednotce D, to znamená, že se vypočítá vzdálenost, o kterou se okamžitá hodnota frekvence liší od jmenovité žádané hodnoty.

Kritérium je obecně euklidovská vzdálenost, ale může to být také absolutní hodnota vzdálenosti nebo hodnota rozdílu fází jednotlivých nosných frekvencí.

Z kritéria kvality pro frekvenci a čas, určeného pro každý bod dvojrozměrné vyhledávací oblasti, se určí bod oblasti s optimálním kritériem kvality, a přijímač může tak být v prvním kroku způsobu zhruba synchronizován při uvažování rozdílu mezi jmenovitou frekvencí a hodnotou frekvence, která odpovídá optimálnímu kritériu kvality, a signál OFDM může také být počínaje od časové hodnoty, která odpovídá optimálnímu kritériu kvality, demodulován a v daném případě také dekódován.

Protože však při tomto prvním kroku způsobu se získá skutečná hodnota pro frekvenci a čas jen přibližně, skutečná přesná frekvenční a časová synchronizace se provede v následujícím druhém kroku způsobu, který používá vyhodnocovací kritéria k pokračování.

V následujícím druhém kroku způsobu se vyhodnotí polohy fází pilotních nosných frekvencí, které budou přeneseny a přijaty společně s bloky signálů OFDM.

V demodulátoru přijímače se pro každý blok signálu OFDM vypočítají fáze současně přenášených pilotních nosných frekvencí.

Potom se fáze jednotlivých pilotních nosných frekvencí přes více po sobě následujících pilotních nosných frekvencí vhodným způsobem průměrují, to znamená, filtrují a vyhladí.

V prvním stupni jsou fáze pilotních nosných frekvencí určené v jednom bloku OFDM „rozbaleny“ („unwrapping“ - rozbalení představuje mapování fází, které se vypočítá pomocí arkustangenty v intervalu -π až +π na spojité ose fáze; tím se přihlíží k tomu, že fáze mezi bloky se nemění skokově).

-3 CZ 304589 B6

Každá takto promítnutá fáze může být potom ke zvětšení přesnosti měření filtrována pomocí filtru s úzkým pásmem. Jako filtr se hodí lineární regrese, tak zvaný „order statistic filter“ jako „medián“ filtr nebo struktury fázového závěsu (PLL - Phase Locked Loop).

Určené fázové charakteristiky jednotlivých pilotních nosných frekvencí jsou funkcemi frekvenčního posunu, vyvolaného vzájemným přesunutím oscilátorů mezi vysílačem a přijímačem, a také Dopplerovými posuny, způsobenými pohybem vysílače a/nebo přijímače, anebo vzájemným přesunutím taktu vzorku mezi vysílačem a přijímačem, a také relativní polohou pilotní nosné frekvence uvnitř bloku OFDM.

Z těchto fázových charakteristik se proto může vypočítat posunutí frekvence a také vzájemné přesunutí taktů.

Takto se tedy v druhém kroku způsobu může podstatně přesněji určit jmenovitá frekvence a začáteční časový bod bloků OFDM průměrováním fází pilotních nosných frekvencí přes více bloků OFDM.

Těmito hodnotami je přijímač definitivně synchronizován a během celého vysílání doregulován, to znamená, že během vysílání se k synchronizaci použije jen ještě tento druhý krok způsobu při využití polohy fáze pilotních nosných frekvencí.

Aby byly při průměrování hodnot fází ojediněle vznikající velké odchylky ponechány co možno nepovšimnuty, jsou filtrované hodnoty fází v závislosti na kritériu kvality váženy, tj. hodnoty silně se odchylující od ostatních hodnot se při průměrování uvažují méně.

Toto kritérium kvality je multiplikativně vázáno s příslušnými optimálními hodnotami a použije se k tomu, aby hodnota byla buď hodnocena jen méně, nebo aby byla z průměrování úplně vyloučena. Toto kritérium se odvodí přednostně z kvality dekódování přijímače OFDM.

U takových přijímačů OFDM je často poskytnut tzv. „dekodér maximální pravděpodobnosti“ (ML - Maximum-Likelihood-Decoder), který má vlastnost, že jako výsledek dekódování poskytne také kritérium kvality. Toto kritérium může být při průměrování bezprostředně použito k vážení filtrované hodnoty.

Také tak zvané dekodéry aplikačního programu (APP Decoder - Application Program Decoder) se hodí k tomuto účelu, protože také poskytují odpovídající kritérium kvality přijatých signálů OFDM, tak zvaná pravděpodobnost podle zkušenosti (aposteriori).

Výsledek, tak zvané dekódování cyklickou kontrolou (CRC-Cyclic redundancy check) se k tomu také hodí jako měřítko kvality.

Před vlastní demodulací a dekódováním v přijímači A OFDM se přijaté signály ještě filtrují v adaptivním digitálním filtru F. Tento adaptivní filtr je řízen demodulátorem přijímače A podle svých filtrovaných hodnot a přivádí se kněmu také frekvenční a časové hodnoty vypočítané v přijímači.

Určený optimální časový bod vzorku a skutečná frekvence se během přenosu nemění nebo se mění jen velmi pomalu.

Pomalá změna je například možná, když vysílač a přijímač se od sebe vzdalují nebo se k sobě přibližují. Na základě pomalých změn mohou být tyto hodnoty upraveny. Takto určené optimální hodnoty frekvence a času v přijímači A OFDM jsou upraveny adaptivním filtrem. Ktomu se zvláště hodí Kalmanův filtr.

-4CZ 304589 B6

Při provozu s pevnou frekvencí přijímače může být adaptivní vstupní filtr F aktualizován také pomocí tak zvané rozhodovací zpětné vazby (DFE - Decision feedback), ve které se tím po určení přesných hodnot frekvence a času signál OFDM demoduluje a dekóduje a pomocí tohoto dekódovaného OFDM signálu se potom provede další hodnocení kanálu a vyrovnání.

Pomocí této rozhodovací zpětné vazby (DFE) je potom upraven adaptivní vstupní filtr F.

Na základě rozdílů oscilátorů vysílače a přijímače se fáze taktů mohou posunout. V důsledku toho se bez dalších dodatečných opatření čas od času vytvoří v přijímači bod vzorkování příliš mnoho nebo příliš málo.

Toto se může kompenzovat buď tím, že takto vzorkování v přijímači se odpovídajícím způsobem doreguluje, přičemž se například pro analogově digitální (A/D) převodník nebo hlavní oscilátor reguluje takt, od kterého jsou odvozeny jednotlivé takty.

Jinou možností je doregulovat toto uložení ve vyrovnávacím filtru posunutím fáze tak dlouho, až se překročí hranice jednoho bodu vzorkování. Při této hranici se potom jednoduše použije signál posunutý vpřed nebo vzad o jeden časový bod vzorkování.

V prvním kroku způsobu se k hrubému určení frekvence a začátku signálu OFDM může místo popsaného dvojrozměrného vyhledávacího postupu použít také vyhodnocení synchronizační sekvence opakovaně vysílané vysílačem k začátku vysílání, případně cyklicky nebo také necyklicky, čímž se proces synchronizace dále zjednoduší.

Jako synchronizační sekvence se hodí každý libovolný známý signál, například tak zvaný kmitočtově rozmítaný signál (Chirp signál), kterým se může v přijímači bezprostředně určit přibližná jmenovitá frekvence a jmenovitý začáteční časový bod signálu OFDM.

Těmito hodnotami se potom zase odpovídajícím způsobem řídí adaptivní vstupní filtr F, jak je to znázorněno na obr. 1.

Délka impulzní odezvy celkové přenosové funkce (kanálu + přijímacího filtru) nemá překročit délku ochranného intervalu OFDM.

Filtr se přednostně vyrábí tak, že se vyrábí optimální Wienerův filtr.

Také v tomto případě se adaptivní vstupní filtr může pomocí rozhodovací zpětné vazby (DFE) přizpůsobit na měnící se podmínky šíření.

Navazující druhý krok způsobu následuje zase tak, jakje popsán výše.

Claims (18)

1. Způsob frekvenční a časové synchronizace přijímače pro příjem signálů OFDM na pevné nosné frekvenci, vyznačující se tím, že obsahuje následující kroky:

v přijímači se v prvním způsobovém kroku pro pilotní signály, přenášené společně se signály OFDM, určí kritérium kvality OFDM signálu pro každý bod dvojrozměrné frekvenčně časové vyhledávací oblasti, která je v jedné dimenzi určena frekvenční vyhledávací oblastí, zahrnující jmenovitou frekvenci signálu OFDM, a v druhé dimenzi časovou vyhledávací oblastí, zahrnující jmenovitý začátek signálu OFDM,

-5CZ 304589 B6 z toho se určí bod oblasti s optimálním kritérium kvality signálu OFDM, potom se určí rozdíl mezi jmenovitou frekvencí a hodnotou frekvence, odpovídající optimálnímu kritériu kvality, a časovou hodnotou, odpovídající optimálnímu kritériu kvality, v následujícím druhém způsobovém kroku se v přijímači určí fáze nejméně jednoho z pilotních signálů, přenášených společně se signálem OFDM, a zprůměruje se přes několik bloků signálů OFDM, z toho se určí přesnější hodnota frekvence a časového začátku signálu OFDM, a přijímač se nakonec na tuto takto určenou frekvenci synchronizuje a signál OFDM se demoduluje počínaje takto určenou hodnotou časového začátku.

2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že během vysílacího času, následujícího po začáteční frekvenční a časové synchronizaci, se kontinuálně periodicky nebo aperiodicky opakuje pouze druhý způsobový krok k synchronizaci.

3. Způsob podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že na vstupu přijímače OFDM je uspořádán adaptivní digitální filtr, který je řízen konstantami filtru, vypočítanými v přijímači.

4. Způsob podle nároku 3, vyznačující se tím, že adaptivní filtr se dodatečně přizpůsobí na měnící se podmínky šíření přenosového kanálu.

5. Způsob podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že před určením kritéria optimální kvality se pomocí pilotních signálů, přenášených v signálu OFDM, odhadne přenosová funkce přenosového kanálu pro každou nosnou frekvenci signálu OFDM a v závislosti na tom se signál OFDM vyrovná.

6. Způsob podle nároku 5, vyznačující se tím, že jako kritérium kvality se použije odchylka mezi vstupem a výstupem vyrovnávače.

7. Způsob podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že kritérium kvality se určí pouze pro pilotní signály, přenášené společně se signály OFDM.

8. Způsob podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že na začátku vysílání nebo periodicky nebo aperiodicky během vysílání se vysílačem vysílá synchronizační sekvence ve formě speciální bitové struktury, a tím se určí optimální kritérium kvality.

9. Způsob podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že vyrovnání se provede násobením jednotlivých nosných frekvencí OFDM komplexní hodnotou, která odpovídá amplitudové a fázové charakteristice přenosového kanálu.

10. Způsob podle kteréhokoliv z nároků laž 9, vyznačující se tím, že zprůměrování fázových hodnot pilotních signálů, vypočítaných ve druhém způsobovém kroku, se provede filtrací a vyhlazením přes několik bloků signálů OFDM.

11. Způsob podle nároku 10, vyznačující se tím, že kfiltraci se použije lineární regrese.

12. Způsob podle nároku 10, vyznačující se tím, žek filtraci se použije „order statistic filter“, zejména mediánový filtr.

13. Způsob podle nároku 10, vyznačující se tím, žek filtraci se použije fázová řídicí smyčka.

-6CZ 304589 B6

14. Způsob podle některého z nároků 10 až 13, vyznačující se tím, že vypočítané fázové hodnoty se v závislosti na kritériu kvality signálů OFDM váží a při průměrování se příslušně váhově zohlední.

15. Způsob podle nároku 14, vyznačující se tím, že jako vážící kritérium se v přijímači použije kvalita dekódující výsledku.

16. Způsob podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že v demodulátoru přijímače je uspořádán přídavný adaptivní filtr, zejména Kalmanův filtr, kterým se vyregulují pomalé změny.

17. Způsob podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že po určení přesnějších hodnot pro frekvenci a začátek signálů OFDM se tyto signály demodulují a dekódují a pomocí tohoto dekódovaného signálu OFDM se následně provede další odhad kanálu a vyrovnání signálu OFDM.

18. Způsob podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že snímací takt v přijímači se synchronizuje se snímacím taktem vysílače buď řízením hlavního oscilátoru, nebo snímacího taktu analogově digitálního A/D převodníku nebo fázovým posunem ve filtru přijímače.

2 výkresy