JP3544147B2 - OFDM signal receiving apparatus, OFDM signal communication system and communication control method therefor - Google Patents

OFDM signal receiving apparatus, OFDM signal communication system and communication control method therefor Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直交配置された複数の搬送波(キャリア)信号で構成されるOFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)信号を用いてデータの送受信を行うOFDM信号受信装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、音声や映像もしくはデータ等のディジタル情報を伝送するOFDM信号通信システムの開発が進められており、携帯電話等の移動体においてもディジタル通信が主流になりつつある。
【0003】
移動体通信では、ビル等の建築物やその他の反射物による複数の反射波(マルチパス)の影響を考慮する必要がある。つまり、受信点には、複数の送信局からの電波が到達する。このようなマルチパスの現象は、信号に歪みを生じさせ、受信品質を劣化させる大きな原因となる。
【0004】
また、マルチメディア情報等を扱うOFDM信号通信システムでは、多様な要求品質への対応が求められる。たとえば、小型な携帯情報端末を用いたマルチメディア・ディジタル通信では、任意の地点から網等に接続する移動通信の利便性を有しつつ、信頼性の高い信号伝送が必要となる。
【0005】
移動体通信に限らず、ディジタル通信では、送信機から伝送される情報を復元するために、周波数同期やタイミング同期を確立する必要がある。特に、移動体通信では、受信状態が変動するため、同期処理が不可欠であるが、同期を取るには、ある程度の時間を要する。同期がはずれた状態では、情報の復元は、不可能となるため、同期がはずれた場合の回復のためにも、高速な周波数同期およびタイミング同期が必要となる。
【0006】
マルチメディア情報等を扱うOFDM信号通信システムでは、伝送される信号がバースト的に発生するため、パケット通信に適している。パケット通信では、時分割多元接続(TDMA)のように一定の周期ではなくランダムにパケットが送信される。このため、パケット毎に同期を確立する必要があり、短い時間で同期を確立しなければならない。さらに、マルチメディア情報を取り扱う携帯情報端末では、小型化の観点から高精度発振器の使用が困難であるため、高性能のキャリア周波数同期法を適用する必要がある。
【0007】
ところで、マルチパス伝搬路における遅延波の影響を低減する有効な方法として、OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)がある。OFDMは、伝送情報を分割して複数の低速なディジタル信号を生成し、その複数信号で直交関係にあるサブキャリアを独立に変調する方式である。マルチキャリアを用いた並列伝送によって、信号伝送速度を低くでき、さらに、OFDM特有のガード区間を設けることによって、単一キャリア変調方式と比べて遅延波の影響を低減することができる。
【0008】
以下にOFDM方式の概要について説明する。
【0009】
図21は送信側に用いられるOFDM変調装置の構成を示すブロック図である。OFDM変調装置には、送信データが入力される。この送信データは、シリアル/パラレル変換部201に供給されて、低速な複数の伝送シンボルからなるデータに変換される。つまり、伝送情報を分割して、複数の低速なディジタル信号を生成する。このパラレルデータは、逆高速フーリエ変換(IFFT)部202に供給される。
【0010】
パラレルデータは、OFDMを構成する各サブキャリアに割り当てられ、周波数領域においてマッピングされる。ここで、各サブキャリアに対してBPSK、QPSK、16QAM、64QAM等の変調が施される。マッピングデータは、IFFT演算を施すことによって、周波数領域の送信データから時間領域の送信データに変換される。これにより、互いに直交する関係にある複数のサブキャリアがそれぞれ独立に変調されたマルチキャリア変調信号が生成される。IFFT部202の出力は、ガードインターバル付加部203に供給される。
【0011】
ガードインターバル付加部203は、図22に示すように、伝送データの有効シンボルの後部をガードインターバルとして、伝送シンボル毎に有効シンボル期間の前部にコピーを付加する。このガードインターバル付加部で得られたベースバンド信号は、直交変調部204に供給される。
【0012】
直交変調部204は、ガードインターバル付加部203から供給されるベースバンドOFDM信号に対して、OFDM変調装置の局部発振器205から供給されるキャリア信号を用いて、直交変調を施し、中間周波数(IF)信号もしくは無線周波数(RF)信号に周波数変換する。すなわち、直交変調部は、ベースバンド信号を所望の伝送周波数帯域に周波数変換した後に伝送路に出力する。
【0013】
図23は、受信側に用いられるOFDM復調装置の構成を示すブロック図である。OFDM復調装置には、図21のOFDM変調装置によって生成されたOFDM信号が所定の伝送路を介して入力される。
【0014】
このOFDM復調装置に入力されたOFDM受信信号は、直交復調部211に供給される。直交復調部211は、OFDM受信信号に対して、OFDM復調装置の局部発振器212から供給されるキャリア信号を用いて直交復調を施し、RF信号もしくはIF信号からベースバンド信号に周波数変換し、ベースバンドOFDM信号を得る。このOFDM信号は、ガードインターバル除去部213に供給される。
【0015】
ガードインターバル除去部213は、OFDM変調装置のガードインターバル付加部203で付加された信号を、図示しないシンボルタイミング同期部から供給されるタイミング信号に従って除去する。このガードインターバル除去部203で得られた信号は、高速フーリエ変換(FFT)部214に供給される。
【0016】
FFT部214は、入力される時間領域の受信データをFFTすることによって周波数領域の受信データに変換する。さらに周波数領域においてデマッピングされ、各サブキャリア毎にパラレルデータが生成される。ここで、各サブキャリアに施されたBPSK、QPSK、16QAM、64QAM等の変調に対する復調がなされたことになる。FFT部214で得られたパラレルデータは、パラレル/シリアル変換部215に供給されて、受信データとして出力される。
【0017】
以上説明したように、OFDM復調装置は、OFDM変調装置から伝送される情報を復元するために、キャリア周波数同期やタイミング周波数同期を確立する必要がある。
【0018】
OFDMでは、サブキャリア間隔が狭く、各サブキャリアが直交配置されているため、OFDM復調装置の局部発振器212から供給されるキャリア周波数とOFDM変調装置のキャリア周波数がずれている場合、すなわち、周波数オフセットが存在する場合には、サブキャリア間の直交性が崩れて受信特性が著しく劣化する。従って、OFDMでは、キャリア周波数同期の確立が極めて重要である。
【0019】
OFDMの周波数同期法に関しては、電子情報通信学会技術研究報告書RCS97−210(1998−01)の「高速無線LAN用OFDM変調方式の同期系に関する検討」等に示されている。
【0020】
OFDMの同期法は、周波数領域での処理によるものと、時間領域での処理によるものに分類される。上記報告書に記載されている同期法は、時間領域での処理によるものである。この方式では、2つのOFDMシンボルを用い、その2つのパイロットシンボルに同一の信号を配置し、両者の相関演算によってキャリア周波数のずれおよびタイミングのずれを推定する。
【0021】
また、データシンボルを伝送する前に、初期位相を決定するスタートシンボルを別途送信して周波数誤差を推定する手法も知られている。ところが、この種の周波数誤差推定方法では、2シンボル以上のパイロットシンボルを伝送する必要があるため、伝送効率が低下してしまうという問題がある。
【0022】
伝送効率の向上のために、このスタートシンボルとパイロットシンボルとを兼ねることが可能であるが、この場合にも同期のために2シンボル以上のパイロットシンボルが必要となるという点は変わらないため、伝送効率が低下してしまうという問題点がある。
【0023】
一方、電子情報通信学会論文誌B−II Vol. J75−B−II,No.12,p884−895(1992年12月)には、複数の複素相関器を用いたキャリア周波数のオフセット推定法が開示 されている。この文献には、図24に示す周波数オフセット検出・除去方式が提案されている。この文献は、TDMAスロットに付加されるトレーニング信号を用いたシングルキャリア変調方式を対象としており、複数設けられた相関器には、同一の参照系列が設定されて、相関器に入力される受信信号の周波数を変化させている。
【0024】
初期同期を高速化するには、ある程度の回路規模の増大は避けられないが、回路規模の増加は、製造コストの増加につながるため、回路規模は、極力低く抑えることが望ましい。しかしながら、上記文献の場合、複素相関器が複数必要となるため、回路規模が大きくなるという問題がある。
【0025】
本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、その目的は、回路規模を増大することなく、信頼性の高いデータ伝送を行うことができるOFDM信号受信装置およびOFDM信号通信システムを提供することにある。
【0026】
上述した課題を解決するために、本発明は、所定の既知信号系列からなるパイロット信号が挿入されたOFDM(直交周波数分割多重)信号をアンテナにより受信する受信手段と、前記OFDM信号を復調するための基準信号である再生キャリア信号を生成する局部発振器と、前記再生キャリア信号に基づいて前記OFDM信号をベースバンド信号に変換する周波数変換器と、前記ベースバンド信号に基づいてFFT演算を行って周波数領域の受信データを生成するFFT演算手段と、を備えたOFDM信号受信装置であって、前記ベースバンド信号を標本化する標本化手段と、前記パイロット信号に対してそれぞれ異なる周波数オフセットが設定された参照信号と前記パイロット信号との間で複素相関演算を行って相関出力を求める複数の複素相関演算手段と、前記複数の複素相関演算手段のそれぞれで得られた相関出力に基づいて、前記再生キャリア信号と前記OFDM信号のキャリア信号との周波数誤差と、前記FFT演算手段が演算を行う際のタイミング誤差とを推定する誤差推定手段と、を備え、前記局部発振器は、前記周波数誤差に基づいて前記再生キャリア信号の周波数を制御し、前記FFT演算手段は、前記タイミング誤差に基づいてFFTウインドウを決定し、前記複数の複素相関演算手段のそれぞれは、前記標本化手段で標本化されたベースバンド信号が入力されるシフト段数がL(Lは2以上の整数)段の第1の信号シフト手段と、前記第1の信号シフト手段の各段の中から選択されたM(Mは2以上の整数で、M<L)段の出力と前記参照信号とをそれぞれ乗算するM個の複素乗算手段と、前記M個の複素乗算手段による各乗算結果を加算して前記相関出力を演算する加算手段と、を有することを特徴とするOFDM信号受信装置である。
【0036】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るOFDM信号受信装置およびOFDM信号通信システムについて、図面を参照しながら具体的に説明する。
【0037】
図1は、本発明に係るOFDM信号受信装置を備えたOFDM信号通信システムの一実施形態のブロック図である。図示のOFDM信号通信システムは、前述したOFDM信号を送受信するものであり、OFDM送信機10と、OFDM受信機11とで構成される。図1には、OFDM信号通信システムの構成要素の一部のみが示されている。
【0038】
OFDM送信機(送信手段)10は、周波数領域でマッピングされた伝送信号を時間領域の信号に変換する逆高速フーリエ変換器(IFFT)12と、時間領域の信号をRF信号に周波数変換する周波数変換器13と、周波数変換器13に正弦波のキャリア信号(局部発振信号)を供給する局部発振器14と、RF信号を電波として伝搬路に放射するアンテナ15とを有する。
【0039】
OFDM受信機11は、送信機10から送信されて無線伝搬路を経て到達したOFDM信号を受信するアンテナ(受信手段)16と、アンテナ16で受信したRF信号をベースバンド信号に周波数変換する周波数変換器17と、周波数変換器17に正弦波の局部発振信号を供給する局部発振器18と、受信したベースバンド信号を標本化する標本化器(標本化手段)19と、標本化器19の出力信号を用いて、周波数オフセットおよびタイミングオフセットを検出する周波数誤差&タイミング誤差推定器(誤差推定手段)20と、標本化器19が出力する時間領域信号を周波数領域信号に変換する高速フーリエ変換器(FFT、FFT演算手段)21とを有する。
【0040】
なお、図1では、簡略化のため、図22で説明したガードインターバル付加部やガードインターバル除去部を省略している。
【0041】
図2はOFDM送信機10から送信されるOFDM信号のバーストフレームのデータ構成を示す図である。バーストフレームには、既知信号系列が伝送されるパイロットシンボル(パイロット信号)が含まれている。マルチメディア情報を扱うOFDM信号通信システムでは、伝送される信号がバースト的に発生する。このため、バーストフレーム毎に同期を確立する必要がある。図2では、1シンボルのパイロットシンボルが図示されているが、1シンボル以上のパイロットシンボル(パイロット信号)が付加されていても構わない。
【0042】
OFDM信号に対して同期検波を行うためには、受信機が絶対位相を把握できるように、既知信号を送信する必要がある。また、差動検波を行うためには、スタートシンボルを伝送しなければならない。本実施形態では、OFDM信号のバーストフレーム構成として、1シンボル以上のパイロットシンボルを付加する。このため、周波数同期用のパイロットシンボルと、同期検波のための既知信号や差動検波のためのスタートシンボルとを兼ねることが可能となり、伝送効率の劣化を防ぐことができる。
【0043】
図1に示す周波数誤差&タイミング誤差推定器20は、標本化器19が出力する信号を用いて、パイロットシンボルにおいて伝送される信号と受信信号とのスライディング相関演算で得られる信号によって周波数誤差とタイミング誤差を検出する。
【0044】
周波数誤差&タイミング誤差推定器20から出力されるキャリア周波数誤差情報は、局部発振器18に供給される。局部発振器18は、入力されたキャリア周波数誤差情報を元に再生キャリア信号(局部発振信号)の発振周波数を変更する。周波数誤差&タイミング誤差推定器20から出力されるタイミング誤差情報は、FFT21に供給される。FFT21は、タイミング誤差情報を元にFFTウインドウを決定する。
【0045】
このように、本実施形態では、OFDM受信信号中のパイロットシンボルにおける時間領域の信号を利用して、キャリア周波数のずれの推定とサンプリングのタイミングのずれの推定とを行ない、キャリア周波数の同期捕捉とサンプリングタイミングの同期捕捉とを行う。なお、本実施形態の動作の詳細については、後述する。
【0046】
図3は図1に示した周波数誤差&タイミング誤差推定器20の内部構成を示すブロック図である。図3に示すように、周波数誤差&タイミング誤差推定器20は、標本化器19が出力した信号を、標本化器19に入力される標本化クロックでシフトするシフトレジスタ(第1の信号シフト手段)30と、複数の複素相関器(複素相関演算手段)31〜33と、複素相関器31〜33が出力した信号の最大値(周波数誤差の最大値信号と相関出力の最大値信号)を検出する最大値検出部(第1の最大値検索手段)34と、最大値検出部34が出力した信号を、標本化器19に入力される標本化クロックでシフトするシフトレジスタ35と、シフトレジスタ35の出力(最大値検出部34の出力をシフトした信号)の最大値を検出する最大値検出部(第2の最大値検索手段)36とを有する。
【0047】
周波数誤差&タイミング誤差推定器20は、複数の複素相関器31〜33を有し、各複素相関器31〜33には、それぞれ異なる参照系列が37〜39が設定される。各複素相関器31〜33は、シフトレジスタ30の各段の出力信号と参照系列とを乗算する複素乗算器(複素乗算手段)40と、複素乗算器40の出力を加算する加算器41とを有する。複素相関器31〜33に設定される参照系列37〜39は、パイロットシンボルにおいて伝送される信号に対して異なる周波数オフセットを与えた信号である。参照系列の詳細については後述する。
【0048】
次に、サンプリングタイミングのずれとキャリア周波数のずれの検出方法について説明する。説明を簡略化するため、キャリア信号成分を除去した等価低減におけるOFDM信号を取り扱う。等価低減におけるOFDM送信信号s(t)は、(1)式で表すことができる。
【0049】
【数1】

Figure 0003544147
(1)式において、NsはOFDM信号を構成するサブキャリアの数、NはFFT のポイント数、uはシンボル番号、vはサブキャリア数である。また、xuvは送信する符号であり、QPSKの場合には、(2)式で表される。
【0050】
【数2】
Figure 0003544147
(2)式において、Auvは振幅であり、ヌルサブキャリアの場合には、Auv=0である。また、(1)式において、guv(t)は、第uシンボルおよび第vシンボルにおけるOFDMの孤立パルス応答であり、(3)式で表される。
【0051】
【数3】
Figure 0003544147
(3)式において、fvは第vサブキャリア周波数、Tgはガードインターバル長、Tsは有効シンボル長、T=Tg+Tsであり、II(t)は(4)式で表さ れる。
【0052】
【数4】
Figure 0003544147
(3)式中の受信信号r(t)は、無線伝搬路が無ひずみであるとすると、(5)式で表される。
【0053】
【数5】
Figure 0003544147
(5)式において、Δfは周波数オフセット、Δθは位相オフセット、n( t)は複素の白色ガウス雑音である。
【0054】
受信信号r(t)を、シンボル当たりNサンプルで標本化した場合には、標本化出力系列は、r=r(t)となる。ただし、t=(k/Ts)+Tg+Δτ 、k=0,1,…,N−1であり、Δτはタイミングオフセットである。
【0055】
パイロットシンボルにおいて伝送される信号は既知信号系列であるため、OFDM受信機11で受信されるパイロットシンボルの時間波形は既知である。したがって、OFDM受信機11は、予め用意しておいた時間波形と受信信号との相関演算を行うことによって、相関値列を得ることができる。例えば図3において、複素相関器31〜33から出力される信号列がこの相関値列に当る。
【0056】
図4は、複素相関器31から出力される相関値列の例を示したものである。この相関値列は、無線伝搬路のインパルス応答に相当する。つまり、遅延プロファイルを表している。伝搬路が2パスでモデル化できる場合には、2つの相関ピークを観測することができる。
【0057】
パイロットシンボルにおいて伝送される信号を受信した信号と、受信機で予め用意しておいた信号との相関演算は、自己相関演算に相当する。図5に、この自己相関演算によって得られる系列を示す。自己相関演算によって得られる系列には、図5に示すような相関ピークが出現する。相関ピーク以外の部分は、相関サイドローブとなる。相関サイドローブの特性は、OFDM信号の時間波形の自己相関特性に依存する。
【0058】
図5の相関ピークは、受信信号に含まれる自己相関特性の良好な既知信号の位置を示しており、この位置を検出することで、バーストフレームの同期を確立することができる。
【0059】
なお、受信信号に含まれる自己相関特性の良好な既知信号を利用したピークサーチでは、周波数誤差があると、複素相関器31〜33の出力する信号レベルが低下し、同期特性が劣化してしまう。しかしながら、本実施形態におけるOFDM信号通信システムでは、図3に示すように、パイロットシンボルにおいて伝送される信号に対して、それぞれ異なる周波数オフセットを与えた信号を参照系列として複数の複素相関器31〜33に設定しているため、複数の周波数オフセットに対応した相関をとることで、周波数誤差の影響による相関出力レベルの低下を防止し、かつ同期特性の劣化を抑えることが出来る。
【0060】
パイロットシンボルにおいて伝送される信号に対して周波数オフセットfを 与えた参照系列dは、(6)式で表される。
【0061】
【数6】
Figure 0003544147
(6)式において、uは送信信号の離散値であり、u=s(k/N)である。た だし、NはFFTのポイント数である。
【0062】
パイロットシンボルにおいて伝送される信号に対して周波数オフセットfを 与えた参照系列と受信信号の相関出力との周波数応答a(Δf)は、(7)式で表される。
【0063】
【数7】
Figure 0003544147
(7)式において、diはdiの複素共役である。ここで、雑音、サンプリン グのタイミングずれ、および位相オフセットの影響が無視できると仮定すると、(7)式は(8)式のように変形される。
【0064】
【数8】
Figure 0003544147
(8)式より、相関出力の周波数応答は、パイロットシンボルにおいて伝送される信号系列に依存することがわかる。
【0065】
(8)式において、|u(i)|は送信信号系列の大きさを表し、exp(j2π(Δf−f)・i/N)は参照系列dとの周波数のずれを表している。周波数のずれを表すベクトルは、系列番号に応じて回転し、回転量は周波数のずれに依存する。すなわち、exp(j2π(Δf−f)・i/N)が表現する系列は、向きが系列番号に応じて回転し、長さが送信信号系列の大きさであるベクトルである。
【0066】
図6は、(8)式に示す周波数応答、すなわち、パイロットシンボルにおいて伝送される信号に対して周波数オフセットΔfを与えた参照系列と受信信号の相関出力の大きさ|a(Δf)|の周波数応答の例を示す図である。ただし、図6に おいて、fは0である。図6より、周波数オフセットが0の場合に、相関値は 最大になることがわかる。
【0067】
すなわち、図3に示す複数の複素相関器31〜33に、それぞれ異なる周波数オフセットを有する参照系列を設定したときに、各複素相関器31〜33から出力される、参照系列と受信信号との相関出力絶対値の最大値を検索し、最大値を出力した複素相関器に対応する周波数オフセットにより、OFDM送信信号のキャリア周波数とOFDM受信信号のキャリア周波数とのずれを検出することができる。
【0068】
図3における最大値検出部34は、前述したサーチ手順を実行し、キャリア周波数の誤差信号と相関出力の最大値信号とを出力する。
【0069】
なお、図6では、パイロットシンボルにおいて伝送される既知信号系列が異なる2つの参照系列A,Bと受信信号との相関出力の大きさ|a(Δf)|の周波数 応答の例を示している。図6より、参照系列と受信信号の相関出力の大きさ|a(Δf)|の周波数応答は、既知信号系列に依存することがわかる。
【0070】
図3において、最大値検出部34に接続されたシフトレジスタ35は、最大値検出部34が出力した相関出力の最大値信号を順にシフトし、最大値検出部36は、シフトレジスタ35の各段の出力の中から最大値を検出する。この最大値は、前述した自己相関演算によって得られる系列の自己相関ピークを示しており、このピーク位置は、無線伝搬路を経て受信される信号のバーストフレームの基準タイミングを示している。
【0071】
最大値検出部36は、検出されたバーストフレームの基準タイミングと、OFDM受信機11のタイミングとの誤差であるタイミング誤差信号を出力する。また、最大値検出部36は、最大値検出部34で検出された相関出力の最大値を出力した複素相関器が出力した相関出力の最大値を検出し、相関出力の最大値が出力されるタイミングに対応する周波数オフセットを、周波数誤差信号として出力する。
【0072】
なお、ここで得られる周波数オフセット量は、複素相関器の個数に依存した離散値である。したがって、補間演算を行うことにより、周波数誤差信号の精度を向上させることができる。
【0073】
以上のような構成により、サンプリングタイミング誤差とキャリア周波数の誤差の検出が可能となり、信頼性の高い信号伝送が可能なOFDM信号通信システムを実現できる。
【0074】
前述したように、マルチメディア情報等を扱うOFDM信号通信システムでは、伝送される信号がバースト的に発生するため、バーストフレーム毎に短時間で同期を確立する必要がある。高速な初期同期のためには、ある程度の回路規模の増大は避けられないが、回路規模の増大は、製造コストの上昇につながるため、回路規模は、できるだけ小さくするのが望ましい。つまり、全体の回路負担に占める割合が比較的大きい複素のスライディング相関器を、如何にして簡易な構成とするかが重要な技術課題となる。
【0075】
そこで、以下に、図3に示す複素相関器の回路規模を低減する手法について説明する。以下に説明する手法は、パイロットシンボルにおいて伝送される信号に対して異なる周波数オフセットを与えた参照系列との相関演算に着目したものである。
【0076】
前述したように、パイロットシンボルにおいて伝送される信号に対して周波数オフセットΔfを与えた参照系列と受信信号との相関出力a(Δf)は、前述した(8)式により表現できる。なお、説明を簡略化するため、(8)式では、雑音、サンプリングタイミングのずれ、および位相オフセットの影響が無視できると仮定している。
【0077】
周波数のずれを表すベクトルは、図7に示すように、パイロット信号の信号系列の系列番号に応じて回転し、回転量は周波数のずれに依存する。Δf=1のとき、このベクトルは一回転する。すなわち、exp(j2π(Δf−fk)i/N)が表 現する系列は、向きが系列番号に応じて回転し、長さが送信信号系列の大きさであるベクトルである。
【0078】
ここで、|u(i)|・exp(−j2π(Δf−fk)i/N)の特徴について考察す る。ベクトル軌跡の変化を理解しやすいように、送信信号系列の大きさ|u(i)|の変化が小さい例を用いて説明する。
【0079】
図8および図9にベクトル軌跡の一例を示す。FFTのポイント数N=64、OFDM信号を構成するサブキャリアの数Ns=4であり、図8はΔf=0.25、図9 はΔf=0.5である。
【0080】
ベクトル軌跡が図8および図9のようになることは、送信信号系列の大きさ| u(i)|を観測すると理解できる。
【0081】
図10は図8および図9に対応する送信信号系列の大きさ|u(i)|を示す図 である。図10の横軸はサンプル番号iであり、縦軸は|u(i)|である。
【0082】
図8〜図10より、|u(i)|・exp(−j2π(Δf−fk)i/N)が表現する系列は、向きが系列番号に応じて回転し、長さが送信信号系列の大きさであるベクトルであることが確認できる。また、(8)式で示される相関出力a(Δf)は、これらの軌跡のベクトル和から算出される。
【0083】
ここで、図8および図9に示したベクトル軌跡の分布に着目する。図8および図9より、原点付近に多数の分布が存在することがわかる。このことは、送信信号系列の大きさ|u(i)|の分布は、0付近が高く、|u(i)|が大きい値をとる分布はわずかであることを示している。(8)式で示される相関出力a(Δf)は、これらの軌跡のベクトル和であるため、送信信号系列の大きさ|u(i)|が大 きな値をとるときの影響が支配的となる。
【0084】
このため、本実施形態では、参照系列をいくつかの代表的なベクトルのみで表現する。
【0085】
図8および図9では、ベクトル軌跡の変化を理解しやすいように、送信信号系列の大きさ|u(i)|の変化が小さい場合の例を示した。しかしながら、OFDMの 時間波形は、比較的変動が大きいという特徴を有している。逆に言うと、変化の小さいケースはまれである。
【0086】
図11はQPSKマッピングされたデータを伝送した場合のベクトル軌跡の例を示す図である。図11では、FFTのポイント数N=32、OFDM信号を構成するサブキャリアの数Ns=32である。図11(a)はパイロットシンボルにおいて 伝送される信号に対して与えられる周波数オフセットΔf=0.4の場合、図11(b)はΔf=0.9の場合である。
【0087】
図11より、送信信号系列の大きさ|u(i)|の分布は、0付近が高く、|u( i)|が大きい値をとる分布はわずかであることがわかる。
【0088】
本実施形態では、参照系列をいくつかの代表的なベクトルのみで表現する。以下、代表ベクトルの例を図12および図13を用いて説明する。
【0089】
図12はランダムデータを伝送した場合のベクトル軌跡を示す図である。図12は、FFTのポイント数N=64、OFDM信号を構成するサブキャリアの数Ns =64、周波数オフセットΔf=1.0の例を示している。図12からも、送信信 号系列の大きさ|u(i)|が大きな値となるベクトルはわずかであることがわか る。
【0090】
このため、本実施形態では、図12のベクトルを図13に示すような代表的なベクトルで表現する。すなわち、参照系列を図13に示すような代表ベクトル以外を0としたベクトルで表現する。
【0091】
(複素相関器の第1の構成例)
次に、図3に示す複素相関器31〜33の具体例について説明する。図14は複素相関器の第1の構成例を示すブロック図である。図14の複素相関器50は、段数がLのシフトレジスタ51と、参照系列52と、M個の複素乗算器53と、各複素乗算器53の出力を加算する加算器54とを有する。
【0092】
参照系列52は、パイロットシンボルにおいて伝送される信号の時間領域における大きさが大きな値をとる系列番号に対応した代表ベクトルである。乗算器53は、前述した代表ベクトルの番号に対応する位置に配置する。図14は、L=6、代表ベクトルの番号が1、4、6である場合の例を示している。
【0093】
(複素相関器の第2の構成例)
図15は複素相関器の第2の構成例を示すブロック図である。図15の複素相関器60は、段数がともにLであるシフトレジスタ(第2および第3の信号シフト手段)61,62と、M個の複素乗算器63と、各複素乗算器63の出力を加算する加算器64とを有する。乗算器63は、前述した代表ベクトルの番号に対応する位置に配置される。図15は、L=6、代表ベクトルの番号が1、4、6の場合の例を示している。
【0094】
図15の複素相関器60においても、乗算器63の数を減らすことができるため、回路規模の増大を抑制でき、製造コストの削減が図れる。
【0095】
図16は図15の複素相関器60を有するOFDM受信機11の構成の一部を示すブロック図である。図16のOFDM受信機11は、OFDM受信信号を標本化する標本化器19と、1シンボル遅延器(遅延手段)65と、図15の複素相関器60とを有する。
【0096】
図16のOFDM受信機11では、複素相関器60により、2つの連続するパイロットシンボルが配置されたバーストフレームデータの相関ピークを得ることができ、複素相関器60から出力される信号の最大値をサーチすることで、バーストフレームを検出することができる。
【0097】
(複素相関器の第3の構成例)
上述した図14および図15では、パイロットシンボルにおいて伝送される信号の時間領域における大きさが大きな値をとる代表ベクトルに対応して複素乗算器を配置する例を説明したが、パイロットシンボルにおいて伝送される信号として、巡回系列の信号を伝送すれば、複素乗算器を等間隔に配置することができる。
【0098】
以下、複素乗算器を等間隔に配置できるような既知信号系列について説明する。この既知信号系列は、パイロット信号が伝送されるタイミングで伝送されるものである。
【0099】
参照系列dをいくつかの代表ベクトルで表現するために、既知信号系列とし て、周波数領域における位相配置がサブキャリアに対して巡回するように設定した系列を採用する。ここでは、このような系列を巡回系列と呼ぶ。
【0100】
巡回系列では、繰り返し周期をIgとすると、既知信号系列{Xk}をIFFTした時間応答の系列{xk}は、N/Igごとに値をもつようになる。
【0101】
すなわち、パイロットシンボルに巡回系列を用いることにより、複素乗算器の数を減らすことができ、回路規模の増加を極力抑えることができる。
【0102】
巡回系列は(9)式で表される。
k+1・X =exp(jφ modulo I) …(9)
ただし、k(k=0,1,…,N−1)はサブキャリア番号、φはサブキャリア間の位相変化である。
【0103】
(9)式を満足する系列は複数存在する。しかしながら、巡回系列では、特定サンプルに対して電力が集中するため、PAPR(Peak to Average Power Ratio)の 点からは不利である。PAPRが大きいということは、OFDM変調方式の欠点の一つである。PAPRは、電力効率の観点からはできる限り小さい方が望ましい。
【0104】
このため、各代表ベクトルに電力が等分配される巡回系列、すなわち、|xi|=N/Igとなるような巡回系列を選ぶ必要がある。ここで、iは代表ベクトル の番号を、NはFFTのポイント数を示す。巡回周期Igは、代表ベクトルの数 に一致する。
|xi|=N/Igとなる系列の一例として、(10)式がある。
(φ0,φ1,φ2,…,φ15)
=(0,π/2,−π/2,π,π/2,−π/2,π,0,π,π/2,π/2,π,−π/2,−π/2,0,0)
…(10)
ここで、Ig=16、XkはQPSKマッピングとしている。
【0105】
この系列では、代表ベクトルの間隔は、等間隔(i=0,N/Ig,2・N/Ig,…,(Ig−1)・N/Ig)となる。
【0106】
図17は巡回系列のパイロット信号を用いた場合の複素相関器の第3の構成例を示すブロック図である。既知信号系列に巡回系列を用いると、その時間応答は、等間隔ごとに値を有するため、乗算器102は等間隔に配置される。図17は、乗算器の数が4の場合の例を示している。なお、乗算器102の数は巡回周期Igに一致する。すなわち、パイロットシンボルに巡回系列を用いることにより 、スライディング相関器における複素乗算器の数を減らすことができ、回路規模の増加を抑制できる。
【0107】
次に、巡回系列のパイロット信号を送信する場合の複素相関器の構成について説明する。
【0108】
(複素相関器の第4の構成例)
図18は複素相関器の第4の構成例を示すブロック図である。図18の複素相関器70は、段数がともにLのシフトレジスタ71,72と、M個の複素乗算器73と、各複素乗算器73の出力を加算する加算器74とを有する。乗算器73は、代表ベクトルの番号に対応する位置に配置される。
【0109】
パイロット信号は巡回系列であるため、図18に示すように乗算器73を等間隔に配置することができる。
【0110】
図18の複素相関器は乗算器73,85を等間隔に配置する以外は、図15と同様に構成される。したがって、図15と同様の作用・効果が得られる。
【0111】
(複素相関器の第5の構成例)
図19は複素相関器の第5の構成例を示すブロック図である。図19の複素相関器90は、巡回系列のパイロット信号を伝送する場合の構成であり、入力系列を1:Kの率でパラレルに変換するシリアル/パラレル変換器91と、段数がMのシフトレジスタ92と、M個の複素乗算器93と、各複素乗算器93の出力を加算する加算器94と、参照系列95とを有する。参照系列95は、パイロットシンボルにおいて伝送される信号の時間領域における大きさが大きな値をとる系列番号に対応した代表ベクトルである。
【0112】
図19の複素相関器20は、受信されたパイロット信号と参照系列との間で複素演算を行う点で、図18の複素相関器20と異なる。図19の複素相関器90の場合も、乗算器の数が少なくて済むため、回路規模の増大を抑制できるとともに、製造コストを削減できる。
【0113】
(周波数誤差&タイミング誤差推定器の他の構成例)
図20は周波数誤差&タイミング誤差推定器の他の構成例を示すブロック図である。図20の周波数誤差&タイミング誤差推定器20aには、図1に示した標本化器19から出力された信号が入力される。周波数誤差&タイミング誤差推定器20aからは、局部発振器18に供給される周波数誤差信号と、FFT21に供給されるタイミング誤差信号とが出力される。
【0114】
図20の周波数誤差&タイミング誤差推定器20aは、シフトレジスタ30と、複数の複素相関器31〜33と、最大値検出部34と、比較器111と、平均受信電力測定部112とを有する。各複素相関器31〜33には、それぞれ異なる参照系列37〜39が設定される。各複素相関器31〜33は、シフトレジスタ30から入力される信号と参照系列とを掛け合わせる複素乗算器41と、複素乗算器41の出力を加算する加算器42とを有する。複素相関器31〜33に設定される参照系列37〜39は、パイロットシンボルにおいて伝送される信号に対して異なる周波数オフセットを与えた信号である。
【0115】
最大値検出部34は、各複素相関器31〜33から出力される相関値の最大値を検出し、相関値の最大値と、そのときの周波数オフセット量とを出力する。キャリア周波数の誤差は、最大値を出力した複素相関器に対応する周波数から検出できる。ここで得られる周波数オフセット量は、複素相関器の個数に依存した離散値である。このため、最大値を出力した複素相関器と、その複素相関器に隣接する複素相関器からの出力を用いた補間により、周波数誤差を得る。
【0116】
複数の複素相関器の各出力信号の最大値を検出することにより、受信信号に含まれる自己相関特性の良好な既知信号の位置を検出でき、これにより、バーストフレームの同期を確立することができる。
【0117】
最大値検出部34から出力された相関値および周波数オフセット量は、比較器111に入力される。比較器111には、平均受信電力測定部112の出力信号が入力される。平均受信電力測定部112には、図1に示した標本化器19が出力する信号が入力され、平均受信電力値が出力される。平均受信電力測定部112は、受信信号の平均電力を測定する。比較器111は、受信信号の平均電力の情報に基づいて比較値を設定し、この比較値と、最大値検出部34から出力された相関値の最大値との比較演算を行う。
【0118】
この比較演算により、比較器111は、受信信号に含まれる自己相関特性の良好な既知信号の位置と内部クロックとの誤差を求め、その誤差値をタイミングオフセットとして出力する。複素相関器31〜33から出力される相関出力の絶対値が大きいほど、平均電力は大きくなるため、図示の比較器111は、平均電力測定部112で測定された電力が予め設定された比較値以上になったときを基準として周波数誤差信号と相関出力最大値信号を出力する。
【0119】
図20のような構成により、サンプリングタイミング誤差とキャリア周波数誤差の検出が可能になり、信頼性の高い信号伝送が可能なOFDM信号受信装置を実現することができる。
【0120】
上述した実施形態では、最大値検出部36から周波数誤差信号とタイミング誤差信号を出力する例を説明したが、周波数誤差信号のみを出力してキャリア周波数の誤差調整のみを行ってもよい。
【0121】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、受信したパイロット信号と、パイロット信号に対してそれぞれ異なる周波数オフセットが設定された参照信号との間で複素相関演算を行った結果に基づいて、再生キャリア信号の周波数を制御するため、受信フレームの同期確立を迅速に行うことができ、安定した信頼性の高い信号伝送およびその受信が可能となる。また、複素相関演算手段の内部の構成を簡略化できるため、回路規模の増大を抑制でき、それに伴って製造コストを削減できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るOFDM信号受信装置を備えたOFDM信号通信システムの一実施形態のブロック図。
【図2】OFDM送信機から送信されるOFDM信号のバーストフレームのデータ構成を示す図。
【図3】
図1に示した周波数誤差&タイミング誤差推定器の内部構成を示すブロック図。
【図4】
複素相関器から出力される相関値列の例を示す図。
【図5】
自己相関演算によって得られる系列を示す図。
【図6】
パイロットシンボルにおいて伝送される信号に対して周波数オフセットΔfを与えた参照系列と受信信号の相関出力の大きさ|a(Δf)|の周波数応答の例を 示す図。
【図7】
周波数のずれを表すベクトルを示す図。
【図8】
Δf=0.25の場合のベクトル軌跡の一例を示す図。
【図9】
Δf=0.5の場合のベクトル軌跡の一例を示す図。
【図10】
図8および図9に対応する送信信号系列の大きさ|u(i)|を示す図。
【図11】QPSKマッピングされたデータを伝送した場合のベクトル軌跡の例を示す図。
【図12】
ランダムデータを伝送した場合のベクトル軌跡を示す図。
【図13】
代表ベクトル以外を0としたベクトル軌跡を示す図。
【図14】複素相関器の第1の構成例を示すブロック図。
【図15】複素相関器の第2の構成例を示すブロック図。
【図16】図15の複素相関器を有するOFDM受信機の構成の一部を示すブロック図。
【図17】パイロット信号に巡回系列を用いた場合の複素相関器の第3の構成例を示すブロック図。
【図18】複素相関器の第4の構成例を示すブロック図。
【図19】複素相関器の第5の構成例を示すブロック図。
【図20】周波数誤差&タイミング誤差推定器の他の構成例を示すブロック図。
【図21】送信側に用いられるOFDM変調装置の構成を示すブロック図。
【図22】ガードインターバルを説明する図。
【図23】受信側に用いられるOFDM復調装置の構成を示すブロック図。
【図24】文献に記載された周波数オフセット検出・除去方式を示す図。
【符号の説明】
10 OFDM送信機
11 OFDM受信機
12 逆高速フーリエ変換器(IFFT)
13,17 周波数変換器
14,18 局部発振器
15,16 アンテナ
19 標本化器
20 タイミング誤差推定器
21 高速フーリエ変換器(FFT)
30,35 シフトレジスタ
31〜33 複素相関器
34,36 最大値検出部
37〜39 参照系列
40 複素乗算器
41 加算器[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an OFDM signal receiving apparatus that transmits and receives data using an orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) signal including a plurality of orthogonally arranged carrier signals.
[0002]
[Prior art]
In recent years, an OFDM signal communication system for transmitting digital information such as voice, video or data has been developed, and digital communication is becoming mainstream even in mobiles such as mobile phones.
[0003]
In mobile communication, it is necessary to consider the effects of a plurality of reflected waves (multipath) due to buildings such as buildings and other reflecting objects. That is, radio waves from a plurality of transmitting stations reach the receiving point. Such a multipath phenomenon causes distortion in a signal and is a major cause of deterioration in reception quality.
[0004]
In addition, an OFDM signal communication system that handles multimedia information and the like is required to support various required qualities. For example, multimedia digital communication using a small portable information terminal requires highly reliable signal transmission while having the convenience of mobile communication for connecting to a network or the like from an arbitrary point.
[0005]
In digital communication as well as in mobile communication, it is necessary to establish frequency synchronization and timing synchronization in order to restore information transmitted from a transmitter. In particular, in mobile communication, a reception process fluctuates, so that synchronization processing is indispensable, but it takes a certain amount of time to achieve synchronization. In a state where synchronization is lost, information cannot be restored. Therefore, high-speed frequency synchronization and timing synchronization are required for recovery in the case where synchronization is lost.
[0006]
An OFDM signal communication system that handles multimedia information and the like is suitable for packet communication because a signal to be transmitted occurs in a burst. In packet communication, packets are transmitted at random instead of at a fixed cycle as in time division multiple access (TDMA). Therefore, synchronization must be established for each packet, and synchronization must be established in a short time. Furthermore, in a portable information terminal that handles multimedia information, it is difficult to use a high-precision oscillator from the viewpoint of miniaturization, so it is necessary to apply a high-performance carrier frequency synchronization method.
[0007]
By the way, as an effective method of reducing the influence of a delayed wave on a multipath propagation path, there is OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). OFDM is a scheme in which transmission information is divided to generate a plurality of low-speed digital signals, and the plurality of signals are used to independently modulate orthogonal subcarriers. By parallel transmission using multicarriers, the signal transmission speed can be reduced, and by providing a guard section unique to OFDM, the effect of a delayed wave can be reduced as compared with the single carrier modulation method.
[0008]
The outline of the OFDM method will be described below.
[0009]
FIG. 21 is a block diagram showing a configuration of an OFDM modulator used on the transmission side. Transmission data is input to the OFDM modulator. This transmission data is supplied to the serial / parallel conversion unit 201 and is converted into data composed of a plurality of low-speed transmission symbols. That is, the transmission information is divided to generate a plurality of low-speed digital signals. The parallel data is supplied to an inverse fast Fourier transform (IFFT) unit 202.
[0010]
Parallel data is allocated to each subcarrier constituting OFDM, and is mapped in the frequency domain. Here, modulation such as BPSK, QPSK, 16QAM, and 64QAM is performed on each subcarrier. The mapping data is converted from transmission data in the frequency domain to transmission data in the time domain by performing an IFFT operation. As a result, a multicarrier modulated signal is generated in which a plurality of subcarriers that are orthogonal to each other are independently modulated. The output of IFFT section 202 is supplied to guard interval adding section 203.
[0011]
As shown in FIG. 22, guard interval adding section 203 adds a copy to the front of the effective symbol period for each transmission symbol, using the rear of the effective symbol of the transmission data as a guard interval. The baseband signal obtained by the guard interval addition unit is supplied to the quadrature modulation unit 204.
[0012]
The quadrature modulation section 204 performs quadrature modulation on the baseband OFDM signal supplied from the guard interval addition section 203 using the carrier signal supplied from the local oscillator 205 of the OFDM modulation apparatus, and performs an intermediate frequency (IF). Frequency conversion to a signal or radio frequency (RF) signal. That is, the quadrature modulation unit frequency-converts the baseband signal into a desired transmission frequency band and then outputs the signal to the transmission path.
[0013]
FIG. 23 is a block diagram showing a configuration of an OFDM demodulator used on the receiving side. An OFDM signal generated by the OFDM modulator of FIG. 21 is input to the OFDM demodulator via a predetermined transmission path.
[0014]
The OFDM reception signal input to the OFDM demodulation device is supplied to the quadrature demodulation unit 211. The quadrature demodulation unit 211 performs quadrature demodulation on the OFDM reception signal using the carrier signal supplied from the local oscillator 212 of the OFDM demodulation apparatus, frequency-converts the RF signal or the IF signal into a baseband signal, Obtain an OFDM signal. This OFDM signal is supplied to guard interval removing section 213.
[0015]
The guard interval removing section 213 removes the signal added by the guard interval adding section 203 of the OFDM modulator according to a timing signal supplied from a symbol timing synchronization section (not shown). The signal obtained by the guard interval removing unit 203 is supplied to a fast Fourier transform (FFT) unit 214.
[0016]
The FFT unit 214 converts the input reception data in the time domain into reception data in the frequency domain by performing FFT. Furthermore, demapping is performed in the frequency domain, and parallel data is generated for each subcarrier. Here, the demodulation for the modulation such as BPSK, QPSK, 16QAM, or 64QAM applied to each subcarrier is performed. The parallel data obtained by the FFT unit 214 is supplied to a parallel / serial conversion unit 215 and output as reception data.
[0017]
As described above, the OFDM demodulator needs to establish carrier frequency synchronization and timing frequency synchronization in order to restore information transmitted from the OFDM modulator.
[0018]
In OFDM, since the subcarrier spacing is narrow and each subcarrier is orthogonally arranged, the carrier frequency supplied from the local oscillator 212 of the OFDM demodulator and the carrier frequency of the OFDM modulator differ from each other, ie, the frequency offset Is present, the orthogonality between the subcarriers is broken and the reception characteristics are significantly degraded. Therefore, in OFDM, establishment of carrier frequency synchronization is extremely important.
[0019]
The frequency synchronization method of OFDM is described in "Study on Synchronous System of OFDM Modulation System for High-Speed Wireless LAN" in IEICE Technical Report RCS97-210 (1998-01).
[0020]
OFDM synchronization methods are classified into those based on processing in the frequency domain and those based on processing in the time domain. The synchronization method described in the above report is based on processing in the time domain. In this method, two OFDM symbols are used, the same signal is allocated to the two pilot symbols, and a carrier frequency shift and a timing shift are estimated by a correlation operation between the two.
[0021]
In addition, there is also known a method of separately transmitting a start symbol for determining an initial phase before transmitting a data symbol to estimate a frequency error. However, in this type of frequency error estimation method, it is necessary to transmit two or more pilot symbols, so that there is a problem that transmission efficiency is reduced.
[0022]
In order to improve the transmission efficiency, it is possible to use both the start symbol and the pilot symbol. However, in this case, two or more pilot symbols are required for synchronization. There is a problem that the efficiency is reduced.
[0023]
On the other hand, IEICE Transactions B-II Vol. J75-B-II, No. 12, p884-895 (December 1992) discloses a carrier frequency offset estimation method using a plurality of complex correlators. This document proposes a frequency offset detection / removal method shown in FIG. This document is directed to a single-carrier modulation scheme using a training signal added to a TDMA slot, and a plurality of correlators are provided with the same reference sequence and receive signals input to the correlator. Frequency is changed.
[0024]
To speed up the initial synchronization, it is inevitable to increase the circuit scale to some extent. However, since an increase in the circuit scale leads to an increase in manufacturing cost, it is desirable to keep the circuit scale as low as possible. However, in the case of the above document, a plurality of complex correlators are required, so that there is a problem that the circuit scale becomes large.
[0025]
The present invention has been made in view of such a point, and an object of the present invention is to provide an OFDM signal receiving apparatus and an OFDM signal communication system capable of performing highly reliable data transmission without increasing the circuit scale. To provide.
[0026]
In order to solve the above-mentioned problem, the present invention provides a receiving means for receiving an OFDM (orthogonal frequency division multiplexing) signal in which a pilot signal composed of a predetermined known signal sequence is inserted by an antenna, and for demodulating the OFDM signal. A local oscillator for generating a reproduced carrier signal as a reference signal, a frequency converter for converting the OFDM signal to a baseband signal based on the reproduced carrier signal, and performing an FFT operation based on the baseband signal to obtain a frequency. An OFDM signal receiving apparatus comprising: an FFT operation unit that generates reception data in a region; a sampling unit that samples the baseband signal; and different frequency offsets are set for the pilot signal. A plurality of complex correlation operation means for performing a complex correlation operation between a reference signal and the pilot signal to obtain a correlation output; The frequency error between the reproduced carrier signal and the carrier signal of the OFDM signal, based on the correlation output obtained by each of the plurality of complex correlation operation means, and the timing error when the FFT operation means performs the operation. Error estimation means for estimating, the local oscillator controls the frequency of the reproduced carrier signal based on the frequency error, the FFT calculation means determines an FFT window based on the timing error, Each of the plurality of complex correlation operation means includes a first signal shift means having L (L is an integer of 2 or more) shift stages to which the baseband signal sampled by the sampling means is input; M complex multiplying means for multiplying the output of M stages (M is an integer equal to or greater than 2 and M <L) selected from the respective stages of the 1 signal shifting unit and the reference signal, respectively. And an adder for calculating the correlation output by adding the multiplication results of the M complex multiplyers.
[0036]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an OFDM signal receiving apparatus and an OFDM signal communication system according to the present invention will be specifically described with reference to the drawings.
[0037]
FIG. 1 is a block diagram of an embodiment of an OFDM signal communication system including an OFDM signal receiving apparatus according to the present invention. The illustrated OFDM signal communication system transmits and receives the above-described OFDM signal, and includes an OFDM transmitter 10 and an OFDM receiver 11. FIG. 1 shows only some of the components of the OFDM signaling system.
[0038]
An OFDM transmitter (transmission means) 10 includes an inverse fast Fourier transformer (IFFT) 12 for converting a transmission signal mapped in the frequency domain into a signal in the time domain, and a frequency conversion for frequency-converting the signal in the time domain into an RF signal. A local oscillator 14 for supplying a sinusoidal carrier signal (local oscillation signal) to the frequency converter 13, and an antenna 15 for radiating an RF signal as a radio wave to a propagation path.
[0039]
The OFDM receiver 11 receives an OFDM signal transmitted from the transmitter 10 via a radio channel, and receives an OFDM signal. The frequency converter converts the RF signal received by the antenna 16 into a baseband signal. , A local oscillator 18 for supplying a sinusoidal local oscillation signal to the frequency converter 17, a sampler (sampling means) 19 for sampling the received baseband signal, and an output signal of the sampler 19 , A frequency error & timing error estimator (error estimating means) 20 for detecting a frequency offset and a timing offset, and a fast Fourier transformer (FFT) for converting a time domain signal output from the sampler 19 into a frequency domain signal. , FFT operation means) 21.
[0040]
In FIG. 1, the guard interval adding unit and the guard interval removing unit described in FIG. 22 are omitted for simplification.
[0041]
FIG. 2 is a diagram showing a data structure of a burst frame of the OFDM signal transmitted from the OFDM transmitter 10. The burst frame includes a pilot symbol (pilot signal) for transmitting a known signal sequence. In an OFDM signal communication system that handles multimedia information, a signal to be transmitted occurs in a burst. Therefore, it is necessary to establish synchronization for each burst frame. FIG. 2 shows one pilot symbol, but one or more pilot symbols (pilot signals) may be added.
[0042]
In order to perform synchronous detection on the OFDM signal, it is necessary to transmit a known signal so that the receiver can grasp the absolute phase. In order to perform differential detection, a start symbol must be transmitted. In the present embodiment, one or more pilot symbols are added as a burst frame configuration of the OFDM signal. For this reason, it becomes possible to serve both as a pilot symbol for frequency synchronization and as a known signal for synchronous detection and a start symbol for differential detection, thereby preventing deterioration of transmission efficiency.
[0043]
The frequency error & timing error estimator 20 shown in FIG. 1 uses a signal output from the sampler 19 to generate a frequency error and a timing by a signal obtained by a sliding correlation operation between a signal transmitted in a pilot symbol and a received signal. Detect errors.
[0044]
The carrier frequency error information output from the frequency error & timing error estimator 20 is supplied to the local oscillator 18. The local oscillator 18 changes the oscillation frequency of the reproduced carrier signal (local oscillation signal) based on the input carrier frequency error information. The timing error information output from the frequency error & timing error estimator 20 is supplied to the FFT 21. The FFT 21 determines an FFT window based on the timing error information.
[0045]
As described above, in the present embodiment, the estimation of the carrier frequency shift and the sampling timing shift are performed by using the time domain signal in the pilot symbol in the OFDM reception signal, and the carrier frequency synchronization acquisition and Synchronous acquisition of sampling timing is performed. The operation of this embodiment will be described later in detail.
[0046]
FIG. 3 is a block diagram showing an internal configuration of the frequency error & timing error estimator 20 shown in FIG. As shown in FIG. 3, the frequency error & timing error estimator 20 shifts a signal output from the sampler 19 by a sampling clock input to the sampler 19 (a first signal shifter). ) 30, a plurality of complex correlators (complex correlation operation means) 31 to 33, and a maximum value of signals output by the complex correlators 31 to 33 (a maximum value signal of a frequency error and a maximum value signal of a correlation output) are detected. A maximum value detecting section (first maximum value searching means) 34, a shift register 35 for shifting a signal output from the maximum value detecting section 34 by a sampling clock input to the sampler 19, and a shift register 35. (A maximum value detecting section) for detecting the maximum value of the output (the signal obtained by shifting the output of the maximum value detecting section 34).
[0047]
The frequency error & timing error estimator 20 has a plurality of complex correlators 31 to 33, and different reference sequences 37 to 39 are set in each of the complex correlators 31 to 33. Each of the complex correlators 31 to 33 includes a complex multiplier (complex multiplier) 40 for multiplying the output signal of each stage of the shift register 30 by the reference sequence, and an adder 41 for adding the output of the complex multiplier 40. Have. Reference sequences 37 to 39 set in complex correlators 31 to 33 are signals obtained by giving different frequency offsets to signals transmitted in pilot symbols. Details of the reference sequence will be described later.
[0048]
Next, a method for detecting a shift in sampling timing and a shift in carrier frequency will be described. To simplify the description, the OFDM signal in the equivalent reduction with the carrier signal component removed is handled. The OFDM transmission signal s (t) in the equivalent reduction can be expressed by equation (1).
[0049]
(Equation 1)
Figure 0003544147
In equation (1), Ns is the number of subcarriers constituting the OFDM signal, N is the number of points of FFT, u is the symbol number, and v is the number of subcarriers. Also, xuvIs a code to be transmitted, and in the case of QPSK, is represented by equation (2).
[0050]
(Equation 2)
Figure 0003544147
In equation (2), AuvIs the amplitude, and for the null subcarrier, Auv= 0. In the equation (1), guv(T) is an isolated pulse response of OFDM at the u-th symbol and the v-th symbol, and is represented by Expression (3).
[0051]
(Equation 3)
Figure 0003544147
In equation (3), fv is the v-th subcarrier frequency, Tg is the guard interval length, Ts is the effective symbol length, T = Tg + Ts, and II (t) is represented by equation (4).
[0052]
(Equation 4)
Figure 0003544147
The received signal r (t) in the expression (3) is represented by the expression (5), assuming that the wireless propagation path has no distortion.
[0053]
(Equation 5)
Figure 0003544147
In the equation (5), Δf is a frequency offset, Δθ0Is the phase offset and n (t) is the complex white Gaussian noise.
[0054]
When the received signal r (t) is sampled at N samples per symbol, the sampled output sequence is rk= R (tk). Where tk= (K / Ts) + Tg + Δτ, k = 0, 1,..., N−1, and Δτ is a timing offset.
[0055]
Since the signal transmitted in the pilot symbol is a known signal sequence, the time waveform of the pilot symbol received by the OFDM receiver 11 is known. Therefore, the OFDM receiver 11 can obtain a correlation value sequence by performing a correlation operation between a time waveform prepared in advance and a received signal. For example, in FIG. 3, a signal sequence output from the complex correlators 31 to 33 corresponds to the correlation value sequence.
[0056]
FIG. 4 shows an example of a correlation value sequence output from the complex correlator 31. This correlation value sequence corresponds to the impulse response of the radio channel. That is, it represents the delay profile. If the propagation path can be modeled in two passes, two correlation peaks can be observed.
[0057]
The correlation operation between the signal that has received the signal transmitted in the pilot symbol and the signal prepared in advance by the receiver corresponds to an autocorrelation operation. FIG. 5 shows a sequence obtained by this autocorrelation calculation. A correlation peak as shown in FIG. 5 appears in the series obtained by the autocorrelation calculation. The portion other than the correlation peak becomes a correlation side lobe. The characteristics of the correlation side lobe depend on the autocorrelation characteristics of the time waveform of the OFDM signal.
[0058]
The correlation peak in FIG. 5 indicates the position of a known signal having good autocorrelation characteristics included in the received signal. By detecting this position, burst frame synchronization can be established.
[0059]
In a peak search using a known signal having good autocorrelation characteristics included in a received signal, if there is a frequency error, the signal level output from the complex correlators 31 to 33 decreases, and the synchronization characteristics deteriorate. . However, in the OFDM signal communication system according to the present embodiment, as shown in FIG. 3, a plurality of complex correlators 31 to 33 are used as a reference sequence with a signal given a different frequency offset for a signal transmitted in a pilot symbol. Thus, by taking a correlation corresponding to a plurality of frequency offsets, it is possible to prevent a decrease in the correlation output level due to the influence of the frequency error and to suppress the deterioration of the synchronization characteristics.
[0060]
Frequency offset f for the signal transmitted in the pilot symbolkThe reference sequence d givenkIs represented by equation (6).
[0061]
(Equation 6)
Figure 0003544147
In equation (6), ukIs the discrete value of the transmitted signal and uk= S (k / N). However, N is the number of FFT points.
[0062]
Frequency offset f for the signal transmitted in the pilot symbolkThe frequency response a (Δf) between the reference sequence given by and the correlation output of the received signal is expressed by equation (7).
[0063]
(Equation 7)
Figure 0003544147
In equation (7), di*Is the complex conjugate of di. Here, assuming that the effects of noise, sampling timing shift, and phase offset can be ignored, Equation (7) is transformed into Equation (8).
[0064]
(Equation 8)
Figure 0003544147
Equation (8) shows that the frequency response of the correlation output depends on the signal sequence transmitted in the pilot symbol.
[0065]
In equation (8), | u (i) |2Represents the size of the transmission signal sequence, and exp (j2π (Δf−fk) · I / N) is the reference sequence dkRepresents the frequency shift with respect to. The vector representing the frequency shift rotates according to the sequence number, and the amount of rotation depends on the frequency shift. That is, exp (j2π (Δf−fkThe sequence represented by) .i / N) is a vector whose direction is rotated according to the sequence number and whose length is the size of the transmission signal sequence.
[0066]
FIG. 6 shows the frequency response shown in equation (8), that is, the magnitude | a (Δf) | of the correlation output between the reference sequence in which the frequency offset Δf is given to the signal transmitted in the pilot symbol and the received signal.2FIG. 5 is a diagram showing an example of the frequency response of FIG. However, in FIG.kIs 0. FIG. 6 shows that the correlation value becomes maximum when the frequency offset is 0.
[0067]
That is, when reference sequences having different frequency offsets are respectively set in the plurality of complex correlators 31 to 33 shown in FIG. 3, the correlation between the reference sequence and the received signal output from each of the complex correlators 31 to 33 is set. The maximum value of the output absolute value is searched, and the difference between the carrier frequency of the OFDM transmission signal and the carrier frequency of the OFDM reception signal can be detected by the frequency offset corresponding to the complex correlator that has output the maximum value.
[0068]
3 executes the above-described search procedure, and outputs a carrier frequency error signal and a correlation output maximum signal.
[0069]
In FIG. 6, the magnitude | a (Δf) | of the correlation output between two reference sequences A and B having different known signal sequences transmitted in pilot symbols and a received signal.2An example of the frequency response is shown. From FIG. 6, the magnitude of the correlation output between the reference sequence and the received signal | a (Δf) |2It can be seen that the frequency response of is dependent on the known signal sequence.
[0070]
3, the shift register 35 connected to the maximum value detection unit 34 sequentially shifts the maximum value signal of the correlation output output from the maximum value detection unit 34, and the maximum value detection unit 36 The maximum value is detected from the output of. This maximum value indicates the autocorrelation peak of the sequence obtained by the above-described autocorrelation calculation, and the peak position indicates the reference timing of the burst frame of the signal received via the radio channel.
[0071]
The maximum value detection unit 36 outputs a timing error signal that is an error between the reference timing of the detected burst frame and the timing of the OFDM receiver 11. Further, the maximum value detection unit 36 detects the maximum value of the correlation output output by the complex correlator that outputs the maximum value of the correlation output detected by the maximum value detection unit 34, and outputs the maximum value of the correlation output. A frequency offset corresponding to the timing is output as a frequency error signal.
[0072]
Note that the frequency offset amount obtained here is a discrete value depending on the number of complex correlators. Therefore, the accuracy of the frequency error signal can be improved by performing the interpolation calculation.
[0073]
With the above configuration, it is possible to detect a sampling timing error and a carrier frequency error, and to realize an OFDM signal communication system capable of highly reliable signal transmission.
[0074]
As described above, in an OFDM signal communication system that handles multimedia information and the like, since a signal to be transmitted occurs in a burst, it is necessary to establish synchronization in a short time for each burst frame. For high-speed initial synchronization, an increase in the circuit scale to some extent is inevitable. However, since an increase in the circuit scale leads to an increase in manufacturing cost, it is desirable to reduce the circuit scale as much as possible. In other words, how to make a complex sliding correlator having a relatively large proportion of the entire circuit load a simple configuration is an important technical problem.
[0075]
Therefore, a method for reducing the circuit scale of the complex correlator shown in FIG. 3 will be described below. The method described below focuses on a correlation operation with a reference sequence in which a different frequency offset is given to a signal transmitted in a pilot symbol.
[0076]
As described above, the correlation output a (Δf) between the received signal and the reference sequence to which the frequency offset Δf is applied to the signal transmitted in the pilot symbol can be expressed by the above-described equation (8). For simplicity of description, equation (8) assumes that the effects of noise, sampling timing shift, and phase offset can be ignored.
[0077]
As shown in FIG. 7, the vector representing the frequency shift rotates according to the sequence number of the signal sequence of the pilot signal, and the amount of rotation depends on the frequency shift. When Δf = 1, this vector makes one rotation. That is, the sequence represented by exp (j2π (Δf−fk) i / N) is a vector whose direction rotates according to the sequence number and whose length is the size of the transmission signal sequence.
[0078]
Where | u (i) |2-Consider the features of exp (-j2π (Δf-fk) i / N). The size of the transmission signal sequence | u (i) |2This will be described with reference to an example in which the change is small.
[0079]
8 and 9 show examples of the vector locus. The number of FFT points N = 64, the number of subcarriers constituting the OFDM signal Ns = 4, FIG. 8 shows Δf = 0.25, and FIG. 9 shows Δf = 0.5.
[0080]
The vector trajectory becomes as shown in FIGS. 8 and 9 because the magnitude of the transmission signal sequence | u (i) |2Can be understood by observing
[0081]
FIG. 10 shows the magnitude | u (i) | of the transmission signal sequence corresponding to FIGS. 8 and 9.2FIG. The horizontal axis in FIG. 10 is the sample number i, and the vertical axis is | u (i) |2It is.
[0082]
From FIG. 8 to FIG. 10, | u (i) |2It can be confirmed that the sequence represented by exp (-j2π (Δf-fk) i / N) is a vector whose direction rotates in accordance with the sequence number and whose length is the size of the transmission signal sequence. Further, the correlation output a (Δf) represented by the equation (8) is calculated from the vector sum of these trajectories.
[0083]
Here, attention is paid to the distribution of the vector trajectories shown in FIGS. 8 and 9 that there are many distributions near the origin. This means that the size of the transmission signal sequence | u (i) |2Distribution is high near 0, and | u (i) |2Indicates that the distribution with large values is small. Since the correlation output a (Δf) represented by the equation (8) is the vector sum of these trajectories, the magnitude | u (i) | of the transmission signal sequence2The effect when takes a large value becomes dominant.
[0084]
For this reason, in the present embodiment, the reference sequence is represented by only some representative vectors.
[0085]
In FIGS. 8 and 9, the size of the transmission signal sequence | u (i) |2The example in the case where the change of the value is small was shown. However, the time waveform of OFDM is characterized by relatively large fluctuations. Conversely, small changes are rare.
[0086]
FIG. 11 is a diagram illustrating an example of a vector trajectory when QPSK-mapped data is transmitted. In FIG. 11, the number of FFT points N = 32 and the number of subcarriers constituting the OFDM signal Ns = 32. FIG. 11A shows the case where the frequency offset Δf = 0.4 given to the signal transmitted in the pilot symbol, and FIG. 11B shows the case where Δf = 0.9.
[0087]
From FIG. 11, the size of the transmission signal sequence | u (i) |2Distribution is high near 0, and | u (i) |2It can be seen that the distribution in which is large is slight.
[0088]
In the present embodiment, the reference sequence is represented by only some representative vectors. Hereinafter, an example of the representative vector will be described with reference to FIGS.
[0089]
FIG. 12 is a diagram showing a vector locus when random data is transmitted. FIG. 12 shows an example in which the number of FFT points N = 64, the number of subcarriers constituting the OFDM signal Ns = 64, and the frequency offset Δf = 1.0. From FIG. 12, the size of the transmission signal sequence | u (i) |2It can be seen that there are only a few vectors with large values.
[0090]
For this reason, in the present embodiment, the vector in FIG. 12 is represented by a representative vector as shown in FIG. That is, the reference sequence is represented by a vector in which a vector other than the representative vector as shown in FIG.
[0091]
(First Configuration Example of Complex Correlator)
Next, a specific example of the complex correlators 31 to 33 shown in FIG. 3 will be described. FIG. 14 is a block diagram showing a first configuration example of the complex correlator. The complex correlator 50 in FIG. 14 includes a shift register 51 having L stages, a reference sequence 52, M complex multipliers 53, and an adder 54 for adding the output of each complex multiplier 53.
[0092]
The reference sequence 52 is a representative vector corresponding to a sequence number having a large value in a time domain of a signal transmitted in a pilot symbol. The multiplier 53 is arranged at a position corresponding to the representative vector number described above. FIG. 14 shows an example where L = 6 and the numbers of the representative vectors are 1, 4, and 6.
[0093]
(Second configuration example of complex correlator)
FIG. 15 is a block diagram showing a second configuration example of the complex correlator. The complex correlator 60 in FIG. 15 includes shift registers (second and third signal shift means) 61 and 62 having L stages, M complex multipliers 63, and outputs of the complex multipliers 63. And an adder 64 for adding. The multiplier 63 is arranged at a position corresponding to the representative vector number described above. FIG. 15 shows an example where L = 6 and the numbers of the representative vectors are 1, 4, and 6.
[0094]
Also in the complex correlator 60 of FIG. 15, the number of the multipliers 63 can be reduced, so that an increase in the circuit scale can be suppressed and the manufacturing cost can be reduced.
[0095]
FIG. 16 is a block diagram showing a part of the configuration of the OFDM receiver 11 having the complex correlator 60 of FIG. The OFDM receiver 11 in FIG. 16 includes a sampler 19 for sampling an OFDM reception signal, a one-symbol delay unit (delay means) 65, and a complex correlator 60 in FIG.
[0096]
In the OFDM receiver 11 of FIG. 16, the complex correlator 60 can obtain the correlation peak of the burst frame data in which two consecutive pilot symbols are arranged, and the maximum value of the signal output from the complex correlator 60 By performing a search, a burst frame can be detected.
[0097]
(Third Configuration Example of Complex Correlator)
In FIG. 14 and FIG. 15 described above, an example is described in which a complex multiplier is arranged corresponding to a representative vector having a large value in the time domain of a signal transmitted in a pilot symbol. If a cyclic sequence signal is transmitted as a signal to be transmitted, complex multipliers can be arranged at equal intervals.
[0098]
Hereinafter, a known signal sequence in which complex multipliers can be arranged at equal intervals will be described. This known signal sequence is transmitted at the timing of transmitting the pilot signal.
[0099]
Reference sequence dkIs represented by several representative vectors, a sequence in which the phase arrangement in the frequency domain is set so as to circulate around the subcarriers is adopted as the known signal sequence. Here, such a sequence is called a cyclic sequence.
[0100]
In the cyclic sequence, assuming that the repetition period is Ig, a sequence {xk} of a time response obtained by IFFT of a known signal sequence {Xk} has a value for each N / Ig.
[0101]
That is, by using a cyclic sequence for pilot symbols, the number of complex multipliers can be reduced, and an increase in circuit scale can be suppressed as much as possible.
[0102]
The cyclic sequence is represented by equation (9).
Xk + 1・ Xk *= Exp (jφk  modulo Ig…… (9)
Here, k (k = 0, 1,..., N−1) is a subcarrier number, φiIs a phase change between subcarriers.
[0103]
There are a plurality of sequences satisfying the expression (9). However, in the cyclic sequence, since power is concentrated on a specific sample, it is disadvantageous from the point of PAPR (Peak to Average Power Ratio). The large PAPR is one of the disadvantages of the OFDM modulation method. PAPR is preferably as small as possible from the viewpoint of power efficiency.
[0104]
Therefore, a cyclic sequence in which power is equally distributed to each representative vector, that is, | xi |2= N / Ig needs to be selected. Here, i represents the number of the representative vector and N represents the number of points of the FFT. The cyclic period Ig matches the number of representative vectors.
| Xi |2Equation (10) is an example of a series where = N / Ig.
(Φ0, φ1, φ2, ..., φ15)
= (0, π / 2, -π / 2, π, π / 2, -π / 2, π, 0, π, π / 2, π / 2, π, -π / 2, -π / 2, 0,0)
… (10)
Here, Ig = 16 and Xk are QPSK mappings.
[0105]
In this sequence, the intervals between the representative vectors are equal intervals (i = 0, N / Ig, 2 · N / Ig,..., (Ig−1) · N / Ig).
[0106]
FIG. 17 is a block diagram showing a third configuration example of a complex correlator when a cyclic sequence pilot signal is used. When a cyclic sequence is used as a known signal sequence, its time response has a value at regular intervals, and therefore, the multipliers 102 are arranged at regular intervals. FIG. 17 shows an example where the number of multipliers is four. Note that the number of multipliers 102 matches the cyclic period Ig. That is, by using a cyclic sequence for pilot symbols, the number of complex multipliers in a sliding correlator can be reduced, and an increase in circuit size can be suppressed.
[0107]
Next, the configuration of a complex correlator when transmitting a cyclic sequence pilot signal will be described.
[0108]
(Fourth Configuration Example of Complex Correlator)
FIG. 18 is a block diagram showing a fourth configuration example of the complex correlator. The complex correlator 70 of FIG. 18 includes shift registers 71 and 72 each having L stages, M complex multipliers 73, and an adder 74 for adding the output of each complex multiplier 73. The multiplier 73 is arranged at a position corresponding to the number of the representative vector.
[0109]
Since the pilot signal is a cyclic sequence, multipliers 73 can be arranged at equal intervals as shown in FIG.
[0110]
The complex correlator of FIG. 18 has the same configuration as that of FIG. 15 except that the multipliers 73 and 85 are arranged at equal intervals. Therefore, the same operation and effect as those in FIG. 15 can be obtained.
[0111]
(Fifth Configuration Example of Complex Correlator)
FIG. 19 is a block diagram showing a fifth configuration example of the complex correlator. A complex correlator 90 shown in FIG. 19 is a configuration for transmitting a pilot signal of a cyclic sequence, a serial / parallel converter 91 for converting an input sequence into parallel at a rate of 1: K, and a shift register having M stages. 92, M complex multipliers 93, an adder 94 for adding the output of each complex multiplier 93, and a reference sequence 95. The reference sequence 95 is a representative vector corresponding to a sequence number having a large value in a time domain of a signal transmitted in a pilot symbol.
[0112]
The complex correlator 20 of FIG. 19 differs from the complex correlator 20 of FIG. 18 in performing a complex operation between a received pilot signal and a reference sequence. Also in the case of the complex correlator 90 of FIG. 19, the number of multipliers is small, so that an increase in the circuit scale can be suppressed and the manufacturing cost can be reduced.
[0113]
(Another configuration example of the frequency error & timing error estimator)
FIG. 20 is a block diagram showing another configuration example of the frequency error & timing error estimator. The signal output from the sampler 19 shown in FIG. 1 is input to the frequency error & timing error estimator 20a in FIG. The frequency error & timing error estimator 20a outputs a frequency error signal supplied to the local oscillator 18 and a timing error signal supplied to the FFT 21.
[0114]
The frequency error & timing error estimator 20a of FIG. 20 includes a shift register 30, a plurality of complex correlators 31 to 33, a maximum value detecting unit 34, a comparator 111, and an average received power measuring unit 112. Different reference sequences 37 to 39 are set in the complex correlators 31 to 33, respectively. Each of the complex correlators 31 to 33 includes a complex multiplier 41 that multiplies a signal input from the shift register 30 by a reference sequence, and an adder 42 that adds an output of the complex multiplier 41. Reference sequences 37 to 39 set in complex correlators 31 to 33 are signals obtained by giving different frequency offsets to signals transmitted in pilot symbols.
[0115]
The maximum value detector 34 detects the maximum value of the correlation value output from each of the complex correlators 31 to 33, and outputs the maximum value of the correlation value and the frequency offset at that time. The carrier frequency error can be detected from the frequency corresponding to the complex correlator that has output the maximum value. The frequency offset amount obtained here is a discrete value depending on the number of complex correlators. Therefore, a frequency error is obtained by interpolation using a complex correlator that outputs the maximum value and an output from a complex correlator adjacent to the complex correlator.
[0116]
By detecting the maximum value of each output signal of the plurality of complex correlators, it is possible to detect the position of a known signal having a good autocorrelation characteristic included in the received signal, thereby establishing synchronization of burst frames. .
[0117]
The correlation value and the frequency offset amount output from the maximum value detection unit 34 are input to the comparator 111. The output signal of the average received power measuring unit 112 is input to the comparator 111. The signal output from the sampler 19 shown in FIG. 1 is input to the average received power measuring unit 112, and the average received power value is output. Average received power measuring section 112 measures the average power of the received signal. The comparator 111 sets a comparison value based on the information on the average power of the received signal, and performs a comparison operation between the comparison value and the maximum value of the correlation value output from the maximum value detection unit 34.
[0118]
By this comparison operation, the comparator 111 finds an error between the position of the known signal having good autocorrelation characteristics included in the received signal and the internal clock, and outputs the error value as a timing offset. Since the average power increases as the absolute value of the correlation output output from the complex correlators 31 to 33 increases, the comparator 111 shown in the figure compares the power measured by the average power measurement unit 112 with a preset comparison value. The frequency error signal and the correlation output maximum value signal are output based on the above.
[0119]
With the configuration as shown in FIG. 20, it is possible to detect a sampling timing error and a carrier frequency error, and it is possible to realize an OFDM signal receiving device capable of highly reliable signal transmission.
[0120]
In the above-described embodiment, an example in which the frequency error signal and the timing error signal are output from the maximum value detection unit 36 has been described. However, only the frequency error signal may be output and only the carrier frequency error adjustment may be performed.
[0121]
【The invention's effect】
As described in detail above, according to the present invention, based on the result of performing a complex correlation operation between a received pilot signal and a reference signal having different frequency offsets set for the pilot signal, Since the frequency of the reproduction carrier signal is controlled, synchronization of the received frame can be quickly established, and stable and reliable signal transmission and reception can be performed. Further, since the internal configuration of the complex correlation operation means can be simplified, the increase in circuit scale can be suppressed, and the manufacturing cost can be reduced accordingly.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram of an embodiment of an OFDM signal communication system including an OFDM signal receiving apparatus according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a data configuration of a burst frame of an OFDM signal transmitted from an OFDM transmitter.
FIG. 3
FIG. 2 is a block diagram showing an internal configuration of the frequency error & timing error estimator shown in FIG. 1.
FIG. 4
The figure which shows the example of the correlation value sequence output from a complex correlator.
FIG. 5
The figure which shows the series obtained by an autocorrelation calculation.
FIG. 6
Magnitude of correlation output | a (Δf) | between a reference sequence having a frequency offset Δf given to a signal transmitted in a pilot symbol and a received signal2The figure which shows the example of the frequency response of FIG.
FIG. 7
FIG. 4 is a diagram showing a vector representing a frequency shift.
FIG. 8
The figure which shows an example of the vector locus in case of (DELTA) f = 0.25.
FIG. 9
The figure which shows an example of the vector locus in case of (DELTA) f = 0.5.
FIG. 10
Size of transmission signal sequence corresponding to FIGS. 8 and 9 | u (i) |2FIG.
FIG. 11 is a diagram showing an example of a vector locus when QPSK-mapped data is transmitted.
FIG.
The figure which shows the vector locus at the time of transmitting random data.
FIG. 13
The figure which shows the vector locus which set other than the representative vector to 0.
FIG. 14 is a block diagram showing a first configuration example of a complex correlator.
FIG. 15 is a block diagram showing a second configuration example of the complex correlator.
FIG. 16 is a block diagram showing a part of the configuration of an OFDM receiver having the complex correlator of FIG. 15;
FIG. 17 is a block diagram showing a third configuration example of a complex correlator when a cyclic sequence is used for a pilot signal.
FIG. 18 is a block diagram showing a fourth configuration example of the complex correlator.
FIG. 19 is a block diagram showing a fifth configuration example of the complex correlator.
FIG. 20 is a block diagram showing another configuration example of the frequency error & timing error estimator.
FIG. 21 is a block diagram showing the configuration of an OFDM modulator used on the transmission side.
FIG. 22 is a diagram illustrating a guard interval.
FIG. 23 is a block diagram showing a configuration of an OFDM demodulator used on the receiving side.
FIG. 24 is a diagram showing a frequency offset detection / removal method described in the literature.
[Explanation of symbols]
10 OFDM transmitter
11 OFDM receiver
12 Inverse Fast Fourier Transformer (IFFT)
13,17 Frequency converter
14,18 Local oscillator
15, 16 antenna
19 Sampler
20 Timing error estimator
21 Fast Fourier Transformer (FFT)
30,35 shift register
31-33 complex correlator
34, 36 Maximum value detector
37-39 reference series
40 complex multiplier
41 Adder

Claims (2)

所定の既知信号系列からなるパイロット信号が挿入されたOFDM(直交周波数分割多重)信号をアンテナにより受信する受信手段と、
前記OFDM信号を復調するための基準信号である再生キャリア信号を生成する局部発振器と、
前記再生キャリア信号に基づいて前記OFDM信号をベースバンド信号に変換する周波数変換器と、
前記ベースバンド信号に基づいてFFT演算を行って周波数領域の受信データを生成するFFT演算手段と、を備えたOFDM信号受信装置であって、
前記ベースバンド信号を標本化する標本化手段と、
前記パイロット信号に対してそれぞれ異なる周波数オフセットが設定された参照信号と前記パイロット信号との間で複素相関演算を行って相関出力を求める複数の複素相関演算手段と、
前記複数の複素相関演算手段のそれぞれで得られた相関出力に基づいて、前記再生キャリア信号と前記OFDM信号のキャリア信号との周波数誤差と、前記FFT演算手段が演算を行う際のタイミング誤差とを推定する誤差推定手段と、を備え、
前記局部発振器は、前記周波数誤差に基づいて前記再生キャリア信号の周波数を制御し、
前記FFT演算手段は、前記タイミング誤差に基づいてFFTウインドウを決定し、
前記複数の複素相関演算手段のそれぞれは、
前記標本化手段で標本化されたベースバンド信号が入力されるシフト段数がL(Lは2以上の整数)段の第1の信号シフト手段と、
前記第1の信号シフト手段の各段の中から選択されたM(Mは2以上の整数で、M<L)段の出力と前記参照信号とをそれぞれ乗算するM個の複素乗算手段と、
前記M個の複素乗算手段による各乗算結果を加算して前記相関出力を演算する加算手段と、を有することを特徴とするOFDM信号受信装置。
Receiving means for receiving by an antenna an OFDM (orthogonal frequency division multiplex) signal into which a pilot signal composed of a predetermined known signal sequence is inserted;
A local oscillator that generates a reproduced carrier signal that is a reference signal for demodulating the OFDM signal,
A frequency converter that converts the OFDM signal to a baseband signal based on the reproduced carrier signal,
An FFT operation unit that performs an FFT operation based on the baseband signal to generate reception data in a frequency domain, comprising:
Sampling means for sampling the baseband signal;
A plurality of complex correlation operation means for performing a complex correlation operation between the reference signal and the pilot signal each having a different frequency offset set for the pilot signal to obtain a correlation output,
Based on the correlation output obtained by each of the plurality of complex correlation operation means, a frequency error between the reproduced carrier signal and the carrier signal of the OFDM signal, and a timing error when the FFT operation means performs the operation. Error estimating means for estimating,
The local oscillator controls the frequency of the reproduced carrier signal based on the frequency error,
The FFT operation means determines an FFT window based on the timing error,
Each of the plurality of complex correlation operation means,
A first signal shift means having L (L is an integer of 2 or more) shift stages to which the baseband signal sampled by the sampling means is input;
M complex multiplying means for multiplying the output of M stages (M is an integer of 2 or more and M <L) selected from the stages of the first signal shifting unit and the reference signal, respectively;
An adding means for adding the results of the multiplication by the M complex multiplication means to calculate the correlation output.
前記OFDM信号には、少なくとも2つの前記パイロット信号が含まれており、
前記標本化手段で標本化されたベースバンド信号を遅延する遅延手段と、
前記標本化手段で標本化されたベースバンド信号が入力されるシフト段数がL(Lは2以上の整数)段の第2の信号シフト手段と、
前記遅延手段で遅延された前記ベースバンド信号が入力されるシフト段数がL(Lは2以上の整数)の第3の信号シフト手段と、
前記第2の信号シフト手段の各段の中から選択されたM(Mは2以上の整数で、M<L)段の出力と、前記第3の信号シフト手段の各段の中から選択された前記M段の出力とを乗算するM個の乗算手段と、
前記M個の乗算手段による各乗算結果を加算する加算手段と、を備えることを特徴とする請求項1に記載のOFDM信号受信装置。
The OFDM signal includes at least two of the pilot signals,
Delay means for delaying the baseband signal sampled by the sampling means;
A second signal shift unit having L (L is an integer of 2 or more) shift stages to which the baseband signal sampled by the sampling unit is input;
Third signal shift means having L (L is an integer of 2 or more) shift stages to which the baseband signal delayed by the delay means is input;
The output of M stages (M is an integer of 2 or more and M <L) selected from the respective stages of the second signal shifter and the output of the respective stages of the third signal shifter are selected. M multiplying means for multiplying the output of the M stages,
The OFDM signal receiving apparatus according to claim 1, further comprising: an adding unit that adds each multiplication result obtained by the M multiplying units.
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