NO339435B1 - Fremgangsmåte for frekvens- og tids-synkronisering av en OFDM-mottaker - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en fremgangsmåte for frekvens- og tidssynkronisering av en mottager brukt til å motta OFDM-signaler, som er sendt på en fast bærerfrekvens.

I moderne digital teknologi er ortogonal frekvensdelings- og multipleksingssystemer (OFDM)-systemer brukt til dataoverføring. I henhold til dette prinsippet blir den digitale datastrøm før overføring konvertert ved hjelp av tilordning til symboler med komplekse verdier og splittet opp i et stort antall delsignaler som hvert blir overført på en separat bærerfrekvens. DVB-T-systemet (Digital Video Broadcasting, DVB-T) benytter for eksempel 1 705 og/eller 6 817 av disse invidiuelle bærefrekvensene. I mottageren blir denne delinformasjonen kombinert for å danne den komplette informasjon fra den overførte digitale datastrøm. Dette OFDM-systemet er allerede velkjent og er blitt beskrevet mer detaljert av for eksempel Hermann Rohling, Thomas May, Karsten Briininghaus og Rainer Griinheid, Broad-Band OFDM Radio Transmissin for Multimedia Applications, Proceedings of the IEEE, vol. 87, nr. 10, oktober 1999, fra s. 1778.

I løsningene som er beskrevet i WO01/03347 og Hung C-P et al: «Joint frequency and symbol syncronization schemes for an OFDM system» WIRELESS PERSONAL

COMMUNICATIONS, KLUWER ACADEMIC PUBLISHERS, NL, Bd. 10, Nr. 3,

Augustr 1999, side 309-317 anvendes kjente fremgangsmåter for synkronisering der man vurderer kjente datasekvenser i signalet som gjentas med avstand i tid, og der gjentakelse dermed alltid må avventes. Dermed blir synkroniseringen relativt langsom, hvilket er svært uheldig for moderne dataoverføring.

Med systemer av denne type er det viktig at mottageren er nøyaktig synkronisert med hensyn til frekvens og tid, med OFDM-signalblokkene som overføres. Doppler- og frekvens-forskyvninger av de enkelte bærebølger kan inntreffe som et resultat av bevegelse av senderen og/eller mottageren og/eller som et resultat av differanser i frekvens. Dessuten er det viktig at mottageren også er nøyaktig synkronisert med hensyn til tid, med origo for ortogonalitetsintervallet for OFDM-signalblokkene. Som et resultat av differanser i forplantningsforsinkelse, for eksempel avhengig av avstanden mellom senderen og mottageren, når OFDM-signalblokkene ikke alltid mottageren til samme nominelle tid.

Formålet med foreliggende oppfinnelse er å fremskaffe en fremgangsmåte hvorved en OFDM-mottager av denne type kan synkroniseres med det mottatte OFDM-signal med hensyn til frekvens og tid, så hurtig og nøyaktig som mulig.

Ved å starte fra en fremgangsmåte i henhold til ingressen i det uavhengige patentkrav, blir dette formål oppnådd ved hjelp av de karakteriserende trekk i dette patentkravet. Ytterligere fordelaktige utførelsesformer er beskrevet i de avhengige patentkrav.

I henhold til oppfinnelsen muliggjør to suksessive prosedyretrinn hurtig frekvens- og tidssynkronisering av en OFDM-mottager. Den beregningsmessige anstrengelse som er nødvendig i denne forbindelse er begrenset som en følge av mottagelse på en fast bærerfrekvens, fordi den faste sekvensmodus muliggjør bruk av spesielle midlings- og glattingsmetoder.

Oppfinnelsen blir beskrevet nedenfor med henvisning til skjematiske tegninger og utførelseseksempler.

Figur 1 viser kretsskjemaer for en høyfrekvens-mottager brukt til å motta OFDM-signaler, som blir mottatt på en fast bærerfrekvens ved hjelp av en mottagerkomponent

(E), idet frekvens- og tidssynkroniseringen i dette utførelseseksempelet blir utført i henhold til det første alternativ for det første prosedyretrinn, nemmelig med en

todimensjonal frekvens/tids-søkemodus. Etter den analoge, høyfrekvente mottagerkomponent E, blir det mottatte OFDM-signal digitalisert i en analog/digital omformer A/D og lagret i et bufferlager S. En todimensjonal frekvens- og tidssøkeinnretning Z er anordnet for synkronisering, ved hjelp av hvilken, et frekvensavhengig kvalitetskriterium for den mottatte OFDM-blokk, under en todimensjonal søkefase, blir bestemt for hver sampel i A/D-omformeren innenfor et forutbestemt frekvensområde fi til £2, i hvilket den nominelle frekvensverdi fo for mottageren befinner seg. Det todimensjonale søk er vist skjematisk på figur 2. Mellom

fi og É2utgjør frekvenssøkeområdet en dimensjon av det todimensjonale søkeområdet; den annen dimensjon danner et tidssøkeområde mellom ti og T2 med det nominelle tidsutgangspunkt to for OFDM-blokken. Et kvalitetskriterium for den mottatte OFDM-blokk blir bestemt for hvert punkt i dette todimensjonale frekvens/tidssøkeområde fi til É2og/eller ti tilT2. Den trinnstørrelse som frekvensområdet fi til £2blir avsøkt med, er avhengig av typen OFDM-signal og den maksimalt forventede differanse mellom den nominelle frekvensposisjon fo og den aktuelle frekvensposisjon fx. Trinnstørrelsen på tidsaksen blir bestemt av samplingsfrekvensen til A/D-omformeren; trinnstørrelsen kan være en multipel av en sampel. På Figur 2 er det totale søkeområdet indikert ved skravering.

I overføringskanalen blir OFDM-signalet som er mottatt og lagret i bufferlageret S ved minst to suksessive OFDM-blokker forvrengt i større eller mindre grad. Disse forvrengningene kan ha en innvirkning på det todimensjonale søk, det vil si at som et resultat av forvrengninger av denne type, kan den optimale verdi av kvalitetskriteriet bli forskjøvet. Det er derfor fordelaktig å utjevne signalet før evaluering av det todimensjonale søk og bestemmelse av kvalitetskriteriet. For dette formål er det tilveiebrakt utjevnere R i hvert tilfelle, som vist på Figur 1; idet disse er tilkoblet nedstrøms for datamaskinenheten D som brukes til å bestemme kvalitetskriteriet. I denne forbindelse er en mulighet til utjevning å evaluere pilotbærebølgene som er overført sammen med OFDM-signalet. Disse bærebølgene blir generelt brukt til å synkronisere fasen for derved å muliggjøre koherent demodulasjon, men i det foreliggende tilfellet kan de i tillegg brukes til utjevning. På grunn av de kjente amplituder og faseposisjonene til disse pilotbærebølgene i forhold til hverandre, kan kanalforvrengningen bestemmes på kjent måte. Utjevnerne R inneholder derfor informasjon om fase- og amplituderesponsen til overføringskanalen mellom senderen og mottagerne ved den forutbestemte, faste overføringsfrekvens, og kan derfor utjevne OFDM-signalet på riktig måte. Dette kan for eksempel skje ved at hver OFDM-bærebølge blir multiplisert med en kompleks verdi, som svarer til amplitude- og fasereseponsen til overføringskanalen. Hvis OFDM-bærebølgene bare er modulert ved hjelp av fase- og frekvensmodulasjon, kan det under visse omstendigheter være tilstrekkelig å multiplisere med en faseverdi som blir fremskaffet som resultatet fra estimeringen av faseresponsen til overføringskabalen. Hvis imidlertid bærebølgen er amplitudemodulert, er det nødvendig å multiplisere den inverse av den estimerte amplituderespons (divisjon). I tilfelle av kombinert amplitude- og fasemodulasjon som for eksempel brukes i forbindelse med høyere ordens QAM-modulasjon, må den relevante bærebølge divideres med den komplekse, estimerte verdi av overføringsfunksjonen til overføringskanalen.

Kvalitetskriteriet for OFDM-signalet blir bestemt i datamaskinen D for hvert punkt under den todimensjonale søkeoperasjonen ved å sammenligne det innmatede signal (utmatet signal fra bufferlageret S) med utgangssignalet fra utjevneren R; dvs. den avstand ved hvilken verdien av øyeblikksfrekvensen adskiller seg fra den nominelle målverdi blir beregnet. Generelt er kriteriet Euklid-avstanden, men det kan også være den absolutte verdi for avstanden eller verdien av fasedifferansen til de enkelte bærebølger. For hvert områdepunkt av det todimensjonale søkeområdet, blir områdepunktet med det optimale kvalitetskriterium bestemt fra kvalitetskriteriene for frekvens og tid bestemt på denne måten, og mottageren kan derfor grovsynkroniseres i et første prosedyretrinn som tar i betraktning forskjellen mellom den nominelle frekvens og den frekvensverdi som svarer til det optimale kvalitetskriterium. Ved å starte med tidsverdien som svarer til det optimale kvalitetskriterium, kan så OFDM-signalet demoduleres og eventuelt også E-kodes. Siden de aktuelle verdier av frekvens og tid i dette første prosedyretrinn bare blir nådd tilnærmet, blir imidlertid den aktuelle, nøyaktige frekvens- og tidssynkronisering som benytter kontinuerlige evalueringskriterier, implementert i et annet prosedyretrinn som følger etter dette.

I det annet og etterfølgende prosedyretrinn blir faseposisjonene til pilotbærebølgene som blir overført og mottatt sammen med OFDM-signalblokkene evaluert. I demodulatoren blir fasene til de samtidig overførte pilotbærebølger beregnet for hver OFDM-signalblokk. Etter dette blir fasene til de enkelte pilotbærebølger midlet tilnærmet over flere suksessive OFDM-blokker; dvs. at de blir filtrert og glattet. I et første trinn blir fasene til pilotbærebølgene som er bestemt i en OFDM-blokk utpakket (utpakking representerer en tilordning av fasene, som er blitt beregnet under arkustagens på intervallet - ti til + n på den kontinuerlige faseakse. Dette tar hensyn til det faktum at fasen mellom OFDM-blokker ikke endres plutselig). Hver av de faser som projiseres på denne måten kan så filtreres for å øke målenøyaktigheten ved hjelp av et smalbåndsfilter. Egnede filtere innbefatter lineære regresjoner, såkalte "statistiske ordensfiltere" slik som medianfiltere eller PLL-strukturer.

De bestemte fastekarakteristikkene til de enkelte pilotbærebølger er funksjoner av frekvensforskyvningen som inntreffer som et resultat av oscillatorforskyvningen mellom senderen og mottageren, og som et resultat av dopler-forskyvninger forårsaket av bevegelsen av senderen og/eller mottageren, eller som et resultat av en feilinnretning av samplingstakten mellom senderen og mottageren og den relative posisjonen til pilotbærebølgen innenfor OFDM-blokken. Frekvensforskyvningen og også klokke-feiltilpasningen kan følgelig beregnes fra disse fasekarakteristikkene. På denne måten kan i det annet prosedyretrinn den nominelle frekvens og opprinnelsestiden for OFDM-blokkene bestemmes med betydelig større nøyaktighet ved å midle fasene til pilotbærebølgene over flere OFDM-blokker. Mottageren blir så til slutt synkronisert med disse verdiene og blir også kontinuerlig justert under overføring; dvs. at under overføringen blir bare dette annet prosedyretrinn utført ved bruk av faseposisjonen til pilotbærebølgene til synkronisering.

For å sikre at isolerte, sterke utslag blir ignorert så meget som mulig ved midlingen av faseverdiene, blir de filtrerte faseverdier veid i avhengighet av et kvalitetskriterium som sier at verdier som avviker sterkt fra de andre verdier blir tatt i betraktning mindre i midlingsprosedyren. Dette kvalitetskriteriet blir lenket på en multiplikativ måte til de relevante optimalverdier, og det blir brukt enten til å ekskludere verdien fullstendig fra midlingen eller til å gi den en redusert betydning. Dette kriteriet blir fortrinnsvis utledet fra kvaliteten av dekodingen til OFDM-mottageren. En maksimal sannsynlighetsdekoder (ML, Maximum-Likelihood-Decoder) som i tillegg fremskaffer et kvalitetskriterium som et resultat av dekodingsprosessen, blir ofte levert med OFDM-mottagere av denne type. Dette kriteriet kan brukes direkte i midlingen til å veie filterverdiene. APP-dekodere er også egnet til dette formål, fordi de også tilveiebringer et passende kvalitetskriterium for de mottatte OFDM-signaler; i dette tilfellet blir dette kalt aposteriori-sannsynlighet (APP, aposteriori-probability). Resultatene fra en CRC-dekoding kan også brukes som et kvalitetsmål i denne forbindelse.

Før den aktuelle demodulasjon og dekoding i OFDM-mottageren A, blir de mottatte signaler filtrert i et adaptivt, digitalt filter F. Dette adaptive filteret blir styrt med hensyn til sine filterverdier via en demodulator i mottageren Som kan ha en eller flere substituenter Frekvens- og tidsverdiene som beregnes i mottageren blir også levert til dette filteret.

Under overføring endres det bestemte, optimale samplingspunkt og den aktuelle frekvens bare langsomt eller endres ikke i det hele tatt. En langsom endring er mulig hvis for eksempel senderen og mottageren beveger seg bort fra hverandre eller nærmer seg hverandre. På grunn av langsomheten til endringene, kan disse verdiene justeres. I denne forbindelse blir de bestemte, optimale frekvens- og tidsverdier i OFDM-mottageren A justert via et adaptivt filter. Et Kalman-filter er særlig egnet i denne forbindelse.

Med fast frekvensdrift av mottagerne kan det adaptive inngangsfilter F også oppdateres ved hjelp av beslutningstilbakekobling (DFE, Decision Feedback), ved at OFDM-signalet blir demodulert og dekodet etter at de nøyaktige frekvens- og tidsverdier er blitt bestemt, og en ytterligere kanalestimering og utjevning blir så implementert ved å benytte dette dekodede OFDM-signal. Det adaptive inngangsfilter F blir så justert via denne DFE.

Klokkefasene eller taktfasene kan drive på grunn av differanser mellom oscillatorene i senderen og mottageren. Uten ytterligere forholdsregler kan følgelig for mange eller for få produseres fra tid til annen i mottageren. Dette kan kompenseres enten ved å justere samplingstakten i mottageren, for eksempel ved å styre klokken til A/D-omformeren eller hovedoscillatoren hvorfra de enkelte klokker eller takter blir utledet. En annen mulighet er å justere differansene i utjevningsfilteret ved hjelp av faseforskyvningen inntil terskelen blir overskredet av en sampel. Når signalet er blitt forskjøvet med en sampel forover eller bakover, kan det ganske enkelt brukes ved denne terskelen.

I det første prosedyretrinn for grovbestemmelse av frekvensen og utgangspunktet for OFDM-signalet kan utjevning av en synkroniseringssekvens, enten overført av senderen ved begynnelsen av overføringen og/eller gjentatt syklisk eller asyklisk brukes i stedet for den todimensjonale søkeprosedyre som er beskrevet ovenfor. Dette forenkler ytterligere synkroniseringsprosedyren. Et hvilket som helst kjent signal ved hjelp av hvilket den tilnærmede nominelle frekvens og det nominelle tidsutgangspunkt for OFDM-signalet kan bestemmes direkte i mottageren, kan brukes som en synkroniseringssekvens, for eksempel et frekvenssveipesignal (chirp signal). Det adaptive inngangsfilter F blir styrt i samsvar med disse verdiene, igjen som vist på figur 1. Lengden av impulsresponsen til hele overføringsfunksjonen (kanal + mottagerfilter) må ikke overskride lengden av OFDM-beskyttelsesintervallet. Filteret er fortrinnsvis produsert på en slik måte at et optimalt wiener-filter blir frembrakt. I dette tilfellet kan også det adaptive inngangsfilter være tilpasset til forandelige forplantningsforhold ved hjelp av DFE. Det annet, etterfølgende prosedyretrinn blir igjen utført som beskrevet ovenfor.

Claims (18)

1. Fremgangsmåte for frekvens- og tidssynkronisering av en mottager for å motta OFDM-signaler på pilotbærebølge med en fast bærefrekvens, hvor det i mottageren i et første fremgangsmåtetrinn, bestemmelse av en tilnærmet, nominell verdi av bærefrekvensen og tidsutgangspunktet for OFDM-blokken via en todimensjonal frekvens/tid-søkemodus og bestemmelse av et områdepunkt med et optimalt kvalitetskriterium for OFDM-signalet, i et etterfølgende annet fremgangsmåtetrinnbestemmelse av fasen til minst én pilotbærebølge som overføres sammen med OFDM-signalet og midling over flere OFDM signalblokker, og derfra bestemmelse av en mer nøyaktig nominell verdi av frekvensen og tidsutgangspunktet for OFDM-blokken, og hvor mottageren så blir synkronisert med den frekvensverdi som er bestemt på ovennevnte måte, og hvor OFDM-signalet blir demodulert ved å starte med tidsutgangspunktet som er bestemt på ovennevnte måte.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, omfattende at før bestemmelsen av det optimale kvalitetskriterium i det første fremgangsmåtetrinnet blir en overføringsfunksjon for den relaterte overføringskanalen estimert for hver bærebølge av OFDM-signalet, ved å benytte de pilotbærebølgene som overføres i OFDM-signalet, og ved at OFDM-signalet blir utjevnet i avhengighet av dette.

3. Fremgangsmåte i henhold til et hvilket som helst av de foregående krav, omfattende at under en overføringstid som følger etter den innledende frekvens- og tidssynkronisering blir bare det annet trinn av synkroniseringsprosedyren utført enten kontinuerlig, periodisk eller aperiodisk.

4. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, omfattende at et adaptivt, digitalt filter som blir styrt via de filterkonstanter som er beregnet i mottageren er anordnet ved inngangen til en OFDM-mottager.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 4, omfattende at det adaptive filter i tillegg er innrettet for å endre overføringsbetingelsene til overføringskanalen.

6. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av de foregående krav omfattende at i det første fremgangsmåtetrinnet blir et kvalitetskriterium for OFDM-signalet bestemt for hvert punkt i et todimensjonalt frekvens/tidssøkeområde, som blir bestemt i en dimensjon ved hjelp av et frekvenssøkeområde som innbefatter den nominelle frekvensen til OFDM-signalet, og i den annen dimensjon ved hjelp av et tidssøkeområde som innbefatter det nominelle tidsutgangspunkt for OFDM-signalet; at områdepunktet med det optimale kvalitetskriterium for OFDM-signalet fra dette så blir bestemt; at mottageren til slutt blir synkronisert med den nominelle frekvens ved å ta i betraktning differansen mellom den nominelle frekvens og frekvensverdien som svarer til det optimale kvalitetskriterium, og at OFDM-signalet blir demodulert ved å starte med tidsverdien som svarer til det optimale kvalitetskriterium.

7. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, omfattende at utsvinget (avstanden) mellom inngangen og utgangen til midleren blir brukt som kvalitetskriterium.

8. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, omfattende at enten ved begynnelsen av en overføring eller periodisk og/eller aperiodisk under overføringen, blir en synkroniseringssekvens i form av et spesielt bit-mønster overført, og at det optimale kvalitetskriterium blir bestemt under henvisning til dette.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 7, omfattende at en utjevning blir utført ved multiplikasjon av de enkelte OFDM-bærebølger med en kompleks verdi som svarer til amplitude- og faseresponsen til overføringskanalen.

10. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av kravene 1 til 9, omfattende at midlingen av faseverdierfor pilotbærebølgene som beregnes i det annet prosedyretrinn blir utført ved filtrering og midling over flere OFDM-signalblokker.

11. Fremgangsmåte ifølge krav 10, omfattende at en lineær regresjon blir brukt til filtrering.

12. Fremgangsmåte ifølge krav 10, omfattende at et statistisk ordensfilter, spesielt et medianfilter, blir brukt til filtrering.

13. Fremgangsmåte ifølge krav 10, omfattende at en fasestyresløyfe blir brukt til filtrering.

14. Fremgangsmåte ifølge krav 11 til 13, omfattende at de beregnede faseverdier blir veid i avhengighet av et kvalitetskriterium for OFDM-signal ene og tar i betraktning midlingen på en tilnærmet veid måte.

15. Fremgangsmåte ifølge krav 14, omfattende at mottageren er innrettet til å dekode signalet og at kvaliteten av dekodingsresultatet i mottageren blir brukt som veiekriterium.

16. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, omfattende at et ytterligere adaptivt filter, ved hjelp av hvilket langsomme endringer kan kompenseres, spesielt et Kalman-filter, er anordnet i mottagerens demodulator.

17. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, omfattende at det etter bestemmelsen av de mer nøyaktige verdier av frekvensen og utgangspunktet for OFDM-signalene blir disse demodulert og dekodet, og ved å benytte dette dekodede OFDM-signal, blir det så utført en ytterligere kanalestimering og utjevning av OFDM-signalet.

18. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, omfattende at en samplingsklokke i mottageren blir synkronisert med senderens samplingsklokke enten ved å styre hovedoscillatoren eller samplingsklokken i en A/D-omformer eller ved faseforskyvning i mottagerfilteret.