RU172566U1

RU172566U1 - DIGITAL OFDM DEMODULATOR WITH SECRET FREQUENCY DECIMATION

Info

Publication number: RU172566U1
Application number: RU2017105387U
Authority: RU
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "КАСКАД"
Priority date: 2017-02-20
Filing date: 2017-02-20
Publication date: 2017-07-13

Abstract

Полезная модель относится к области радиотехники. Техническим результатом заявленной полезной модели является создание цифрового OFDM демодулятора с децимацией частоты дискретизации с более простой конструкцией с меньшим числом дискретных логических элементов (вентилей), а также с меньшей потребляемой мощностью, за счет понижения порядка канальных цифровых фильтров I и Q и исключения из конструкции дециматоров I и Q каналов, при этом реализации операции децимации сигнала в блоке FFT (прямого быстрого преобразования Фурье) увеличенной размерности, равной NL, где L=2, при этом блок FFT выполнен с возможностью формирования параллельного потока данных на К выходах, а его другие NL-K выходы не задействованы. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.The utility model relates to the field of radio engineering. The technical result of the claimed utility model is the creation of a digital OFDM demodulator with decimation of the sampling frequency with a simpler design with fewer discrete logic elements (gates), as well as with lower power consumption, by lowering the order of channel digital filters I and Q and eliminating decimators from the design I and Q channels, while the implementation of the decimation operation of the signal in the FFT block (direct fast Fourier transform) of increased dimension equal to NL, where L = 2, while the FFT block is made with the possibility of forming a parallel data stream on the K outputs, and its other NL-K outputs are not involved. 1 s.p. f-ly, 3 ill.

Description

Полезная модель относится к области радиотехники, к широкополосным системам связи с использованием ортогонального частотного разделения со многими поднесущими (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing - OFDM), а именно к цифровым OFDM демодуляторам с децимацией частоты дискретизации, и может применяться в многопользовательских системах фиксированной или мобильной связи на основе технологий OFDM.The utility model relates to the field of radio engineering, to broadband communication systems using orthogonal frequency division with multiple subcarriers (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing - OFDM), namely to digital OFDM demodulators with decoding of the sampling frequency, and can be used in multi-user fixed or mobile communication systems based on OFDM technologies.

Наиболее близким к заявленной полезной модели является цифровой OFDM демодулятор, описанный в патенте US 7289765 B2, который содержит последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь, синфазный (I) и квадратурный (Q) каналы, выполненные идентично и состоящие из последовательно соединенных перемножителей, первые входы которых соединены с аналого-цифровым преобразователем, цифровых фильтров нижних частот с конечной импульсной характеристикой и дециматоров, цифровой генератор опорных колебаний промежуточной частоты, выход которого подключен к другому входу перемножителя I канала и через фазовращатель на 90 градусов - к другому входу перемножителя Q канала, а выходы дециматоров соединены с преобразователем из последовательных OFDM символов в параллельные с отбрасыванием защитного интервала, блок прямого быстрого преобразования Фурье (Fast Fourier Transform - FFT) размерности N=2ⁿ (где на практике, как правило, n=6…13), преобразователь из параллельных символов данных в последовательные. Данный цифровой OFDM демодулятор выбран в качестве прототипа заявленной полезной модели.Closest to the claimed utility model is a digital OFDM demodulator described in patent US 7289765 B2, which contains a series-connected analog-to-digital converter, in-phase (I) and quadrature (Q) channels, made identically and consisting of series-connected multipliers, the first inputs of which connected to an analog-to-digital converter, digital low-pass filters with a finite impulse response and decimators, a digital intermediate frequency reference oscillator, the output of which Fast Fourier Transform (FFT) unit is connected to another input of the channel I multiplier and through a 90 degree phase shifter to another input of the Q channel multiplier, and the outputs of the decimators are connected to the converter from consecutive OFDM symbols to parallel ones with the guard interval being dropped dimension N = 2 ⁿ (where in practice, as a rule, n = 6 ... 13), a converter from parallel data characters to serial ones. This digital OFDM demodulator is selected as a prototype of the claimed utility model.

Цифровой OFDM демодулятор-прототип работает следующим образом. С выхода аналого-цифрового преобразователя цифровой сигнал промежуточной частоты fпр подают на первые входы перемножителей I и Q каналов, тогда как на вторые их входы подают сдвинутые относительно друг друга на 90 градусов сигналы цифрового опорного генератора промежуточной частоты. С выхода перемножителей I и Q каналов соответственно действительную и мнимую составляющие комплексного сигнала подают на вход цифровых фильтров нижних частот, в которых подавляют спектры сигналов зеркальных частот цифрового сигнала. Далее квадратурные составляющие цифрового сигнала поступают на соответствующие входы дециматоров I и Q каналов, в которых понижают частоту дискретизации fд в L=2^m раз (где m - целое положительное число). В результате на выходах этих дециматоров получают сигналы, которые имеют сумму спектров зеркальных частот с периодом fд/L и поступают на преобразователь последовательных OFDM символов в параллельные с отбрасыванием защитного интервала в начале OFDM символа, который является копией некоторой его заключительной части. Сформированный таким образом I и Q спектр OFDM символа на видеочастоте поступает на N-входовый блок FFT размерности N=2ⁿ. На выходе блока FFT некоторое количество отсчетов K, со скоростью потока данных В/К бит/с в каждом, подают на преобразователь из параллельных символов в последовательные, на выходе которого формируют выходной поток данных со скоростью В бит/с. Digital OFDM demodulator prototype works as follows. From the output of the analog-to-digital converter, a digital intermediate frequency signal fpr is fed to the first inputs of the channel I and Q multipliers, while the second inputs of them supply 90-degree-shifted signals of the digital intermediate frequency reference generator. From the output of the channel I and Q multipliers, respectively, the real and imaginary components of the complex signal are fed to the input of digital low-pass filters, which suppress the spectra of mirror-frequency signals of the digital signal. Next, the quadrature components of the digital signal are fed to the corresponding inputs of the I and Q channel decimators, in which the sampling frequency fd is reduced by L = 2 ^m times (where m is a positive integer). As a result, the outputs of these decimators receive signals that have the sum of the spectra of mirror frequencies with a period of fd / L and are fed to the converter of consecutive OFDM symbols in parallel with the discarding of the guard interval at the beginning of the OFDM symbol, which is a copy of some of its final part. The I and Q spectrum of the OFDM symbol thus formed at the video frequency is fed to the N-input block FFT of dimension N = 2 ⁿ . At the output of the FFT block, a certain number of samples K, with a data rate of B / K bit / s in each, are fed to the converter from parallel to serial characters, the output of which forms the output data stream at a speed of B bits / s.

Отношение K/N определяет защитный интервал и выбирается порядка 0,7-0,8, что является достаточным для подавления вредных краевых эффектов на концах спектра. Остальные N-К выходов блока FFT отбрасывают.The K / N ratio determines the guard interval and is selected on the order of 0.7-0.8, which is sufficient to suppress harmful edge effects at the ends of the spectrum. The remaining NK outputs of the FFT block are discarded.

Применение дециматоров I и Q повышает требования к амплитудно-частотной характеристике канальных цифровых фильтров нижних частот за счет соответствующего повышения порядка фильтров. На Фиг. 1 показаны спектры FFT сигналов до (а) и после (б) децимации при L=2²=4.The use of decimators I and Q increases the requirements for the amplitude-frequency characteristic of channel digital low-pass filters due to a corresponding increase in the order of the filters. In FIG. Figure 1 shows the spectra of FFT signals before (a) and after (b) decimation at L = 2 ² = 4.

Недостатком схемы цифрового OFDM демодулятора-прототипа с децимацией частоты дискретизации является его аппаратная сложность, обусловленная повышением порядка канальных цифровых фильтров нижних частот и реализацией дециматоров I и Q каналов, увеличивающаяся с ростом L.The disadvantage of the digital OFDM demodulator prototype demodulator with decimation of the sampling frequency is its hardware complexity, due to an increase in the order of channel digital low-pass filters and the implementation of decimators of I and Q channels, increasing with increasing L.

Техническим результатом заявленной полезной модели является создание цифрового OFDM демодулятора с децимацией частоты дискретизации с более простой конструкцией с меньшим числом дискретных логических элементов (вентилей), а также с меньшей потребляемой мощностью, за счет понижения порядка канальных цифровых фильтров I и Q и исключения из конструкции дециматоров I и Q каналов, при этом реализации операции децимации сигнала в блоке FFT (прямого быстрого преобразования Фурье) увеличенной размерности, равной NL, где L=2^m, при этом блок FFT выполнен с возможностью формирования параллельного потока данных на К выходах, а его другие NL-K выходы не задействованы. Диаграмма, характеризующая распределение «информационных» и «отбрасываемых» выходов блока FFT, показана на Фиг. 2. N значений FFT сигнала размерности NL, взятые по краям, в соответствии со свойством прямого преобразования Фурье совпадают с соответствующими значениями FFT сигнала размерности N за вычетом значений остальных N(L-1) частотных «зеркальных» отсчетов, которые отбрасываются и не попадают в спектр «информационных» отсчетов как при децимации на входе блока FFT.The technical result of the claimed utility model is the creation of a digital OFDM demodulator with decimation of the sampling frequency with a simpler design with fewer discrete logic elements (gates), as well as with lower power consumption, by lowering the order of channel digital filters I and Q and excluding decimators from the design I and Q channels, with the implementation of the decimation operation of the signal in the FFT block (direct fast Fourier transform) of increased dimension equal to NL, where L = 2 ^m , while the FFT block is made with the possibility of forming a parallel data stream at the K outputs, and its other NL-K outputs are not involved. A diagram characterizing the distribution of the “information” and “discarded” outputs of the FFT block is shown in FIG. 2. N values of FFT signal of dimension NL taken at the edges, in accordance with the direct Fourier transform property, coincide with the corresponding values of FFT of signal of dimension N minus the values of the remaining N (L-1) frequency “mirror” samples, which are discarded and do not fall into spectrum of “informational” readings as in decimation at the input of the FFT block.

С учетом того, что число «отбрасываемых» выходов блока FFT составляет не менее половины от его размерности, реализация блока FFT размерности NL усложняется незначительно относительно выигрыша, к которому приводит понижение порядка канальных цифровых фильтров и исключение канальных дециматоров. Обычно на практике L выбирается равной 4 или 8. При этом наибольшая эффективность достигается в случае L=2.Considering the fact that the number of “discarded” outputs of the FFT block is at least half of its dimension, the implementation of the FFT block of dimension NL is slightly more complicated with respect to the gain resulting in a decrease in the order of channel digital filters and the exclusion of channel decimators. Usually, in practice, L is chosen equal to 4 or 8. Moreover, the greatest efficiency is achieved in the case of L = 2.

Заявленный технический результат выполнен за счет создания цифрового OFDM демодулятора с децимацией частоты дискретизации, содержащего аналого-цифровой преобразователь, выход которого соединен с входами синфазного I и квадратурного Q каналов, выполненных идентично и состоящих из двух последовательно соединенных перемножителей I и Q каналов, первые входы которых соединены с аналого-цифровым преобразователем, и двух цифровых фильтров нижних частот с конечной импульсной характеристикой I и Q каналов, при этом выход цифрового генератора опорных колебаний промежуточной частоты подключен к второму входу перемножителя I канала и через фазовращатель на 90 градусов к второму входу перемножителя Q канала, а выходы цифровых фильтров нижних частот I и Q каналов соединены с входом преобразователя из последовательных OFDM символов в параллельные с отбрасыванием защитного интервала, выход которого соединен со входом блока FFT (прямого быстрого преобразования Фурье), выход которого соединен со входом преобразователя из параллельных символов данных в последовательные, причем аналого-цифровой преобразователь выполнен с возможностью получения на входе сигнала в аналоговой форме на промежуточной частоте с выхода внешнего высокочастотного блока, а также с возможностью формирования действительного цифрового сигнала и подачи его на входы перемножителей I и Q каналов, выполненных с возможностью переноса спектра OFDM сигнала с промежуточной частоты на видеочастоту с помощью генератора и фазовращателя, которые выполнены с возможностью формирования сдвинутых на 90 градусов относительно друг друга cos и sin составляющих опорного колебания на промежуточной частоте в цифровой форме, при этом перемножители I и Q каналов выполнены с возможностью параллельной подачи действительной и мнимой составляющих комплексного OFDM сигнала на соответствующие цифровые фильтры нижних частот с конечной импульсной характеристикой I и Q каналов, выполненных с возможностью предварительной фильтрации или коррекции OFDM сигнала перед подачей на преобразователь 8 последовательных OFDM символов в параллельные с отбрасыванием защитного интервала в начале OFDM символа, представляющего собой копию заключительной части OFDM символа.The claimed technical result is achieved by creating a digital OFDM demodulator with decimation of the sampling frequency, containing an analog-to-digital converter, the output of which is connected to the in-phase I and quadrature Q channels, made identically and consisting of two series-connected multipliers of I and Q channels, the first inputs of which connected to an analog-to-digital converter, and two digital low-pass filters with a finite impulse response of I and Q channels, while the output of the digital generator oscillations of the intermediate frequency are connected to the second input of the channel I multiplier and through the phase shifter 90 degrees to the second input of the Q channel multiplier, and the outputs of the digital low-pass filters of the I and Q channels are connected to the converter input from consecutive OFDM symbols to parallel ones with the guard interval being dropped, the output which is connected to the input of the FFT unit (direct fast Fourier transform), the output of which is connected to the input of the converter from parallel data characters to serial, moreover, analog-digital The how-to converter is configured to receive an analog signal at an intermediate frequency at the intermediate frequency output from an external high-frequency unit, as well as to generate a valid digital signal and feed it to the inputs of channel I and Q multipliers, which are capable of transferring an OFDM signal spectrum from an intermediate frequency to the video frequency using a generator and a phase shifter, which are configured to form cos and sin components of the reference intermittent frequency in digital form, while the multipliers of I and Q channels are configured to parallelly supply the real and imaginary components of the complex OFDM signal to the corresponding digital low-pass filters with a finite impulse response of I and Q channels configured to pre-filter or correct OFDM signal before applying to the converter 8 consecutive OFDM symbols in parallel with the discard of the guard interval at the beginning of the OFDM symbol, which is a copy FINAL part of the OFDM symbol.

В предпочтительном варианте осуществления цифрового OFDM демодулятора размерность блока FFT равна NL, где L=2m, N=2n, n обычно принимает значения от 6 до 13, a m - целое положительное число, при этом блок FFT выполнен с возможностью формирования параллельного потока данных на К выходах, а его другие NL-K выходы не задействованы.In a preferred embodiment of a digital OFDM demodulator, the FFT block dimension is NL, where L = 2m, N = 2n, n usually takes values from 6 to 13, am is a positive integer, and the FFT block is configured to form a parallel data stream on K outputs, and its other NL-K outputs are not involved.

Для лучшего понимания заявленной полезной модели далее приводится ее подробное описание с соответствующими чертежами.For a better understanding of the claimed utility model the following is a detailed description with the corresponding drawings.

Фиг. 1 - спектры FFT сигналов до (а) и после (б) децимации при L=2²=4, выполненная согласно прототипу.FIG. 1 - spectra of FFT signals before (a) and after (b) decimation at L = 2 ² = 4, made according to the prototype.

Фиг. 2 - диаграмма распределения «информационных» и «отбрасываемых» выходов блока FFT, выполненная согласно полезной модели.FIG. 2 is a distribution diagram of the “information” and “discarded” outputs of the FFT block, made according to the utility model.

Фиг. 3 - блок-схема цифрового OFDM демодулятора с децимацией частоты дискретизации, выполненная согласно полезной модели.FIG. 3 is a block diagram of a digital OFDM demodulator with decimation of the sampling frequency, made according to the utility model.

Элементы:Items:

1 - аналого-цифровой преобразователь;1 - analog-to-digital Converter;

2 - перемножитель I канала;2 - channel I multiplier;

3 - перемножитель Q канала;3 - Q channel multiplier;

4 - цифровой генератор опорных колебаний промежуточной частоты;4 - digital generator of reference oscillations of the intermediate frequency;

5 - фазовращатель на 90 градусов;5 - phase shifter 90 degrees;

6 - цифровой фильтр нижних частот I канала;6 - digital low-pass filter of channel I;

7 - цифровой фильтр нижних частот Q канала;7 - digital low-pass filter of the Q channel;

8 - преобразователь из последовательных OFDM символов в параллельные;8 - converter from consecutive OFDM symbols to parallel;

9 - блок FFT;9 - block FFT;

10 - преобразователь из параллельных символов данных в последовательные.10 - Converter from parallel data characters to serial.

Рассмотрим более подробно функционирование заявленного цифрового OFDM демодулятора с децимацией частоты дискретизации (Фиг. 3), который содержит аналого-цифровой преобразователь 1, перемножители 2-3 I и Q каналов, цифровой генератор 4 опорных колебаний промежуточной частоты fпр, фазовращатель 5 на 90 градусов, цифровые фильтры нижних частот 6 и 7 с конечной импульсной характеристикой I и Q каналов, преобразователь 8 из последовательных символов в параллельные с удалением защитного интервала OFDM символа, блок 9 FFT размерностью 2^n+m и преобразователь 10 из параллельных символов в последовательные.Let us consider in more detail the operation of the claimed digital OFDM demodulator with decimation of the sampling frequency (Fig. 3), which contains an analog-to-digital converter 1, multipliers of 2-3 I and Q channels, a digital generator 4 of reference oscillations of the intermediate frequency fpr, phase shifter 5 by 90 degrees, digital low-pass filters 6 and 7 with a finite impulse response of I and Q channels, a converter 8 from consecutive symbols to parallel ones with the removal of the guard interval of the OFDM symbol, block 9 FFT of dimension 2 ^{n + m} and converter 10 from parallel characters to consecutive.

Заявленный цифровой OFDM демодулятор работает следующим образом. С выхода высокочастотного блока сигнал в аналоговой форме на промежуточной частоте fпр поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 1. Далее действительный цифровой сигнал подается на перемножители 2 и 3 I и Q каналов, где происходит перенос спектра OFDM сигнала с промежуточной частоты fпр на видеочастоту с помощью генератора 4 и фазовращателя 5, которые формируют сдвинутые на 90 градусов относительно друг друга cos и sin составляющие опорного колебания на промежуточной частоте fпр в цифровой форме. Затем действительная и мнимая составляющие комплексного OFDM сигнала подаются параллельно на соответствующие цифровые фильтры нижних частот 6 и 7 с конечной импульсной характеристикой I и Q каналов. В этих фильтрах может быть осуществлена предварительная фильтрация или коррекция OFDM сигнала перед подачей на преобразователь 8 последовательных OFDM символов в параллельные с отбрасыванием защитного интервала в начале OFDM символа, представляющего собой копию заключительной части OFDM символа. С К выходов блока 9 FFT размерностью 2^n+m K потоков данных со скоростью В/К бит/с поступают на преобразователь 10 параллельных символов в последовательные, на выходе которого формируется выходной поток данных со скоростью В бит/с, а другие 2^n+m - К выходов блока 9 FFT отбрасываются.The claimed digital OFDM demodulator operates as follows. From the output of the high-frequency unit, the signal in analog form at an intermediate frequency fpr is fed to the input of the analog-to-digital converter 1. Next, a valid digital signal is fed to channel multipliers 2 and 3 of I and Q, where the OFDM signal is transferred from the intermediate frequency fpr to the video frequency using generator 4 and phase shifter 5, which form cos and sin components shifted by 90 degrees relative to each other, reference oscillation components at an intermediate frequency fpr in digital form. Then, the real and imaginary components of the complex OFDM signal are fed in parallel to the corresponding digital low-pass filters 6 and 7 with a finite impulse response of I and Q channels. In these filters, the OFDM signal can be pre-filtered or corrected before applying consecutive OFDM symbols to the converter 8 in parallel with discarding the guard interval at the beginning of the OFDM symbol, which is a copy of the final part of the OFDM symbol. From the outputs of block 9 FFT with a dimension of 2 ^{n + m} K data streams with a speed of V / K bit / s are fed to a converter 10 of parallel characters into sequential ones, the output of which forms an output data stream with a speed of B bits / s, and the other 2 ^{n + m} - The outputs of block 9 FFT are discarded.

Сущность заявленной полезной модели заключается в создании цифрового OFDM демодулятора с децимацией частоты дискретизации, содержащего последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь, синфазный (I) и квадратурный (Q) каналы, выполненные идентично и состоящие из последовательно соединенных перемножителей, первые входы которых соединены с аналого-цифровым преобразователем, и цифровые фильтры нижних частот с конечной импульсной характеристикой, цифровой генератор опорных колебаний промежуточной частоты, выход которого подключен к другому входу перемножителя I канала и через фазовращатель на 90 градусов - к другому входу перемножителя Q канала, а выходы цифровых фильтров нижних частот соединены с преобразователем из последовательных OFDM символов в параллельные с отбрасыванием защитного интервала, блок прямого быстрого преобразования Фурье, размерность которого увеличена в 2^m раз, преобразователь из параллельных символов данных в последовательные.The essence of the claimed utility model is to create a digital OFDM demodulator with decimation of the sampling frequency, containing a series-connected analog-to-digital converter, in-phase (I) and quadrature (Q) channels made identically and consisting of series-connected multipliers, the first inputs of which are connected to analog a digital converter, and digital low-pass filters with a finite impulse response, a digital intermediate frequency reference oscillator, the output of which is sub is connected to the other input of the channel I multiplier and through the phase shifter 90 degrees to the other input of the Q channel multiplier, and the outputs of the digital low-pass filters are connected to the converter from consecutive OFDM symbols to parallel ones with the guard interval being discarded, the direct fast Fourier transform unit, the dimension of which is increased 2 ^m times, converter from parallel data characters to serial.

Полезная модель может быть осуществлена на соответствующей элементной базе по типовым технологиям.The utility model can be implemented on the appropriate elemental base for standard technologies.

Хотя описанный выше вариант выполнения полезной модели был изложен с целью иллюстрации заявленной полезной модели, специалистам ясно, что возможны разные модификации, добавления и замены, не выходящие из объема и смысла заявленной полезной модели, раскрытой в прилагаемой формуле полезной модели.Although the embodiment of the utility model described above was set forth to illustrate the claimed utility model, it is clear to those skilled in the art that various modifications, additions and replacements are possible without departing from the scope and meaning of the claimed utility model disclosed in the attached utility model formula.

Claims

1. Digital OFDM demodulator with decimation of the sampling frequency, containing an analog-to-digital converter, the output of which is connected to the inputs of the in-phase I and quadrature Q channels, made identically and consisting of two series-connected multipliers of I and Q channels, the first inputs of which are connected to analog-digital a converter, and two digital low-pass filters with a finite impulse response of I and Q channels, while the output of a digital generator of reference oscillations of the intermediate frequency is connected to the second input to the channel I multiplier and through the 90 ° phase shifter to the second input of the Q channel multiplier, and the outputs of the digital low-pass filters of the I and Q channels are connected to the converter input from consecutive OFDM symbols to parallel ones with the guard interval being discarded, the output of which is connected to the input of the FFT block ( direct fast Fourier transform), the output of which is connected to the input of the converter from parallel data characters to serial, moreover, the analog-to-digital converter is configured to receive a signal at the input in analog form at an intermediate frequency from the output of an external high-frequency unit, as well as with the possibility of generating a valid digital signal and supplying it to the inputs of channel I and Q multipliers, configured to transfer the OFDM signal spectrum from an intermediate frequency to a video frequency using a generator and a phase shifter, which are made with the possibility of forming cos and sin components shifted by 90 ° relative to each other of the reference oscillation at an intermediate frequency in digital form, while the multipliers I and Q the channels are configured to supply the real and imaginary components of the complex OFDM signal in parallel to the corresponding digital low-pass filters with a finite impulse response of I and Q channels, configured to pre-filter or correct the OFDM signal before applying consecutive OFDM symbols to the converter 8 in parallel with the protection the interval at the beginning of the OFDM symbol, which is a copy of the final part of the OFDM symbol.

2. The digital OFDM demodulator according to claim 1, characterized in that the dimension of the FFT block is NL, where L = 2 ^m , N = 2 ⁿ , n usually takes values from 6 to 13, and m is a positive integer, while the block FFT is configured to form a parallel data stream at the K outputs, and its other NL-K outputs are not involved.