SE500986C2 - Förfarande och anordning för synkronisering i digitalt transmissionssystem av typen OFDM - Google Patents

Description

500 10 15 20 25 30 35 40 986 2 modulerat på en bärvågssignal. I början av en dataöverföring sänds en träningssekvens med känd frekvens. Mottagaren inne- håller kretsar för att bestämma vissa parametrar såsom fasen mellan den översända träningssekvensen och motsvarande sekvens genererad i mottagaren. Mottagaren utnyttjar ett DET- filter (Discrete Fourier Transform) för att bestämma korrela- tionen mellan signalen pà ingången och en lokalt genererad frekvens.

US-A-4 754 449 beskriver en mottagare som med hjälp av en Fouriertransformator mottar ett antal FDMA-kanaler och transformerar dessa till en enda TDM-kanal. Eventuella fasfel hos den inkommande informationen detekteras genom att låta ett symbolfönster svepa fram och tillbaka över de inkommande symbolerna. En felsignal genereras om en tidsförskjutning detekteras för en individuell symbol jämfört med föregående översändning.

US-A-4 701 939 hänför sig till en metod och en apparat för att erhålla synkronisering mellan en sändare och en mot- tagare. Synkroniseringssekvenser sänds ut i form av pseudo- slumpmönster. De mottagna synkroniseringssekvenserna jämförs genom en autokorrelationsteknik med kända sekvenser och där- igenom kan synkronisering mellan sändare och mottagare er- hållas.

US-A-5 148 451 avser en anordning för att synkronisera en mobil enhet med en inkommande bärvàg. Den inkommande bär- vågen är modulerad med data och en unik sekvens. Den unika sekvensen är periodiskt inblandad i datainformationen i varje ram. Den unika sekvensen finns även lagrad lokalt i de mobila enheterna. En krets utför en korskorrelation mellan den modu- lerade unika sekvensen och den lagrade sekvensen. Resultatet av korskorrelationen utnyttjas till ram- och bärvågssynkroni- sering.

Det är emellertid inte känt att utföra tidsskiftade FET- operationer och korskorrelera resultatet i frekvensplanet och att utnyttja sådana synkroniseringsmetoder i OFDM-nät.

KORTFATTAD BESKRIVNING AV RITNINGARNA Uppfinningen kommer nu att beskrivas i detalj med hänvisning till bifogade ritningar, varav fig. 1 är ett blockschema över sändare och mottagare i 10 15 20 25 30 35 40 500 986 ett OFDM-system, fig. 2 visar inläggningen av synkroniseringsramar enligt föreliggande uppfinning, fig. 3 visar ett diagram över detekteringen av en synkroniseringsram, och fig. 4 är ett blockschema över synkroniseringsdelen i mottagaren enligt föreliggande uppfinning.

DETALJERAD BESKRIVNING AV FÖREDRAGNA UTFÖRINGSFORMER För att underlätta förståelsen av uppfinningen ges först en kortfattad, övergripande beskrivning av modulationsmetoden OFDM och dess egenskaper.

Med OFDM menas Ortogonal Frequencä Division Multiplex.

Grundidén i OFDM-modulering är att dela upp det data man vill sända i ett stort antal (N)modulerade underbärvågor så att var och en av underbärvágorna ges en låg bithastighet. Anled- ningen till detta är att motverka effekterna av frekvens- selektiv fädning som ger upphov till intersymbolinterferens.

Genom att utnyttja ett stort antal frekvensuppdelade kanaler där var och en har en symboltid som är betydligt längre än längden av kanalens tidsdispersion minskar man inverkan av detta problem. I frekvensselektiv fädning dämpas kraftigt olika delar av frekvensspektrumet på olika sätt, varvid det uppstår dippar i frekvensbandet. Vid OFDM-modulering innebär det att vissa underbärvàgskanaler kan utsläckas helt eller delvis viket medför att information från dessa försvinner.

Denna information kan àterfâs genom kanalkodning. Vid nytt- jande av kombinerad OFDM och kanalkodning kallas modulations- metoden oftast för COFDM (Coded OFDM).

Det som skiljer konventionell frekvensuppdelad modula- tion mot OFDM är att frekvensspektrumet av intilliggande underbärvågor ömsesidigt överlappar vilket ger ett optimalt frekvensutnyttjande. Detta kan utföras genom att signalerna har ortogonala egenskaper som gör det möjligt att modulera varje kanal så att grannkanalerna inte störs. En tilltalande egenskap med detta är att modulations- och demodulations- processen kan utföras genom utnyttjande av FFT-teknik (Fast Fourier Transform).

I fig. 1 visas en principskiss över sändaren och mot- tagaren i ett OFDM-system.I sändaren utförs invers FFT på ett 5 10 15 20 25 30 35 40 i; ' 0 6 Q 1 OD 4 block om N stycken symboler. Symbolerna före IFFT-operationen kan betraktas som frekvensfunktioner för varje underbärvåg och kan ges godtycklig modulationsform. Tidsfunktionen av symbolerna sänds över kanalen och i mottagaren utförs FFT av denna före demodulation av data.

Föreliggande uppfinning tillhandahåller ett förfarande för synkronisering av OFDM-system av ovannämnda typ. För- farandet bygger på att man lägger ut kända synkroniserings- ramar i tiden. Synkroniseringsramarna inramar ett antal N dataramar som bildar ett block, såsom visas i fig. 2.

Synkroniseringsramarna har som uppgift att via digital signalbehandling i mottagaren ge möjlighet att skatta en tidsreferens för insampling av data. Vidare ger signalbehand- lingen skattning av den fasvridning kanalen gett synkronise- ringsramen samt en skattning av frekvensdrift. Dessa paramet- rar utnyttjas sedan vid detektion av efterföljande dataramar.

Konceptet bygger på att man antar att kanalen är approxima- tivt stationär (tidsinvariant) mellan synkroniseringsramarna så att de parametrar man skattat kan utnyttjas vid detekte- ring av efterföljande dataramar. Synkroniseringsramarna åter- upprepas med kända intervall vilka väljs utifrån kanalens ändringstakt, dvs den takt parametrarna varierar, samt ut- ifrån den beräkningskapacitet som krävs för att skatta syn- kroniseringsparametrarna.

Synkroniseringsramen utformas för behandling i frekvens- planet genom FFT-teknik och korskorrelering. Det är av största vikt att hela frekvensspektrumet utnyttjas för att ge robusthet mot frekvensselektiv fädning.

Ramen består av kända frekvenser med kända faslägen.

Frekvenserna är uppdelade i antal och frekvensseparering på sådant sätt att vid FFT-operationen i mottagaren samplas lika många sampel som antal punkter i FFT:n. Frekvenserna är valda med sådan separering att de ligger exakt i frekvens för varje punkt i FFT:n. Fasläge för respektive frekvens väljs enligt ett PRBS-mönster (Pseudo Random Binary Sequence) bestående av -1 och 1. Som PRBS-sekvens kan t.ex. så kallade M-sekvenser utnyttjas. Valet av PRBS-sekvenser skall grunda sig på atuo- korrelationsegenskaperna och är en av hörnstenarna i syn- kroniseringsmetoden.

Synkroniseringsramen genereras genom invers FFT (IFFT) i 10 15 20 25 30 35 40 5 500 986 sändaren. Enligt uppfinningen genereras synkroniseringsramen genom att generera frekvenser (toner) i frekvensplanet med förutbestämd fas, beräkna IFFT, operationen i avsedda tidsluckor mellan dataramarna. Eftersom och sända tidsfunktionen av synkroniseringsramen är känd och àterupprepas kontinuerligt kan IFFT-operationen utföras i förväg och lagras i EPROM.

Denna lagrade tidsfunktion av synkroniseringsramen kan därvid sändas genom direkt läsning från EPROM i de förutbestämda tidsluckorna.

Mottagaren har ett mått på tidsläge och fas för före- gående synkroniseringsram. På grund av distorsion av kanalen samt ofullkomligheter i sändare och mottagare måste dessa parametrar uppdateras för varje nytt block av dataramar. För att uppdatera dessa parametrar utnyttjas föregående tidsläge för att finna det nya genom att utföra en serie FFT-opera- tioner.

Såsom visar i fig. 3 samplas först flera sampel än EFT- längden över det omrâde där synkroniseringsramen beräknas ligga i tiden. Av dessa sampel utförs en serie i tiden över- lappande FFT-operationer, glidande FFT, för att finna läget av den tidslucka där synkroniseringsramen ligger.

Efter varje EFT-operation utförs korskorrelering mot den kända frekvensfunktionen av synkroniseringsramen. Dá fasen hos respektive frekvens valts som PRBS-sekvenser kommer kors- korrelationen att ge ett mycket väldefinierat amplitudmaximum endast i den tidslucka som innehåller synkroniseringsramen.

Detta korskorrelationsmaximum detekteras för varje tidsskift av signalen och vid det tidsskift där det största (enda) maximalt uppnås utnyttjas detta som tidsbas för efterföljande data.

Fasen för korskorrelationsmaximum anger entydigt fasen för synkroniseringsramen och utnyttjas för faskompensation vid detektering av efterföljande data.

Korskorrelationen ger även information om frekvensav- vikelser. Dessa avvikelser uppstår oftast genom avvikelser mellan oscillatorer hos sändare och mottagare, men kan även uppstår på grund av dopplereffekter i mobila system. Fre- kvensfelet uppträder genom att amplitudmaximum i korskorrela- tionen varierar runt mittpunkten i sekvensen (maximum i mitt- punkten - inget frekvensfel). Om amplitudmaximat förflyttas 10 15 20 25 30 35 40 6 ett steg i sekvensen motsvaras det av en frekvensdrift på en EFT-punkts upplösning frekvensseparering.

En annan egenskap hos metoden är att fasavvikelsen och amplitud för olika frekvenser i olika delar av frekvens- spektrumet kan avläsas direkt ur FFT:n för synkroniserings- sekvensen vilket kan utnyttjas för kanalestimering vid fre- kvensselektiv fädning.

I fig. 4 visas ett blockdiagram över synkroniserings- delen i mottagaren i enlighet med föreliggande uppfinning.

Mottagaren består av samplingsenhet, direktminnen (RAM), FFT-processorer och digitala signalprocessorer (DSP).

Samplingsenheten digitaliserar signalen genom sampling och buffrar denna i RAM-minnen (komplex signal). RAM-minnet har som uppgift att buffra en tillräcklig mängd data av signalen för att tidsreferensen vid datadetektering skall kunna anges som ett adressoffset till detta minne (cirkulär buffert).

I mottagaren finns tvâ EFT-processorer. Den ena FFT- processorn är avsedd för detektering av data, och den andra FFT-processorn för detektering av synkroniseringsparametrar.

Resultatet av operationen frán FFT-processorn avsedd för synkronisering läses in av DSP-enheter och processeras för skattning av synkroniseringsparametrar.

Parametern för tidssynkronisering ges till adresshante- raren för FFT-processorn för datadetektering som ett adress- offset till RAM-minnet, data.

Den skattade parametern för fasvridning ges till demodu- dvs var denna skall börja läsa in lationsenheten efter FFT-processorn. Denna enhet demodulerar varje underbärvâgskanal och korrigerar fas och amplitud.

Den frekvensdrift som uppmätts utnyttjas av en frekvens- regleringsenhet vilken inte ingår i uppfinningen. En fre- kvensreglering kan implementeras på olika sätt. Ett sätt är att styra numeriskt styrda oscillatorer (NCO) vid nedbland- ningen och àterkoppla resultatet till regulatorn. Ett annat sätt är att kompensera för frekvensdriften digitalt före FFT- operationen i mottagaren med liknande återkoppling.

En FFT-processor är en signalprocessor optimerad för vektoriella operationer över stora datamängder som FFT, korrelering och PIR-filtrering. Denna typ av processor är 10 15 20 25 30 35 40 500 986 betydligt snabbare än generella signalprocessorer för dessa 7 typer av operationer.

FFT-processorn är anpassad för att utföra operationerna i frekvensplanet. Med detta menas att arkitekturen är optime- rad för att utföra FFT (Fast Fourier Transform) på inkommande data. Efter FFT-operationen kan filtreringar och korrele- ringar m.m. utföras i frekvensplanet som vektoriell multipli- cering med frekvensfunktionen av överföringsfunktionen. EFT- processorn har en minnesstruktur som bygger på att så kallade ping-pong-teknik utnyttjas. Med detta menas att data läses från det ena RAM-minnet, processeras i FFT-processorn och lagras i det andra RAM-minnet. De parametrar, eller koeffi- cienter, som utnyttjas vid varje operation finns lagrade i ett speciellt RAM-minne.

I synkroniseringsförfarandet enligt uppfinningen utnytt- jas FFT-processorn för glidande korskorrelering i frekvens- planet mot den mottagna synkroniseringsramen. En generell ordning för operationerna för FFT-processorn kan beskrivas med följande pseudokod: for j=(tau_old-k) to (tau_old+k) do f=FFT(s(j to j+fft_len-1)) c=corr(f_sync,f) save_to_DSP(c) end En korrelering i frekvensplanet kan utföras genom multi- plicering av data med tidsfunktionen av synkroniseringsramen i tidsplanet före FFT-operationen. Denna metod är betydligt mer beräkningseffektiv än att utföra operationen genom en faltning efter FFT-operationen och utnyttjas därför i denna uppfinning. En fördel med detta förfarande är att FFT-proces- sorn ger stöd för denna operation, vilket den inte gör för en ren faltning. Pseudokoden kan därmed modifieras för denna synkroniseringsmetod genom: for j=(tau_old-k) to (tau_old+k) do sm=conjugate(t_sync)*s(j to j+fft_len-1) c=FFT(sm) save_to_DSP(c) end Operationerna som FFT-processorn utför blir då följande i beskrivande text: 500 996 8 10 15 20 25 30 35 40 1. Läs in insignalsampel utifrån föregående tidsbas, tau_old. Från tau_old-k till (tau_old+k-fft_len) lagras insignalsamplen i RAM-minnet. Faktorn k väljs beroende på det maximala tidsskift som beräknas finnas samt hur ofta detta uppdateras. Den beräkningskapacitet som existerar är även avgörande. 2. För varje tidsskift av den lagrade insignalen utförs multiplicering med tidsfunktionen av synkroniseringsramen.

Denna finns lagrad i en bank i koefficient-RAM-minnet. Efter multiplicering utförs FFT på resultatet som ger korskorrela- tionen 1 frekvensplanet. Korskorrelationen lagras för vidare processering av DSP. 3. När alla operationer ovan utförts för alla tidsskift av signalen och den nya tidsbasen, tau_new, skattats utförs ytterligare en FFT-operation för den nya tidsbasen, Denna operation utförs utan frekvenskorrelation och har som uppgift att skatta kanalens distorsion av synkroniseringsramen. Ur resultatet ges fas- och amplituddistorsion för hela frekvens- spektrumet vilket ger möjlighet till kompensation vid demodu- lering av data.

Det är av största vikt att minimera DSP-processorns belastning vid bredbandig signalbehandling eftersom denna är tiopotenser långsammare än FFT-processorer i beräkningskapa- citet. Dock har en DSP-processor en betydligt större instruk- tionsrepertoar än en vektorprocessor och klarar därför av operationer som är mer eller mindre omöjliga med en vektor- processor. Exempel på sådana operationer är skalära opera- tioner av typen jämförelser, bitmanipulering, minneshantering och möjlighet till att bygga upp stora komplexa programstruk- turer.

DSP-processorerna enligt uppfinningen har som uppgift att läsa in de korreleringssekvenser som fås från FFT- processorn. Från dessa korreleringssekvenser kan DSP:n hitta korrelationsmaximum och beräkna tidsbas och fasvridning av detta. Tidsbasen utnyttjas för att styra insampling av data till FFT-processorn för datademodulering. Fasvridningen levereras till demoduleringsenheten efter FFT-processorn där faskompensering och utjämning sker.

Efter detta skattas frekvensdriften genom processering av korrelationssekvensen tillhörande vald tidsbas. Denna 10 15 20 25 30 35 40 500 986 parameter utnyttjas av enheten för frekvensreglering. 9 DSP:n processerar även det kanalestimat som fås från EFT-operationen vid rätt tidsbas och levererar detta till demodulationsenheten.

Således tillhandahåller föreliggande uppfinning ett förfarande och en anordning för synkronisering av ett OFDM- system.

Uppfinningen har följande fördelar jämfört med tidigare känd teknik: - Synkroniseringen baseras på hela frekvensspektrumet.

- Sändare och mottagare i ett OFDM-modem opererar i frekvensdomänen. Enligt uppfinningen skattas alla synkroni- seringsparametrar i frekvensdomänen vilket ger en liknande hârdvaruarkitektur som vid demodulering av data.

- OFDM-modulering ger genom FFT-teknik automatiskt en hög kontrollbarhet över diskreta frekvenser och faslägen hos dessa.

- Metoden ger en förhållandevis hög andel synkronise- ringsparametrar ur samma operationer: tidsskift, fasvridning, frekvensdrift och kanalskattning.

- Metoden innefattar acquisition, dvs att finna ovan nämnda startparametrar för efterföljande data, men ger en bra grund för trackning (faskompensering, frekvensreglering och kanalutjämning vid demoduleringen).

- En noggrann skattning av frekvensdrift ger hög poten- tial för digital frekvensreglering. Med detta menas att om frekvensfelets begränsning är känd, dvs ligger inom ett känt intervall, kan i stället för en reglering via analoga kompo- nenter (numreriskt styrda oscillatorer m.m.) regleringen ske digitalt av den samplade signalen.

- I stället för att lägga in speciella synkroniserings- raman kan så kallade "guard space" i dataramarna utnyttjas som synkroniseringsramar. Detta innebär att ingen degradering av överföringskapacitet krävs för synkroniseringen. Dock måste vid synkroniseringen synkroniseringsramen samplas in med samma takt som dataramen och en kortare FFT utföras (typ 1/8 data FFT) för denna vilket ger en sämre upplösning i frekvens och korrelering. Detta har dock fördelen att FFT- operationen utförs betydligt snabbare.

Claims (7)

10 15 20 25 30 35 40 10 PATENTKRAV

1. Förfarande för synkronisering av sändare och mot- tagare i digitalt transmissionssystem av typen OFDM som utnyttjar FFT-teknik för att utföra modulations- och demodu- lationsprocessen, kännetecknat av att synkroniseringsramar med kända frekvenser och fas- lägen sänds med kända intervall av sändaren, att en serie tidsskiftade FFT-operationer utförs av mot- tagaren, att mottagaren efter varje FFT-operation utför kors- korrelering mot den kända frekvensfunktionen, att korrelationsmaximum detekteras vilket fastställer den tidslucka som innehåller synkroniseringsramen, varvid denna utnyttjas som tidsbas för efterföljande dataramar. kännetecknat av att fas- läget för respektive synkroniseringsrams frekvens väljs

2. Förfarande enligt krav 1, enligt ett slumpmönster (PRBS).

3. Förfarande enligt krav 1 eller 2, kännetecknat av att respektive synkroniseringsram genereras genom att gene- rera frekvenser i frekvensplanet med förutbestämd fas, be- räkna den inversa Fouriertransformen (IFFT) därav och sända tidsfunktionen av operationen i förutbestämda tidsluckor mellan dataramarna. kännetecknat av att IFFT- operationen lagras i förväg i ett EPROM, varvid synkronise-

4. Förfarande enligt krav 3, ringsramen kan sändas genom direkt läsning fràn EPROM:et i de förutbestämda tidsluckorna. känne- tecknat av att serien av tidsskiftade FFT-operationer ut-

5. Förfarande enligt något av föregående krav, föres genom att först sampla fler sampel än FFT-längden över det område där synkroniseringsramen beräknas ligga i tiden och att en serie i tiden överlappande FFT-operationer utförs på samplen.

6. Apparat för synkronisering i digitalt transmissions- system av typen OFDM som utnyttjar FFT-teknik för att utföra modulations- och demodulationsprocessen för att utföra för- farandet vid mottagning av en signal i enlighet med något av föregående krav, kännetecknad av en samplingsenhet för digitalisering av signalen genom sampling, 10 500 986 direktminnen (RAM) för att lagra en tillräcklig mängd ll sampel av signalen, en FFT-processor för detektering av data, en FFT-processor för detektering av synkroniseringspara- metrar genom korskorrelering i frekvensplanet, en digital signalprocessor (DSP) för att läsa in korre- leringssekvenser och därur detektera korrelationsmaximum och beräkna den sökta tidsbasen.

7. Apparat enligt krav 6, kännetecknad av att FFT- processorerna är signalprocessorer optimerade för vektoriella operationer över stora datamängder.