SE501608C2 - Förfarande och arrangemang för synkronisering vid OFDM- modulering - Google Patents

Description

501 608 2 10 15 20 25 30 35 40 mottagarutrustningen nar frekvensavvikelserna hos samplings- och IF-klockan gett upphov till vad som förutsetts vara en måttlig fasvridning av samtliga underbärvàgor. I metoden mäts fasskillnaden mellan tvâ ramar och fasdifferensen används för skattning av signalens totala deviation. Dà metoden bygger pá diffèrentiell fasmätning mellan dataramar innebär det att när frekvensfelen reglerats áterstàr fel i fas och tid då dessa Det tek- niska problem uppfinningen avser är därför att åstadkomma en avvikelser inte har fastställts i absoluta termer. anordning som medger detektering av absolut fasvridning, dvs. den faktiska fasavvikelsen i förhållande till den kända fasen.

Inom området är även ett antal dokument kända.

WO 92/05646 visar en mottagare för mottagning av OFDM- signaler. Dokumentet diskuterar styrning av lokaloscillatorer och samplingsklocka.

US 5 228 025 beskriver en metod för att sända digitalt data till mobila användare med hjälp av COFDM. Enligt doku- mentet används "tjänstord" för att reglera lokaloscillatorn.

US 5 206 886 avser en metod och en apparat för att med hjälp av en pilot-ton korrigera fas och frekvensfel samt för att korrigera klockfel i ett flerbärvágsmodem.

US 5 228 062 beskriver en metod och en apparat för att korrigera fas och frekvensfel samt för att korrigera klockfel i ett flerbärvágsmodem.

Lösningen innebär i korthet ett förfarande som bygger pà detektering av absolut fasfel för de bägge synkroniserings- symbolerna och där fasen regleras med IF-klockan och tids- felet med samplingsklockan. Det innebär att IF-signalen blan- das ned till basbandet. Detta styrs av en numerisk oscilla- tor. Pà grund av skillnaden mellan frekvenser i sändare och mottagare samt instabilitet i kristaller regleras nedbland- ningsfrekvenserna kontinuerligt genom att digitalt variera frekvensen mellan oscillatorn. Efter nedblandningen erhålls två kvadraturkomponenter som därefter samplas till digital representation via A/D-omvandlare. Samplingsenheten styrs av en oscillator för att kunna sampla signalen vid rätt tidpunkt respektive rätt frekvens. Med denna styrning regleras tids- och samplingsfrekvensens drift. Den digitala representationen av basbandsignalen läses in av en FFT-processor, varvid denne 10 15 20 25 30 35 40 s 501 608 konverterar tidssignalen till frekvensplanet. De mottagna underbärvàgorna i OFDM-ramen ligger nu pà respektive frekvens som beräknats av processorn. För att kunna generera felsig- nalerna för reglering demultiplexeras de bägge kända bär- vågorna av en demultiplexeringsenhet. De bägge kända bär- vågorna bildar sedan insignal till anordningen för beräkning av felsignalerna.

SAMNEAIINlN§_AZ_QRBElNNlNGEN Således tillhandahåller föreliggande uppfinning ett för- farande för synkronisering vid OFDM-modulering, varvid fre- kvensfel hos en IF-klocka och en samplingsklocka regleras genom att för två underbärvàgor med olika frekvenser skatta deviationen hos samplingsklockan och hos IF-klockan.

Enligt uppfinningen väljs frekvenserna symmetriskt kring noll och de absoluta fasfelen detekteras för de bàda under- bärvàgorna, så att tidsfel och fasfel bildas för de absoluta fasfelen. Första och andra styrsignaler bildas ur deviationen hos samplingsklockan och tidsfelet för styrning av samplings- klockan respektive ur deviationen hos IF-klockan och fasfelet för styrning av IF-klockan.

Uppfinningen avser också ett arrangemang för att utföra förfarandet. Uppfinningen är närmare definierad i åtföljande patentkrav.

T A TAD FAT NIN AV RI NIN ARNA Uppfinningen kommer nu att beskrivas i detalj med hän- visning till bifogade ritningar, i vilka: fig. l är ett diagram för konstant fasvridning vid devi- ation hos en IF-klocka, 2 är fig. ett diagram för linjär fasvridning vid devia- tion hos en en samplingsklocka, fig. 3 är ett diagram över sammansatt fasvridning, fig. 4 är ett diagram över en FFT-ram, fig. 5 är ett diagram över ett talplan för tidsfel och fasfel, fig. 6 är ett fasfrekvensdiagram för positivt respektive negativt tidsfel, fig. 7 är ett fasfrekvensdiagram för positivt respektive negativt fasfel, 501 10 15 20 25 30 35 40 608 4 fig. 8 är ett diagram över reglering av bàde fasfel och tidsfel, fig. 9 är ett blockschema över ett arrangemang för syn- kronisering av OPDM införlivande föreliggande uppfinning, och fig. 10 är ett blockschema för implementeringen av upp- finningen.

DETALJERAD BESKRIVNING AV EN FÖREDRAGEN UTFÖRINGSFORM För att underlätta förståelsen av föreliggande upp- finning beskrivs först den kända reglermetoden för reglering av IF-klocka respektive samplingsklocka som ligger till grund för föreliggande uppfinning. Denna reglermetod är en metod för synkronisering i COPDM-modulering som reglerar frekvens- fel hos IF- och samplingsklocka men reglerar inte tids- och fasfel. Metoden bygger pá att man utnyttjar tvà kända sym- boler (underbärvágor) i FFT-ramen (Fast Fourier Transform) för skattning av deviationerna. Fràn den differentiella fas- variationen hos dessa symboler beräknas felsignalerna till ett enkelt reglersystem för styrning av oscillatorer för ned- blandning från IF samt för sampling av basbandssignalen.

De två underbärvàgorna för synkronisering genereras vid IFFT-operationen i sändaren pà samma sätt, och samtidigt, som övrigt data i OFDM-ramen. De tvà frekvenser som utnyttjas kallas för kl och k2 och motsvarar index i OFDM-ramen (FFT- ramen).

Vid demodulation av OFDM-ramen i mottagaren har frek- vensdeviationen hos samplings- och IF-klockan gett upphov till fasvridning av samtliga symboler. Fasvridningen förut- sätts vara måttlig mellan mätpunkterna så att ej fasvaria- tioner större än Zn sker. Vidare antas frekvensdrifterna under en OFDM-ram vara approximativt konstanta, dvs. regle- ring sker för varje ram.

I metoden uppmäts fasskillnaden mellan tvà ramar för kl och k2 och dessa fasdifferenser utnyttjas för skattning av deviationerna. Fasvridningen pà grund av frekvensdrift i IF- klocka och fasvridning pà grund av frekvensdrift i samplings- klocka uppträder pá tvá fundamentalt skilda sätt: IF-frekvensdrift: Translation av samtliga frekvenser.

Innebär konstant fasvridning för samtliga symboler (frek- venser) i OFDM-ramen. 10 15 20 25 30 35 40 5 501 eos Samplingsfrekvensdrift: Innebär linjär fasvridning för samtliga symboler (frekvenser) i OFDM-ramen.

Fasvariationen för kl och k2 vid IF-deviation visas principiellt i fas-frekvensdiagrammet i fig. 1 (inget frekvensfel i samplingsklockan).

-Fasvridningen är konstant för alla frekvenser varvid fl=f2=f.

Fasvariationen för kl och k2 vid deviation hos samp- lingsfrekvensen då frekvensfelet för IF är noll visas prin- cipiellt i fig. 2.

Eftersom dessa deviationer uppträder simulant och obe- roende av varandra kommer den sammansatta fasvridningen vara summan av de bägge fallen enligt fig. 3.

Den totala fasvridningen mellan tvà OFDM-ramar för frek- venserna kl och k2 består av en del, f, som är lika för kl och k2 och är proportionell mot frekvenstranslationen. Den dl och d2, samplingsklockan mellan två ramar. Eftersom denna deviation andra delen, visar pà frekvensdeviationen hos ger upphov till en linjär fasvridning ger detta att: dl = konst - d2 Den totala fasvridningen, D, kan då uttryckas som: = d1+f = d2+f Du <|>1<1(i+1) - (Pkim Dkz = _ flPkzu) Skattning av deviationen hos samplingsklockan kan enkelt utföras genom att utnyttja att fasvridningen f är lika för de bägge frekvenserna kl och k2. Tag differensen mellan Dkl och Dkg. Vi kallar denna funktion för Fl.

Fl=Dk1 - Dkg = (dl + f) - (d2 + f) = dl - d2 Eftersom fasvridningen är linjär gäller: dl/d2 = kl/k2 vilket ger: 5()1 10 15 20 25 30 35 40 6[]8 6 P1 = dl - d1(k2/k1)= dl/k1 Om samplingsfrekvensen betecknas 'f's = (1+ö$)fs där ös är deviationen ger detta att: P1 = 8Sa(k1-kz) där a är en positiv konstant.

Vid skattning av deviationen hos IF-klockan börjar vi med att addera Dkl och Dkg och kalla denna funktion för F2.

F2 = Dkl + Dkz = 2f + (G1 + G2) Funktionen innehåller summan av dl och dg vilka màste kompenseras bort. Utnyttja den kända funktionen Fl som endast innehåller dl och dg.

P2 = (Dkl + Dkz) - (Dkl _ Dk2)C där C är en konstant.

F2 = 2f + (d1 + d2) _ (dl ~ d2)C sätt (dl + d2) _ (dl - d2)C = O samt att dg = d1(k2/kl) ger att C = (kl + k2)/(kl - k2) Alltså 10 15 20 25 30 35 40 7 .501 608 P2 = (Du + Dkg) - (Du - Dky-(kl + k2)/nu - k2) = (Dkl + Dkz) ' F1'(kl + k2)/(kl - k2) Eftersom den tidigare kända reglermetoden endast bygger på differentiell fasmätning mellan dataramar innebär det att när frekvensfelen reglerats àterstàr fel i fas och i tid.

Metoden enligt uppfinningen kompletterar metoden för denna typ av reglering. Metoden bygger pá detektering av absolut fasfel för de bägge synksymbolerna till skillnad frán den ur- sprungliga metoden som bygger pà differentiell detektering av fasfel hos symbolerna. Med absolut fas menas fasavvikelsen frán den kända fasen hos kl och k2. Fasen regleras med IF- klockan medan tidsfelet regleras med samplingsklockan.

För att uppfinningens metod skall fungera optimalt skall frekvenserna kl och k2 väljas symmetriskt runt frekvensen noll vilket innebär att kl = -k2. Vid en komplex N-punkters FFT-operation beräknas frekvenserna enligt index i fig. 4.

Frekvensen för index l i OFDM-ramen motsvaras av lik- spänningskomponenten. Sedan följer positiva frekvenser upp till Nyquistfrekvensen minus ett. De negativa frekvenserna börjar vid index N och bakåt i OFDM-ramen till index N/2+l.

Sambandet vid val av index för kl och k2 blir därför: index(kl) = N - index(k2) + 2 där kl representerar den negativa frekvensen.

Orsakerna till dessa val av frekvenserna kl och k2 är först och främst att det ger möjlighet till simultan regle- ring av fas och tid, vilket beskrivs nedan.

Vidare ger dessa val av kl och k2 att frekvensregle- ringen ges lägre komplexitet. I felsignalen F2 för detekte- ring av frekvensfel hos IF-klockan ingàr kompensering för den linjära differentiella fasvariationen enligt: F2 = (Dk1+ Dk2) _ (Dkl - DRZ) '(kl + k2)/(kl - k2) Med k2 = -kl reduceras F2 till P2 = Dkl + Dkz 501 608 8 10 15 20 25 30 35 40 Ett tidsfel vid sampling av basbandsignalen medför att symbolerna (frekvenserna) ges en linjär fasvridning. Även om samplingen sker vid rätt frekvens mäste den även ske vid rätt tidpunkt i för att denna linjära fasvridning ej skall upp- träda.

.Ett fasfel före samplingen medför en konstant fasvrid- ning av samtliga symboler (frekvenser). Efter reglering av frekvensen hos IF-klockan kvarstår detta fel.

Dà fasvridningen alltid är linjär för alla kombinationer att studera fas- kl och k2. enligt uppfinningen beskrivs lättast om vi av de bägge feltyperna är det tillräckligt vridningen för de tvà frekvenserna, Reglermetoden studerar det tal- plan vars axlar består av det absoluta fasfelet 91 och 92 för symbolerna kl och k2 5). rätt tidpunkt kommer fasfelet att ligga pà diagonalen med vinkeln R/4 (tidsdiagonalen). (se fig. När samplingen sker vid Ett frekvensfel eller en fas- vridning före samplingen gör att felet lokaliseras pà tids- diagonalen. Vid rätt fas före sampling gör att ett tidsfel lokaliseras pà diagonalen med vinkeln 3n/4 (fasdiagonalen). I normalfallet existerar både tids- och fasfel vilket gör att det sammansatta fasfelet kommer att lokaliseras till en god- tycklig plats i talplanet.

I kvadrant 1 och 3 bestàr därför felet huvudsakligen av positivt respektive negativt fasfel varvid fasreglering huvudsakligen utförs. I kvadrant 2 och 4 bestàr felet huvud- sakligen av negativt respektive positivt tidsfel varvid tids- reglering huvudsakligen utförs.

Felsignalen för tidsreglering beräknas som avståndet till tidsdiagonalen medan fasfelet beräknas som avståndet till fasdiagonalen. Dessa fel kan enkelt beräknas som: tidsfelet = G2 - 91 fasfelet = 61 + 92 För att inse dessa enkla samband beskriver vi det sam- mansatta fasfelet, 6, pà komplex form: 9 = 61 + i-62 10 15 20 25 30 35 40 9 501 608 En negativ fasvridning pà K/4 gör att diagonalerna bil- dar nya koordinataxlar. Detta innebär att real- och imaginär- del av felet 9 bildar felsignaler. En fasvridning med fasen -n/4 kan utföras genom komplex multiplikation av felet med det komplexa tal pà enhetscirkeln som har denna fas: 6' = u/x/ï- i-l/Ví) (61 + 1-62) iNí-u - i)-<61 + 1-62) = 1~líu61 + 62) + 1-(62 - 61)) II Realdelen är avstàndet till fasdiagonalen medan imagi- närdelen är avståndet till tidsdiagonalen. Det är väsentligt att kl och k2 valts symmetriskt runt nollfrekvensen för att fas- och tidsdiagonalen skall skära varandra ortogonalt i punkten noll i talplanet. Vid simultan reglering av två klockor är detta speciellt väsentligt för att regleringen skall vara balanserad och inte skall ge upphov till kapplöp- ningsfenomen mellan de bägge oscillatorerna. Ett rent fasfel rör sig längs fasdiagonalen medan ett rent tidsfel rör sig längs tidsdiagonalen. Studerar vi dessa fel i frekvens-fas- diagrammet ser vi i fig. 6 hur ett negativt respektive posi- tivt tidsfel uppträder i kvadrant 2 respektive 4. Om fasfelet -62.

Fasfelet kan även avläsas ur fasen för frekvensen fg. är noll är 91 = Detta är logiskt eftersom denna frekvens motsvaras av lik- spänningskomponenten vid FFT-operationen. Om fasfelet är noll före samplingen kommer variationer i samplingsfrekvens och tid inte att påverka fasen för likspänningskomponenten.

Motsvarande exempel pà fasfel i kvadrant 1 och 3 (fig. 7). Är tidsfelet noll kommer Gl = 62.

Vid ett sammansatt fel sker simultan reglering av både samplings- och IF-klockan. Vid reglering kommer felet att konvergera mot noll efter en väg som inte följer någon av diagonalerna (fig. 8). Vid en noggrann justering av integra- tionskonstanter är det möjligt att fà felet att konvergera längs den kortaste vägen mot noll.

OFDM är en digital komplex modulationsmetod där i stort sett all signalbehandling pà basbandet sker med digitala kom- ponenter av typen signalprocessorer, FFT-processorer och spe- cifika kretslösningar. Den transmitterade signalen är dock 501 608 10 10 15 20 25 30 35 40 analog, varvid det krävs ett antal analoga komponenter för processering av radiosignalen innan konvertering till eller från digital basbandsrepresentation. Dessa analoga kompo- nenter återfinns främst vid upp- och nedblandning av signalen till RF och IF, kanalfiltrering samt vid sampling. En stor del av de synkroniseringsproblem som uppstår härrör frán de- viationer och ofullkomligheter hos dessa, varvid en reglering av dessa krävs.

Det kompletta reglersystemet enligt uppfinningen i en OFDM-mottagare visas i fig. 9. I figuren visas endast de delar i OFDM-mottagaren vars funktioner är väsentliga för synkroniseringen, dvs. mottagarfilter m.m. visas ej. Till vänster i figuren blandas IF-signalen ned till basbandet.

Denna nedblandning styrs av en oscillator vars frekvens styrs numeriskt (nco - numerical controlled oscillator). Pâ grund av skillnader mellan frekvenser i sändare i mottagare samt instabilitet i kristaller màste nedblandningsfrekvensen regleras kontinuerligt genom att digitalt variera frekvensen via ncozn. Efter nedblandning till basbandet erhàlles de bägge analoga kvadraturkomponenterna I(t) respektive Q(t).

Dessa basbandskomponenter samplas därefter till digital representation via A/D-omvandlare. Samplingsenheten styrs även den av en nco. Styrningen är nödvändig för att kunna sampla signalen vid rätt tidpunkt och för att signalen skall samplas vid rätt frekvens. Med denna styrning kan tids- och samplingsfrekvensdrift regleras.

Den digitala representationen av basbandssignalen läses in av en FFT-processor, varvid denna utför konvertering av tidssignalen till frekvensplanet. De mottagna symbolerna i OFDM-ramen ligger nu pà respektive frekvens (punkt) som be- räknats av FFT-processorn. För att kunna generera felsig- nalerna för regleringen demultiplexeras de bägge kända sym- bolerna ut av en demultiplexerenhet. De bägge kända sym- bolerna, kl och k2, bildar insignal till enheten för beräk- ning av felsignalerna Fl och F2. Före reglering integreras felen via tvá digitala integratorer (PI-reglering).

Den tidigare beskrivna reglermetoden enligt uppfinningen implementeras enligt fig. 10. Frekvensregleringen enligt tidigare teknik återfinns överst till vänster. Denna del har dock modifierats utifrån val av symmetriskt valda synkronise- 10 15 20 25 30 11 501 608 ringsfrekvenser kl och k2. Fas- och tidsregleringen àterfinns till höger och under frekvensregleringsdelen. Felsignalerna Fl och P2 är de felsignaler som styr regleringen av samp- lings- respektive IF-klockan. Fl består av summan av felet hos samplingsfrekvensen och tidsfelet. P2 bestàr pà mot- svarande sätt av summan av felet hos IF-frekvensen och fas- felet.

En skalning av fas- och tidsfel krävs före addering av dessa till Fl och F2 för att regleringen skall balanseras.

Simuleringar visar att en lämplig skalfaktor för fas- och tidsfel är 0,1. Detta val av skalfaktor gör att frekvens- regleringen sker snabbare än fas- och tidsreglering.

Uppdateringen av felsignalerna Fl och F2 sker optimalt kontinuerligt för varje OFDM-ram. Denna uppdateringstakt kan vara svär att uppná vid bredbandiga OFDM-system beroende pà begränsad beräkningskapacitet hos befintlig hårdvara. Upp- dateras reglersignalerna med ett antal ramars mellanrum inne- bär det att det krävs lägre bandbredd hos störningarna än vid kontinuerlig reglering för varje OFDM-ram.

Reglermetoden enligt uppfinningen inklusive digitala integratorer innefattar följande beräkningsoperationer: 2 komplexa divisioner, 4 arcustangensberäkningar, 8 reella adderingar, 4 reella multipliceringar och 4 fördröjningar (2 2 reella).

Av dessa operationer är division av komplexa tal samt komplexa, beräkning av arcustangens de mest beräkningskrävande. Det finns ett antal sätt att utnyttja metoder för att minska komplexiteten för dessa operationer, vilka bör användas vid en implementering, vilket inses av en fackman pà omràdet.

Uppfinningens omfattning är endast begränsad av nedanstående patentkrav.

Claims (9)

501 608 10 15 20 25 30 35 40 12 PATENTKRAV

1. Förfarande för synkronisering vid OFDM-modulering, varvid frekvensfel hos en IF-klocka och en samplingsklocka regleras genom att för tvà underbärvágor med olika frekvenser (kl respektive k2) och hos IF-klockan, att frekvenserna (kl, k2) väljs symmetriskt kring noll, skatta deviationen hos samplingsklockan kännetecknat av att de absoluta fasfelen (91, 92) detekteras för de båda underbärvágorna, att tidsfel och fasfel bildas ur de absoluta fasfelen (91, 92), att en första styrsignal (Fl) bildas ur deviationen hos samplingsklockan och tidsfelet för styrning av samplings- klockan, och att en andra styrsignal (F2) bildas ur deviationen hos IF-klockan och fasfelet för styrning av IF-klockan.

2. Förfarande enligt krav l, kännetecknat av att tids- felet beräknas som differensen mellan de absoluta fasfelen (92-61) felen och fasfelet beräknas som summan av de absoluta fas- (91+92).

3. Förfarande enligt krav l eller 2, kännetecknat av att den första styrsignalen bildas av summan av deviationen hos samplingsklockan och tidsfelet, och att den andra styrsignalen bildas av summan av devia- tionen hos IF-klockan och fasfelet.

4. Förfarande enligt krav 3, kännetecknat av att tids- felet och fasfelet skalas med en lämplig skalfaktor före addering till respektive styrsignaler (Fl, F2).

5. Förfarande enligt krav 4, kännetecknat av att skal- faktorn är 0,1.

6. Förfarande enligt något av föregående krav, känne- tecknat av att styrsignalerna uppdateras för varje OFDM-ram.

7. Arrangemang för synkronisering vid OFDM-modulering innefattande en nedkonverter för nedblandning av en IF-signal till basbandskomponenter, vilken nedkonverter är styrd av en oscillator med en IF-klocka, en A/D-omvandlare för digitali- sering av basbandskomponenterna, vilken A/D-omvandlare är styrd av en annan oscillator med en samplingsklocka, en FFT- processor för konvertering av basbandskompnenterna fràn tids- planet till frekvensplanet, en demultiplexeringsenhet för att 10 15 20 501 608 13 bilda tvà underbärvàgor med olika frekvenser, kännetecknat av organ för att bilda deviationen hos samplingsklockan och IF-klockan, organ för att bilda de absoluta fasfelen för de båda underbärvàgorna, organ för att bilda tidsfel och fasfel ur de absoluta fasfelen, organ för att bilda en första styr- signal (Fl) ur deviationen hos samplingsklockan och tidsfelet för styrning av samplingsklockan, och organ för att bilda en andra styrsignal (F2) ur deviation hos IF-klockan och fas- felet för styrning av IF-klockan.

8. Arrangemang enligt krav 7, kännetecknat av att organen för att bilda de absoluta fasfelen innefattar en arcustangensenhet, organet för att bilda tidsfelet innefattar en adderingsenhet för att bilda differensen mellan de abso- luta fasfelen, organet för att bilda fasfelet innefattar en adderingsenhet för att bilda summan av de absoluta fasfelen, och att organen för att bilda styrsignalerna vardera inne- fattar en adderingsenhet för att addera deviationen hos samp- lingsklockan med tidsfelet respektive deviationen hos IF- klockan med fasfelet.

9. Arrangemang enligt krav 8, kännetecknat av multi- pliceringsenheter för multiplicering av tidsfelet och fas- felet med en skalfaktor före addition till respektive styrsignaler.