SE517038C2

SE517038C2 - Frame-by-phase synchronization of phase and frequency during data transmission

Info

Publication number: SE517038C2
Application number: SE0100637A
Authority: SE
Inventors: Arne Lindblad
Original assignee: Totalfoersvarets Forskningsins
Priority date: 2001-02-26
Filing date: 2001-02-26
Publication date: 2002-04-02
Also published as: WO2002069554A1; SE0100637D0; SE0100637L

Abstract

The present invention relates to a method of synchronising in a receiver, without synchronisation words, phase and frequency within a received frame. This is done i.a. by said frame being caused to comprise a first field with a number of data symbols,and a second field which contains the same data symbols as in the first field, but complex-conjugated. Moreover, by multiplying in the receiver each data symbol in the first fieldwith the complex conjugate of itself from the second field, a real product is created which depends on the phase and frequency error, and which can be used to adjust the received signal or the receiver's frequency setting so as to obtain phase and frequency synchronisation.

Description

wrp-p 10 15 20 25 30 35 517 058 Man kan använda synkroniseringsord. Adderas ett känt synkroniseringsord till data- sekvensen kan rätt fasläge estimeras för detta. Sedan kan följande data detekteras och ny skattning av fasläge utföras. Detta upprepas tills hela meddelandet har detekterats. wrp-p 10 15 20 25 30 35 517 058 You can use synchronization words. If a known synchronization word is added to the data sequence, the correct phase mode can be estimated for this. Then the following data can be detected and new phase mode estimation performed. This is repeated until the entire message has been detected.

I US 6002729 beskrivs en sådan metod, kombinerad med differentiell detektion, för att synkronisera ram, frekvens och fas. Metoden använder maximum-Iikelihood- teori. Ramsynkronisering erhålls vid maximal korrelation mellan differentiellt detek- terat data och komplexkonjugatet av den kända differentiellt detekterade synkroni- seringssekvensen. Sedan estimeras frekvensfelet utifrån synkroniserlngsordet och följande detekterade data. En filtrering används för att förbättra estimatet.US 6002729 describes such a method, combined with differential detection, for synchronizing frame, frequency and phase. The method uses maximum Iikelihood theory. Frame synchronization is obtained at maximum correlation between differentially detected data and the complex conjugate of the known differentially detected synchronization sequence. Then, the frequency error is estimated based on the synchronization word and the following detected data. A filter is used to improve the estimate.

US 5732114 beskriver en metod där synkroniserlngsordet sprids ut uniformt över hela ramen, t.ex. var 8:e symbol. Syftet är att använda summerade korskorrelatio- ner från ﬂera ramar för att förbättra synkroniseringsdetektionen. Man skulle kunna tänka sig att använda det utspridda synkroniserlngsordet för att estimera fasvrid- ningen över hela ramen samtidigt. Metoden blir bruskänslig eftersom bara vissa symboler l ramen används. Nackdel med att använda synkronisenngsord är att de tar överföringskapacitet utan att information överförs.US 5732114 describes a method in which the synchronization word is spread uniformly over the whole frame, e.g. was the 8th symbol. The purpose is to use summed cross-correlations from your frames to improve the synchronization detection. One could imagine using the scattered synchronization word to estimate the phase shift over the entire frame at the same time. The method becomes noise sensitive because only certain symbols in the frame are used. Disadvantage of using synchronization words is that they take up transmission capacity without transmitting information.

Det ﬂnns också icke datastöttade metoder. lnformationsdata som moduleras på en bärvåg försvårar estimering av bärvågens frekvens- och fasfel. Vid t. ex. PSK är antalet möjliga symboler M = 2* . Datats påverkan på fasen kan elimineras genom att man multiplicerar signalen med sig själv k gånger. Dock multipliceras även bruset, vilket gör att dessa metoder kräver högt signal/brusförhållande, särskilt då stort symbolalfabet används.There are also non-computerized methods. Information data modulated on a carrier makes it difficult to estimate the carrier's frequency and phase errors. At e.g. PSK is the number of possible symbols M = 2 *. The effect of the data on the phase can be eliminated by multiplying the signal by itself k times. However, the noise is also multiplied, which means that these methods require a high signal-to-noise ratio, especially when a large symbol alphabet is used.

En annan metod är att ﬁltrera autokorrelatlonsfunktionen. I GB 2300093 visas en metod att filtrera autokorrelationsfunktionen (akf) av mottagen signal med filter anpassat till varaktigheten av förväntad ram (burst). Ramens position fastställs av en toppvärdesdetektor eller liknande. l den fastställda ramen estimeras frekvensen genom att multiplicera den ﬁltrerade akf-signalen med en fördröjd och komplex- konjugerad kopia av sig själv. Vinkeln för den därvid erhållna signalen beräknas och skalas till frekvens. n» ana»- 10 15 20 25 30 35 517 038 3 Slutligen är en diversitetsbaserad ramsynkronisering känd genom US 5844907, som visar att ramsynkronisering kan fastställas genom att man upprepar samma data i en dataström på ett fixt avstånd. Någon metod att estimera fas- eller frekvensfel ges ej.Another method is to filter the autocorrelation function. GB 2300093 discloses a method for filtering the autocorrelation function (akf) of received signal with filter adapted to the duration of expected frame (burst). The position of the frame is determined by a peak value detector or the like. In the determined frame, the frequency is estimated by multiplying the akltered akf signal by a delayed and complex-conjugated copy of itself. The angle of the signal thus obtained is calculated and scaled to frequency. Finally, a diversity-based frame synchronization is known from US 5844907, which shows that frame synchronization can be determined by repeating the same data in a data stream at a fixed distance. No method of estimating phase or frequency errors is given.

Alla de ovan angivna metodema besitter brister. Ändamålet med uppfinningen är att lösa det aktuella problemet med att korrigera fas- och frekvensfel i mottagna digitalt modulerade signaler, vilket sker genom att uppfinningen får den utformning som framgår av det efterföljande självständiga patentkravet. Lämpliga utföringsformer av uppfinningen framgår av övriga patentkrav.All the above methods have shortcomings. The object of the invention is to solve the current problem of correcting phase and frequency errors in received digitally modulated signals, which is done by the invention being given the design which appears from the following independent patent claim. Suitable embodiments of the invention appear from the other claims.

Uppfinningen kommeri det följande att beskrivas närmare under hänvisning till bifogade ritning, där ﬁg. 1 visar två fält inom en ram vid uppfinningen och fig. 2 visar utsläckning enligt uppfinningen av modulation mellan signaler.The invention will be described in more detail below with reference to the accompanying drawing, in which ﬁ g. Fig. 1 shows two fields within a frame of the invention and Fig. 2 shows extinction according to the invention of modulation between signals.

Det grundläggande vid uppfinningen är att data upprepas i två fält i en ram, varav i det ena komplexkonjugerat, se fig. 1. För att estimera kanalens fas- och frekvensfel kan den obekanta datamoduleringen utsläckas genom multiplikation av de två fälten. Produkten kan, efter bearbetning, användas till att justera mottagen signal.The basic thing about the invention is that data is repeated in two fields in a frame, one of which is complex-conjugated, see Fig. 1. To estimate the phase and frequency errors of the channel, the unknown data modulation can be extinguished by multiplying the two fields. The product can, after processing, be used to adjust the received signal.

Data demoduleras efter kombinering av fälten, det ena återigen komplexkonju- gerat.Data are demodulated after combining the fields, one again complex-conjugated.

Ramsynkronisering förutsätts ha utförts innan allt detta sker. En modifierad metod enligt US 5844907, där hänsyn tas till att upprepningen av data sker komplexkonju- gerat, kan användas. Altemativt kan man använda att signalen har varit direkt- sekvensbandspridd men åter blivit avspridd. l detta fall kan ramsynkronisering kopplas till den hittade spridningssekvens. Inget synkroniseringsord finns i ram- formatet.Frame synchronization is assumed to have been performed before all this takes place. A modified method according to US 5844907, where it is taken into account that the repetition of data takes place in a complex conjugate, can be used. Alternatively, you can use that the signal has been direct-sequence band-spread but has been redistributed again. In this case, frame synchronization can be linked to the found spreading sequence. There is no synchronization word in the frame format.

Det är ett krav enligt ovan att vissa data förekommer två gånger. Andra gången komplexkonjugerat. Det är emellertid inte nödvändigt att alla data sänds två gånger.It is a requirement as above that certain data occur twice. Second time complex conjugate. However, it is not necessary that all data be transmitted twice.

Man kan tänka sig att sända en viss mängd data på detta sätt i två fält i en ram, tillräckligt många datasymboler för att ge en grund till en synkronisering. Ramen kan därutöver också rymma ”vanliga” data, sända endast en gång. I exempel nedan visas endast de två fälten som används vid uppfinningen. De behöver som sagt inte vara de enda inom ramen. øl|pø 10 15 20 25 30 517 038 nu :nu 4 l figur 1 är datasymbolema d numrerade från 1 till N och d' i fält 2 innebär komplexkonjugering av d.It is conceivable to send a certain amount of data in this way in two fields in one frame, enough data symbols to give a basis for a synchronization. In addition, the frame can also hold "regular" data, transmitted only once. The examples below show only the two fields used in the invention. As I said, they do not have to be the only ones within the framework. øl | pø 10 15 20 25 30 517 038 nu: nu 4 l figure 1 the data symbols d are numbered from 1 to N and d 'in field 2 means complex conjugation of d.

Vid bibehållen informationstakt och ramtid medför metoden att symboltakten måste dubbleras, om alla data skall sändas två gånger. Den bandbreddsökning som det leder till är en nackdel i vissa fall. Kombineras metoden med direktsekvensband- spridning så utgör dock bandbreddsdubbleringen inget problem i sig, eftersom man i detta fall eftersträvar stor bandbredd.If the information rate and frame time are maintained, the method means that the symbol rate must be doubled if all data is to be transmitted twice. The bandwidth increase it leads to is a disadvantage in some cases. If the method is combined with direct sequence bandwidth distribution, however, the bandwidth doubling is not a problem in itself, since in this case a large bandwidth is sought.

Mottagen signal i basband r antages bestå av en version av utsänt data d samt additivt brus. Bortses från brus och amplitudförändring kan mottagen signal i fält 1 tecknas rn' = 4,, -e'<°°*"*> (n -1)T s f < nr, där p., är initialt fasläge, w = 2nf där f är frekvensfelet, n e[1,N] och T är symboltiden. l fält 2 erhålls rn* =a,,' -e'<°'°*"*) (n-1+/v)Tsf <(n+/v)T.Received signal in baseband r is assumed to consist of a version of transmitted data d and additive noise. Apart from noise and amplitude change, the received signal in field 1 can be plotted rn '= 4 ,, -e' <°° * "*> (n -1) T sf <nr, where p., Is the initial phase position, w = 2nf where f is the frequency error, ne [1, N] and T are the symbol time. In field 2, rn * = a ,, '-e' <° '° * "*) (n-1 + / v) Tsf <(n + / v) T.

För att estimera kanalens fas- och frekvensfel utsläcks den obekanta datamodule- ringen genom att man multiplicerar signalen r' med signalen 12 och skapar produktvektom c, se figur 2. En komplex signal som multipliceras med komplex- konjugatet av sig själv blir reell. Här är det två tidsförskjutna (N - T) upplagor av samma signal som multipliceras och bara kanalens distorsion återstår. Utöver brus och interferenser m.m. beror den av kanalens fasvridning.To estimate the phase and frequency errors of the channel, the unknown data modulation is extinguished by multiplying the signal r 'by the signal 12 and creating the product vector c, see figure 2. A complex signal that is multiplied by the complex conjugate becomes real by itself. Here, two time-shifted (N - T) editions of the same signal are multiplied and only the distortion of the channel remains. In addition to noise and interference, etc. it depends on the phase shift of the channel.

Produkten c är c = rn' -rnz = |d,,|2 -e'(z°'°*z“"'°'^'r) (n -1+N)T s t < (n + N)T. nian: 10 15 20 25 30 517 058 5 Som framgår av ovanstående formel kommer argumentet av c att enbart bero på kanalens fas- och frekvensfel, dock multiplicerat med 2 vilket ger en tvetydighet för absolutfasen på rr radianer.The product c is c = rn '-rnz = | d ,, | 2 -e' (z ° '° * z “"' ° '^' r) (n -1 + N) T st <(n + N) T. nian: 10 15 20 25 30 517 058 5 As can be seen from the above formula, the argument of c will only depend on the phase and frequency errors of the channel, however multiplied by 2 which gives an ambiguity for the absolute phase of rr radians.

Produkten c kan efter lämplig filtrering och bearbetning användas för att justera mottagarens bärvåg. Filtreringen minskar inverkan av brus och ett frekvensfel kan estimeras.The product c can be used after appropriate filtration and processing to adjust the receiver's carrier. The filtering reduces the effect of noise and a frequency error can be estimated.

Ett sätt att utföra denna bearbetning är att anpassa en funktion till c med modell- antagandet att fasen ändrar sig konstant, dvs. att en frekvenskomponent före- kommer. Vid stora frekvensfel har F FT-baserad estimering visat sig fungera bra, men något grovt, och vid små frekvensfel har en polynomanpassning givit goda estimat. Andra metoder är också möjliga, t.ex. har anpassning av en rät linje till argumentet av c provats. Den metoden har problem med att ta hänsyn till fassprång av storleken 2:1, särskild vid låga SNR.One way to perform this processing is to adapt a function to c with the model assumption that the phase changes constantly, ie. that a frequency component exists. For large frequency errors, F FT-based estimation has proven to work well, but somewhat roughly, and for small frequency errors, a polynomial fit has given good estimates. Other methods are also possible, e.g. has adapted a straight line to the argument of c tried. This method has problems taking into account phase jumps of size 2: 1, especially at low SNRs.

Efter en sådan anpassning x,, = f(c,,) enligt någon lämplig metod, beräknas y,, = ¿x,, i :r dvs. y är vinkeln av x med hänsyn till fassprång. Från y kan sedan frekvensfelet w estimeras som ^ ___ .VN “Yi w 2(N-1)T' eftersom y” - y, ger dubbla fasvridningen mellan de två fälten. ÄrN ett stort tal, kan uttrycket approximeras med yA/"yn 2 T å: Initialt fasläge kan uppskattas som n Wo = (3y1"y1v)_ 'yi- ansv» 10 15 20 25 30 t 1 n n a 1 517 038 šII=§II=š ïff: 6 men det har ett möjligt fel på n radianer. Vid stora N kan uttrycket approximeras med ,. 3 - ,,,o=_yr_4y»t_ Dessa estimat. å, och å, kan användas för att korrigera mottagen signal för de på kanalen uppkomna fas- och frekvensfelen. Ett sätt är att en estimerad bärvåg skapas från 43,, och á). Den multipliceras efter teckenbyte med mottagen ram. Ett annat sätt som fungerar när systemet har repetitiva ramar, är att justera mottaga- rens lokaloscillator med få; . Tecknet beror på hur blandningsschemat är utformad i mottagaren.After such an adjustment x ,, = f (c ,,) according to any suitable method, y ,, = ¿x ,, i: r is calculated, ie. y is the angle of x with respect to phase jumps. From y, the frequency error w can then be estimated as ^ ___ .VN “Yi w 2 (N-1) T 'because y” - y, gives double the phase shift between the two fields. If a large number, the expression can be approximated by yA / "yn 2 T å: Initial phase position can be estimated as n Wo = (3y1" y1v) _ 'yi- ansv »10 15 20 25 30 t 1 nna 1 517 038 šII = § II = š ïff: 6 but it has a possible error on n radians. At large N, the expression can be approximated by,. 3 - ,,, o = _yr_4y »t_ These estimates. å, and å, can be used to correct received signal for the phase and frequency errors occurring on the channel. One way is that an estimated carrier is created from 43 ,, and á). It is multiplied after character change with received frame. Another way that works when the system has repetitive frames is to adjust the receiver's local oscillator by a few; . The character depends on how the mixing scheme is designed in the receiver.

Efter korngeringen komplexkonjugeras fält 2 och diversitetskombineras med fält 1.After granulation, field 2 is complex conjugated and diversity is combined with field 1.

Därefter demoduleras data på sedvanligt sätt. Val av diversitetsmetod kan an- passas efter systemkrav. En god genomgång av diversitetskombinering ges i boken L. Ahlin, J. Zander: ”Principles of Wireless Communications”, Studentlitteratur, Lund, 1997, till vilken härmed hänvisas.Then the data is demodulated in the usual way. The choice of diversity method can be adapted to system requirements. A good review of diversity combination is given in the book L. Ahlin, J. Zander: "Principles of Wireless Communications", Student Literature, Lund, 1997, to which reference is hereby made.

Diversitetsvinsten kan helt eller delvis uppväga nackdelen med den ökade band- bredden. l fallet att stömingen kan antas vara gaussisk ger en linjär kombinering optimal diversitetsvinst, bruset adderas icke-koherent medan signalen adderas koherent. l detta fall uppvägs helt prestandaförlusten p.g.a. bandbreddsökningen.The diversity gain may fully or partially outweigh the disadvantage of the increased bandwidth. In the case that the noise can be assumed to be Gaussian, a linear combination gives optimal diversity gain, the noise is added non-coherently while the signal is added coherently. In this case, the loss of performance due to bandwidth increase.

Problemet med att estimatet av initialt fasläge har en tvetydighet om rr radianer kan hanteras på olika sätt. Ett sätt är att demodulera symbolema för båda altemati- ven och sedan utnyttja någon kunskap om meddelandet för att välja det troligaste fasläget. Detta kan ske på olika sätt. Om exempelvis meddelandet har någon fonn av felupptäckande eller felrättande kodning eller något alfabet där inte alla möjliga tecken används, kan detta utnyttjas vid denna bestämning. I de fall effektramper används före och efter ramen och de innehåller någon känd fasegenskap, så kan detta utnyttjas för att välja det troligaste fasläget.The problem that the estimate of initial phase mode has an ambiguity about rr radians can be handled in different ways. One way is to demodulate the symbols for both alternatives and then use some knowledge of the message to select the most likely phase mode. This can be done in different ways. For example, if the message has some form of error detection or error correction coding or an alphabet where not all possible characters are used, this can be used in this determination. In cases where power ramps are used before and after the frame and they contain some known phase property, this can be used to select the most probable phase position.

Claims

: anno 10 15 20 25 30 35 517 03 8 -2 Patent claims:

1. In the case of data transmission with a modulated carrier comprising one or more frames, in the case of a receiver, without synchronization words in the frame, synchronizing phase and frequency within such a frame, characterized in that at least one frame with data is transmitted and that frame synchronization takes place on a manner known per se, i.e. so that the time state of the frame is known, that said frame is made to comprise a first field with a number of data symbols, that said frame is made to comprise a second field which comprises the same data symbols as in the first field, but complexly conjugated, that in the receiver each data symbol in the first field is multiplied by the complex conjugate by itself from the second field, creating a real product that depends on the phase and frequency error and that this product is used to adjust the received signal or the receiver's frequency setting so that the phase and frequency synchronization is obtained.

2. A method according to claim 1, characterized in that the frequency error (å) and the initial phase (êio) are estimated from a function adapted to said product, so that the effect of noise is reduced, with the model assumption that the phase changes constant.

3. A method according to claim 2, characterized in that a polynomial fit is used.

4. A method according to claim 1, characterized in that the frequency error (å) and the initial phase (çšo) are estimated with FFT technology.

5. A method according to any one of claims 1-4, characterized in that the frequency of the local oscillator is adjusted with the frequency error (ä)).

6. A method according to any one of claims 1-4, characterized in that an estimated carrier is created from the frequency error (cb) and the initial phase (qïo).

7. A method according to claim 6, characterized in that the estimated carrier after character change is multiplied by the received frame, so that the carrier is eliminated from the frame. 10 15 20 517 058 8

8. A method according to any one of claims 1-4, characterized in that, in order to eliminate an ambiguity about zrradianeri initial phase mode (qäo), the data symbols for both phase modes are demodulated and an error detection or error correction coding is used, in which an alphabet in which not all possible characters are used, to determine which phase mode is most likely and therefore selected.

9. A method according to any one of claims 1-4, characterized in that, in order to eliminate an ambiguity about the initial phase position ((130)), a known information is used in a power ramp before and / or after the frame to determine which phase position is most likely and therefore chosen for the demodulation.

10. A method according to any one of the preceding claims, characterized in that after the frame synchronization the data symbols are demodulated in the frame, the first field being diversity combined with the second field, taking into account that the second field is complexly conjugated.

11. A method according to any one of the preceding claims, characterized in that in the frame there are in addition to the two fields additional data symbols.

12. A method according to any one of the preceding claims, characterized in that the frame is transmitted live sequence bandwidth.

13. A method according to claim 12, characterized in that frame synchronization is obtained from the detected spreading sequence.