正交頻分復用系統中補償頻率偏移的設備和方法
2023-10-31 22:51:02 1
專利名稱：正交頻分復用系統中補償頻率偏移的設備和方法
技術領域：
本發明一般涉及一種OFDM(正交頻分復用)系統，尤其涉及抑制採用連續碼元之間的相關性獲得頻率同步的設備和方法。
OFDM廣泛應用於數字發送領域，包括DAB(數字音頻廣播)、數字TV、WLAN(無線區域網)和WATM(無線異步傳送模式)。OFDM是一種多載波方案，其中，發送數據被分成多個數據，由多個子載波調製，並且並行發送。
儘管OFDM方案由於其硬體複雜而未得到廣泛應用，但是，隨著諸如FFT(快速付立葉變換)和IFFT(逆快速付立葉變換)等數位訊號處理技術的發展，它變得有利了。OFDM方案與傳統的FDM(頻分復用)的不同之處在於，數據是以多個子載波中所保持的正交性發送的。因此，可在高速率發送期間得到最佳發送效率。由於該優點，已採用各種方式實現了OFDM，如OFDM/TDMA(正交頻分復用/時分多址)系統和OFDM/CDMA(正交頻分復用/碼分多址)系統。
當信道特性中出現都卜勒效應或者接收器中的調諧器不穩定情況下，在OFDM發送系統中，發送頻率可能不與接收頻率同步。載波之間的不穩定調諧產生頻率偏移，而頻率偏移則改變輸入信號的相位。因此，失去了子載波之間的正交性，並且系統解碼性能下降。在這種情況下，微小的頻偏變成了系統性能變差的重要原因。所以，要使OFDM發送系統保持子載波之間的正交性，基本條件是使頻率同步。
一般來講，接收器中的頻率偏移按子載波間隔進行消除，並且可通過將頻率偏移與子載波間隔相除，表示為整數部分和小數部分。這裡，對應於整數部分的起始頻率偏移的消除是粗略頻率同步，而在粗略頻率同步之後對應於小數部分的殘餘偏移的消除是精細頻率同步。
但是，由於必須重複補償整數部分頻率偏移以便獲得頻率同步，因此粗略頻率同步佔用時間較長。
此外，如果小數部分是子載波間隔的1/2，比如說為1KHz，則必須校正在消除整數部分頻率偏移期間可能產生的誤差，並且必須補償小數部分頻率偏移。因此，需要長的時間來獲取精細頻率同步。
因此，本發明的目的是提供一種頻率偏移補償設備和方法，用於減少獲取頻率同步所需的時間，並且簡化頻率偏移補償處理。
根據本發明的一個方面，提供了一種OFDM系統中用於補償頻率偏移的設備和方法。在本發明一個方面的頻率偏移補償設備中，相關部分採用快速付立葉變換來解調輸入數據，將解調的碼元延遲預定周期，並且將在延遲期間解調的碼元與延遲的碼元相關。導頻位置檢測部分將相關值與預定的導頻位置相比較，並提取對應於該導頻位置的相關值。頻率偏移補償部分在所提取的相關值是預定的最大值時將頻率偏移估計為所提取的相關值，並且將導頻數據的相位移動所估計的頻率偏移。
在本發明另一方面的頻率偏移補償設備中，相關部分採用快速付立葉變換來解調輸入數據，將解調的碼元延遲預定周期，並且將在延遲期間解調的碼元與延遲的碼元相關。導頻位置檢測部分將相關值與預定的導頻位置相比較，並提取對應於該導頻位置的相關值。頻率偏移補償部分檢測所提取的相關值的最大值，通過將最大相關值和相鄰的相關值與預定閾值相比較來估計頻率偏移，並且將導頻數據的相位移動所估計的頻率偏移。
在本發明第三方面的頻率偏移補償方法中，採用快速付立葉變換來解調輸入數據，解調的碼元被延遲預定周期。在延遲期間解調的碼元與延遲的碼元相關。相關值與預定的導頻位置相比較，並提取對應於該導頻位置的相關值。如果所提取的相關值是預定的最大值，則頻率偏移被估計為所提取的相關值，並且導頻數據的相位被移動所估計的頻率偏移。
在本發明第四方面的頻率偏移補償方法中，採用快速付立葉變換來解調輸入數據，解調的碼元被延遲預定周期。在延遲期間解調的碼元與延遲的碼元相關。相關值與預定的導頻位置相比較，並提取對應於該導頻位置的相關值。從所提取的相關值中檢測最大值，通過將最大相關值和相鄰的相關值與預定閾值相比較來估計頻率偏移，並且將導頻數據的相位移動所估計的頻率偏移。
從下列參照附圖對本發明優選實施例的詳細描述中，本發明的上述和其他目的、特徵和優點將變得更清楚，其中
圖1是應用了本發明的OFDM系統中發送器的框圖；圖2是OFDM系統中接收器的框圖；圖3表示OFDM系統中信號幀的結構；
圖4是本發明實施例的頻率偏移補償設備的框圖；圖5A和5B表示圖4中所示FFT(快速付立葉變換)的輸出；圖6是表示根據本發明實施例獲取粗略頻率同步時使用的導頻相關值的圖形；圖7是表示根據本發明實施例獲取精細頻率同步時使用的導頻相關值的圖形；和圖8是表示相鄰相關值中的較大值與對應於小數部分頻率偏移的最大相關值之間的比值的圖形。
下面將參照附圖詳細描述本發明的優選實施例。在下面的描述中，不對公知的功能或結構進行詳細描述，以免不必要的細節混淆本發明。
圖1是應用了本發明的OFDM系統中發送器的框圖。OFDM系統被設置在CDMA系統中。
參照圖1，擴展部分111採用正交碼和PN(偽隨機噪聲)序列來擴展發送數據(Tx數據)。發送器和接收器兩者均知道正交碼和PN序列。加法器113將從擴展部分111接收到的擴展數據相加，並且輸出串行信號d(k)。串行-並行轉換器(SPC)115將串行信號d(k)轉換成預定數個，比如說N個並行數據din(k)。並行數據din(k)的碼元長度增大到串行數據d(k)的碼元長度的N倍。IFFT(逆快速付立葉變換器)117採用N個子載波對並行數據din(k)進行調製，並且輸出調製數據don(n)。亦即，並行數據din(k)被轉換成對應於每個子載波的相位和幅度的複數，被指定到頻譜上的各子載波，並且在時間譜上被逆快速付立葉變換。因此，並行數據din(k)採用N個子載波被調製成調製數據don(n)，如下式表示don(n)=1Nk=nN-1din(k)ej2nk/N(n=1,2,3,4,...,N)----(1)]]>並行-串行轉換器(PSC)119將並行數據din(k)轉換成串行數據ds(n)。保護間隔插入器121將保護間隔插入到串行數據ds(n)中。當發送信道引起符號間幹擾(ISI)時，將保護間隔插入到發送碼元之間，以吸收符號間幹擾。因此，可在OFDM系統中保持子載波間的正交性。
數/模轉換器(DAC)123將從保護間隔插入器121接收到的數據轉換成模擬基帶信號ds(t)。混頻器125將信號ds(t)與從頻率合成器127接收到的合成載頻相混頻，並輸出實際的發送數據P(t)，表示為
P(t)＝ds(t)e(jWct) ……(2)其中Wc是合成載頻。發送濾波器129將發送數據P(t)濾波為基帶信號，並且發送該基帶信號。
在向接收器發送期間，正被傳送的發送數據P(t)上添加了加性白高斯噪聲(AWGN)。
下面將參照2來描述接收器的結構。
圖2是應用了本發明的OFDM系統中接收器的框圖。
包含AWGN的載波信號被施加到乘法器211的輸入端。通過將輸入的載波信號與在頻率合成器213中合成的預定本地振蕩頻率相混頻，乘法器211將輸入的載波信號的頻率下變換成中頻(IF)。低通濾波器(LPF)215對從乘法器211接收到的IF信號進行低通濾波，並且ADC 217通過以預定間隔對從LPF215接收到的IF信號進行採樣將該IF信號轉換成數位訊號。保護間隔去除器219從數位訊號中去除保護間隔。SPC 221將從保護間隔去除器219接收到的無保護間隔的信號轉換成並行數據。FFT 223採用多個子載波對該並行數據進行OFDM解調，並且PSC 225通過對並行接收到的碼元數據進行相加，將解調的並行數據轉換成串行數據。解擴器227對該串行碼元數據進行解擴，從而恢復原始數據。
重要的是獲取上述接收器中子載波之間的同步。頻率同步使得能夠保持子載波之間的正交性，從而精確地對信號進行解碼。下面將描述本發明實施例的用於頻率同步的頻率偏移補償設備。
圖3表示圖1和2所示OFDM系統中所使用的信號幀的格式。
參照圖3，OFDM系統中所使用的幀300包括12個碼元。碼元NULL表示幀300的開始，而碼元Sync#1和Sync#2是同步碼元，數據碼元#301至數據碼元#9是實際的發送數據。數據碼元，比如說數據碼元#1301具有預定數個數據，例如256個數據。在該256個數據中插入預定數個導頻數據，例如10個導頻數據，從而接收器能夠通過導頻數據的相位估計來補償子載波之間的頻率偏移。
圖4是本發明實施例的頻率偏移補償設備的框圖。
如上所述，FFT 223採用多個子載波對輸入信號進行OFDM解調。OFDM解調信號的格式如圖3所示。
假設從FFT 223輸出的信號為Sn，k(n是碼元號，k是子載波號，如果使用K個子載波，則1≤k≤K)。延遲器411將碼元Sn，k延遲一個碼元周期。相關器413將延遲的碼元與從FFT 223當前接收的碼元Sn，k相關，並且將相關值饋送到導頻位置檢測器415。
從相關器413輸出的第n個碼元與第(n+1)個碼元之間的相關值可表示為Cm=|k=PmSn+1,kS*n,k|-----(3)]]>有關導頻數據位置的信息為Pm＝[p1+m，p2+m，…，pL+m] ……(4)其中Pm是一組帶有導頻數據的子載波號，m是頻率偏移的整數部分，並且-M≤m≤M，L是一個數據碼元中的導頻個數，pi是帶有第i個導頻的子載波的號碼，並且1≤i≤M。
當M＝20時，頻率偏移的整數部分可通過下式估計為±20f^o=(Cm)mmax-----(5)]]>其中，當相關值Cm為最大值時，即，當導頻數據的相關值為最大值時，所估計的頻率偏移的整數部分 是m，並作為導頻定位器415的輸出。導頻位置移動器417移動導頻位置，從而導頻位置檢測器415以最大相關值檢測導頻。在導頻位置檢測器415中檢測到的導頻相關值在導頻相關值累加器419中進行累加。所累加的相關值是Cm。頻率偏移估計器42l將所估計的頻率偏移的整數部分 輸出到頻率偏移補償器423。頻率偏移補償器423補償整數部分 。
下面將參照圖5A、5B和6來描述頻率偏移整數部分的補償。
圖5A和5B表示圖4中所示FFT 223的輸出。圖5表示在頻率域內從FFT223輸出的頻率偏移＝0的信號。導頻數據存在於子載波#8，22，…(p1＝8，p2＝22，…)中，而實際數據存在於碼元中的其他子載波上。P0＝[8+0，22+0，…]對應於導頻位置，因此當m＝0時，Cm是最大值。
對於圖5B所示的頻率偏移m＝1，P0＝[8+0，22+0，…]不對應於導頻位置。對於m＝1，P1＝[8+1，22+1，…]對應於導頻位置，因此當m＝1時，Cm是最大值。因此將頻率偏移的整數部分估計為1。
圖6是表示根據本發明實施例、在粗略頻率同步獲取情況下從導頻相關值累加器419輸出的導頻相關值的圖形。圖6中，用圓圈標記的數據的最大相關值等於用三角標記的數據的最大相關值。設兩個連續碼元的圓圈標記數據和三角標記數據分別為第n碼元和第(n+1)碼元。它們被相關，相關值與預定的導頻數據相比較，並且根據比較結果來檢測導頻位置。導頻相關值在導頻相關值累加器419中累加，並且當累加的相關值為最大值時，能夠估計頻率偏移。因此，當頻率偏移為0時，連續碼元的最大相關值相同。因此，可以精確地估計頻率偏移。
到目前為止已描述了粗略頻率同步，即，頻率偏移整數部分的估計和補償。下面將描述精細頻率同步，即，頻率偏移小數部分的估計和補償。
在通過對其為子載波間隔整數倍的頻率偏移進行估計和補償獲得粗略頻率同步之後，執行精細頻率同步。
圖7是表示在頻率偏移為子載波間隔的1/2時，用於頻率域內精細頻率同步獲取的導頻相關值的圖形。參照圖7，當頻率偏移為子載波間隔的1/2時，由於難以精確地估計其為子載波間隔的1/2的頻率偏移，因此，由圓圈和三角標記的連續數據的最大相關值不同。
返回到圖4，導頻相關值累加器419輸出與Cm(-M≤m≤M)的數目一樣多的相關值，並且從導頻相關值累加器419輸出的相關值的最大值CMAX表示為CMAX＝MAC(Cm)。
假設CMAX為Cm，可採用Cm和其相鄰的相關值Cm-1和Cm+1如下所述地估計最終頻率偏移 (Cm-1＞Cm+1和 ＞THRESHOLD(閾值)) (Cm-1＜Cm+1和 ＞THRESHOLD(閾值)) (除Cm-1＞Cm+1和 ＞THRESHOLD(閾值)，以及Cm-1＜Cm+1和 ＞THRESHOLD(閾值)以外的所有情況) ……(6)其中，為了確定THRESHOLD(閾值)，通過仿真來檢測 同時在-0.5至+0.5Hz範圍內將所估計的頻率偏移的小數部分增大0.1Hz。圖8是表示在仿真時相鄰相關值中的較大值與對應於小數部分頻率偏移的最大相關值之間的比值的圖形。
圖8中，相同偏移處的三角表示的是相鄰相關值中的較大值與最大相關值之間的比值，而實線上的圓圈表示當在仿真時存在有頻率偏移小數部分時的比值平均值。如果對於0.5的THRESHOLD(閾值)所估計的頻率偏移小數部分給定為0.4Hz≤｜fother｜≤0.5Hz，則在補償之後，歸一化的頻率偏移在+0.1Hz範圍內。
根據上述本發明，可以通過對兩個連續碼元進行相關，來獲得粗略頻率同步和精細頻率同步，即，估計頻率偏移的整數和小數部分。因此，即使在頻率偏移的小數部分是子載波間隔的1/2時，也減小了獲取粗略和精細頻率同步所需的時間。
儘管以上參照其特定的優選實施例示出和描述了本發明，但本領域內的普通技術人員應理解的是，可在不背離由所附權利要求書所限定的本發明宗旨和範圍的情況下，對本發明進行各種形式和細節上的變化。
權利要求
1.一種正交頻分復用(OFDM)系統中的頻率偏移補償設備，包括相關部分，用於採用快速付立葉變換來解調輸入數據，將解調的碼元延遲預定周期，並且將在延遲期間解調的碼元與延遲的碼元相關；導頻位置檢測部分，用於將相關值與預定的導頻位置相比較，並提取對應於該導頻位置的相關值；和頻率偏移補償部分，用於在所提取的相關值是預定的最大值時，將頻率偏移估計為所提取的相關值，並且將導頻數據的相位移動所估計的頻率偏移。
2.如權利要求1所述的頻率偏移補償設備，其中所述相關部分包括延遲器，用於將解調的碼元延遲預定周期；和相關器，用於將當前的解調碼元與延遲的碼元相關。
3.如權利要求1所述的頻率偏移補償設備，其中所述預定周期為一個碼元周期。
4.如權利要求1所述的頻率偏移補償設備，其中所述導頻位置檢測部分包括導頻位置移動器，用於存儲由發送器發送的導頻數據和有關導頻數據位置的信息，並且在預定控制下移動導頻數據位置；和導頻位置檢測器，用於根據從導頻位置移動器接收到的導頻位置，檢測相關器的輸出之間的相關值。
5.如權利要求1所述的頻率偏移補償設備，其中所述頻率偏移補償部分包括累加器，用於累加所提取的相關值；頻率偏移估計器，用於當累加的相關值達到預定值時，將所累加的最大相關值估計為頻率偏移；和頻率偏移補償器，用於根據所估計的頻率偏移移動導頻數據的相位。
6.如權利要求1所述的頻率偏移補償設備，其中頻率偏移的估計次數可達到子載波數的兩倍。
7.一種OFDM系統中的頻率偏移補償設備，包括相關部分，用於採用快速付立葉變換來解調輸入數據，將解調的碼元延遲預定周期，並且將在延遲期間解調的碼元與延遲的碼元相關；導頻位置檢測部分，用於將相關值與預定的導頻位置相比較，並提取對應於該導頻位置的相關值；和頻率偏移補償部分，用於檢測所提取的相關值的最大值，通過將最大相關值和相鄰的相關值與預定閾值相比較來估計頻率偏移，並且將導頻數據的相位移動所估計的頻率偏移。
8.如權利要求7所述的頻率偏移補償設備，其中所述相關部分包括延遲器，用於將解調的碼元延遲預定周期；和相關器，用於將當前的解調碼元與延遲的碼元相關。
9.如權利要求7所述的頻率偏移補償設備，其中所述預定周期為一個碼元周期。
10.如權利要求7所述的頻率偏移補償設備，其中所述導頻位置檢測部分包括導頻位置移動器，用於存儲由發送器發送的導頻數據和有關導頻數據位置的信息，並且在預定控制下移動導頻數據位置；和導頻位置檢測器，用於根據從導頻位置移動器接收到的導頻位置，檢測相關器的輸出之間的相關值。
11.如權利要求7所述的頻率偏移補償設備，其中所述頻率偏移補償部分包括累加器，用於累加所提取的相關值；頻率偏移估計器，用於檢測所提取相關值的最大值，並通過將最大相關值和相鄰的相關值與預定閾值相比較，來估計頻率偏移；和頻率偏移補償器，用於將導頻數據的相位移動所估計的頻率偏移。
12.如權利要求11所述的頻率偏移補償設備，其中所述頻率偏移估計器如下所述地估計頻率偏移 (Cm-1＞Cm+1和 ＞THRESHOLD(閾值)) (Cm-1＜Cm+1和 ＞THRESHOLD(閾值)) (除Cm-1＞Cm+1和 ＞THRESHOLD(閾值)，以及Cm-1＜Cm+1和 ＞THRESHOLD(閾值)以外的所有情況)，其中，CMAX是最大相關值， 是估計的頻率偏移。
13.如權利要求12所述的頻率偏移補償設備，其中所述閾值THRESHOLD是0.5。
14.如權利要求7所述的頻率偏移補償設備，其中所述頻率偏移估計是在執行粗略頻率同步之後進行的。
15.一種OFDM系統中的頻率偏移補償方法，包括下列步驟採用快速付立葉變換來解調輸入數據，將解調的碼元延遲預定周期，並將在延遲期間解調的碼元與延遲的碼元相關；將相關值與預定的導頻位置相比較，並提取對應於該導頻位置的相關值；和如果所提取的相關值是預定的最大值，則將頻率偏移估計為所提取的相關值，並且將導頻數據的相位移動所估計的頻率偏移。
16.如權利要求15所述的頻率偏移補償方法，其中所述相關步驟包括下列步驟將解調的碼元延遲預定周期；和將當前的解調碼元與延遲的碼元相關。
17.如權利要求15所述的頻率偏移補償方法，其中所述預定周期為一個碼元周期。
18.如權利要求15所述的頻率偏移補償方法，其中所述導頻位置檢測步驟包括下列步驟存儲由發送器發送的導頻數據和有關導頻數據位置的信息，並且在預定控制下移動導頻數據位置；和從相關值中檢測對應於導頻位置移動量的相關值。
19.如權利要求15所述的頻率偏移補償方法，其中所述頻率偏移補償步驟包括下列步驟累加所提取的相關值；如果累加的相關值達到預定值，則將所累加的最大相關值估計為頻率偏移；和根據所估計的頻率偏移移動導頻數據的相位。
20.如權利要求15所述的頻率偏移補償方法，其中頻率偏移的估計次數可達到子載波數的兩倍。
21.一種OFDM系統中的頻率偏移補償方法，包括下列步驟採用快速付立葉變換來解調輸入數據，將解調的碼元延遲預定周期，將在延遲期間解調的碼元與延遲的碼元相關；將相關值與預定的導頻位置相比較，並提取對應於該導頻位置的相關值；和從所提取的相關值中檢測最大值，通過將最大相關值和相鄰的相關值與預定閾值相比較，來估計頻率偏移，並且將導頻數據的相位移動所估計的頻率偏移。
22.如權利要求21所述的頻率偏移補償方法，其中所述相關步驟包括下列步驟將解調的碼元延遲預定周期；和將當前的解調碼元與延遲的碼元相關。
23.如權利要求21所述的頻率偏移補償方法，其中所述預定周期為一個碼元周期。
24.如權利要求21所述的頻率偏移補償方法，其中所述導頻位置檢測步驟包括下列步驟存儲由發送器發送的導頻數據和有關導頻數據位置的信息，並且在預定控制下移動導頻數據位置；和檢測相關值中對應於導頻位置移動量的相關值。
25.如權利要求21所述的頻率偏移補償方法，其中所述頻率偏移補償步驟包括下列步驟累加所提取的相關值；檢測所提取相關值的最大值，並通過將最大相關值和相鄰的相關值與預定閾值相比較，來估計頻率偏移；和將導頻數據的相位移動所估計的頻率偏移。
26.如權利要求25所述的頻率偏移補償方法，其中所述頻率偏移估計步驟如下所述地估計頻率偏移 (Cm-1＞Cm+1和 ＞THRESHOLD(閾值)) (Cm-1＜Cm+1和 ＞THRESHOLD(閾值)) (除Cm-1＞Cm+1和 ＞THRESHOLD(閾值)，以及Cm-1＜Cm+1和 ＞THRESHOLD(閾值)以外的所有情況)，其中，CMAX是最大相關值， 是估計的頻率偏移。
27.如權利要求26所述的頻率偏移補償方法，其中所述閾值THRESHOLD是0.5。
28.如權利要求21所述的頻率偏移補償設備，其中所述頻率偏移估計是在執行粗略頻率同步之後進行的。
全文摘要
一種OFDM系統中估計頻率偏移補償設備和方法。該設備中,相關部分採用快速付立葉變換來解調輸入數據,將解調的碼元延遲預定周期,並且將在延遲期間解調的碼元與延遲的碼元相關。導頻位置檢測部分將相關值與預定的導頻位置相比較,並提取對應於該導頻位置的相關值。頻率偏移補償部分在所提取的相關值是預定的最大值時,將頻率偏移估計為所提取的相關值,並且將導頻數據的相位移動所估計的頻率偏移。
文檔編號H04L27/26GK1346186SQ0111768
公開日2002年4月24日 申請日期2001年5月14日 優先權日2000年9月29日
發明者徐在賢, 韓東錫 申請人:三星電子株式會社