專利名稱：各正交頻分復(fù)用碼元中采用對稱相位調(diào)整的頻率校正的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種使由信號調(diào)整和增強導(dǎo)致的載波相位旋轉(zhuǎn)減至最小的方法和接收機，特別(但不專門)適用于克服接收的OFDM(正交頻分復(fù)用)信號中的小頻率偏移的影響。
背景技術(shù)：
為了便于說明，本發(fā)明將參照OFDM信號來描述，但是應(yīng)當(dāng)理解，根據(jù)本發(fā)明的方法可應(yīng)用于其它適當(dāng)?shù)恼{(diào)制方案。
美國專利說明書5732113中提到，經(jīng)由OFDM信號通過信道的數(shù)據(jù)傳輸提供優(yōu)于一些較傳統(tǒng)的傳輸技術(shù)的若干優(yōu)點。這些優(yōu)點包括(a)通過具有與信道脈沖響應(yīng)的較長時間相比的較長碼元間隔而具有對多徑時延擴展的容限。
(b)由于冗余度已經(jīng)包含在OFDM信號中而具有對頻率選擇性衰落的容限。
(c)由于OFDM副載波的鄰近性而產(chǎn)生的有效頻譜利用。
(d)由于OFDM將信道均衡從時域轉(zhuǎn)換到頻域而產(chǎn)生的簡化子信道均衡。
(e)由于能夠修改OFDM頻譜以說明干擾信號的功率分布而產(chǎn)生良好的干擾特性。
在收方，OFDM確實表現(xiàn)出一些缺點，最重要的是實現(xiàn)發(fā)射機和接收機之間的定時和頻率同步。
如果數(shù)據(jù)幀內(nèi)各碼元的開頭的精確定時不是已知的，則接收機無法消除循環(huán)前綴以及在計算碼元樣值的FFT之前正確隔離各個碼元。
或許更重要且更困難的是確定并校正載頻偏移的問題。理論上，接收的載頻應(yīng)當(dāng)完全符合發(fā)送載頻。但是，如果不滿足這個條件，則失配導(dǎo)致接收的OFDM信號中的非零載波偏移。OFDM信號非常易受這種載頻偏移的影響，這導(dǎo)致OFDM副載波之間的正交性丟失，而且產(chǎn)生載波間干擾(ICI)以及接收機上的恢復(fù)數(shù)據(jù)的誤碼率(BER)的急劇增加。
另一個缺點在于使發(fā)射機的抽樣率與接收機的抽樣率同步以消除抽樣率偏移。這兩個抽樣率之間的任何失配導(dǎo)致幀中的碼元到碼元的2m元次碼元星座的旋轉(zhuǎn)。
發(fā)明公開本發(fā)明的一個目的是避免由強的載波間干擾引起的性能降低。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種接收機，它包括用于確定發(fā)射信號和接收信號之間的相位旋轉(zhuǎn)誤差的裝置；以及用于關(guān)于碼元對稱地應(yīng)用頻率偏移調(diào)整、以便使相位旋轉(zhuǎn)誤差最小的裝置。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供一種使正交頻分復(fù)用信號中的載波相位旋轉(zhuǎn)減至最小的方法，該方法包括確定發(fā)射信號和接收信號之間的相位旋轉(zhuǎn)誤差；以及關(guān)于碼元對稱地應(yīng)用頻率偏移調(diào)整，以便使相位旋轉(zhuǎn)誤差減至最小。
附圖概述現(xiàn)在通過示例并參照附圖來說明本發(fā)明，圖中

圖1是根據(jù)本發(fā)明制作的一種接收機的示意框圖；圖2是時間對振幅的曲線，說明根據(jù)本發(fā)明制作的接收機所接收的具有0.2Hz頻率偏移的復(fù)合1Hz信號輸入的正交相關(guān)分量；圖3表示已經(jīng)變換到頻域的實輸出和虛輸出的曲線；圖4是從圖3估算的1Hz載波的變換后的實輸出和虛輸出的星座圖；圖5是時間對振幅的曲線，說明已經(jīng)對稱地消旋-0.1Hz、具有估算的0.1Hz頻率偏移的1.2Hz復(fù)合信號輸入的正交相關(guān)分量；圖6表示圖5所示信號已轉(zhuǎn)換到頻域的實輸出和虛輸出的曲線；圖7是從圖6估算的1Hz載波的變換后的實輸出和虛輸出的星座圖；圖8是時間對振幅的曲線，說明已經(jīng)對稱地消旋-0.2Hz的復(fù)合1.2Hz信號輸入的正交相關(guān)分量；圖9表示圖8所示信號已轉(zhuǎn)換到頻域的實輸出和虛輸出的曲線；圖10是從圖9估算的1Hz載波的變換后的實輸出和虛輸出的星座圖；圖11說明輸入信號的對稱消旋；以及圖12是測量頻率偏移模塊的另一個實施例的示意框圖。
實施本發(fā)明的方式參照圖1，接收機包括連接到RF低噪聲放大器(LNA)12的天線10?；祛l器14具有連接到LNA 12的輸出端的一個輸入端以及連接到標(biāo)稱上在輸入OFDM信號的載頻上工作的本地振蕩器16的第二輸入端?；祛l的結(jié)果加到低通濾波器18，低通濾波器18選擇下變頻信號的基帶(或零IF)分量，并將其加到產(chǎn)生數(shù)字輸出x(t)的模-數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)20。輸出x(t)加到乘法器22的一個輸入端和用于測量發(fā)射信號和接收信號之間頻率偏移的模塊24。模塊24的輸出包括校正信號c(t)，該信號被加到乘法器22的第二輸入端。乘法器22的校正后的數(shù)字基帶輸出xadj(t)加到FFT級26，F(xiàn)FT級將校正輸出xadj(t)從時域信號轉(zhuǎn)換為由OFDM載波構(gòu)成的頻域信號X(t)，這個信號被加到解調(diào)器(DEMOD)28，解調(diào)器恢復(fù)碼元值并將其提供給輸出端30。
頻率偏移測量模塊24包括兩個部件32、34。部件32用于測量頻率偏移，部件34用于產(chǎn)生校正信號c(t)。部件32包括計算信號x(t)的相位的級36、用于存儲頻率偏移的累加器(ACCUM)38以及估算頻率偏移的級40。
估算的頻率偏移分別加到構(gòu)成部件34的級42、44的輸入端41、43。在級42，求出對稱相位偏移的估算值并將其加到級44，級44產(chǎn)生校正正弦波(具有相位偏移)以校正加到輸入端43的估算頻率偏移。
為了便于理解根據(jù)本發(fā)明的方法，單獨地采用單一載波來說明頻率偏移校正對于各載波星座的影響。
假定采用64載波OFDM系統(tǒng)的第一載波，所有其它載波都斷開。
輸入信號x(t)=Σn=0n=63ej2πfn64]]>(其中f＝1) (1)如果這個輸入已被給定頻率偏移Δf，則等式(1)變成x(t)=Σn=0n=63ej2π(f+Δf)n64]]>(其中f＝1)(2)為了校正頻率偏移，需要將x(t)與正弦曲線c(t)相乘，其中頻率與偏移相等但相反。
c(t)=ej2π(-Δfest)n64-----(3)]]>但是，頻率偏移由于噪聲和頻率限制而只能估算。
如果估算的頻率偏移等于實際偏移，則可以看到，當(dāng)x(t)乘以c(t)時，頻率偏移消失xadj(t)=Σn=0n=63ej2π(f+Δf-Δfest)n64-----(4)]]>頻率偏移對各載波相位的影響可通過將該信號變換到頻域來確定。這對于解調(diào)很重要。DFT的一般表達式為X(k)=Σn=0N-1x(n)e-j2πnkN---(5)]]>將式(4)代入式(5)，得到X(k)=Σn=0n=63e-j2πn(k)64ej2πn(f+Δf-Δfest)64----(6)]]>它可簡化為X(k)=Σn=0n=63ej2πn(f+Δf-Δfest-k)64----(7)]]>
對于1Hz輸入信號，f＝1，如果檢驗1Hz頻位(bin)，則k＝1，等式(7)變?yōu)閄(1)=Σn=0n=63ej24πn(Δf-Δfest)64----(8)]]>這個公式表示從下式開始的64個向量的總和 X(1)→n=63ej2π63(Δf-Δfest)64≡1∠2π63(Δf-Δfest)64]]>最終角度是起始和結(jié)束角度的平均值 從該等式可以看出，引入的相位偏移與總頻率偏移成比例。
解調(diào)器在理論上應(yīng)當(dāng)接收沒有由于相位偏移誤差而失真的輸入。這些誤差的一個來源是從相位偏移誤差中產(chǎn)生頻率偏移。相位偏移誤差不會產(chǎn)生問題，只要它在被接收的碼元串中是恒定的。這假定接收機正確地估算碼元串的開始處的頻率偏移，并且這沒有變化。
但是，接收機很可能在所接收碼元串中定期更新其頻率偏移估算，這會改變引入的相位偏移誤差。這些誤差引起的干擾會有效地將更多相位噪聲添加到解調(diào)器中，導(dǎo)致BER惡化以及嚴(yán)重地降低了解調(diào)器的性能。
這個問題可通過更新頻率偏移公式(3)以考慮相位偏移來減輕。
c(t)=ej2π(-Δfest)n64ej2π6364Δfest2=ej2πΔfest64(632n)---(9)]]>(頻率補償)(相位補償)可以看到，相位偏移經(jīng)過更新，大致等于頻率偏移引起的總相位的一半。
如果偏移校正與輸入信號相乘，則得到xadj(t)=Σn=0n=63ej2π64(nf+nΔf+63Δfest2-nΔfest)-----(10)]]>通過將公式(10)變換到頻域，能夠求出它對各載波相位的影響。
將信號代入DFT公式，得出X(k)=Σn=0n=63e-j2πn(k)64ej2π64(nf+nΔf+63Δfest2-nΔfest)--(11)]]>X(k)=Σn=0n=63ej2π64(nf-nk-nΔf-nΔfest+63Δfest2)---(12)]]>對于1Hz輸入信號，f＝1，如果考慮1Hz頻位，則k＝1Hz，代入公式(12)而得到X(1)=Σn=0n=63ej2π64(nΔf-nΔfest+63Δfest2)----(13)]]>公式(13)表示從下式開始的64個向量的總和X(1)→n=0ej63πΔfest64]]>X(63)→n=63ej2π6364(Δf-Δfest+Δfest2)]]>最終角度是起始和結(jié)束角度的平均值 通過檢驗這個公式可以看出，引入恒定的相位偏移，它與頻率偏移成比例，但不受估算的頻率偏移中的變化的影響。
以下實例用來說明與估算的頻率偏移的這種不相關(guān)性。
接收1Hz輸入信號，其中頻率偏移為0.4Hz。
碼元1接收機識別頻率偏移，但低估其為0.1Hz。接收機采用考慮了信號相位的經(jīng)修改的頻率偏移校正公式。因此，傳遞給64點FFT的所得信號具有偏移(0.4-0.1)＝0.3Hz。這引入以下第一碼元的相位偏移誤差 這個偏移與估算的調(diào)整頻率無關(guān)。
碼元2接收機重新計算頻率偏移，這時準(zhǔn)確地將其確定為0.4Hz。因此，傳遞給64點FFT的所得信號具有偏移(0.4-0.4)＝0Hz。這沒有引入偏移誤差 相位偏移仍然是不變的，因為它僅取決于信號的初始頻率偏移。
在實現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的方法時，參見以上公式(9)，將頻率偏移估算值與相位偏移估算值相乘，產(chǎn)生從例如正值線性變化到負(fù)值、從而便于獲取對稱校正的出現(xiàn)的值序列，從而對稱地應(yīng)用校正。這是如下進行的確保時域中中心樣值的相位保持不變，同時旋轉(zhuǎn)中心樣值任一側(cè)的樣值以獲取所需的頻率偏移校正。這樣，整個碼元上的平均相位保持不變，因此各頻率載波的相位不變。
為了說明關(guān)于OFDM碼元對稱地應(yīng)用頻率偏移調(diào)整的益處，參照附圖中的圖2至10。
圖2、圖3、圖4是關(guān)于接收機接收了復(fù)合1.2Hz輸入信號(圖2)的情況。偏移頻率測量模塊24(圖1)嘗試計算頻率偏移，但由于噪聲而使它錯誤地認(rèn)為不存在偏移并且信號為1Hz信號。接收機將信號變換到頻域(圖3)。1Hz頻率分量的相位可從圖3進行估算，并以星座圖的形式畫在圖4中。
圖5、圖6、圖7是關(guān)于獲取同樣在1.2Hz上偏移0.2Hz的下一個碼元的接收機。這時，它將頻率偏移估算為0.1Hz，也就是說，它認(rèn)為接收信號是1.1Hz。采用對稱消旋將輸入信號消旋-0.1Hz之后，輸入信號看上去如圖5所示。圖6和圖7說明對應(yīng)的FFT和星座圖。雖然頻率估算值不正確，但載波的相位保持不變。
圖8、圖9、圖10涉及獲取同樣在1.2Hz上頻率偏移0.2Hz的下一個后續(xù)碼元的接收機。這時，它將頻率偏移正確地估算為0.2Hz。采用對稱消旋將輸入信號消旋-0.2Hz之后，輸入信號看上去如圖8所示。圖9和圖10說明相應(yīng)的FFT和星座圖?？梢钥闯?，載波的相位保持不變。
參照圖11，實線正弦波50表示具有頻率f＝1.4Hz的輸入信號，虛線正弦波52表示已經(jīng)對頻率f＝1.0Hz對稱消旋-0.4Hz的1.4Hz信號。采用頻率和相位偏移校正信號c(t)來實現(xiàn)消旋。
通過進行對稱消旋，載波的相位基本保持不變。在圖2至圖4以及圖5至圖7所示的情況下，當(dāng)分別出現(xiàn)沒有消旋以及少于完全消旋時，載波的相位保持不變，但受到噪聲影響。
通過對正弦波50對稱消旋，OFDM副載波之間的正交性可以保持，從而充分降低了ICI和恢復(fù)數(shù)據(jù)中的BER。
圖12是能夠以FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)、ASIC(專用集成電路)或DSP(數(shù)字信號處理器)來實現(xiàn)的頻率偏移測量模塊24的另一個實施例的示意框圖。模塊24包括測量頻率偏移部件32，它的輸入端連接FFT級26的輸出端而它的輸出端連接產(chǎn)生校正信號c(t)級34的輸入端。級34產(chǎn)生的校正信號c(t)加到乘法器22上，從而對數(shù)字化的基帶信號x(t)消旋。
FFT級26的輸出端上的OFDM載波也加到級32，其中，在級60中計算全部載波的平均相位旋轉(zhuǎn)。級60的輸出加到級62，在級62中估算偏移頻率并提供給級42的輸入端41以估算對稱相位偏移。偏移頻率的估算值以及估算的對稱相位偏移提供給級44的相應(yīng)輸入端43和63，用于產(chǎn)生校正正弦波(具有相位偏移)c(t)，以便校正信號x(t)中的估算頻率偏移。
在本發(fā)明的說明書和權(quán)利要求書中，出現(xiàn)在某一部件前面的詞“一個”并不排除存在多個這類部件的情況。此外，詞組“包括”也并不排除存在所列出內(nèi)容以外的其它部件或步驟的情況。
通過閱讀本公開，本領(lǐng)域的技術(shù)人員會清楚其它修改。這類修改可能包括其它特征，這些特征在OFDM接收機及其組成部分的設(shè)計、制造以及使用方面是已知的，并且可以代替本文所述的特征或者作為其補充。
權(quán)利要求
1.一種接收機，它包括用于確定發(fā)射信號和接收信號之間的相位旋轉(zhuǎn)誤差的裝置以及用于關(guān)于碼元對稱地應(yīng)用頻率偏移調(diào)整、以便使所述相位旋轉(zhuǎn)誤差減到最小的裝置。
2.如權(quán)利要求1所述的接收機，其特征在于用于將所述頻率偏移調(diào)整后的碼元變換到頻域的裝置。
3.如權(quán)利要求1所述的接收機，其特征在于用于確定所述頻率偏移調(diào)整的裝置包括用于估算頻率偏移的裝置、用于估算對稱相位偏移的裝置以及用于響應(yīng)所述估算的頻率偏移和所述估算的對稱相位偏移而產(chǎn)生校正信號的裝置。
4.如權(quán)利要求3所述的接收機，其特征在于用于接收信號的裝置、用于從所述接收信號中產(chǎn)生基帶信號的裝置、用于將所述基帶信號數(shù)字化的數(shù)字化裝置、用于將所述數(shù)字化信號與所述校正信號相乘以產(chǎn)生校正后的數(shù)字輸出信號的乘法裝置以及用于將所述校正后的數(shù)字輸出信號變換到頻域的裝置。
5.一種使正交頻分復(fù)用信號中的載波相位旋轉(zhuǎn)減到最小的方法，所述方法包括確定發(fā)射信號和接收信號之間的相位旋轉(zhuǎn)誤差以及關(guān)于碼元對稱地應(yīng)用頻率偏移調(diào)整以使所述相位旋轉(zhuǎn)誤差減至最小。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于將所述頻率偏移調(diào)整后的碼元變換到頻域。
7.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于通過響應(yīng)所述估算的頻率偏移和所述估算的對稱相位偏移而產(chǎn)生校正信號來確定所述頻率偏移調(diào)整。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于接收信號、從所述接收信號中產(chǎn)生基帶信號、將所述基帶信號數(shù)字化、將所述數(shù)字化信號與所述校正信號相乘以產(chǎn)生校正后的數(shù)字輸出信號以及將所述校正后的數(shù)字輸出信號變換到頻域。
全文摘要
使載波相位旋轉(zhuǎn)對接收的正交頻分復(fù)用(OFDM)信號的影響減到最小的方法和接收機包括將接收信號下變頻到基帶，將下變頻信號數(shù)字化(x(t))，通過將數(shù)字化信號與關(guān)于碼元對稱地應(yīng)用的校正信號(c(t))相乘來校正數(shù)字化基帶信號中的頻率偏移，以便使相位旋轉(zhuǎn)誤差最小。校正后的信號(x
文檔編號H04L27/26GK1516946SQ02812063
公開日2004年7月28日 申請日期2002年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2001年6月20日
發(fā)明者R·費爾德, R 費爾德 申請人:皇家菲利浦電子有限公司