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CN1293714C - 正交频分多路复用系统中的本机振荡器频率校正 - Google Patents

正交频分多路复用系统中的本机振荡器频率校正 Download PDF

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CN1293714C CNB011045604A CN01104560A CN1293714C CN 1293714 C CN1293714 C CN 1293714C CN B011045604 A CNB011045604 A CN B011045604A CN 01104560 A CN01104560 A CN 01104560A CN 1293714 C CN1293714 C CN 1293714C
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Abstract

正交频分多路复用(OFDM)接收机(10)，它检测和校正接收信号的载频偏移。在时域取样输入信号和以存储型式的训练或基准码元相关(68)该样值以产生相关序列。计算由所述相关步骤生成的相关序列的功率或幅度值，然后搜索相关值序列以便识别具有最大功率或幅度值的样值。检测(70)在相关序列中的相关峰值和设置该相关峰值的索引作为参考点(72，74)。获得离该参考点(74)预定距离的输入信号的样值。计算(74)获得的样值和本机振荡器之间相位差。然后，调整本机振荡器频率以减少计算的相位差(76，80)。获得的样值具有已知相位。因此，减少预定样值和本机振荡器之间的相位差使得该载频偏移向着零收敛。

Description

正交频分多路复用系统中的 本机振荡器频率校正
技术领域
本发明涉及正交频分多路复用(OFDM)信号的处理。
背景技术
正交频分多路复用(OFDM)是在信道上有效地发送数据的一种健全的技术。该技术使用在信道带宽中的多个子载频(子载波)发送该数据。安排这些子载波用于与更常规的传输方法诸如频分多路复用(FDM)相比最佳的带宽效率，频分多路复用浪费大部分的信道带宽以便分开和隔离子载频频谱，从而避免载波间干扰(ICI)。相反，虽然频分多路复用子载波的频谱在频分多路复用信道带宽内显著地重叠，但是频分多路复用允许已经调制在每个子载波的信息的分解和恢复。
通过信道经过频分多路复用信号的数据传输提供优于更常规的传输技术的几个优点。一个优点是对多路径延迟扩展的容差。这个容差是由于与信道脉冲响应的典型的持续时间相比而言较长的码元间隔Ts。这些长的码元间隔防止码间干扰(ISI)。另一个优点是对频率选择衰落的容差。通过在频分多路复用信号中包括冗余，编码为衰落的子载波的数据可以从其它子载波恢复的数据重建。又另一个优点是有效的频谱使用率。因为频分多路复用子载波彼此非常紧密的放置，它们之间不需要留下未使用的频率间隔，所以频分多路复用可以有效地供给信道。另一优点是简化子信道均衡。频分多路复用从时域到频域偏移信道均衡(如在单载波传输的系统中)，其中可以各个地对每个子信道的相位和幅度失真调整一组简单的一个抽头的均衡器。又另一个优点是良好的干扰属性。能够修改频分多路复用频谱以便解决干扰信号功率的分配。而且，能够通过避免使用接近信道带宽边缘的频分多路复用子载波减少带外干扰。
虽然频分多路复用表现出这些优点，现有技术的频分多路复用的实现还呈现几个困难和实际的限制。一个困难是确定和校正载频偏移的问题，频分多路复用同步的主要方面。理想地，接收载频fcr应该精确地匹配发送载频fct。如果不满足这个条件，但是，不匹配作用于在收到的频分多路复用信号中的非零载波频偏增量fc。频分多路复用信号是非常容易受这样的载频偏移的影响，它使得频分多路复用子载波之间的正交性丢失和导致载波间干扰(ICI)以及在接收机恢复的数据的误码率(BER)严重的增加。本发明是针对这个问题的纠正。
发明内容
频分多路复用接收机通过计算预定的训练序列的样值或者参考码元与本机振荡器之间的相位差校正载频偏移，和调节本机振荡器的频率以便减少计算的相位差。
本发明提供一种在正交频分多路复用(OFDM)接收机中在时域中校正载频偏移的方法，所述方法的特征在于包括步骤：接收具有基准码元的频分多路复用信号；相关频分多路复用信号与基准码元的存储的副本；计算由所述相关步骤生成的相关序列的功率或幅度值，然后搜索相关值序列以便识别具有最大功率或幅度值的样值；输出相关峰值的索引；以自所述相关峰值的索引预定的距离取样频分多路复用信号以便产生一个参考样值；计算参考样值和本地产生的载频之间的相位差；和响应所述计算的相位差产生载频偏移误差。
本发明还提供一种用于同步正交频分多路复用(OFDM)接收机的本机振荡器频率与由频分多路复用发射机产生的载频的设备，所述设备特征在于：用于接收在载频发送的频分多路复用信号的装置；用于从频分多路复用信号提取一个参考点的装置；用于取样离开所述参考点预定的距离的频分多路复用信号的装置；用于计算所述样值和所述本机振荡器频率之间的相位差的装置；和通过调节本机振荡器频率使得相位差减少，同步所述本机振荡器频率与所述频分多路复用信号的载频的装置。
所述频分多路复用接收机通过计算预定的训练序列的样值或者参考码元与本机振荡器之间的相位差校正载频偏移，和调节本机振荡器的频率以便减少计算的相位差。
附图说明
在附图中：
图1是常规的频分多路复用接收机的方框图；
图2示出在数据帧内频分多路复用码元和它们的相应的保护间隔的典型的配置；
图3是本发明的示例性的本机振荡器频率校正系统的方框图；
图4是示出作为与图1的常规的频分多路复用接收机集成的本发明的方框图；
图5是在频域中示例性的训练序列的图；和
图6是图5的训练序列的时域表示法。
具体实施方式
从下面以实例的方式给出的描述中本发明的特性和优点变得更明显了。
参见图1，典型的频分多路复用接收机10的第一单元是RF接收机12。RF接收机12的许多变化在本领域中存在并且是公知的，但是典型地，RF接收机12包括一个天线14，一个低噪声放大器(LNA)16，一个RF带通滤波器18，一个自动增益控制(AGC)电路20，一个RF混频器22，一个RF载频本机振荡器24和一个IF带通滤波器26。
通过天线14，在RF频分多路复用已调载波通过该信道之后RF接收机12在RF频分多路复用已调载波中耦合。然后，通过将它与RF本机振荡器24产生的频率fcr的接收机载波混频，RF接收机12下变频已调的RF频分多路复用载波，以便获得接收的IF频分多路复用信号。接收机载波与发射机载波之间的频差作用于载频偏移增量fc。
这个收到的IF频分多路复用信号耦合到混频器28和混频器30以便分别与同相IF信号和90°相移(正交)IF信号混频，分别产生同相和正交频分多路复用信号。馈送到混频器28的同相IF信号是由IF本机振荡器32产生的。馈送到混频器30的90°相移IF信号是在提供给混频器30之前传递同相IF信号通过900移相器34从IF本机振荡器32的同相IF信号中得到的。
然后同相和正交频分多路复用信号分别传递到模数变换器(ADC)36和38，其中它们以由时钟电路40确定的取样率fck_r数字化。ADC 36和38产生数字样值，分别形成同相和正交离散时间的频分多路复用信号。接收机和发射机的取样率之间的差别是取样率偏移增量fck＝fck_r-fck_t。
然后来自ADC 36和38的未滤波的同相和正交离散时间的频分多路复用信号分别通过数字低通滤波器42和44传递。低通数字滤波器42和44的输出分别是接收的频分多路复用信号的滤波的同相和正交样值。用这种方式，接收的频分多路复用信号转换为同相(qi)和正交(pi)样值，分别表示复数值频分多路复用信号的实部和虚部值分量ri＝qi+jpi。接收的频分多路复用信号的这些同相和正交(实部值和虚部值)样值则传递给DSP(数字信号处理器)46。注意，在一些常规的接收机10的实现中，在IF混频处理之前完成模拟数字转换。在这样一个实现中，混频处理包括使用数字混频器和数字频率合成器。还注意，在许多常规的接收机10的实现中，在IF滤波之后执行数字模拟转换。
DSP 46对接收的频分多路复用信号的同相和正交样值执行各种的操作。这些操作可以包括：a)同步接收机10与接收的频分多路复用信号中的码元和数据帧的定时，b)从接收的频分多路复用信号中去掉周期的前缀，c)计算接收的频分多路复用信号的离散傅里叶变换(DFT)或者最好是快速傅里叶变换(FFT)，以便恢复频域子码元的序列，在每个频分多路复用码元间隔期间用于调制子载波，d)对子载波执行任何要求的信道均衡，和e)利用FFT计算解调频分多路复用信号的子载波从频分多路复用信号的每个码元计算频域子码元yk的序列。然后DSP 46传送这些子码元序列给解码器48。
解码器48从DSP 46传递给它的频域子码元序列中恢复发送的数据比特。这个恢复是通过解码该频域子码元以便获得数据比特流执行的，数据比特流应该理想地匹配馈送到OFDM发射机的数据比特流。这个解码处理可以包括软维特比解码和/或瑞得-所罗门(Reed-Solomon)解码，例如，以从该数据块和/或卷积编码的子码元中恢复数据。
在典型的频分多路复用数据传输系统诸如实现数字电视或者无线局域网(WLAN)中，数据是在频分多路复用信号中以称为数据帧的码元组发送。这个概念表示在图2中，其中数据帧50包括M个相邻的码元52a，52b，...，52M，每个码元包括一个保护间隔Tg，以及频分多路复用码元间隔Ts。因此，每个码元具有Tg+Ts秒的总的持续时间。根据本应用，数据帧可以连续地发送，诸如在数字电视的广播中，或者数据帧可以在随机时间以脉冲串发送，诸如在WLAN的实现中。
现在参见图3，表示本发明的一个示例性的实施例。虽然本发明表示为不同于图1的频分多路复用接收机的单元，本领域技术人员容易地想出：本发明可以与频分多路复用接收机的单元集成，如在图4中所示的和在下面讨论的。但是，为了清楚，容易参考和有助于本发明的理解，本发明表示为不同的本机振荡器频率校正环路。
本发明工作在符合在此结合作为参考的建议的ETSI-BRANHIPERLAN/2(欧洲)和IEEE 802.11a(美国)无线局域网(LAN)标准的接收机中。但是，认为以其它频分多路复用系统实现本发明的教导在本领域技术人员的技能之内。
上面提到的无线局域网标准建议使用用于频分多路复用传输的检测的训练序列。简而言之，该训练序列(例如序列A或B)包括一系列短的频分多路复用训练码元(具有已知的幅度和相位)，通过预先确定数量的导频子载波或者库(bins)(例如12个导频子载波)发送。在该训练序列传输期间，所有的其它子载波(例如52子载波)保持在零。虽然在下面讨论使用上面提到的LAN标准的训练序列，使用可替代的训练序列和码元认为是在所附的权利要求限定的本发明的范围内。一个示例性的训练序列的频域和时域表示法表示在图5和6中。
现在参见图3，表示一个振荡器频率校正网络或者系统60-。应该注意，系统60可以以软件，硬件或者它们的一些组合实现。系统60包括一个消旋器或者复数乘法器66，它经过样值选择环路62和锁相环64接收取样的频分多路复用信号。正如在上面讨论的，取样的频分多路复用信号包括同相(qi)和正交(pi)样值，分别表示复数值频分多路复用信号的实部和虚部值分量ri＝qi+jpi。理想地，消旋器66将取样的或者数字化频分多路复用信号与由数字地控制的本机振荡器80产生的本机信号(即载波信号)相乘以便促使数字化频分多路复用信号降低到基带。然而，消旋器输出可能不是精确地在基带。这个差异的一个原因是本机振荡器80的频率可能不匹配该发射机振荡器频率。因此，可能存在相对于发射机振荡器频率的本机振荡器频偏(即载频偏移)。本发明涉及通过取样选择环路62和锁相环64的操作来补偿频偏。
取样选择环路62包括一个相关器模块68，一个峰值检测器模块70和一个取样选择器模块72。更具体地说相关器模块68耦合到取样的频分多路复用信号源和峰值检测器模块70的输入端。峰值检波器模块70的输出端耦合到样值选择器模块72的输入端，后者又耦合到取样的频分多路复用信号源和消旋器66以及锁相环64的输入端。
锁相环64包括一个鉴相器模块74，一个环路滤波器76和一个数控振荡器80。更具体地说，鉴相器模块74耦合到样值选择器模块72的输出端和数控振荡器80的输出端以及环路滤波器模块76的输入端。环路滤波器模块76耦合到数控振荡器80的输入端，后者又耦合到消旋器66的输入端并且反馈到鉴相器74的输入端。
在工作中，样值选择环路62提取接收的OFDM信号中训练码元的位置并延迟OFDM信号以便锁相环64分析样值的相位，即放在训练码元内的一个预定的位置。更具体地说，相关器模块68使接收的数字化频分多路复用信号与存储在本地存储器中的已知的训练序列(例如上述无线局域网标准的训练序列B)的时域样值相关。最大的相关将出现在存储的训练序列与包含在该数字化信号中的训练序列相符时。因此，相关输出功率的峰值可以用于确定什么时候接收信号与存储的训练序列一致。
峰值检测器模块70检索从相关器模块68中接收的相关序列的相关序列功率中的峰值。相关器模块68的输出端是一个复合信号，因为输入(即存储的训练序列和数字化信号)是复数的。峰值检测器模块70可以根据特定的频分多路复用接收机的设计以两个方式中之一计算该相关信号的每个样值的功率或者幅度。第一，峰值检测器模块70可以计算相关信号的各个复数样值的平方值(即功率)以便产生表示相关信号功率的一个实数。第二，峰值检测模块70可以获得相关信号的每个复数样值的幅度(与平方值相对的)。然后，峰值检测器模块70检索相关功率序列以便识别具有最大的功率或者幅度值的样值。一旦已经识别最大的值，峰值检测器模块70输出峰值位置的索引到样值选择器模块72。由系统60使用该索引作为参考点。在训练序列内知道一定的样值与本机振荡器80具有相同的相位，如果没有本机振荡器频偏存在。但是，如果存在频偏，这些样值相对于由本机振荡器80产生的信号的相位具有一个相位偏移。该相位偏移可由系统60的锁相环64用于产生频率误差信号，以便调节本机振荡器80的频率，使得本机振荡器频偏向着零收敛。
样值选择模块72从峰值检测器模块70接收该峰值位置的索引和使用该索引延迟该接收的数字化频分多路复用信号，使得在由数字化信号传送的训练序列中的预定的样值可以由锁相环64的鉴相器模块74分析，正如在下面进一步详细描述的。知道预定的样值是以一个固定的距离或者离相关峰值的时间期间放置，并且没有本机振荡器频偏具有与本机振荡器74相同的相位。根据特定的频分多路复用接收机的设计选择预定的频分多路复用样值和该本机振荡器的相位。样值选择模块72可以包括一个抽头延迟线和FIFO缓冲器配置或者任何类似的选择地延迟装置，如本领域的技术人员已知的。
鉴相器模块74跟踪由样值选择器模块72输出的数字化频分多路复用信号的通路并且在多个样值通过之后分析预定的样值。例如，鉴相器模块74可以包括一个计数器，它计数从样值选择器模块72输出的样值的数量并且触发鉴相器模块74在达到预定的计数之后捕获一个样值。触发之间的时间期间是已知的并且由样值选择器72用于延迟数字化频分多路复用信号，使得签相器模块74获得该训练序列的预定的样值。一旦选择了一个样值，鉴相器模块74计算样值的相位和由本地数控振荡器80产生的信号的相位。然后，鉴相器模块74通过计算选择的样值和由本机振荡器74产生的信号之间的相位差产生相位偏移误差。提供相位偏移误差给滤波器76，产生本机振荡器频率误差。本机振荡器频率误差又提供给本机振荡器80以便调节本机振荡器80的频率，使得本机振荡器频偏(即载频偏移)向着零收敛并且从消旋器66输出的去旋转的信号趋近基带。在鉴相器模块74内的计数器复位并向着预定的触发值计数之后，相位偏移误差最好由锁相环64保持不变。
应该注意，消旋器66另外可以调节(经过内部的滤波器等等)接收的相位误差偏移以便更精确地去旋转从通常到基带的数字化信号。
现在参见图4，如图所示的，本发明与图3的常规的频分多路复用接收机集成。更具体地说，系统60耦合到LPF 42和44的输出端以及耦合到DSP 46的输入端。利用这个配置，系统60从LPF 42和44接收频分多路复用样值，校正任何检测的载频偏移和输出校正的频分多路复用样值给DSP 46用于另外的处理。
虽然参见优选的实施例描述了本发明，但是明显的在不偏离由所附的权利要求限定的本发明的精神和范围下在实施例中可以进行不同的变化。

Claims (12)

1.在正交频分多路复用(OFDM)接收机中在时域中校正载频偏移的一种方法，所述方法的特征在于包括步骤：
接收具有基准码元的频分多路复用信号；
相关频分多路复用信号与基准码元的存储的副本；
计算由所述相关步骤生成的相关序列的功率或幅度值，然后搜索相关值序列以便识别具有最大功率或幅度值的样值；
输出相关峰值的索引；
以自所述相关峰值的索引预定的距离取样频分多路复用信号以便产生一个参考样值；
计算参考样值和本地产生的载频之间的相位差；和
响应所述计算的相位差产生载频偏移误差。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于还包括步骤：
调节本地产生的载频以便校正所述载频偏移误差；和
使用本地产生的载频从通带到基带去旋转接收的频分多路复用信号。
3.根据权利要求1的方法，其特征在于相关的步骤包括以下步骤：
输出表示所述存储的基准码元与所述频分多路复用信号相关的一相关样值序列；
确定所述序列中的每个相关样值的功率；和
通过定位具有最大功率值的序列中的相关样值确定所述相关峰值的索引。
4.根据权利要求3的方法，其特征在于确定每个相关样值的功率的步骤包括计算每个相关样值的平方值的步骤。
5.根据权利要求3的方法，其特征在于确定每个相关样值的功率的步骤包括获得每个相关样值的幅度的步骤。
6.根据权利要求1的方法，其特征在于产生载频偏移误差的步骤包括通过环路滤波器传递所述计算的相位差的步骤。
7.用于同步正交频分多路复用(OFDM)接收机的本机振荡器频率与由频分多路复用发射机产生的载频的一种设备，所述设备特征在于：
用于接收在载频发送的频分多路复用信号的装置；
用于从频分多路复用信号提取一个参考点的装置；
用于取样离开所述参考点预定的距离的频分多路复用信号的装置；
用于计算所述样值和所述本机振荡器频率之间的相位差的装置；和
通过调节本机振荡器频率使得相位差减少，同步所述本机振荡器频率与所述频分多路复用信号的载频的装置。
8.根据权利要求7的设备，其特征在于所述设备结合到在无线局域网中操作的接收机中。
9.根据权利要求7的设备，其特征在于用于提取的装置包括：
用于相关频分多路复用信号与基准码元的存储的副本以便产生多个相关样值的装置；和
用于检测在多个相关样值中的一个相关峰值的位置的装置；以及
用于设置所述相关峰值的位置作为所述参考点的装置。
10.根据权利要求9的设备，其特征在于用于检测的装置包括：
用于确定在多个相关样值中的每个相关样值的功率的装置；和
通过定位具有最大功率值的序列中的相关样值确定所述相关峰值的位置的装置。
11.根据权利要求10的设备，其特征在于用于确定每个相关样值的功率的装置包括用于计算每个相关样值的平方值的装置和用于获得每个相关样值的幅度的装置中的至少一个装置。
12.根据权利要求7的设备，其特征在于设置所述预定距离，使得在频分多路复用信号内的至少一个基准码元被取样，当所述振荡器与所述载频同步时，所述基准码元样值是与所述振荡器频率同相的。
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