CN101277286B - 在数字无线电世界范围标准接收机中的整数载波频率偏移量估计的方法和设备 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于在数字无线电世界范通用标准接收机中估计载波频率偏移量(CFO)的方法和设备。对接收的DRM信号执行正交频分复用(OFDM)解调，以产生OFDM码元。比较OFDM码元中的对应单元中的单元特性，并且根据比较的单元特性来识别所述单元中的频率导频单元的载波索引。根据所识别的频率导频单元的载波索引来估计CFO。可以计算对应单元中的单元特性的值的比率，并且可以通过识别单元特性是最接近相等的单元来识别频率导频单元。可以通过比较所识别的载波索引和期望的频率导频单元的载波索引来估计CFO。

Description

在数字无线电世界范围标准接收机中的整数载波频率偏移量估计的方法和设备

技术领域

本发明总体上涉及数字无线电世界范围通用标准(Digital RadioMondiale DRM)接收机，更具体而言，涉及一种在DRM接收机中估计整数载波频率偏移量的方法和设备。

背景技术

数字无线电世界范围通用标准(DRM)是一种用于短波、中波和长波通信的开放式标准数字无线电***。音频源信号典型地被编码成数字信号，并且可以被与其他数字数据多路复用，以供发送。经多路复用的音频信号和数字数据然后可以通过正交幅度调制(QAM)加以编码，来形成主业务信道(MSC)单元。包含发现业务并且开始解码经多路复用的信号所需要的信息的快速接入信道(FAC)信号也可以通过QAM加以编码，来形成FSC单元。而且，提供用以解码在DRM发送中的业务并且发现交替的数据源的信息的业务描述信道(SDC)信号也可以通过QAM加以编码，来形成SDC单元。

MSC、FAC和SDC单元然后可以被组合，并且正交频分复用(OFDM)信号生成器用于形成表示这些单元的OFDM码元。所述OFDM码元然后可以被使用来调制无线电频率信号，以供发送到DRM接收机。

DRM标准规定了操作的四种‘健壮性模式’，目的是在四种类型的信号传播条件提供健壮的发送。所发送的DRM信号包括一连串OFDM码元，每个码元由保护间隔组成，后面是包含所发送的数据的该码元的一部分。每个码元是在频率上等间距的K个正弦波部分(或者载波)之和。每个正弦波部分，称为″单元″，被以给定的幅度和相位发送，并且对应于载波位置。每个载波通过索引或者编号来参考。

用于发送DRM信号的载波编号和载波频率之间的间距根据该信号的希望的健壮性模式和该信号的希望频率占有率模式而加以选择。这些载波是基带信号，并且在DRM发送机中被用于调制参考无线电频率信号。

发送的DRM信号被组织成发送超帧。每个发送超帧包括三个发送帧。发送帧包括按顺序地发送的预先确定数目的OFDM码元。OFDM 码元的数目是根据希望的健壮性模式确定的，并且OFDM码元的数目对于每种模式是不同的。在DRM标准之下，发送帧可以包括导频单元、控制单元和数据单元。导频单元可以用于帧、频率和时间同步，信道估计和健壮性模式识别。导频单元是以预先确定的相位和幅度调制的选定单元。

三个频率参考导频单元由DRM接收机使用来检测接收的信号的存在并且估计该信号的频率偏移量。频率参考被定位在对健壮性模式的所有变形和标称的信道带宽都是公共的频率。因为载波频率之间的间距变化，取决于健壮性模式，所以在每种健壮性模式下，三个频率参考频率都落在三个不同载波索引上。频率参考单元以常量的已知值的增益和相位在每个发送帧的每个码元中被发送。

传播条件和发送机振荡器和接收机振荡器之间缺乏同步可能会在接收的DRM信号中导致频率偏移。该接收的信号可能偏移期望的参考RF频率一个量，该量是所发送的信号的载波间距的若干倍。同样，接收的DRM信号的单元可能偏移若干个载波索引。该接收的信号所偏移了的载波索引数目被称为整数载波频率偏移量。

用于把DRM接收机同步到频率偏移的所接收信号的先前技术已经提出了。在该接收的信号从RF信号转换到IF信号之后，所述的先前技术典型地需要对该接收的信号计算若干次快速傅立叶变换(FFT)。这种技术将典型地在包括若干OFDM码元的接收的信号段上计算多个FFT。然而，计算FFT在计算上是密集的操作，并且计算多个FFT也成比例地更加密集。

因此，需要一种用于同步DRM接收机并降低计算复杂性的技术。特别地，需要一种用于在DRM接收机中估计载波频率偏移量的在计算上不怎么密集的技术。

发明内容

本发明提供了一种用于在数字无线电世界范围通用标准(DRM)接收机中估计整数载波频率偏移量并降低计算复杂性的技术。

在一个实施例中，本发明提供了一种估计载波频率偏移量的方法。该方法包括对接收的DRM信号执行正交频分复用(OFDM)解调，以产生OFDM码元。该方法还包括比较OFDM码元中的对应单元中的单元特性并且根据对该单元特性的比较来识别所述单元中的频率导频 单元的载波索引。该方法还包括根据所识别的频率导频单元的载波索引来估计载波频率偏移量。比较单元特性可以包括计算对应的单元中的单元特性的值的比率并且识别频率导频单元可以包括识别单元特性是最接近相等的单元.估计载波频率偏移量可以包括比较所识别的载波索引和期望的频率导频单元的载波索引。

在另一个实施例中，本发明提供了一种DRM接收机。该接收机包括OFDM解调器，该OFDM解调器能够接收DRM信号并且产生OFDM码元。该接收机还包括载波频率偏移量(CFO)估计器，该CFO估计器能够比较OFDM码元中的对应单元中的单元特性。该CFO估计器还能够根据对该单元特性的比较识别所述单元中的频率导频单元中的载波索引。该CFO估计器还能够根据所识别的频率导频单元的载波索引来估计载波频率偏移量。该CFO估计器可以能计算对应单元中的单元特性的值的比率并且识别单元特性是最接近相等的单元。该CFO估计器可以能比较所识别的载波索引和期望的频率导频单元的载波索引。

在又一个实施例中，本发明提供了一种用在DRM接收机中的CFO估计器。该CFO估计器适合于接收多个OFDM码元并且比较OFDM码元中对应单元中的单元特性。该CFO估计器还适合于根据对该单元特性的比较识别所述单元中的频率导频单元的载波索引并且根据所识别的频率导频单元的载波索引估计载波频率偏移量。该CFO估计器可以适合于计算对应单元中的单元特性的值的比率并且识别单元特性是最接近相等的单元。该CFO估计器可以适合于比较所识别的载波索引和期望的频率导频单元的载波索引。

根据以下附图、描述和权利要求，对于本领域技术人员而言，其他技术特征将会容易地变得清楚明白。

附图说明

为了更完全地理解本发明及其优点，现在参考以下结合附图所给出的说明，在附图中：

图1是依照本发明的一个实施例的数字无线电世界范围通用标准(DRM)接收机的示例性功能框图；和

图2示出根据本发明的示例性方法：DRM接收机可以用于同步到接收的信号。

具体实施方式

本发明的一些实施例提供了一种用于在数字无线电世界范围通用标准(DRM)接收机中整数载波频率偏移量估计的设备和方法.该方法在对接收的DRM信号进行OFDM解调之后操作，结果，与估计整数载波频率偏移量的先前方法相比较而言，在计算上不怎么复杂。

现在参考图1，图示了根据本发明的DRM接收机100的框图。天线102可以接收无线电频率(RF)信号。天线102可以通过电导体104耦合到RF调谐器106。该RF调谐器可以把RF信号转换到中间频率(IF)信号。该RF调谐器可以通过携带IF信号的电导体108耦合到模拟数字(A/D)转换器110。该A/D转换器110可以把模拟IF信号转换成采样的时间域数字信号。IQ解调器113可以经由数据链路112从A/D转换器110接收时间域数字信号。IQ解调器113可以操作来在数据链路115上把该信号转换成同相和正交相位(IQ)基带信号。

正交频分复用(OFDM)解调器可以在数据链路115上接收IQ信号并且在数据链路116上把它们转换成多个顺序地接收的频率域OFDM码元。解复器118可以把多个OFDM码元转换到接收机输出信道120中。接收机输出信道120可以包括FAC信道、SDC信道和MSC信道。

载波频率偏移量(CFO)估计器122也可以在数据链路116上接收多个OFDM码元。CFO估计器122可以产生估计的CFO，该估计的CFO可以在数据链路124上被发送到OFDM解调器114、IQ解调器113，或者RF调谐器106。在本发明的一个实施例中，OFDM解调器114可以使用估计的CFO来决定相位补偿。在另一个实施例中，该估计的CFO可以用在IQ解调器113的混频器中。在再一个实施例中，RF调谐器106可以使用该估计的CFO来纠正它的载波振荡器。

多个OFDM码元116是顺序地接收的OFDM码元。OFDM码元包括多个单元，每个单元用载波索引识别。在一个OFDM码元中的单元对应于在另一个OFDM码元中的单元，此处这两个单元都用相同载波索引识别。在每个码元中的已知数目的单元将被用作频率参考。用于频率参考单元的期望的载波索引也将是已知的。然而，由于传播条件和在发送机振荡器和接收机振荡器之间缺乏同步的原因，频率参考单元可能在接收的DRM信号的期望载波索引处找不到。相反，它们在偏离期望的载波索引一个载波频率(或者载波索引)偏移量的单元中可以找到。缺少快速的频率偏移量漂移，载波频率偏移量将在后续的OFDM 码元中是相同，或者将随着时间缓慢变化。

本发明的CFO估计器122操作起来识别载波索引并且生成对应的载波频率偏移量估计，在该载波索引处，频率参考单元出现在接收的DRM信号中。一旦CFO估计器122把估计的CFO发送到OFDM解调器114、IQ解调器113或者RF调谐器106，以把DRM接收机100同步到所观察的载波频率偏移量，在后续的OFDM码元中的频率参考单元会出现在期望的频率参考载波索引或者其附近会是期望的。

在DRM标准之下，三个频率参考单元被在每个OFDM码元中以相同增益和相位发送。然而，其他单元的增益和相位特性在相继的码元中是可能变化的，并且在一系列码元上变化的概率可能要高的多得多。同样，在接收的DRM信号中的频率参考单元的实际载波索引可以通过识别其增益或者参考(或者这二者)在两个或者多个OFDM码元中不改变的单元来加以确定。在本发明的一个实施例中，这可以通过计算在两个OFDM码元中的对应单元的增益和/或相位特性的比率来完成。在该比率基本上等于1的情况下，这些单元更可能是频率参考单元。在该比率在若干对OFDM码元中基本上等于1的情况下，这些单元是频率参考单元的概率要高的多得多。

图2绘制了根据本发明的方法200，DRM接收机100可以用于同步到接收的信号。在步骤202，DRM接收机100可以接收DRM信号并且把该接收的信号转换为时间域数字信号204。在步骤206，OFDM解调器114可以把时间域数字信号204解调成多个OFDM码元208。

CFO估计器122可以选择在多个OFDM码元的两个或者多个中的对应单元208并且在步骤210比较对应单元的单元特性(诸如增益或者相位)，以产生多个单元比较212。在步骤214，CFO估计器122可以检查多个单元比较212，以识别频率参考单元的载波索引216。在本发明的另一个实施例中，CFO估计器122可以识别对应的多个频率参考单元的多个载波索引216。

最后，在步骤218，CFO估计器122可以估计偏离一个或者多个载波索引216的载波频率偏移量220。这可以通过比较载波索引216与对OFDM码元的频率参考单元208的期望的载波索引来完成。估计的载波频率偏移量可以用在步骤202和/或206中，用以把DRM接收机100同步到该接收的信号中的频率偏移量。

在本发明的一个实施例中，CFO估计器122在单一对OFDM码元上的操作可以用下式表征：

$\mathrm{\Δ}{f}_{\mathrm{int}}=\left\{\mathrm{\Δk}\right|f(Y_{\mathrm{\Δk}+\mathrm{KpilotF},i}/Y_{\mathrm{\Δk}+\mathrm{KpilotF},i-1})=\underset{K}{\max }\left(f(Y_{\mathrm{\Δk}+\mathrm{KpilotF},i}/Y_{\mathrm{\Δk}+\mathrm{KpilotF},i-1})\right)\}---.1$

，K＝{k|-10≤k≤10}，

此处Δf_int是估计的整数载波频率偏移量，Y_x，i是OFDM码元i的单元x的特性，KpilotF是期望的频率参考载波索引，并且K是载波频率偏移量的搜索范围。1尽管在等式1中使用了范围[-10，10]，但是根据在RF调谐器106中载波振荡器的期望的稳定性，其他范围也是可以使用的，最大达到载波索引的完全范围。

等式1的结果，Δf _int，是整数载波索引偏移量值。在同步DRM接收机需要频率偏移量的情况下，例如在纠正RF调谐器106的载波振荡器的过程中，Δf _int可以与载波频率间隔相乘。在每种健壮性模式下，使用不同的载波频率间隔。通过从所接收的DRM信号确定健壮性模式，在该健壮性模式下，该信号正在被发送着，该DRM可以确定什么载波频率间隔正在被使用着。

函数f(x)被挑选成在它的参数值为1的情况下具有最大值。在为所有的三个频率参考单元同时对等式1求值的情况下，函数f(x)被挑选成在它的参数值为[1，1，1]的情况下，具有最大值—即，f(x)在‖x-1‖处于最小值的情况下具有最大值。这种函数f(x)的例子是  $f\left(x\right)=\frac{1}{k\×\left|\right|\left|x\right||-1|+1}.$

在本发明的另一个实施例中，估计的整数载波频率偏移量的准确性可以通过在一对以上OFDM码元之上计算单元特性比率的平均数而得以改进。CFO估计器122在这种实施例中的操作可以用下式表征：

$\mathrm{\Δ}{f}_{\mathrm{int}}=\left\{\mathrm{\Δk}\right|\underset{i}{\mathrm{\Σ}}f(Y_{\mathrm{\Δk}+\mathrm{KpilotF},i}/Y_{\mathrm{\Δk}+\mathrm{KpilotF},i-1})=\underset{K}{\max }\left(\underset{i}{\mathrm{\Σ}}f(Y_{\mathrm{\Δk}+\mathrm{KpilotF},i}/Y_{\mathrm{\Δk}+\mathrm{KpilotF},i-1})\right)\}---.2.$

根据本发明的DRM接收机100的元件(包括载波频率偏移量估计器122)可以实现在硬件或者硬件和固件或者软件的组合中(诸如处理器，ASIC，FPGA，或者其他使用软件或者固件指令操作的设备)。

阐明在本专利文献中所使用的某些词语和短语的定义可能会是有利的。术语“耦合”及其派生词指的是在两个或者多个元件之间的任何 直接或者间接的通信，而不用关心那些元件相互之间是否是物理接触的。术语“包括”和“包含”及其派生词，意思是无限制地包括。术语“或”是包含性的，意思是和/或。短语“相关联”和与“其相关联”及其派生词，可以意味着包括、被包括在内、与其相互连接、包含、被包含在内、连接到或者与其连接、耦合到或者与其耦合、可与其相通信、与其相协作、交错、并置、最接近于、与其相接或者相接到、具有、具有特性等。

尽管本发明已经描述了某些实施例以及一般相关联的方法，但是对于本领域技术人员而言对这些实施例和方法的修改和改变也将是清楚明白的。因此，以上对示例性实施例的描述并不限定或者限制本发明。在不偏离由以下权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，也可以做出其他的改变、替换和修改。

Claims (21)

1.一种用在数字无线电世界范围通用标准(DRM)接收机中的估计载波频率偏移量的方法，包括：

执行对接收的DRM信号的正交频分复用(OFDM)解调，以产生多个OFDM码元；

比较多个OFDM码元中的多个对应单元中的单元特性；

根据对单元特性的比较来识别多个对应单元中的频率导频单元的载波索引；

根据所识别的频率导频单元的载波索引来估计载波频率偏移量，

其中估计载波频率偏移量包括比较所识别的频率导频单元的载波索引和期望的频率导频单元的载波索引。

2.如权利要求1所述的方法，其中OFDM解调根据估计的载波频率偏移量加以执行。

3.如权利要求1所述的方法，其中比较单元特性包括比较对应单元的相位和增益之一。

4.如权利要求1所述的方法，其中比较单元特性包括计算在对应单元中的单元特性的值的比率。

5.如权利要求1所述的方法，其中识别频率导频单元包括识别单元特性最接近相等的对应单元。

6.如权利要求1所述的方法，其中识别频率导频单元的载波索引包括识别多个频率导频单元的载波索引。

7.如权利要求1所述的方法，其中多个对应单元根据期望的频率导频单元的载波索引加以选择。

8.一种数字无线电世界范围通用标准(DRM)接收机，包括：

正交频分复用(OFDM)解调器，能够接收DRM信号并且产生多个OFDM码元；和

载波频率偏移量(CFO)估计器，能够：

比较多个OFDM码元中的多个对应单元中的单元特性；

根据对该单元特性的比较识别多个对应单元中的频率导频单元的载波索引；和

根据所识别的频率导频单元的载波索引估计载波频率偏移量，

其中该CFO估计器通过比较所识别的频率导频单元的载波索引和期望的频率导频单元的载波索引，来估计所述载波频率偏移量。

9.如权利要求8所述的DRM接收机，其中该OFDM解调器还能够根据估计的载波频率偏移量产生多个OFDM码元。

10.如权利要求8所述的DRM接收机，其中该CFO估计器还能够比较对应单元的相位和增益之一。

11.如权利要求8所述的DRM接收机，其中该CFO估计器还能够计算在对应单元中的单元特性的值的比率。

12.如权利要求8所述的DRM接收机，其中该CFO估计器还能够通过识别单元特性是最接近相等的对应单元来识别频率导频单元。

13.如权利要求8所述的DRM接收机，其中该CFO估计器还能够识别多个频率导频单元的载波索引。

14.如权利要求8所述的DRM接收机，其中该CFO估计器还能够根据期望的频率导频单元的载波索引选择多个对应单元。

15.一种用在数字无线电世界范围通用标准(DRM)接收机中的载波频率偏移量(CFO)估计器，适合于：

接收多个OFDM码元；

比较多个OFDM码元中的多个对应单元中的单元特性；

根据对该单元特性的比较识别多个对应单元中的频率导频单元的载波索引；和

根据所识别的频率导频单元的载波索引估计载波频率偏移量，

其中该CFO估计器通过比较频率导频单元的载波索引和期望的频率导频单元的载波索引，来估计所述载波频率偏移量。

16.如权利要求15所述的CFO估计器，其中该CFO估计器还适合于把载波频率偏移量发送到正交频分复用(OFDM)解调器。

17.如权利要求15所述的CFO估计器，其中该CFO估计器还适合于比较对应单元的相位和增益之一。

18.如权利要求15所述的CFO估计器，其中该CFO估计器还适合于计算对应单元中的单元特性的值的比率。

19.如权利要求15所述的CFO估计器，其中该CFO估计器还适合于通过识别单元特性是最接近相等的对应单元来识别频率导频单元。

20.如权利要求15所述的CFO估计器，其中该CFO估计器还适合于识别多个频率导频单元的载波索引。

21.如权利要求15所述的CFO估计器，其中该CFO估计器还适合于根据期望的频率导频单元的载波索引来选择多个对应单元。

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