CN1309484B - 校正取样偏移的方法和***以及正交频分多路复用接收机 - Google Patents

校正取样偏移的方法和***以及正交频分多路复用接收机 Download PDF

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Abstract

正交频分多路复用(OFDM)接收机检测和校正时域中的取样偏移。OFDM接收机过取样(62)接收的OFDM信号中的训练序列或者码元，相关(64)所述过取样的训练序列与缩短型式的训练序列的存储副本，定位相关峰值(70)和通过计算在所述相关峰值附近的相关样值的幅度差值导出取样偏移(72)。

Description

校正取样偏移的方法和***以及正交频分多路复用接收机
本发明涉及处理正交频分多路复用(OFDM)信号。 
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)相比而言最佳的带宽效率，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波频谱，从而避免载波间干扰(ICI)。相反，虽然OFDM子载波的频谱在OFDM信道带宽内显著地重叠，但是OFDM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OFDM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。这个容差是由于与典型的信道脉冲响应的持续时间相比较而言的较长的码元间隔Ts。这些长码元间隔防止码元间干扰(ISI)。另一个优点是对频率选择衰落的容差。利用在OFDM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中重建。又另一个优点是有效的频谱使用率。因为OFDM子载波彼此非常紧密接近地放置，它们之间不需要留下未使用的频率间隔，所以OFDM可以有效地供给信道。另一优点是简化子信道均衡。OFDM从时域到频域偏移信道均衡(如在单个载波传输***中)，其中可以各自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。再一个优点是良好的干扰特性。能够修改OFDM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OFDM子载波减少带外干扰。 
虽然OFDM表现出这些优点，现有技术的OFDM的实现还呈现几个困难和实际的限制。一个困难是同步发射机的取样率与接收机的取样率以便消除取样率偏移的问题。这两个取样率之间的任何不匹配导致在较小频偏的帧中的从码元到码元的2m阵列子码元构象的旋转。但是，对于大的频偏，该结果是接收信号的频谱收缩或者扩展。这二者可以有助于增加BER。取样率偏移的一个原因是存在取样频偏。当接收机以比在该发射机使用的取样速率更高或者更低的频率取样该接收信号时出现取样频偏。取样率偏移的另一个原因是存在取样相位偏移。当该接收机以偏离发射机取样率的一个相位偏移取样该接收信号时出现取样相位偏移。取样频率和取样相位偏移二者对该接收机的性能可能都是有害的，并且为了该接收机正确地同步必须对其进行纠正。本发明是针对这个问题的纠正。
本发明的第一方面是提供一种在OFDM接收机中校正取样偏移的方法，该方法包括以下步骤：利用预定的因子过取样所接收的包含基准码元的OFDM信号；相关过取样的OFDM信号与所存储的码元；输出表示所存储的码元与OFDM信号的相关的相关样值序列；确定所述序列中每个相关样值的功率；通过定位具有最大功率值的相关样值序列中的相关样值，确定所述相关峰值的索引；计算在相关峰值每一侧的相关样值的幅度差值；和通过对所计算的差值执行二阶环路滤波以便驱动取样偏移趋于零，来校正取样偏移。 
本发明的第二方面是提供一种用于接收具有训练码元的OFDM信号的OFDM接收机，该OFDM接收机包括：模数变换器(ADC)，其利用预定的因子过取样所接收的OFDM信号，以便产生包括多个训练码元样值的OFDM样值；耦合到所述ADC的训练码元检测器，该训练码元检测器检测在OFDM样值中具有预定值的训练码元样值的位置，并输出所定位的训练码元样值的索引；耦合到所述训练码元检测器的取样偏移单元，该取样偏移单元产生从所计算的所述索引的每一侧的训练样值的幅度差值导出的取样偏移误差；以及耦合到所述ADC和取样偏移单元的校正单元，该校正单元通过对所计算的差值执行二阶环路滤波以便驱动取样偏移误差趋于零，来校正取样偏移误差，其中，所述训练码元检测器包括：耦合到所述ADC的相关器，该相关器相关从ADC输出的OFDM样值与所存储的所述训练码元的副本以便产生多个相关样值；和耦合到相关器的相关峰值检测器，该相关峰值检测器响应于所述多个相关样值中的相关峰值的检测而输出相关峰值的索引。 
本发明的第三方面是提供一种用于在OFDM接收机中校正取样偏移的***，该***包括：用于利用预定的因子过取样所接收的包含基准码元的OFDM信号的装置；用于相关过取样的OFDM信号与所存储的码元以便产生 相关样值序列的装置；用于输出表示所存储的码元与OFDM信号的相关的相关样值序列的装置；用于确定所述序列中每个相关样值的功率的装置；用于通过定位具有最大功率值的相关样值序列中的相关样值来确定所述相关峰值的索引的装置；用于计算在所述相关峰值每一侧的预定的相关样值的幅度差值的装置；和用于通过对所计算的差值执行二阶环路滤波以便驱动取样偏移趋于零，来校正取样偏移的装置。 
在附图中： 
图1是常规的OFDM接收机的方框图； 
图2示出在数据帧内OFDM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取样偏移校正***的方框图； 
图4是当存在取样偏移(相位和/或者频率)时的相关功率峰值； 
图5是说明本发明与图1的常规的OFDM接收机集成的方框图； 
图6是在频域中的示例性的训练序列的图；和 
图7是图6的训练序列的时域表示法。 
从下面以实例的方式给出的描述中本发明的特征和优点变得更明显了。 
参见图1，典型的OFDM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 OFDM已调载波通过该信道之后RF接收机12在RF OFDM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 OFDM载波，以便获得接收的IF OFDM信号。接收载波与发送载波之间的频差作用于载频偏移增量fc。 
然后这个收到的IF OFDM信号馈送到混频器28和混频器30二者以便分别与同相IF信号和90°相移(正交)IF信号混频，分别产生同相和正交OFDM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信号是在馈送给混频器30之前传递同相IF信号通过90°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OFDM信号分别传递到模数转换器(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OFDM信号。接收机和发射机的取样率之间的差值是取样率偏移增量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OFDM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OFDM信号的滤波的同相和正交样值。用这种方式，接收的OFDM信号转换为同相(qi)和正交(pi)样值，分别表示复数值OFDM信号ri＝qi+jpi的实部和虚部值分量。接收的OFDM信号的这些同相和正交(实部值和虚部值)样值则传递给DSP 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，在滤波器之后执行数字模拟转换。 
DSP 46对接收的OFDM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OFDM信号中的码元和数据帧的定时，b)从接收的OFDM信号中去掉周期的前缀，c)计算接收的OFDM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OFDM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OFDM信号的子载波从OFDM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/或者瑞得-所罗门(Reed-Solomon)解码，例如以从该块和/或者卷积编码的子码元中恢复数据。 
在典型的OFDM数据传输***诸如实现数字电视或者无线局域网(WLAN)的***中，数据是在OFDM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OFDM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。图3配置可以使用在图1的接收机中，正如图5所示的。但是，为了清楚，易于参考和有助于本发明的理解，本发明表示为不同的取样偏移校正环路。 
本发明工作在符合建议的ETSI-BRAN HIPERLAN/2(欧洲)和IEEE802.11a(美国)无线局域网标准的接收机中，在此结合作为参考。但是，认为以其它OFDM***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检测OFDM传输的训练序列。该训练序列(例如序列A或B)包括一系列短的OFDM训练码元(具有已知的幅度和相位)，经过预先确定数量的导频子载波或者库(bins)(例如12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个子载波)保持在零。虽然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根据所附的权利要求限定的本发明的范围内。HIPERLAN/2的一个示例性的训练序列B的频域和时域表示法表示在图5和6中。如在图6中所示的，该训练序列具有16样值的数据块，即每个训练码元重复4次。本发明采用这个重复的数据块或者时间周期，正如在下面进一步详细讨论的。 
现在返回到图3，示出取样偏移校正***60。应该注意，***60可以以软件，硬件或者它们的一些组合实现。一对取样器(例如ADC)62和78取样收到的OFDM信号。正如在上面讨论的，收到的OFDM信号包括同相(qi)和正交(pi)部分，分别表示复数值OFDM信号ri＝qi+jpi的实部和虚部值分量。取样器78以给定的取样率(选择接近该发射机的取样率)取样该OFDM信号和通过取样率变换器76传递取样的OFDM信号，用于下游处理(例如FFT等等)，正如在下面进一步详细讨论的。取样器62以预定的系数(例如因子2)上取样或者过取样该接收的OFDM信号并且传递该上取样的信号给相关器模块64。过取样该接收的OFDM信号提供该OFDM信号的分辩率，它是导出有意义的误差所需要的，正如在下面进一步详细讨论的。应该注意，取样 器78和取样器62可以以多个不同的方式互连，正如本领域技术人员已知的。例如，取样器78和取样器62可以由时钟电路(未表示)驱动，该时钟电路驱动取样器78和62二者以便以因子2过取样OFDM信号。在这种情况下，取样器62将传递每个样值到相关器模块64并且取样器78将传递每隔一个样值给取样率变换器76。 
相关器模块64相关从取样器62接收的上取样的信号与存储在本地存储器66中的训练序列(例如上述无线标准的训练序列B)的时域样值。在该示例性的训练序列中的每个样值具有一个值sqrt(13/6)*[(1+j)或者(-1-j)]。分配用于存储每个样值的存储器将取决于特定的OFDM接收机的设计。存储型式的训练序列最好是对应于训练序列B的样值(例如16样值)的重复数据块之一的缩短型式的训练序列。更具体地说，存储型式的缩短的训练序列最好对应于重复的数据块的过取样型式(例如32样值)，重复的数据块是利用如在取样器62中使用的相同的预定因子(例如因子2)过取样的。通过仅仅存储一个缩短的、可是过取样的型式的训练序列，在本地存储器66中有效地利用存储器空间，因为整个训练序列(即如果该训练序列没有过取样的64样值)不存储在本地存储器66中。 
当存储的训练序列与包含在OFDM信号中的训练序列一致时，最大的相关将出现在过取样的OFDM信号和缩短型式的训练序列之间。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。 
相关器模块64的输出是一个复信号，因为输入(即存储的训练序列和OFDM信号)是复数的。功率模块68可以根据特定的OFDM接收机的设计以两种方式之一计算该相关信号的每个样值的功率或者幅度。第一，功率模块68可以计算相关信号的每个复数样值的平方幅度(即功率)以便产生表示相关信号功率的一个实数。第二，功率模块68可以获得该相关信号的每个复数样值的幅度(与平方幅度相对)。 
峰值***模块70检索从功率模块68输出的相关功率序列，以便定位在具有最大功率或者幅度值的相关功率序列中的样值。一旦识别了最大的值，峰值***模块70输出峰值位置的索引到一个误差计算模块72。该索引由误差计算模块72使用作为一个参考点。 
正如在上面讨论的，过取样OFDM信号增加相关样值的数量，使得误差计算模块72可以导出有意义的取样误差。例如图4表示一个主相关峰值 80和在主相关峰值80的每一侧的一对较小的相关峰值82和84。如果该OFDM信号没有利用取样器62过取样，可能仅仅存在主相关峰值80，而误差计算模块72将不能够确定从在主峰值80附近的相关峰值的幅度得到的取样误差86，正如在下面进一步详细讨论的。 
当检测相关样值的主峰值时，误差计算模块72分析在主峰值80的任一侧的相关样值82和84。当不存在取样偏移时，频率相关样值82和84具有相同的幅度(未表示)。但是，如果存在取样偏移时，相关样值82和84具有不同的幅度，如在图4中所示的。 
计算模块72通过计算在相关峰值80的每一侧的相关样值82和84之间的幅度差值来计算误差值。幅度差可以是正的或者负的。差值的幅度表示存储的训练序列和接收的训练序列不同步的程度。差值的符号表示是增加还是减少取样频率。对于给定的取样偏移，主相关峰值左边(例如主峰值索引-1)的样值的数值减去主相关峰值右边(例如主峰值索引+1)的样值的值将产生该误差值。另外，根据特定***的要求，该误差值可以计算为右边样值和左边样值之间的差值。 
返回到图3，误差计算模块72输出计算的误差值给调节取样率的二阶环路滤波器74，使得驱动取样误差趋于零和该接收机的取样率与发射机的取样率同步。更具体地说，二阶环路滤波器74经过一个常规的取样率变换器76调节取样器78的取样率，或者在该可替代的方法中，可以调节取样器78和相联关的上取样器62的取样率。 
现在参见图5，表示本发明和图1的常规的OFDM接收机的集成。更具体地说，取样偏移校正***60可以耦合到混频器28和30的输出端以及耦合到DSP 46的输入端。利用这个配置，取样偏移校正***60从混频器28和30接收同相和正交OFDM信号，以匹配发射机的取样率的校正的取样率数字化该接收信号，和输出该数字化信号给DSP 46，用于进一步处理。应该注意，图1的LPF 42和LPF 44可以耦合到取样偏移校正***60的输出端并且耦合到用于滤波该数字化OFDM信号的DSP 46的输入端，虽然这样一个配置未在图5中表示。 
因此根据本发明的原理，提供在OFDM接收机中校正取样偏移的一种方法。该方法包括取样接收的OFDM信号，该OFDM信号包括一个基准码元，相关取样的OFDM信号与存储的码元，定位相关峰值，计算在该相关 峰值每一侧的相关样值的幅度差值并且从该计算的差值导出取样偏移误差。 
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 (16)

1.一种在正交频分多路复用OFDM接收机中校正取样偏移的方法，该方法包括以下步骤：
利用预定的因子过取样所接收的包含基准码元的OFDM信号；
相关过取样的OFDM信号与所存储的码元；
输出表示所存储的码元与OFDM信号的相关的相关样值序列；
确定所述序列中每个相关样值的功率；
通过定位具有最大功率值的相关样值序列中的相关样值，确定相关峰值的索引；
计算在相关峰值每一侧的相关样值的幅度差值；和
通过对所计算的差值执行二阶环路滤波以便驱动取样偏移趋于零，来校正取样偏移。
2.根据权利要求1的方法，其中，相关的步骤包括相关所述过取样的OFDM信号与利用所述预定的因子过取样的所存储的码元。
3.根据权利要求2的方法，其中，所述预定的因子是因子2。
4.根据权利要求1的方法，其中，所述存储的码元与所述基准码元相同。
5.根据权利要求1的方法，其中，所存储的码元对应于所述基准码元的一段。
6.根据权利要求5的方法，其中，所存储的码元是在所述基准码元中周期地重复的一段。
7.根据权利要求1的方法，其中，所述取样和相关步骤出现在时域中。
8.根据权利要求1的方法，其中，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幅度的步骤。
9.根据权利要求1的方法，其中，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。
10.一种用于接收具有训练码元的正交频分多路复用OFDM信号的OFDM接收机，该OFDM接收机包括：
模数变换器ADC，其利用预定的因子过取样所接收的OFDM信号，以便产生包括多个训练码元样值的OFDM样值；
耦合到所述ADC的训练码元检测器，该训练码元检测器检测在OFDM样值中具有预定值的训练码元样值的位置，并输出所定位的训练码元样值的索引；
耦合到所述训练码元检测器的取样偏移单元，该取样偏移单元产生从所计算的所述索引的每一侧的训练样值的幅度差值导出的取样偏移误差；以及
耦合到所述ADC和取样偏移单元的校正单元，该校正单元通过对所计算的差值执行二阶环路滤波以便驱动取样偏移误差趋于零，来校正取样偏移误差，
其中，所述训练码元检测器包括：
耦合到所述ADC的相关器，该相关器相关从ADC输出的OFDM样值与所存储的所述训练码元的副本以便产生多个相关样值；和
耦合到相关器的相关峰值检测器，该相关峰值检测器响应于所述多个相关样值中的相关峰值的检测而输出相关峰值的索引。
11.根据权利要求10的OFDM接收机，其中，所述校正单元还响应于从所述取样偏移单元输出的取样偏移误差而调节所述ADC的取样率。
12.根据权利要求10的OFDM接收机，其中，所述预定值是最大功率值和最大幅度值之一。
13.根据权利要求10的OFDM接收机，其中，所存储的所述训练码元的副本是在所述OFDM信号的训练码元中周期地重复的OFDM信号的训练码元的一段。
14.根据权利要求10的OFDM接收机，其中，所述ADC利用预定的因子过取样所接收的OFDM信号，由此通过所述相关器产生相关样值的预定的分辨率。
15.一种用于在正交频分多路复用OFDM接收机中校正取样偏移的***，该***包括：
用于利用预定的因子过取样所接收的包含基准码元的OFDM信号的装置；
用于相关过取样的OFDM信号与所存储的码元以便产生相关样值序列的装置；
用于输出表示所存储的码元与OFDM信号的相关的相关样值序列的装置；
用于确定所述序列中每个相关样值的功率的装置；
用于通过定位具有最大功率值的相关样值序列中的相关样值来确定所述相关峰值的索引的装置；
用于计算在所述相关峰值每一侧的预定的相关样值的幅度差值的装置；和
用于通过对所计算的差值执行二阶环路滤波以便驱动取样偏移趋于零，来校正取样偏移的装置。
16.根据权利要求15的***，其中，所述***被结合到在无线局域网中操作的OFDM接收机中。
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