專利名稱：校正數字多載波信號相位和/或頻率誤差方法和電路裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及校正數字多載波信號中相位和/或頻率誤差的方法和電路裝置，該數字多載波信號已發(fā)送，尤其是已使用OFDM方法發(fā)送。
所謂的OFDM(正交頻分多路復用)調制方法用于傳送根據例如DAB或DVB-T標準的地面數字廣播無線電和電視信號。這種方法應用了大量使用頻分多路復用器傳送的調制載波。它具有許多優(yōu)點，如改進的帶寬應用或減少了多路徑接收中的干擾影響。然而，與單載波調制方法相比較，OFDM方法的一個缺點是必須精確地再現原始傳送的載波信號的頻率和相位。這導致了增加對于頻率誤差和相位噪聲的靈敏度，并且因此對接收機的頻率變換中使用的振蕩器的頻率和相位純度提出了更為嚴格的要求。
相位和頻率誤差可以分成兩個分量。在這種情況下所謂的自身噪聲分量表示由所述載波本身引起并被映射到其本身的相應載波的噪聲分量。相反，所謂的外部噪聲分量是由來自用于接收機解調的快速傅里葉變換(FFT)的所謂泄漏影響的相鄰載波干擾引起的。
Robertson P.,Kaiser S.在ICC 1995第1652-1657頁的“正交頻分多路復用(OFDM)系統中相位噪聲效應的分析”中已經公開了一種方法，借助于該方法可以估計和校正誤差的自身噪聲分量。在這種情況下，在FFT之后通過平均所有的載波在接收機中確定公共旋轉相位φe。然后通過乘以因子e-jφe，所有的載波移回這個誤差量，也被稱為公共相位誤差(CPE)。這完全地、或者至少是部分地校正了自身噪聲分量。然而，通過這種方法或者通過其他公知的方法不能夠校正外部噪聲分量，雖然為了改進信噪比這是很合乎需要的。
本發(fā)明的目的是提供一種用于校正數字多載波信號中相位和/或頻率誤差的方法，該方法使得有可能估計和校正由自身噪聲和外部噪聲分量產生的總的相位誤差。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種使用本發(fā)明方法的電路裝置。
通過下式可以表示CPE(公共相位誤差)的校正
XOFDM.CPE(n)=FFT{XOFDM.CPE(k)}=XOFDM(n)·e-jφe(1)其中x(n)載波x(k)樣本假定前提條件為角度φe小，則可以近似地表示為XOFDM.CPE(n)=XOFDM(n)·[cos(φe)-jsin(φe)]≈XOFDM(n)-jφe·XOFDM(n)(2)≈XOFDM(n)-jFFT{φe·XOFDM(k)}由方程(2)可見，在FFT之后(頻域，運行變量n)執(zhí)行的CPE校正近似對應于FFT之前(時域，運行變量k)的校正。由于這個原因，如Robertson等人描述的，可以在FFT之后執(zhí)行CPE校正。
如果目的是校正平均頻率誤差而不是CPEφe，則由φe的積分可以確定這一點。根據本發(fā)明的這種校正在下文中稱為“公共頻率誤差”，或者簡稱CFE校正。CFE校正為XOFDM.CFE(n)=FFT{XOFDM.CFE(k)}=FFT{XOFDM(k)·e-j2(k/N)φe}(3)如方程(3)所見，這必須在FFT之前執(zhí)行。然后在CFE校正中相位誤差至少在理論上被完全抑制，使得接收的信號被理想地補償。
原理上，根據本發(fā)明用于校正數字多載波信號中相位和/或頻率誤差的方法包括使用另一個傅里葉變換來估計自身噪聲分量，以及根據估計的自身噪聲分量校正數字信號。
由于必須執(zhí)行兩次FFT，所以這種校正導致了額外的計算復雜性或者勞動工作量。然而，這種額外的工作量是可接受的，因為根據本發(fā)明相位噪聲的減少使得有可能重現OFDM傳送的信號，即使使用的接收機具有一個比較差的相位噪聲響應，如PAL電視接收機。
最好在用于解調的傅里葉變換之前執(zhí)行進行誤差處理的傅里葉變換。這提供了載波正交性很好的再現，并且因此在串音響應中有特別明顯的改進。
有益的是進行誤差處理的傅里葉變換的長度要比用于解調的傅里葉變換的長度短，因為這就足夠用于估計自身噪聲分量，并且它減少了附加的計算復雜性。
更加有益的是用于解調的傅里葉變換的長度是N，而用于誤差處理的傅里葉變換的長度是N/M，在這種情況下，M可以是2的冪。
在這種情況下特別有益的是通過使用一個2M基數算法減少了用于誤差處理的傅里葉變換的復雜性。
另外，在數字信號饋送到用于解調的傅里葉變換之前最好將其延遲，以便補償用于估計自身噪聲分量的傅里葉變換的計算時間。
取決于估計的自身噪聲分量，對于總相位誤差或者僅僅要被校正的自身噪聲分量也是有益的。
對于在用于解調的傅里葉變換中執(zhí)行的自身噪聲分量的進一步校正同樣是有益的。
最后，為了自身噪聲分量的校正將樣本乘以復矢量e-j[(2πferrkTa)+φe]，或者為了總相位誤差的校正將樣本乘以e-j[(2πferrkTa)+2kφe/N]是特別有益的，-ferr是振蕩器和理想的標稱頻率之間的頻率誤差，-N是OFDM載波的數量，-k是離散時間變量，這里k=1,2,3,…,N以及-Ta是采樣周期。
原理上，根據本發(fā)明的用于校正數字多載波信號中相位和/或頻率誤差的方法的電路裝置包括-用于估計自身噪聲分量的裝置，該裝置提供數字多載波信號的校正信號；-一個延遲級，數字多載波信號的樣本饋送到該級以便延遲這些信號，用于補償估計自身噪聲分量的裝置的計算時間；-一個混頻單元，用它從借助于校正信號延遲的樣本中產生自適應的相位或者頻率信號；-變換裝置，在第一變換步驟中將數字多載波信號的樣本饋送給它，用第一變換步驟變換的信號被饋送到用于估計自身噪聲分量的裝置，以及在第二變換步驟中將自適應相位或頻率信號饋送給它，用第二變換步驟解調載波的信號復系數。
變換裝置最好具有執(zhí)行用于確定校正信號的傅里葉變換的裝置以及執(zhí)行用于解調自適應相位或頻率信號的另一傅里葉變換的裝置。
另外，為了確定校正值，有益地是從信道估計單元將相關于先前符號的信息饋給用于估計自身噪聲分量的裝置。
特別有益的是如果用于估計自身噪聲分量的裝置初始提供一個信道校正值和一個對應于自身噪聲分量的估計值的第一相位信息值，并還具有下面的裝置-一個乘法單元，借助于該單元自身噪聲分量的估計值乘以一個時變運行變量以便產生一個第二相位信息值；-一個開關單元，借助于該單元可以在第一相位信息值和第二相位信息值之間轉換；-一個調制單元，該單元以第一或第二相位信息值調制長度L的復矢量；-一個第二乘法單元，該單元使用信道校正值和調制的復矢量以確定饋送到混頻單元的校正值。
下面參照附圖描述本發(fā)明的示范實施例，其中

圖1示出OFDM信號的相位干擾和I-Q構像，確切地說其中a)是未校正的，b)是根據現有技術校正的，c)是根據本發(fā)明校正的；圖2示出根據本發(fā)明的用于相位誤差校正的第一電路裝置的方框圖；圖3示出根據本發(fā)明的第二電路裝置的方框圖；圖4示出用2基數算法將N-FFT簡化為N/2的FFT的過程。
圖1a示出相位誤差對用N=2048載波正交幅度調制16-QAM的模擬電視接收機中OFDM信號的影響。左邊的坐標系示出作為由符號周期Tu歸一化的時間t的函數的現有相位干擾φ(t)。雖然相位干擾一般是未知的，然而在這里引用是為了使下文中的校正處理更加清楚。除了對應于頻率誤差的連續(xù)的相位偏移，這里也可以見到短暫的突然相位變化。右邊的圖形示出在I-Q圖上各個載波的分布，I(同相)和Q(正交)分量是相應載波振蕩的兩個分量，相互間的相移為90°。此時相位誤差的影響包括由自身噪聲分量引起的所有信號空間點的公共旋轉和由外部噪聲分量引起的信號空間點的隨機膨脹。
圖1b示出根據現有技術的信號校正。通過平均OFDM信號確定CPEφe，OFDM信號隨后乘以因子e-jφe以作校正。這相應于如左邊坐標系中展示的、將相位誤差φ(t)位移角度φe(在當前情況下，它的值是大約0.35弧度)。CPE的校正將整個載波構像移回到它的原始位置(右邊的圖)，但由外部分量引起的誤差也就是信號空間點的膨脹仍然保留。
圖1c示出本發(fā)明CPE校正的結果。這里相位誤差明顯地減少了，因為通過相位變化的積分抑制了連續(xù)的相位偏移，并且只保留了短暫的突然相變。因此補償了公共旋轉和某些信號空間點的膨脹。
圖2示出根據本發(fā)明的相位誤差校正電路裝置的方框圖。在OFDM接收機中，在將發(fā)送的OFDM信號頻率變換到基帶之后，以采樣周期Ta在A/D變換器中采樣該信號。這個采樣的信號特別具有相位和頻率誤差，它們是由作頻率轉換的射頻振蕩器引起的。N個樣本XOFDM(k)(k=1,2,3,…,N)的分組由采樣的信號形成?，F在這些分組首先由一個延遲級T延遲，以便補償在下文中描述的FFT單元FFT1的計算時間。隨后借助于一個混頻單元M1執(zhí)行信號的相位和頻率自適應。然后將校正的信號XOFDMC順序地饋送到一個FFT單元FFT2，其中執(zhí)行用于解調的FFT。在這種情況下，FFT的長度通常是N,N是OFDM載波的數量。然后在FFT之后獲得帶有每個單獨載波的信息的N個復系數xc。如果另外在接收端執(zhí)行過采樣，為了改進載波分離并因此改進接收響應，FFT的長度也同樣可以大于N，例如N的倍數。
為了確定CPE，樣本XOFDM還饋送到另一個FFT單元FFT1。在這種情況下不必使用所有的載波來估計CPE。代替這一點，較少數量的系數就足夠用于計算公共相位誤差的平均值。因此這種FFT的長度可為N/M，使得明顯地減少其實施的復雜性。在這種情況下切合實際的值是例如解調器FFT的長度為8K(8192)，以及進行誤差處理的FFT的長度為512。為了確定FFT單元FFT1中的校正值CORR，后者可以用相關于先前符號的信息由信道估計供給，在這個示范實施例中是在FFT單元FFT2中執(zhí)行所述信道估計。最后，校正信號CORR則饋送到混頻單元M1進行相位和頻率自適應。
圖3示出根據本發(fā)明的另一個電路裝置，在CPE估計φe之后，能夠決定是否執(zhí)行CPE或者CFE校正。在FFT單元FFT1′中縮短的FFT之后，在這種情況下在另一個單元EST中執(zhí)行一個大致的信道估計以及確定CPE。信道估計提供振蕩器和理想標稱頻率之間的頻率誤差Ferr的值。這個值用于確定以復矢量形式CH=e-j2πferrkTa的校正值CH，并且這個值饋送到乘法單元M2。為了CFE校正，乘法單元M3將為CPE獲得的值φe乘以運行變量2k/N,k是離散時間變量而N是OFDM載波的數量。這相應于CPE在時間上的積分。獲得的相位信息、也就是CPE的φe或者CFE的2kφe/N，則在調制單元EXP中用于調制長度L的復矢量，然后它同樣饋送到乘法單元M2。所得矢量、也就是CPE的e-j[(2πferrkTa)+φe]或者CFE的e-j[(2πferrkTa)]+2kφe/N]則饋送到混頻單元M1，用于校正延遲的OFDM信號。以這種方式校正的OFDM信號沒有CPE，而在CFE的情況下，在頻率誤差方面有明顯改善的響應。最后，如同前面的示范實施例，在第二FFT單元FFT2中執(zhí)行所有載波的OFDM解調。同樣在這個單元中執(zhí)行的精確信道估計提供了一個關于判斷是應使用CPE還是CFE校正的準則，由調諧器中振蕩器的相位噪聲特性控制該校正的選擇。
2M基數算法特別適合于減小進行相位誤差估計的FFT的復雜性。
為了這個目的只要計算FFT的每第M個系數。圖4示出這樣一種方式，其中時域中8個樣本b(n)的一個簡單例子在頻域中是這樣減少的，用FFT將其變換到頻域a(n)，只計算由虛線界定的區(qū)域、也就是奇數的系數。在這種情況下用一個點來標記的箭頭節(jié)點相應于復數乘法。對于所使用記號的詳細解釋以及基數算法，一般可以參照Kammeyer K.D.,Kroschel K.數字信號處理，Teubner Study Books on Electrical Engineering,Stuttgart,1992。
本發(fā)明可以用于任何形式的OFDM傳輸，但特別用于地面數字電視或DAB的OFDM接收機。
權利要求
1．一種用于校正數字多載波信號中相位和/或頻率誤差的方法，該信號在N個不同的載波上傳送并且在接收機中進行用于解調的傅里葉變換(FFT2)，相位噪聲由自身噪聲分量和外部噪聲分量組成，自身噪聲分量表示由載波本身引起并且映射到其本身的噪聲分量和由相鄰的載波干擾引起的外部噪聲分量，該方法的特征在于通過另一個傅里葉變換(FFT1)執(zhí)行自身噪聲分量(φe)的估計，并且作為估計的自身噪聲分量的函數校正該數字信號。
2．如權利要求1所述的方法，其特征在于在解調的傅里葉變換(FFT2)之前執(zhí)行用于估計自身噪聲分量的傅里葉變換(FFT1)。
3．如權利要求1或2所述的方法，其特征在于用于估計自身噪聲分量的傅里葉變換(FFT1)的長度可以比用于解調的傅里葉變換(FFT2)的長度短。
4．如權利要求3所述的方法，其特征在于用于解調的傅里葉變換(FFT2)的長度是N，而用于估計自身噪聲分量的傅里葉變換(FFT1)的長度是N/M，其中M可以是2的冪。
5．如權利要求4所述的方法，其特征在于使用一個2M基數算法減少用于估計自身噪聲分量的傅里葉變換(FFT1)的復雜性。
6．如前面權利要求之一所述的方法，其特征在于在數字信號饋送到用于解調的傅里葉變換(FFT2)之前將其延遲，以便補償用于估計自身噪聲分量的傅里葉變換(FFT1)的計算時間。
7．如前面權利要求之一所述的方法，其特征在于根據估計的自身噪聲分量校正總的相位誤差或者僅僅是自身噪聲分量。
8．如前面權利要求之一所述的方法，其特征在于通過用于解調的傅里葉變換(FFT2)執(zhí)行自身噪聲分量的附加校正。
9．如前面權利要求之一所述的方法，其特征在于為校正自身噪聲分量，將樣本乘以復矢量e-j[(2πferrkTa)+φe]，或者為校正總相位誤差將樣本乘以e-j[(2πferrkTa)+2kφe/N]，ferr是振蕩器和理想標稱頻率之間的頻率誤差，N是OFDM載波的數量，k是離散時間變量，其中k=1,2,3,…,N以及Ta是采樣周期。
10．用于校正根據權利要求1到9中的一個或多個所述的數字多載波信號中相位和/或頻率誤差的電路裝置，其特征在于包括-用于估計自身噪聲分量的裝置(EST)，該裝置提供數字多載波信號的校正信號(CORR)；-一個延遲級(T)，數字多載波信號的樣本(XOFDM)饋送到該級以便延遲這些信號用于補償估計自身噪聲分量的裝置(EST)的計算時間；-一個混頻單元(M1)，借助于它自適應相位或者頻率信號(XOFDMC)依靠校正信號(CORR)從延遲的樣本(XOFDM)中產生；-變換裝置(FFT1,FFT1’,FFT2)，在第一變換步驟中數字多載波信號的樣本(XOFDM)饋送給它，用第一變換步驟變換的信號饋送到用于估計自身噪聲分量的裝置(EST)，在第二變換步驟中將自適應相位或頻率信號(XOFDMC)饋送給它，用第二變換步驟解調載波的信號復系數(xc)。
11．如權利要求10所述的電路裝置，其特征在于變換裝置(FFT1,FFT1’,FFT2)具有用于執(zhí)行傅里葉變換的裝置(FFT1,FFT1’)以確定校正信號(CORR)，以及用于執(zhí)行另一傅里葉變換的裝置(FFT2)以解調自適應相位或頻率信號。
12．如權利要求10或11所述的電路裝置，其特征在于為了確定校正值(CORR)，從信道估計單元(FFT2)向估計自身噪聲分量的裝置(FFT1)饋送相關于前面符號的信息。
13．如權利要求10到12中之一所述的電路裝置，其特征在于用于估計自身噪聲分量的裝置(FFT1)初始提供一個信道校正值(CH)和一個對應于自身噪聲分量(φe)的估計值的第一相位信息值(CPE)，并還具有下面的裝置-乘法單元(M3)，借助于該單元自身噪聲分量(φe)的估計值乘以一個時變運行變量，以便產生第二相位信息值(CFE)；-一個開關單元，借助于該單元可以在第一相位信息值(CPE)和第二相位信息值(CFE)之間轉換；-一個調制單元(EXP)，該單元以第一或第二相位信息值調制長度為L的復矢量；-一個第二乘法單元(M2)，該單元使用信道校正值(CH)和調制的復矢量確定饋送到混頻單元(M1)的校正值(CORR)。
全文摘要
OFDM方法與單載波調制方法相比具有各種優(yōu)點,但也具有對頻率誤差和相位噪聲的靈敏度增加的缺點。在接收機中將所有載波移回能夠估計和校正所謂的自身噪聲分量,然而使用該方法不能校正所謂的外部噪聲分量。根據本發(fā)明,除了解調FFT外,在接收機中還執(zhí)行另一FFT(FFT1),以便估計自身噪聲分量(φ
文檔編號H04L27/00GK1213920SQ9811854
公開日1999年4月14日 申請日期1998年9月1日 優(yōu)先權日1997年9月4日
發(fā)明者維特·安布拉斯特, 克勞斯·馬斯卡利克 申請人:德國湯姆遜-布朗特公司