专利名称：在采用ofdm调制的传输系统中使多个设备在时域和频域上同步的方法
发明目的本发明涉及在利用OFDM(正交频分复用)的调制传输系统中使多个设备在时域和频域上同步的方法。该方法的目的在于改进各种情况下OFDM符号起始的估计和振荡器中频率误差的估计，如在含有窄带噪声的信道中，频率选择性信道中或噪声功率随频率变化的信道中。将此方法用于实现同步以及方便同时估计模拟转换中的频率误差和系统抽样频率误差，从而使所述估计操作可以在常规同步方法得不到结果情况下执行。
再者，在可以对这些因素执行各种估计的情况中，可以将平均值或加权平均值形式的结果进行组合，以得到与想要估计的真实值偏差更小的更精确的估计。
背景技术：
在大多数电信系统中实施同步方法是必需的，以便充分获取从接收信号传送到信道的信息。根据传输方式和所用调制方式，需要一种或多种类型的同步。一般来说，为利用OFDM调制方式传输，需要执行时间同步，时间同步包括在接收中确定OFDM符号的起始位置，还要执行频率同步，以便用于抽样或用于对发送和接收信号进行模拟转换的振荡器频率非常接近。
在现有技术中，已知许多种OFDM信号同步方法，但这些方法均不不够安全，以避免在以电网作为传输手段的点到多点系统中作出错误的同步指示。
众所周知，将电网用作传输手段存在同步的问题，因为网络上各种装置的连接-断开在线路上产生强峰值和阻抗变化，从而导致信道响应随时间变化。电网中常出现的脉冲噪声会影响同步，大部分是因为按定义，它们都是影响少量样本的偶然性噪声，因此如果它们在时间上与同步序列重合，则可能阻碍对所述序列的充分检测。本发明提出的频带分离减轻了这些噪声的后果，由此可以应用已知的同步方法，这是因为所提出的改进方案可在噪声环境(如电网)中提供最优结果。
在现有技术的各种同步方法中，具有代表性的方法可参见美国专利No.5732113和西班牙专利申请200.101.121，美国专利No.5732113描述了使用具有两个等半符号的单个同步符号的时间同步方法，而西班牙专利申请200.101.121介绍了“在使用OFDM调制的点到多点传输系统中的多用户下行流同步方法”，它描述了两个完全相同的同步符号的传输。本发明由于在不同频带中实现了同步而改进了时域和频域上的同步，从而取得与通过应用先前所述任一方法取得的相比，方差更小且更好地校准到实际值的结果。此外，在线路上的噪声和信道特征会在使用已知同步方法时防止取得任何结果的许多情况下，应用本发明方法可以实现同步。
另一方面，要指出的是，虽然诸如Prentice Hall于1993年出版的由P.P.Vaidyanathan所著的书籍“多速率系统和滤波器组(MultirateSystems and Filters Banks)”中描述的那些滤波器组是已知的，但尚未将这些滤波器用于分解接收到的同步序列，以如本发明所述在各频带中进行独立检测，在各频带中进行独立检测可取得比上述现有技术显著得多的改进。
发明描述为了实现上述目的并且避免前述的不便之处，本发明由用于在采用OFDM调制的传输系统中使多个设备在时域和频域上同步的方法。
该方法适用于与同一电网相连的不同设备之间经由该电网进行的双向通信，以便在接收中提供OFDM符号起始估计以及所述设备中本地振荡器频率误差估计，它包括生成通过所述电网传输的同步序列。这些同步序列通过用于发送数据的同一信道发送，所述信道的特征在于一个设备和其余所有设备之间的连接。该方法的特征在于它包括分解由不同频带或频率范围中的同步序列和数据构成的接收信号。随后，通过在时间上应用同步算法来检测各所述频带的同步序列，从而可以在每个频带中估计OFDM符号的起始和本地振荡器的频率误差，而不是如传统的方法那样对完整接收信号进行处理。
因为这些特征，本发明方法改进了在信道中存在窄带噪声(即侵入噪声)的情况下对OFDM符号起始的估计和设备中振荡器频率误差的估计。在通过频率选择性信道传输的情况下，本发明改进了对OFDM符号起始的估计，并且在由信号添加到信道中的噪声功率随频率变化的情况下，即在信道包括有色噪声的情况下改善了频率误差。该方法的另一个优点在于它允许估计随频率线性增加且无法以常规方式利用完整信号估计的抽样频率误差，并且它还相对于使用完整接收信号来估计模拟转换中的频率误差，改善了所述频率误差估计。它还允许在估计模拟转换中的频率误差的同时，估计OFDM符号的起始，以及在两个或更多个频带或频率范围中检测到频率误差时(包括采用完整信号得不到结果的情况下)，计算抽样频率误差。最后，在通过组合每个频带中获得的估计值以及通过取均值或加权平均线性回归运算在一个以上频带中实现同步序列检测的情况下，本发明方法有利于改进OFDM符号起始估计和振荡器频率误差估计的结果。
在本方法中本发明将接收信号分解为不同频带或频率范围的步骤通过如下方式执行应用以每个频带为中心的带通滤波器，对滤波后的信号执行频率转换以在基带中处理每个频带，还可选择性地应用抽取器来简化检测同步序列所必需的电子装置的复杂度。
另一种执行所述分解的方法是，通过具有原型带通滤波器复杂度的均匀抽取DFT(离散傅立叶变换)滤波器组和离散傅立叶变换(DFT)同时对所述同步序列进行滤波处理。
以同样的方式，还可以通过离散傅立叶变换(DFT)电路直接执行所述分解或同步序列滤波。
在本发明所述的方法中，在每个频带或频率范围中按常规通过最大似然准则来检测同步序列，以便由每个频带中样本的最大时间相关的计算来估计OFDM符号起始，该最大值成为相关峰平坦区域的中点，其以样本数量计的大小等于没有符号间干扰(ISI)情况下循环前缀的样本数，随后在每个频带中计算确定为最大相关的时刻上该相关的角度，以便估计所述频率误差并将所述振荡器校准到公共基准。
计算相关最大值通过检测接收信号中每个频带或频率范围中超过某个功率阈值的相关峰；因为该阈值固定为使产生虚警的概率最低，按如下算法计算相关Pi(d)=Σm=0L-1(ri.d-mr*i,d-m-L)]]>以及通过如下算法来计算功率Rid=12Σm=02L-1|ri,d-m|2]]>其中ri，d是时刻d上与频带i-esima对应的频率所对应的信号，L是半符号中样本的数量，Pi(d)是时刻d上频带i-esima中的相关，以及Ri(d)是时刻d上频带i-esima中的功率。
以迭代方式计算相关和功率，存储样本并且最好存储部分积，以便通过如下公式计算相关和功率Pi(d)＝Pi(d-1)+ri，dr*i，d-L-ri，d-Lr*i，d-2LRi(d)=Ri(d-1)+12|ri,d|2-12|ri,d-2L|2]]>
其中Pi(d)是时刻d上频带i-esima中的相关，Ri(d)是时刻d上频带i-esima中的功率，以及ri，x是时刻x上频带i-esima所对应的信号。
检测到同步序列的时刻取为超过90％的最大相关的所述区域的中点，同时使足够数量的样本延迟以将符号之间的干扰降至最低，样本数量是可调整的。
另一方面，因为上述相关的实数部分支配虚数部分，所以在频率误差小于某个阈值的情况下可以仅采用相关的实数部分，以简化每个频带或频率范围中相关的计算。
为了改善每个频带中OFDM符号起始的估计结果，可以将这些结果以平均值或加权平均值的形式组合，从而使最终估计更可靠，其方差比在不进行频率范围分离的情况下使用完整接收信号获得的方差小。
分离频带因在使用在每个频带中计算的误差值的平均值或加权平均值时减少了方差，而改进了模拟转换中频率误差的计算。
再者，分离频带允许通过对在每个频带中获得的误差值进行线性回归处理来估计抽样频率误差，所述误差值无法使用完整接收信号以常规技术来估计，因为抽样频率中的误差会随频率增加。
最后，由于进行了频带分离，所以可以同时估计模拟频率转换中的误差和抽样频率误差。
另一方面，本发明的方法还可以用于传输共存符号时，这些符号在接收中通过频带分离检测，并在这些频带的每个频带中进行检测，旨在允许系统识别另一个系统是否在该信道中传输了某个序列。
为了便于更好地理解本发明，提供了一些附图，虽然这些附图构成详细说明和权利要求的组成部分，但这些附图是说明性的，不对本发明原理构成限制。
附图简介
图1表示特定情况下接收中信号功率和噪声的示例频谱密度。
2图示利用抽取(decimated)的均匀离散傅立叶变换(DFT)滤波器执行频带或频率范围划分的方法之一。
图3图示一种典型的相关情况以及从接收中获得的样本起与阈值相乘的功率。
图4演示抽样频率中的误差与模拟转换频率中的误差的一致(comportment)。
本发明实施例的说明下面参考附图描述本发明一个实施例的示例。
为了能够工作，所有通信系统或至少通信系统的一部分如同步功能块均要求最小信噪比(SNR)，即线路上接收信号必须具有相对于噪声值的某个值，以便系统可以进行通信。使用频率选择性信道的通信系统中，或者在噪声依赖于频率的系统中或在这两种系统中，无法在系统所用的所有带宽上达到最小SNR，这是因为存在信道衰减或噪声电平，但是可以在全部带宽内的某些频率范围上达到最小SNR。本发明所述的方法利用此情况来计算此类场合中的估计和同步。
图1表示某种情况下接收器入口处信号功率和噪声的示例频谱密度。在本例中，全部频带上的平均SNR是0dB，不足以用于通信，但可以看到，在某些频率范围中，信号功率密度高于噪声，因此，在这些范围中将可以进行通信。因为此类情况下信道的行为特性，传统方法或者无法实现同步，或者可以实现同步但质量非常差。此类型的信道在将电网用作传输介质的系统中非常常见。本发明所述方法采取划分不同频率范围(通过接收中进行滤波来实现)，并分别对这些信号中的每一个进行处理。在大多数情况下，需要实现同步以在每个所述频带中传输特定信号，能够在任何频带中同步可以改善结果。由于此类调制的特点，发送OFDM信号是不够的，由此可以在频带上重组曾经分离的多个载波。为了将信号划分成频带，可以应用以每个频带为中心的带通滤波器。此外，必须将信号解调到基带，并进行抽取，因为如果不这样做，则每个频带中的频率将与原始信号中的频率相同，从而总的复杂程度将按频带数成倍增加。所有这些操作均可以利用均匀抽取DFT(离散傅立叶变换)滤波器组同时高效执行(这是本领域熟知的方法)。在本例中，滤波器组的复杂度与原型带通滤波器相当(它如上所述位于每个频带中)，并且结合DFT使用。此结构可参见图2，其中滤波器Ei(z)对应于原型滤波器的多相分解，其中i＝0，1，…，M-1，M是分解接收信号x(n)的频带数，1是(z-1)的抽样延迟，2是M点的抽取器。在逆傅立叶变换(IDFT)3的出口处执行输入信号到M个频带的分解，其中每个频带具有比所述输入信号的频率小M倍的抽样频率。M也是IDFT中的点数。就此而言，在系统中，独立地处理M个信号中的每一个并对每个所述频带分别执行估计。其复杂度类似于对原始信号执行估计，因为有M个信号，而其中每个信号的主频率已经除以M。此外，如果其中一些频带(子频带)不包含信息，则还可以将其消除，从而进一步降低复杂度。
原型滤波器的规格取决于本发明所述方法的具体应用。此类应用的一些示例包括估计信号参数、检测共存信号或检测同步信号。
另一种应用是实现OFDM系统中的同步。大多数OFDM信号同步方法时域信号来执行同步功能，因此不适用图1所示的情况。
在此类情况下，采用图2所示结构基本上主要是可以改进同步。在信号划分到的每个频带中，可以应用现有技术中所述的任何方法，并且在一个频带中正确同步就足以根据所用调制类型在接收中开始解调过程。
当SNR足够高，使得各频带同步，于是可同时得到符号起始和频率误差的各种估计，因此可以应用诸如对结果进行组合的技术来改善最终估计值。
从而得到这样一种同步方法，其具有频率分集，高度抗窄带噪声、信道选择性和频率相关功率噪声，并且可在包括整个频带上具有少于-10dB的SNR的典型信道中工作。所需的唯一要求是，上述频带或频率范围之一的SNR足以用于检测该频带中所用的同步信号。
例如，为了获得最优结果，该方法可以结合有关“在使用OFDM调制的点到多点传输系统中的多用户下行流同步方法”的西班牙专利申请200.101.121中所述的同步方法来使用。
在此情况下，待发送信号与所述专利中相同，即为两个完全相同的同步符号，因为此特性在于多个频带中分解信号时保持。图2所示结构设在接收器中，然后如上述专利中一样计算功率和相关度量，不同之处在于在本例中，所有和值的极限除以M，其中M是输入信号的抽取值，或者换句话说为频带个数。
由于将频率分成频带，所以可以利用仅一个同步符号来执行各种估计，甚至在仅将一个同步符号用作同步序列时仍可能取得好的同步结果。
在此情况下，同步序列仅由一个分成两个对等部分的同步符号构成。在载波中传输的用于同步符号中的信息可以是固定的序列或伪随机序列。OFDM符号中的奇偶载波设在零点上，以便具有同步符号中所需的对称性。
同步符号的特性(即其对称性)在接收中分离频带时得以保持，这就可以得到多个同步结果，这有助于提高它们的精度。
只要执行频带分离时保持同步符号的特性，则任何其它类型的同步序列(与已发送的符号的数量相关)和检测方法可以采用与先前所述相同的方法。
因此，可以如题为“OFDM信号的定时和频率同步”的美国专利5732113所述在每个间隔中使用如下估计，且仅将一个符号用作同步序列而对这些进行组合而得到方差减小了的估计值
Pi(d)=Σm=0L-1(ri,d-mr*i,d-m-L)]]>Ri(d)=12Σm=02L-1|ri,d-m|2]]>其中ri，d是时刻d上滤波器频带的i-esima分支的输出，L是除以M的半符号中的样本数量，M是信号划分的频带的个数，Pi(d)是时刻d上i-esima分支的相关，Ri(d)是时刻d上i-esima分支中的功率。以类似的方式，可以迭代方式应用这两个公式。
Pi(d)＝Pi(d-1)+ri，dr*i，d-L-ri，d-Lr*i，d-2LRi(d)=Ri(d-1)+12|ri,d|2-12|ri,d-2L|2]]>一旦计算了相关和功率，则如上述专利中所述的方法检测同步，区别在于现在具有容易同步的各个频带。图2显示当计算的功率超过相关阈值时达到同步的典型情况。在各频带同步的情况下，要使用的适当估计量是符号起始的估计值的平均。必须说明，因由于使用抽取器的原因，每个估计量分别具有比全局估计值小M倍的分辨率，但当使用平均值时，最后得到的估计值的方差好于先前所述方法。
以同样方式，可以fi取代频带(子带)中心频率，由窗口中最佳时刻的相关角度计算抽样频率误差。
Δfs/fs=-∠Pi(diopt)2πfiK(N/2)]]>其中∠(.)是角度参数，fi是i-esima频带的中心频率，K是内插级(interpolation order)或抽取级，N是OFDM符号中样本的数量。
根据本发明中系统引入的误差类型，可以估计转换到模拟频带的相关频率误差、抽样频率误差或二者。每个频带中得到的结果根据需要估计的误差类型以一种或另一种方式进行组合。
如果系统仅具有转换到模拟频带的相关频率误差，则可以将不同频带中估计的平均值用作估计值，如图4(误差类型1)所示，因为误差在所有频带中均是相同的。但是，如果需要计算抽样频率误差(误差类型2)，则不能直接使用该方法，因为该误差值并非在所有频带中都是相同的，确切地说，该误差值如图4所示，从座标原点起随频率增加。对每个频带中相关角度进行线性回归运算(通过最小平方或其他已知数学方法)，以估计该直线的斜率并获得更好的估计值，此操作可独立于正被同步的频带来执行。前述西班牙专利中给出的估计在频率选择性信道中减少，因为它在受到较少衰减的信道中测量频率误差。采用本新方法，该估计减少的情况消失了，因为每个频带中的误差是独立测量的，由此改善了误差估计。可将如下公式用于估计该误差m=Σifi*∠PI(Diopt)fi2]]>Δfs/fs=-m2πKI(N/2)]]>其中m是不同频带的估计值的线性回归结果，Δfs/fs是抽样频率误差。
本发明方法的另一个优点是，它提供了同时计算抽样频率误差和转换到模拟频带的误差(误差类型3)的可能性，其方式为对每个频带中测得的误差进行线性回归运算，以计算斜率(抽样频率误差)和与垂直轴的交叉点(模拟转换频率误差)，如图4所示。这些值可以数学方式通过如下公式计算
m=nΣi|fi*∠Pi(diopt)|-Σifi*Σi∠Pi(diopt)nΣifi2-[Σifi]2]]>b=Σi∠Pi(diopt)-mΣifin]]>ΔflQ=-b2π(Ts/2)]]>其中n是用于线性回归的估计量的个数，Ts是带循环前缀的符号的时间，以及ΔflQ是模拟频带中的频率转换误差。与在仅发生抽样频率误差的情况中一样，抽样频率误差是由m得到的。
本发明的方法还可用于共存信令，即检测用于实现各种技术在一个传输介质上共存的协议的信号。在这些协议中，采用所有系统必定能够发送和接收的特殊信号，以实现公平的媒体访问控制，这些信号甚至在SNR非常低的条件下也必须被检测。在传输介质如电网或无线电中，增加了一个问题，即如果这些系统之间的衰减大得足以使一方的信号低于噪声水平到达另一方，从而使其不能被彼此检测到，则这些系统可以同时进行传输。共存信号用于确定两个或两个以上节点(即可属于一个或多个不同通信系统的设备)是否可以同时进行传输，这取决于对通信所用的每个频率，一个节点的信号被另一个节点收到时是否具有高于或低于噪声的功率。
使用目前已知的方法，难以在例如图1所示的情况中执行这种检测，因此，采用本发明所述方法是适宜的。在此情况下，最佳选择是以不同的频率发送各种信号(频率的数量取决于信道中的频率选择性)，这些信号在接收中独立地加以检测。检测到这些频率之一足以确定一个节点正在发送共存信号。为分离不同的信号，在接收中采用图2所示的结构。
如果必须共存的系统之一中采用的调制方式是OFDM，则由于此类调制在这些类型的频率选择性信道中的良好特性，一些载波具有满足要求的SNR，以将这些载波正确解调就已足够。如果在接收信号划分成的范围之一中可以得到正确的值，则即使在SNR是平均值或负值时仍可以进行检测。如果将占据全带宽的共存信号用于实现共存，则可能导致此信号将不被采用OFDM调制的节点检测到，两个节点可能同时占用信道而引起干扰，因为一个节点的信号将不会低于第二节点接收过程中在所有频率上检测到的噪声水平。根据本文所述，本发明方法解决了这一问题。
权利要求
1.一种在采用OFDM调制的传输系统中使多个设备在时域和频域上同步的方法，其可应用于与同一电网相连的不同设备之间经由该电网进行的双向通信，以便在接收中估计OFDM符号的起始以及所述设备中本地振荡器的频率误差，包括生成通过所述电网传输的同步序列和通过用于发送数据的同一信道发送这些同步序列，其中所述信道由一个设备与其余所有设备之间的连接确定，其特征在于它包括-将含有所述数据和同步序列的接收信号分解为不同频带或频率范围；-通过在时间上应用同步算法以在每个频带中基于所述算法估计所述OFDM符号的起始和所述本地振荡器的频率误差，从而在接收中检测每个频率范围或频带中的同步序列；-将每个频带中获得的估计值进行组合。
2.如权利要求1所述的在采用OFDM调制的传输系统中使多个设备在时域和频域上同步的方法，其特征在于将所述接收信号分解为不同频带或频率范围的所述步骤以如下方式执行使用以各所述频带为中心的带通滤波器，对每个所述滤波信号执行频率转换以便在基带中处理每个频带以及选择性地使用抽取器以简化检测所述同步序列所需的电子装置的复杂度。
3.如权利要求1所述的在采用OFDM调制的传输系统中使多个设备在时域和频域上同步的方法，其特征在于分解所述接收信号的所述步骤同时通过具有原型带通滤波器复杂度的均匀抽取DFT滤波器组和离散傅立叶变换(DFT)电路来执行。
4.如权利要求1所述的在采用OFDM调制的传输系统中使多个设备在时域和频域上同步的方法，其特征在于分解所述接收信号的所述步骤通过离散傅立叶变换(DFT)电路来执行。
5.如权利要求1所述的在采用OFDM调制的传输系统中使多个设备在时域和频域上同步的方法，其特征在于检测所述同步序列的所述步骤在每个频带或频率范围中通过如下方式执行采用最大化最大似然准则来估计所述OFDM符号的起始，首先计算每个频带中样本的最大时间相关性，此最大值为所述相关峰平坦区域的中点，其以样本数量计的大小等于没有符号间干扰(ISI)的情况下循环前缀的样本数，然后计算确定为每个频带中的最大相关的时刻上该相关的角度，以便估计所述频率误差并将所述振荡器校准到公共基准。
6.如权利要求5所述的在采用OFDM调制的传输系统中使多个设备在时域和频域上同步的方法，其特征在于通过检测所述接收信号中每个所述频带或频率范围内超过某个功率阈值的相关峰来计算所述相关最大值；以及该阈值固定为使产生虚警的概率最低，所述相关按如下算法计算Pi(d)=Σm=0L-1(ri,d-mr*i,d-m-L)]]>所述功率按如下公式计算Ri(d)=12Σm=02L-1|ri,d-m|2]]>其中rid是时刻d上与频带i-esima对应的频率所对应的信号，L是半符号中的样本数量，Pi(d)是时刻d上频带i-esima中的相关以及Ri(d)是时刻d上频带i-esima中的功率。
7.如权利要求6所述的在采用OFDM调制的传输系统中使多个设备在时域和频域上同步的方法，其特征在于所述相关和功率的计算以迭代方式进行，具体为存储所述样本且最好存储部分积以通过如下公式计算所述相关和功率Pi(d)＝Pi(d-1)+ri，dr*i，d-L-ri，d-Lr*i，d-2LRi(d)=Ri(d-1)+12|ri,d|2-12|ri,d-2L|2]]>其中Pi(d)是时刻d上所述频带i-esima中的相关，Ri(d)是时刻d上频带i-esima中的功率，以及ri，x是时刻x上频带i-esima所对应的信号。
8.如权利要求6所述的在采用OFDM调制的传输系统中使多个设备在时域和频域上同步的方法，其特征在于将检测到所述同步序列的时刻取为超过90％所述最大相关的所述区域的中点，同时使足够数量的样本延迟，以将符号之间的干扰降至最低，所述样本数量是可调整的。
9.如权利要求6所述的在采用OFDM调制的传输系统中使多个设备在时域和频域上同步的方法，其特征在于当频率误差小于先前固定的阈值时，仅采用每个频带中相关的实数部分。
10.如权利要求1所述的在采用OFDM调制的传输系统中使多个设备在时域和频域上同步的方法，其特征在于通过取平均值或加权平均值来得到方差较小的估计值，从而将每个频带中的OFDM符号的起始的估计结果进行组合。
11.如权利要求1所述的在采用OFDM调制的传输系统中使多个设备在时域和频域上同步的方法，其特征在于对模拟频率转换中的误差取平均值，以减少在每个所述频带中计算的误差值的方差。
12.如权利要求1所述的在采用OFDM调制的传输系统中使多个设备在时域和频域上同步的方法，其特征在于通过在应用所述频带分离之后对每个频带中得到的误差值进行线性回归处理来估计抽样频率误差。
13.如权利要求1所述的在采用OFDM调制的传输系统中使多个设备在时域和频域上同步的方法，其特征在于通过进行频带分离，同时估计模拟频率转换中的误差和抽样频率误差。
14.如权利要求1所述的在采用OFDM调制的传输系统中使多个设备在时域和频域上同步的方法，其特征在于接收中通过频带分离检测到的共存符号在这些频带中的每个频带中传输并被检测，从而允许所述系统识别另一个系统是否在所述信道中传输了某个序列。
全文摘要
本发明涉及一种在使用OFDM调制的传输系统中使多个设备实现时域和频域同步的方法。本发明方法可在噪声环境中或频率选择性信道中利用改进的OFDM符号起始估计和频率误差估计来允许多个用户同步。本发明的特征在于将含有数据和同步序列的接收信号x(n)分解为各个频带(M)，并对其中每个频带应用同步算法。
文档编号H04L7/00GK1723648SQ200480001900
公开日2006年1月18日 申请日期2004年1月8日 优先权日2003年1月10日
发明者J·V·布拉斯科克拉雷特, J·C·里韦罗因苏亚, S·伊兰佐莫利内罗 申请人:硅系统设计公司