专利名称：符号边界检测装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种通讯系统的符号边界检测装置及方法，特别是一种藉由临界值的辅助，选取适当边界参考点的符号边界检测装置及方法。
背景技术：
近年来，多载波(multi-carrier或multi-tone)系统已广泛应用于数据传输，如应用于IEEE 802.11a/g无线局域网络(wireless local area network，WLAN)的正交频分多路复用(orthogonal frequency division multiplexing，OFDM)技术。图1是一典型OFDM系统的方框图。此OFDM系统100是于发射机将所要传送的数据通过信号映射(signal mapping)装置101分别置于频域的N个子信道中。接着，利用快速傅立叶逆变换(inverse fast Fourier transform，IFFT)装置102转换成时域信号，再加上保护间隔(guard interval，GI)后，经并行串行转换器(parallel-to-serial converter，P/S)104及数模转换器(digital-to-analog converter，DAC)105，再经由信道106进行传输。接收机则先经模数转换器(analog-to-digital converter，ADC)107取样后，将GI移除，并经过串行并行转换器(serial-to-parallel converter，S/P)110，再送入快速傅立叶转换(fast Fourier transform，FFT)装置11 1转换回频域信号，在各个子信道中分别进行信道补偿(channel compensation)，最后由信号解映射(signal demapping)装置113解调出原传送数据。
我们将一组N点IFFT的输出值称作符号(symbol)。而由于信道脉冲响应(channel impulse response，CIR)通常皆非理想，会造成一符号在经过信道106后，于接收机影响到后续符号的接收，造成符号间干扰(inter-symbolinterference，ISI)。为避免此问题，一般会在符号间额外加入一段保护间隔(GI)。一般而言，GI是以循环前缀(Cyclic Prefix，CP)的方式加入；亦即复制输出符号后段的信号于前段当作GI。如此一来，在信道脉冲响应长度不超过GI的情形下，可以避免ISI的发生，也可使N个子信道彼此独立互不干扰。这部分的信号处理，是由图1中增加保护间隔的电路103与移除保护间隔的电路109来完成。
不过，接收机必须在移除GI前，决定输入FFT装置111的时域取样信号的正确起始位置，即符号的边界，才能有效避免ISI。因此，如何进行适当的符号边界检测(symbol boundary detection)，便成了一个很重要的课题。
在OFDM系统100中，封包或帧(frame)中会先传送一段已知的具时域周期性的短前导信号(short preamble)，供时域的同步处理的用；接着会传送一段已知频域信号的导频符号(pilot symbol)，或称为长前导信号(longpreamble)，供频域的信道估测的用，以便在后续的数据符号(data symbol)中进行频域信道补偿。在长前导时域信号之前，有加上一段保护间隔(以GI2表示)，而每一资料符号之前，亦加上保护间隔(以GI表示)，以避免ISI。图2即显示了一般OFDM信号的帧架构。如图2所示，短前导信号通常是由具某种自相关(auto-correlation)特性的时域周期符号所组成，并在其后分别加上长前导符号及后续的数据符号。
在习知的边界符号检测做法中，接收机一般是利用短前导信号的周期与自相关特性，来决定长前导符号及后续数据符号的适当起始点，用以移除GI，并作为后续FFT输入的起始依据。此做法一般可分为两个部分第一、将所接收帧的取样信号送至滑动延迟相关器(sliding delaycorrelator)，观察其输出结果。此滑动延迟相关器的运算方式如下ck=Σn=0N-1rk-n·rk-n-N*]]>式(1-1)此运算是将一N点的取样区间与其前N点的取样区间做相关运算，此N点的取样区间会在新取样点产生时做滑动的更新。式(1-1)中，rk为所接收帧的第k个取样值，N为短前导信号一个周期内的取样数，ck则为滑动延迟相关器的第k个输出值。根据滑动延迟相关器的运算特性，当所接收的信号为周期信号时，其输出绝对值会达到最大值。据此，滑动延迟相关器的输出绝对值会在短前导信号被接收时产生最大值，而在其它时间呈现相对较小值。因此，可藉由此输出绝对值与一临界值(threshold)的比较，来检测是否接收到短前导信号。当输出绝对值由相对较小值递增至大于此临界值时，表示检测到帧(即开始短前导信号的接收)；其后当输出绝对值递减至小于此临界值时，表示检测到长前导符号的保护间隔(即结束短前导信号的接收)。图3即为此一机制的示意图。
第二、将所接收帧的取样信号送至短前导信号匹配滤波器(matchedfilter)。此匹配滤波器是以已知的短前导信号的符号为是数，与取样信号作复数线性回归运算。其运算方式如下zk=Σn=0N-1rk-n·pn*]]>式(1-2)其中，rk是所接收帧的第k个取样值，pn是已知的短前导信号符号，N是短前导信号一个周期内的取样数，zk则是匹配滤波器的第k个输出结果。由于短前导信号通常具有某种自相关特性，所以匹配滤波器的输出会呈现时域信道脉冲响应的估测结果。此外，因为短前导信号本身的周期性，若以N点为长度的窗口来观察匹配滤波器的输出结果，信道脉冲响应的估测值同样也会在窗口内以周期性的方式呈现。图4即是此一机制的示意图。
目前在习知的做法中，有两项缺点。第一，在决定符号边界参考点时，是先检测观察窗口内的最大峰值(peak value)，再根据此最大峰值往前定出一段初期范围(Early Range)，以涵盖信道脉冲响应的前光标(Pre-Cursor)响应。此处初期范围会与观察窗口的边界有关。假设最大峰值往前x个取样点为初期范围起始点，而最大峰值与所在窗口的起始边界相距y个取样点。若x＜＝y，则初期范围起始点即是所在窗口起始边界往后y-x处，自所述起始点到最大峰值，即为初期范围，如图5(a)所示；若x＞y，则初期范围起始点即是所在窗口结束边界往前x-y处，此时，初期范围包括从起始点直到窗口的结束边界，再从窗口的起始边界到最大峰值，如图5(b)所示。在此初期范围内，接收机再选取离最大峰值固定数个取样点的位置，作为符号边界参考点。此种固定的做法缺乏弹性，而且在前光标响应较长或是具有多个相对较高峰值时，会造成参考点的误判，影响接收机的效能。
第二，在延迟扩散(Delay Spread)较大的信道环境下，常因延迟而错估长前导符号保护间隔的出现，进而误判长前导符号及后续数据符号进入FFT装置111的时机。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种符号边界检测装置及其方法。此检测装置利用一临界值来辅助判断，以便在初期范围内选取适当的符号边界参考点。此临界值可因应不同系统弹性设定。此检测装置包含一匹配滤波器、一边界检测器、一检测单元，以及一时序控制器，用以决定封包的符号起始点。
此外，若封包包含导频符号及其保护间隔，则此检测装置利用一导频符号保护间隔匹配滤波器，于接收前导信号与导频符号的保护间隔时，分别产生不同的输出，藉以判断是否接收到导频符号的保护间隔。
为了便于进一步了解本发明，下面结合附图以具体实例对本发明进行详细说明。
图1是一典型正交频分多路复用(OFDM)系统的方框图；图2是一般OFDM信号的帧架构的示意图；图3是习用技术中利用滑动延迟相关器检测帧与导频符号保护间隔的示意图；图4是习用技术中利用短前导信号匹配滤波器观察信道脉冲响应估测值的示意图；图5是在观察窗口内决定初期范围起始点的示意图；图6是本发明的符号边界检测装置的方框图；图7是本发明于初期范围内选取符号边界参考点的示意图；图8是图6检测单元的一具体实施例的方框图；图9是图6检测单元的另一具体实施例的方框图；图10是图6检测单元的又一具体实施例的方框图；图11是本发明的符号边界检测方法的动作流程图。
附图标记说明100-OFDM系统；101-信号映射装置；102-IFFT装置；103-增加保护间隔的电路；104-并行串行转换器；105-数模转换器；106-信道；107-模数转换器；109-移除保护间隔的电路；110-串行并行转换器；111-FFT装置；112-信道补偿装置；113-信号解映射装置；60-符号边界检测装置；61-短前导信号匹配滤波器；62-边界检测器；63-检测单元；64-时序控制器；81-滑动延迟相关器；82-比较器；83-功率检测器；91-GI2匹配滤波器；92-第二比较器；1101~1106-本发明的符号边界检测方法的动作流程。
具体实施例方式
下面以图1的OFDM系统100为例，详述本发明的实施方式。如前述图2所示，OFDM系统100所传收的帧依序具有周期性的短前导信号、长前导信号(包含导频符号与其保护间隔GI2)以及数据符号与其保护间隔GI。此处亦假定短前导信号的一周期内的取样数为N。图6是为本发明配合此种帧架构所提的符号边界检测装置60的方框图。如图6所示，检测装置60包含一短前导信号匹配滤波器61，其接收帧的取样信号rk，执行如式(1-2)的运算。当接收到短前导信号的部分时，匹配滤波器61会输出OFDM系统100的信道脉冲响应的估测值。
检测装置60亦包含一边界检测器62，耦接至短前导信号匹配滤波器61，以选取匹配滤波器61输出的最大峰值，接着依据此最大峰值决定一第一临界值，并依据最大峰值的位置决定初期范围，此处最大峰值的位置是作为初期范围终点。最后，选取该初期范围中，其值大于第一临界值且最靠近该初期范围的起始点的取样信号的位置，作为符号边界参考点。其中，在选取最大峰值的部分，边界检测器62是以长度为N点的窗口观察匹配滤波器61的输出值，并计算多个不同窗口内的对应点的平均值。例如以一长度为16的窗口为例，该窗口会依序观察短前导信号中每16个连续的取样信号的值。再依据该些取样信号值求出最大峰值。例如该窗口先观察短前导信号中，第一个取样观察组，即第1~16个取样信号的值，再选择其中最大者为最大峰值。之后，再观察第二取样观察组，即第17~32个取样信号的值，接着，再计算相邻两取样观察组中，相对应的两取样信号，例如第1个取样信号与第17个取样信号、第2个取样信号与第18个取样信号…、至第16个取样信号与第32个取样信号的取样平均值。求得所有的取样平均值之后，选择其中最大者即为最大峰值。其中，该平均值可以为算数平均、几何平均或指数平均……等等各种形式的数学平均数。
依据该最大峰值在该窗口中所对应的位置，以及事先预设的该初期范围的长度，则可用来决定初期范围起始点。例如假设第10与第26个取样信号的平均值为最大峰值，则表示该窗口的第10个取样点的信号具有最大峰值。假设该初期范围的长度为8，则该窗口的第2个取样点则为初期范围起始点，且初期范围为该窗口的第2个取样点到第10个取样点，此即为图7(a)所示的初期范围未超过窗口边界的情况。另一个状况为，假设第2与第18个取样信号的平均值为最大峰值，则表示该窗口的第2个取样点的信号具有最大峰值。假设该初期范围的长度为8，则该窗口的倒数第6(8-2)个取样点，即第11个取样点位置即为初期范围的起始点，且初期范围为该窗口第11取样点到第16个取样点，以及第1个取样点到第2个取样点，此即为图7(b)所示的初期范围超过窗口边界的情况。
此外，求得最大峰值之后，边界检测器62会先因应个别系统的特性，将最大峰值予以适当的权重，来作为第一临界值。权重过大，第一临界值就偏高，容易使之后所选取符号边界点较后，而导致实际处理的符号受到下一个符号的干扰，造成ISI；权重过小，第一临界值则偏低，易使所选取的符号边界点较前，在延迟扩散较大的信道中，导致实际符号边界点受到前一个符号的干扰，可能形成严重的ISI。最大峰值的权重的决定方式是藉由实际仿真该通讯系统的信道特性来决定。第一临界值决定之后，边界检测器62则选取该初期范围中，其值大于第一临界值且最靠近该初期范围的起始点的取样信号的位置，作为符号边界参考点。边界检测器62所实施的符号边界参考点的选取机制，可由图7(a)及(b)的示意图来表示。
检测装置60亦包含一检测单元63，用于检测接收机对导频符号的保护间隔(即GI2)的接收。图8是图6检测单元63的一具体实施例的方框图。在图8的实施例中，检测单元63包含一滑动延迟相关器81，将所接收帧的取样信号rk中一N点的取样区间，与其延迟N点后的另一取样区间进行如式(1-1)的相关运算。检测单元63还包含一比较器82，耦接至滑动延迟相关器81与时序控制器64，用以比较滑动延迟相关器81的输出值与一第二临界值，当输出值小于第二临界值，即判断接收机已接收到GI2。检测单元63还包含一功率检测器83，依据所接收帧的取样信号rk计算一参考功率，以作为第二临界值，如此可动态地调整第二临界值，避免因取样信号rk本身的不稳定(如噪声干扰)，而造成比较器82的误判。
图9是图6检测单元63的另一具体实施例的方框图。在图9的实施例中，检测单元63包含一GI2匹配滤波器91，其接收帧的取样信号rk。由于GI2与短前导信号并无特别的互相关特性(cross-correlation)，而GI2本身也有某种程度的自相关特性，所以GI2匹配滤波器91会在短前导信号接收期间产生噪声程度的输出，而在GI2接收时产生OFDM系统100的信道脉冲响应的估测值。检测单元63还包含一第二比较器92，耦接至边界检测器62、GI2匹配滤波器91及时序控制器64，依据边界检测器62所提供的最大峰值决定一第三临界值，并比较GI2匹配滤波器91的输出值与第三临界值，当输出值大于第三临界值，即判断接收机已接收到GI2。在又一具体实施例中，可将图8与图9的检测单元63的实施例，利用一或门(OR gate)合并使用，如图10所示。
检测装置60亦包含一时序控制器64，耦接至边界检测器62与检测单元63，依据边界检测器62所选取的符号边界参考点与检测单元63的检测结果，来决定长前导符号与后续数据符号的起始点。在图8至图10的实施例中，当检测单元63于某观察窗口中判断接收机已接收到GI2时，时序控制器64即可依GI2的长度(通常为N的整数倍)，以后续某个窗口内的符号边界参考点，作为长前导符号的起始点，而资料符号的起始点，亦可藉此推算出来。决定符号的起始点后，即可控制移除保护间隔的电路109，以移除长前导符号与后续数据符号的保护间隔，再输入FFT装置111。
接着，将叙述如何利用前述的符号边界检测装置60，来实施本发明的符号边界检测方法。图11是本发明的符号边界检测方法的动作流程图。如图11所示，此检测方法包含下列步骤1101 利用短前导信号匹配滤波器61接收短前导信号，以估测OFDM系统100的信道脉冲响应；1102 边界检测器62以长度为N点的窗口观察匹配滤波器61的输出值；1103 边界检测器62计算多个不同窗口内的对应点的平均值，并选取其中的最大峰值；1104 边界检测器62依据此最大峰值决定一临界值，并依据该最大峰值的相对位置决定一初始范围，选取该窗口中大于此临界值且最靠近初期范围起始点的取样点，作为符号边界参考点；1105 检测单元63检测接收机是否接收到GI2；以及1106 时序控制器64依据符号边界参考点与步骤1105的检测结果，决定长前导符号的起始点。
在一具体实施例中，步骤1105包含(a1)依据利用所接收帧的取样信号中一N点的取样区间，与前N点的另一取样区间进行如式(1-1)相关运算；(a2)依据所接收帧的取样信号计算参考功率，作为第二临界值；以及(a3)比较此相关运算的结果与第二临界值，以判断接收机是否接收到GI2。
在另一具体实施例中，步骤1105则包含(a1)利用一GI2匹配滤波器接收GI2的取样信号，而输出OFDM系统100的信道脉冲响应的估测值；(a2)依据步骤1103选取的最大峰值决定一第三临界值；以及(a3)比较GI2匹配滤波器的输出值与第三临界值，以判断接收机是否接收到GI2。
以上利用较佳实施例详细说明了本发明，而非限制本发明的范围。本领域熟练技术人员将会明了，适当而作些微之改变及调整，仍将不失本发明的要义所在，亦不脱离本发明的精神和范围。
权利要求
1.一种符号边界检测装置，用于一通讯系统的一接收机中，所述接收机接收一封包，所述封包包括复数个字段，这些字段至少包括一第一前导信号及一符号，所述检测装置包含一匹配滤波器，接收第一前导信号，以输出一估测信号，其中，所述估测信号对应于通讯系统的一信道脉冲响应；一边界检测器，耦接至匹配滤波器，依据估测信号，求出一临界值与一初期范围，并根据临界值与初期范围决定一符号边界参考点；一检测单元，用于检测相对应的字段，输出一检测信号；以及一时序控制器，耦接至边界检测器与检测单元，依据符号边界参考点与检测信号，决定符号的一起始点。
2.如权利要求1所述的检测装置，其中这些等字段还包括一第二前导信号，介于第一前导信号及符号之间，检测单元用于检测第二前导信号，输出检测信号。
3.如权利要求1所述的检测装置，其中边界检测器首先决定估测信号的一最大峰值，再依据最大峰值决定临界值及初期范围，再依据临界值及初期范围决定符号边界参考点。
4.如权利要求3所述的检测装置，其中这些取样信号分为复数个取样信号组，每个取样信号组皆包括连续N个取样信号，其中，这些取样信号组包括相邻的一第一取样信号组及一第二取样信号组，第一取样信号组还包括一第一取样信号，第二取样信号组还包括一第二取样信号，第一取样信号在第一取样信号组的位置对应于第二信号在第二取样信号组的位置，复数个取样平均值分别与第一取样信号与第二取样信号相对应，且最大峰值为这些取样平均数的最大值。
5.如权利要求4所述的检测装置，其中，符号边界参考点是对应于取样信号的大于临界值且最接近初期范围起始点的取样点。
6.如权利要求2所述的检测装置，其中检测单元包含一滑动延迟相关器，依据第二前导信号进行一相关运算，输出一相关信号；以及一比较器，耦接至滑动延迟相关器与时序控制器，比较相关信号与一第二临界值，并输出检测信号。
7.如权利要求2所述的检测装置，其中检测单元包含一第二匹配滤波器，依据第二前导信号输出一第二估测信号，第二估测信号对应于通讯系统的信道脉冲响应；以及一第二比较器，耦接至边界检测器、第二匹配滤波器及时序控制器，并依据第一估测信号与第二估测信号，决定检测信号。
8.一种符号边界检测方法，用于一通讯系统的一接收机中，接收机接收的一封包，所述封包包括复数个字段，所述字段至少包括一第一前导信号及一符号，所述检测方法包含依据第一前导信号，输出一第一估测信号，其中，第一估测信号对应于通讯系统的一信道脉冲响应；依据第一估测信号，决定一临界值与一初期范围；依据临界值与初期范围，决定一符号边界参考点；依据相对应的字段，输出一检测信号；以及依据符号边界参考点与检测信号，决定符号的一起始点。
9.如权利要求第8项所述的检测方法，其中，第一估测信号包括复数个取样点，这些取样点分别对应复数个取样信号，其中，依据第一估测信号，决定临界值与初期范围的步骤包括将这些取样信号分为复数个取样信号组，其中，每个取样信号组皆包括连续N个取样信号，这些取样信号组包括相邻的一第一取样信号组及一第二取样信号组，第一取样信号组还包括一第一取样信号，第二取样信号组还包括一第二取样信号，第一取样信号在第一取样信号组的位置与第二信号在第二取样信号组的位置相对应；依据这些取样信号组决定复数个取样平均值，其中，这些取像平均值分别与第一取样信号与第二取样信号相对应；选择这些取样平均数的最大值作为最大峰值；以及依据最大峰值，决定临界值与初期范围。
10.如权利要求8所述的检测方法，其中输出检测信号步骤包括进行一相关运算；以及比较相关运算的结果与一第二临界值，以输出检测信号。
11.如权利要求8所述的检测方法，其中这些字段还包括一介于第一前导信号及符号之间第二前导信号，输出检测信号步骤包含依据第二前导信号输出一第二估测信号，第二估测信号对应于通讯系统的信道脉冲响应；以及依据第一估测信号与第二估测信号，决定检测信号。
全文摘要
本发明公开了一种符号边界检测装置及方法，用于通讯系统的接收机中，其是利用一临界值来辅助判断，以便在初期范围内选取适当的符号边界参考点。此临界值可因应系统不同特征做弹性设定。此外，更利用一导频符号保护间隔匹配滤波器，用以判断是否接收到导频符号的保护间隔。
文档编号H04B17/00GK1571311SQ03150129
公开日2005年1月26日 申请日期2003年7月18日 优先权日2003年7月18日
发明者柳德政, 刘泰诚, 汤松年, 颜光裕 申请人:瑞昱半导体股份有限公司