专利名称：Ofdm数据传输的初始化和用于ofdm数据传输的调制解调器的制作方法
技术领域：
本发明涉及正交频分OT(OFDM)数据传输的领域。其涉及用于优化效率的 OFDM数据传输的初始化，且特别适用于以高压或中压在电力线通信fil^各上的 电力线通信(Power Line Communication， PLC)。
背景技术：
对于数字数据传输，基于正交频分ra(OFDM)的多信道数据传输(也被称 为离散多频^tpiscreteMultitone， DMI)调制)是一禾中熟知的灵活的调制方案。 OFDM传播待通过大量的子载波或子信道传送的数据，该大量的子载波或子信 道被包含在传输频带内且通过良好定义的频率间隔或者载波分离(carrier separation)而彼此分离。后者确保了子载波的正交性(orthogonality),并且防 止子载波之间的串音或载波间干扰，即，即使没有外在的(explicit)滤波且它 们的频谱重叠，用于一个子载波的解调不会受其他子载波调制的影响。每铺 波上的单个OFDM调制符号代表多个比特，这取决于QAM字母表(也就是在 正交幅度平面中星座点(constellation point)或者数据的布置)的选择。例如， 对于正交相移键掛QPSK)而言的2比掛符号，或者对于16-QAM(正交幅度调 制)而言的4比特銜号，是通常被使用的。同时调制和解调数千载波的复敏程 等同于离散傅立叶变换操作，对其存在有效的快速傅立叶变换(FFT)算法。
适当的调制解调器体系结构包括编码器(用以复用(multiplex),同步和编 码待传递的数据)和调制器(用以形成离散多频音信号)。对于多个子信道中的 每一个，编码器把输入比特流转换为同相及正交的分量，也就是说，编码器输 出与可用于系统的子信道的数目相等的多个子符号序列。接收器的线路监听器 在使用期间通过确定每个子信道上的噪声水平、增益和相移来重复地检查子信 道的线路质量。误码率(bit error mte)和信噪比然后被用来动态地确定该子信 道可支持的比特传输速率。
OFDM特别适合于电力线通信(PLC)。高压或中压的电力线信道是受干矛尤信号影响的，因为用于电力传输的电缆类型是非屏蔽的，因而易受侵入电磁的影 响。由此产生的电力线信道上的典型噪声环境包括所谓的窄带干扰信号，也就 是，具有小带宽的信号。另外，具有大量分支和阻抗失配的电力线网络的賤
结构(heterogeneous structure),造成大量的反執回声)以及传送器和接收器之间 的多路径传播。在多路径传播面前，在传送器和接收器之间的电力线^l^各的复 传递函数h(i)是多个路径上的和。另外，电力电缆显示信号衰减随着长度和频率 选择性衰落而增加。
符号间干扰(ISI)由一个符号或波形与其他符号在时间上的交互戶，成。多路 径导致的ISI能够M提供保护区间(guard interval)而被减少。每个调制符号 在总的符号周期(symbol period) ToFDM内被传送，该总的符号周期ToFDM比活 动的(active)符号周期T(^TO要长被称为保护区间TcD的周期。这意g如 果信号中存在的任何回声具有不超过保护区间的延迟，贝赎收器将不经历符号 间干扰。自然地，保护区间的增加使数据容量降低了取决于其长度的量，这阻 止其应用于单载波系统。
在专利DE4402512C1中，公开了一种縮短信道脉冲响应(IR)的方法。为了
縮短通信信道的总体信号IR (该通信信道包含发送滤波器、在传送器和接收器 之间的物理电力线链路、输入或者接收滤波器)，在握手过程(handshaking procedure)期间在信道估计后，接收滤波器传递函数被综合(synthesize)。
发明内容
因此本发明的目的是优化正交频分复用(OFDM)数据传输的效率，尤其就 于电力线通信而言。这个目标是通过如权利要求1和9所述的初始化OFDM数 据传输的方法以及OFDM调制解调器来达到。根据从属专利权禾腰求，{爐实 施例是明显的，其中权利要求从属关系(dependency)不应该解释为排斥更有 意义的权利要求组合。
根据本发明，在初始化或者准备OFDM数据传输的时候，在每次启动时从 调制解调器的暂存区(scratch)选择OFDM符号中的保护区间或者循环前缀的 长度或者持续时间J斜户区间的长度是由样本数目L以时间离散的表祸合出的， 且为后继的数据传输所保留的L值是从多个预定的可能性中选出的。该选择是 基于调制解调器户，接到的物理线路的信道质ii平估的。因此，所选择的L值基于实际传输情况并且如在调制解调器制造商适当地预设该参数的情况下一
样，所选择的L值有必要是大的(the selected value of L depends on actual transmission conditions and is not unnecessarily l叫e as in the case of a modem manufacturer conservatively pre-setting this parameter )。
,地，由样本数目N以时间离散的表示所给出的正交性区间(orthogonality interval)长度是基于为L所保留的值并且根据涉及效率和延迟的另外的标准或 要求而被选择的。可替代地，正交性区间的样本数目N是预先选择的并且顿 L值的后继选择中被考虑。无论如何，由系统参数L和N的更灵活处理所提供 的优化潜能(optimizationpotential)被用来满足物理线路上的变化的情况。
在本发明优选的变型中，保护区间的长度被选择为尽可能的短，但又高于 包括物理链路的通信信道的信道脉冲响应(IR)的适当定义的长度。通过在第二调 制解调器或接收器(其滤波器被认为是所述通信信道的一部分)处特意综合的 或者准备的输入或接收 虑波器，IR的长度被有利地最小化。
在这些变型的改进中，选择与最小的暂定(tentative)或目标保护区间相对 应的L的第一值，且基于此准备输入搶波器。包括所述滤波器的通信信道的相 应IR的长度被计算并且与暂定保护区间的长度进行比较。如果满足特定的标 准，L的第一值被选择作为为通信保留的定值(definite value),否则，以保护 区间的增加的暂定或者目标长度来重复该过程直到该长度与相应IR的长度相 一致。
参考优选示范性实施例在以下文本中更详细地阐述本发明的主题，该实施 例在附图中进行图解，其中
图1示意性地示出了 OFDM调制解调器的部件，
图2示出了具有传送效奮波器、物理链路及接收滤波器的传输信道，
图3是确定保护区间的最佳长度的流程图，以及
图4描述了縮短的脉冲响应，以及所估计的和内插的(interpolated)链路
传递函数。
附图中使用的标号，以及它们的含义，都列于标号清单的概要表中。原则 上，附图中同样的部分提j共有相同的标号。
具体实施例方式
图1示出了正交频分OT(OFDM)调制方法的数字式的实施。在OFDM基 本调制器(base modulator) 10中，QAM向量器(vectoriser) 11根据来自数字 输入信号D的并行数字输入比特产生频率系数的向量。根据例如2MQAM(正交 幅度调制)的映射方案(mapping scheme),或者作为其特殊案例， 2MDPSK(Differential Phase Shift Keying,微分相移键控)调制，该频率系数通常是 复2M-ary符号Dk (complex 2M-ary symbols Dk)。根据频率系数的向量，快速 傅立叶逆变换(IFFT)12产生离散多频音信号的同相分量I和直角正交分量 (orthogonal quadrature component) Q。在框13中，如下所详述的，通过复制离 散多频音信号的一部分，每个0M分量被填充(pad)有循环前纟叕或者保护区间， 以采样率1/:产生了两个实{，列，艮口，经调制数字信号的同相分量o,(")和 正交分量。e(")。
为了为频率偏移准备OFDM信号，在上釆样器(upsampler) 14中以因子m,。 对分量进行上采样(components are upsampled by a factor附,0)， 其中 p(2/。+5。)r。，其中&为OFDM传输频带的带宽，而^为其中心或频率 偏置。在下一个调制步骤中，在OFDM调制器频率偏移器15中，O,和Oe的频
谱的中心频率最后被移动至扭/。。产生的信号被求和以建立数字信-号，该数字信 号随后在发送纟虑波器16中被滤波、在D/A转换器17中被转换为用于放大和传 输的模拟信号Y。
在OFDM传输系统中，每次对数据的M个比特的块执行调制，根据上i 详细的编码方案，产生被分配给N个正交频率的N个复数Ck。快速逆或者离散 傅立叶变换(IFT)把N个复数Ck转!奂成时间离散的正交性符号或者长度 ToRTH = ts的区间，以及包括N个M样值(complex sampling value),使得 T0RTH = ts = NT,其中T为传送器定时或者采样周期。对于长度TGu細=tg = LT (即包括L个M^样值)的保护区间而言，信号被加到(作为其扩展)每个正交 性符号前，以形成长度为T0FDM的OFDM或者传输符号。简而言之，每个OFDM 符号包括长度为To,的正交性区间和长度为Tguard的保炉区同，且具有长度 T0FDM = TORTI1+TGUARD = (N+L)/fs，其中采样频率fs=lAT等于信道的传输频带 的尼奎斯特(Nyquist)频率。
对于通信信道的可用频带的最佳使用而言，采样率或者频率fs=lAT (以此产
生传送信号的样本)应当选择接近于信道带宽(例如4kHZ或者32kHZ)，其通常
不是设计参数而由该应用所给出。邻近载波或者传输频率之间的区间或者分离
(separation)被表示为Af，且在下面，假设等于符号率，即1/NT。因此，实
际上，如下详细描述的N的选择也能确定Af。图2描述如在本发明上下文中所定义的通信信道2。信道2被理解为包括在
发送器准送器调制解调器1的调制及循环前缀(cyclic prefix)与接收器调制解 调器3的正交性区间的提取及解调之间的所有元件。更具体而言，除了在传送 器和接收器之间的物理电力线链路21之外，发送搶波器16和输入 虑波器32(也 被称为接收熗波器)作为針定义的通信信道2的一部分。
依照本发明，保护区间的手动或者自动选择，即所包括的样本数目L或相 应长度TojARD^t^LT的规范，以下的要求必须被遵守
A) 为了避免在连续OFDM符号间的符号间干扰(ISI)， f呆护区间的长度 Tojard必须被选择为至少等于上述定义的通信信道2的信道脉冲响应(IR)函数
的适当定义的长度TcHANNEL，其中对于針所述的定义，信道IR函数的能量的 主要份额被包含在长度TcHANNEL的区间中。
B) 传输的效率代表与整数N和L的选择相关的另外的要求。当接收器
放弃保护区间且提取出用于解调的正交性区间时，效率随着保护区间长度的减
少而增加，且能够方便地由L/N比值所定义。
C) 传输的延迟代表影响数字N和L的选择的第三要求。该延迟是由于 块方式(block-wise)的传输和信号与数据的处理，并与OFDM符号长度成比 例，且在经验上Tr^ay-5TOTDM。例如，对于信道带宽为4kHZ且N44，延 迟接近于100ms。通常，由于基石出实时应用的限制，这个延迟不会超过特定上
限。因此，如果例如给出f尉户区间的长度，最大允许延迟给TOKTH施加了上限。
到目前为止，OFDM调制解调器已知为具有正交性区间和《呆护区间的固定 的、预定的、或者最佳手动可选择的长度，具有N^28或64且L二8的示泡性 出厂设置。在本发明的有利实施例中，因为效率原因将L/N^ 1/8作为唯一的 限制，可以选择下列的L和N的组合
NL64812881625681632
5128163264
作为上述要求A)的结果，保护区间的最小长度的得出紧密联系到信道脉冲 响应(DO的长度TcHA廳l。根据信道2的上述定义，后者包括滤波器16、 32 的脉冲响应与物理电力线链路21的复链路传递函数(complex link transfer
8fbnction)K的巻积。上述的并通过弓间为所有目的结合于此的专利DE4402512， 公开了有禾啲过禾MMI短信道IR。根据这个过程，接收器的输A^者接收滤波 器32被综合，使衞专输信道具有这样的IR，该IR把其能量的主要份额集中在小的临时范围(即出于本发明的目的，其被指定为縮短的IR的长度TcHANNEL)内。信道IR的成功縮短允许随后^M呆护区间的长度而不需要违反上述的要求A)，即Tckiar!^TchANNEL。最后，正交性符号的长度N能够依据J^的表格和要求B)和C)而被选择。图3描述了适配傲户区间长度的过程的流程图。该过程的结果取决于通信 信道2的物理链路21的特性，且尤其取决于诸如物理链路21的链路传递函数 K的信道质量。相应地，在预备步骤40中，接收器3接收由发送器1发出的信 号作为预定义的线性频率调制(LFM)扫描信号或序列，或者可替代地，作为覆 盖所有信道频率的伪噪声信号，且能根据其准确估计出传递函数K。因为传递 函数K可以十分长，扫描信号的初始估计Ma大量样本K^k)而获得的，其中 这个数目是与调制解调器3的Nmax二512且Lmax二64的最大符号长度相关的， 且接下来被假设为等于2*NMAX。下面，与暂定保护区间的第一n标长度相对 应的起始值L,被定义。这个第一目标长度可以为由调制解调器提供的L的最小 值，例如Lf8或甚至L产7，或者为依据正交性区间的预先选择长度的最小值。在步骤41中，上述的信道脉冲响应(IR)縮短过程被执行。当输入或者接收 滤波器32通过用于面向块的处理的公知"重叠保留(overlap-save)"方法而被实 现时，对于最小处理时间而言输入滤波器32的长度将被限制为N-L+l 。相应地， 输入滤波器32，即输入或者接收滄波器传递函数，不會諠接根据链路传递函数 K通过样本的不变数目(2*NMAX)而被计算。因此，综合或者准备输入滤波器 32以L,个样本的选择作为开始，这是通过抽取且可选地对频域内的链路传递函 数的样本K^(k)进行加权而进行的。傅立叶逆变换、零填充、和正向傅立叶变换 (Forward Fourier Transformation)再次产生内插的链路传递函数的2*NMAx样本 K,(k)。从后者，获得综合的输入滤波器传递函数的2*NMAX样本。利用链路传 递函数K和傅立叶逆变换的巻积最后产生縮短信道IR的2*NMAX样本R,(n)。在歩骤42，以及下面更一歩详述的，确定定量测量(quantitativemeasure) F,，其定量地指示縮短脉冲响应的能量在保护区间的目标长度L,的范围内被包 含到何种程度。在步骤43，决定测量F,是否可以接受。换句话说，包含在长度TojARD的一段内的信道脉冲响应的會糧的部分(fiction)被用作为接受的测量。 如果后者被认为是充分的，那起始值L,作为保护区间的长度L的最佳值I^而 被保留。否则，目标长度增加到下一个更高的值L2，例如，L2=2*L,。然后重 复步骤41到43。如果测量F2仍然不可被接受，上述过程以目标长度的进一步 增加的值Li进行重复，即Lf32， L4=64。图4示出了在步骤41中IR縮短的示范性结果，基于此在步骤42中测量Fi 被确定。在图4的左侧描述了通信信道的第i个縮短的IR的时il!^示的2N个 样本Ri(n)。宽度区间Li表示目标长度。通过Fisher统计(Fisher Statistics),在 宽度W等于Li的滑动窗口内的样本能量被计算并与2N个样本的总能魏行比巧,)=『"^w二i在歩骤43中，为宽度W的所有窗口所获得的测量Fi(W)的最大值与阈f直进 行比较。可选择地，在图4的右侦U，链路传递函数K(k)和第i个内插的链路传递函 数Ki(k)的频域表示被描述为前者的近似(approximation)。二者之间的归一化差， 被计算为其定义了随后综合的滤波器传递函数和縮短的信道IR的准确性的另一测 量。实际上，上述差越小，通过内插的传递函数Ki所估计的"真实'链路传递函 数Ko的近似会越好，且包含有基于内插的传递函数Ki所综合的输入滤波器的通 信信道的IR会越短。同样，在步骤43中，把获得的测量F,与阈值进行比较， 其中后者实际上能够以半启发式(semi-heuristic)的方法确定，且带有比以上提 供的阈值更少的含糊性(ambiguity)。作为上述过程的结果，保护区间的长度被确保超出了縮短的脉冲响应的合适定义的长度，即TGu扁-LseZf^TcHA,el。正交性区间的长度N最后通过考虑剩余的要求B)和C)而被确定。対于N:Nmax-512而言达到最大化的效率。 然而，如^X寸于这个组合(NMAx+L』最大延迟不被考虑，N的其次较小值柳, 选择，即只要仍考虑效率要求则(N,-Nmax)，也就是Nj、 L^的组合 出现在上述表格中。可选择地，保证了保护区间长度超过縮短的脉冲响应长度的上述过程，可 以在操作者基于，延迟和/或效率标准而预先选择N之后被执行。考虑到剩余 的要求B)和C)， L的最低^彭人i^的表格中选择，且输入作为IR縮短过程中 的L,。如m)(寸于这个L值IR縮短过程是成功的，贝,止该过程，否则另一个、 更大的L被尝试。如上详述的保护区间的自动选择通常作为调制解调器启动时执行的初始化 过程的一部分而被执行，该调制解调器连接到电力线，且例如在主网络中的开 关被操作后被启动。据称，通过由连接到电力线链路21的第一端的第一调制解 调器1， 3所广播的编码导频信号而发信号通知该过程的开始。连接到链路21 的第二端的第二调制解调器3、 1确认LFM信号的接收和发出。在信道传递函 数的估计后，在第-H周制解调器l， 3处，重复地执行IR縮短，且暂时地确定 N和L的第一优化值。这个结果然后通过稳健且冗余的QAM4调制传送给第二 调制解调器3、 1。通过与在第二调制解调器处确定的N和L的第二临时优化值 相比较，确定最后的组合Hd， L^。如果对于N和L而言第-和第二临时值发 散，则为L选择教高的值，而N被选择为通过调制解调器针对L提出更高的值 所提出的。另外，在调制解调器启动后的第二阶段，且通常在保护区间的任,动选 择后，5ti正所保留的L值。最后，信道传递函数在数据传输期间重复地被估计。 如果当前选择的值I^被发现为不足的或者次优的(sub-optimal)时，依照前段 的过程被启动。在电力线通信中，只要在主网络里没有切换动作或错误，信道 质量期望为慢慢地变化，即在小时的时标上，主要由于气候割化湿度， )。 相应地，通过输入滤波器的持续适配这样的变化能够t皮容易地计算在内。标号列表I OFDM调制解调器10 OFDM调制器II QAM向量器12快速傅立叶逆变换 13循环前缀 14上采样器15频率偏移器16 m 麽波器17D/A转换器2通信信道21物理链路/线3 OFDM调制解调器31 A/D转换器32输A/接收微器
权利要求
1、一种初始化正交频分复用(OFDM)数据传输的方法，其中包括具有N个样本的正交性区间和具有L个样本的保护区间的OFDM符号通过物理链路(21)被传送，其特征在于该方法包括-估计物理链路(21)的信道质量K0，以及-基于估计的信道质量K0选择保护区间的样本数目Lsel。
2、 如权利要求1所述的方法，其特征在于该方 去包括 -在保护区间的样本数目的选择之后，基于数目Lm选择具有个样本的正交性区间，或者-在确定信道质量之前，预先选择具有Nse,个样本的正交性区间，并基于为正交性区间所选择的样本数目N^5ra择保护区间的样本数目
3、 如权禾腰求l戶腿的方法，其特征在于该方 跑括 -基于作为所述信道质量的物理链斷21)的估计链路传递函数Ko，在连接到物理链l^(21)的调制解调^(3)处综合输入纟虑波戮32)，-基于包括物理链斷21)和所综合的输入滤波執32)的通信信道(2)的脉冲响应(IR)-tt择保护区间的样本数目U,。
4、 如权利要求3爿腿的方法，其特征在于该方法包括 -计算IR的长度TcHANNEU以及-选择与超过IR的长度TCHANNEL的f對户区间长度T(;腿d相対'应的、具有个样本的^J户区间。
5、 如权利要求3所述的方法，其特征在于该方汰二包括a) 选择保护区间的暂定样本数目Lpb) 根据估计的链路传递函数Ko选择L,个样本，c) 基于所选择的L个样本综合输入纟虑波教32)，d) 计算通信信道(2)的縮短脉冲响应(IR)，e) 计算縮短的IR的测量Fpf) 如果测量F,低于阈值，选择L^L,，g) 否则，选择另外的暂定样本数目L^Lp并返回至陟骤b)。
6、 如权禾腰求5戶脱的方法，其特征在于步骤e)包括-计算测量F,作为适当的Fisher统计，使被包含在宽度"的滑动窗口 W内 的縮短IR的能量与縮短IR的总會糧相关。
7、 如前述权利要n—戶，的方法，其特征在于该方^^手舌 -通过比较由连接到物理链斷21)的两端的两个调制解调徵1， 3)获得的N和L的临时fBte择Nsd、
8、 如前述权利要粒一戶诚的方法，其特征在于该方 跑括 -通过作为物理链斷21)的高或中电压电力线传送OFDM数据。
9、 一种用于正交频分复用(OFDM)i^传输的OFDM调帝,调器，其中包 括具有N个样本的正交性区间和具有L个样本的保护区间的OFDM符号通过 OFDM调制解调器所连接到的物理链斷21)被传送，其特征在于该调制解调器 包括-用于估计物理链^(21)的信道质量Ko的装置， -用于基于估计的信道质量Ko选择保护区间的样本数目的装置。
10、如权利要求9所述的OFDM调制解调器，其特征在于该OFDM调制 解调器包括-用于基于作为所述信道质量的物理链斷21)的估计链路传递函数Ko来综 合调制解调器的输入滤波戮32)的装置，-用于基于包括物理链斷21)和所综合的输入滤被徵32)的通信信道(2)的脉 冲响应(IR)，择保护区间的样本数目！^的装置。
全文摘要
本发明涉及正交频分复用(OFDM)数据传输的效率优化，尤其是对于电力线通信而言。在初始化或者准备OFDM数据传输的时候，在每次启动时从调制解调器的暂存区选择OFDM符号中的保护区间或者循环前缀的长度或者持续时间。保护区间的长度是由样本数目L以时间离散的表示给出的，且为后继的数据传输所保留的L值是基于包括调制解调器所连接到的物理线路的通信信道的信道质量评估而从多个预定的可能性中选出的。因此，所选择的L值取决于实际的传输情况，由系统参数L和N的更灵活处理所提供的优化潜能被用来满足物理线路上的变化的情况。
文档编号H04L27/26GK101611583SQ200780048247
公开日2009年12月23日 申请日期2007年12月21日 优先权日2006年12月27日
发明者C·利布, D·科罗布科夫, H·-J·马格, H·本宁杰, P·兰费尔德, S·拉姆塞尔, V·波塔波夫 申请人:Abb技术有限公司