专利名称：正交频分复用系统内估计时序偏移的装置和方法
技术领域：
本发明涉及时序偏移(timing offset)，特别设计用于补偿时序偏移的装 置和方法。
背景技术：
由于传送端与接收端之间的取样频率有着微小的误差，即传送端取样频率f"x不等于接收端取样频率fm，于是两者的取样电平点，会随着时间慢慢的累积出越来越大的偏移量，此种偏移量称为时序偏移(timing-offset)或是 取样偏移(sampling-offset)。图la、 b、 c、和d显示因为传送端与接收端 的取样周期不同而产生的时序偏移示意图。在图la中，上半部和下半部分别 表示传送端与接收端的取样周期Tu与T 。当接收端的取样周期L大于传送 端的取样周期Ttx时，取样时间将会从起始对齐的状态逐渐产生一个越来越大 的时序偏移。时序偏移会随着取样次数的增加而增加，所以当OFDM数据帧的 长度越长时，时序偏移的情况会越明显。当时序偏移大过一个取样周期Ttx的 长度时，接收端将会遗失掉一个传输信号rn内的数据。此种取样误差，当然 会使得信号在数字领域上所有失真。图lb、 c、和d分别显示l个、10个、 和40个OFDM符号长度的信号星座图(constellation diagram)。如图Id所 示，当0FDM数据帧的长度越长，0F匿符号间的时序偏移就越大，造成比图b 和c更大的误差。因此需要一种时序偏移估计器，可以用来轻易补偿传送端和接收端间的 时序偏移值。发明内容有鉴于此， 一种估计时序偏移的方法，用于一正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, 0FDM)才妻收器，包括4妄收OFDM凄t据，用以计算传送端载频频率和接收端载频频率之间的频率偏移，根据上述频率偏 移，估计第一时序偏移，以及利用上述第一时序偏移，补偿上述OF固数据。此外，本发明另提出一种OFDM接收器，包括一频率偏移估计器、 一第一 时序偏移估计器、和一第一补偿器。该频率偏移估计器，接收0FDM数据，用 以计算传送端载频频率和接收端载频频率之间的频率偏移。该第一时序偏移估计器，耦接到上述频率偏移估计器，根据上述频率偏移，估计第一时序偏 移。该第一补偿器，耦接到上述第一时序偏移估计器，利用上述第一时序偏 移，补偿上述OFDM数据。为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举一实施例， 并配合附图，作详细说明如下。
图la、 b、 c、和d显示因为传送端与接收端的取样周期不同而产生的时序偏移示意图。图2显示本发明实施例中的OFDM数据帧的时域构造图。图3显示因为传送端与接收端的取样周期不同而产生的时序偏移示意图。图4显示本发明实施例中假设2)的概念。图5显示本发明实施例中剩余相位估计值(O上"与OFDM符号数目的关系。图6显示本发明实施例中的时序偏移补偿方法的流程图。 图7显示本发明实施例中时序偏移补偿方法的模拟。附图符号说明 202-信号对应器； 204-IFFT;2 06-并连到串连转换器； 208-保护区间插入器； 210-DAC & LPF; 212-本地震荡器； 214、 230-混和器; 220-通道； 232-ADC & LPF; 234-本地震荡器；236-保护区间移除器； 238-串连到并连转换器； 240-FFT;242-时序偏移补偿器；244-频率偏移估计器；246-第一阶段时序偏移估计器;248-均衡器；250-信号对应器；252-相位追踪器；2 5 4-第二阶段时序偏移估计器。
具体实施方式
在此必须说明的是，在下揭露内容中所提出的不同实施例或范例，系用 以说明本发明所揭示的不同技术特征，其所描述的特定范例或排列系用以筒 化本发明，然非用以限定本发明。此外，在不同实施例或范例中可能重复使 用相同的参考数字与符号，此等重复使用的参考数字与符号用以说明本发明 所揭示的内容，而非用以表示不同实施例或范例间的关系。图2显示本发明实施例中的0F薩系统的方块图，包括信号对应器(s i gna 1 mapper) 202 、反向快速傅立叶转换器(IFFT) 2(M 、并连到串连转换器 (parallel-to-serial converter) 206 、保护区间插入器(guard interval insertion) 208、数字到模拟转换器和低通滤波器(DAC & LPF) 210、本地震荡 器(local oscillator)212、混和器214、通道220、混和器230、模拟到数 字转换器和低通滤波器(ADC & LPF) 232、本地震荡器234、保护区间移除器 236、串连到并连转换器238、快速傅立叶转换器(FFT) 240、时序偏移补偿器 242、频率偏移估计器244、第一阶段时序偏移估计器246、均衡器248、信 号对应器(signal demapper) 250、相位追踪器252、以及第二阶段时序偏移 估计器254。欲传输的数据Di经由信号对应器202、反向傅立叶转换器204、并连到 串连转换器206、保护区间插入器208后传送到数字到模拟转换器和低通滤 波器210。本地震荡器212产生具有取样周期Ttx的信号至数字到模拟转换器 和低通滤波器210，用以将数字数据转换为模拟形式，最后经由混和器214将模拟数据和具有频率f 的传输器栽波(transmitter carrier)混频来产生适合无线传输的传输信号rn,并且将混频后的传输信号rn经由信道220传送到接收端。在接收端本地震荡器234产生具有取样周期Tu的信号，混和器230将传输信号r。和具有取样频率f&的接收器载波信号混频来解调变，模拟到数字转换器和低通滤波器232将解调变后的传输信号L以取样周期Trx取样，通过保护区间移除器236、串连到并连转换器238、傅立叶转换器(FFT) 240、均衡器248、信号对应器250得到输出数据D。。一般而言在OFDM系统下，若是假设在同一个OFDM符号内时序偏移量(timing-off set)近似为固定值，同时再根据快速傅立叶变换(Fas t FourierTransform, FFT)的性质，就可以求得时域信号: 4"-，附训 q)其中，X[/7-/7。]表示偏移的时域信号，x[/ ]表示时域信号，J[l]为对应的 频域信号，"。为时序偏移量，Aw为FFT数量(FFT size)。数据Di可以为0FDM数据。图3显示本发明实施例中的OFDM数据帧的时 域构造图，包括前导信号300、以及符号302到308。前导信号300用于执行 同步化动作，包括自动增益控制(Automatic Gain Control, AGC)、时序偏移 估计、频率偏移估计、和通道估计。每个符号包括特定长度的保护区和数据 区。例如，在802. lla协议包括16个数据长度的保护区和64个数据长度的 数据区，在802. 16-2004协议包括8至64个数据长度的保护区和256个数据 长度的数据区。在本发明所提出的时序偏移(timing-off set)补偿方法中，分为两阶段来 处理。第一阶段的算法，是基于两大基本假设所推演出来的l)既然数字到 模拟转换器210和混和器214共享本地震荡器212，模拟到数字转换器232 和混和器230共享本地震荡器234，接收端与传送端的本地震荡器所造成的 相对时序偏移与相对频率偏移拥有相同的偏移比率。2)时序偏移在同一个 OF薩符号内改变不大，可近似为定值。以下显示根据假设1)而获得的算式<formula>formula see original document page 9</formula> (2) 其中，Ttx表示传送端的取样周期(sampling period); L表示接收端的取样周期；fcu表示传送端的载频频率(carrier frequency);以及 f crx表示接收端的载频频率。 图4显示本发明实施例中假设2)的概念，我们可得第m个OFDM符号的 时序偏移n。 (m)表示如下<formula>formula see original document page 10</formula>
其中，n。(m)表示在第m个OF腿符号的时序偏移量；m是OFDM数据帧内的OFDM符号索引；N是OF腿符号的符号长度；T"和L分别表示传送端和接收端的取样周期；以及 fcu和f&分别表示传送端和接收端的载频频率。整个第一阶段的算法，可描述如下。首先，利用传统用于估计频率偏移的算法，例如(4)式，在OFDM符号的前导信号(preamble)部分求得(fCrx - fctx):<formula>formula see original document page 10</formula>
其中，(f"x - U是频率偏移量； D是前导信号的周期长度； L是前导信号在时域的信号；以及 L是平均前导信号的长度。此为求取分数频率偏移量(fractional frequency-offset)最常用的方 法。此外，若信号含有整数频率偏移量(integral frequency-off set)也要一 并加入计算。接着将(fe" - feu)代入算式(3),计算每个OFDM符号对应的时序偏移量 n。 (m)。如此一来，由于直接撷取频率偏移量(frequency-off set)的估测量， 来转换成我们所需的结果，因此可节省复杂度。而补偿的方法可以利用(l)的关系式，在频域上将相位差补偿掉。 然而，若是系统收发的数据帧长度过长时，仅做第一阶段的处理可能是 不够的。因为求取频率偏移量的过程中，仍有估测误差，此估测误差称作剩 余频率偏移量(residual frequency-off set)，才艮据(2)式，同时也造成了时 序偏移量估测上的误差。两者估测误差，又可得如下关系式<formula>formula see original document page 10</formula>其中，Af，表示剩余频率偏移量，而AT，表示相对应的时序偏移量上的 估测误差，称做剩余时序偏移量(residual t iming-of f set)。因此，我们需 要补偿剩余时序偏移量AT，，此为第二阶段的工作。剩余频率偏移量Af'会衍生出相对应的剩余相位(residual phase),此剩余相位会随着时间慢慢地累积，呈现如(6)式的关系 ,)=2牟7; (6)其中，O(n)表示第n个取样的剩余相位；△f，表示剩余频率偏移量；以及Ts表示取样频率(sampling period)。一般而言，由于剩余频率偏移量Af，并不会太大，在同一个OFDM符号内，通常可将剩余相位近似为固定，可表示为(7)的关系式 Om 2 rA/'O-0.5)AT, ( )其中，Om表示第m个OFDM符号的剩余相位。而估测剩余相位Om，可采用 传统方式来计算，例如(8)式(8)其中，(氛)。"表示第tn个OFDM符号的剩余相位估计值，k表示引导子载 波索引(pilot subcarrier index), Hk表示通道响应(channel frequency response), P^表示第m个OFDM符号同时在第k个引导子载波的值，而Np 则是一个OFDM符号中的引导子载波的个数，此外^a-仏&户，"，为第m个 OF画符号同时在第k个子载波的接收信号，由于时序偏移在第一阶段被补偿 掉大部分，故之A可近似成仅有剩余频率偏移效应。图5显示本发明实施例中 剩余相位估计值(0)ra) est与OFDM符号数目的关系，其中，水平轴表示OFDM符号索引HI,以及垂直轴表示剩余相位估计值(OOe"。剩余相位估计值(Omhst和0F丽符号索引m大致呈现一种线性关系，但是由于(O)上st估测方式会连同 相位噪声(phase-noise)—并计算，所以并非呈现完美的直线关系。针对图5近似线性的性质，同时利用(7)的关系式，接着归纳出下列的结果<formula>formula see original document page 11</formula>其中，M。为平均长度。接着，再把(10)减去(9)，并除以2兀f见NTs可得<formula>formula see original document page 12</formula>(11)整个第二阶段的算法，可描述如下。利用(ll)式求出Af， /fetx,并且根 据(5)式，获得AT' /Tu,代入下式计算第ffl个OFDM符号的剩余时序偏移n。， <formula>formula see original document page 12</formula>最后，由(l)式所述，转至频域上作补偿。图6显示本发明实施例中的时序偏移补偿方法的流程图，将本发明的第 一阶段以及第二阶段的处理步骤作整合。在步骤S600中，决定接收的数据Di属于OFDM数据帧的前导信号或是数 据部分。如果是前导信号，则根据步骤S602和S604估计频率偏移和时序偏 移，而如果是数据时，则根据步骤S608对每个数据执行快速傅立叶变换，将时域信号转到频域。步骤S602执行信道估计和频率偏移估计，步骤S604则根据步骤S602的 频率偏移估计值，使用(2)式估计需要补偿的时序偏移值。如果时序偏移值有 整数部分，继续执行步骤S606，如果有分数部分，则执行步骤S610。在步骤S606中，当时序偏移值有整数部分时，移动FFT区间(window) 的起始点和OF画数据帧的起始点对齐，用以在步骤S608中取样所有OF固数 据帧内的OFDM符号。接着在步骤S608中，快速傅立叶转换器24Q根据步骤S606产生发FFT 区间对OFDM数据帧执行快速傅立叶变换，将OFDM符号从时域转换成频域， 并且输出到时序偏移补偿器242。在步骤S610中，时序偏移补偿器242接收转换到频域的OF膽数据以及 分数部分的时序偏移值，并且根据时序偏移值对频域的OF薩符号以(1)式作 第一阶段的时序偏移补偿。步骤S612均衡器对补偿后的OFDM数据执行信道等化，然后追踪0FDM符 号的剩余相位OV在步骤S614中评估是否符号索引大于预定OFDM数据长度 N。。当符号索引小于预定OF函数据长度N。时，时序偏移还不严重，因此不需 进行第二阶段的时序偏移补偿而可以直接输出完成第一阶段补偿的OFDM符 号。反之当符号索引大于预定OFDM数据长度N。时，则进行步骤S618的第二 阶段的时序偏移估计。在步骤S618中，根据OFDM符号的剩余相位O)m,对每个OFDM符号区块 M。计算平均剩余相位，并且使用(ll)式估计相对剩余频率偏移Af， /f。，以及 第(5)式获得AT' /Tu，藉此利用第(12)式获得第二阶段的剩余时序偏移n。， (m)并且送到时序偏移补偿器242。下一个步骤S620中，时序偏移补偿器242将经过第一阶段时序补偿的 OF画符号更进一步使用(1)式补偿剩余时序偏移n。， (m),并且将补偿结果经 由均衡器248输出。注意到的是，当符号索引大于N。时，才启动第二阶段即可，以节省复杂 度，其中N。>2M。， M。为图5的区块大小。N。的设定，可以针对不同需要而设定。 在本发明中提出了一个建议的方式首先，评估时序偏移n。超过何值时，系统 效能会因为产生严重错误而减低。以图7的模拟为例，这是一个以IEEE802. 16 -2004 OFDM mode为范例的实验,取64QAM且RS +CC的编码率(coding rate) 为3/4,同时在白高斯噪声干扰(Additive White Gaussian Noise, AWGN)的 状况下，针对不同的n。所做的结果，其中，700到714分别表示不同的时序 偏移n。。例如发现n。〉0. 04( 704 )时系统产生严重错误，并将此值订为n。w。接着根据刚刚的rWau,代入下式，计算N。"0 (W。 ) U咖腳"* T . (W。 — 0.5) . W《义 (21)其中，AT， /Tt,也就是Af' /fetx,可藉由模拟评估出来其数量级约是多少。 计算所得出的N。，是代表说符号索引大于N。之后的0FDM符号，其累积的时序 偏移使得系统无法忍受。最后，对整个演算下两个结论。第一，当前导信号所作的频率偏移估计 的精准度足够，或系统的数据帧长度不至于过长时，仅采用第一阶段补偿就 可足够，并可以获得低复杂度的优点。第二，若是前导信号所作的频率偏移 估计的精准度不够，或系统的数据帧长度过长时，必须启动第二阶段补偿，可大幅提升估测的精准度，弥补第 一阶段的不足。本发明虽以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习 此项技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许的更动与润饰， 因此本发明的保护范围当视本发明的申请专利范围所界定者为准。
权利要求
1.一种估计时序偏移的方法，用于一正交频分复用接收器，包括接收正交频分复用数据，用以计算传送端载频频率和接收端载频频率之间的频率偏移；根据上述频率偏移，估计第一时序偏移；利用上述第一时序偏移，补偿上述正交频分复用数据；利用上述补偿后的正交频分复用数据，估计一剩余相位；根据上述剩余相位，决定第二时序偏移；以及如果上述正交频分复用数据的数量比一数据帧长度限制大时，利用上述第二时序偏移补偿上述正交频分复用数据。
2. 如权利要求l所述的估计时序偏移的方法，其中，上述剩余相位为 <formula>formula see original document page 2</formula>其中，ffl是一正交频分复用数据帧内的正交频分复用符号的数量；(钆)e."是上述正交频分复用数据帧内的第m个正交频分复用符号的上述 剩余相位；A是上述正交频分复用数据的信道响应；P^是上述第m个正交频分复用符号的第k个子载频上的导波数据；= A/^e^ 是上述补偿后的正交频分复用数据；以及 ^是上述正交频分复用符号内导波数据的总共数量。
3. 如权利要求1所述的估计时序偏移的方法，其中，上述决定第二时序 偏移步骤包括以每个预定数量的上述正交频分复用符号计算平均剩余相位；根据两个连续的上述平均剩余相位之间的差值，估计一剩余频率偏移；以及由以下方程序决定上述第二时序偏移<formula>formula see original document page 2</formula>其中，n。， (m)是上述第二时序偏移；m是一正交频分复用数据帧内的正交频分复用符号的数量；N是上述正交频分复用符号的符号长度；Af，是上述剩余频率偏移；以及fctx是上述传送端载频频率。
4.如权利要求1所述的估计时序偏移的方法，其中，上述估计步骤包括 用以下方程式估计第 一时序偏移其中，n。(m)是上述第一时序偏移；m是一正交频分复用数据帧内的正交频分复用符号的数量； N是上述正交频分复用符号的符号长度的数量； fctx是上述传送端载频频率；以及 f&是上述接收端载频频率。
5. 如权利要求1所述的估计时序偏移的方法，其中，部分上述正交频分 复用数据组成一前导信号，并且上述频率偏移为其中，(f" - fJ是上述频率偏移； Ts是上述正交频分复用数据的取样周期； D是上述前导信号的周期； L是上述前导信号的长度；以及 r。是上述前导信号内的正交频分复用数据。
6. 如权利要求1所述的估计时序偏移的方法，其中，上述第一时序偏移 包括一整数部分和一分数部分，以及上述补偿步骤包括才艮据上述整数部分调整正交频分复用数据帧的范围； 转换在上述正交频分复用数据帧的范围内的上述正交频分复用数据到频 域；以及根据上述分数部分补偿上述转换的正交频分复用数据。
7.—种正交频分复用接收器，包括一频率偏移估计器，接收正交频分复用数据，用以计算传送端载频频率 和接收端载频频率之间的频率偏移；一第一时序偏移估计器，耦接到上述频率偏移估计器，根据上述频率偏 移，估计第一时序偏移；一第一补偿器，耦接到上述第一时序偏移估计器，利用上述第一时序偏移，补偿上述正交频分复用数据；一相位估计器，耦接到上述第一补偿器，利用上述补偿后的正交频分复 用数据，估计一剩余相位；一第二时序偏移估计器，耦接到上述相位估计器，根据上述剩余相位， 决定第二时序偏移；以及一第二补偿器，耦接到上述第二时序偏移估计器，如果上述正交频分复 用数据的数量比一数据帧长度限制大时，利用上述第二时序偏移补偿上述正 交频分复用数据。
8. 如权利要求7所述的正交频分复用接收器，其中，上述剩余相位为其中，m是一正交频分复用数据帧内的正交频分复用符号的数量； (扎)加是上述正交频分复用数据帧内的第m个正交频分复用符号的上述剩余相位；&是上述正交频分复用数据的信道响应；^w是上述第m个正交频分复用符号的第k个子载频上的导波数据；=尻尸we ^"，是上述补偿后的正交频分复用数据；以及 是上述正交频分复用符号内导波数据的总共数量。
9. 如权利要求7所述的正交频分复用接收器，其中，上述第二时序偏移 器更包括以每个预定数量的上述正交频分复用符号计算平均剩余相位； 根据两个连续的上述平均剩余相位之间的差值，估计一剩余频率偏移；以及由以下方程序决定上述第二时序偏移= i (w - 0.5)jV 其中，n。， (m)是上述第二时序偏移；ra是一正交频分复用数据帧内的正交频分复用符号的数量； N是上述正交频分复用符号的符号长度； Af，是上述剩余频率偏移；以及 fcu是上述传送端载频频率。
10. 如权利要求7所述的正交频分复用接收器，其中，上述第一时序偏移估计器用以下方程式估计第 一时序偏移 <formula>formula see original document page 5</formula>其中，n。(m)是上述第一时序偏移；m是一正交频分复用数据帧内的正交频分复用符号的数量； N是上述正交频分复用符号的符号长度； f 是上述传送端载频频率；以及fc"是上述接收端载频频率。
11. 如权利要求7所述的正交频分复用接收器，其中，部分上述正交频分 复用数据组成一前导信号(preamble),并且上述频率偏移为其中，(f -fa,)是上述频率偏移；Ts是上述正交频分复用数据的取样周期；D是上述前导信号的周期；L是上述前导信号的长度；以及r 是上述前导信号内的正交频分复用数据。
12. 如权利要求7所述的正交频分复用接收器，其中，上述第一时序偏移 包括一整数部分和一分数部分，以及上述正交频分复用接收器更包括一频域转换器，耦接到上述第一时序偏移估计器，才艮据上述整数部分调 整正交频分复用数据帧的范围，转换在上述正交频分复用数据帧的范围内的 上述正交频分复用数据到频域；以及上述第一补偿器，耦接到上述频域转换器，根据上述分数部分补偿上述 转换的正交频分复用数据。
全文摘要
一种估计时序偏移的方法，用于一OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)接收器，包括接收OFDM数据，用以计算传送端载频频率和接收端载频频率之间的频率偏移，根据上述频率偏移，估计第一时序偏移，以及利用上述第一时序偏移，补偿上述OFDM数据。
文档编号H04L25/02GK101291315SQ200710096179
公开日2008年10月22日 申请日期2007年4月18日 优先权日2007年4月18日
发明者丁邦安, 林嘉淙, 简永懿, 许仁源 申请人:财团法人工业技术研究院