ОЦЕНКА ОТКЛОНЕНИЯ ЧАСТОТЫ И КАДРОВАЯ СИНХРОНИЗАЦИЯ В ОЧРК-СИСТЕМЕ Российский патент 2008 года по МПК H04L27/26 

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится в основном к передаче данных и, в частности, к методам выполнения оценки отклонения частоты и кадровой синхронизации в системе связи с ортогональным частотным разделением каналов (ОЧРК).

Предшествующий уровень техники

ОЧРК представляет собой метод модуляции со многими несущими, способный обеспечивать высокие рабочие характеристики для некоторых беспроводных сред. ОЧРК эффективно разделяет полную ширину полосы частот системы на множество (N_sb) ортогональных подполос, которые также обычно упоминаются как тоны, поднесущие, бины и частотные каналы. При ОЧРК каждая подполоса ассоциируется с соответствующей поднесущей, которая может модулироваться данными.

В ОЧРК-системе передатчик первоначально кодирует, перемежает и модулирует поток информационных битов для получения потока символов модуляции. В каждом периоде ОЧРК-символа N_sb символов «передачи» могут посылаться по N_sb подполосам, где каждый символ передачи может быть символом данных (т.е. символом модуляции для данных), пилот-символом (т.е. символом модуляции для пилот-сигнала) или нулевым значением сигнала. Передатчик преобразует N_sb символов передачи во временную область, используя обратное быстрое преобразование Фурье (ОБПФ), и получает «преобразованный» символ, который содержит N_sb элементов сигнала (чипов) временной области. Для борьбы с частотно-селективными замираниями (т.е. частотная характеристика, которая изменяется по N_sb подполосам), которые вызываются многолучевостью в беспроводном канале, обычно повторяется часть каждого преобразованного символа. Повторяемая часть часто упоминается как циклический префикс и включает в себя N_cp элементов сигнала. ОЧРК-символ формируется из преобразованного символа и его циклического префикса. Каждый ОЧРК-символ содержит N_L элементов сигнала (где N_L=N_sb+N_cp) и имеет длительность N_L периодов элементов сигнала, которая представляет собой один период ОЧРК-символа (или просто «период символа»). Передатчик может передавать ОЧРК-символы в кадрах, причем каждый кадр содержит множество (N_sym) ОЧРК-символов. Кадры ОЧРК-символов дополнительно обрабатываются и передаются на приемник.

Приемник выполняет дополняющую обработку и получает N_L выборок для каждого принятого ОЧРК-символа. Приемник удаляет циклический префикс из каждого принятого ОЧРК-символа для получения принятого преобразованного символа. Приемник затем преобразует каждый принятый преобразованный символ в частотную область, используя быстрое преобразование Фурье (БПФ), и получает N_sb «принятых» символов для N_sb подполос, которые является оценками N_sb символов передачи.

Приемник обычно выполняет оценку отклонения частоты для определения отклонения частоты в приемнике. Отклонение частоты может быть вследствие различия частот генераторов в передатчике и приемнике, доплеровского сдвига частоты и т.д. Приемник также обычно выполняет кадровую синхронизацию для обнаружения начала каждого кадра, так что надлежащая последовательность принятых символов может предоставляться для демодуляции, устранения перемежения и декодирования.

Для поддержки кадровой синхронизации передатчик обычно передает обучающую последовательность по каждому кадру. Эта обучающая последовательность содержит пилот-символы и передается по обозначенным подполосам. Приемник обрабатывает обучающую последовательность с целью обнаружения начала каждого кадра. Обучающая последовательность представляет служебные данные, которые снижают эффективность системы. Кроме того, обычно не являются надежными рабочие характеристики обнаружения, основанного на обучающей последовательности, особенно в условиях низкого отношения сигнал-шум (ОСШ).

Поэтому в технике существует потребность в методах выполнения оценки отклонения частоты и кадровой синхронизации в ОЧРК-системе.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В данном документе описываются методы выполнения оценки отклонения частоты и кадровой синхронизации в ОЧРК-системе. Эти методы могут обеспечивать хорошие рабочие характеристики даже в условиях низкого ОСШ и основываются на метрике, которая указывает на обнаруженную мощность пилот-сигнала в приемнике. Метрика может определяться различным образом в зависимости от способа, используемого для обнаружения мощности пилот-сигнала. Если недоступны оценки коэффициента усиления канала, что обычно и бывает, когда выполняется оценка отклонения частоты, тогда мощность пилот-сигнала может обнаруживаться посредством (1) взаимной корреляции двух принятых символов, полученных в двух периодах ОЧРК-символа (обычно двух принятых символов в течение двух последовательных периодов ОЧРК-символа), так как каждая подполоса пилот-сигнала используется для передачи пилот-сигнала, и (2) накопления результатов корреляции для всех подполос пилот-сигнала для получения статистики решений. Затем определяется метрика, основываясь на статистике решений.

Для оценки отклонения частоты значение метрики вычисляется для каждого из многочисленных предполагаемых отклонений частоты, которые представляют собой разные возможные отклонения частоты в приемнике. Идентифицируется значение метрики с наибольшей величиной из числа значений метрики для многочисленных предполагаемых отклонений частоты. Предполагаемое отклонение частоты для этого идентифицированного значения метрики предусматривается как оцененное отклонение частоты в приемнике.

Для кадровой синхронизации получают значение корреляции для каждого периода ОЧРК-символа посредством корреляции идентифицированных значений метрики, полученных для N_C (например, самых последних) периодов ОЧРК-символа, с N_C ожидаемыми значениями. Ожидаемые значения вычисляются способом, совместимым со способом, которым вычисляются значения метрики. Например, если пилот-символы для каждой подполосы пилот-сигнала скремблируются с последовательностью псевдослучайных чисел (ПСЧ) передатчиком, и значения метрики получаются посредством взаимной корреляции пар принятых символов, тогда ожидаемые значения получаются посредством взаимной корреляции пар элементов сигнала (chip) в последовательности ПСЧ. Обнаружение пика выполняется по значениям корреляции, полученным для разных периодов ОЧРК-символа, для определения кадровой синхронизации.

Ниже более подробно описываются различные аспекты, варианты осуществления и отличительные признаки изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Отличительные признаки и сущность настоящего изобретения станут более очевидными из подробного описания, изложенного ниже, рассматриваемого вместе с чертежами, на которых подобные позиции определяют соответствующим образом по всему документу, и на которых:

фиг.1 изображает передатчик и приемник в ОЧРК-системе;

фиг.2 иллюстрирует передачу пилот-сигнала и данных для одного кадра, используя частотно-временную плоскость;

фиг.3 изображает процесс восстановления символов данных для каждого кадра;

фиг.4 иллюстрирует корреляцию значений M_n метрики с ожидаемыми значениями a_n для кадровой синхронизации;

фиг.5 изображает процесс выполнения оценки целочисленного отклонения частоты;

фиг.6 изображает процесс выполнения кадровой синхронизации;

фиг.7 изображает ОЧРК-демодулятор в приемнике; и

фиг.8 изображает конкретную конструкцию ОЧРК-демодулятора.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Слово «примерный» используется в данном документе для того, чтобы подразумевать «служащий в качестве примера, копии или иллюстрации». Любой вариант осуществления или конструкция, описанные в данном документе в качестве «примерных», необязательно должны толковаться как предпочтительные или выгодные по отношению к другим вариантам осуществления или конструкциям.

Фиг.1 изображает блок-схему передатчика 110 и приемника 150 в ОЧРК-системе 100. В передатчике 110 процессор 120 данных передачи (ТХ) принимает, форматирует и кодирует данные трафика (т.е. информационные биты) для получения кодированных данных. Кодирование повышает надежность передачи данных и может включать в себя кодирование с обнаружением ошибок (например, циклическим избыточным кодом (ЦИК)), кодирование с упреждающей коррекцией ошибок (например, сверточное, турбо и/или блочное кодирование) или их комбинацию. Кодирование обычно выполняется для каждого пакета данных, который может иметь фиксированную или переменную длину. Процессор 120 данных ТХ затем перемежает кодированные данные для получения данных с перемежением. Перемежение обеспечивает разнесение во времени и/или по частоте от воздействий вредных путей и также может выполняться для каждого пакета данных. Процессор 120 данных ТХ затем модулирует (т.е. отображает символ на) данные с перемежением, основываясь на одной или нескольких схемах модуляции (например, квадратурная фазовая манипуляция (КФМ), многоуровневая фазовая манипуляция (МФМ), многопозиционная квадратурная амплитудная модуляция (МКАМ) и т.д.), для получения символов данных. Одинаковые или различные схемы модуляции могут использоваться для символов данных и пилот-символов.

ОЧРК-модулятор 130 принимает и обрабатывает символы данных и пилот-символы для получения ОЧРК-символов. Обработка ОЧРК-модулятором 130 может включать в себя (1) мультиплексирование символов данных, пилот-символов и нулевых значений сигнала в подполосы данных, подполосы пилот-сигнала и неиспользуемые подполосы соответственно для получения N_sb символов передачи для N_sb подполос для каждого периода ОЧРК-символа, (2) преобразование N_sb символов передачи для каждого периода ОЧРК-символа при помощи N_sb-точечного ОБПФ для получения преобразованного символа и (3) присоединение циклического префикса к каждому преобразованному символу для формирования соответствующего ОЧРК-символа. Пилот-символы могут мультиплексироваться с символами данных, как описано ниже. ОЧРК-модулятор 130 вырабатывает кадры ОЧРК-символов, где каждый кадр содержит N_sym ОЧРК-символов и может соответствовать целому числу пакетов данных (например, одному пакету данных).

Блок 132 передатчика (TMTR) принимает и преобразует ОЧРК-символы в один или несколько аналоговых сигналов и дополнительно приводит в определенное состояние (например, усиливает, фильтрует и преобразует с повышением частоты) аналоговый сигнал(ы) для генерирования модулированного сигнала, пригодного для передачи по беспроводному каналу. Модулированный сигнал затем передается при помощи антенны 134 на приемник 150.

В приемнике 150 переданный сигнал принимается антенной 152 и подается на блок 154 приемника (RCVR). Блок 154 приемника приводит в определенное состояние (например, фильтрует, усиливает и преобразует с понижением частоты) принятый сигнал и оцифровывает приведенный в определенное состояние сигнал для получения потока входных выборок. ОЧРК-демодулятор 160 принимает и обрабатывает входные выборки для получения принятых символов. Обработка ОЧРК-демодулятором 160 может включать в себя (1) предварительную обработку входных выборок, как описано ниже, (2) удаление циклического префикса, присоединенного к каждому принятому ОЧРК-символу, для получения принятого преобразованного символа и (3) преобразование каждого принятого преобразованного символа при помощи N_sb-точечного БПФ для получения N_sb принятых символов для N_s подполос. N_sb принятых символов для каждого периода ОЧРК-символа включают в себя принятые символы данных для подполос данных и принятые пилот-символы для подполос пилот-сигнала. ОЧРК-демодулятор 160 также оценивает и корректирует отклонение частоты в приемнике, обнаруживает начало каждого кадра, выполняет обнаружение данных и вырабатывает последовательность обнаруженных символов данных для каждого кадра, как описано ниже. Процессор 170 данных приема (RX) затем демодулирует, устраняет перемежение и декодирует обнаруженные символы данных для получения декодированных данных. Обработка ОЧРК-демодулятора 160 и процессора 170 данных RX является дополняющей к обработке, выполняемой ОЧРК-модулятором 130 и процессором 120 данных ТХ соответственно на передатчике 110.

Контроллеры 140 и 180 управляют работой в передатчике 110 и приемнике 150 соответственно. Блоки 142 и 182 памяти обеспечивают хранение программных кодов и данных, используемых контроллерами 140 и 180 соответственно.

Фиг.2 изображает передачу данных и пилот-сигнала для одного кадра на частотно-временной плоскости 200. Вертикальная ось плоскости 200 представляет частоту, и горизонтальная ось представляет время. N_sb подполосам назначаются индексы от 1 до N_sb по вертикальной оси. N_p подполос используются для передачи пилот-сигнала, где, как правило, N_sb≥N_p≥1. Подполосы пилот-сигнала указываются заштрихованными прямоугольниками на фиг.2 и могут быть распределены (например, равномерно) по N_sb общим подполосам. N_sym ОЧРК-символам для кадра назначаются индексы от 1 до N_sym по горизонтальной оси. Каждый ОЧРК-символ включает в себя N_sb символов передачи для N_sb подполос. В нижеследующем описании k представляет собой индекс подполосы, и n представляет собой индекс для ОЧРК-символа и периода ОЧРК-символа.

Различные ОЧРК-системы могут использовать различные значения для различных параметров, указанных на фиг.2. В качестве конкретного примера примерная ОЧРК-система может иметь общую полосу частот системы BW_sys=6 МГц, использовать ОЧРК-символ с N_sb=4096 подполосами, распределять N_p=512 подполос для пилот-сигнала, использовать циклический префикс c N_cp=512 элементами сигнала (чипами) и иметь длину кадра в одну секунду. Для этой системы каждая подполоса имеет ширину полосы частот BW_sb=1,46 кГц (т.е. 6,0 МГц/4096), каждый ОЧРК-символ имеет длину N_L=4608 элементов сигнала (т.е. 4096+512), каждый период ОЧРК-символа имеет длительность 768 мкс (т.е. 4608/6,0×10⁶), и каждый кадр включает в себя N_sym=1302 ОЧРК-символов (т.е. 1,0/768×10^-6).

Фиг.2 также изображает схему передачи пилот-сигнала c частотным разделением каналов (ЧРК), в которой пилот-символы передаются по подполосам пилот-сигнала, и символы данных передаются по подполосам данных. Подполосы пилот-сигнала могут быть фиксированными для всех периодов ОЧРК-символа или могут изменяться от периода символа к периоду символа, от кадра к кадру и т.п. Передача пилот-сигнала также может посылаться непрерывно по всему кадру (как показано на фиг.2) или может посылаться только в некоторых периодах ОЧРК-символа. В любом случае подполосы, используемые для передачи пилот-сигнала и периодов ОЧРК-символа, в которых передается пилот-сигнал, известны априори и передатчику и приемнику. Для простоты в следующем описании предполагается, что пилот-сигнал передается непрерывно по обозначенным подполосам пилот-сигнала, как показано на фиг.2.

Последовательность N_p пилот-символов передается по N_p подполосам пилот-сигнала в одном периоде ОЧРК-символа. Последовательность пилот-символов обозначается как {p(k)} и включает в себя один пилот-символ для каждой подполосы пилот-сигнала. Эта же последовательность {p(k)} пилот-символов передается в каждом из N_sym периодов ОЧРК-символа для кадра.

Чтобы способствовать кадровой синхронизации, пилот-символы для каждой подполосы пилот-сигнала скремблируются с последовательностью ПСЧ. Последовательность ПСЧ обозначается как {b_n} и содержит N_sym элементов сигнала ПСЧ, где каждый элемент сигнала ПСЧ представляет собой или +1 или -1 (т.е. b_n ∈ {1, -1}). Для каждой подполосы пилот-сигнала N_sym (это же значение) пилот-символов для N_sym периодов ОЧРК-символа для кадра умножается на N_sym элементов сигнала ПСЧ для получения N_sym скремблированных пилот-символов для этой подполосы пилот-сигнала. Скремблированный пилот-символ для каждой подполосы пилот-сигнала каждого периода ОЧРК-символа может быть выражен как:

P_n(k)=p(k)·b_n, для k ∈ P, Уравнение (1)

где P_n(k) представляет собой скремблированный пилот-символ для подполосы k пилот-сигнала в периоде n символа; и

Р представляет собой множество N_p подполос пилот-сигнала.

N_p последовательностей скремблированных пилот-символов получаются для N_p подполос пилот-сигнала, основываясь на N_p пилот-символах для этих подполос и этой же последовательности ПСЧ. Скремблированные пилот-символы мультиплексируются с символами данных, обрабатываются и передаются.

В приемнике принятые символы после БПФ могут быть выражены следующим образом:

где S_n(k) представляет собой символ передачи для подполосы k в периоде n символа;

H_n(k) представляет собой комплексный коэффициент усиления канала для подполосы k в периоде n символа;

N_n(k) представляет собой шум для подполосы k в периоде n символа;

R_n(k) представляет собой принятый символ для подполосы k в периоде n символа;

θ представляет собой неизвестный сдвиг фазы, который является постоянным по всем N_sb подполосам; и

f представляет собой сдвиг частоты (в целых числах подполос), подлежащий оценке.

Символом S_n(k) передачи может быть пилот-символ P_n(k) или символ D_n(k) данных.

Уравнение (2) предполагает, что дробное отклонение частоты (т.е. менее одной подполосы) было оценено и скорректировано до выполнения БПФ. Дробное отклонение частоты до ±BW_sb/2 может быть оценено на основе циклического префикса, присоединенного к каждому ОЧРК-символу, или с использованием некоторых других методов, известных в технике. Дробное отклонение частоты вызывает помехи между подполосами и таким образом оценивается и удаляется при помощи фазовращателя перед выполнением БПФ, как описано ниже.

Отклонение f частоты представляет собой большое отклонение частоты, которое может вызываться, например, различными частотами генераторов передатчика и приемника. Отклонение f частоты выражается в целых числах подполос, так как дробная часть была скорректирована перед БПФ. Целочисленное отклонение f частоты приводит к тому, что символ S_n(k) передачи, посылаемый по подполосе k, принимается на подполосе k+f, т.е. S_n(k)⇒R_n(k+f). Весь спектр после БПФ в приемнике таким образом сдвигается на f относительно спектра перед ОБПФ в передатчике. Целочисленное отклонение частоты только сдвигает спектр и не вызывает помехи между подполосами. Это отклонение частоты таким образом может быть устранено или перед выполнением БПФ в приемнике или после него. В нижеследующем описании «отклонение частоты» и «сдвиг частоты» являются синонимичными терминами, которые используются попеременно.

Фиг.3 изображает блок-схему последовательности операций процесса 300 восстановления символов S_n(k) передачи для кадра. Первоначально целочисленное отклонение f частоты оценивается на основе метрики M_n(f) и принятых символов R_n(k), как описано ниже (этап 312). Оцененное целочисленное отклонение частоты затем устраняется с целью получения скорректированных по частоте символов которые включают в себя скорректированные по частоте символы данных (т.е. принятые символы данных) для подполос данных и скорректированные по частоте пилот-символы (т.е. принятые пилот-символы) для подполос пилот-сигнала (этап 314). Кадровая синхронизация также выполняется на основе этой же метрики M_n(f) и скорректированных по частоте пилот-символов (этап 316).

Если была выполнена коррекция целочисленного отклонения частоты и кадровая синхронизация, коэффициент усиления H_n(k) канала может оцениваться на основе скорректированных по частоте пилот-символов (этап 318). Обнаружение данных затем выполняется по скорректированным по частоте символам данных при помощи оценок коэффициента усиления канала для получения обнаруженных символов данных, которые представляют собой оценки символов D_n(k) данных, посылаемых передатчиком (этап 320). Надлежащая последовательность обнаруженных символов данных для кадра предусматривается для последующей обработки (этап 322). Каждый из этапов на фиг.3 более подробно описывается ниже.

Для этапа 312 на фиг.3 целочисленное отклонение f частоты оценивается на основе метрики M_n(f), которая указывает на обнаруженную мощность пилот-сигнала в приемнике. Метрика M_n(f) может определяться различным образом в зависимости от способов, используемых для обнаружения мощности пилот-сигнала. Приемник может использовать различные способы для обнаружения мощности пилот-сигнала в зависимости от того, являются ли доступными или нет оценки коэффициента усиления канала. Ниже описывается несколько способов обнаружения мощности пилот-сигнала.

Способ взаимной корреляции может использоваться для обнаружения принятой мощности пилот-сигнала, когда оценки коэффициента усиления канала недоступны в приемнике. Дело обстоит обычно именно так в то время, когда выполняется оценка отклонения частоты. Для этого способа статистика решений для разных предположений f может быть выражена как:

где представляет собой предполагаемое отклонение частоты;

представляет собой предполагаемую подполосу, которая смещена на от подполосы k пилот-сигнала;

представляет собой принятый символ для предполагаемой подполосы в периоде n символа;

представляет собой статистику решений для предполагаемого отклонения частоты в периоде n символа;

F представляет собой множество предполагаемых отклонений частоты для оценки, т.е. F={0, ±1 ... ±f_max}, где f_max представляет собой максимальное ожидаемое отклонение частоты; и

«*» обозначает комплексно сопряженное число.

Каждое из предполагаемых отклонений частоты в множестве F представляет собой разное возможное целочисленное отклонение частоты в приемнике.

В уравнении (3) предполагается, что пилот-символы для подполосы k пилот-сигнала сдвигаются на предполагаемое отклонение частоты, и принятые символы и для предполагаемой подполосы (вместо подполосы k пилот-сигнала) используются для статистики решений. Уравнение (3) фактически вычисляет взаимную корреляцию между двумя принятыми символами для двух последовательных периодов ОЧРК-символа, т.е. Эта взаимная корреляция устраняет влияние беспроводного канала без необходимости оценки коэффициента усиления канала, которая обычно еще недоступна. Уравнение (3) затем накапливает результаты взаимной корреляции для всех N_p подполос пилот-сигнала для получения статистики решений для предполагаемого отклонения частоты.

Экспоненциальный член в уравнении (3) является причиной разности фаз (т.е. сдвига фазы) между двумя последовательными ОЧРК-символами вследствие предполагаемого отклонения частоты. Разные предполагаемые отклонения частоты имеют разные сдвиги фазы. В уравнении (3) также предполагается, что беспроводный канал примерно постоянный или медленно изменяется в течение двух периодов ОЧРК-символа. Это предположение в основном верно для большинства систем. Качество статистики решений просто ухудшается, если беспроводный канал изменяется быстрее.

Статистика решений вычисляется для каждого из разных предположений f. Множество статистик решений для получают для всех предполагаемых отклонений частоты в множестве F.

Метрика определяется следующим образом:

Статистика решений представляет собой в основном комплексное значение, и только действительная часть используется для метрики.

Целочисленное отклонение частоты может вычисляться в качестве предполагаемого отклонения частоты, которое приводит к максимальной величине метрики. Это может быть выражено следующим образом:

где представляет собой оцененное целочисленное отклонение частоты, определенное на периоде n ОЧРК-символа. Метрика может иметь как положительные, так и отрицательные значения, так как пилот-символы скремблируются с последовательностью {a_n} ПСЧ. Взятие величины метрики устраняет влияние скремблирования.

Целочисленное отклонение частоты может оцениваться или один раз, используя одну пару ОЧРК-символов, или много раз, используя многочисленные пары ОЧРК-символов. Отклонение частоты обычно медленно изменяется, и одинаковое оцененное целочисленное отклонение частоты часто получается для каждой пары ОЧРК-символов. Многочисленные оценки целочисленного отклонения частоты могут использоваться для обнаружения неточной оценки и обеспечения большей уверенности в оцененном целочисленном отклонении частоты. В любом случае на этапе 312 получают одно оцененное целочисленное отклонение частоты. Кроме того, оценка целочисленного отклонения частоты обычно требует выполнения только один раз, когда приемник первый раз настраивается на передатчик, и существует большая разница между частотами генераторов передатчика и приемника.

При правильном предположении f метрика M_n(f) может быть выражена следующим образом:

где ν_n(k+f) представляет собой шумовой член для M_n(f) и может быть выражен как:

В уравнениях (6) и (8) a_n представляет собой корреляцию между двумя элементами b_nи b_n-1 сигнала ПСЧ для двух последовательных периодов ОЧРК-символа, где последовательность ПСЧ циклически возвращается к началу.

Для канала с аддитивным белым гауссовым шумом (АБГШ) коэффициент усиления H_n(k+f) канала может быть исключен из уравнения (6). В этом случае ОСШ метрики M_n(f) при правильном предположении f может выражен как:

где P_S представляет собой мощность передачи для каждого пилот-символа, которая равна P_S=E{|p_k|²},

где E{x} представляет собой ожидаемое значение x;

представляет собой дисперсию шума ν_n(k+f), которая равна

представляет собой дисперсию шума N_n(k);

(N_P·P_S)² представляет собой мощность сигнала метрики M_n(f);

N_P· представляет собой мощность шума метрики M_n(f); и

SNR_fe представляет собой ОСШ метрики M_n(f).

В уравнении (9) отношение представляет собой также ОСШ принятых символов данных. Если количество подполос пилот-сигнала достаточно большое, тогда ОСШ метрики M_n(f) может быть высоким даже тогда, когда ОСШ принятых символов данных низкое. Для примерной ОЧРК-системы, описанной выше, с N_p=512 ОСШ метрики M_n(f) примерно равно 27 дБ, когда ОСШ принятых символов данных равно 0 дБ (т.е. SNR_fc≈27 дБ, когда Целочисленное отклонение частоты таким образом может надежно оцениваться на основе метрики M_n(f) даже в условиях низкого ОСШ.

В уравнении (3) экспоненциальный член используется для коррекции фазы вследствие предполагаемого отклонения частоты. Упрощенная статистика решений может определяться без этого члена коррекции фазы следующим образом:

Метрика тогда может определяться как Целочисленное отклонение частоты может оцениваться так, как показано в уравнении (5). Вообще, представляет собой комплексное значение, и квадрат величины (вместо величины) может быть легче вычислен и использован для уравнения (5). Можно показать, что ОСШ метрики M_n(f), определенной на основе примерно на 3 дБ хуже, чем ОСШ метрики M_n(f), определенной на основе Это ухудшение на 3 дБ в ОСШ может компенсироваться удвоением количества подполос пилот-сигнала.

Способ согласованного фильтра может использоваться для обнаружения мощности принятого пилот-сигнала, когда в приемнике доступны оценки коэффициента усиления канала. Для этого способа статистика решений может определяться следующим образом:

где представляет собой оценку коэффициента усиления для предполагаемой подполосы В уравнении (11) умножение на устраняет влияние беспроводного канала, и умножение на устраняет модуляцию на пилот-символ. Метрика M_n(f) тогда может определяться равной действительной части статистики решений, т.е. аналогично тому, что показано в уравнении (4). Другие способы также могут использоваться для обнаружения мощности принятого пилот-сигнала. Метрика определяется на основе статистики решений, предусматриваемой этими способами.

Для этапа 314 на фиг.3 оцененное целочисленное отклонение частоты устраняется для получения скорректированных по частоте символов Коррекция целочисленного отклонения частоты может выполняться или до БПФ или после него в приемнике. Для коррекции отклонения частоты после БПФ принятые символы R_n(k) просто переводятся на подполос, и скорректированные по частоте символы получаются в виде для всех подходящих значений k. Для коррекции отклонения частоты перед БПФ оцененное целочисленное отклонение частоты может объединяться с дробным отклонением частоты для получения общего отклонения частоты. У входных выборок тогда выполняется циклический сдвиг фазы на общее отклонение частоты, и БПФ выполняется на выборках с циклически сдвинутой фазой. Частота генератора приемника также может подстраиваться посредством фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) для коррекции оцененного отклонения частоты.

Для этапа 316 на фиг.3 кадровая синхронизация выполняется на основе (1) этой же метрики M_n(f), используемой для оценки отклонения частоты, и (2) скорректированных по частоте пилот-символов Оценка отклонения частоты на этапе 312 обеспечивает максимальное значение M_n метрики для каждого периода n ОЧРК-символа, которая может быть выражена как:

где может определяться на основе или или Упрощенная статистика решений может использоваться, если целочисленное отклонение частоты корректируется перед выполнением БПФ. Значения M_n метрики получают на основе скорректированных по частоте пилот-символов посредством оценки отклонения частоты.

Взаимная корреляция между значениями M_n и a_n выполняется для каждого периода ОЧРК-символа следующим образом:

гдеN_C представляет собой корреляционную длину, которая равна N_L≥N_C≥1; и

C_n представляет собой результат взаимной корреляции между (1) значениями M_n для N_C самых последних периодов ОЧРК-символа и (2) значениями a_n для первых N_C периодов ОЧРК-символа в каждом кадре.

Фиг.4 иллюстрирует корреляцию между значениями M_n и a_n. Усеченная последовательность с первыми N_C значениями a_n для кадра показана в верхней части фиг.4 и приведена с индексами от 1 до N_C. Последовательность с N_C+1 самыми последними значениями M_n показана в середине фиг.4 и ей присвоены индексы с n-N_C до n. Для каждого периода n ОЧРК-символа получают одно значение C_n корреляции посредством корреляции усеченной последовательности a_n с последовательностью M_n для периода ОЧРК-символа. Последовательность M_n фактически сдвигается влево, когда получается новое значение M_n для следующего периода ОЧРК-символа. Последовательность a_n остается неподвижной.

Значения a_n представляют собой ожидаемые значения для значений M_n. Для описанного выше варианта осуществления значения a_n определяются как a_n=b_n·b_n-1, так как значения M_n получаются посредством корреляции двух последовательных принятых пилот-символов, которые скремблируются с двумя элемента сигналами b_n и b_n-1 ПСЧ. Для данного варианта осуществления улучшенные рабочие характеристики для кадровой синхронизации могут быть достигнуты, если последовательность {b_n} ПСЧ определяется так, что последовательность {a_n} также представляет собой последовательность ПСЧ. Более конкретно взаимная корреляция между последовательностью {a_n} и ее сдвинутыми вариантами должна быть равна нулю или быть низкой, за исключением того случая, когда две последовательности выравнены. Для варианта осуществления, в котором значения M_n получаются на основе статистики решений, показанной в уравнении (11), значения a_n просто равны значениям b_n для последовательности ПСЧ. Вообще говоря, значения a_n зависят от того, как получаются значения M_n.

Обнаружение пика выполняется по значениям C_n корреляции, полученным для разных периодов ОЧРК-символа, для определения начала кадра. Пик корреляции появляется тогда, когда значения M_n выравнены со значениями a_n. Обнаружение пика может выполняться различным образом. Например, значение C_n корреляции для каждого периода ОЧРК-символа может сравниваться с пороговым значением, и пик корреляции может объявляться всякий раз, когда значение корреляции превышает пороговое значение. В качестве другого примера пик корреляции может объявляться всякий раз, когда значение C_n корреляции превышает среднее значение или следующее наибольшее значение корреляции на некоторую величину.

Кадровая синхронизация также может выполняться для обнаружения конца кадра или некоторой другой части кадра. Это может достигаться посредством выбора различных частей последовательности значений a_n, соответствующих части кадра, подлежащей обнаружению. В общих чертах корреляция выполняется между (1) значениями M_n для N_C периодов ОЧРК-символа, «отмеченных» текущим периодом n ОЧРК-символа, и (2) ожидаемыми значениями a_n для значений M_n в обозначенном периоде ОЧРК-символа или части кадра.

Для канала с АБГШ корреляция между M_n и a_n обеспечивает коэффициент усиления N_C (корреляционной длины) в ОСШ значения C_n корреляции в пике. Следовательно, надежное обнаружение кадровой синхронизации возможно даже в условиях низкого ОСШ. Корреляционная длина N_C может выбираться на основе различных факторов. Большее значение для N_C обеспечивает больший коэффициент усиления в ОСШ и большую надежность при обнаружении кадра. Однако необходимо больше памяти для хранения значений M_n для большего значения N_C.

Чтобы упростить обработку в отношении кадровой синхронизации, значения M_n могут квантоваться в L битов, где L≥1. Например, значения M_n могут квантоваться в один бит посредством выполнения жестких решений по этим значениям. Квантованные значения M_n (обозначенные как могут коррелироваться со значениями a_n, как показано в уравнении (13).

Если пилот-символы скремблируются с последовательностью ПСЧ, как описано выше, тогда пилот-символы не могут восстанавливаться до тех пор, пока не будет выполнена кадровая синхронизация и не будет известно начало кадра. Скорректированные по частоте пилот-символы затем могут дескремблироваться посредством умножения этих символов на комплексно сопряженное число последовательности ПСЧ. Коэффициент H_n(k) усиления канала может оцениваться, основываясь на дескремблированных пилот-символах.

Для этапа 320 на фиг.3 обнаружение данных выполняется по скорректированным по частоте символам данных следующим образом:

где представляет собой оценку коэффициента усиления канала для подполосы k в периоде n символа; и

представляет собой обнаруженные символы данных для подполосы k в периоде n символа.

Обнаружение данных также может выполняться другим образом, как известно в технике. Обнаруженные символы данных для кадра обеспечиваются в виде одной последовательности для последующей обработки.

Фиг.5 изображает блок-схему последовательности операций процесса 500 для выполнения оценки целочисленного отклонения частоты в приемнике в ОЧРК-системе. Процесс 500 может использоваться для этапа 312 на фиг.3.

Первоначально значение для метрики M_n(f) вычисляется для каждого из некоторого количества предполагаемых отклонений частоты, основываясь на принятых символах (блок 510). Это может достигаться посредством выбора предполагаемого отклонения частоты для оценки (этап 512). Для каждой подполосы k пилот-сигнала выполняется взаимная корреляция между двумя принятыми символами, полученными в двух последовательных периодах ОЧРК-символа на предполагаемой подполосе которая сдвинута на от подполосы k пилот-сигнала (этап 514). Член коррекции фазы может включаться или может не включаться во взаимную корреляцию, как показано в уравнениях (3) и (10). Результаты взаимной корреляции для всех подполос пилот-сигнала накапливаются для получения статистики или решений для предполагаемого отклонения частоты (этап 516). Если не были оценены все предполагаемые отклонения частоты (как определено на этапе 518), тогда процесс возвращается на этап 512 к выбранному другому предполагаемому отклонению частоты для оценки. Иначе множество значений метрики получается из множества статистик решений, полученных для всех предполагаемых отклонений частоты, которые были оценены (этап 520). Метрикой может быть или действительная часть статистики решений или полная статистика решений.

Отклонение частоты затем оценивается на основе множества значений метрики (блок 530). Это достигается вычислением величины (или квадрата величины) каждого значения метрики. Идентифицируется значение метрики в множестве с наибольшей величиной (или наибольшей возведенной в квадрат величиной) (этап 532). Предполагаемое отклонение частоты для этого идентифицированного значения метрики предусматривается как оцененное целочисленное отклонение частоты (этап 534).

Обычно требуется выполнение оценки целочисленного отклонения частоты только один раз, например, когда приемник первый раз настраивается на передатчик или в начале передачи данных после длительного периода бездействия. После этого механизм, используемый для оценки и отслеживания дробного отклонения частоты, может использоваться для поддержания захватывания частоты в приемнике.

Фиг.6 изображает блок-схему последовательности операций процесса 600 выполнения кадровой синхронизации в приемнике в ОЧРК-системе. Процесс 600 может использоваться для этапа 316 на фиг.3.

Первоначально значение M_n метрики вычисляется для каждого периода ОЧРК-символа, основываясь на взаимной корреляции между двумя принятыми символами, полученными в двух последовательных периодах ОЧРК-символа на каждой подполосе пилот-сигнала, как описано выше (этап 612). Значение M_n метрики получается после того, как целочисленное отклонение f частоты будет оценено и удалено или перед БПФ или после БПФ. Для каждого периода ОЧРК-символа последовательность значений M_n для N_C (например, самых последних) периодов ОЧРК-символа коррелируется с последовательностью значений a_n для получения значения C_n корреляции для периода ОЧРК-символа, как показано в уравнении (13) (этап 614). Значения a_n представляют собой ожидаемые значения для значений M_n при надлежащем выравнивание во времени. Затем выполняется обнаружение пика по значениям корреляции, полученным для разных периодов ОЧРК-символа (этап 616). Кадровая синхронизация объявляется тогда, когда обнаруживается пик корреляции (этап 618). Обнаруженный пик корреляции может соответствовать началу кадра или некоторой другой части кадра в зависимости от последовательности значений a_n, используемых для корреляции.

Кадровая синхронизация может выполняться на непрерывной основе, например, для каждого кадра. Кадровая синхронизация также может выполняться по необходимости, например, в начале каждого пакета данных.

Фиг.7 изображает блок-схему варианта осуществления ОЧРК-демодулятора 160 в приемнике 150 на фиг.1. Препроцессор 710 принимает и обрабатывает входные выборки от блока 154 приемника и обеспечивает предварительно обработанные выборки. Препроцессор 710 может выполнять преобразование частоты выборки, коррекцию дробной и, возможно, целочисленной частоты, удаление циклического префикса и т.д., как описано ниже. Блок 720 БПФ выполняет БПФ по предварительно обработанным выборкам для каждого принятого ОЧРК-символа для получения принятых символов R_n(k).

Блок вычисления метрики/блок 750 оценки отклонения частоты оценивает целочисленное отклонение частоты в приемнике 150, основываясь на метрике M_n(f) и принятых символах R_n(k), как описано выше. Блок 750 подает оцененное целочисленное отклонение частоты или на препроцессор 710 или на блок 730 коррекции частоты. Препроцессор 710 может выполнять коррекцию целочисленной частоты перед БПФ, и блок 730 коррекции частоты может выполнять коррекцию целочисленной частоты после БПФ. Блок 760 кадровой синхронизации принимает значения M_n метрики от блока 750 вычисления метрики, выполняет кадровую синхронизацию, основываясь на этих значениях метрики, и подает сигнал кадровой синхронизации на блок 770 оценки канала. Сигнал кадровой синхронизации указывает начало каждого кадра.

Блок 730 коррекции частоты подает скорректированные по частоте символы данных на обнаружитель 740 данных и скорректированные по частоте пилот-символы на блок 770 оценки канала. Блок 770 оценки канала дескремблирует скорректированные по частоте пилот-символы, основываясь на сигнале кадровой синхронизации, оценивает коэффициент усиления канала, основываясь на дескремблированных пилот-символах, и подает оценки коэффициента усиления канала на обнаружитель 740 данных. Обнаружитель 740 данных выполняет обнаружение данных по скорректированным по частоте символам данных с оценками коэффициента усиления канала, как показано в уравнении (14), и выдает обнаруженные символы данных.

Фиг.8 изображает блок-схему конкретной конструкции ОЧРК-демодулятора 160. В препроцессоре 710 преобразователь 810 частоты выборки принимает и преобразует входные выборки (с частотой выборки) в интерполированные выборки (с частотой элементов сигнала). Частота элементов сигнала относится к частоте элементов сигнала, которые составляют ОЧРК-символы в передатчике. Частота выборки относится к частоте, используемой блоком 154 приемника для оцифровки принятого сигнала. Частота выборки обычно выбирается более высокой, чем частота элементов сигнала, чтобы упростить фильтрацию в приемнике. Блок 812 извлечения времени извлекает временные соотношения принятых ОЧРК-символов (например, основываясь на циклическом префиксе), определяет границы принятых ОЧРК-символов и подает времязадающие сигналы на другие блоки обработки в ОЧРК-демодуляторе 160 (для простоты не показаны на фиг.8). Обнаружитель 814 дробного отклонения частоты оценивает дробное отклонение частоты в приемнике, основываясь на циклическом префиксе в интерполированных выборках. Фазовращатель 816 применяет коррекцию дробного отклонения частоты к интерполированным выборкам и выдает скорректированные по частоте выборки. Блок 818 удаления циклического префикса удаляет циклический префикс, присоединенный к каждому ОЧРК-символу передатчиком, и выдает предварительно обработанные выборки.

Для варианта осуществления, показанного на фиг.8, блок вычисления метрики/блок 750 оценки отклонения частоты использует метрику, определяемую на основе способа взаимной корреляции. В блоке 750 коррелятор 850 выполняет взаимную корреляцию по парам принятых символов, полученных в двух последовательных периодах ОЧРК-символа на предполагаемой подполосе Для каждого предполагаемого отклонения частоты взаимная корреляция выполняется для каждой подполосы пилот-сигнала и может учитывать или может не учитывать коррекцию фазы для предполагаемого отклонения частоты. Накопитель/блок 852 последующей обработки накапливает результаты корреляции для всех подполос для каждого предполагаемого отклонения частоты для получения статистики решений для этого предположения. Блок 852 вырабатывает значение метрики для каждого предполагаемого отклонения частоты, основываясь на действительной части статистики решений или полной статистики решений. Коррелятор 850 и накопитель 852 образуют блок вычисления метрики. Обнаружитель 854 величины обнаруживает значение метрики с наибольшей величиной для каждого периода ОЧРК-символа. Обнаружитель 854 подает (1) оцененное отклонение частоты на блок 730 коррекции частоты или обнаружитель 814 дробного отклонения частоты и (2) значения M_n метрики на блок 760 кадровой синхронизации.

Для варианта осуществления, показанного на фиг.8, коррелятор 860 в блоке 760 кадровой синхронизации коррелирует значения M_n метрики со значениями a_n и вырабатывает значение C_n корреляции для каждого периода ОЧРК-символа. Обнаружитель 862 пика выполняет обнаружение пика по значениям C_n корреляции для разных периодов ОЧРК-символа и вырабатывает сигнал кадровой синхронизации.

Для ясности как оценка отклонения частоты, так и кадровая синхронизация были описаны для примерной ОЧРК-системы. Вообще говоря, методы оценки отклонения частоты, описанные выше, могут использоваться независимо от кадровой синхронизации. Кроме того, методы кадровой синхронизации, описанные выше, могут использоваться независимо от оценки отклонения частоты, что может достигаться различным образом. Методы оценки отклонения частоты или методы кадровой синхронизации, или методы как оценки отклонения частоты, так и кадровой синхронизации, описанные в данном документе, могут использоваться в приемнике в зависимости от его конструкции.

Схема передачи пилот-сигнала, описанная выше, поддерживает как оценку отклонения частоты, так и кадровую синхронизацию. Также могут использоваться другие схемы передачи пилот-сигнала. Например, пилот-символы могут передаваться прерывистым образом (т.е. только по обозначенным периодам ОЧРК-символа), по разным подполосам в разные периоды ОЧРК-символа и т.д. Нет необходимости скремблировать пилот-символы с последовательностью ПСЧ для оценки отклонения частоты. Метрика определяется таким образом, который соответствует и является совместимым со схемой передачи пилот-сигнала, используемой ОЧРК-системой.

Методы оценки отклонения частоты и кадровой синхронизации, описанные в данном документе, могут быть реализованы различным образом. Например, эти методы могут быть реализованы аппаратными средствами, программными средствами или их комбинацией. Для аппаратной реализации блоки обработки, используемые для выполнения оценки отклонения частоты и/или кадровой синхронизации, могут быть реализованы в одной или нескольких специализированных интегральных схемах (специализированных ИС), процессорах цифровой обработки сигналов (ПЦОС), устройствах цифровой обработки сигналов (УЦОС), программируемых логических устройствах (ПЛУ), программируемых вентильных матрицах (ПВМ), процессорах, контроллерах, микроконтроллерах, микропроцессорах, других электронных блоках, разработанных для выполнения функций, описанных в данном документе, или их комбинации.

Для программной реализации методы оценки отклонения частоты и кадровой синхронизации могут быть реализованы при помощи модулей (например, процедур, функций и т.д.), которые выполняют функции, описанные в данном документе. Программные коды могут храниться в блоке памяти (например, в блоке 182 памяти на фиг.1) и исполняться процессором (например, контроллером 180). Блок памяти может быть реализован в процессоре или вне процессора, в этом случае он может быть связан с возможностью передачи данных с процессором при помощи различных средств, которые известны в технике.

Предыдущее описание раскрытых вариантов осуществления предусмотрено для того, чтобы дать возможность любому специалисту в данной области техники выполнить или использовать настоящее изобретение. Различные модификации этих вариантов осуществления легко очевидны для специалиста в данной области техники, и обобщенные принципы, определенные в данном документе, могут быть применены к другим вариантам осуществления, не выходя за пределы существа и объема изобретения. Таким образом, предполагается, что настоящее изобретение не ограничивается вариантами осуществления, показанными в данном документе, но должно соответствовать наибольшему объему, согласующемуся с принципами и новыми отличительными признаками, описанными в данном документе.

Изобретение относится к передаче данных, в частности к методам выполнения отклонения частоты и кадровой синхронизации в системе связи с ортогональным частотным разделением каналов. Технический результат - повышение точности обнаружения начала каждого кадра в условиях низкого отношения сигнал/шум. Для этого оценка отклонения частоты и кадровая синхронизация выполняются в приемнике в ОЧРК-системе, основываясь на метрике, которая указывает на обнаруженную мощность пилот-сигнала. Метрика может определяться на основе взаимной корреляции между двумя принятыми символами, полученными в двух периодах ОЧРК-символа. Для оценки отклонения частоты вычисляется значение метрики для каждого из многочисленных предполагаемых отклонений частоты. Предполагаемое отклонение частоты для значения метрики с наибольшей величиной предусматривается в качестве оцененного отклонения частоты. Для кадровой синхронизации значение корреляции получается для каждого периода ОЧРК-символа посредством корреляции значений метрики, полученных для NC (например, самых последних) периодов ОЧРК-символа, с NC ожидаемыми значениями. Ожидаемые значения вычисляются таким образом, который совместим с тем, посредством которого вычисляются значения метрики. Обнаружение пика выполняется по значениям корреляции, полученным для разных периодов ОЧРК-символа, для определения кадровой синхронизации. 10 н. и 22 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Способ выполнения оценки отклонения частоты и кадровой синхронизации в приемнике в системе связи с ортогональным частотным разделением каналов (ОЧРК), причем способ содержит оценку отклонения частоты в приемнике, основываясь на принятых символах и метрике, указывающей обнаруженную мощность пилот-сигнала; устранение оцененного отклонения частоты для получения скорректированных по частоте пилот-символов и выполнение кадровой синхронизации, основываясь на метрике и скорректированных по частоте пилот-символах.2. Способ по п.1, в котором метрика основывается на взаимной корреляции между двумя принятыми символами для двух периодов символа.3. Способ по п.1, в котором метрика основывается на согласованной фильтрации принятых символов с оценками коэффициента усиления канала.4. Способ по п.1, в котором оценка отклонения частоты включает в себя

вычисление, для каждого из множества предполагаемых отклонений частоты, значения для метрики, основываясь на принятых символах, в котором каждое из предполагаемых отклонений частоты соответствует разному возможному отклонению частоты в приемнике, и в котором получают множество значений метрики для множества предполагаемых отклонений частоты, идентификацию значения метрики с наибольшей величиной из числа множества значений метрики и предоставление предполагаемого отклонения частоты для идентифицированного значения метрики в качестве оцененного отклонения частоты.

вычисление значения для метрики для текущего периода символа, основываясь на скорректированных по частоте пилот-символах, полученных в одном или нескольких периодах символа, включая текущий период символа, корреляцию множества значений метрики, полученных для множества периодов символа, отмеченных текущим периодом символа, с множеством ожидаемых значений для получения значения корреляции для текущего периода символа, в котором множество ожидаемых значений представляют собой ожидаемые значения для множества значений метрики в обозначенном периоде символа, и выполнение обнаружения пика по значениям корреляции, полученным для разных периодов символа, для определения кадровой синхронизации.

вычисление для каждого из множества предполагаемых отклонений частоты значения для метрики, основываясь на принятых символах, в котором метрика указывает на обнаруженную мощность пилот-сигнала, в котором каждое из предполагаемых отклонений частоты соответствует разному возможному отклонению частоты в приемнике, и в котором множество значений метрики получается для множества предполагаемых отклонений частоты; и оценку отклонения частоты в приемнике, основываясь на множестве значений метрики.

получения значения метрики для предполагаемого отклонения частоты, основываясь на статистике решений.

идентификацию значения метрики с наибольшей величиной из числа множества значений метрики и предоставление предполагаемого отклонения частоты для идентифицированного значения метрики в качестве оцененного отклонения частоты для приемника.

обнаружитель, служащий для оценки отклонения частоты в устройстве приемника, основываясь на множестве значений метрики.

вычисление значения для метрики для текущего периода символа, основываясь на принятых пилот-символах для одного или нескольких периодов символа, включающих в себя текущий период символа, в котором метрика указывает на обнаруженную мощность пилот-сигнала; корреляцию множества значений метрики, полученных для множества периодов символа, отмеченных текущим периодом символа, с множеством ожидаемых значений для получения значения корреляции для текущего периода символа, в котором множество ожидаемых значений представляют собой ожидаемые значения для множества значений метрики в обозначенном периоде символа; и выполнение обнаружения пика по значениям корреляции, полученным для разных периодов символа, для определения кадровой синхронизации.

сравнения значения корреляции для текущего периода символа с пороговым значением, и объявления кадровой синхронизации, если значение корреляции больше, чем пороговое значение.

обнаружитель пика, служащий для выполнения обнаружения пика по значениям корреляции, полученным для разных периодов символа, для определения кадровой синхронизации.