使用保护间隔和同步段信号的载波频率恢复装置及其方法.pdf

一种载波频率恢复装置，用于接收其中包含保护间隔(GI)和同步段的OFDM信号，并恢复接收到的OFDM信号的载波频率。该载波频率恢复装置包括：第一块，用于通过使用GI恢复载波频率；第二块，用于通过使用同步段恢复载波频率；和加法器，用于从第二块的输出减去第一块的输出，以恢复载波频率。通过使用从GI和同步段信号计算出的相位值之差，扩大了可恢复的载波频移的补偿范围。

1、  一种载波频率恢复装置，用于接收其中包含保护间隔(GI)和同步段的OFDM信号，并恢复接收到的OFDM信号的载波频率，包括：
第一块，用于通过使用GI恢复载波频率；
第二块，用于通过使用同步段恢复载波频率；和
加法器，用于从第二块的输出减去第一块的输出，以恢复载波频率。

2、  如权利要求1所述的载波频率恢复装置，其中，第一块包括：
第一延迟器，用于将接收到的OFDM信号延迟一个有效码元间隔，以计算第一延迟信号；
第一共轭复数单元，用于计算第一延迟信号的GI的共轭复数值；
第一乘法器，用于将接收到的OFDM信号乘以在第一共轭复数单元计算出的共轭复数值；
第一相关器，用于通过相对于第一乘法器的输出进行滑动相加，计算接收到的OFDM信号和第一延迟信号的GI之间的相关值；和
第一相位估计器，用于在第一延迟信号的GI所在的区域内，从相关值估计相位变化值。

3、  如权利要求2所述的载波频率恢复装置，还包括：
第一绝对值计算器，用于计算相关值的绝对值；和
第一峰值点检测器，用于检测绝对值的最大值，和向第一相位估计器提供GI所在的区域。

4、  如权利要求1所述的载波频率恢复装置，其中，第二块包括：
第二延迟器，用于将接收到的OFDM信号延迟一个OFDM码元间隔，以计算第二延迟信号；
第二共轭复数单元，用于计算第二延迟信号的同步段的共轭复数值；
第二乘法器，用于将接收到的OFDM信号的同步段乘以在第二共轭复数单元计算出的共轭复数值；
第二相关器，用于计算接收到的OFDM信号的同步段和第二延迟信号的同步段之间的相关值；和
第二相位估计器，用于在第二延迟信号的同步段所在的区域内，从相关值估计相位变化。

5、  如权利要求4所述的载波频率恢复装置，还包括：
第二绝对值计算器，用于计算相关值的绝对值；和
第二峰值点检测器，用于检测绝对值的最大值，和向第二相位估计器提供同步段所在的区域。

6、  一种载波频率恢复装置，用于接收其中包含同步段的OFDM信号，并恢复接收到的OFDM信号的载波频率，包括：
延迟器，用于将接收到的OFDM信号延迟一个OFDM码元间隔，以计算延迟信号；
共轭复数单元，用于计算延迟信号的同步段的共轭复数值；
乘法器，用于将接收到的OFDM信号的同步段乘以在共轭复数单元计算出的共轭复数值；
相关器，用于通过相对于乘法器的输出进行滑动相加，计算接收到的OFDM信号的同步段和延迟信号的同步段之间的相关值；和
相位估计器，用于在延迟信号的同步段所在的区域内，从相关值估计相位变化。

7、  如权利要求6所述的载波同步装置，还包括：
绝对值计算器，用于计算相关值的绝对值；和
峰值点检测器，用于检测绝对值的最大值，和向相位估计器提供同步段所在的区域。

8、  一种载波同步方法，用于接收其中包含保护间隔(GI)和同步段的OFDM信号，并恢复接收到的OFDM信号的载波频率，包括下述步骤：
将接收到的OFDM信号延迟一个OFDM码元间隔，以计算第一延迟信号，和将接收到的OFDM信号延迟一个有效的码元间隔，以计算第二延迟信号；
计算第一延迟信号的同步段的第一共轭复数值，和计算第二延迟信号的GI的第二共轭复数值；
通过将接收到的OFDM信号的同步段乘以第一共轭复数值，获得第一相乘值，和通过将接收到的OFDM信号乘以第二共轭复数值，获得第二相乘值；
通过分别相对于第一和第二相乘值进行滑动相加，计算接收到的OFDM信号的同步段和第一延迟信号的同步段之间的第一相关值，和计算接收到的OFDM信号和第二延迟信号的GI之间的第二相关值；
分别从第一相关值和第二相关值估计第一相位值和第二相位值；和
从第二相位值减去第一相位值，以恢复载波频率。

9、  如权利要求8所述的载波同步方法，其中，当载波频率会聚在预定范围内时，减法步骤通过使用第一相位估计器的输出和第二相位估计器的输出之一恢复载波频率。

10、  一种载波同步方法，用于接收其中包含保护间隔(GI)和同步段的OFDM信号，并恢复接收到的OFDM信号的载波频率，包括下述步骤：
将接收到的OFDM信号延迟一个OFDM码元间隔，以计算延迟信号；
计算延迟信号的同步段的共轭复数值；
将接收到的OFDM信号的同步段乘以共轭复数值；
通过相对于相乘值进行滑动相加，计算接收到的OFDM信号的同步段和延迟信号的同步段之间的相关值；和
从相关值估计相位值。

使用保护间隔和同步段信号的载波频率恢复装置及其方法
                          技术领域
本发明涉及一种时域同步正交频分复用(TDS-OFDM)系统的载波频率恢复装置及其方法，更特别地，涉及一种能够使用包含在接收到的OFDM信号中的保护间隔(GI)和同步段信号提高载波频移的补偿范围的载波频率恢复装置，及其方法。
                          背景技术
正交频分复用(OFDM)方案，通过将串行输入的数据流重新排列成基于块的并行数据，和将并行码元多路复用到彼此具有正交关系的不同载波频率的处理，将宽带发送变换为多个并行的窄带发送。众所周知，OFDM方法具有最大程度的利用频率的公知优点。
OFDM方案的其他优点是：因为其系统延长了码元发送时间，所以抗干扰信号比如多径环境下的重影的能力强；和因为其使用正交的载波频率，所以抗码元间干扰(ISI)的能力也很强。
OFDM发送机将保护间隔(GI)插入到通过IDFT沿时间轴重新排列的OFDM信号之前，以抑制信号间干扰。同时，时域同步正交频分复用(TDS-OFDM)方案，即一种OFDM方案的变型，在发送OFDM帧信号之前将同步段插入到GI之前。
图1是表示通过一般的TDS-OFDM发送机发送的OFDM信号的帧结构的例子的示图。
如图1中所示，OFDM信号帧包括包含将发送的实际数据的有效码元区域T_S、保护间隔GI T_g、和同步段T_SS。
当在无线信道环境下发送信号时GI抑制码元间干扰。当码元由于多径信道环境被延迟并因此与接下来的码元交迭时产生码元间干扰。GI也用在OFDM无线调制解调器的接收机中，用于恢复载波以有效地寻找频率和相位同步。
在图1中，GI由间隔a表示。由于GI与有效的码元的最后部分a`在结构上是相同的，所以接收机通过测量GI和有效的码元的最后部分a`之间的相位旋转差恢复载波频率。
图2是表示传统的OFDM系统的载波频率恢复装置的方框图。参照图2，载波频率恢复装置200包括延迟器205、共轭复数单元210、乘法器215、相关器220、绝对值计算器225、峰值点检测器230和相位估计器235。
载波频率恢复装置通过使用上面提到的OFDM信号的帧结构的特点测量GI和有效的码元之间的相位旋转差。因此，延迟器205将接收到的OFDM信号延迟预定时间Ts，共轭复数单元210计算延迟信号的共轭复数值。乘法器215将延迟的信号乘以共轭复数值。峰值检测器230找出GI的位置。
相关器220计算GI(图1中的‘a’)和与GI相距有效的码元区域的长度那么多的预定时间间隔Ts的有效码元的最后部分(图1中的‘a`’)之间的相关值。相位估计器235计算所计算出的相关值的相位。根据计算出的相位，载波频率恢复装置通过载波频移补偿电路(未显示)补偿载波频移。
图3是表示显示通过传统的载波频率恢复装置可恢复的载波频移的范围的特性曲线的示图。
传统的载波频率恢复装置测量与GI相距预定时间间隔Ts的有效码元的相位旋转，并具有如图3中所示的特性曲线。图3也显示了传统的载波频率恢复装置的缺点，即可恢复地频移的范围被限制在±1/2Ts，一个很小的值。
使用GI的传统的恢复载波频率的方法，因为使用与GI相距“Ts”的有效码元区域测量相位差，所以可恢复的频移的范围非常窄。
                           发明内容
提出本发明是为了解决与上述传统装置有关的缺点和其他问题。本发明的一方面是提供一种通过使用包含在接收到的OFDM信号中的保护间隔(GI)和同步段提高载波频移的补偿范围的载波频率恢复装置及其方法。
本发明的上述方面和/或其他特征通过载波频率恢复装置可基本实现，其接收其中包含保护间隔(GI)和同步段的OFDM信号，并恢复接收到的OFDM信号的载波频率，该载波频率恢复装置包括：第一块，用于通过使用GI恢复载波频率；第二块，用于通过使用同步段恢复载波频率；和加法器，用于从第二块的输出中减去第一块的输出，以恢复载波频率。
第一块包括：第一延迟器，用于将接收到的OFDM信号延迟一个有效码元间隔，以计算第一延迟信号；第一共轭复数单元，用于计算第一延迟信号的GI的共轭复数值；第一乘法器，用于将接收到的OFDM信号乘以在第一共轭复数单元计算出的共轭复数值；第一相关器，用于通过相对于第一乘法器的输出进行滑动相加，计算接收到的OFDM信号和第一延迟信号的GI之间的相关值；和第一相位估计器，用于在第一延迟信号的GI所在的区域内，从相关值估计相位变化。
根据本发明的一方面，第二块包括：第二延迟器，用于将接收到的OFDM信号延迟一个OFDM码元间隔，以计算第二延迟信号；第二共轭复数单元，用于计算第二延迟信号的同步段的共轭复数值；第二乘法器，用于将接收到的OFDM信号的同步段乘以在第二共轭复数单元计算出的共轭复数值；第二相关器，用于计算接收到的OFDM信号的同步段和第二延迟信号的同步段之间的相关值；第二绝对值计算器，用于计算相关值的绝对值；第二峰值点检测器，用于检测绝对值的最大值，和向第二相位估计器提供同步段所在的区域；和第二相位估计器，用于从相关值估计相位变化。
根据本发明的另一方面，提供了一种接收其中包含同步段的OFDM信号，并恢复接收到的OFDM信号的载波频率的载波频率恢复装置，包括：延迟器，用于将接收到的OFDM信号延迟一个OFDM码元间隔以计算延迟信号；共轭复数单元，用于计算延迟信号的同步段的共轭复数值；乘法器，用于将接收到的OFDM信号的同步段乘以在共轭复数单元计算出的共轭复数值；相关器，用于通过相对于乘法器的输出进行滑动相加，计算接收到的OFDM信号的同步段和延迟信号的同步段之间的相关值；绝对值计算器，用于计算相关值的绝对值；峰值点检测器，用于检测绝对值的最大值，和向相位估计器提供同步段所在的区域；和相位估计器，用于从相关值估计相位变化。
根据本发明的另一方面，提供了一种接收其中包含保护间隔(GI)和同步段的OFDM信号，并恢复接收到的OFDM信号的载波频率的载波同步方法，包括下述步骤：将接收到的OFDM信号延迟一个OFDM码元间隔，以计算第一延迟信号，和将接收到的OFDM信号延迟一个有效的码元间隔以计算第二延迟信号；计算第一延迟信号的同步段的第一共轭复数值和计算第二延迟信号的GI的第二共轭复数值；通过将接收到的OFDM信号的同步段乘以第一共轭复数值获得第一相乘结果，和通过将接收到的OFDM信号乘以第二共轭复数值获得第二相乘结果；通过分别相对于第一和第二相乘值进行滑动相加，计算接收到的OFDM信号的同步段和第一延迟信号的同步段之间的第一相关值，和计算接收到的OFDM信号和第二延迟信号的GI之间的第二相关值；分别从第一相关值和第二相关值估计第一相位值和第二相位值；和从第二相位值减去第一相位值，以恢复载波频率。
当载波频率会聚在预定范围内时，减法步骤通过使用第一相位估计器的输出和第二相位估计器的输出之一恢复载波频率。
                          附图说明
通过参照附图描述本发明的特定实施例，本发明的上述方面和特征将会变得更加清楚，其中：
图1是表示通过传统的时域同步正交频分复用(TDS-OFDM)发送机发送的OFDM信号的帧结构的示图；
图2是使用保护间隔(GI)的传统的OFDM接收机的载波频率恢复装置的方框图；
图3是表示显示可通过图2的载波频率恢复装置恢复的载波频移的范围的特性曲线的示图；
图4是表示根据本发明实施例的载波频率恢复装置的方框图；
图5是表示显示通过根据本发明实施例的载波频率恢复装置可恢复的载波频移的范围的特性曲线的示图；和
图6是表示根据本发明实施例的载波频率恢复装置的操作的流程图。
                       具体实施方式
以下，将参照附图对本发明进行详细的描述。
在下面的描述中，即使在不同的图中相同的图形标号用于相同的部件。描述中限定的对象比如详细的结构和部件只是有助于充分理解发明。因此，很明显没有那些限定的对象也可以实施本发明。另外，由于对众所周知的功能或结构进行不必要的详细描述会使发明变得模糊，因此没有对其进行详细的描述。
图4是根据本发明实施例的载波频率恢复装置的方框图。
参照图4，根据本发明实施例的载波频率恢复装置包括第一块，其包括第一延迟器305、第一共轭复数单元310、第一乘法器315、第一相关器320、第一绝对值计算器325、第一峰值点检测器330、和第一相位估计器335。
上述载波频率恢复装置具有与传统的载波频率恢复装置的部件相同的部件，因此，出于这种考虑，省略对其的详细描述。
根据本发明实施例的载波频率恢复装置还包括第二块，其包括第二延迟器405、第二共轭复数单元410、第二乘法器415、第二相关器420、第二绝对值计算器425、第二峰值点检测器430、和第二相位估计器435。
参照图1，TDS-OFDM系统以“Tss+Tg+Ts”的时间间隔周期性地发送同步段信号。通过使用如图1中所示的OFDM信号的帧结构，载波频率恢复装置测量两个连续的同步段信号之间的相对相位旋转差。在图1中，插入到第一OFDM码元的同步段信号(第一同步段)和插入到第二OFDM码元的同步段信号(第二同步段)的间隔为“Tss+Tg+Ts”。
为了通过使用同步段信号恢复载波频率，第二延迟器405将接收到的第一同步段延迟“Tss+Tg+Ts”。第二共轭复数单元410计算延迟的第一同步段的共轭复数值。第二乘法器415将接收到的第二同步段乘以计算出的共轭复数值。第二峰值点检测器430确定同步段信号的位置。
第二相关器420计算第一同步段和与第一同步段相距一个OFDM码元间隔(即“Tss+Tg+Ts”)的第二同步段之间的相关值。第二相位估计器435测量计算出的相关值的相位。因为同步段信号的间隔为“Tss+Tg+Ts”，所以其特性曲线，是偶函数，具有±1/2(Tss+Tg+Ts)的周期。因此，不可能区分区域″±1/2(Tss+Tg+Ts)″的载波频移和外部区域，可通过测量出的相位值补偿载波频移的区域被限制为±1/2(Tss+Tg+Ts)。
同时，根据本发明实施例的载波频率恢复装置还包括加法器440，用于通过使用基于GI计算出的相关值的相位值(第一相位值)和基于同步段信号计算出的相关值的相位值(第二相位值)，改善载波频移的补偿范围。
加法器440相加第二相位值和第一相位值的负值。换句话说，从第二相位值减去第一相位值。在这种情况下，通过360°模运算获得相位差。例如，如果第一相位值是-160°，第二相位值是160°，则从加法器440输出的相位差变为40°而非-130°。载波频率恢复装置根据通过加法器440计算出的相位差通过载波频移补偿电路(未显示)补偿载波频移。
虽然从用于使用GI恢复载波频率的第一块输出的第一相位值，和从用于通过使用同步段信号恢复载波频率的第二块输出的第二相位值，都是从由于同步段Tss和GI Tg的相同的载波频移测量出的，但是第一和第二相位值是彼此不同的。根据本发明实施例的载波频率恢复装置使用两个相位值之差来扩展可恢复的载波频移的补偿范围。
图5是表示显示通过根据本发明一实施例的载波频率恢复装置可恢复的载波频移的补偿范围的特性曲线的示图。
参照图5，本实施例的载波频率恢复装置具有±α/2Ts的载波频移补偿范围，其中，α＝Ts/(Tss+Tg)。因为TDS-OFDM系统的值“Tg”是值“Ts”的1/6、1/9、1/12、1/20、和1/30，“Tss”的值大约是“Ts/10”，所以值α是3.75、4.73、5.45、6.67和7.5。因此，本实施例的载波频率恢复装置可以将可恢复的载波频率的补偿范围扩展为传统情况的大约3.75倍到大约7.5倍。
另外，根据本发明的载波频率恢复装置采用使用GI的第一块和使用同步段信号的第二块。因此，扩展了可恢复的载波频移的补偿范围，在恢复到特定程度后，只使用两个块之一小程度地调整恢复处理。因此，根据该处理系统的性能被最优化。
图6是表示根据本发明特定实施例的载波频率恢复装置的操作的流程图。
参照图6，载波频率恢复装置从TDS-OFDM系统接收OFDM信号(步骤S610)。载波频率恢复装置将接收到的信号延迟“Ts”以计算第一延迟信号，和将接收到的信号延迟“Tss+Tg+Ts”，以计算第二延迟信号(步骤S615)。
然后，将第一延迟信号的GI的共轭复数值乘以接收到的信号，将第二延迟信号的同步段的共轭复数值乘以接收到的信号(步骤S620)，通过滑动相加分别相加相乘的结果，得到第一和第二相关值(步骤S625)。通过滑动相加，以同步信号间隔Tg连续计算乘以接收到的信号的第一共轭复数值并一起相加相乘的结果。
分别测量第一相关值的第一相位值，和第二相关值的第二相位值(步骤S630)，计算测量出的相位值之差(步骤S635)，并因此补偿载波频移。
根据到目前为止在几个示例性实施例中描述的本发明，通过使用OFDM信号的帧结构，即，通过测量两个连续的同步段信号之间的相对相位旋转差，恢复载波频率。另外，通过使用来自GI的相位值和来自同步段信号的相位值之间的相位差，扩展可恢复的载波频移的补偿范围。
根据本发明，对于初始的载波频移，通过使用GI和同步段信号恢复载波频率。在载波频率恢复到特定程度后，通过使用GI和同步段之一小程度地恢复载波频率。因此，可以根据恢复的每个处理过程优化系统的性能。
前述的实施例和优点仅为示例性的并不应被解释为对本发明的限制。本发明可容易地应用于其他类型的装置。此外，对本发明实施例的描述是说明性的，而非限制权利要求的范围，很明显本领域的技术人员可以进行很多的替换、修改和变动。