DE60016074T2

DE60016074T2 - OFDM-Demodulator

Info

Publication number: DE60016074T2
Application number: DE60016074T
Authority: DE
Inventors: Takeshi Minato-ku Yamamoto; Kazuhiro Minato-ku Okanoue; Tomoki Minato-ku Osawa
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1999-03-30
Filing date: 2000-03-28
Publication date: 2005-11-24
Anticipated expiration: 2020-03-29
Also published as: DE60016074D1; EP1041790B1; US6646980B1; EP1041790A3; EP1041790A2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Demodulator eines Burst-Kommunikationssystems, in dem ein OFDM- (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) Modulationsverfahren verwendet wird, und insbesondere einen OFDM-Demodulator, in dem eine einfache Taktrückgewinnungsschaltung verwendet wird.
Ein OFDM-Modulationsverfahren ist als Modulationsverfahren für eine Multimediakommunikation, z.B. über ein drahtloses Hochgeschwindigkeits-LAN, untersucht worden. In einem drahtlosen Hochgeschwindigkeits-LAN mit einer Informationsübertragungsgeschwindigkeit von einigen zehn Mbit/s tritt bei einem herkömmlichen Modulationsverfahren, in dem z.B. eine QPSK-Modulation bezüglich einer einzelnen Trägerwelle ausgeführt wird, durch eine Mehrwegelaufzeitwelle eine starke Wellenformverzerrung über mehrere Symbole auf. Andererseits wird im OFDM-Modulationsverfahren eine Mehrträgermodulation ausgeführt, bei der ein Informationssignal in mehrere Unterträger geteilt wird, wobei die durch die Mehrwegelaufzeitwelle verursachte Wellenformverzerrung durch Einfügen/Löschen eines Schutzintervalls (Guard Interval) (GI) reduziert wird. Daher ist das Verfahren für ein drahtloses Hochgeschwindigkeitsübertragungssystem geeignet.
In einem drahtlosen LAN-System wird ein Signal im allgemeinen in einem Paket übertragen/empfangen. Am für die Synchronisation eines Pakets verwendeten Kopf des Pakets wird eine Präambel für eine Frequenzsynchronisation und eine Symboltaktsynchronisation bereitgestellt.
6 zeigt ein Diagramm zum Darstellen eines dem Standard IEEE802.11, gemäß dem der internationale Standard eines drahtlosen LAN definiert ist, entsprechenden Formats eines OFDM-Burstsignals. Gemäß dem Diagramm werden am Kopf von Burstdaten 23 eine Präambel 24 für eine OFDM-Frequenzsynchronisation und eine Symboltaktsynchronisation und eine Präambel 25 zum Schätzen einer Kanalcharakteristik eines Übertragungspfades bereitgestellt.
Die Frequenzsynchronisation wird ausgeführt, um einen Frequenzfehler eines Oszillators eines Senders/Empfängers zu korrigieren. Dies ist wichtig, weil die Qualität eines OFDM-Signals durch einen Frequenzfehler stärker abnimmt als bei einem herkömmlichen Modulationssignal. Die Symboltaktsynchronisation wird zum Demodulieren eines OFDM-Burstsignals eingerichtet.
Aus dem Gesichtspunkt der Übertragungseffizienz ist es umso vorteilhafter, je kürzer die Präambel 24 für die Takt-/Trägerfrequenzsynchronisation ist. Daher werden mehrere Symbole, die jeweils kürzer sind als die Länge des OFDM-Symbols (im allgemeinen etwa 4 μs) angeordnet. Anschließend wird die Präambel 25 zum Schätzen der Kanalcharakteristik mit der OFDM-Symbollänge angeordnet.
In 6 werden beispielsweise fünf Kurzsymbole bereitgestellt. Die Anzahl der Kurzsymbole wird gemäß der Synchronisierungsbedingung geeignet ausgewählt. Als Zeitdauer des Kurzsymbols wird im allgemeinen eine Zeitdauer festgelegt, die kürzer ist als die Zeitdauer des OFDM-Symbols und z.B. 1/2 oder 1/4 der Zeitdauer des OFDM-Symbols beträgt.
Wenn ein derartiges Kurzsymbol verwendet wird, kann, obwohl die Verarbeitungszeit vorteilhaft kurz ist, weil der Symbolzyklus kurz ist, in einer Symbolrückgewinnungsschaltung keine mittlere Abtastzahl erhalten werden, so daß ein Problem dahingehend besteht, daß keine geeignete Zeit- oder Takterfassungsgenauigkeit erhalten werden kann.
Außerdem besteht ein Problem darin, daß, weil das Kurzsymbol verwendet wird, ein Verfahren zum Erfassen eines Schaltzeitpunkts zum Umschalten des Kurzsymbols auf ein normales OFDM-Symbol kompliziert ist.
In der WO-A-96/19056 wird ein OFDM-Empfangsverfahren zum Korrigieren einer Frequenz, eines Zeitfensters, eines Abtasttaktes und langsamer Phasenänderungen beschrieben, wobei die Lage oder Position des Zeitfensters eingestellt wird.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen OFDM-Demodulator bereitzustellen, in dem eine Symbolrückgewinnungsschaltung verwendet wird, die dazu geeignet ist, eine Präambel für eine Takt-/Trägerfrequenzsynchronisation unter Verwendung von Kurzsymbolen mit hoher Detektionsgenauigkeit leicht zu erfassen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche gelöst.
Die vorstehenden und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verdeutlicht; es zeigen:
1 ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen OFDM-Demodulators;
2 ein Blockdiagramm zum Darstellen der Konfiguration einer Synchronisationsschaltung 5 von 1;
3 ein Blockdiagramm zum Darstellen der Konfiguration einer Taktrückgewinnungsschaltung 10 von 1;
4 ein erfindungsgemäßes Format von OFDM-Burstdaten;
5 ein Blockdiagramm zum Darstellen der Konfiguration einer in 1 dargestellten Schaltung 7 zum Schätzen einer Übertragungspfad- oder Kanalverzerrung; und
6 ein Format herkömmlicher OFDM-Burstdaten unter Verwendung von Kurzsymbolen.
Nachstehend wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
1 zeigt ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen OFDM-Demodulators. Im Format eines zugeführten OFDM-Burstsignals besteht, wie in 6 dargestellt, eine Präambel 24 für eine Takt-/Trägerfrequenzsynchronisation gemäß dem Standard IEEE802.11 aus Symbolen.
In 1 wird ein OFDM-Burstsignal über eine Antenne 1 empfangen. Ein Detektor 2 zum Erfassen einer orthogonalen Komponente wandelt das empfangene Signal auf der Basis eines lokalen Signals, das näherungsweise einer Trägerwelle entspricht, in ein analoges komplexes Basisbandsignal um.
A/D-Wandler 3 und 4 tasten das vom Detektor 2 zum Erfassen einer orthogonalen Komponente ausgegebene analoge komplexe Basisbandsignal ab und digitalisieren es. Eine Synchronisationsschaltung 5 empfängt die von den A/D-Wandlern 3 und 4 ausgegebenen abgetasteten und digitalisierten digitalen komplexen Basisbandsignale und führen eine Synchronisationsverarbeitung aus.
Eine Fast-Fourier-Transformations(FFT)-Schaltung führt eine Fouriertransformation bezüglich Ausgangssignalen der Synchronisationsschaltung 5 aus und teilt ein OFDM-Modulationssignal in Signale jeweiliger Unterträger.
Beim Empfang der Präambel 25 zum Schätzen der Kanalcharakteristik empfängt eine Schaltung 7 zum Schätzen einer Kanalverzerrung die Signale jeweiliger Unterträger von der FFT-Schaltung 6 und schätzt eine Kanalcharakteristik H(ω). Basierend auf dem Schätzergebnis gibt die Schaltung 7 zum Schätzen einer Kanalverzerrung einen Koeffizienten 1/H(ω) zum Kompensieren der Kanalverzerrung an eine Kanalverzerrungskompensationsschaltung 8 aus.
Die Kanalverzerrungskompensationsschaltung 8 empfängt die Signale jeweiliger Unterträger und führt eine komplexe Multiplikation der Signale mit dem Koeffizienten 1/H(ω) aus, um die Kanalverzerrung zu kompensieren, wodurch die Kanalverzerrung kompensiert wird. Eine Unterträgerdemodulationsschaltung 9 empfängt das Signal, das der Kanalverzerrungskompensation unterzogen wurde, und demoduliert jeden Unterträger.
2 zeigt die Konfiguration der Synchronisationsschaltung 5. In 2 reproduziert eine Symboltaktschätzschaltung 10, wenn die Präambel 24 für die Takt-/Trägerfrequenzsynchronisation empfangen wird, einen Symboltakt durch die von den A/D-Wandlern 3 und 4 ausgegebenen abgetasteten und digitalisierten digitalen komplexen Basisbandsignale und gibt ein Taktsignal an eine Symbolsynchronisationsverarbeitungsschaltung 13 aus.
Eine Trägerfrequenzschätzschaltung 11 schätzt die Trägerfrequenz unter Verwendung von Ausgangssignalen der A/D-Wandler 3 und 4 beim Empfang der Präambel für die Synchronisation und gibt ein Frequenzfehlerkorrektursignal an einen komplexen Multiplizierer 12 aus.
3 zeigt die Konfiguration der Symboltaktschätzschaltung 10. In 3 korreliert eine komplexe Korrelationsschaltung 14 die von den A/D-Wandlern 3 und 4 ausgegebenen abgetasteten und digitalisierten digitalen komplexen Basisbandsignale und das Muster der Präambel 24 für die Takt-/Trägerfrequenzsynchronisation eines in einer Referenzsignalspeicherschaltung 15 vorgespeicherten Kurzsymbols und gibt das Korrelationsergebnis sequentiell aus.
Eine Takterfassungsschaltung 16 überwacht das Korrelationsergebnis von der komplexen Korrelationsschaltung 14 und gibt das Takterfassungsergebnis aus.
Eine Taktsteuerungsschaltung 17 empfängt das Takterfassungsergebnis von der Takterfassungsschaltung 16, gibt ein Detektionsfenstersignal an die Takterfassungsschaltung 16 aus und gibt ein Taktsignal an die Symbolsynchronisationsverarbeitungsschaltung 13 aus.
Die Takterfassungsschaltung 16 erfaßt den Takt der Kurzsymbole als die Präambel 24 unter Verwendung des Korrelationsergebnisses von der komplexen Korrelationsschaltung 14.
Nachstehend wird das Takterfassungsverfahren unter Bezug auf 4 beschrieben. Wie in 4 dargestellt ist, entsprechen die Korrelationsergebnisse sich wiederholenden Kurzsymbolen. Wenn ein Schwellenwert gesetzt ist und das Korrelationsergebis den Schwellenwert überschreitet, wird der Peak als Takt des Kurzsymbols erfaßt.
Wenn der Takt des Kurzsymbols erfaßt wird, erzeugt die Taktsteuerungsschaltung 17 ein Detektionsfenstersignal und verschmälert die Zeitperiode, während der die Peakerfassungsoperation ausgeführt wird (Detektionszeitfenster) schrittweise, wodurch die Wahrscheinlichkeit einer fehlerhaften Peakerfassung reduziert wird. Wenn das Korrelationsergebnis den gesetzten Schwellenwert in einem Zustand nicht überschreitet, in dem die Breite des Detektionsfensters verschmälert ist, wird es als Zeitpunkt erfaßt, zu dem das Kurzsymbol auf ein Signal einer OFDM-Symboleinheit umgeschaltet wird.
5 zeigt ein Blockdiagramm der Schaltung 7 zum Schätzen der Kanalverzerrung. In diesem Diagramm wird das Präambelsignal 25 zum Schätzen der Kanalcharakteristik einem komplexen Multiplizierer 71 in der Schaltung 7 zum Schätzen der Kanalverzerrung zugeführt. Das Inverse des Musters des Präambelsignals 25 wird in einer Referenzsignalspeicherschaltung 73 gespeichert und dem anderen Eingang des komplexen Multiplizierers 71 der Schaltung 7 zum Schätzen der Kanalverzerrung zugeführt. Die Eingangssignale werden miteinander multipliziert, und ein Schätzergebnis H(ω) der Kanalcharakteristik wird als Ausgangssignal des komplexen Multiplizierers 71 erhalten. Das Ausgangssignal H(ω) des komplexen Multiplizierers 71 wird einer Invertierschaltung 72 zugeführt, in der ein Koeffizient 1/H(ω) zum Kompensieren der Kanalverzerrung berechnet wird. Der Kanalverzerrungskompensationskoeffizient 1/H(ω) wird durch den komplexen Multiplizierer 8 mit einem Ausgangssignal der FFT-Schaltung 6 multipliziert, wodurch die Kanalverzerrung kompensiert wird. Das erhaltene Signal wird an die Unterträgerdemodulationsschaltung 9 ausgegeben.
In der in 1 dargestellten Ausführungsform wird gemäß der Konfiguration einer quasi-synchronen Erfassungsschaltung ein Empfangssignal zunächst einer Verarbeitung zum Erfassen einer orthogonalen Komponente unterzogen, und anschließend wird das erhaltene Signal einer A/D-Umsetzung unterzogen. Natürlich kann auch zunächst eine A/D-Umsetzung und anschließend eine digitale Verarbeitung zum Erfassen der orthogonalen Komponente ausgeführt werden.
Wie vorstehend ausführlich beschrieben wurde, kann unter Verwendung der Präambel 24 für die Takt-/Trägerfrequenzsynchronisation, die aus in 6 dargestellten Kurzsymbolen besteht, die Schaltungsgröße einer Korrelationsschaltung oder einer ähnlichen Schaltung im Vergleich zu dem Fall, in dem eine aus OFDM-Symbolen bestehende Präambel verwendet wird, reduziert werden, und die Verarbeitungszeit wird ebenfalls reduziert.
Erfindungsgemäß wird während der Taktrückgewinnung die Takterfassungsverarbeitungszeitdauer unter Verwendung des Detektionsfenstersignals eingestellt, wodurch die Takterfassungsgenauigkeit auch bei Verwendung von Kurzsymbolen erhöht werden kann. Außerdem kann der Zeitpunkt, zu dem die Kurzsymbole auf die OFDM-Symbole umgeschaltet werden, leicht erfaßt werden, ohne daß die Schaltungsgröße zunimmt.
Erfindungsgemäß kann ein OFDM-Demodulator, in dem eine Taktrückgewinnungsschaltung verwendet wird, die eine geringe Verarbeitungzeit aufweist und stabil arbeitet, mit einer kleinen Schaltungsgröße bereitgestellt werden.
Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezug auf exemplarische Ausführungsformen beschrieben worden ist, sollte diese Beschreibung nicht im einschränkenden Sinn verstanden werden. Für Fachleute ist anhand der vorliegenden Beschreibung ersichtlich, daß innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung verschiedene Modifikationen der exemplarischen Ausführungsformen und andere Ausführungsformen möglich sind. Die vorliegenden Patentansprüche umfassen dafür alle Modifikationen oder Ausführungsformen, die in den Schutzbereich der Patentansprüche fallen.

Claims

OFDM-Demodulator zum Demodulieren eines OFDM- (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) modulierten Burstsignals, mit: einem quasi-synchronen Detektor (2) zum Umwandeln des OFDM-modulierten Burstsignals durch eine quasisynchrone Detektion in ein komplexes Basisbandsignal; einer Trägerfrequenzschätzschaltung (11) zum Empfangen des komplexen Basisbandsignals, Schätzen einer Trägerfrequenz und Kompensieren eines Trägerfrequenzfehlers; einer FFT-Einrichtung (6) zum Ausführen einer Fouriertransformation bezüglich eines Ausgangssignals einer Symbolsynchronisationsverarbeitungsschaltung (13), um das Ausgangssignal in Signale jeweiliger Unterträger zu teilen; und einem Unterträgerdemodulator (9) zum Demodulieren eines Ausgangssignals der FFT-Einrichtung für jeden Unterträger; gekennzeichnet durch eine Symboltaktschätzeinrichtung (10) zum Verschmälern der Breite eines Detektionsfensters, d.h. der Zeitdauer, während der eine Peakerfassungsverarbeitung ausgeführt wird, auf der Basis eines Ergebnisses einer Korrelation zwischen einem Präambelsignal im komplexen Basisbandsignal und einem vorgespeicherten Mustersignal und zum Zurückgewinnen eines Taktes des Burstsignals; wobei die Symbolsynchronisationsverarbeitungsschaltung (13) dazu geeignet ist, eine Symbolsynchronisation auf der Basis eines Ausgangssignals der Symboltaktschätzeinrichtung (10) bezüglich des komplexen Basisbandsignals einzurichten, in dem der Trägerfrequenzfehler kompensiert worden ist.
OFDM-Demodulator nach Anspruch 1, wobei die Symboltaktschätzschaltung einen Peak in der Korrelation zwischen einem Präambelsignal im komplexen Basisbandsignal und einem vorgespeicherten Mustersignal erfaßt, wenn das Korrelationsergebnis einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet, um den Takt eines Kurzsymbols im Präambelsignal zu erfassen, wenn das Kurzsymbol erfaßt wird, ein Detektionsfenster schrittweise verschmälert, und einen Zeitpunkt erfaßt, zu dem das Korrelationsergebnis den vorgegebenen Schwellenwert nicht überschreitet.