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CN1187918C - 正交频分复用通信装置 - Google Patents

正交频分复用通信装置 Download PDF

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CN1187918C
CN1187918C CNB001040413A CN00104041A CN1187918C CN 1187918 C CN1187918 C CN 1187918C CN B001040413 A CNB001040413 A CN B001040413A CN 00104041 A CN00104041 A CN 00104041A CN 1187918 C CN1187918 C CN 1187918C
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CN
China
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signal
amplitude
ofdm
pilot
ifft
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CNB001040413A
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须藤浩章
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Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

导频的发送数据、即已知信号被输出到乘法器103，以使用预定系数进行幅度调整(增益控制)。考虑到例如差错率恶化和整个发送功率中峰值功率的增量，该系数被适当设置在使已知信号的幅度大于消息信号的幅度的范围内。此外，由于导频数小于所有载波数，所以导频的增益的增量对峰值功率的增量不总是具有大的影响。

Description

正交频分复用通信装置
技术领域
本发明涉及OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用)通信装置，特别涉及移动通信系统中的OFDM通信装置。
背景技术
在传输路径中导致地面波传输特性恶化的主要因素是多径干扰。抵抗多径干扰的OFDM发送系统最近受到关注。OFDM在信号区间内复用多个(几十个到几百个)彼此正交的数字已调信号。
使用图1至3来说明现有OFDM通信装置。图1是现有OFDM通信装置的概略结构的局部方框图，图2是OFDM发送/接收信号的概略结构示意图，图3是多值已调信号的信号空间图。
在现有OFDM通信装置中，消息在调制部1中被正交调制，并且在IFFT部2中被IFFT(逆快速付立叶变换)运算为OFDM信号。同时，已知信号在IFFT部2中被IFFT运算为OFDM信号。这些OFDM信号在D/A转换部3中被D/A转换为基带信号。基带信号被放大，然后作为发送信号经天线发送。
经天线接收到的接收信号在A/D转换器7中被转换为数字信号，在FFT部6中被FFT运算(快速付立叶变换)，然后在相干检测部5中使用分配给信号头部用于符号同步捕获的导频符号(pilot symbol)进行相干检测。相干检测过的信号被输出到相位补偿部4，并且根据导频符号的相位进行相位补偿。
如图2所示，接收信号包含导频(pilot carriers)，导频包含已知信号，用于对导频符号之外的接收信号执行相位补偿。这里，如图2所示，假设4个载波包含在接收信号中。此外，如图3所示，假设以2比特发送导频中包含的已知信号，以16QAM(正交调幅)(4比特)发送用户数据。
对于接收信号中包含的以导频发送的已知信号，检测每个载波的相位差，并且计算所有导频的相位差的平均。该相位差的平均是接收信号的相位旋转量(剩余频偏校正量)。导频被分离后的其余接收信号、即用户数据在相位补偿部4中按照获得的相位旋转量进行相位补偿。这样，根据插入到发送信号中的导频，计算接收信号的相位旋转量，以检测相位误差。
通常，热噪声叠加在接收信号上。在此情况下，热噪声均等地叠加在导频和其他副载波上。从而，当根据以导频发送的已知信号对用户数据执行相位补偿时，可以预料，用户数据除了包含叠加在副载波上的热噪声之外，还包含叠加在导频上的热噪声。因此，在通信环境中，当热噪声的电平高时，换言之，当载波噪声比(C/N比)低时，使用已知信号的相位误差检测的精度恶化，导致不能对用户数据执行精确的相位补偿的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种OFDM通信装置，即使当载波噪声比(C/N比)低时，也能够对用户数据精确地执行相位补偿。
本发明的主题是执行导频的已知信号的幅度调整(增益控制)，或者为导频分配在多值正交调幅中具有大幅度的信号，以增大已知信号的C/N比，使得即使当通信环境中C/N比低时，也能够对用户数据精确地执行相位补偿。
本发明的目的是通过一种OFDM通信装置实现的，该装置包括：调制部件，用于对分配给副载波的消息信号进行调制，该副载波不同于被分配已知信号的导频；幅度调整部件，用于调整分配给所述导频的已知信号的幅度，使得所述幅度大于分配给所述副载波的消息信号的幅度；IFFT部件，用于对由所述调制部件调制的消息信号和由所述幅度调整部件幅度调整后的已知信号进行IFFT计算，以产生OFDM信号；以及发送部件，用于发送该由所述IFFT部件产生的OFDM信号。
本发明的目的还通过一种OFDM通信装置实现，其包括：调制部件，用于利用多值正交调幅方案对消息信号进行调制；载波分配部件，用于将由所述调制部件调制过的信号中对应于具有大幅度的信号点的信号分配给导频，而将其余的信号分配给不同于该导频的副载波；IFFT部件，用于分别对由所述载波分配部件分配给导频和副载波的信号进行IFFT计算，以产生OFDM信号；以及发送部件，用于发送由所述IFFT部件产生的OFDM信号。
本发明的目的还通过一种OFDM通信方法实现，其包括步骤：对分配给副载波的消息信号进行调制，该副载波不同于被分配已知信号的导频；调整分配给所述导频的已知信号的幅度，使得所述幅度大于分配给所述副载波的消息信号的幅度；对在所述调制步骤调制的消息信号和在所述幅度调整步骤幅度调整的已知信号进行IFFT计算，以产生OFDM信号；以及发送该在IFFT计算步骤产生的OFDM信号。
本发明的目的还通过一种OFDM通信方法实现，其包括步骤：利用多值正交调幅方案对消息信号进行调制；将在所述调制步骤调制的信号中对应于具有大幅度的信号点的信号分配给导频，而将其余的信号分配给不同于该导频的副载波；分别对在所述分配步骤中分配给导频和副载波的信号进行IFFT计算，以产生OFDM信号；以及发送该在所述IFFT计算步骤产生的OFDM信号。
附图说明
通过下面结合示例性地示出一例的附图进行的描述，本发明的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，其中：
图1是现有OFDM通信装置的方框图；
图2是OFDM发送/接收信号的结构示意图；
图3是现有OFDM通信装置中发送信号的信号空间图；
图4是本发明第一实施例的OFDM通信装置的方框图；
图5是第二实施例的OFDM通信装置中发送信号的信号空间图；
图6是本发明第三实施例的OFDM通信装置的方框图；
图7是本发明第四实施例的OFDM通信装置的方框图；以及
图8是本发明第五实施例的OFDM通信装置的方框图。
具体实施方式
下面，参照附图来详细说明本发明的实施例。
(第一实施例)
图4是本发明第一实施例的OFDM通信装置的方框图。
首先，每个副载波的发送数据(消息)在调制部101中进行数字调制处理，例如QPSK(正交相移键控)或QAM(正交调幅)，然后在IFFT部102中被IFFT运算为OFDM信号。
导频的已知信号被输出到乘法器103，以使用预定系数进行幅度调整。已知信号以与上述相同的方式在IFFT部102中被IFFT运算为OFDM信号。
这些OFDM信号在D/A转换部104中被转换为基带信号。基带信号经过低通滤波器(未图示)，从信号中除去无用的分量，然后在放大器中被放大，以作为发送信号经天线发送。
同时，经天线接收到的信号在自动增益控制部中进行增益控制，成为基带信号。基带信号经过正交检测处理，然后经过低通滤波器，从信号中除去无用的频率分量，并且在A/D转换部108中被A/D转换。此外，接收信号通过正交检测处理分离为同相分量和正交分量，然而，在图中示出单个信号路由。
基带信号在FFT运算部107中被FFT运算，以获得分配给每个副载波的信号。该信号被输出到相干检测部106，以使用导频符号进行相干检测。相干检测过的信号被输出到相位补偿部105，并且在那里进行相位补偿，成为接收数据(消息)。
下面说明具有上述结构的OFDM通信装置的操作。
导频的发送数据、即已知信号被输出到乘法器103，以使用预定系数进行幅度调整(增益控制)。换言之，乘法器103将已知信号乘以预定系数，以执行幅度调整。考虑到例如差错率恶化和整个发送功率中峰值功率的增量，该系数被适当设置在使已知信号的幅度大于消息信号的幅度的范围内。此外，由于导频数小于所有载波数，所以导频的增益的增量对峰值功率的增量不总是具有大的影响。
这样幅度调整过的已知信号与正交调制过的消息信号一起被IFFT运算为OFDM信号。OFDM信号被D/A转换为基带信号，然后被放大，以作为发送信号经天线发送。
经天线接收到的接收信号被转换为数字信号，然后被FFT运算。运算过的信号使用分配给信号头部用于符号同步捕获的导频符号进行相干检测。相干检测过的信号被输出到相位补偿部105。
相位补偿部105对相干检测过的信号进行两级相位补偿：使用导频符号作为参考的相位补偿、和使用导频的已知信号的相位补偿。
换言之，对于相干检测过的信号，由衰落引起的相位变化通过使用导频符号作为参考的相位补偿来除去。其次，对于除去由衰落引起的相位变化的信号，由剩余频偏引起的相位变化通过使用载频的已知信号作为参考的相位补偿来除去。
此时，对于接收信号中包含的导频的已知信号，检测每个副载波的相位差，并且计算所有副载频的相位差的平均。该相位差的平均是接收信号的相位旋转量(剩余频偏校正量)。
导频被分离后的其余接收信号、即用户数据按照获得的相位旋转量进行相位补偿。这样相位补偿过的信号被取出作为接收消息。
由于发送端增加已知信号的幅度，所以能够为已知信号获得高C/N比。从而，在通信环境中，即使当热噪声的电平高时，换言之，即使当C/N比低时，接收端也能够接收到具有足以检测相位误差的电平的导频的已知信号，从而维持相位误差检测的精度。因此，能够使用已知信号以高精度执行相位误差检测，并且对用户数据执行精确的相位补偿。
(第二实施例)
本实施例说明用多值正交调幅系统来发送消息信号的情况。当用多值正交调幅系统(这里用16QAM系统)来发送消息信号时，接收端的信号点排列如图5所示。
在图5所示的信号空间图中，由于从原点到信号点的距离表示幅度，所以随着离原点的距离变长，幅度也变大。即，在图5中，信号点(0010)、(1010)、(1000)和(0000)具有大幅度。
发送端执行载波分配，使得分别与上述信号点对应的信号成为导频的已知信号。这四个信号点的幅度大于其他信号点的幅度，如上所述。从而，认为与这些信号点对应的信号等价于在第一实施例中通过将已知信号乘以预定系数而获得的结果信号。换言之，认为这些信号点是通过对其他信号点执行幅度调整而获得的。
这样，以导频发送的具有大幅度的信号在接收端被转换为数字信号，然后被FFT运算。运算过的信号使用分配给信号头部用于符号同步捕获的导频符号进行相干检测。相干检测过的信号被输出到相位补偿部105。
相位补偿部105以与实施例1相同的方式对相干检测过的信号进行两级相位补偿：使用导频符号作为参考的相位补偿、和使用导频的已知信号的相位补偿。
由于发送端使用在多值正交调制系统中获得的幅度大的信号作为已知信号，所以能够为已知信号获得高C/N比。这种情况使得无需特别的幅度调整(增益控制)，从而能够简化装置。
根据这种结构，在通信环境中，即使当热噪声的电平高时，换言之，即使当C/N比低时，接收端也能够接收到具有足以检测相位误差的电平的导频的已知信号，从而维持相位误差检测的精度。因此，能够使用已知信号以高精度执行相位误差检测，并且对用户数据执行精确的相位补偿。
(第三实施例)
本实施例说明下述情况：将幅度调整中使用的系数设置为通过使用比特移位器及加法和减法可获得的值，而不使用乘法器，以便减小硬件规模。
图6是本发明第三实施例的OFDM通信装置的方框图。在图6中，与图4相同的部分被赋予与图4相同的标号，以省略其说明。
图6所示的OFDM通信装置设有比特移位器301，以取代乘法器103。幅度调整(增益控制)通过该比特移位器301来执行。
下面说明具有上述结构的OFDM通信装置的操作。
导频的数据、即已知信号被输出到比特移位器301，以使用预定系数进行幅度调整(增益控制)。换言之，通过在比特移位器301中执行比特移位和加法，对已知信号执行幅度调整。
在数字信号处理中，由于通过一比特移位，信号的幅度成为原来幅度的一半，所以二比特移位成为原来幅度的0.25倍。比特移位器301将一比特移位的输出信号和二比特移位的输出信号相加，以获得具有0.75倍于原来幅度的输出信号，再将具有0.75倍于原来幅度的输出信号和具有原来幅度的已知信号相加，从而获得具有1.75倍于原来幅度的输出信号。此外，放大率可以通过比特移位器及加法和减法来适当确定。这样，由于本实施例的结构无需乘法器，所以能够减少运算量，从而减小硬件规模。
这样幅度调整过的已知信号与正交调制过的消息信号一起被IFFT运算为OFDM信号。OFDM信号被D/A转换为基带信号，然后被放大，以作为发送信号经天线发送。
经天线接收到的接收信号被转换为数字信号，然后被FFT运算。运算过的信号使用分配给信号头部用于符号同步捕获的导频符号进行相干检测。相干检测过的信号被输出到相位补偿部105。
相位补偿部105以与第一实施例相同的方式对相干检测过的信号进行两级相位补偿：使用导频符号作为参考的相位补偿、和使用导频的已知信号的相位补偿。
由于发送端增加已知信号的幅度，所以能够为已知信号获得高C/N比。从而，在通信环境中，即使当热噪声的电平高时，换言之，即使当C/N比低时，接收端也能够接收到具有足以检测相位误差的电平的导频的已知信号，从而维持相位误差检测的精度。因此，能够使用已知信号以高精度执行相位误差检测，并且对用户数据执行精确的相位补偿。
(第四实施例)
本实施例说明下述情况：按照信道品质来切换幅度调整中使用的系数，以便改善相位误差检测特性，同时防止峰值功率增加。
图7是本发明第四实施例的OFDM通信装置的方框图。在图7中，与图4相同的部分被赋予与图4相同的标号，以省略其说明。
图7所示的OFDM通信装置对相位补偿部105的输出执行信道估计，使用阈值对估计出的信道值进行确定，以切换幅度调整中使用的系数。即，图7所示的OFDM通信装置具有：确定部401，对相位补偿过的信号进行象限确定；减法器402，获得确定结果和接收信号之差；减法器403，获得该减法结果和预定阈值之差；确定部404，对该减法结果进行确定；以及选择器405，根据确定结果来选择幅度调整中使用的系数。
下面说明具有上述结构的OFDM通信装置的操作。
导频的发送数据、即已知信号被输出到乘法器103，以使用预定系数进行幅度调整(增益控制)。换言之，乘法器103将已知信号乘以预定系数，以执行幅度调整。
这样幅度调整过的已知信号与正交调制过的消息信号一起被IFFT运算为OFDM信号。OFDM信号被D/A转换为基带信号，然后被放大，以作为发送信号经天线发送。
经天线接收到的接收信号被转换为数字信号，然后被FFT运算。运算过的信号使用分配给信号头部用于符号同步捕获的导频符号进行相干检测。相干检测过的信号被输出到相位补偿部105。
相位补偿部105以与第一实施例相同的方式对相干检测过的信号进行两级相位补偿：使用导频符号作为参考的相位补偿、和使用导频的已知信号的相位补偿。
相位补偿过的信号在确定部401中进行象限确定。象限确定过的信号被输出到减法器402，以与相位补偿过的信号进行减法处理，并且该减法结果被输出到减法器403。减法器403对减法器402的减法结果与阈值执行减法处理。该阈值按照信道品质来适当设置。
减法器403中的减法结果被输出到确定部404，以使用阈值进行确定，并且确定结果被输出到选择器405。按照使用阈值获得的确定结果，换言之，按照信道品质，选择器405选择已知信号的幅度调整中使用的系数。例如，在信道品质良好的情况下，换言之，在减法器402的减法结果未超过阈值的情况下，选择器405选择相对小的系数1，以抑制峰值功率的增加。另一方面，在信道品质恶劣的情况下，换言之，在减法器402的减法结果超过阈值的情况下，选择器405选择相对大的系数2，以向已知信号提供大的幅度调整，从而改善相位误差检测特性。这样，能够改善相位误差检测特性，同时防止峰值功率增加。
由于发送端增加已知信号的幅度，所以能够为已知信号获得高C/N比。从而，在通信环境中，即使当热噪声的电平高时，换言之，即使当C/N比低时，接收端也能够接收到具有足以检测相位误差的电平的导频的已知信号，从而维持相位误差检测的精度。因此，能够使用已知信号以高精度执行相位误差检测，并且对用户数据执行精确的相位补偿。
(第五实施例)
本实施例说明下述情况：改善信道品质估计的可靠性，以便改善已知信号的幅度调整的精度。
图8是本发明第五实施例的OFDM通信装置的方框图。在图8中，与图7相同的部分被赋予与图7相同的标号，以省略其说明。
图8所示的OFDM通信装置具有平均部501，在多个符号或多个时隙中对减法器402的结果进行平均。
下面说明具有上述结构的OFDM通信装置的操作。
导频的发送数据、即已知信号被输出到乘法器103，以使用预定系数进行幅度调整(增益控制)。换言之，乘法器103将已知信号乘以预定系数，以执行幅度调整。
这样幅度调整过的已知信号与正交调制过的消息信号一起被IFFT运算为OFDM信号。OFDM信号被D/A转换为基带信号，然后被放大，以作为发送信号经天线发送。
经天线接收到的接收信号被转换为数字信号，然后被FFT运算。运算过的信号使用分配给信号头部用于符号同步捕获的导频符号进行相干检测。相干检测过的信号被输出到相位补偿部105。
相位补偿部105以与第一实施例相同的方式对相干检测过的信号进行两级相位补偿：使用导频符号作为参考的相位补偿、和使用导频的已知信号的相位补偿。
相位补偿过的信号在确定部401中进行象限确定。象限确定过的信号在减法器402中与相位补偿过的信号进行减法处理，并且该减法结果被输出到平均部501。平均部501存储多个符号或多个时隙的减法结果以计算平均，并且将平均输出到减法器403。减法器403对平均部501的平均与阈值执行减法处理。该阈值按照信道品质来适当设置。
平均部501中的平均被输出到确定部404以使用阈值进行确定，并且确定结果被输出到选择器405。按照使用阈值获得的确定结果，换言之，按照信道品质，选择器405选择已知信号的幅度调整中使用的系数。例如，按照信道品质，选择器405选择幅度调整中使用的系数以进行切换。
具体地说，在信道品质良好的情况下，换言之，在减法器402的减法结果未超过阈值的情况下，选择器405选择相对小的系数1，以抑制峰值功率的增加。另一方面，在信道品质恶劣的情况下，换言之，在减法器402的减法结果超过阈值的情况下，选择器405选择相对大的系数2，以向已知信号提供大的幅度调整，从而改善相位误差检测特性。这样，能够改善相位误差检测特性，同时防止峰值功率增加。此外，由于多个符号或多个时隙的减法结果被存储，同时计算该结果的平均，所以改善了信道品质估计的可靠性，因此可以进一步优选增益系数。
这样，由于发送端增加已知信号的幅度，所以能够为已知信号获得高C/N比。从而，在通信环境中，即使当热噪声的电平高时，换言之，即使当C/N比低时，接收端也能够接收到具有足以检测相位误差的电平的导频的已知信号，从而维持相位误差检测的精度。因此，能够使用已知信号以高精度执行相位误差检测，并且对用户数据执行精确的相位补偿。
上述实施例1至5任一个中的OFDM通信装置都适用于基站和通信终端装置，例如数字无线通信系统中的移动台。将本发明应用到其上使得这种装置能够对用户数据执行精确的相位补偿，并且当载波噪声比(C/N比)低时进一步执行高度抵抗多径干扰的通信。
本发明不限于上述第一至第五实施例，而是能够以各种修改来实施。此外，上述第一至第五实施例可以适当组合来实施。
如上所述，本发明的OFDM通信装置执行以导频发送的已知信号的幅度调整(增益控制)，或者为导频分配在多值正交调幅中具有大幅度的信号，从而该装置提高已知信号的C/N比，因此即使当通信环境中的C/N比低时，也能够对用户数据精确地执行相位补偿。
本发明不限于上述实施例，在不脱离本发明范围的情况下，可以进行各种变形和修改。
本申请基于1999年3月16日提交的日本专利申请No.HEI11-070899，其全部内容明确包含于此作为参考。

Claims (9)

1、一种OFDM通信装置，其包括：
调制部件，用于对分配给副载波的消息信号进行调制，该副载波不同于被分配已知信号的导频；
幅度调整部件，用于调整分配给所述导频的已知信号的幅度，使得所述幅度大于分配给所述副载波的消息信号的幅度；
IFFT部件，用于对由所述调制部件调制的消息信号和由所述幅度调整部件幅度调整后的已知信号进行IFFT计算，以产生OFDM信号；以及
发送部件，用于发送该由所述IFFT部件产生的OFDM信号。
2、一种OFDM通信装置，其包括：
调制部件，用于利用多值正交调幅方案对消息信号进行调制；
载波分配部件，用于将由所述调制部件调制过的信号中对应于具有大幅度的信号点的信号分配给导频，而将其余的信号分配给不同于该导频的副载波；
IFFT部件，用于分别对由所述载波分配部件分配给导频和副载波的信号进行IFFT计算，以产生OFDM信号；以及
发送部件，用于发送由所述IFFT部件产生的OFDM信号。
3、如权利要求1所述的OFDM通信装置，其中，所述幅度调整部件由比特移位器构成，该比特移位器替代乘法器实施移位、加法和减法。
4、如权利要求1所述的OFDM通信装置，还包括：
信道品质估计部件，用于估计通信信道的品质；以及
幅度调整控制部件，用于控制由所述幅度调整部件进行的幅度调整，以便按照所述信道品质估计部件估计出的品质来调整所述已知信号振幅的量级。
5、如权利要求4所述的OFDM通信装置，其中，所述信道品质估计部件具有平均部件，用于平均多个符号或多个时隙的估计出的信道品质值。
6、一种OFDM通信方法，包括步骤：
对分配给副载波的消息信号进行调制，该副载波不同于被分配已知信号的导频；
调整分配给所述导频的已知信号的幅度，使得所述幅度大于分配给所述副载波的消息信号的幅度；
对在所述调制步骤调制的消息信号和在所述幅度调整步骤幅度调整的已知信号进行IFFT计算，以产生OFDM信号；以及
发送该在IFFT计算步骤产生的OFDM信号。
7、一种OFDM通信方法，包括步骤：
利用多值正交调幅方案对消息信号进行调制；
将在所述调制步骤调制的信号中对应于具有大幅度的信号点的信号分配给导频，而将其余的信号分配给不同于该导频的副载波；
分别对在所述分配步骤中分配给导频和副载波的信号进行IFFT计算，以产生OFDM信号；以及
发送该在所述IFFT计算步骤产生的OFDM信号。
8、如权利要求6所述的OFDM通信方法，还包括步骤：估计通信信道的品质；以及
控制所述幅度调整步骤中的幅度调整，以便按照在所述信道品质估计步骤中估计出的品质来调整所述已知信号振幅的量级。
9、如权利要求8所述的OFDM通信方法，其中，所述估计步骤具有平均多个符号或多个时隙的估计出的信道品质值的步骤。
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