用于正交频分多路复用的方法、同步方法、调制器和解调器

摘要

正交频分多路复用(OFDM)方法，其中发送器根据载波在调制中产生具有精确相位的时钟和基准信号，而接收器再生具有精确相位的基准信号，尽管载波的信号噪声比(S/N)比较差。OFDM方法包括下列步骤，用多种载波对一组数字信号实现AM调制，其中的基准信号是在一个符号周期内进行FM调制的；复合AM调制的载波及把复合载波调制成主载波，通过用发送的基准信号锁相FM调制的再生基准信号来检波主载波，同时对复合载波进行快速富里叶变换以解调数字信号。

说明书

本发明涉及在广播通信领域中信号的调制及解调技术，特别涉及在正交频分多路复用(OFDM)方法中复合波信号的同步方法。本发明亦涉及为实现同步方法的OFDM调制器、OFDM解调器、正交振幅调制(QAM)的调制器及QAM解调器。

根据OFDM系统，在发送端，一个周期时间内有一组数字信号用多种载波实现振幅调制(下文称AM调制)，这些载波是复合成的，这些复合的载波被调制成主载波，例如信道2载波，再发送调制的结果。在接收端，检波到主载波且OFDM复合波被进行快速富里叶变换，从而解调所需的数字信号。为了解调复合波，在发射端和接收端之间需要同步。因而，在发射端和接收端之间需要用实现这种同步的同步信号来使时钟同步。

根据传统的OFDM同步方法，在一帧的第一个符号周期，发送端并不调制射频(RF)载波，并以同样的方式发送，而接收端用锁相环(PLL)在这样一个不调制的时间间隔内用载波实现锁相，从而同发送端取得同步。

而根据上述传统方法，当在未调制的时间间隔内载波中包含噪声时，在未调制的时间间隔内由PLL电路用载波锁定的基准信号，由于载波内产生的相位误差而变得不稳定。

为了解决上面的问题，本发明的一个目的是提供一种OFDM方法及同步方法，以及实现OFDM方法的调制器和解调器，其中，产生一个具有精确相位的基准信号，同时在发送端，即OFDM调制器产生为调制用(例如QAM)的时钟和基准信号，这些信号是通过载波用于OFDM中；在接收端，即OFDM解调器再生具有精确相位的基准信号，尽管载波的信号噪声比(S/N)比较差。

为了实现本发明的上述目的，提供了正交频分多路复用(OFDM)方法，这种方法包括下列步骤：

(S₁)以多种载波，对一组数字信号进行AM调制；

(S₂)复合AM调制的载波，并把复合载波调制到主载波上；

(S₃)检测主载波；以及

(S₄)对复合载波进行快速富里叶变换，以解调数字信号。

其中AM调制步(S1)包括S11步和S12步，S11步在符号周期对一基准信号进行频率调制(下文称FM调制)，而S12步在其它符号周期对数字信号进行AM调制。

其中检波步(S3)包括S31步，它用FM调制后发送的基准信号锁相再生的基准信号。

根据本发明亦提供一种OFDM同步方法，用在调制器中，以多种载波用AM调制一组数字信号、复合AM调制的载波并把复合载波调制到主载波上；还用在一解调器中，检波主载波并对复合载波快速富里叶变换以解调数字信号，OFDM同步方法包括下面各步：

在符号周期，在调制器中用FM调制基准信号；及

为了为解调器产生基准时钟，用FM调制的基准信号对再生的基准信号锁相。

根据本发明亦提供OFDM调制器，其中包括：

一个串行到并行(S/P)的转换器，把输入数据位流从串行转成并行；

一个反向快速富里叶变换器，对S/P转换器来的并行数据实现反向快速富里叶变换；

数模(D/A)转换器，对反向快速富里叶变换数据实现数模转换；

同步调制装置，用AM调制D/A转换的数据，并为同步产生基准信号；以及

一个把AM调制的输入数据转换成所需载频的单元。

其中同步调制装置包括：

一个FM信号发生器，用来产生FM调制的基准信号和移相基准信号；

一个AM调制器，用D/A转换的输入数据中实信号，对FM调制的基准信号进行AM调制，以得到第一AM信号；用D/A转换的输入数据中虚信号，对移相基准信号进行AM调制，以得到第二AM信号；并且把第一和第二AM信号相加；以及

一个控制器，通过限制D/A转换的输入数据中实信号，来抑制第二AM信号，而该输入数据在所要求的同步周期内将提供给AM调制器。

根据本发明亦提供一个OFDM解调器，它包括：

调谐器，以得到在所要求的频率上，用所接收的载波锁相的中频(IF)信号；

IF检波器，从调谐器提供的IF信号中得到实信号和虚信号；

模数(A/D)转换器，对IF检波器提供的实信号和虚信号进行模数转换；

快速富里叶变换器，对A/D转换的实信号和虚信号进行离散快速富里叶变换；以及

并行到串行(P/S)的转换器，把离散快速富里叶变换的实信号和虚信号转换成串联数据并输出位流，

还包括一个同步检波器，对IF检波器提供的IF信号进行FM检波、解调基准信号以得到同步信号；亦包括时钟再生器，通过以同步检波器中解调的基准信号锁相内部基准信号，来再生基准时钟。

下面根据附图来说明优选实施例，其中：

图1是说明本发明的原理流程图；

图2是说明OFDM信号格式的曲线图；

图3是说明同步信号的波形图；

图4A、4B是根据本发明的一个实施例的OFDM调制器的方块图。

图5是波形图，对由图4的OFDM调制器的反向快速富里叶变换所得到的复合波进行了说明。

图6A、6B是根据本发明的一个实施例的OFDM解调器的方块图。

图7是图4的OFDM调制器中同步和调制部分的方块图。

图8是图6的OFDM解调器中时钟再生和同步检波部分的方块图。

图9是图6的OFDM解调器中所用的保持电路的方块图。

图10是说明图9的保持电路的采集时间进行的时序图。

本发明的优选实施例根据附图详细地在下面说明。

图1说明了本发明的原理，正交频分复用(OFDM)方法包括下面几步，(S1)步以多种载频对一组数字信号进行AM调制，(S2)步复合AM调制的载波及把调制的复合载波调制到主载波上，(S3)步检测主载波，以及(S4)步对复合载波进行快速富里叶变换以解调数字信号，其中，AM调制步(S1)包括S11步和S12步，S11步在一个符号周期对基准信号进行频率调制(下文称FM调制)，S12步在其它符号周期对数字信号进行AM调制，检波步(S3)包括步(S31)用FM调制发送的基准信号锁相再生的基准信号。

图2是一图形，对OFDM信号格式进行了说明。一个符号周期是由有效符号周期和引导带组成。一帧由一组符号组成。在本发明的实施例中，一个帧由127符号组成。一个同步信号插到一帧的开头处。图3是一波形图，它对本发明的实施例中所用的同步信号的格式进行说明。同步信号是12个周期的100KHz信号，这些信号的相位同时钟一致，同步信号的宽度为130μsec。体现本发明的发送器对图3所示的同步信号进行FM调制，发送所调制的结果，下面的表1显示了本发明一个实施例中OFDM系统的技术指标。

表1.  OFDM系统的技术指标

    项目    值    载波数    1001    引导区    27.6μsec    有效符号间隔    102.4μsec    位率    30.8Mbit/sec    主时钟    10.0MitE    一帧    127符号    同步信号    100KHz12周期    时钟相位    载波锁定    一个符号    130μsec

下文将叙述满足上述技术指标的OFDM系统。

图4A、4B是根据本发明实施例的OFDM调制器的方块图。OFDM调制器主要包括一个S/P转换器10，用来对所接收的输入位流进行串到并的转换；一个反向快速富里叶转换器(IFFT)16，用来对经S/P转换的信号进行反向快速富里叶转换；一个正交二相调制器26，用来对模拟的反向快速富里叶转换结果进行正交二相调制；一个加法器28，把同步信号加到正交二相调制信号上；还包括一个混频器30，把基准信号和正交二相调制信号进行混频，以产生载波。

串联输入位流由S/P转换器10被转换成两个2位信号，即实信号和虚信号。2位实信号和2位虚信号分别提供给源库(bank)12和14，并被格式化成适合IFFT16的输入格式。格式化的数据以一个符号为单位提供给IFFT16。例如，每个源库12或14发送对应于1024载波的2位数据。IFFT16根据实信号和虚信号所组成的2个输入数据从幅度值生成一个载波，从而由此输出1024载波的复合波的幅度数据，这样1024幅度数据被输出。

从IFFT16输出的载波的复合波的1024个幅度数据被记录在连到IFFT16输出端的目标库18和20上。图5显示了相应于从IFFT16输出且记录在库18和20上的复合波的一个符号周期的幅度。目标库18和20把引导带的波形数据加到所记录的复合波上并输出一个预定的采样频率。从目标库18和20输出的数字信号分别通过D/A转换器22和24转换成模拟信号，然后提供给正交二相调制器26。

正交二相调制器26对来自D/A转换器22的实信号及来自D/A转换器24的虚信号进行AM调制，以变成正弦和余弦载波，并且把AM调制的正弦载波和余弦载波相加，从而产生载波被抑制的正交振幅调制(QAM)信号。

加法器28接收同步信号和从正交二相调制器26输出的QAM调制信号，并把同步信号加到QAM调制的信号上。这里同步信号由同步发生器34产生，所生成的同步信号用在OFDM调制器中。同步发生器34连到锁相环(PLL)和时钟发生器32以产生同输入位流信号同步的时钟或基准载波信号，以便从同步时钟产生同步信号。

混频器30连到加法器28及PLL和时钟发生器32并把101MHz的基准信号和QAM调制的信号混频，以形成能得到美国第二信道载波的70.2MHz的载波，上述101MHz基准信号从PLL和时钟发生器32中得到的，QAM调制信号来自加法器28。

图6是按照本发明一实施例的OFDM调制器的方块图。OFDM调制器包括调谐器40，调谐器可以使用同传统电视接收机中相同的调谐器。输入给调谐器的信道二的载波用调谐器40输出的中频信号锁相。

为接收IF信号而连到调谐器40的IF检波器54用同步检波方法对由输入的IF信号所得的实信号和虚信号进行去解调。时钟发生器56用调谐器40接收的IF信号再生由IF信号锁相的时钟。同步检波器56对调谐器40接收的IF信号进行AM检波，并检测基准信号(如100KHz)的同步信号的时间状态。结果，在OFDM解调器中采用该同步信号。

在IF同步检波器54中解调的模拟实信号和虚信号，分别由A/D转换器60和62转换成数字信号，然后，分别提供给源库64和66。为了把输入的数字信号数据提供给FFT68，源库64和66把输入的数字数据转换成适合于快速富里叶变换器(FFT)的输入格式的数据格式。

实信号和虚信号经源库64和66提供给FFT68，以实现离散的快速富里叶变换。FFT68对从输入实信号和虚信号所得到的复合载波(例如包括1024个数据)进行快速富里叶变换并计算每个载波的幅度值，以解调数字信号。被解调的二个数字信号提供给P/S转换器74，以便经过目标库70和72以2个如2位的数据生成一个串联信号。P/A转换器74输出在编码时对应于输入位流的位流。

图7是图4的OFDM调制器中同步和调制部分的方块图，作为一个例子，载波为30.8MHz，而同步和调制部分的工作情况将在下面叙述。

同步和调制部分包括FM信号发生器78，产生FM调制的压控振荡信号及其90°相移信号；第一AM调制器86，它把FM调制的信号(一载波)进行AM调制成实信号；第二AM调制器98，它把90°相移的载波进行AM调制成虚信号；以及第二加法器100，它把第一和第二AM调制器86和98中调制的载波相加。同步和调制部分还包括第一开关82，用来将实信号切换给第一AM调制器86；第二开关84，它将第二AM调制器98的输出切换给第二加法器100；控制器80，用来停止第一和第二开关电路82和84的工作。

产生FM调制的压控振荡信号和90°移相信号的FM信号发生器78的操作将在下面叙述。IF载波用发送的位流频率锁相，以便由此在30.8MHz振荡并在内部压控振荡器(VCO)88中实现锁相，压控振荡器可通过改变直流电流而改变频率，相位检测器92把外部基准信号发生器102输入的30.8MHz的外部基准信号的载波同VCO88得到的载波比较，使前者和后者同步。相位检测器92的输出信号经第一加法器94控制VCO88。由于30.8MHz的载波是在100KHz的基准信号上用FM调制的，所以第一加法器94把脉冲串信号发生器90生成的100KHz的基准信号叠加到相位检测器92的输出信号上，当载波不是在基准信号上周FM调制时，第一加法器94就使相位检波器92的加到VCO88的输出信号通过。脉冲串信号发生器90把30.8MHz的频率分成308个子频率，并生成100KHz的基准信号，这个基准信号用于在每个符号周期在100KHz的载波的FM调制。因此，从VCO88提供的30.8MHz信号是用FM调制的，以提供给第一调制器86。而且，从VCO88提供的FM调制的载波的相位在90°相移器96中相移90°后提供给第二调制器98。

接着，说明同步和调制部分的全部操作。控制器80接收一个启始信号，然后确定100KHz的基准信号的插入位置。然后，控制器80控制第一和第二开关82和84的开关操作。在同步信号周期时间内，控制器80关闭第一开关电路82，并通过关闭实信号来形成一个DC信号。因此，在同步信号周期时间内，VCO88输出的FM信号不进行AM调制而通过第一AM调制器86。与此同时，在同步信号周期时间内，控制器80关闭第二开关电路84，以便关闭通过第二AM调制器98的AM调制的信号，从而由此实现30.8MHz的IF信号中同步信号的FM调制。

而在同步信号以外的其它周期中，用实信号和虚信号实现正交二相调制操作。

图8是根据本发明实施例，在图6的OFDM解调器中时钟再生和同步检波部分的方块图。下面作为例子，对输入信道2的RF信号的情况作说明。图8中同图6所示的相同功能的部件如OFDM解调器的调谐器40和同步检波器54具有相同的参考号。

同步信号检波器包括带通滤波器110、FM检测器114、同步发生器116，还包括45.75MHz的窄带通滤波器112，以提供一个被分频的IF信号，该IF信号为本机振荡在相位检波器46中作相位比较。时钟再生器包括一个20MHz的锁相环。

IF信号通过±100MHz的带通滤波器100以解调同步信号，并提供给FM检波器114以得到100MHz的同步信号。同步信号发生器116产生100MHz、130μs宽的帧同步信号。

同时，100MHz的信号提供给锁相环118中的相位检测器120的一端，以产生一个20MHz的时钟。从20MHz VCO124输出的信号被分成1/200，亦就是信号分频器126中形成100KHz信号，这个被分频的信号提供给相位检测器120的另一端。相位检测器120把100KHz的同步信号同VCO124输出的分频信号作相位比较。相位比较的所得信号在从同步发生器116提供的同步信号周期中用保持电路122保持其电压。亦就是被分频而得到的100KHz的信号同100KHz的同步信号锁相，且锁相环118仅在同步信号周期内工作。通过这样方法，20MHz时钟由VCO124产生。

混频器44通过本机振荡器48产生的101MHz的本机振荡信号产生一个45.75MHz的IF信号。用于本机振荡的相位检测器46把VCO48输出且经分频器50分频成1/404的101MHz的本机振荡信号的相位同由窄带通滤波器112和分频器52提供的分频成1/183的信号的相位作比较。VCO48用相位比较信号保持101MHz的本机振荡信号。当同步信号从同步发生器116中产生时这里的相位比较信号在同步信号周期内由保持电路47保持。OFDM的复合信号如图7所示在调制器内经IF放大器(图中未显示)被调制。

图9是根据本发明的一实施例，在图6的OFDM解调器中所用的高速保持电路47或122的方块图。图10是对图9的保持电路的采集时间进行解释的时序图。

按照上面的说明，按照本发明的OFDM方法和OFDM调制器和所用的OFDM方法的解调器解调在接收端的精确相位的OFDM复合波信号而不受噪声和外界信号的干扰。而且，即使在低电平的OFDM载波情况下也能得到同步。还有，本发明能实现具有持续脉冲噪声的OFDM。而且，尽管有外界干扰波，例如重影干扰或相同信道干扰，本发明也能实现很强的OFDM，根据本发明所用的OFDM同步方法，象电视接收机中那样的接收机的灵敏度能得以增加。

在这里，仅以本发明的某些实施例来说明。显然，在不违背本发明的精确和范围的前提下，可以作许多修改。