УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЦЕНКИ СДВИГА НЕСУЩЕЙ ЧАСТОТЫ В ВОСХОДЯЩЕМ КАНАЛЕ ДЛЯ БЕСПРОВОДНЫХ КОММУНИКАЦИОННЫХ СИСТЕМ

Полезная модель относится к радиотехнике, в частности к устройствам оценки частоты в восходящем канале (uplink), и может быть использовано в аппаратуре базовых станций на базе стандарта 802.16, например, в системе mobile WiMAX, а также в других беспроводных телекоммуникационных системах, использующих OFDM сигналы.
Известно устройство для оценки частотного сдвига (US 20060083160 A1, 20.04.2006, H04J 11/00). Устройство содержит каскадно-соединенные антенну, приемник, блок преобразование последовательных данных в параллельные, блок вычисления быстрого преобразования Фурье, channel extractor, первый перемножитель, имеющий два входа и один выход, генератор опорного сигнала, выход которого соединен со вторым входом первого перемножителя, каскадно-соединенные сумматор и переключатель, имеющий один вход и два выхода, блок задержки, имеющий один вход, соединенный со вторым выходом переключателя и один выход, блок комплексного сопряжения имеющий один вход, соединенный с выходом блока задержки и один выход, второй перемножитель, имеющий два входа, первый из которых с соединен с первым выходом переключателя, второй из которых соединен со вторым выходом переключателя и один выход, каскадно-соединенные блок вычисления фазы третий перемножитель. Временную и частотную синхронизацию выполняют по пилот сигналу, состоящему из двух повторяющихся символов. Для оценки частотного сдвига сигнала вычисляют временные взаимные корреляционные функции первого и второго символов. Затем производится перемножение первой корреляционной функции на комплексно сопряженную вторую и вычисление разности фаз между первым и вторым символами и оценка сдвига частоты.
Недостатком этого технического решения является невысокая точность оценки параметров сигнала.
Наиболее близким к заявляемому устройству является устройство оценки сдвига частоты в восходящем канале (uplink), в беспроводных коммуникационных системах (патент US 794034 B2, 25.09.2008, H04B 1/69). Устройство содержит каскадно-соединенные антенну, приемник, АЦП, sample extractor, переключатель, имеющий два выхода, первый перемножитель, имеющий два входа, первый из которых соединен с первым выходом переключателя и один выход, первый сумматор, имеющий один вход, соединенный с выходом первого перемножителя и один выход, блок оценки времени и частоты, имеющий два входа, первый из которых соединен с выходом первого сумматора и один выход, генератор опорной последовательности, имеющий один выход, блок комплексного сопряжения, имеющий один вход, соединенный с выходом генератора опорной последовательности и два выхода, первый из которых соединен со вторым входом первого перемножителя, блок задержки, имеющий один вход, соединенный со вторым выходом переключателя и один выход, второй перемножитель, имеющий два входа, первый из которых соединен с выходом блока задержки, а второй со вторым выходом блока комплексного сопряжения, и один выход, второй сумматор, имеющий один вход, соединенный с выходом второго перемножителя, и один выход, соединенный со вторым входом блока оценки времени и частоты.
Недостатком данного устройства является также не высокая точность оценки сдвига несущей частоты при низких отношениях сигнал/шум и частотно-селективных замираниях, так как оценку проводят по двум одинаковым последовательным OFDM символам.
Основной технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является повышение точности оценки сдвига несущей частоты.
Основная техническая задача достигается тем, что в устройстве для оценки сдвига несущей частоты в восходящем канале, содержащем приемник, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, переключатель, второй выход которого соединен с входом блока задержки, первый и второй перемножители, вторые входы которых соединены с выходами блока комплексного сопряжения, вход которого соединен с выходом генератора опорной последовательности, согласно предложенному решению, выход аналого-цифрового преобразователя с входом переключателя, первый выход которого соединен с входом первого блока вычисления преобразования Фурье, а второй, третий и четвертый выходы соединены с входами первого, второго и третьего блоков задержки соответственно, выходы которых соединены с входами второго, третьего и четвертого блоков вычисления преобразования Фурье соответственно, выходы которых соединены с первыми входами первого, второго, третьего и четвертого перемножителей соответственно, вторые входы, которых соединены с первым, вторым, третьим и четвертым входом блока комплексного сопряжения, а выходы соединены с входами первого, второго, третьего, четвертого блоков вычисления обратного преобразования Фурье соответственно, выходы которых соединены с входами первого, второго, третьего и четвертого блоков поиска максимума временной взаимной корреляционной функции соответственно, причем выход первого блока поиска максимума временной взаимной корреляционной функции соединен с первым входом сумматора, выход второго блока поиска максимума временной взаимной корреляционной функции соединен с входом второго блока комплексного сопряжения, выход которого соединен со вторым входом первого сумматора и первым входом второго сумматора, выход третьего блока поиска максимума временной взаимной корреляционной функции соединен со вторым входом второго сумматора и первым входом третьего сумматора, выход четвертого блока поиска максимума временной взаимной корреляционной функции соединен с входом третьего блока комплексного сопряжения, выход которого соединен со вторым входом третьего сумматора, а выходы первого, второго и третьего сумматоров соединены с входами первого, второго и третьего блоков оценки сдвига фазы соответственно, выходы которых соединены с первым, вторым и третьим входом блока оценки сдвига несущей частоты соответственно.
Функциональная схема предлагаемого устройства приведена на фиг.1, на фиг.2 приведена структура OFDM символов, по которым производится оценка частоты.
Устройство включает приемник 1, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя 2, выход которого соединен с входом переключателя 3, первый выход которого соединен с входом первого блока преобразования Фурье 7, а второй, третий и четвертый выходы соединены с входами первого, второго и третьего блоков задержки 4, 5 и 6. Выход переключателя 3 и выходы первого, второго, и третьего блоков задержки 4, 5, 6 соединены с входами первого, второго, третьего и четвертого блоков вычисления преобразования Фурье 7, 8, 9 и 10, выходы которых соединены с первыми входами первого, второго, третьего и четвертого перемножителей 11, 12, 13, 14 соответственно, а второй вход каждого из них соединен с соответствующим выходом блока комплексного сопряжения 15, выход которого соединен с входом опорного генератора 16. Выходы первого, второго, третьего и четвертого перемножителей 11, 12, 13 и 14 соединены с входами первого, второго, третьего и четвертого блоков вычисления обратного преобразования Фурье 17, 18, 19 и 20 соответственно, а их выходы соединены с входами первого, второго, третьего и четвертого блоков поиска максимума временной взаимной корреляционной функции (блок поиска максимума) 21, 22, 23 и 24. Выход второго блока поиска максимума 22 соединен с входом второго блока комплексного сопряжения 25, выход четвертого блока максимума 24 соединено входом блока комплексного сопряжения 26. Первый вход первого сумматора 27 соединен с выходом первого блока поиска максимума 21, второй его вход соединен с выходом второго блока комплексного сопряжения 25, который также соединен с первым входом второго сумматора 28. Второй вход второго сумматора 28 соединен с выходом третьего блока поиска максимума 23, который также соединен с первым входом третьего сумматор 29, второй вход которого соединен с выходом второго блока комплексного сопряжения 26. Выходы первого, второго и третьего сумматоров 27, 28 и 29 соединены с входом первого, второго и третьего блоков оценки сдвига функции 30, 31 и 32, выход каждого из которых соединен с первым, вторыми третьим входами блока оценки 33.
Устройство работает следующим образом.
Абонентская станция (АС) формирует Initial ranging (IR) представленный на фиг.2, содержащий четыре последовательных OFDM символа, первые два из которых одинаковы и содержат в себе код X (Code X), и вторые из которых одинаковы и содержат в себе код Х+1 (Code Х+1).
На вход приемника 1, поступает сигнал:
,
где ⊗ - знак свертки;
h(n, l) - импульсная характеристика канала PPB.
При моделировании способа нами использованы характеристики шестилучевого канала, приведенные в таблице 1.
.
i
i
i
Здесь γ(n), m(n) - зависящие от времени комплексные коэффициенты пропорциональности и зависящие от времени задержки лучей, причем γ(n) входит смещение частоты в пределах , где Ts интервал ортогональности и случайная фаза (-π…π).
Таблица
Характеристики канала связи
Номер луча
Канал Б
Относительная
Средняя мощность,
1
0
0
2
200
-0,9
3
800
-4,9
4
1200
-8,0
5
2300
-7,8
6
3700
-23,9
В приемной части OFDMA системы полезная часть принятого сигнала описывается выражением
,
где k - количество лучей;
- задержка в i-том луче;
- нормированное смещение частоты.
После чего сигнал поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 2, и в цифровом виде поступает на вход переключателя 3. В нем принятые первый, второй, третий и четвертый OFDM символы поступают соответственно на первый, второй, третий и четвертый выходы переключателя 3. С первого выхода переключателя 3 первый OFDM символ поступает на вход первого блока вычисления преобразования Фурье 7. Второй и последующие OFDM символы со второго, третьего и четвертого выходов переключателя 3, поступают на входы первого 4, второго 5 и третьего 6 блоков задержки. Первый блок задержки 4, производит задержку принятого символа на интервал времени равный длительности одного символа. Второй блок задержки 5 производит задержку принятого символа на интервал времени равный длительности двух символов, и третий блок задержки 6 производит задержку принятого символа на интервал времени равный длительности трех символов. С выходов блоков задержки 4, 5 и 6 символы поступают соответственно на входы блоков вычисления преобразования Фурье 8, 9 и 10. Применяя прямое дискретное преобразование Фурье (FFT) к , получаем спектральное представление полезной части принятого сигнала:
,
С выходов блоков преобразования Фурье 7, 8, 9 и 10, символы в частотном представлении поступают на входы перемножителей 11, 12, 13, 14.
Генератор опорной последовательности 16 формирует BPSK-код, совпадающий с BPSK кодом в принимаемом сигнале, для каждого принимаемого символа. Сигнал с выхода генератора опорной последовательности 16, поступает на вход блока комплексного сопряжения 15, после чего комплексно сопряженный BPSK код генератора опорной последовательности 16 первого, второго, третьего и четвертого символов поступает на соответствующие выходы блока комплексного сопряжения 15 и далее на вторые входы перемножителей 11, 12, 13, 14. После перемножения принятых символов с комплексно сопряженными символами генератора опорной последовательности 16, в блоках вычисления обратного преобразования Фурье 17, 18, 19 и 20 производится вычисление обратного преобразования Фурье для каждого из произведений. Применив обратное дискретное преобразование Фурье к произведению комплексно сопряженного BPSK-кода генератора опорной последовательности 16 и спектра с таким же BPSK-кодом, принятым от АС, получим отсчеты временной взаимной корреляционной функции (ВКФ) R(n), связывающей между собой переданный и опорный коды:
,
После обнаружения OFDMA сигнала, измерения временной задержки  выбранного луча, значение ВКФ для него в точке можно приближенно представить как:
,
где ,
,
γ
φ - случайная фаза,
- оценка времени задержки сигнала,
s
T - длительность OFDM символа.
В блоках поиска максимума временной взаимной корреляционной функции 17, 18, 19, 20 производится поиск максимума ВКФ в пределах главного пика (который определяется при условии что известна, задержка принимаемого сигнала). Значения максимумов ВКФ полученные в блоках поиск матрицы 22 и 24 поступают на входы второго и третьего блоков комплексного сопряжения 25 и 26. Теперь сумматоры 27, 28 и 29 производят сложение максимумов ВКФ соседних символов, причем максимумы второй и четвертой ВКФ являются комплексно сопряженными.
,
После чего, в блоках оценки сдвига фазы 30, 31 и 32 производится оценка разности фаз Δφ между соседними символами:
,
12
23
34
где Δφ, Δφ, Δφ - разность фазы между соседними символами;
Im и Re - значение мнимой и действительной частей перемножения ВКФ одного символа с комплексно сопряженной ВКФ соседнего.
В блоке оценки сдвига несущей частоты 33 рассчитывается оценка сдвига несущей частоты частоты:
,
b
где T - длительность OFDMA символа.
Повышение точности оценки сдвига несущей частоты, по сравнению с прототипом достигается за счет введения дополнительных блоков обработки, позволяющих производить оценку не только по двум, но и по четырем OFDM символам.