次載波間幹擾消除裝置及方法
2023-06-18 14:57:26 1
專利名稱：次載波間幹擾消除裝置及方法
技術領域：
本發明涉及一種次載波間幹擾消除裝置及方法。
背景技術：
在無線通信系統中，傳送器經由諸如空氣等的實體通道將無線信號以電磁波的形 式傳送至接收器。由於非理想的通道效應，例如多路徑反射(multipath reflection)及多 路徑衰落(multipath fading)等，導致接收器所接收的無線信號可能會失真。基於多載波調製的正交頻分多工(orthogonal frequency divisionmultiplexing, OFDM)調製技術對於多重路徑反射效應具備有效的處理能 力。因此OFDM系統在接收端僅需要一簡單的一階均衡器(one-tap equalizer)即可 均衡非時變多路徑通道(time invariant multipath channel)所導致的頻率選擇性 衰落(frequency selective fading)效應，故近年來在通信領域及廣播應用發展上 成為主流技術。諸如非對稱數字用戶線路(asymmetric digitalsubscriber line, ADSL)、電力線通信(power line communication，PLC)、數字音頻廣播(digital audio broadcasting, DAB)、$ _ 員: 網 各(wireless localarea network, WLAN) 802. lla/b/ g/n、中國移動多媒體廣播(China mobilemultimedia broadcasting, CMMB)、地面數字 電視廣播(digital videobroadcasting-terrestrial, DVB-T)、手持式數字視頻廣播 (digital νideobroadcasting-handhe 1 d,DVB-H)以及具移動性(Mobility)設備的Wi-Max IEEE802. 16e等各種系統均使用OFDM傳輸技術。現今部分的OFDM系統(例如DVB-T、DVB-H、IEEE 802. 16e、CMMB等)要求其接收 端在高速移動下必須具有良好的接收效能。然而，當OFDM系統的接收端非靜止而是相對 於傳送端進行高速移動時，在一個OFDM有效符元的時間長度(useful symbol duration) 內其通道效應不再維持固定的狀態，導致時間選擇性衰減通道(time-selective fading channel)。在高速移動情形下，由於都卜勒(Doppler)效應的影響，使OFDM信號會以載波 頻率(carrierfrequency，fc)為中心，正負偏移一倍都卜勒頻率(fd)的偏移量。此一偏移 量尤其不利於多載波調製系統，會導致次載波間幹擾(inter-carrier interference, ICI) 效應，破壞次載波間的正交性並使得誤比特率(bit error rate,BER)產生錯誤延續(Error Floor)現象。為解決上述OFDM系統的次載波間幹擾效應的問題，美國專利申請號US 2006/0239367A1公開一種ICI消除方法。視窗化(例如2階/4階視窗化)及平行幹擾消除 (parallel interference cancellation,PIC)均衡器的結合被提出以解決OFDM系統的次 載波間幹擾效應問題。接收端估計最大通道延遲的信息以決定非碼間幹擾(Inter-Symbol Interference Free, ISI-Free)區間的信息以及一組2階/4階的視窗化係數。依據 ISI-Free區間的信息將時域接收循環有效符元與視窗化係數相乘以做時域結合。結合後的 信號經由快速傅立葉變換為頻域信號，然後由PIC均衡器消除ICI效應。PIC均衡器利用一 階最小平方-強制歸零(least square zero forcing, LS-ZF)或是最小均方差(minimummean square error，MMSE)法則估計出全部的傳送數據，再於單位時間內進行ICI重建及 消除。PIC均衡器具有運算速度快的優點，然而，對於低信號對幹擾及噪聲功率比(signal to interference-pulse-noise powerratio, SINR)的次載波上數據，容易產生估計錯誤， 導致數據估計正確度降低。為解決上述OFDM系統的次載波間幹擾之間的問題，IEEE Transactionson Communications, Vol. 49，PP. 1375-1387，Aug. 2001，亦公開了一種 ICI 消除方法。在此期 刊論文中，利用一連續幹擾消除(successive interferencecancellation, SIC)均衡器取 代傳統未考慮ICI效應的均衡器，此SIC均衡器依據每個次載波數據信號的SINR高低，安 排檢測次載波上數據的先後順序，再依次進行數據檢測。SIC均衡器每檢測出一個次載波上 的數據，即作相對應的ICI效應的重建與消除運算。由於依據SINR高低順序作數據檢測， 故數據估計正確度提高，重建的ICI正確度也相對提高，扣除ICI效應後的較低SINR的接 收信號估計錯誤率降低，提升了消除ICI效應的效能。然而，如果假定次載波的數目為N， 此SIC均衡器在使用MMSE法則估計次載波上的數據時需要做NXN大小的逆矩陣運算，且 利用SINR作排序檢測機制需進行N次的連續幹擾消除運算，故整體計算量相當高，需要高 達0(N4)個複數乘法器。此外，需作N次的連續幹擾消除運算，故運算處理速度亦相當慢。為解決上述SIC均衡器的硬體複雜度過高的問題，IEEE Transactions onConsumer Electronics, Vol. 5, PP. 2528-2532，May 2006，還公開了一種改良式 SIC 均衡 器。此改良式SIC均衡器直接選用頻域通道矩陣中對角線上的值作排序。同時，觀察頻域 通道矩陣得知，其ICI效應造成頻域通道矩陣內非O的值會分布於矩陣內主對角線的鄰近 D個次對角線位置上。D的值遠比所有次載波的數目(N)來得小，因此頻域通道矩陣可以 被視為稀疏矩陣(spares matrix) 0當使用逆矩陣運算以估計數據時，利用此一特性可將 原NXN大小的頻域通道矩陣化簡成大小的頻域通道矩陣，降低計算複雜 度。接著此改良式SIC均衡器再依據排序結果，利用MMSE法則估計其數據。然而，此改良 式SIC均衡器的計算複雜度雖已降低，但由於其ICI效應並未更集中於鄰近次載波數據上， 所以仍需要較大的D值才可使系統效能提升，因此其計算複雜度為中等。同時，仍然需作N 次的連續幹擾重建及消除運算，所以運算處理速度慢。
發明內容
根據本實施例提出一種次載波間幹擾消除裝置，包括一非碼間幹擾區間檢測器、 一多階視窗化調整器、一時域結合器、一快速傅立葉變換器、一通道估計器以及一重疊平行 多區塊連續幹擾消除均衡單元。非碼間幹擾區間檢測器用以檢測一時域接收信號以得到時 域接收信號的非碼間幹擾區間的信息。多階視窗化調整器用以依據非碼間幹擾區間的信息 從時域接收信號取出多個循環有效符元且產生一組多階視窗化係數，並將每一個循環有效 符元與此組多階視窗化係數相乘而得到多個調整後循環有效符元。時域結合器用以將此些 調整後循環有效符元做時域結合以得到一時域結合信號，其中時域結合信號的每一個次載 波上的次載波間幹擾集中於相鄰的D個次載波上。快速傅立葉變換器用以將時域結合信號 變換為一頻域接收信號。通道估計器用以估計得到頻域接收信號對應的通道響應矩陣。重 疊平行多區塊連續幹擾消除均衡單元用以依據D的值將頻域接收信號及對應的通道響應 矩陣切割為重疊的多個信號區塊，並對每一個信號區塊分別且平行進行連續次載波間幹擾消除以得到一估計數據。另提出一種次載波間幹擾消除方法，包括下列步驟。檢測一時域接收信號以得到 時域接收信號的非碼間幹擾區間的信息。依據非碼間幹擾區間的信息從時域接收信號取 出多個循環有效符元且產生一組多階視窗化係數，並將每一個循環有效符元與此組多階視 窗化係數相乘而得到多個調整後循環有效符元。將此些調整後循環有效符元做時域結合以 得到一時域結合信號，其中時域結合信號的每一個次載波上的次載波間幹擾集中於相鄰的 D個次載波上。將時域結合信號變換為一頻域接收信號。估計得到頻域接收信號對應的通 道響應矩陣。依據D的值將頻域接收信號及對應的通道響應矩陣切割為重疊的多個信號區 塊，並對每一個信號區塊分別且平行進行連續次載波間幹擾消除以得到一估計數據。為讓本發明的上述內容能更明顯易懂，下文特舉一實施例，並配合附圖，作詳細說 明如下
圖1繪示依照本實施例的次載波間幹擾消除裝置的方塊圖。圖2繪示依照本實施例的次載波間幹擾消除方法的流程圖。圖3繪示一正交頻分多工符元的示意圖。圖4繪示依照本實施例的等權重(q+Ι)階視窗的對應視窗權重w (η)及線性時變 通道經視窗權重處理前後的一例的示意圖。圖5繪示依照本實施例的重疊平行多區塊連續幹擾消除均衡單元的方塊圖。圖6Α及圖6Β繪示依照本實施例的信號區塊分割及重疊的示意圖。圖7繪示依照本實施例的對應於5種不同的等權重視窗化的ICI能量效應集中的 仿真圖。圖8繪示依照本實施例的次載波間幹擾消除方法及現有技術的效能仿真比較圖。圖9繪示依照本實施例的次載波間幹擾消除方法及多區塊連續幹擾消除方法在 不同區塊數參數下的效能仿真比較圖。主要元件符號說明
100次載波間幹擾消除裝置
110非碼間幹擾區間檢測器
120多階視窗化調整器
130時域結合器
140快速傅立葉變換器
150通道估計器
160重疊平行多區塊連續幹擾消除均衡單元
300區塊選擇器
320__1 320_B 連續幹擾消除均衡器
340數據提取暨多工單元
具體實施例方式
根據本實施例提出一種次載波間幹擾(Inter-Carrie Interference, ICI)消除裝置及方法，使用時域多階視窗化(time-domain multi-step windowing)技術，並搭配重疊 平行多區塊連續幹擾消除(overlapped parallel multi-block SIC)技術，解決次載波間 幹擾效應，有效地提升正交頻分多工系統在高速移動環境中的效能並降低計算複雜度。請參照圖1，其繪示依照本實施例的次載波間幹擾消除裝置的方塊圖。次載波間幹 擾消除裝置100包括一非碼間幹擾(Inter-Symbol InterferenceFree, ISI-Free)區間檢 測器110、一多階視窗化調整器120、一時域結合器130、一快速傅立葉變換器140、一通道估 計器150以及一重疊平行多區塊連續幹擾消除均衡單元160。接下來請配合參照圖2，其繪 示依照本實施例的次載波間幹擾消除方法的流程圖。首先，在步驟S200中，ISI-Free區間 檢測器110檢測一時域接收信號yn以得到時域接收信號In的ISI-Free區間的信息。時域接 收信號yn的ISI-Free區間的信息包括ISI-Free區間的位置信息及時間長度(duration)， 其中，ISI-Free區間包括q個取樣點。請參照圖3，其繪示一正交頻分多工(OFDM)符元的示意圖。在OFDM系統中，為對 抗多重路徑反射效應，傳送端於時域會在每個有效符元(usefulsymbol)前面複製一段有 循環前置特性的保護區間(guard interVal，GI)，形成一完整的OFDM符元。其中，保護區間 內包含Ng個取樣點，而有效符元內包含N個取樣點。當通道的最大通道延遲時間(maximum channeldelay) τ max小於GI的時間長度時，接收端即可避免ISI效應。在一般高速移動環 境中，會較GI的時間長度來得小，ISI-Free區間的時間長度存在，故存在多組循環性 的有效符元可供取用。本優選實施例的步驟S200可利用美國專利案號7，310，393號所公 開的檢測ISI-Free區間方法來提高檢測ISI-Free區間的正確度。在步驟S210中，多階視窗化調整器120依據時間長度為q個取樣點的ISI-Free 區間的信息從時域接收信號yn取出(q+Ι)個循環有效符元(cyclicuseful symbol)且產生 一組多階視窗化係數Wd (d為_q 0)，並將每一個循環有效符元與此組多階視窗化係數相 乘而得到多個調整後循環有效符元。多階視窗化調整器120在時域接收信號yn的每一個 OFDM符元中，從ISI-Free區間開始取出對應的循環有效符元乂…,循環有效符元乂…的時間 長度為有效符元的時間長度。循環有效符元乂…如式(1)所示。y( d) = IyJiI+" Whered二-q 0(1)多階視窗化調整器120依據ISI-Free區間的時間長度產生一組多階視窗化係數， 並將每一個循環有效符元乂力與此組多階視窗化係數在時域上相乘而得到多個調整後循環 有效符元。此多個調整後循環有效符元加總後可以視為時域接收信號yn與視窗權重w(n) 的乘積，其中η為-q，-q+1,......,N-I0現在舉此組多階視窗化係數為一組等權重(q+Ι)階視窗為例做說明，然並不限於 此。此組等權重(q+Ι)階視窗對應的視窗權重w (η)的個數為(N+q)個，且最前q個視窗權
重依序為1/(q+1)、2/(q+1).....q/(q+l)，中間(N_q)個視窗權重均為1，最後q個視窗權
重為依序為q/(q+1)、(q-l)/(q+l).....l/(q+l)。亦即，最前q個視窗權重與相對應的最
後q個視窗權重的和為1。請參照圖4，其繪示依照本發明優選實施例的等權重(q+Ι)階視 窗的對應視窗權重w(n)及線性時變通道經視窗權重處理前後的一例的示意圖。在圖4中， w(η)為等權重(q+Ι)階視窗的對應視窗權重，h(n)為某一路徑的一階線性時變通道響應， 在一般行車速度範圍內可假定h(η)為一階線性時變。觀察圖4可以得知，在經由此組等權 重(q+Ι)階視窗及時域結合處理之後，時域接收信號In的通道變化，如圖4的hrff (η)所示，在一個有效符元的時間長度內變得較為緩和。亦即，緩和了部分ICI效應。同時，經由此組 等權重(q+Ι)階視窗及時域結合的處理後，時域結合信號的每一個次載波上的次載波間幹 擾系被集中於相鄰的D個次載波上，有利於下一級頻域均衡器的複雜度簡化及系統效能的 提升。在步驟S220中，時域結合器130將此些調整後循環有效符元做時域結合以得到一 時域結合信號zn，時域結合信號\的每一個次載波上的次載波間幹擾系被集中於相鄰的D 個次載波上。時域結合器130實質上是將此些調整後循環有效符元延遲一有效符元的時間 長度並與原先的調整後循環有效符元作加總運算，然後取出對應有效符元的部分，如此即 可得到時域結合信號zn。時域結合信號\如式⑵所示，其中=《ilv且(.)N代表以 N為模數。
ο
權利要求
1.一種次載波間幹擾消除裝置，包括一非碼間幹擾區間檢測器，用以檢測一時域接收信號以得到該時域接收信號的非碼間 幹擾區間的信息；一多階視窗化調整器，用以依據該非碼間幹擾區間的信息從該時域接收信號取出多個 循環有效符元且產生一組多階視窗化係數，並將每一個循環有效符元與該組多階視窗化系 數相乘而得到多個調整後循環有效符元；一時域結合器，用以將這些調整後循環有效符元做時域結合以得到一時域結合信號， 其中該時域結合信號的每一個次載波上的次載波間幹擾系集中於相鄰的D個次載波上；一快速傅立葉變換器，用以將該時域結合信號變換為一頻域接收信號；一通道估計器，用以估計得到該頻域接收信號對應的通道響應矩陣；以及一重疊平行多區塊連續幹擾消除均衡單元，用以依據D的值將該頻域接收信號及對應 的通道響應矩陣切割為重疊的多個信號區塊，並對每一個信號區塊分別且平行進行連續次 載波間幹擾消除以得到一估計數據。
2.如權利要求1所述的次載波間幹擾消除裝置，其中當該非碼間幹擾區間包括q個取 樣點，該組多階視窗化係數為一組(q+Ι)階視窗化係數。
3.如權利要求1所述的次載波間幹擾消除裝置，其中每一個循環有效符元經由一有效 符元的循環式位移得到。
4.如權利要求1所述的次載波間幹擾消除裝置，其中該時域結合器是將這些調整後循 環有效符元延遲一有效符元的時間長度並與這些調整後循環有效符元作加總運算，然後選 擇對應該有效符元的部分以得到該時域結合信號。
5.如權利要求1所述的次載波間幹擾消除裝置，其中D的值為該有效符元的時間長度 除以該非碼間幹擾區間的時間長度。
6.如權利要求1所述的次載波間幹擾消除裝置，其中該重疊平行多區塊連續幹擾消除 均衡單元包括一區塊選擇器，用以依據D的值決定一重疊數及一信號區塊數，並依據該信號區塊數 切割該頻域接收信號及對應的通道響應矩陣，再依據該重疊數得到重疊的這些信號區塊；多個連續幹擾消除均衡器，分別且平行對重疊的這些信號區塊進行連續次載波間幹擾 消除以得到各信號區塊對應的子估計數據；以及一數據提取暨多工單元，用以提取這些子估計數據併合成得到該估計數據。
7.如權利要求6所述的次載波間幹擾消除裝置，其中該重疊數不大於D的值。
8.如權利要求6所述的次載波間幹擾消除裝置，其中該信號區塊數小於該有效符元的 時間長度除以2倍該重疊數。
9.如權利要求6所述的次載波間幹擾消除裝置，其中每一個信號區塊包括對應的被切 割次載波信號及相鄰的信號區塊的邊緣部分。
10.如權利要求6所述的次載波間幹擾消除裝置，其中該數據提取暨多工單元摒棄每 一個信號區塊的這些子估計數據中對應該重疊數的邊緣部分，併合成所有這些信號區塊的 這些子估計數據的剩餘部分而得到該估計數據。
11.一種次載波間幹擾消除方法，包括檢測一時域接收信號以得到該時域接收信號的非碼間幹擾區間的信息；依據該非碼間幹擾區間的信息從該時域接收信號取出多個循環有效符元且產生一組 多階視窗化係數，並將每一個循環有效符元與該組多階視窗化係數相乘而得到多個調整後 循環有效符元；將這些調整後循環有效符元做時域結合以得到一時域結合信號，其中該時域結合信號 的每一個次載波上的次載波間幹擾集中於相鄰的D個次載波上； 將該時域結合信號變換為一頻域接收信號； 估計得到該頻域接收信號對應的通道響應矩陣；以及依據D的值將該頻域接收信號及對應的通道響應矩陣切割為重疊的多個信號區塊，並 對每一個信號區塊分別且平行進行連續次載波間幹擾消除以得到一估計數據。
12.如權利要求11所述的次載波間幹擾消除方法，其中當該非碼間幹擾區間包括q個 取樣點，該組多階視窗化係數為一組(q+Ι)階多階視窗化係數。
13.如權利要求11所述的次載波間幹擾消除方法，其中每一個循環有效符元系經由一 有效符元的循環式位移得到。
14.如權利要求11所述的次載波間幹擾消除方法，其中該時域結合步驟包括 將這些調整後循環有效符元延遲一有效符元的時間長度並與這些調整後循環有效符元作加總運算；以及選擇對應該有效符元的部分以得到該時域結合信號。
15.如權利要求11所述的次載波間幹擾消除方法，其中D的值為該有效符元的時間長 度除以該非碼間幹擾區間的時間長度。
16.如權利要求11所述的次載波間幹擾消除方法，其中得到該估計數據的步驟還包括依據D的值決定一重疊數及一信號區塊數； 依據該信號區塊數切割該頻域接收信號及對應的通道響應矩陣； 依據該重疊數得到重疊的這些信號區塊；分別且平行對重疊的這些信號區塊進行連續次載波間幹擾消除以得到各信號區塊對 應的子估計數據；以及提取這些子估計數據併合成得到該估計數據。
17.如權利要求16所述的次載波間幹擾消除方法，其中該重疊數不大於D的值。
18.如權利要求16所述的次載波間幹擾消除方法，其中該信號區塊數小於該有效符元 的時間長度除以2倍該重疊數。
19.如權利要求16所述的次載波間幹擾消除方法，其中每一個信號區塊包括對應的被 切割次載波信號及相鄰的信號區塊的邊緣部分。
20.如權利要求16所述的次載波間幹擾消除方法，其中摒棄每一個信號區塊的這些子 估計數據中對應該重疊數的邊緣部分，併合成所有這些信號區塊的這些子估計數據的剩餘 部分而得到該估計數據。
全文摘要
一種次載波間幹擾消除裝置及方法。該方法檢測一時域接收信號得到非碼間幹擾區間的信息。依據非碼間幹擾區間的信息從時域接收信號取出多個循環有效符元且產生一組多階視窗化係數，並將每一個循環有效符元與此組多階視窗化係數相乘得到多個調整後循環有效符元，然後做時域結合得到一時域結合信號，其中時域結合信號的每一個次載波上的次載波間幹擾集中於相鄰的D個次載波上。變換時域結合信號為一頻域接收信號。依據D的值將頻域接收信號及對應的通道響應矩陣切割為重疊的多個信號區塊，並對每一個信號區塊分別且平行進行連續次載波間幹擾消除。
文檔編號H04L25/03GK102111369SQ201010184639
公開日2011年6月29日 申請日期2010年5月27日 優先權日2009年12月23日
發明者劉家維, 曾銘健, 許崇仁 申請人:財團法人工業技術研究院