時域已知序列的ofdm系統信道估計和均衡裝置及其方法
2023-07-29 22:12:06 5
專利名稱：時域已知序列的ofdm系統信道估計和均衡裝置及其方法
技術領域：
本發明涉及一種信道估計和均衡裝置，特別涉及一種時域已知序列的正交頻分復用調製接收機的信道估計和均衡裝置及其系統。
背景技術：
數字信息傳輸技術的出現，使得語音、圖像、文字可以以統一的格式傳輸，從而也引起了各種媒體終端相結合的趨勢。今年來，隨著數位電視技術和移動通信技術的飛速發展，同時，隨著生活水平的不斷提高，人們開始希望能夠隨時、隨地地通過傳統的手機終端來收看最新的電視節目。這種技術和需求的發展導致了一種新的手持移動數字多媒體信息傳輸技術的產生，也就是通常所說的「手機電視」。
手機電視中所採用的信息傳輸的方式，基本可以沿用數位電視地面廣播的傳輸技術。但是，手持設備本身的特點又給系統提出了新的要求。
在地面無線廣播傳輸的過程中，由於信道的衰落和多徑造成了其頻率選擇特性。同時如果發射機或者接收機是移動的，此時會造成信道的時間選擇特性。
為了保證在移動和市內環境下也能獲得較好的性能，必須進行準確的信道估計和均衡裝置。在傳統的多載波系統中，一般採用頻域估計和均衡的方式，進行處理。
一些傳統的單載波系統，如美國的ATSC系統，採用的是如圖7所示的判決反饋均衡器(Decision Feedback Equalizer，DFE)時域均衡的過程，它可以使用場同步進行訓練，但是兩個場同步數據段的間隔為24ms，所以對於變化比較快的信道，就需要進行自適應的盲均衡。這種方法的主要缺點在於為了達到理想的效果，均衡器往往需要大量的抽頭，增加了系統的硬體複雜度和成本，而且，由於DFE是IIR結構，存在著不穩定的問題，同時其正常工作也需要一定的信噪比，信道變化不能太快，這就限制了其跟蹤速度。
歐洲的DVB-H(以及用於地面數位電視廣播的DVB-T)系統，使用了頻域導頻頻域均衡的方法。如圖8所示，頻域的OFDM信號被輸入到分離器51，經信號分離後，導頻位置上的接收數據和本地產生的原始導頻序列進入除法器52，得到導頻位置的信道估計值 H^p(n,k)=Yp(n,k)Xp(n,k)---(1)]]>其中Yp(n，k)，Xp(n，k)分別表示導頻位置的發送和接收頻域信號。
然後進入內插器54，對 進行時-頻域二維內插就可以得到整個信道估計的值 接著將信道估計值和原始的接收數據送入均衡器55中，就可以對接收數據進行均衡得到原始發送數據的估計值。
X^(n,k)=Y(n,k)H^(n,k)---(2)]]>對於ATSC來說，由於使用了自適應的判決反饋均衡器，要求所處理的數據流是連續的，而對於手持移動數字多媒體終端來說，數據往往是突發的或者不連續的，所以ATSC的均衡裝置不適合手持設備。
而如圖8所示的DVB-H所用的頻域估計，可以在靜態和中低速環境中得到較好的信道估計結果，但是由於頻域數據中插入了大量的導頻，這樣降低了頻譜利用率。
綜上所述，現有一些系統的信道估計方法，都採用頻域導頻進行信道估計，一方面大大降低系統頻譜效率，損傷有效數據率；另一方面，前後幀的內插計算，將不能很好的滿足未來手持移動數字多媒體信息傳輸的要求。
發明內容
本發明的目的是提供一種信道估計和均衡裝置，它基於插入時域已知序列的OFDM，適用於發端送出的數據幀包括一個攜帶時域已知隨機序列作為幀頭和頻域數據的通信系統，尤其適用於移動終端，特別是手持數字多媒體終端。
插入時域已知序列的OFDM，使用幀頭的時域已知序列進行估計，因而不需要在頻域數據中插入導頻，從而大大提高了頻譜利用率。同時，由於仍然可以採用每個OFDM符號均衡一次的塊處理方式，所以不存在ATSC不適合突發傳輸的問題。
為了實現本發明的上述目的，本發明的第一方面提出一種時域已知序列的OFDM的信道估計和均衡裝置，包括數據分離器，其輸入端接收OFDM信號，輸出時域已知信號數據幀體以分別輸入至時域信道估計模塊和去時域已知幹擾模塊相連；去除時域已知序列幹擾單元，一個輸入端接收來自所述數據分離器的數據幀體，另一個輸入端與時域信道估計單元相連，其輸出連接至FFT單元；時域信道估計單元，一個輸入端與本地時域已知發生器相連，另一個輸入端輸入的是所述數據分離器分離出的接收數據中對應的時域已知序列，經過對比計算，將得到信道的衝激響應hn，其中n＝1，2，3……K，並輸出給FFT單元和去除時域已知序列幹擾單元；本地時域已知序列發生器單元，它在本地產生與發端保持一致的時域已知序列，其輸出連接到所述時域信道估計單元；FFT單元，對接收的從所述去除時域已知序列幹擾單元輸出的頻域數據和所述時域信道估計單元估計出的信道衝激響應進行FFT變換，對應輸出的頻域數據和信道頻域響應進入頻域均衡模塊進行頻域均衡；頻域均衡單元，一個輸入端接收所述FFT單元送出的頻域數據，另一個輸入端接收所述FFT單元送出的信道頻域響應，完成頻域均衡，輸出恢復的頻域數據。
根據本發明第二方面的信道估計和均衡裝置，其特徵在於，所述時域信道估計單元採用一個經過改造的FIR濾波器結構，包括由K個單位時延寄存器組成的單位時延寄存器組，存放本地時域已知發生器產生的信號，並進行單位延遲操作；由K個乘法器組成的第一乘法器組，該乘法器組中的每一個乘法器將與之相對應的一個單位時延寄存器內的數據與現有濾波器的抽頭更新的中間值相乘；由K個累加器組成的累加器組，用於更新濾波器的抽頭係數，並輸出信道脈衝衝擊響應hn，其中n＝1，2，3……K；由K個乘法器組成的第二乘法器組，該乘法器組中的每一個乘法器將與之相對應的一個單位時延寄存器內的數據與與之相對應的一個累加器輸出的更新後濾波器的抽頭係數相乘，送入誤差信號生成器；誤差信號生成器，將第二乘法器組的輸出信號值加和，和當前實際接收到的時域已知信號進行對比相減，產生誤差信號；第三乘法器，接收所述誤差信號生成器輸出的誤差信號和外部輸入的調整步長，輸出調整抽頭更新的中間值，送入第二乘法器組中的每一個乘法器中。
根據本發明第三方面的信道估計和均衡裝置，其特徵在於，在所述本地時域已知序列發生器單元產生的信號是BPSK信號的情況下，用第一符號變換模塊組和第二符號變換模塊組代替所述第一乘法器組和所述第二乘法器組。
根據本發明第四方面的信道估計和均衡裝置，其特徵在於，所述的時域信道估計單元中的K值可以選擇等於信道中出現的最大延時的多徑採樣後的歸一化延時量。
根據本發明第五方面的信道估計和均衡裝置，其特徵在於，所述的時域信道估計單元的輸入是時域已知序列，所述頻域均衡單元的輸入和輸出是頻域數據。
根據本發明第六方面的信道估計和均衡裝置，其特徵在於，所述的時域信道估計單元所輸入的時域已知序列可以是PN序列，或者任意一種具有偽隨機特徵的已知序列。
根據本發明的第七方面，提供了一種時域已知序列的OFDM的信道估計和均衡方法，包括對輸入的OFDM信號進行同步；將已經同步的OFDM信號分離為時域已知序列和數據幀體兩部分；對分離獲得的時域已知序列進行信道估計；對估計出的信道衝激響應和數據幀消除已知序列幹擾；將時域數據和估計出的信道脈衝衝激響應處理變到頻域響應；進行頻域均衡。
根據本發明第八方面的信道估計和均衡方法，其特徵在於，所述方法在時域對數據進行處理，所述均衡步驟後的輸出是頻域數據。
根據本發明第九方面的信道估計和均衡方法，其特徵在於，所述時域已知序列可以是PN序列，或者任意一種具有偽隨機特徵的已知序列。
所述裝置適用於發端送出的數據幀包括一個攜帶時域已知隨機序列作為幀頭和頻域數據的通信系統。
該裝置能夠實現一種高頻譜利用率的系統的信道估計和接收，並且複雜度不高，可以滿足手持行動裝置的要求。
圖1為本發明提出的時域訓練信道估計頻域均衡裝置的示意圖。
圖2為本發明裝置中時域信道估計單元的結構示意圖。
圖3為本發明裝置中時域信道估計單元的另一種實現方式的結構示意圖。
圖4為用於本發明相關的手持移動數字多媒體系統的幀結構示意圖。
圖5為重構數據循環化的方法示意圖。
圖6為表明本發明的實施例的時域訓練信道估計和均衡方法的流程圖。
圖7為ATSC中傳統的判決反饋均衡器示意圖。
圖8為DVB-T(DVB-H)中使用頻域導頻的信道估計和均衡裝置示意圖。
具體實施例方式
下面將參照附圖更詳細的描述本發明的優選實施例。
圖1是根據本發明優選實施例的時域訓練估計頻域均衡裝置的示意圖，如圖1所示，根據本發明優選實施例的信道估計和均衡裝置包括數據分離器10，它處理的輸入數據是具有如圖4所示幀結構的OFDM符號，這種符號結構包括了時域已知序列構成的幀頭部分和一個DFT數據幀體部分，數據分離器10將接收到的信號分離成時域已知序列和DFT數據幀體，它的輸入端與接收機前端的A/D變換模塊相連，它的一個輸出端輸出時域已知信號也可以稱為幀頭部分，另一個輸出端則輸出數據幀體部分，這兩個埠分別與時域信道估計單元20和去除時域已知幹擾單元12相連；去除時域已知序列幹擾單元12，它有兩個輸入埠，一個輸入埠輸入接收數據幀體，另一個輸入埠與時域信道估計單元20輸出的脈衝衝激響應相連，根據得到的信道脈衝衝激響應對接收數據進行重構循環卷積，以消除信道的幹擾，恢復出的數據被送入FFT單元14；時域信道估計單元20，它的作用是得到信道的衝激響應，輸出給FFT單元14和去除時域已知序列幹擾單元12，它有兩個輸入，其中一個輸入與本地時域已知發生器22相連，另一個輸入端輸入的是數據分離器10分離出的接收數據中對應的時域已知序列，經過對比計算，將得到信道的衝激響應hn(n1---K)，並輸出給FFT單元14和去除時域已知序列幹擾單元12；本地時域已知序列發生器單元22，它在本地產生與發端保持一致的時域已知序列，其輸出連接到時域信道估計單元20；FFT單元14，對接收的頻域數據和估計出的信道衝激響應進行FFT變換，對應輸出的頻域數據和信道頻域響應進入頻域均衡單元16進行頻域均衡；頻域均衡單元16，通過一個除法運算，用於完成頻域均衡，它有兩個輸入端，一個輸入接收到FFT單元1 4送出的頻域數據，一個輸入FFT單元14送出的信道頻域響應，經過一個除法運算，完成頻域均衡，送出恢復的頻域數據。
時域信道估計單元20通常是一個如圖2所示的結構。這種裝置可以看作一個有限衝激響應濾波器，它的完整結構包括由多個單位時延寄存器組成的單位時延寄存器組100，由多個累加器組成的累加器組400，由多個乘法器I組成的第一乘法器組和一個加法器。其中的各個單元功能描述如下單位時延寄存器組100，將輸入信號依次延遲一個單元之後放在該組內的各個寄存器內；由多個乘法器I組成的第一乘法器組200，該乘法器組200根據誤差信號和當前寄存器中的數據產生每個抽頭下次的更新值；由多個乘法器II組成的第二乘法器組300，該乘法器組300用於將寄存器內的數據與濾波器的抽頭係數相乘；還有一個乘法器600用於跟誤差信號乘上一個調整的步長；累加器組400，用於更新濾波器的抽頭係數；誤差信號生成器500，用於將所有抽頭係數產生的信號值加和，和當前接收信號對比，產生誤差信號。
時域信道估計單元20中各個模塊的的連接關係為單位時延寄存器單位時延寄存器組100中各單位時延寄存器依次連接，它們的輸入為本地產生的時域已知隨機序列，每個單位時延寄存器有兩個輸出分別和乘法器組200中的一個乘法器以及乘法器組300中的一個乘法器相連；乘法器其中乘法器組200中每個乘法器I的兩個輸入分別與單位時延寄存器組100中各自相對應的一個單位時延寄存器和經過步長調整的誤差信號相連，輸出結果送入誤差信號生成器500；另一組乘法器300中每個乘法器II的兩個輸入分別與和其相對應的單位時延寄存器和累加器的輸出相連，其輸出結果送入加法器；另外還有一個乘法器600，兩個輸入端分別為誤差信號和調整步長，輸出端送到前述的第一組乘法器；累加器累加器組400中的各個累加器其輸入與乘法器組200中相應乘法器I相連，輸出與另一乘法器組300中相應乘法器II相連；誤差信號生成器500包括連接到乘法器組300中的各個乘法器II的多個輸入埠和一個接收當前時刻的接收信號y(n)的輸入埠，還包括和一個乘法器600相連用以輸出誤差信號e(n)的輸出埠。
時域信道估計單元20首先將本地時域已知序列發生器22產生的信號依次讀入單位時延寄存器組100中；然後將寄存器組100中各寄存器內的數據與抽頭係數相乘累加後得到的輸出信號和當前實際接收到的時域信號比較，得到誤差信號error(n)；接著，根據誤差信號對訓練器的抽頭進行調節更新；最後.當誤差信號收斂時，所得到的抽頭係數就是信道的時域衝激響應hn(n1---K)。
對本發明所使用的各種基本單元的數目可以做如下的基本規定，如果實際的信道衝激響應持續時間為(J+1)*Ts，其中Ts為採樣時間，那麼整個裝置中所使用的單位時延寄存器個數應該是一個大於J的整數，乘法器個數應該是大於2J+1的整數，累加器個數應該是大於J的整數。
如果在通信系統的發端送出的時域的已知隨機序列是一個採用BPSK映射的序列，例如只包含+1和-1，則可以將裝置中的兩組乘法器用簡單的數據符號變換模塊代替。其原因在於，如前所述的信道衝激響應估計裝置，即圖2的時域信道估計單元20中各個單元的連接關係，兩組乘法器200、300都有一個輸入埠與單位時延寄存器組100相連，而單位時延寄存器的輸入則是本地產生的時域已知隨機序列。也就是說，在輸入隨機序列是+1和-1的情況下，乘法器I和II可以用一個簡單的符號變換模塊代替。
此時，參考圖3，給出了另一實施方式的時域信道估計單元20』，可以包括單位時延寄存器組100』，將本地時域已知隨機序列x′(n)產生的信號依次延遲一個單元之後放在寄存器內；由多個符號變換模塊I組成的第一符號變換模塊組200』和由多個符號變換模塊II組成的第二符號變換模塊組300』，根據寄存器內的數據與對濾波器抽頭係數的符號進行判斷，也產生每個抽頭下次的更新值；累加器組400』，用於更新濾波器的抽頭係數；誤差信號生成器500』，用於將所有抽頭係數產生的信號值加和，和當前接收信號y′(n)對比，產生誤差信號e′(n)。
時域信道估計單元20和20』中寄存器的數據來自本地時域已知序列發生器，通常是時域已知序列，該序列可以是PN序列，或者任意一種具有偽隨機特徵的已知序列，作為時域信號處理；回到圖1，去除時域已知序列幹擾單元12用於循環卷積重構。圖5給出了重構接收信號循環卷積特性的具體實現方法。首先，將本地生成的PN保護間隔GI1同估計出的時域信道響應h進行線性卷積，得到G(圖中L為多徑的最大時延長度)，然後將接收到的信號根據圖7所示的位置，作分段相減運算，得到S1和S2。最後，將S2加和到S1上，得到S，從而消除時域已知序列保護間隔對數據段的幹擾，並對數據段進行循環卷積重構。
圖6是表明本發明的實施例的時域訓練信道估計和均衡方法的流程圖。參照圖1所示的結構對圖6所示的流程圖進行說明。首先，在步驟S100中對輸入的OFDM信號進行同步。在步驟S200中，將已經同步的OFDM信號經過分離器10分為時域已知序列和數據幀體兩部分。在步驟S300，分離獲得的時域已知序列經過FIR訓練器進行信道估計。
信道估計的過程包括定義一個有J+1個抽頭的FIR濾波器的抽頭係數向量為C(0)＝[c0，c1，…，cJ]T，初始化值為[1，0，…，0]T；當接收數據開始是時域已知序列時，讓對應的本地PN數據進入延遲線上的寄存器；當寄存器中有J+1個數據，即X(n)＝[pn(n)，pn(n-1)，…，pn(n-J)]T時，開始訓練過程，採用LMS算法。
假設對應pn(n)時刻的實際接收數據為y(n)。訓練過程如下
y^(n)=[C(n)]TX(n)]]>e(n)=y(n)-y^(n)]]>C(n+1)＝C(n)+μ·e(n)·X*(n)其中的調整步長μ是一個可以預置或者自適應調節的參數，它與信道估計的速度和精度相關，可以取一個整數，如1，或者10。
當 時，C(n)即為信道的脈衝衝激響應h。即h^=[c0,c1,...,cj]T,]]>這也對應於圖1的時域信道估計單元的輸出。
接下來，在步驟S400中，使估計出的信道衝激響應和數據幀經過模塊12進行消除已知序列幹擾的工作，這個步驟與圖6對應給出的說明「去除PN幹擾」相對應。
然後，在步驟S500中，將時域數據和估計出的信道脈衝衝激響應經過FFT模塊14處理變到頻域響應。最後，在步驟S600中，利用模塊16進行頻域均衡。
按照上述的流程，也可以用軟體方式實現本發明所提出的裝置。
從上述本發明實施例的描述可以理解，本發明給出的信道估計和接收裝置可以通過幀頭中的時域已知序列進行信道估計，提高了頻域利用效率，同時，由於採用了每個OFDM符號進行一次頻域均衡的塊處理方式，能夠適用於手持移動多媒體數字傳輸中的突發要求。
儘管參照其特定實施例已表示和描述了本發明，本領域的技術人員應當理解，在不脫離由所附權利要求限定的精神和範圍的情況下可做各種形式和細節的修改。
權利要求
1.一種時域已知序列的OFDM的信道估計和均衡裝置，包括數據分離器(10)，其輸入端接收OFDM信號，輸出時域已知信號數據幀體以分別輸入至時域信道估計模塊(20)和去時域已知幹擾模塊(12)相連；去除時域已知序列幹擾單元(12)，一個輸入端接收來自所述數據分離器的數據幀體，另一個輸入端與時域信道估計單元(20)相連，其輸出連接至FFT單元(14)；時域信道估計單元(20)，一個輸入端與本地時域已知發生器(22)相連，另一個輸入端輸入的是所述數據分離器(10)分離出的接收數據中對應的時域已知序列，經過對比計算，將得到信道的衝激響應hn，其中n＝1，2，3......K，並輸出給FFT單元(14)和去除時域已知序列幹擾單元(12)；本地時域已知序列發生器單元(22)，它在本地產生與發端保持一致的時域已知序列，其輸出連接到所述時域信道估計單元(20)；FFT單元(14)，對接收的從所述去除時域已知序列幹擾單元(12)輸出的頻域數據和所述時域信道估計單元(20)估計出的信道衝激響應進行FFT變換，對應輸出的頻域數據和信道頻域響應進入頻域均衡模塊進行頻域均衡；頻域均衡單元，一個輸入端接收所述FFT單元(14)送出的頻域數據，另一個輸入端接收所述FFT單元(14)送出的信道頻域響應，完成頻域均衡，輸出恢復的頻域數據。
2.根據權利要求1所述的信道估計和均衡裝置，其特徵在於，所述時域信道估計單元(20)採用一個經過改造的FIR濾波器結構，包括由K個單位時延寄存器組成的單位時延寄存器組(100)，存放本地時域已知發生器產生的信號，並進行單位延遲操作；由K個乘法器組成的第一乘法器組(200)，該乘法器組中的每一個乘法器將與之相對應的一個單位時延寄存器內的數據與現有濾波器的抽頭更新的中間值相乘；由K個累加器組成的累加器組(400)，用於更新濾波器的抽頭係數，並輸出信道脈衝衝擊響應hn，其中n＝1，2，3......K；由K個乘法器組成的第二乘法器組(300)，該乘法器組中的每一個乘法器將與之相對應的一個單位時延寄存器內的數據與與之相對應的一個累加器輸出的更新後濾波器的抽頭係數相乘，送入誤差信號生成器；誤差信號生成器，將第二乘法器組的輸出信號值加和，和當前實際接收到的時域已知信號進行對比相減，產生誤差信號；第三乘法器，接收所述誤差信號生成器輸出的誤差信號和外部輸入的調整步長，輸出調整抽頭更新的中間值，送入第二乘法器組中的每一個乘法器中。
3.根據權利要求2所述的信道估計和均衡裝置，其特徵在於，在所述本地時域已知序列發生器單元(22)產生的信號是BPSK信號的情況下，用第一符號變換模塊組和第二符號變換模塊組代替所述第一乘法器組和所述第二乘法器組。
4.根據權利要求2所述的信道估計和均衡裝置，其特徵在於，所述的時域信道估計單元(20)中的K值可以選擇等於信道中出現的最大延時的多徑採樣後的歸一化延時量。
5.根據權利要求1所述的信道估計和均衡裝置，其特徵在於，所述的時域信道估計單元(20)的輸入是時域已知序列，所述頻域均衡單元(16)的輸入和輸出是頻域數據。
6.根據權利要求5所述的信道估計和均衡裝置，其特徵在於，所述的時域信道估計單元(20)所輸入的時域已知序列可以是PN序列，或者任意一種具有偽隨機特徵的已知序列。
7.一種時域已知序列的OFDM的信道估計和均衡方法，包括對輸入的OFDM信號進行同步；將已經同步的OFDM信號分離為時域已知序列和數據幀體兩部分；對分離獲得的時域已知序列進行信道估計；對估計出的信道衝激響應和數據幀消除已知序列幹擾；將時域數據和估計出的信道脈衝衝激響應處理變到頻域響應；進行頻域均衡。
8.根據權利要求7所述的信道估計和均衡方法，其特徵在於，所述方法在時域對數據進行處理，且所述均衡步驟後的輸出是頻域數據。
9.根據權利要求8所述的信道估計和均衡方法，其特徵在於，所述時域已知序列可以是PN序列，或者任意一種具有偽隨機特徵的已知序列。
全文摘要
一種基於插入時域已知序列的OFDM的信道估計和均衡裝置，可應用於手持移動數字多媒體終端。該裝置的包括數據分離器，將接收到的信號分離成時域已知序列和DFT數據幀體；去除時域已知序列幹擾單元，根據得到的信道衝激響應對接收數據進行重構循環卷積；時域信道估計單元，得到信道的衝激響應，送給頻域均衡單元；本地時域已知發生器單元，產生本地時域已知序列；FFT單元；頻域均衡單元，用於完成頻域均衡。該裝置能夠實現一種高頻譜利用率的系統的信道估計和接收，並且複雜度不高，可以滿足手持行動裝置的要求。
文檔編號H04L27/26GK1905539SQ20061002976
公開日2007年1月31日 申請日期2006年8月7日 優先權日2006年8月7日
發明者張文軍, 劉勃, 歸琳, 熊箭 申請人:上海交通大學