信道均衡器的优化.pdf

具体实现方式

本发明能应用于网络部件中(如基站收发信台)，以及不同用户终端
中的所有无线通信系统接收机。

图1简化示意了本发明的技术解决方案能应用的数字数据传输系统。
该系统为蜂窝无线电系统的一部分，包括基站收发信台104，其与用户终
端100和102有无线电连接108和110，用户终端可以固定于汽车或便携
式终端内四处移动。基站收发信台的收发信机连接一个天线设备，用于
实现与用户终端的双工无线电连接。基站收发信台还连接一个基站控制
器106，其传送该用户终端连接到网络的其它部件。基站控制器以集中方
式控制与之相连的多个基站收发信台。

蜂窝无线电系统也可连接公众交换电话网，在此情况下，码型变换器
将公众交换电话网和蜂窝无线网络之间使用的不同数字话音编码模式转
换为兼容模式，例如，从固定网络的64kbit/s模式转换为蜂窝无线网络
的另一种模式(例如，13kbit/s)，反之亦然。

图2示出了分两步估算噪声方差，以及通过加权从噪声方差估计中得
到的系数加权信道均衡器的输入信号的方法步骤的流程图。下面将通过
对接收机结构的描述详细解释流程图的各个方法步骤。该过程从功能块
200开始。

在功能块202，计算冲激响应。图3举例示意了一种测量的冲激响应。
在典型的蜂窝无线电环境中，基站收发信台和用户终端之间的信号在发
射机和接收机之间采用多个不同路由传播。这种多路径传播主要是由于
信号从周围表面被反射引起的。通过不同路由传播的信号由于传播时延
不同而到达接收机的时间不同。两个传输方向的情况都是这样。通过测
量接收信号的冲激响应可在接收机监视发射信号的这种多路径传播，在
此示意具有不同到达时间的信号为波峰与其信号强度成正比。图3举例
示意了这种测量的冲激响应。横轴300表示时间，而纵轴302表示接收
信号的强度。曲线的峰值点304、306、308指示接收信号的最强分量。

接着，在功能块204，估算信号的协方差矩阵，根据公式7，其对角
线为向量形式的噪声方差。在功能块206，利用已知方法计算预滤波器和
信道均衡器的抽头系数。在功能块208，根据公式10再次估算噪声方差。
最后，在功能块210，提供给信道均衡器的信号通过加权噪声估算得到的
系数被加权。箭头212描述了根据使用的系统标准(例如，时隙)的具
体要求该方法的重复性。在功能块214，评估该估计中可能的偏差级别以
便根据公式11确定参数。这个步骤不是必需的，但如果预滤波器的抽头
系数是利用将导致噪声能量估计产生偏差的均衡器算法确定的，这个步
骤将提高性能。该过程在功能块216结束。

下面通过确定信道均衡器参数所必需的一种简化接收机结构详细描述
每个方法步骤，该结构在图4中示意。为示意起见，图4只示出了与本
发明描述相关的接收机结构部件。

估计部件400接收抽样信号作为输入，而且根据现有技术通过互相关
接收抽样与一个已知序列估算每个分支的冲激响应。适应于已知系统的
估算冲激响应的方法(应用于例如GSM系统)，利用附属于一个突发的
已知训练序列。长26比特的训练序列中的16个比特用于估算每个冲激
响应抽头。该结构通常还包括一个匹配滤波器，以取决于干扰因素(如，
符号间干扰ISI)的符号差错似然(likelihood)，重建在信道中失真的信
号为原始数据流。在该匹配滤波器计算估算的冲激响应的自相关抽头。
上述的设备可以多种方式实施，例如，通过在处理器中运行软件或通过
硬件配置，如利用分立组件或ASIC(专用集成电路)生成的逻辑。

估算冲激响应后，在部件402计算噪声的协方差矩阵。根据现有技术，
例如，可如下估算协方差矩阵：

在线性情况下，抽样信号的向量可表示为如下形式(黑体变量表示向
量或矩阵)：

y₁＝H₁x+w₁                          (3)

y₂＝H₂x+w₂

其中

  y₁和y₂为[y[n]y[n+1]…y[N-1]]^T形式的抽样向量，n＝0，1，...，N-1，其中
   n为抽样数而T为转置，

  x为要估计的向量，

  w₁和w₂为[w[n]w[n+1]…w[N-1]]^T形式的噪声向量，

  H为已知的观察矩阵，为N×(N+h₁-1)维，其中h₁为冲激响应的
   长度，而h( )为冲激响应观察值，H具有下述形式：

即，矩阵H包括一个值为0的上三角矩阵和一个值为0的下三角矩阵。
矩阵乘法Hx计算冲激响应和信息卷积。

因此，两个抽样y₁和y₂的协方差为：

μ₁₂＝E[(y₁-E(y₁))((y₂-E(y₂))*]
= ∫ - ∞ ∞ ∫ - ∞ ∞ ( y 1 - E ( y 1 ) ) ( ( y 2 - E ( y 2 ) ) * ρ ( y 1 , y 2 ) dy 1 dy 2 - - - - ( 4 ) ]]>
= ∫ - ∞ ∞ ∫ - ∞ ∞ y 1 y 2 p ( y 1 , y 2 ) dy 1 dy 2 - E ( y 1 ) E ( y 2 ) ]]>

＝E(y₁y₂)-E(y₁)E(y₂)

其中，E(y₁)为y₁的期望值，且具有下述形式：
E ( y 1 ) = ∫ - ∞ ∞ y 1 p ( y 1 ) dy 1 - - - - ( 5 ) ]]>

在公式(5)和(6)中，p表示概率密度函数，而*表示复数卷积。

通过类似方法可得到E(y₂)。

也可通过下述方式表示协方差为矩阵形式：

C＝E(e_ie_i^H)，其中                        (6)

H表示下述矩阵的复数卷积转置：
e i = w i 1 T w i 2 T = ( y i 1 - H i 1 x ) T ( y i 2 - H i 2 x ) T , - - - - ( 7 ) ]]>

其中T表示矩阵的转置。

根据图4，为简化起见，公式中除y₁和y₂之外还有其它抽样向量。该
协方差矩阵的对角线元素形成了向量形式的信号噪声方差。

上述的设备可以多种方式实施，例如，通过在处理器中运行软件或通
过硬件配置，如利用分立组件或ASIC生成的逻辑。

在部件404，计算预滤波器f₁，f₂，...，f_n和信道均衡器412的抽头系数。
部件400和402的输出信号用作该部件的输入信号。估算的冲激响应值
和噪声协方差矩阵可用于确定预滤波器的抽头系数。预滤波器可以是FIR
(有限冲激响应)或IIR(无限冲激响应)型，但不是匹配滤波器。IIR
滤波器比具有同样均匀阻带的FIR滤波器要求的参数以及存储器和计算
容量都要少，但IIR滤波器会引起相位失真。至于本发明的应用，与选
择哪个滤波器或设计方法无关，因此在此不再详细它们。设计滤波器的
不同方法在该技术领域是广为人知的。提供给加权装置410的部件404
的输出信号416为经修正的冲激响应。

在该技术领域一般都知道几种不同类型的信道均衡器。实际上，最普
通的包括线性均衡器，非线性的DFE(判决反馈均衡器)，以及基于ML
(最大似然)接收机的维特比算法。根据维特比算法的均衡器优化标准
为序列差错似然。均衡器通常是通过FIR型的线性滤波器实现的。这种
均衡器可应用不同标准优化。差错似然与均衡器系数呈非线性关系，因
此实际上，最通用的优化标准为MSE(均方误差)，即，误差功率

J_min＝E|I_k-_k|²，其中                (8)

J_min为最小误差功率，

I_k为参考信号，以及

_k为参考信号估计，而

E为期望值。

至于本发明的应用，与选择哪个滤波器或设计方法无关，因此在此不
再详细描述它们。优化均衡器的不同方法在该技术领域是广为人知的。

在部件406，预滤波后再次计算信号噪声方差。根据现有技术，可如
下估算噪声方差：

预滤波后，信号向量可表示为下述形式：

y_c＝H_cx+w_c，其中                (9)

  y_c为[y[n]y[n+1]…y[N-1]]^T形式的抽样向量，n＝0，1，...，N-1，其中n为

抽样数而T为转置，

  x为要估计的向量，

  w_c为[w[n]w[n+1]…w[N-1]]^T形式的噪声向量，

  H_c为已知的观察矩阵，为N×(N+h₁-1)维，其中h_c( )为冲激响
   应观察值，而h₁为冲激响应的长度，H具有下述形式：

因此，利用下述公式可估算噪声能量N：

c为用户选择的一个常数，这个常数不必，但在必要时可用于调节系
统动态特性，

length为该向量的长度，

t为向量的转置，

^*为复数卷积，而

/为除。

上述的功能可以多种方式实施，例如通过在处理器中运行软件或通过
硬件配置，如利用分立组件或ASIC生成的逻辑。

如果是利用将引起噪声能量估计产生偏差的均衡器算法，如MMSE-
DFE(最小均方均衡器-判决反馈均衡器)均衡器算法，确定预滤波器的
抽头系数，那么这种估计就没有偏差以便提高信道编码性能。在部件408，
从如下噪声能量估计中计算无偏加权系数：

N为噪声能量估计，且具有公式10所示的形式，而

E(|y_c|²)为预滤波后信号能量的期望值。这是根据图4的技术解决方案。

在公式10中，为计算噪声能量N：
N = c * w c t w c * / length ( w c ) , ]]>

可利用公式11确定常数c，在计算加权系数时已经考虑了噪声能量估
计无偏差。估计了噪声能量而且评估了可能的偏差影响后，部件404的
输出信号，即经修正的冲激响应416，在预滤波抽样信号的加法器414形
成的和信号418在实际的信道均衡器部件412之前，乘以利用加权装置410
得到的加权系数。这为信道解码提供了更为可靠的符号差错率值。

上述功能可以多种方式实施，例如，通过在处理器中运行软件或通过
硬件配置，如利用分立组件或ASIC生成的逻辑。

尽管上面是参考附图的例子描述本发明的，但显然本发明并不局限于
此，而是可在所附权利要求书公开的发明构思内以多种方式改进。