專利名稱:一種單載波系統(tǒng)的自適應(yīng)均衡方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種通信技術(shù)領(lǐng)域,特別涉及一種單載波系統(tǒng)的自適應(yīng)均衡方法。
背景技術(shù):
單載波頻域均衡(single carrier frequency domain equalization,SC-FDE)是寬帶無(wú)線傳輸中一種很有效的對(duì)抗多徑干擾的方法。在無(wú)線通信系統(tǒng)中,除了受各種噪聲的干擾,發(fā)射信號(hào)的多徑傳播也影響著數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率,引起碼間干擾(inter symbol interference,ISI)。隨著接入和數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾实妮^大提高,越來(lái)越高的傳輸帶寬造成了嚴(yán)重的時(shí)間色散,接收信號(hào)中包含了經(jīng)歷衰減和時(shí)延的多徑波,引起頻率選擇性衰落,從而導(dǎo)致嚴(yán)重的ISI。這個(gè)時(shí)候,如果單用時(shí)域均衡減輕ISI,需要較多濾波器抽頭才能得到可接受的均衡效果,這樣很難達(dá)到實(shí)時(shí)性要求,而且隨著多徑時(shí)延擴(kuò)展的增大,均衡復(fù)雜度甚至可能成指數(shù)增長(zhǎng)。
第四代(4G)移動(dòng)通信系統(tǒng)速率可達(dá)幾10Mbps甚至100Mbps,在這樣高的系統(tǒng)傳輸速率下的時(shí)域均衡是不實(shí)際的。A.Peled和A.Ruiz最先提出了循環(huán)前綴(Cyclic Prefix,CP),使接收端的頻域均衡變得簡(jiǎn)單;20世紀(jì)80年代,隨著高速數(shù)字信號(hào)處理(Digital Signal Processing,DSP)芯片的快速發(fā)展,大規(guī)模集成電路使得快速傅立葉變換(FFT)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)不再是難以逾越的障礙,信號(hào)時(shí)頻變換的復(fù)雜度得到了大大的降低。這樣,傳統(tǒng)時(shí)域上的均衡變換到頻域上實(shí)現(xiàn)就成為了可能?;贑P的分塊傳輸?shù)闹饕夹g(shù)-正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)和SC-FDE正是在這樣的背景下被提出來(lái)的。CP最初用于OFDM系統(tǒng),OFDM是一種高效的調(diào)制方式,具有高的頻譜效率和強(qiáng)的抗ISI的優(yōu)點(diǎn)。然而,在OFDM的實(shí)驗(yàn)室研究日漸成熟,其峰均比(Peak-to-Average Power Ratio,PAPR)過(guò)高的弱點(diǎn)逐漸成為系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和性能提高的瓶頸時(shí),Sari于1994年首次發(fā)起重新討論SC-FDE技術(shù)。接著,各國(guó)的研究者就SC-FDE的原理和性能,以及該系統(tǒng)特殊的符號(hào)結(jié)構(gòu)和信號(hào)處理算法開(kāi)始了研究。SC-FDE跟OFDM有差不多相同的復(fù)雜度、頻譜效率和抗干擾能力。相比OFDM,SC-FDE尚屬新興技術(shù),但由于其性能上的優(yōu)勢(shì),開(kāi)始逐漸受到人們的重視。
SC-FDE采用頻域均衡消除頻率選擇性信道對(duì)信號(hào)的影響。頻域均衡技術(shù)一般也是采用傳統(tǒng)的時(shí)域均衡中的準(zhǔn)則和算法,與時(shí)域均衡不同的是頻域均衡的算法在頻域上處理,這樣簡(jiǎn)化了抽頭個(gè)數(shù),處理簡(jiǎn)單。同時(shí),由于無(wú)線信道的信道狀態(tài)是隨時(shí)間變化的,因此均衡器需要跟蹤這種變化。常用的自適應(yīng)跟蹤算法有最小均方(Least Mean Square,LMS)、遞歸最小二乘(RLS)算法等。
在現(xiàn)有的自適應(yīng)信道估計(jì)算法中,例如公開(kāi)號(hào)為CN1463526A的專利申請(qǐng)“混合頻域-時(shí)域均衡器”,是根據(jù)均衡數(shù)據(jù)Zi及其判決數(shù)據(jù)之間的誤差信號(hào),進(jìn)行自適應(yīng)信道估計(jì)。這樣做存在兩個(gè)問(wèn)題(1)由于均衡數(shù)據(jù)中只有一部分序列長(zhǎng)度的獨(dú)特字(UW段)是已知的,因此因錯(cuò)誤的判決將會(huì)使誤差計(jì)算部分噪聲變大;(2)整個(gè)數(shù)據(jù)段的FFT變換數(shù)據(jù)存在峰均比過(guò)大的問(wèn)題,在幅值小的頻點(diǎn),自適應(yīng)信道估計(jì)受噪聲的影響就相應(yīng)變大。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于,提供一種單載波系統(tǒng)的自適應(yīng)均衡方法。
本發(fā)明涉及一種單載波系統(tǒng)的自適應(yīng)均衡方法,包括下列步驟 步驟A接收信號(hào)經(jīng)過(guò)傅立葉變換變?yōu)轭l域數(shù)據(jù); 步驟B經(jīng)過(guò)頻域均衡、逆傅立葉變換之后得到時(shí)域均衡數(shù)據(jù),其中,傳輸結(jié)構(gòu)中每個(gè)長(zhǎng)度為N的數(shù)據(jù)段xi由長(zhǎng)度為N-L的信息段si和作為循環(huán)前綴的已知固定長(zhǎng)度為L(zhǎng)的UW段u組成; 步驟C從時(shí)域均衡數(shù)據(jù)中分離出所述長(zhǎng)度為L(zhǎng)的UW段,將其均衡后的信號(hào)與自身的誤差信號(hào)作為自適應(yīng)信道估計(jì)的輸入變量。
其中,所述均衡算法包括線性均衡、判決反饋均衡算法。
其中,所述線性均衡包括最小均方誤差均衡、迫零均衡算法。
進(jìn)一步地,所述進(jìn)入頻域均衡的信號(hào)是預(yù)先經(jīng)過(guò)射頻濾波、匹配濾波、A/D采樣的前端處理,且已完成同步的復(fù)基帶信號(hào),對(duì)應(yīng)第i個(gè)數(shù)據(jù)塊的接收信號(hào)表示為 其中,hi、xi、ni分別代表第i塊的信道沖激響應(yīng)、數(shù)據(jù)段信號(hào)和方差為σ2的高斯白噪聲;在信道沖激響應(yīng)hi在塊內(nèi)時(shí)不變,在塊與塊之間是慢時(shí)變時(shí)表示為 yi=Hixi+ni yi經(jīng)過(guò)傅立葉變換變?yōu)轭l域數(shù)據(jù)為 其中,為對(duì)應(yīng)信號(hào)的傅立葉變換;由Hi為Toeplitz(托普利茲)矩陣可知為對(duì)角陣,其中
為信道頻域響應(yīng)在第k個(gè)離散頻點(diǎn)的值。
另外,在最小均方誤差均衡MMSE中,均衡器系數(shù)為 其中,其中
為信道頻域響應(yīng)在第k個(gè)離散頻點(diǎn)的值;σ2為噪聲估計(jì);IN表示N×N單位陣。
進(jìn)一步地,可以根據(jù)遞歸最小二乘算法,在第i個(gè)傳輸塊時(shí)刻的信道估計(jì)使得下述代價(jià)函數(shù)最小
其中,0<λ<1為遺忘因子,然后計(jì)算得到
其中
為UW序列頻域變換數(shù)據(jù),根據(jù)下述遞歸關(guān)系 計(jì)算得到噪聲估計(jì)σ2=||ei||2。
本發(fā)明的有益效果是依照本發(fā)明的單載波系統(tǒng)的自適應(yīng)均衡方法,方法的著眼點(diǎn)在于考慮整個(gè)數(shù)據(jù)段中的已知的UW序列,從整個(gè)均衡數(shù)據(jù)段中分離出UW段,將其均衡后的信號(hào)與自身的誤差信號(hào)作為自適應(yīng)信道估計(jì)的輸入變量,因此將誤差度量局限在UW段,減小了噪聲的影響;另外,由于利用已知的UW序列進(jìn)行計(jì)算,使得本發(fā)明復(fù)雜度低、計(jì)算量小的優(yōu)點(diǎn)。
圖1為連續(xù)傳輸模式下單載波系統(tǒng)的幀結(jié)構(gòu)示意圖; 圖2為自適應(yīng)均衡器的結(jié)構(gòu)框圖; 圖3為本發(fā)明的算法對(duì)應(yīng)的電路示意圖。
具體實(shí)施例方式 以下,參考附圖1~3詳細(xì)描述本發(fā)明的單載波系統(tǒng)的自適應(yīng)均衡方法。
本發(fā)明的核心思想是利用單載波系統(tǒng)中用作循環(huán)前綴的數(shù)據(jù)是已知的UW序列的特點(diǎn),從整個(gè)均衡數(shù)據(jù)段中分離出已知的UW序列,將其均衡后的信號(hào)與自身的誤差信號(hào)作為自適應(yīng)信道估計(jì)的輸入變量,從而有效地克服現(xiàn)有算法的缺點(diǎn)。
圖1為連續(xù)傳輸模式下單載波系統(tǒng)的幀結(jié)構(gòu)示意圖。傳輸結(jié)構(gòu)中的基本單位是塊,每個(gè)長(zhǎng)度為N的數(shù)據(jù)段xi由長(zhǎng)度為N-L的信息段si和作為循環(huán)前綴的已知固定長(zhǎng)為L(zhǎng)的UW段u組成。
下面,先將本發(fā)明中用到的符號(hào)進(jìn)行說(shuō)明 (□)T矩陣轉(zhuǎn)置; (□)H矩陣共軛轉(zhuǎn)置;
循環(huán)卷積運(yùn)算符; NFFT塊長(zhǎng)度; LUW段長(zhǎng)度; ||x||2N維列向量x的范數(shù),||x||2=xHx; diag{x}以x中元素為對(duì)角元的對(duì)角矩陣; FN×N維DFT(離散傅立葉變換)矩陣,m,n=0,...,N-1; hi第i個(gè)傳輸塊的時(shí)域信道沖激響應(yīng),hi=[hi(0),...,hi(L-1)];Hi對(duì)應(yīng)第i個(gè)傳輸塊的信道沖激響應(yīng)矩陣
xi第i個(gè)傳輸塊,si為數(shù)據(jù)段,u為UW段。
圖2為自適應(yīng)均衡器的結(jié)構(gòu)框圖,進(jìn)入均衡器的信號(hào)是經(jīng)過(guò)前端處理(射頻濾波、匹配濾波、A/D采樣),并假定已完成同步的復(fù)基帶信號(hào),對(duì)應(yīng)第i個(gè)數(shù)據(jù)塊的接收信號(hào)可表示為 其中,hi、xi、ni分別代表第i塊的信道沖激響應(yīng)、數(shù)據(jù)段信號(hào)和方差為σ2的高斯白噪聲。假設(shè)信道沖激響應(yīng)hi在塊內(nèi)時(shí)不變,在塊與塊之間是慢時(shí)變的。其中,公式(1)又可改寫為 yi=Hixi+ni(2) yi首先經(jīng)過(guò)傅立葉變換變?yōu)轭l域數(shù)據(jù),對(duì)(2)式做傅立葉變換得 為對(duì)應(yīng)信號(hào)的傅立葉變換。由Hi為Toeplitz矩陣可知為對(duì)角陣,其中
為信道頻域響應(yīng)在第k個(gè)離散頻點(diǎn)的值。
經(jīng)過(guò)頻域均衡、IFFT之后得到時(shí)域均衡數(shù)據(jù),再?gòu)木鈹?shù)據(jù)中分離出數(shù)據(jù)段信號(hào)(N個(gè)數(shù)據(jù)中的前N-L個(gè)),均衡器工作即告完成。常用的均衡算法有線性均衡、判決反饋均衡。線性均衡又可分為最小均方誤差(Minimum MeanSquare Error,MMSE)均衡、迫零均衡等,這里以MMSE均衡為例,均衡器系數(shù)為 計(jì)算均衡器系數(shù)所需要的
由自適應(yīng)信道估計(jì)單元給出。
在傳統(tǒng)的基于遞歸最小二乘(RLS)的自適應(yīng)信道估計(jì)算法中,代價(jià)函數(shù)的自變量為整個(gè)數(shù)據(jù)段的均衡信號(hào)及其判決信號(hào)產(chǎn)生的誤差信號(hào),因此錯(cuò)誤的判決將會(huì)使誤差計(jì)算部分噪聲變大。另一方面,數(shù)據(jù)段的FFT變換數(shù)據(jù)存在峰均比過(guò)大的問(wèn)題,在幅值小的頻點(diǎn),自適應(yīng)信道估計(jì)受噪聲的影響就相應(yīng)變大。
針對(duì)這個(gè)問(wèn)題,考慮到單載波信號(hào)結(jié)構(gòu)中UW段數(shù)據(jù)是已知固定的這一特點(diǎn),將誤差度量由原來(lái)的整個(gè)數(shù)據(jù)段縮減至UW段,既可以減少錯(cuò)誤判決帶來(lái)的影響,又可以預(yù)先設(shè)計(jì)好滿足一定特性的UW段使得頻域響應(yīng)平坦,克服原算法峰均比大的問(wèn)題。
通過(guò)矩陣分塊運(yùn)算,將
表示為數(shù)據(jù)段及UW段兩部分傅立葉變換的和 則式(3)可寫為 在接收到第i個(gè)傳輸塊后,利用公式(4)進(jìn)行均衡、判決之后得到判決數(shù)據(jù)
及其頻域數(shù)據(jù)從接收信號(hào)中減去數(shù)據(jù)段得到 ei為誤差項(xiàng)。
根據(jù)RLS算法,在第i個(gè)傳輸塊時(shí)刻的信道估計(jì)應(yīng)使得下述代價(jià)函數(shù)最小
其中0<λ<1為遺忘因子。
簡(jiǎn)單計(jì)算得到
其中計(jì)算P(i)及r(i)的遞歸關(guān)系為 假設(shè)理想的信道估計(jì)和數(shù)據(jù)判決,由式(6)、(7),可以得到噪聲估計(jì) σ2=||ei||2 (12) 其中,公式(10)~(12)為本發(fā)明的自適應(yīng)信道估計(jì)的算法公式。圖3為本算法對(duì)應(yīng)的電路圖。為已知的確定序列,可預(yù)先存儲(chǔ)起來(lái)。UW序列u的選取,應(yīng)滿足其頻域變換數(shù)據(jù)
在頻域上盡量平坦的特性,這樣更有助于提高信道估計(jì)的精度。由于UW序列是確定已知的,因此可以事先設(shè)計(jì)好具有平坦頻域特性的序列。由于
為對(duì)角陣,因此在公式(10)計(jì)算
時(shí)復(fù)雜度僅為O(N)。
綜上所述,依照本發(fā)明的單載波系統(tǒng)的自適應(yīng)均衡方法,根據(jù)UW序列在接收端是已知的這一特點(diǎn),將誤差度量局限在UW段,從而減小了噪聲的影響;另外,由于UW序列u的選取,應(yīng)滿足其頻域變換數(shù)據(jù)
在頻域上盡量平坦的特性,可以事先設(shè)計(jì)好具有平坦頻域特性的序列,這樣更有助于提高信道估計(jì)的精度。再有,由于只需要計(jì)算已知的UW序列,因此,本發(fā)明還具有復(fù)雜度低、計(jì)算量小的優(yōu)點(diǎn)。
以上是為了使本領(lǐng)域普通技術(shù)人員理解本發(fā)明,而對(duì)本發(fā)明所進(jìn)行的詳細(xì)描述,但可以想到,在不脫離本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋的范圍內(nèi)還可以做出其它的變化和修改,這些變化和修改均在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種單載波系統(tǒng)的自適應(yīng)均衡方法,其特征在于,包括下列步驟
步驟A接收信號(hào)經(jīng)過(guò)傅立葉變換變?yōu)轭l域數(shù)據(jù);
步驟B經(jīng)過(guò)頻域均衡、逆傅立葉變換之后得到時(shí)域均衡數(shù)據(jù),其中,傳輸結(jié)構(gòu)中每個(gè)長(zhǎng)度為N的數(shù)據(jù)段xi由長(zhǎng)度為N-L的信息段si和作為循環(huán)前綴的已知固定長(zhǎng)度為L(zhǎng)的UW段u組成;
步驟C從時(shí)域均衡數(shù)據(jù)中分離出所述長(zhǎng)度為L(zhǎng)的UW段,將其均衡后的信號(hào)與自身的誤差信號(hào)作為自適應(yīng)信道估計(jì)的輸入變量。
2.如權(quán)利要求1所述的單載波系統(tǒng)的自適應(yīng)均衡方法,其特征在于,所述均衡算法包括線性均衡、判決反饋均衡算法。
3.如權(quán)利要求2所述的單載波系統(tǒng)的自適應(yīng)均衡方法,其特征在于,所述線性均衡包括最小均方誤差均衡、迫零均衡算法。
4.如權(quán)利要求3所述的單載波系統(tǒng)的自適應(yīng)均衡方法,其特征在于,所述進(jìn)入頻域均衡的信號(hào)是預(yù)先經(jīng)過(guò)射頻濾波、匹配濾波、A/D采樣的前端處理,且已完成同步的復(fù)基帶信號(hào),對(duì)應(yīng)第i個(gè)數(shù)據(jù)塊的接收信號(hào)表示為
其中,hi、xi、ni分別代表第i塊的信道沖激響應(yīng)、數(shù)據(jù)段信號(hào)和方差為σ2的高斯白噪聲;在信道沖激響應(yīng)hi在塊內(nèi)時(shí)不變,在塊與塊之間是慢時(shí)變時(shí)表示為
yi=Hixi+ni
yi經(jīng)過(guò)傅立葉變換變?yōu)轭l域數(shù)據(jù)為
其中,為對(duì)應(yīng)信號(hào)的傅立葉變換;由Hi為托普利茲矩陣可知為對(duì)角陣,其中
為信道頻域響應(yīng)在第k個(gè)離散頻點(diǎn)的值。
5.如權(quán)利要求4中任一項(xiàng)所述的單載波系統(tǒng)的自適應(yīng)均衡方法,其特征在于,在最小均方誤差均衡MMSE中,均衡器系數(shù)為
其中,其中
為信道頻域響應(yīng)在第k個(gè)離散頻點(diǎn)的值;σ2為噪聲估計(jì);IN表示N×N單位陣。
6.如權(quán)利要求5所述的單載波系統(tǒng)的自適應(yīng)均衡方法,其特征在于,根據(jù)遞歸最小二乘算法,在第i個(gè)傳輸塊時(shí)刻的信道估計(jì)使得下述代價(jià)函數(shù)最小
其中,0<λ<1為遺忘因子,然后計(jì)算得到
其中
為UW序列頻域變換數(shù)據(jù),根據(jù)下述遞歸關(guān)系
計(jì)算得到噪聲估計(jì)σ2=||ei||2。
全文摘要
本發(fā)明提供一種單載波系統(tǒng)的自適應(yīng)均衡方法,包括下列步驟步驟A接收信號(hào)經(jīng)過(guò)傅立葉變換變?yōu)轭l域數(shù)據(jù);步驟B經(jīng)過(guò)頻域均衡、逆傅立葉變換之后得到時(shí)域均衡數(shù)據(jù),其中,傳輸結(jié)構(gòu)中每個(gè)長(zhǎng)度為N的數(shù)據(jù)段xi由長(zhǎng)度為N-L的信息段si和作為循環(huán)前綴的已知固定長(zhǎng)度為L(zhǎng)的UW段u組成;步驟C從時(shí)域均衡數(shù)據(jù)中分離出所述長(zhǎng)度為L(zhǎng)的UW段,將其均衡后的信號(hào)與自身的誤差信號(hào)作為自適應(yīng)信道估計(jì)的輸入變量。本發(fā)明能夠?qū)⒄`差度量局限在UW段,減小了噪聲的影響,且具有計(jì)算復(fù)雜度低、計(jì)算量小的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H04L27/26GK101404631SQ20081017739
公開(kāi)日2009年4月8日 申請(qǐng)日期2008年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月19日
發(fā)明者昊 吳, 田金潔, 立 方 申請(qǐng)人:北京韋加航通科技有限責(zé)任公司