CN100362762C - 一种实现数据信号模式判决的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现数据信号模式判决的装置，包括累加器模块、计算模块、控制模块、各模式对应符号生成模块和模式判决模块。本发明同时公开了一种实现数据信号模式判决的方法，利用两矢量同方向时，其和的模值或能量值最大这一性质，通过对模式已知的导频进行矢量累加来修正信道引起的旋转角度，并逐一将所要判决的各个模式的数据信号与导频累加和相加，判决出所得矢量和的模值或能量值最大模式对应的数据符号。本发明模块化的装置便于升级及维护，本发明方法，大大降低了数据信号模式判决的误码率，从而提高了无线通信系统的容量，改善了无线通信系统的性能。

Description

一种实现数据信号模式判决的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种数字信号的无线接收处理技术，特别是涉及一种实现数据信号模式判决的装置及方法。

背景技术

无线通信系统一般属于数字系统，这种系统的特点是发射信号的模式是有限的，因而在接收端可以判决出发射信号的模式，模式是指一次信号发射中所有可能发射的符号，对应一串0、1代码。在无线通信系统的用户设备与基站之间，信号是通过无线信道传播的，无线信道相对有线信道存在衰落、多径等诸多干扰，从而造成接收端对无线信号模式的判决不准确，存在更大误码率的问题。

目前，码分多址(CDMA，Code Division Multiple Access)系统正逐渐成为无线通信系统的主流技术之一。CDMA系统具有系统容量大、频谱利用率高、对背景噪声抑制良好以及保密性好等优点，但是，CDMA系统在同一个时间和同一个频点存在多个用户发射信号的可能，所以这种系统除了存在衰落、多径等干扰外，还存在不同用户间相互干扰和多址干扰(MAI，Multiple Access Interference)的问题，其无线信号的接收处理更加困难。近年来，多用户检测(MUD，Multi-User Detection)技术、自适应均衡技术以及智能天线技术的发展，为进一步提高CDMA系统的无线信号接收性能提供了可能，同时，这些技术的发展以及实际应用也对系统无线信号的接收提出了更高的要求。

因此，无线信号的接收处理方法是直接影响无线通信系统的性能乃至其发展的一个决定性因素。

图1是接收信号矢量相对于发射信号矢量的角度旋转示意图。如图1所示，在接收处理无线信号时，由于用户移动以及射频的调制解调频率差等原因，造成接收信号方向相对发射信号方向存在一个旋转角度ω。在接收端，旋转角度ω将严重影响无线信号模式的判决，因此，在判决时必须估计和补偿这种旋转，以降低判决的误码率。

为了解决上述旋转角度的问题，目前的无线信号接收处理技术采用信道估计的方法，在发射信号中插入一些导频信号，导频信号是发射数据中模式已知的信号，通过导频信号获取旋转角度的信息，并根据获得的旋转角度信息对数据信号进行补偿，数据信号是发射数据中模式未知的信号，然后判决出补偿后的数据信号的模式。

导频插入原则为：导频信号的插入数量取决于无线通信系统的数据格式以及通信信道的情况，且满足单位模式判决数据域所需判决时间T₁远远小于信道引起的旋转造成接收信号矢量反向所需的时间T₂，其中，单位模式判决数据域的长度取决于通信协议。

图2是一种信号传输的数据结构示意图。如图2所示，信号传输采用了{连续的导频信号，连续的数据信号}即{导频域，数据域}的数据格式。导频域是指发射数据中，事先已经知道发射信号符号，用于估计其它位置信号的数据域，即导频信号所在的数据域；数据域是指发射数据中，除了导频域以外的部分，即数据信号所在的数据域。参见图2，在采用信道估计的方法中，一种零阶保持法的实现方案是：

第一步：计算出初始解调后的导频域信号的旋转角度ω_n， ${\mathrm{\ω}}_n={\tan }^{-1}(\underset{i=1}{\overset{N_p}{\mathrm{\Σ}}}{r}_i\×{p_i}^{*}).$ 该公式中，N_p为接收到的导频信号的个数，r_i为第i个导频信号，矢量r_i的发射角度为α，P_i为r_i对应的发射符号，它包含r_i的发射信息，因此矢量P_i的角度为α，“*”为求共轭运算。在式子r_i×p_i ^*中，矢量p_i ^*的角度为(-α)，导频信号r_i的角度为发射角度α与信道引起的r_i的旋转角度ω之和(α+ω)。运算r_i×p_i ^*，实质上是该两矢量的模值相乘，角度值相加，该运算计算出的导频矢量的角度为ω。通过进行运算r_i×p_i ^*，去掉了导频信号r_i的发射角度α，只保留用于估计和补偿的旋转角度ω，从而消除了发射角度α可能给判决带来的影响。式子是把导频域中所有去除发射角度后的导频信号矢量进行累加，计算出一个矢量导频累加和，该导频累加和的角度为信道引起的导频域信号的旋转角度ω_n。基于导频插入原则中T₁远远小于T₂，可认为导频域信号的旋转角度ω_n很小，所以有 ${\tan \mathrm{\ω}}_n=\underset{i=1}{\overset{N_p}{\mathrm{\Σ}}}{r}_i\×{p_i}^{*},$ 即 ${\mathrm{\ω}}_n={\tan }^{-1}(\underset{i=1}{\overset{N_p}{\mathrm{\Σ}}}{r}_i\×{p_i}^{*}).$

第二步：对初始解调后的数据域信号进行补偿。基于导频插入原则中T₁远远小于T₂，可认为导频域信号与数据域信号旋转的角度一致，所以数据域信号的旋转角度就是上述计算所得的ω_n，将数据域中每个数据信号反向旋转ω_n，即进行运算 ${r^{`}}_k=r_k\&times;e^{-j{\mathrm{\&omega;}}_n},$ 该公式中，r<sub>k</sub>为第k个数据信号，r`_k为补偿后的数据信号。将r_k乘以角度为(-ω_n)的单位矢量，实质上就是把矢量r_k反向旋转ω_n，达到补偿数据信号r_k的目的。

第三步：对补偿后的数据信号r`_k进行模式判决。

但是，在这种基于信道估计的方法中，ω_n值的计算是一个近似计算并且接收导频的导频符号内存在噪声，这些都造成旋转角度ω_n估计不准确，这种不准确的程度进而在数据补偿时被放大，最终造成数据信号模式判决的误码率高，如果增大系统的发射功率来减小误码率，又会增大对其他用户的干扰。所以，用这种信道估计的方法对数据信号进行模式判决效果比较差。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种实现数据信号模式判决的方法，通过更好地修正信道引起的信号旋转角度，大大降低数据信号模式判决的误码率，改善无线通信系统的性能。

本发明的另一目的在于提供一种实现数据信号模式判决的装置，使其能便于进行升级和维护，从而更好地适应无线通信系统的快速发展。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种实现数据信号模式判决的方法，包括以下步骤：

A、判断初始解调后的当前信号是导频信号还是数据信号，如果是导频信号，则执行步骤B，如果是数据信号，则执行步骤C；

B、将导频信号与对应该导频信号的发射符号的共扼相乘，得到导频矢量积，将该导频矢量积与上一次导频累加和求和，得到当前导频累加和，将用于统计已处理信号个数的计数累加和的值增加一，得到当前计数累加和，然后判断当前计数累加和的值是否为单位模式判决数据域所包含的信号的个数，如果是，则将当前计数累加和清零以及将当前导频累加和清零并返回步骤A，否则，直接返回步骤A；

C、将数据信号分别与数据信号各个模式对应的发射符号的共扼相乘，得到各个模式对应的数据信号，将当前导频累加和分别与该各个模式对应的数据信号求和，得到各个模式的矢量和，再计算出该各个模式矢量和的模值或能量值，然后判决出模值或能量值最大的模式，输出该模值或能量值最大模式的数据符号，将计数累加和的值增加一，得到当前计数累加和，然后判断当前计数累加和的值是否为单位模式判决数据域所包含的信号的个数，如果是，则将当前计数累加和清零以及将当前导频累加和清零并返回步骤A，否则，直接返回步骤A。

步骤C所述输出模值或能量值最大模式的数据符号的步骤进一步包括：将模值或能量值最大模式对应的数据信号矢量与上一次导频累加和求和，得到当前导频累加和。

一种实现数据信号模式判决的装置，包括以下模块：判断模块，累加器模块，各模式对应符号生成模块，计算模块，模式判决模块和控制模块，其中，

判断模块，判断初始解调后的当前信号是导频信号还是数据信号，当所述当前信号是导频信号时，将导频信号输入至累加器模块，当所述当前信号是数据信号时，将数据信号输入至计算模块；

累加器模块，接收来自判断模块的导频信号，并逐一将各个导频信号与其对应的发射符号的共扼相乘，得到各个导频矢量积，将所有导频矢量积相加，计算出导频累加和，然后将导频累加和输出到计算模块；

各模式对应符号生成模块，产生数据信号的各个模式对应的发射符号，并将该各个模式对应的发射符号输出到计算模块；

计算模块，将来自判断模块的数据信号分别与数据信号各个模式对应的发射符号的共扼相乘，得到各个模式对应的数据信号，然后分别计算当前导频累加和与该各个模式对应的数据信号的矢量和，并分别计算该各个模式矢量和的模值或能量值，然后将计算出的模值或能量值以及各个模式的数据信号输出到模式判决模块；

模式判决模块，选择并输出计算模块中得到的模值或能量值最大模式的数据符号；

控制模块，根据单位模式判决数据域所包含的信号个数向累加器模块、各模式对应符号生成模块、计算模块以及模式判决模块各个模块分别输出使能信号，控制模块间的工作时序。

模式判决模块进一步将模值或能量值最大模式对应的数据信号矢量输出到累加器模块，累加器模块将该模值或能量值最大模式对应的数据信号矢量与上一次导频累加和求和，得到当前导频累加和。

可见，本发明将数据信号模式判决的装置模块化，便于对该装置进行升级和维护，另一方面，在工程应用时，便于设备的批量生产，从而更好地适应了无线通信技术的快速发展。

本发明提出的方法，利用了两矢量同方向时其和的模值或能量值最大这一性质，对每个数据信号分别进行分析和处理，避免了现有技术中利用导频信息对数据域内所有信号进行统一补偿而不考虑各个数据信号之间的旋转情况可能存在差异的弊端。根据本发明提出的方法，将判决出的模值或能量值最大模式对应的数据信号矢量引入导频累加，起到了实时修正旋转角度的作用。本发明方法，大大降低了数据信号模式判决的误码率，从而有助于用户降低发射功率、节约成本，进而提高了无线通信系统的容量，改善了无线通信系统的性能。

附图说明

图1是接收信号矢量相对于发射信号矢量的角度旋转示意图；

图2是一种信号传输的数据结构示意图；

图3是本发明方法的流程图；

图4是本发明使用BPSK调制时的装置结构示意图；

图5是本发明方法引入判决结果的流程图；

图6是使用BPSK调制时本发明方法与现有技术在用户以不同速度移动时性能对比的Matlab仿真图；

图7是使用BPSK调制时本发明方法与现有技术在插入不同导频数目下性能对比的Matlab仿真图；

图8是本发明装置结构示意图；

图9是本发明引入判决结果的装置结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步地详细描述。

图2是一种信号传输的数据结构示意图，图3是本发明方法的流程图，图4是本发明使用BPSK调制时的装置结构示意图。下面结合图2、图3和图4介绍利用本发明装置实现数据信号模式判决的方法。

本实施例中，在发射端对信号进行二相移相键控(BPSK，Binary PhaseShift Keying)调制，并采用图2所示的导频插入方法，对于其它导频插入方法构成的信号传输结构，本发明方法依然成立。

BPSK调制利用对载波进行相对于参考点正负九十度的相移调制来表示二进制信号的0和1，即每周期看作一个符号，一个符号到下一个符号通过180°相移，每个符号送出一个比特来表示一个高位或低位。因此，采用BPSK调制时，存在两种需要判决的数据信号模式M(M为0或1)，调制为{1，-1}。实现数据信号模式判决的具体过程包括以下步骤：

步骤301：将计数累加和C清零(C＝0)，计数累加和C用于统计本发明方法处理的导频信号和数据信号的个数。

步骤302：判断计数累加和C的值是否等于零，如果C＝0，那么表示装置还未对初始解调后的信号r进行判决或已完成对一个单位模式判决数据域中所有信号的判决，则执行步骤303；如果C≠0，那么表示装置未完成对一个单位模式判决数据域中所有信号的判决，则执行步骤304。

步骤303：将矢量导频累加和S_p清零(S_p＝0+j0)。

步骤304：判断初始解调后的信号r为导频信号r_i还是数据信号r_k，如果是导频信号r_i，则执行步骤305，如果是数据信号r_k，则执行步骤306～步骤308。

步骤305：计算当前导频累加和S_p，S_p＝S_p+r_i×p_i ^*。该公式中，矢量r_i为初始解调后的第i个导频信号，r_i的幅角为发射角度α与信道引起的旋转角度ω之和(α+ω)；矢量p_i为r_i对应的发射符号，它包含了r_i的发射信息，因此矢量p_i的幅角就是该导频信号r_i的发射角度α，“*”为求共轭运算，因此矢量p_i ^*的幅角为(-α)。因为两矢量相乘，实质上是该两矢量的模值相乘，角度值相加，因此进行运算r_i×p_i ^*后，所得矢量积的幅角为ω。通过进行运算r_i×p_i ^*，去掉了导频信号r_i的发射角度α，只保留信道引起的该导频信号r_i的旋转角度ω，从而消除了发射角度α可能会给判决带来的影响。公式S_p＝S_p+r_i×p_i ^*中，等号右边的S_p为上一次导频累加和，等号左边的S_p为当前导频累加和，根据矢量相加的平行四边形法则可知，运算(S_p+r_i×p_i ^*)在角度上的效果就是修正上一次导频累加和的旋转角度，得到当前导频累加和。

步骤306：装置产生BPSK调制下数据信号两种模式对应的发射符号t_M，t_M为1或-1(在矢量运算时，为简化运算，可将t_M视为单位矢量，即e^j0或e^j180)，令r`<sub>M</sub>＝r<sub>k</sub>×t<sub>M</sub> <sup>*</sup>，该公式中，矢量r<sub>k</sub>为初始解调后的第k个数据信号，通过进行运算r<sub>k</sub>×t<sub>M</sub> <sup>*</sup>，去掉了数据信号r<sub>k</sub>的发射角度α，只保留信道引起的该数据信号r<sub>k</sub>的旋转角度ω`，从而消除了发射角度α`可能会给判决带来的影响，并且该运算产生了BPSK调制下模式1对应的矢量r`_M1(对应数据符号0)和模式2对应的矢量r`_M2(对应数据符号1)。

步骤307～步骤308：根据导频插入原则中T₁远远小于T₂，可认为导频信号与数据信号的旋转角度一致，即在接收端所接收到的导频信号与数据信号的方向也应一致。如果两个信号的方向一致，那么该两信号矢量和的模值或能量值最大。利用这一性质，计算出矢量r`<sub>M1</sub>与当前导频累加和S<sub>p</sub>的矢量和(S<sub>p</sub>+r`_M1)，并计算出该矢量和(S_p+r`<sub>M1</sub>)的模值或能量值A；计算出矢量r`_M2与当前导频累加和S_p的矢量和(S_p+r`<sub>M2</sub>)，并计算出该矢量和(S<sub>p</sub>+r`_M2)的模值或能量值B，比较A与B，如果A大于B，则可知与当前导频累加和S_p方向一致的模式1(对应数据符号0)为应该接收的模式，则输出数据符号0；如果A小于B，则可知与当前导频累加和S_p方向一致的模式2(对应数据符号1)为应该接收的模式，则输出数据符号1。

步骤309：令计数累加和C的值增加一(C＝C+1)，即已处理的导频信号和数据信号的个数增加一。

步骤310：判断计数累加和C的值是否等于本单位模式判决数据域所包含的信号个数N，如果C＝N，那么表示装置已完成对本单位模式判决数据域中所有信号的判决，则返回步骤301，对下一个单位模式判决数据域进行判决；如果C≠N，那么表示装置未完成对本单位模式判决数据域中所有信号的判决，则返回步骤302，对本单位模式判决数据域中的下一个信号进行判决。

本实施例中，发射端对信号进行BPSK调制后，只存在两种模式对应的数据信号矢量，一种是应该接收的与导频矢量和方向一致的数据信号矢量，另一种是不应接收的与导频矢量和方向不同的数据信号矢量，因此计算出的两种模式矢量和(S_p+r`<sub>M1</sub>)与(S<sub>p</sub>+r`_M2)的模值或能量值不相等。

在对进行了其它调制的数据信号进行模式判决时，由于只有应该接收的数据信号矢量与导频累加和相加后所得矢量和的模值或能量值最大，即只存在一个最大模值或能量值，所以若计算出的各个模式矢量和(S_p+r`<sub>M</sub>)的模值或能量值出现相等的情况时，相等的模值或能量值一定不是最大值，即判决时只需对所有矢量和(S<sub>p</sub>+r`_M)的模值或能量值进行比较，选择并输出模值或能量值最大模式对应的数据符号。

图5是本发明方法引入判决结果的流程图。如图5所示，本发明方法还可将判决结果引入导频累加，即完成图5所示的步骤501，将判决出的模值或能量值最大模式对应的数据信号矢量M`与上一次导频累加和进行累加，计算出当前导频累加和。

将判决结果引入导频累加的目的是：无论是导频信号还是数据信号，其本质都是经过了同一传输过程的无线信号，而导频信号的模式已知，数据信号的模式需要判决，所以，将判决出的数据信号模值或能量值最大模式对应的矢量与导频累加和进行累加，起到了实时描述并修正旋转角度的作用。

图6是使用BPSK调制时本发明方法与现有技术在用户以不同速度移动时性能对比的Matlab仿真图，图7是使用BPSK调制时本发明方法与现有技术在插入不同导频数目下性能对比的Matlab仿真图，从图6和图7中可以看到，采用本发明方法对数据信号进行模式判决，其误码率远小于现有技术判决的误码率。

图8是本发明装置结构示意图，如图8所示，本发明的装置包括以下模块：

(1)判断模块800：判断初始解调后的当前信号是导频信号还是数据信号，当所述当前信号是导频信号时，将导频信号输入至累加器模块，当所述当前信号是数据信号时，将数据信号输入至计算模块；

(2)累加器模块801：该模块801用于接收初始解调后的导频信号r_i，并去除接收到的导频信号矢量r_i的发射角度，再将去除发射角度后的所有导频信号矢量进行累加，计算出当前导频累加和，即完成计算S_p＝S_p+r_i×p_i ^*，并将计算出的当前导频累加和S_p输出到计算模块803；

(3)各模式对应符号生成模块802：该模块802用于产生数据信号的各个模式对应的发射符号t_M，t_M的作用是分别表征数据信号的各个模式，然后将t_M输出到计算模块803；

(4)计算模块803：用于计算数据信号r_k的各个模式对应的数据信号r`<sub>M</sub>(r`_M＝r_k×t_M ^*)，以及分别计算当前的导频累加和S_p与该各个模式对应的数据信号r`<sub>M</sub>的矢量和(S<sub>p</sub>+r`_M)，再分别计算出各个模式矢量和(S_p+r`<sub>M</sub>)的模值或能量值，然后将计算出的所有模值或能量值以及各个r`_M输出到模式判决模块804；

(5)模式判决模块804：用于选择并输出计算模块803中得到的模值或能量值最大模式的数据符号M；

(6)控制模块805：该模块805与上述累加器模块801、各模式对应符号生成模块802、计算模块803和模式判决模块804相连，根据单位模式判决数据域所包含的信号个数向上述其它各个模块输出使能信号，控制各模块间的工作时序。

图9是本发明引入判决结果的装置结构示意图，如图9所示，在本发明的装置中，模式判决模块804可将判决出的模值或能量值最大模式对应的数据信号矢量M`输出到累加器模块801，在累加器模块801中，完成将输入的模值或能量值最大模式对应的数据信号矢量M`与上一次导频累加和进行累加，得到当前导频累加和。

总之，以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种实现数据信号模式判决的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

A、判断初始解调后的当前信号是导频信号还是数据信号，如果是导频信号，则执行步骤B，如果是数据信号，则执行步骤C；

B、将导频信号与对应该导频信号的发射符号的共扼相乘，得到导频矢量积，将该导频矢量积与上一次导频累加和求和，得到当前导频累加和，将用于统计已处理信号个数的计数累加和的值增加一，得到当前计数累加和，然后判断当前计数累加和的值是否为单位模式判决数据域所包含的信号的个数，如果是，则将当前计数累加和清零以及将当前导频累加和清零并返回步骤A，否则，直接返回步骤A；

C、将数据信号分别与数据信号各个模式对应的发射符号的共扼相乘，得到各个模式对应的数据信号，将当前导频累加和分别与该各个模式对应的数据信号求和，得到各个模式的矢量和，再计算出该各个模式矢量和的模值或能量值，然后判决出模值或能量值最大的模式，输出该模值或能量值最大模式的数据符号，将计数累加和的值增加一，得到当前计数累加和，然后判断当前计数累加和的值是否为单位模式判决数据域所包含的信号的个数，如果是，则将当前计数累加和清零以及将当前导频累加和清零并返回步骤A，否则，直接返回步骤A。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤C所述输出模值或能量值最大模式的数据符号的步骤进一步包括：将模值或能量值最大模式对应的数据信号矢量与上一次导频累加和求和，得到当前导频累加和。

3.一种实现数据信号模式判决的装置，其特征在于该装置包括以下模块：判断模块，累加器模块，各模式对应符号生成模块，计算模块，模式判决模块和控制模块，其中，

判断模块，判断初始解调后的当前信号是导频信号还是数据信号，当所述当前信号是导频信号时，将导频信号输入至累加器模块，当所述当前信号是数据信号时，将数据信号输入至计算模块；

累加器模块，接收来自判断模块的导频信号，并逐一将各个导频信号与其对应的发射符号的共扼相乘，得到各个导频矢量积，将所有导频矢量积相加，计算出导频累加和，然后将导频累加和输出到计算模块；

各模式对应符号生成模块，产生数据信号的各个模式对应的发射符号，并将该各个模式对应的发射符号输出到计算模块；

计算模块，将来自判断模块的数据信号分别与数据信号各个模式对应的发射符号的共扼相乘，得到各个模式对应的数据信号，然后分别计算当前导频累加和与该各个模式对应的数据信号的矢量和，并分别计算该各个模式矢量和的模值或能量值，然后将计算出的模值或能量值以及各个模式的数据信号输出到模式判决模块；

模式判决模块，选择并输出计算模块中得到的模值或能量值最大模式的数据符号；

控制模块，根据单位模式判决数据域所包含的信号个数向累加器模块、各模式对应符号生成模块、计算模块以及模式判决模块各个模块分别输出使能信号，控制模块间的工作时序。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，模式判决模块进一步将模值或能量值最大模式对应的数据信号矢量输出到累加器模块，累加器模块将该模值或能量值最大模式对应的数据信号矢量与上一次导频累加和求和，得到当前导频累加和。

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