CN100502372C - 一种适用于gsm/edge系统的自适应解调的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于GSM/EDGE系统的自适应解调的方法及系统，方法包括如下步骤：对接收到的I，Q信号进行翻转处理；根据训练序列对翻转后的信号采用滑动相关的方法，进行信道参数的估计；根据信道参数的估计值，进行时延同步，确定时间提前量，并根据信道参数的能量和来确定信道的类型；当最大相关位置上的信道参数的能量与最大的能量和之比E_Ratio超过一定阈值的时候，采用迫零均衡方法来进行解调，同时输出软判决值；当E_Ratio小于一定阈值的时候，采用均衡解调方法进行解调。本发明在满足GSM/EDGE协议规范的前提下，计算复杂度可以大大减低，同时保证基带解调系统的性能。

Description

一种适用于GSM/EDGE系统的自适应解调的方法及系统

技术领域

本发明属于移动通讯领域，尤其涉及一种适用于GSM/EDGE系统的解调方法及系统。

背景技术

GSM作为第二代移动蜂窝通信系统，在全世界范围内已经得到了广泛的应用。但随着移动通信技术的发展和义务的多样化，人们对数据业务的需求不断增加。为了满足人们的需求，以支持语音业务为主的GSM系统在其PHASE2和PHASE2+规范中提出了两种高速数据业务的模型，即基于高速数据比特率和电路交换的HSCSD(高速电路交换数据)和基于分组交换数据的GPRS(通用分组无线业务)。虽然HSCSD和GPRS采用了多时隙的操作模式，已在一定程度上提高了数据传输速率，不过其仍然采用的是GMSK(高斯最小频移键控)的调制方式，与第三代移动通信系统的384kbit/s数据速率的广域覆盖和大约2Mbit/s数据率的局域覆盖还相去甚远，因此有必要采用更为先进的通信和信号处理技术，以进一步扩大GSM系统的容量。ETSI(欧洲电信标准协会)已决定发展增强数据速率的GSM演进方案—EDGE(Enhanced Data rates for GSM Evolution)作为GSM未来的演进方向。于是EDGE由此应运而生。

为了在现有蜂窝系统中提供更高的数据通信速率，EDGE引入了多电平数字调制方式——8PSK调制。由于8PSK调制是一种线性调制，3个连续比特映射到I/Q坐标的一个符号，从而能提供更高的比特率和频谱效率，且实现复杂度属于中等。GSM系统中使用的GMSK的调制方式也是EDGE调制方式的一部分。两种调制方式的符号速率都是271kbit/s，每时隙的净比特率分别为22.8kbit/s(GMSK)和69.2kbit/s(8PSK)。8PSK调制用于用户的数据通道，GMSK调制用于GPRS的200kHz载波上的所有控制信道。

在移动通信中，无线信道的信道特性是非常恶劣的，主要表现为多径衰落和多普勒衰落。多径衰落会使信号产生码间干扰，接收端必须采用均衡技术来消除信道的影响。均衡是通过在接收机内的均衡器对信道中幅度和延迟进行补偿，来达到消除码间干扰的目的。解调器必须在收到的受干扰的信号中最大可能地估计出原调制数据，为使解调器完成此项工作，在每个突发脉冲序列中都含有一个接收机能识别的预定序列，即训练序列，以便接收机能估计由传播引起的信号失真。

均衡技术通常可分为线性均衡，非线性均衡和最大似然序列均衡法。而相对于一些次优的均衡技术，最大似然序列均衡技术(MLSE)作为一种在具有码间干扰的信道中最优的序列估计方法，常被用于移动无线信道的均衡器中。在GSM系统中，就普遍采用基于Viterbi算法的均衡器来实现MLSE。在采用最优的MLSE算法时，信道的总状态数为M^K-1，其中M为信号的调制符号表的大小，K为信道的记忆长度。换句话说，基于Viterbi算法的MLSE算法的计算复杂度取决于M和K。当M比较大的时候，即使在K比较小的情况下，计算复杂度仍然非常高。

在GSM/EDGE基带解调系统中，传统的解调方式为均衡解调。例如在GSM中，一般采用最优的Viterbi算法，而在EDGE中，基于复杂度的考虑，一般采用次优的寻找最大似然序列的算法，比如缩减状态序列估计算法RSSE(Reduced State Sequence Estimation)或者延迟判决反馈序列估计法(DDFSE-Delayed Decision-Feedback Sequence Estimation)。均衡解调模块在整个基带解调系统中是最核心的部分，也是运算复杂度最高的部分。

在专利号为5644603的美国专利“Maximum Likelihood SequenceEstimator with Variable Number of States”中，采用训练序列估计信道参数，并根据所估计的信道参数来确定Viterbi算法的状态数目，得到均衡解调的输出结果。此专利需要对不同的状态数目进行不同的处理，那么相应的程序空间需要增加，资源的消耗比较大。在专利号为6134277的美国专利“Systemand Method for Self-Adaptive Maximum Likelihood Sequence Detection”中，采用了盲均衡的技术，不要求估计信道参数就可以进行均衡解调，来达到消除码间干扰的目的。同时此专利采用了改进型的度量计算，其性能优于估计信道参数的Viterbi算法得到的结果。但是由于采用了盲均衡的技术，计算复杂度将大大增加，不适合在DSP中实现。

专利02110991.5提出了一种在移动通信GSM系统中应用的均衡解调方法。首先对基带所接受的I，Q信号进行旋转处理。并利用训练序列进行相关计算，获得信道的冲击响应，并根据此信道冲击响应来确定训练序列的位置。然后计算累计度量值，进行迭代计算，得到状态转移图。最后根据状态转移图得到解码的输出序列。此发明可以认为是传统的均衡解调的实现方法，可以补偿由于多径效应而产生的码间干扰。但是这种方法没有利用某些信道的特性，在静态环境以及信道弥散长度比较小的情况下，可以采用复杂度更小的方法来实现解调。这也正是本发明的目的。

发明内容

本发明的目的是提出一种新型的适用于GSM/EDGE系统的自适应解调的方法及系统，既当信道的弥散长度比较小的时候，采用迫零ZF(Zero Forcing)滤波器解调的方法，而在信道弥散长度比较大的情况下，仍然采用传统的均衡解调的方法。采用此种方法，在满足GSM/EDGE协议规范的前提下，计算复杂度可以大大减低，同时保证基带解调系统的性能。

为实现上述目的，本发明公开了一种适用于GSM/EDGE系统的自适应解调的方法，包括如下步骤：

(1)对接收到的I，Q信号进行翻转处理；

(2)根据训练序列对翻转后的信号采用滑动相关的方法，进行信道参数的估计；

(3)根据信道参数的估计值，进行时延同步，确定时间提前量，并根据信道参数的能量和来确定信道的类型；

(4)当最大相关位置上的信道参数的能量与最大的能量和之比E_Ratio超过一定阈值的时候，采用迫零均衡方法来进行解调，同时输出软判决值；

(5)当E_Ratio小于一定阈值的时候，采用均衡解调方法进行解调。

步骤(1)中所述翻转，对于GMSK信号，采用j^-k进行翻转；而对于8PSK信号，采用e^-j3πk/8进行翻转。

步骤(3)中所述的时延同步是从信道参数估计值中寻找6个连续相邻的能量和的最大。

步骤(4)中所述的迫零均衡方法包括如下步骤：

(41)对发射的载有信息的数据符号序列与合成信道参数进行处理，得到接收机端接收到的信号： $y\left(t\right)=\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{n}h(t-\mathrm{nT})+n\left(t\right)$

其中，{I_n}表示发射的载有信息的数据符号序列，h(t)为合成信道参数，T为符号周期；

(42)接收机端接收到的信号经过迫零滤波，得到信号：

$y_{\mathrm{ZF}}\left(t\right)=\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{n}g(t-\mathrm{nT})+n\left(t\right)$

其中，g(t)是合成信道h(t)与迫零滤波器h_ZF(t)的卷积结果，满足

$\left\{\begin{array}{c}g\left(0\right)=1\\ g\left(\mathrm{kT}\right)=0\end{array}\right.$ 。

步骤(5)中所述的解调均衡方法，对于GMSK信号采用Viterbi算法；而对于8PSK信号，采用次优的、复杂度比较低的寻找最大似然序列的算法。

所述软判决值对于GMSK信号，软判决结果为迫零滤波器输出信号的实部：对于8PSK信号，迫零滤波器输出信号经过-π/8的翻转，软判决结果可为迫零滤波器输出信号的虚部、实部或实部与虚部的绝对值之差除以根号2。

本发明还公开了一种适用于GSM/EDGE系统的自适应解调的系统，包括信号翻转模块、信道估计模块、时延同步模块、匹配滤波模块和均衡解调模块，迫零均衡模块，其中，

信号翻转模块，用于对接收到的I，Q信号进行翻转处理；

信道估计模块，用于根据训练序列对翻转后的信号采用滑动相关的方法，进行信道参数的估计；

时延同步模块，用于根据信道参数的估计值，进行时延同步，确定时间提前量，并根据信道参数的能量和来确定信道的类型；

匹配滤波模块，用于将翻转以及同步后的信号进行匹配滤波；

均衡解调模块，用于当最大相关位置上的信道参数的能量与最大的能量和之比R_Ratio小于一定阈值的时候，对GMSK/8PSK信号进行均衡解调；

迫零均衡模块，用于当最大相关位置上的信道参数的能量与最大的能量和之比E_Ratio超过一定阈值的时候，对GMSK/8PSK信号进行迫零解调，从而消除码间干扰。

所述迫零均衡模块为一迫零滤波器。

本发明针对GSM/EDGE系统，提出一种新型的自适应解调的方法，既当信道的弥散长度比较小的时候，采用迫零滤波器解调的方法，而在信道弥散长度比较大的情况下，仍然采用传统的均衡解调的方法。从仿真的结果来看，此方法完全满足GSM/EDGE规范的要求。采用本发明在移动通信系统，尤其在GSM/EDGE系统中设计实现的均衡解调方法，补偿了由于多径效应产生的码间干扰。而对于在信道的各经的时延小于1个符号周期时，比如在协议中规定的TI5以及静态模型中，其运算复杂度小，执行的速度快，同时均衡解调的效果好，提高了移动通信系统接收机的接收性能。

附图说明

图1给出了移动通信系统的信道模型基本示意图；

图2是GSM/EDGE系统中传统接收机解调实现的结构图；

图3是本发明所提出的自适应解调方法的实现结构图；

图4给出了翻转后的8PSK星座图；

图5给出了8PSK调制信号中的脉冲成形滤波器的图形。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明所述方法的具体实施作进一步的详细描述。对于熟悉本技术领域的人员而言，从对本发明方法的描述中，本发明的上述和其他目的、特征和优点将显而易见。

图1是移动通信系统的信道模型基本示意图。基带接收机接收的是经过无线信道口传来的数据，该数据首先由解调模块对接收到的基带I，Q信号进行解调，解调后的结果再送至信道译码模块进行信道的译码。对于控制信道来说，至此可以直接得到系统的发送信息；而对于业务信道则不同，还需要进行信源译码，才能够得到系统所发送的语音和数据。在通信系统的信道模型中，解调模块位于接收机的前端，可以看出，解调性能的好坏直接决定了整个移动通信系统的性能的好坏。

图2是GSM/EDGE系统中传统接收机解调实现的结构图。该装置包括：信号翻转模块，信道估计模块，时延同步模块，匹配滤波模块和均衡解调模块。在接收机端，经过采样得到的数字I、Q信号，首先要经过信号翻转模块。对于GMSK信号，采用j^-k进行翻转；而对于8PSK信号，采用e^-j3πk/8进行翻转。翻转后的信号，进行信道参数的估计，一般根据所输入的训练序列与翻转后的信号进行相关来获得。同时根据估计的信道参数值进行时延同步，获取时间的提前量参数。估计出的信道参数作为匹配滤波模块的输入，与翻转后的信号进行匹配滤波。其结果进入最后一个模块作解调均衡，输出软判决或者硬判决的结果。

图3是本发明所提出的自适应解调方法的实现结构图。与传统的均衡解调方法不同的是，本发明采用了一种自适应的方式来解调信号。我们知道，时延同步的作用是从信道参数估计值中寻找6个连续相邻的能量和的最大。即寻找训练序列和翻转后的信号序列的最大相关位置。在时延同步模块中，不仅可以判断出时间提前量，还可以根据能量的分布获得无线信道的弥散长度。假设最大的能量和为E_max，最大相关位置上的信道参数估计值的能量为E₀，定义：

$E_{\mathrm{Ratio}}=\frac{E_0}{E_{\max }}$

当E_Ratio>Threshold时，可以认为信道的弥散长度比较的小，比如说GSM/EDGE协议中规定的TI5信道和静态信道。在这样的信道条件下，可以采用迫零均衡的方法来做解调。首先将翻转以及同步后的信号经过匹配滤波器，然后将输出的结果进行迫零解调。当E_Ratio≤Threshold的时候，仍然采用传统的均衡解调的方法。对于GMSK信号来说，可以使用最优的基于Viterbi的MLSE算法；而对于8PSK信号来说，可以采用次优的寻找最大似然序列的算法，比如缩减状态序列估计算法或者延迟判决反馈序列估计法。

为了与均衡解调输出的结果保持一致，需要在迫零滤波器中输出解调的软判决值。对于每个比特来说，都需要输出其软判决的结果。对于GMSK信号来说，软判决输出比较简单。假设迫零滤波器输出的信号为I+jQ，那么GMSK信号的软判决可以定义为输出信号的实部，即I。

对于8PSK信号来说，软判决的输出则比较复杂。迫零滤波器的输出I+jQ首先要经过-π/8的翻转，此时得到的信号为I_r+jQ_r。

图4给出了翻转后的8PSK星座图。对于8PSK信号，软判决信息可以定义为：

1.对于Bit1，其软判决结果为Q_r；

2.对于Bit2，其软判决结果为I_r；

3.对于Bit3，其软判决结果为

图5给出了8PSK调制信号中的脉冲成形滤波器的图形。可以看出，即使在没有多经干扰的情况下，此脉冲成形滤波器同样可以产生码间干扰。从本质上来讲，本发明采用的迫零滤波器的作用就是要消除其带来的码间干扰。

本发明涉及到迫零算法。下面对此进一步说明。

接收机端接收到的信号可以表示为

$y\left(t\right)=\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{n}h(t-\mathrm{nT})+n\left(t\right)---\left(1\right)$

其中{I_n}表示发射的载有信息的数据符号序列，h(t)为合成信道参数，T为符号周期。当y(t)经过一迫零滤波器h_ZF(t)后，信号可以表示为

$y_{\mathrm{ZF}}\left(t\right)=\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{n}g(t-\mathrm{nT})+\tilde{n}\left(t\right)---\left(2\right)$

其中g(t)是合成信道h(t)与迫零滤波器h_ZF(t)的卷积结果。可以看出，为了消除码间干扰，g(t)应该满足

$\left\{\begin{array}{c}g\left(0\right)=1\\ g\left(\mathrm{kT}\right)=0\end{array}\right.---\left(3\right)$

在AWGN信道的情况下，可以将h(t)看成是脉冲成形滤波器。在这种情况下，此迫零滤波器的值是固定的，可以预先产生，需要时从存储区中读出。另外需要注意的是，在GSM/EDGE协议中规定的脉冲成形滤波器本身将会产生码间干扰。

本发明具体的实现方法包括以下几个步骤：

1.对接收到的I，Q信号进行翻转处理，对于GMSK信号，采用j^-k进行翻转；而对于8PSK信号，采用e^-j3πk/g进行翻转；

2.根据训练序列对翻转后的信号采用滑动相关的方法，进行信道参数的估计；

3.根据信道参数的估计值，进行时延同步，确定时间提前量。并根据信道参数的能量和来确定信道的类型；

4.当最大相关位置上的信道参数的能量与最大的能量和之比E_Ratio超过一定的阈值的时候，采用迫零均衡的方法来进行解调，同时输出软判决的值；

5.当E_Ratio小于一定阈值的时候，采用传统的解调均衡方法，对于GMSK信号采用Viterbi算法；而对于8PSK信号，采用次优的，复杂度比较低的寻找最大似然序列的算法。

6.输出到解码器。

前面提供了对较佳实施例的描述，以使本领域内的任何技术人员可使用或利用本发明。对这些实施例的各种修改对本领域内的技术人员是显而易见的，可把这里所述的总的原理应用到各其他实施例而不使用创造性。因而，本发明将不限于这里的所示的实施例，而应依据符合这里所揭示的原理和新特征的最宽范围。

Claims (7)

1.一种适用于GSM/EDGE系统的自适应解调的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)对接收到的I，Q信号进行翻转处理；

(2)根据训练序列对翻转后的信号采用滑动相关的方法，进行信道参数的估计；

(3)根据信道参数的估计值，进行时延同步，确定时间提前量，并根据信道参数的能量和来确定信道的类型；

(4)当最大相关位置上的信道参数的能量与最大的能量和之比E_Ratio超过一定阈值的时候，采用迫零均衡方法来进行解调，同时输出软判决值；

(5)当E_Ratio小于一定阈值的时候，采用均衡解调方法进行解调。

2.如权利要求1所述的适用于GSM/EDGE系统的自适应解调的方法，其特征在于，步骤(1)中所述的翻转，对于GMSK信号，采用j^-k进行翻转；而对于8PSK信号，采用e^-j3πk/8进行翻转。

3.如权利要求1所述的适用于GSM/EDGE系统的自适应解调的方法，其特征在于，步骤(3)中所述的时延同步是从信道参数估计值中寻找6个连续相邻的能量和的最大。

4.如权利要求1所述的适用于GSM/EDGE系统的自适应解调的方法，其特征在于，步骤(4)中所述的迫零均衡方法包括如下步骤：

(41)对发射的载有信息的数据符号序列与合成信道参数进行处理，得到接收机端接收到的信号： $y\left(t\right)=\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{n}h(t-\mathrm{nT})+n\left(t\right)$

其中，{I_n}表示发射的载有信息的数据符号序列，h(t)为合成信道参数，T为符号周期；

(42)接收机端接收到的信号经过迫零滤波，得到信号：

$y_{\mathrm{ZF}}\left(t\right)=\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{n}g(t-\mathrm{nT})+\tilde{n}\left(t\right)$

其中，g(t)是合成信道参数h(t)与迫零滤波器h_ZF(t)的卷积结果，满足

$\left\{\begin{array}{c}g\left(0\right)=1\\ g\left(\mathrm{kT}\right)=0\end{array}\right.$ 。

5.如权利要求1所述的适用于GSM/EDGE系统的自适应解调的方法，其特征在于，步骤(5)中所述的均衡解调方法，对于GMSK信号采用Viterbi算法；而对于8PSK信号，采用次优的、复杂度比较低的寻找最大似然序列的算法。

6.如权利要求1所述的适用于GSM/EDGE系统的自适应解调的方法，其特征在于，所述软判决值对于GMSK信号，软判决结果为迫零滤波器输出信号的实部；对于8PSK信号，迫零滤波器输出信号经过-π/8的翻转，软判决结果可为迫零滤波器输出信号的虚部、实部或实部与虚部的绝对值之差除以根号2。

7.一种适用于GSM/EDGE系统的自适应解调的系统，包括信号翻转模块、信道估计模块、时延同步模块、匹配滤波模块和均衡解调模块，其特征在于，还包括迫零均衡模块，其中，

信号翻转模块，用于对接收到的I，Q信号进行翻转处理；

信道估计模块，用于根据训练序列对翻转后的信号采用滑动相关的方法，进行信道参数的估计；

时延同步模块，用于根据信道参数的估计值，进行时延同步，确定时间提前量，并根据信道参数的能量和来确定信道的类型；

匹配滤波模块，用于将翻转以及同步后的信号进行匹配滤波；

均衡解调模块，用于当最大相关位置上的信道参数的能量与最大的能量和之比E_Ratio小于一定阈值的时候，对GMSK/8PSK信号进行均衡解调；

迫零均衡模块，用于当最大相关位置上的信道参数的能量与最大的能量和之比E_Ratio超过一定阈值的时候，对GMSK/8PSK信号进行迫零解调，从而消除码间干扰。

8.如权利要求7所述的适用于GSM/EDGE系统的自适应解调的系统，其特征在于，所述迫零均衡模块为一迫零滤波器。

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