CN100521668C - 低复杂度的多载波均衡接收装置及其接收方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种低复杂度的多载波均衡接收装置及其对应的接收方法，包括射频接收模块、同步与信道估计模块、串/并转换模块，频域均衡模块，解复用模块，所述频域均衡模块利用估计的信道衰落系数对采样信号进行频域均衡；所述解复用模块与频域均衡模块的输出端相连接，用于从频域均衡后的信号中恢复出多载波传输的符号。本发明扩展了现有的多载均衡必须在频域子信道中进行均衡的限制，直接针对接收信号的采样信号进行频域均衡，简化了均衡接收的复杂度，使得后端的数据恢复更简单，提高了接收机应用的灵活性。

Description

低复杂度的多载波均衡接收装置及其接收方法

技术领域

本发明涉及一种均衡接收装置及其接收方法，应用于宽带无线移动通信系统，特别是基于多载波传输的无线通信系统在衰落信道情况下的均衡接收方法和装置。

背景技术

在通信系统中，由于信道的时域弥散特性，接收机同时接收到发送信号的多个不同时延的多径衰落信号，信道的多径影响将导致符号间干扰，接收机必须采取一定的技术来克服多径衰落以恢复出原始发送信号。

在第二代移动通信系统中，采用维特比均衡器克服多径衰落，其复杂度为信道记忆长度的指数函数，因此不适合宽带通信系统。在第三代移动通信系统WCDMA/HSDPA中，采用时域线性均衡器补偿信道的失真，该技术的缺点是其实现的复杂度为信道记忆长度的三次方，且其性能受残余符号间干扰的影响。多载波传输技术可以有效地克服信道的多径衰落，它将整个带宽划分为若干正交的子载波，使符号持续时间变长，每个子载波信道近似为平衰落，接收机只需做低复杂度的单点均衡。基于循环前缀(CP)的单载波/多载波传输技术可以有效地隔离信道多径衰落的影响，从而可以利用低复杂度的频域均衡来进行信道均衡。

如图1所示，现有的多载波传输系统的均衡接收装置包括依次连接的：射频接收模块、串/并转换模块、多路时域滤波模块、第一傅利叶变换模块、多路频域均衡模块、并/串转换模块、解映射解交织模块、信道译码模块、信息比特模块。其中所述的每一路频域均衡模块均包括依次连接的：去除循环前缀模块、傅利叶变换模块、子信道均衡模块、逆傅利叶变换模块。

现有的多载波传输系统均衡接收装置多载波的均衡在多载波解调后的子载波上均衡，每个子载波上均需要进行频域均衡，需要的快速傅利叶变换(FFT)数目为子载波数目的两倍。当子载波数目很大时，系统的复杂度高，不利于实际的硬件实现。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种低复杂度的多载波均衡接收装置及其接收方法，大大降低了均衡接收的复杂度，使得后端的数据恢复更简单。

为了解决上述技术问题上，本发明采用了下述技术方案：

提供一种低复杂度的多载波均衡接收装置，包括射频接收模块、同步与信道估计模块、串/并转换模块，还包括：

频域均衡模块，其与串/并转换模块、同步与信道估计模块的输出端相连接，其利用估计的信道衰落系数对采样信号进行频域均衡；

解复用模块，其与频域均衡模块的输出端相连接，用于从频域均衡后的信号中恢复出多载波传输的符号。

所述的频域均衡模块包括依次连接的：

FFT变换模块，其与串/并转换模块的输出端相连接，用于将一定长度的接收信号数据块变换到频域，以便于频域均衡消除信道对该数据块的影响；

单点均衡模块，其与FFT变换模块的输出端相连接，用于在频域对信道损伤进行相位和幅度的补偿；

IFFT变换模块，其与单点均衡模块的输出端相连接，用于将已经经过频域均衡的频域子带信号恢复到时域去，以便于进一步处理。

进一步地，本发明还提供一种低复杂度的多载波均衡接收方法，其特征在于，包括如下步骤：

射频接收步骤、将无线信道中的信号接收下来，变频到基带进行处理；

同步与信道估计步骤、对接收信号的采样信号进行信道估计，以估计出信号传输时历经的信道衰落系数；

串/并转换步骤，将输入的串行数据序列变换成并行的输出数据序列；

以及，

频域均衡步骤，利用估计的信道衰落系数对采样信号进行频域均衡；

解复用步骤，从频域均衡后的信号中恢复出多载波传输的符号。

进一步在，所述的频域均衡步骤包括如下步骤：

FFT变换步骤，将一定长度的接收信号数据块变换到频域，以便于频域均衡消除信道对该数据块的影响；

单点均衡步骤，在频域对信道损伤进行相位和幅度的补偿；

IFFT变换步骤，将已经经过频域均衡的频域子带信号恢复到时域去，以便于进一步处理。本发明扩展了现有的多载均衡必须在频域子信道中进行均衡的限制，直接针对接收信号的采样信号进行频域均衡，简化了均衡接收的复杂度，使得后端的数据恢复更简单，提高了接收机应用的灵活性。

附图说明

图1是现有的多载波均衡接收装置的结构示意图。

图2是本发明的多载波均衡接收装置的结构示意图。

具体实施方式

如图2所示：本发明的低复杂度多载波均衡接收装置包括：

接收天线；

射频接收模块1，其与接收天线相连接，用于将无线信道中的信号接收下来，变频到基带进行处理。经过接收天线和射频处理模块，接收机输出基带信号。

同步与信道估计模块2，其与射频接收模块1的输出端相连接，用于完成接收信号的时频同步和信道衰落系数估计。

去除循环前缀(CP)模块3，其与射频接收模块1的输出端相连接，用于删除受到符号间干扰的信号循环前缀，消除块间干扰，隔离信道时延扩展的影响，以利于接收机的频域均衡。

串/并转换模块4，其与去除循环前缀模块3的输出端相连接，用于将输入的串行数据序列变换成并行的输出数据序列。

频域均衡模块，其与串/并转换模块4、同步与信道估计模块2的输出端相连接，其利用估计的信道衰落系数对采样信号进行频域均衡。

解复用模块，其与频域均衡模块的输出端相连接，用于从频域均衡后的信号中恢复出多载波传输的符号。

解映射解交织模块10，其与解复用模块的输出端相连接，用于依据发送端的符号映射规则将输入的数据序列解映射成相应的数字序列，并进行比特解交织。如果即将执行的信道译码基于硬判决输入信息，则输出由0、1组成的硬信息数字序列。否则符号解映射将提供相应的基于数比特量化的软信息数字序列。

信道译码模块11，其与解映射解交织模块10的输出端相连接，用于执行相应的信道译码算法。经过信道译码模块，输入的编码比特据序列变换成信息比特数据序列。

信息比特模块12，其与信道译码模块11的输出端相连接，用于将接收机恢复出信息比特数据序列传递给上层应用模块处理。

所述的解复用模块包括依次连接的：

多路时域滤波模块8，其与频域均衡模块的输出端相连接，用于将多载波传输信号进行子带滤波。

FFT变换模块5，其对滤波后的信号进行快速傅利叶变换。

并/串转换模块9，其用于将输入的并行数据序列变换成串行的输出数据序列。

所述的频域均衡模块包括依次连接的：

FFT变换模块5，其与串/并转换模块4的输出端相连接，用于将一定长度的接收信号数据块变换到频域，以便于于频域均衡消除信道对该数据块的影响。

单点均衡模块6，其与FFT交换模块5的输出端相连接，用于在频域对信道损伤进行相位和幅度的补偿。

IFFT变换模块7，其与单点均衡模块5的输出端相连接，用于将已经经过频域均衡的频域子带信号恢复到时域去，以便于进一步处理。

可见，本发明的低复杂度的多载波均衡接收方法，包括如下步骤：

射频接收步骤、将无线信道中的信号接收下来，变频到基带进行处理；

同步与信道估计步骤、对接收信号的采样信号进行信道估计，以估计出信号传输时历经的信道衰落系数；

去除循环前缀步骤，删除受到符号间干扰的信号循环前缀，消除块间干扰，隔离信道时延扩展的影响。

串/并转换步骤，将输入的串行数据序列变换成并行的输出数据序列；

频域均衡步骤，利用估计的信道衰落系数对采样信号进行频域均衡；

解复用步骤，从频域均衡后的信号中恢复出多载波传输的符号。

解映射解交织步骤，依据发送端的符号映射规则将输入的数据序列解映射成相应的数字序列，并进行比特解交织；

信道译码步骤，执行相应的信道译码算法；

信息比特步骤，将接收机恢复出信息比特数据序列传递给上层应用模块处理。

所述的频域均衡步骤包括如下步骤：

FFT变换步骤，将一定长度的接收信号数据块变换到频域，以便于频域均衡消除信道对该数据块的影响；

单点均衡步骤，在频域对信道损伤进行相位和幅度的补偿；

IFFT变换步骤，将已经经过频域均衡的频域子带信号恢复到时域去，以便于进一步处理。

所述的解复用步骤包括如下步骤：

多路时域滤波步骤，将多载波传输信号进行子带滤波；

FFT变换步骤，对滤波后的信号进行快速傅利叶变换；

并/串转换步骤，将输入的并行数据序列变换成串行的输出数据序列。下面，通过具体算法可直观地看出本发明的均衡接收复杂度大大低于现有的均衡接收复杂度：

可假定传输的信号块长度为M，循环前缀(CP)的长度大于信道的最大时延扩展，此时接收端去除CP后的基带采样信号矢量可表示为：

y＝Hx+z                    (1)

其中x为M×1维的发送的基带采样矢量；z为零均值白高斯噪声矢量，且满足 $E\left\{{\mathrm{zz}}^H\right\}={\mathrm{\σ}}_z^2{I}_M;$ H为信道矩阵，是一个循环矩阵，可以表示成如下形式：

$H={\left[\begin{array}{cccccc}{h}_i\left(0\right)& 0& L& h_i(L-1)& L& h_i\left(1\right)\\ M& h_i\left(0\right)& O& L& O& M\\ h_i(L-1)& M& h_i\left(0\right)& O& L& h_i(L-1)\\ 0& h_i(L-1)& M& O& O& M\\ M& M& O& M& h_i\left(0\right)& 0\\ 0& L& 0& h_i(L-1)& L& h_i\left(0\right)\end{array}\right]}_{M\×M}---\left(2\right)$

h＝[h(0)，h(1)，...，h(L-1)]^T为发送天线到接收天线之间的信道响应矢量，L为信道最大可分辨径。由于H为循环矩阵，可以进行对角化，则H可表示为：

H＝F^HΛF                         (3)

其中，F表示归一化DFT变换矩阵，Λ＝diag{H(0)，H(1)，...，H(M-1)}，H(k)为h的DFT变换，即：

[H(0)，H(1)，...，H(M-1)]^T＝sqrt(M)Fh             (4)

在信道冲击响应和噪声统计特性已知的情况下，由基带接收信号采样矢量y获得基带发送的采样信号矢量的最小均方误差(MMSE)估计为：

${\hat{x}}_{\mathrm{MMSE}}=\mathrm{Wy}---\left(5\right)$

$W=F^H{({\mathrm{\Λ}}^H\mathrm{\Λ}+{\mathrm{\σ}}_z^2{I}_M)}^{-1}{\mathrm{\Λ}}^{H}F---\left(6\right)$

因此，基带发送的采样信号矢量x的估计为：

${\hat{x}}_{\mathrm{MMSE}}=F^H{({\mathrm{\Λ}}^H\mathrm{\Λ}+{\mathrm{\σ}}_z^2{I}_M)}^{-1}{\mathrm{\Λ}}^H\mathrm{Fy}---\left(7\right)$

上式给出的估计方法需要一次DFT和一次IDFT运算，同时计算信道的频域响应需要一次DFT运算。接收机的复杂度与系统信息传输的子载波数目无关，即通过一次频域均衡可恢复出发送的基带采样信号。

由发送的基带采样信号矢量x的估计

进行解复用解帧即可恢复出传输的原始信息。

而传统的接收多载波接收装置如图1所示，需要的频域均衡的数目与系统的子载波数目K相同。

${\hat{x}}_{\mathrm{MMSE}}=\left[\begin{array}{cccc}{F}^H{({\mathrm{\Λ}}_1^H{\mathrm{\Λ}}_1+{\mathrm{\σ}}_z^2{I}_M)}^{-1}{\mathrm{\Λ}}_1^{H}F& 0& L& 0\\ 0& F^H{({\mathrm{\Λ}}_2^H{\mathrm{\Λ}}_2+{\mathrm{\σ}}_z^2{I}_M)}^{-1}{\mathrm{\Λ}}_2^{H}F& O& M\\ M& O& O& 0\\ 0& L& 0& F^H{({\mathrm{\Λ}}_K^H{\mathrm{\Λ}}_K+{\mathrm{\σ}}_z^2{I}_M)}^{-1}{\mathrm{\Λ}}_K^{H}F\end{array}\right]y---\left(8\right)$

对比本发明的低复杂度多载波均衡接收装置和传统的多载波均衡接收机，传统的均衡需要频域均衡的次数与子载波数目相同，通常多载波传输的子载波数目很大，接收机的复杂度很高。而提出的算法只需要一次频域均衡，即可恢复出原始信息比特。

Claims (8)

1、一种低复杂度的多载波均衡接收装置，包括射频接收模块、同步与信道估计模块、串/并转换模块，其特征在于，还包括：

频域均衡模块，其与串/并转换模块、同步与信道估计模块的输出端相连接，其利用估计的信道衰落系数对采样信号进行频域均衡；

解复用模块，其与频域均衡模块的输出端相连接，用于从频域均衡后的信号中恢复出多载波传输的符号；

所述的解复用模块包括依次连接的：

多路时域滤波模块，其与频域均衡模块的输出端相连接，用于将多载波传输信号进行子带滤波；

FFT变换模块，其对滤波后的信号进行快速傅利叶变换；

并/串转换模块，其用于将输入的并行数据序列变换成串行的输出数据序列。

2、根据权利要求1所述的低复杂度的多载波均衡接收装置，其特征在于，所述的频域均衡模块包括依次连接的：

FFT变换模块，其与串/并转换模块的输出端相连接，用于将一定长度的接收信号数据块变换到频域，以便于频域均衡消除信道对该数据块的影响；

单点均衡模块，其与FFT变换模块的输出端相连接，用于在频域对信道损伤进行相位和幅度的补偿；

IFFT变换模块，其与单点均衡模块的输出端相连接，用于将已经经过频域均衡的频域子带信号恢复到时域去，以便于进一步处理。

3、根据权利要求1或2所述的低复杂度的多载波均衡接收装置，其特征在于，还包括：

解映射解交织模块，其与解复用模块的输出端相连接，用于依据发送端的符号映射规则将输入的数据序列解映射成相应的数字序列，并进行比特解交织；

信道译码模块，其与解映射解交织模块的输出端相连接，用于执行相应的信道译码算法；

信息比特模块，其与信道译码模块的输出端相连接，用于将接收机恢复出信息比特数据序列传递给上层应用模块处理。

4、根据权利要求1或2所述的低复杂度的多载波均衡接收装置，其特征在于，在射频接收模块与串/并转换模块之间还包括：

去除循环前缀模块，用于删除受到符号间干扰的信号循环前缀，消除块间干扰，隔离信道时延扩展的影响。

5、一种低复杂度的多载波均衡接收方法，包括：

射频接收步骤、将无线信道中的信号接收下来，变频到基带进行处理；

同步与信道估计步骤、对接收信号的采样信号进行信道估计，以估计出信号传输时历经的信道衰落系数；

串/并转换步骤，将输入的串行数据序列变换成并行的输出数据序列；

其特征在于，还包括如下步骤：

频域均衡步骤，利用估计的信道衰落系数对采样信号进行频域均衡；

解复用步骤，从频域均衡后的信号中恢复出多载波传输的符号；

所述的解复用步骤包括如下步骤：

多路时域滤波步骤，将多载波传输信号进行子带滤波；

FFT变换步骤，对滤波后的信号进行快速傅利叶变换；

并/串转换步骤，将输入的并行数据序列变换成串行的输出数据序列。

6、根据权利要求5所述的低复杂度的多载波均衡接收方法，其特征在于，所述的频域均衡步骤包括如下步骤：

FFT变换步骤，将一定长度的接收信号数据块变换到频域，以便于频域均衡消除信道对该数据块的影响；

单点均衡步骤，在频域对信道损伤进行相位和幅度的补偿；

IFFT变换步骤，将已经经过频域均衡的频域子带信号恢复到时域去，以便于进一步处理。

7、根据权利要求5或6所述的低复杂度的多载波均衡接收方法，其特征在于，还包括：

解映射解交织步骤，依据发送端的符号映射规则将输入的数据序列解映射成相应的数字序列，并进行比特解交织；

信道译码步骤，执行相应的信道译码算法；

信息比特步骤，将接收机恢复出信息比特数据序列传递给上层应用模块处理。

8、根据权利要求5或6所述的低复杂度的多载波均衡接收方法，其特征在于，在射频接收步骤与串/并转换步骤之间还包括：

去除循环前缀步骤，删除受到符号间干扰的信号循环前缀，消除块间干扰，隔离信道时延扩展的影响。

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