CN101023610A

CN101023610A - 数字信号的发送方法、接收方法、发送器和接收器

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Publication number: CN101023610A
Application number: CNA2005800295651A
Authority: CN
Inventors: 何晋强; 吴岩; 孙素梅; 雷中定
Original assignee: Agency for Science Technology and Research Singapore
Current assignee: Agency for Science Technology and Research Singapore
Priority date: 2004-08-03
Filing date: 2005-08-03
Publication date: 2007-08-22
Anticipated expiration: 2025-08-03
Also published as: TWI383610B; EP1774684A4; TW200618559A; SG155178A1; EP1779531A1; US20090232261A1; EP1779531A4; JP2008509595A; EP1774684B1; ATE554546T1; US7869493B2; EP1774684A1; US20080260070A1; JP4707071B2; JP4906721B2; WO2006014141A1; JP2008509594A; CN101023590A; CN101023610B; TW200610301A

Abstract

本发明提供了发送数字信号的方法、接收数字信号的方法、发送器和接收器。该发送器(106)用于发送信号，该信号包括多个信号值，所述信号值被分组成至少一个信号值块。该发送器包括预变换单元(101)，该预变换单元适于通过预变换对各个信号值块进行处理以产生调制码元块，其中所述预变换包括对所述信号块值的相位旋转，该相位旋转对应于将所述信号值块与相位旋转矩阵相乘。该发送器还包括：调制单元(102)，其适于基于所述调制码元对至少一个载波信号进行调制；和发送单元(104)，其适于发送经调制的载波信号。

Description

数字信号的发送方法、接收方法、发送器和接收器

技术领域

本发明涉及发送数字信号的方法、接收数字信号的方法、发送器和接收器。

背景技术

在移动通信中，期望高的用户容量和高的数据速率。为了实现此点，移动无线电系统的频谱效率必须高。使用根据OFDM(正交频分复用)的多载波调制，可以实现强健的性能和高频谱效率。

在OFDM调制之前，可以执行预变换，导致所谓的PT-OFDM(预变换OFDM)系统。

在[1]中(并且也在[2]中)，描述了用于PT-OFDM系统的迭代检测算法。这将在下面描述。

迭代检测算法的一次迭代(对应于迭代指数(iteration index)i)对应于三个阶段：重建步骤、线性滤波步骤和判定步骤。

在第i重建步骤(即，与迭代指数i相对应的迭代中的重建步骤)中，估计接收信号r(接收的信号矢量)的第m_i分量。这是利用先前检测到的码元 (即，在前一迭代中检测到的信号矢量)进行的。m_i对应于具有第i最小的振幅的频域信号。在滤波步骤中，通过由G表示的线性滤波器去除数据的交叉干扰(cross interference)。在检测步骤中，进行初步(硬或软)判定(由dec(.)表示)以产生在第i次迭代中检测到的码元

使 r0＝ r、

x_{&OverBar;}^{~} = {\underset{&OverBar;}{Gr}}_{0}

以及

{\hat{x}}_{0} = dec (x_{0}^{%})

来初始化该算法。

第i次迭代给出为：

{\underset{&OverBar;}{r}}_{i} = {\underset{&OverBar;}{1}}_{m_{i}} {\underset{&OverBar;}{r}}_{i - 1} + {\underset{&OverBar;}{0}}_{m_{i}} {\underset{&OverBar;}{ΓW \hat{x}}}_{i - 1}

{x_{&OverBar;}^{~}}_{i} = {\underset{&OverBar;}{Gr}}_{i}

{x_{&OverBar;}^{^}}_{i} = dec ({x_{&OverBar;}^{~}}_{i})

其中， 0 _m被定义为一对角矩阵，该对角矩阵的第m对角项的值为1而其他项的值为0， 1 _m被定义为一对角矩阵，该对角矩阵的第m对角项的值为0而其他项的值为1。

在[1]中，该预变换基于沃尔什-哈达玛(Walsh-Hadamard)变换(WHT)或其他标准变换。

本发明的目的是提高现有发送方法的性能。

通过具有根据独立权利要求的特征的发送数字信号的方法、接收数字信号的方法、发送器和接收器来实现此目的。

发明内容

提供了一种用于发送包括多个信号值的信号的方法，所述信号值被分组成至少一个信号值块，其中，通过预变换来处理各个信号值块，以产生调制码元块。所述预变换包括对所述信号块值的相位旋转，该相位旋转对应于将所述信号值块与相位旋转矩阵相乘。基于所述调制码元对至少一个载波信号进行调制，并发送经调制的载波信号。

此外，提供了一种用于接收信号方法，其中，接收经调制的载波信号，并且对所述经调制的载波信号进行解调以产生调制码元块。通过逆预变换来处理所述调制码元块，其中，所述逆预变换包括对所述调制码元的相位旋转，该相位旋转对应于将所述调制码元块与相位旋转矩阵相乘。

此外，提供了一种根据上述用于发送数字信号的方法的发送器以及一种根据上述用于接收数字信号的方法的接收器。

附图说明

图1示出了根据本发明实施例的发送器/接收器系统100。

图2示出了根据本发明实施例的接收器200。

图3示出了根据本发明实施例的非线性检测单元。

具体实施方式

作为示例，使用包括相位旋转的预变换。通过相位旋转，误差被均匀散布并且减少了误差传播。尤其当变换大小较小时，即，当信号值块的维数小并且信噪比高时，相对于根据现有技术的发送方法，针对BER(位错误率)的性能得到提高。

本发明的实施例源自从属权利要求。针对发送数字信号的方法描述的本发明的实施例对于接收数字信号的方法、发送器和接收器同样有效。

预变换还可包括信号值块的域变换。在此情况下，预变换可对应于信号值块与相位旋转矩阵和域变换矩阵(例如FFT(快速傅立叶变换)矩阵)之积相乘。

在一个实施例中，在相位旋转之后执行域变换。

域变换可以是离散正弦变换、离散余弦变换或离散傅立叶变换。预变换还可包括沃尔什-哈达玛变换(WHT)。

在一个实施例中，相位旋转将信号值块的至少一个分量旋转一不等于零的角度。在另一实施例中，相位旋转将信号值块的所有分量或除一个分量外的所有分量旋转一不等于零的角度。在一个实施例中，相位旋转没有改变信号值块的分量的绝对值。

相位旋转矩阵例如是对角矩阵。在一个实施例中，在相位旋转矩阵的对角线上的所有分量的绝对值都为1。

在一个实施例中，相位旋转矩阵具有diag(1，α，…，α^M-1)的形式，其中α＝exp(-jπ/(2M))，M是信号值块的维数。对于α或相位旋转矩阵的对角元素可以使用其他值，从而实现其他相位旋转。

本发明例如可用于根据WLAN 11a、WLAN 11g、超级3G、HIPERLAN 2和WIMAX(微波接入世界互用)的通信系统。

可以通过向其提供了对应指令的计算机来执行根据本发明的方法。

图1示出了根据本发明实施例的发送器/接收器系统100。

根据PT-OFDM(预变换正交频分复用)系统形成发送器/接收器系统100。为了简单起见，假设：M＝2^k，例如M＝32，并且以一个OFDM码元的形式同时发送M个信息码元x_m，m＝1，2，...，M。为了发送这些信息码元，将信息码元的矢量 x＝[x₁，x₂，...，x_m]^T(在下面也称为原始信号矢量)馈送给预变换单元101。上标T表示转置运算符。

预变换单元101根据

s＝ W· x

来计算原始信号矢量的调制码元的矢量 s＝[s₁，s₂，...，s_M]^T。W代表大小为M×M的PT(预变换)矩阵。就利用每信道发送的信息码元的数量而言，码速率没有损失。在OFDM系统的情况下，矩阵 W将仅是单位矩阵(identity matrix)。

然后将由预变换单元101产生的调制码元的矢量(或块)s传送到IFFT(快速逆傅立叶变换)单元102，IFFT单元102对调制码元块执行快速逆傅立叶变换。

在本实施例中将快速逆傅立叶变换用作逆傅立叶变换的有效实现。可以使用其他域变换来代替快速逆傅立叶变换，例如离散正弦逆变换或离散余弦逆变换。

然后P/S(并行到串行)单元103将由IFFT单元102产生的矢量从并行映射到串行，即，信号值的序列。循环前缀单元104将循环前缀插入信号值的序列以形成PT-OFDM码元，经由信道105发送PT-OFDM码元。

所插入的循环前缀的时长不短于最大信道时延展宽。假设信道105是受附加白高斯(Gaussian)噪声(AWGN)破坏的准/静态频率选择雷利(Rayleigh)衰减信道。

预变换单元101、P/S单元102和循环前缀单元104是发送器106的部件。

PT-OFDM码元被接收器107接收到。循环前缀去除单元108从PT-OFDM码元中去除循环前缀。S/P单元109将得到的信号值序列从并行映射到串行，并由FFT(快速傅立叶变换)单元110根据快速傅立叶变换对其进行域变换。与IFFT单元102类似，在其他实施例中，FFT单元110也可被调整以执行离散正弦变换或离散余弦变换或另一域-变换。

FFT单元110的输出矢量可由r＝[r₁，r₂，...，r_m]^T表示并可被写为

r＝ Г· s+ n＝ Г·W· x+ n

其中， Г＝diag(h₁，h₂，...，h_M)是具有对角元素h₁，...，h_M(其为频域信道系数)的对角矩阵， n是维数为M×1的AWGN矢量。由

h_{m} = Σ_{n} h_{n}^{%} \exp (- j 2 πn (m - 1) / M)

给出频域信道系数，m＝1，2，...，M，假设采样的间隔的第L次FIR(有穷输入响应)信道模型为{h_n ^％}_n＝0 ^L。

FFT单元110的输出矢量 r被馈送给检测单元111。检测单元111执行迭代检测算法。迭代检测算法的一次迭代(对应于迭代指数i)对应于三个阶段：重建步骤、线性滤波步骤和判定步骤。

在第i重建步骤(即，与迭代指数i相对应的迭代中的重建步骤)中，估计矢量r的第m_i分量。这是利用先前检测到的码元

(即，在前一迭代中检测到的信号矢量)进行的。m_i对应于具有第i最小的振幅的频域信道。在滤波步骤中，通过由G表示的线性滤波器去除数据的交叉干扰。在检测步骤中，进行初步(硬或软)判定(由dec(.)表示)以产生在第i次迭代中检测到的码元

。当执行了最后一次迭代时(例如，在执行了给定次数(例如4次)迭代之后)，由判定单元112输出检测到的码元

使 r ₀＝ r、

x_{&OverBar;}^{~} = {\underset{&OverBar;}{Gr}}_{0}

以及

{\hat{x}}_{0} = dec (x_{0}^{%})

来初始化该算法。

第i次迭代给出为：

{\underset{&OverBar;}{r}}_{i} = {\underset{&OverBar;}{1}}_{m_{i}} {\underset{&OverBar;}{r}}_{i - 1} + {\underset{&OverBar;}{0}}_{m_{i}} {\underset{&OverBar;}{ΓW \hat{x}}}_{i - 1}

{x_{&OverBar;}^{~}}_{i} = {\underset{&OverBar;}{Gr}}_{i}

{x_{&OverBar;}^{^}}_{i} = dec ({x_{&OverBar;}^{~}}_{i})

根据以下标准来选择用于限定由预变换单元101执行的预变换的矩阵 W：

W应该是酉矩阵(unitary matrix)并且

W应该具有振幅恒定的元素

第一个要求用来保持系统的能力，而第二个要求在没有误差传播时在每一检测步骤处使较差的经后滤波的SNR(信噪比)最大化。

如果该矩阵满足上述标准，则在发生误差传播时存在导致性能好于其他变换的某些变换。当将ZF滤波器用于滤波步骤并且变换大小较小时，效果最显著。

当使用QPSK(正交相移键控)信号星座图(constellation)时，利用沃尔什-哈达玛变换在高SNR的情况下表现较差。这是因为误差传播导致了“误差星座图”，与改为使用其他良好设计的变换相比，“误差星座图”提高了位错误性能。

在本实施例中，因为误差传播一定会发生，所以使用根据给出更随机化“误差星座图”的设计的变换。这是通过使用根据在下面的公式中定义的矩阵 W ₀的预变换而实现的，其中，如上所述将变换大小M假定为2的幂。

W ₀＝ F×diag(1，α，…，α^M-1)

其中，α＝exp(-jπ/(2M))，F是尺寸为M的FFT矩阵。

可以容易地证实 W ₀是酉矩阵并且具有振幅恒定的元素。

巧合的是，在[3]中，该变换是针对最大似然检测(MLD)提出的，以利用最大信道分集。然而，这里采用的方法是不同的，因为使用 W ₀来使由变换引起的误差传播最小化，而 W ₀没有用于MLD，MLD针对QPSK星座图以4M的数量级实现非常复杂。还要注意的是，当将 W ₀用于该变换时，图1所示的PT-OFDM系统变成单载波频域均衡(SC-FDE)系统，籍此根据在针对 W ₀的公式中定义的相位旋转对角矩阵将码元预旋转。

有利的是，这意味着当所使用的信号星座图具有恒定振幅时峰对平均功率比被减小到最低可能。

仿真显示出：通过使用根据矩阵 W ₀的预变换，就降低BER(位错误率)而言可以实现更好的性能，在SNR高时，尤其如此。因此，如果在接收器处不知道噪声方差，则所设计的变换使得可以显著提高性能。

假设已知破坏信道105的噪声的方差，则检测单元111可以使用在下面描述的MMSE(最小均方误差)滤波器来提高发送器/接收器系统100的性能。

考虑MMSE标准并且假设先前检测到的码元对于各个重建都是正确的，可以导出用于第i(i＝1，2，...，M)次迭代的线性滤波器：

G＝ W ^-1， B＝ W ^-1·diag(β₁，β₂，...，β_M)

其中

并且σ²是噪声方差。在如上所述由检测单元111执行的重建算法的滤波步骤中使用该 G。

对于重建算法的初始迭代，使用

β_{m} = h_{m}^{*} / (| h_{m} |^{2} + σ^{2}), m = 1, . . ., M,

的MMSE滤波器。

当矩阵 W被选为酉矩阵并且具有恒定振幅的元素时，即使采用MMSE滤波器，m_i的选择也不改变(与具有第i最小的振幅的频域信道相对应)。即，在假设前一次检测正确的情况下，该选择在每一检测步骤处仍使较差的经后滤波的SNR最大化。

仿真显示出：使用该滤波器，可以降低误差下限，并且可以针对高SNR实现更高的性能。要注意的是，MMSE滤波器需要知道在接收器处已知噪声方差。然而，仿真显示出：其对噪声方差误差很强健。

在一个实施例中，如将参照图2和图3所描述的，对所述重建进行了扩展。

图2示出了根据本发明实施例的接收器200。

在发送器/接收器系统100中，可以使用接收器200来代替图1所示的接收器107。接收器200包括检测单元201以及与图1所示的接收器107的判定单元112相对应的判定单元206。与接收器107类似，接收器200包括其他功能单元，例如FFT单元，它们没有在图2中示出。

与检测单元111类似，将矢量 r(例如执行FFT的FFT单元的输出矢量)馈送给检测单元201。

接收器201的滤波单元202执行重建算法的滤波步骤，例如上述重建算法的初始滤波步骤。滤波步骤的根据以上描述的重建算法的结果(由x ₀ ^％表示)被提供给第一非线性检测单元203。

该接收器还包括第二非线性检测算法单元205。在下面参照图3描述第一非线性检测单元203和第二非线性检测单元205的结构。

图3示出了根据本发明实施例的非线性检测单元300。

如将在下面描述的，该非线性检测单元执行有序干扰抵消算法。

非线性检测单元300的输入矢量是对发送信号的软估计(在第一非线性检测单元的情况下，这是滤波单元202的输出 x ₀ ^％)。非线性检测单元300的输入矢量被馈送到排序单元301。

排序单元301通过获得所述输入距信号星座图的任意点的最小欧式距离来执行排序步骤。然后，从最大到最小欧式距离对输入矢量的分量进行排序，并对输入矢量的分量执行硬判定以形成c₁，c₂，...，c_M。

c₁，c₂，...，c_M被馈送给抵消单元302，抵消单元302执行下面的算法：

对于干扰抵消j＝1，...，J，

(i)使用{c_k}_k≠j来抵消重建的接收信号 r _j以获得对c_j的软估计

(ii)对所述软估计执行硬判定，并更新新检测到的c_j

(iii)增加j，并从(i)继续

J是抵消步骤的数量，例如被选为等于M。

作为示例，干扰抵消算法使用估计的“最佳”分量(它们距信号星座图的欧式距离最小)来改进“较差”分量(其距信号星座图的欧式距离较大)。

第一抵消单元302的输出被馈送给重建单元204。重建单元204根据上述重建算法执行第i次迭代(其中i＝1，2，...)的重建步骤和滤波步骤。

由重建单元204执行的各迭代的结果被馈送给第二非线性检测单元205。除了最后一次迭代之外，第二非线性检测单元205的输出被馈送回重建单元204以执行下一迭代，同时所述输出被提供给判断单元206，判定单元206产生接收器200的输出。

接收器200还可以与根据现有技术(根据矩阵 W)的预变换和根据现有技术(根据矩阵 G)的滤波器一起使用。这意味着：根据距离指标而对信号值进行排序以及使用最佳(就最小距离而言)信号值来抵消来自其他信号值的干扰的思想独立于使用包括相对旋转矩阵的预变换并且独立于使用依赖于用于数据发送的信道的噪声方差的滤波器。

在上文中引用了以下文献：

[1]Receiver Having a Signal Reconstructing Section for NoiseReduction，System and Method Thereof，国际申请号：PCT/SG02/00194

[2]Z.Lei，Y.Wu，C.K.Ho，S.Sun，P.He和Y.Li，“Iterative detectionfor Walsh-Hadamard Transformed OFDM”，第57届IEEE车辆技术会议记录，Jeju，韩国，2003年4月，第637-640页

Claims

1、一种用于发送包括多个信号值的信号的方法，所述信号值被分组成至少一个信号值块，其中

-通过预变换来处理各个信号值块，以产生调制码元块

-所述预变换包括对所述信号块值的相位旋转，该相位旋转对应于将所述信号值块与相位旋转矩阵相乘

-基于所述调制码元对至少一个载波信号进行调制

-发送经调制的载波信号。

2、根据权利要求1所述的方法，其中，所述预变换还包括对所述信号值块的域变换。

3、根据权利要求2所述的方法，其中，在所述相位旋转之后执行所述域变换。

4、根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述域变换是离散正弦变换、离散余弦变换或离散傅立叶变换。

5、根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述相位旋转将所述信号值块的至少一个分量旋转一不等于零的角度。

6、根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，所述相位旋转矩阵是对角矩阵。

7、根据权利要求6所述的方法，其中，所述相位旋转矩阵具有diag(1，α，…，α^M-1)的形式，其中α＝exp(-jπ/(2M))，M是信号值块的维数。

8、一种用于接收信号的方法，其中

-接收经调制的载波信号

-对所述经调制的载波信号进行解调以产生调制码元块

-通过逆预变换来处理所述调制码元块

-所述逆预变换包括对所述调制码元的相位旋转，该相位旋转对应于将所述调制码元块与相位旋转矩阵相乘。

9、一种用于发送信号的发送器，所述信号包括多个信号值，所述信号值被分组成至少一个信号值块，所述发送器包括：

-预变换单元，其适于通过预变换对各个信号值块进行处理以产生调制码元块，其中所述预变换包括对所述信号块值的相位旋转，该相位旋转对应于将所述信号值块与相位旋转矩阵相乘

-调制单元，其适于基于所述调制码元对至少一个载波信号进行调制

-发送单元，其适于发送经调制的载波信号。

10、一种用于接收信号的接收器，该接收器包括：

-接收单元，其适于接收经调制的载波信号

-解调单元，其适于对所述经调制的载波信号进行解调以产生调制码元块-处理单元，其适于通过逆预变换来处理所述调制码元块，其中所述逆预变换包括对所述调制码元的相位旋转，该相位旋转对应于将所述调制码元块与相位旋转矩阵相乘。