CN101188593B - 一种正交频分复用系统的信道估计装置及其信道估计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种正交频分复用系统的信道估计装置及其信道估计方法，所述方法包括以下步骤：(1)设定一延时扩展参数门限值；(2)估计延时扩展参数值，并将估计出的延时扩展参数值与所述门限值进行比较；若所述估计出的延时扩展参数值大于所述门限值，则执行步骤(3)，否则执行步骤(4)；(3)先进行时间方向的信道估计，再进行频率方向的信道估计；(4)先进行频率方向的信道估计，再进行时间方向的信道估计。本发明提出的信道估计装置及其信道估计方法，能够根据信道具体情况采用不同的信道估计方法，可以使OFDM系统获得好的信道估计性能，同时本发明具有较低的硬件实现复杂度。

Description

一种正交频分复用系统的信道估计装置及其信道估计方法
技术领域
本发明属于移动多媒体技术领域，尤其涉及移动多媒体领域的一种信道估计装置及其信道估计方法。
背景技术
OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用)系统是一种多载波通信系统，可用于传输速率较大的数据，如欧洲的DVB(Digital Video Broadcasting，数字视频广播)系统、中国的CMMB(ChinaMobile Multimedia Broadcasting，中国移动多媒体广播)系统等都采用了OFDM技术作为调制传输技术。
在基于OFDM的新一代无线通信系统中，系统对频偏比较敏感，所以一般使用相干检测(coherent detection)。由于传输速率较高，并且需要使用相干检测技术获得较高的性能，因此通常使用非盲估计获得较好的估计效果，这样可以更好地跟踪无线信道的变化，提高信道估计装置性能。
OFDM信道估计的非盲估计算法，其基本过程是：在发送端适当位置插入导频，接收端利用导频恢复出导频位置的信道信息，然后利用某种处理手段(如内插，滤波，变换等)获得所有时段的信道信息。
可见，在OFDM系统中，通常预先在发射机发射的信号的帧结构中插入导频(Pilot)，利用导频来辅助信道估计装置进行快速高效的信道估计，从而可以对抗多种多样的信道类型，如高速移动信道、多径延时信道等。例如中国的CMMB(China Mobile Multimedia Broadcasting，中国移动多媒体广播)系统就是在频域中插入了离散导频来辅助信道估计装置进行信道估计。
参照图1所示，为中国国家广播电影电视总局颁布的广播电影电视行业标准《移动多媒体广播第1部分：广播信道帧结构、信道编码和调制》(GY/T220.1-2006号)中的信号分布示意图。图中示出了离散导频的分布。Nv为频率方向的有效子载波个数，时间方向上TS表示时隙，1个时隙包括53个OFDM符号。图中的黑块代表离散导频信号。
导频的选择与插入是实现基于导频的信道估计的基础。
无线信道的两个最重要参数是延时扩展(Delay Spread)和Doppler(多普勒)频偏。一般说来，静态多径信道的主要参数是延时扩展，动态多径信道的主要参数是Doppler频偏。当延时扩展较大时，如在SFN(SingleFrequency Network，单频网)的环境下，信道估计装置需要正确跟踪频率方向上的信道变化才能确保最终获得正确的信道估计结果，因此，在频率方向上的导频越密集，则信道估计性能就越好。当Doppler频偏较大时，如在高速公路的环境下，信道估计装置需要快速跟踪时间方向上的信道变化才能确保最终获得正确的信道估计结果，因此，在时间方向上的导频越密集，则信道估计性能就越好。很明显，这两项需求是自相矛盾的。但所幸的是，在SFN的环境中，出现延时扩展和Doppler频偏数值同时都很大的情况是极其少见的。这为我们分别针对两种情况进行信道估计提供了可能。
对于相干解调信道估计装置来说，利用导频进行信道估计的方法一般有3种，二维Wiener(维纳)滤波器方法、基于FFT(Fast Fourier Transform，快速傅立叶变换)的时域频域相互变换信道估计方法以及两次一维Wiener滤波器方法。3种方法可以说各有其优缺点：其中二维Wiener滤波器方法理论上性能最好但复杂度也最高，FFT方法理论性能次之复杂度也次之，原因在于FFT方法由于无法获得确切的信道多径加权因子，导致其性能大受影响。两次一维Wiener滤波器方法复杂度远远低于前两种方法但理论性能相对最差。在以往的接收系统中，采用的两次一维Wiener滤波器方法常常无法同时兼顾多种多样的信道类型。
但事实上，若滤波器系数设计合理，两次一维Wiener滤波器方法性能上完全可以做到近似于二维Wiener滤波器方法，而其复杂度却远远低于另两种方法。
可见，传统的OFDM系统的信道估计方案或者性能不好，或者实现复杂度太高，通常无法兼顾系统性能和实现复杂度，尤其其中的两次一维Wiener滤波器方法虽然复杂度较低，但常常无法同时兼顾多种多样的信道类型，所以两次一维Wiener滤波器方法在信道估计性能上存在欠缺。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种正交频分复用系统的信道估计装置及其信道估计方法，提高信道估计性能的同时降低信道估计装置及信道估计方法的复杂度。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种正交频分复用系统的信道估计装置，包括延时扩展参数估计模块，用于估计延时扩展参数值，所述信道估计装置还包括：延时扩展参数门限值设定模块、比较模块、第一时间方向信道估计模块、第一频率方向信道估计模块、第二频率方向信道估计模块和第二时间方向信道估计模块；
所述延时扩展参数门限值设定模块，用于设定一延时扩展参数门限值；
所述比较模块，与所述延时扩展参数估计模块及所述延时扩展参数门限值设定模块相连，用于将估计出的延时扩展参数与所述延时扩展参数门限值进行比较，并根据比较结果输出一使能信号，若所述估计出的延时扩展参数值大于所述延时扩展参数门限值，则向所述第一时间方向信道估计模块输出使能信号，否则向所述第二频率方向信道估计模块输出使能信号；
所述第一时间方向信道估计模块，与所述比较模块相连，用于根据所述比较模块输出的使能信号进行时间方向信道估计；
所述第一频率方向信道估计模块，与所述第一时间方向信道估计模块相连，用于根据所述第一时间方向信道估计模块信道估计结果进行频率方向信道估计；
所述第二频率方向信道估计模块，与所述比较模块相连，用于根据所述比较模块输出的使能信号进行频率方向信道估计；
所述第二时间方向信道估计模块，与所述第二频率方向信道估计模块相连，用于根据所述第二频率方向信道估计模块信道估计结果进行时间方向信道估计。
进一步的，所述信道估计装置还包括信道估计结果选择模块，所述信道估计结果选择模块与所述第一频率方向信道估计模块及第二时间方向信道估计模块相连，用于选择两个模块的信道估计结果。
优选的，所述第一频率方向信道估计模块及所述第二频率方向信道估计模块分别与所述延时扩展参数估计模块相连，根据多径信道的延时扩展参数进行信道估计。
优选的，所述信道估计结果选择模块与所述延时扩展参数估计模块相连，根据多径信道的延时扩展参数选择两个模块的信道估计结果。
优选的，所述信道估计装置还包括存储器，所述延时扩展参数估计模块与所述存储器相连，将估计出的延时扩展参数存入所述存储器中；所述第一频率方向信道估计模块、所述第二频率方向信道估计模块及信道估计结果选择模块与所述存储器相连，读取所述存储器中的延时扩展参数。
为了解决上述技术问题，本发明还提供了一种正交频分复用系统的信道估计方法，所述方法包括以下步骤：
(1)设定一延时扩展参数门限值；
(2)估计延时扩展参数值，并将估计出的延时扩展参数值与所述门限值进行比较；若所述估计出的延时扩展参数值大于所述门限值，则执行步骤(3)，否则执行步骤(4)；
(3)先进行时间方向的信道估计，再进行频率方向的信道估计；
(4)先进行频率方向的信道估计，再进行时间方向的信道估计。
进一步的，所述方法还包括以下步骤：
(5)选择一信道估计结果。
进一步的，所述延时扩展参数门限值为一固定值或一可变值。
进一步的，步骤(3)及步骤(4)中所述进行频率方向的信道估计根据多径信道的延时扩展参数进行。
进一步的，步骤(5)中所述选择一信道估计结果根据多径信道的延时扩展参数进行。
本发明提出的信道估计装置及其信道估计方法，能够根据信道具体情况采用不同的信道估计方法，可以使OFDM系统获得好的信道估计性能，同时，本发明提出的信道估计装置及其信道估计方法与FFT信道估计方法相比可以降低存储器空间，而与二维滤波器插值方法相比，本发明滤波器插值处理的数学计算量少，因此具有较低的硬件实现复杂度，尤其对集成电路来说，具有更大的意义。
附图说明
图1为中国国家广播电影电视总局颁布的广播电影电视行业标准GY/T220.1-2006中的信号分布示意图。
图2为本发明一实施例的信道估计装置的结构示意图。
图3为图2所示的实施例的一条支路进行信道估计时导频信号变化示意图。
图4为图2所示的实施例的存储器使用情况示意图。
图5为本发明信道估计方法流程图。
具体实施方式
本发明的主要思想是通过设定延时扩展参数门限值，并将多径信道的延时扩展参数与所述门限值进行比较，当延时扩展参数大于所述门限值时，先进行时间方向信道估计，再进行频率方向信道估计；而当延时扩展参数小于所述门限值时，先进行频率方向信道估计，再进行时间方向信道估计。这样通过延时扩展参数区别出多径信道的类型，并针对信道类型的特点采用相应的信道估计方法，具有提高信道估计性能的效果，并且由于是两次一维Wiener滤波器及滤波方法，实现起来硬件复杂度较低。
下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明。
参照图2所示，为本发明的信道估计装置的结构示意图。所述信道估计装置包括：延时扩展参数估计模块101、延时扩展参数门限值设定模块102、比较模块103、第一时间方向信道估计模块(Time Directional ChannelEstimation，TCE)104、第一频率方向信道估计(Frequency Directional ChannelEstimation，FCE)模块105、第二频率方向信道估计(FCE)模块106，第二时间方向信道估计模块(TCE)107，及信道估计结果选择模块108。
其中，延时扩展参数估计模块101用于估计出多径信道的延时扩展参数。
延时扩展参数门限值设定模块102用于根据系统情况预先设定一延时扩展参数门限值，所述系统情况可以为SFN(Single Frequency Network，单频网)的大小情况，CP(循环前缀)的长短情况，信道估计装置实际能对抗的最大延时扩展情况等。例如，CP越长，则相应设定的门限值通常越大(当然所述门限值不能高过CP)，一般可以是CP的50％；又例如，SFN越大，则设定的门限值越大。
当然，这里需要指出的是，在实际应用中门限值可以根据系统情况实时进行修改，比如可以通过信道估计装置中的固件(Firmware)程序实时监控接收系统情况，并更新门限值。但本发明更新门限值的手段不限于此。
所述比较模块103分别与延时扩展参数估计模块101及延时扩展参数门限值设定模块102相连，用于接收延时扩展参数估计模块101所估计出的多径信道的延时扩展参数，并接收延时扩展参数门限值设定模块102所设定的门限值，在将所述延时扩展参数与所述门限值进行比较后，根据比较结果使能第一时间方向信道估计模块(TCE)104或者第二频率方向信道估计(FCE)模块106。
所述第一时间方向信道估计模块(TCE)104与所述比较模块103相连，用于在延时扩展参数大于所述门限值时先进行时间方向上的信道估计，所述第一频率方向信道估计(FCE)模块105与所述第一时间方向信道估计模块(TCE)104相连，两者构成第一支路，用于接收第一时间方向信道估计模块(TCE)104进行信道估计得出的结果，并利用该结果进行频率方向信道估计。
所述第二频率方向信道估计(FCE)模块106也与所述比较模块103相连，用于在延时扩展参数小于所述门限值时先进行频率方向上的信道估计，所述第二时间方向信道估计模块(TCE)107与所述第二频率方向信道估计(FCE)模块106相连，两者构成第二支路，所述第二时间方向信道估计模块(TCE)107用于接收第二频率方向信道估计(FCE)模块106进行信道估计得出的结果，并利用该结果进行时间方向信道估计。
所述信道估计结果选择模块108与所述延时扩展参数估计模块101相连(图中未示出)，用于接收估计出的多径信道的延时扩展参数，所述信道估计结果选择模块108同时与所述第一频率方向信道估计(FCE)模块105及所述第二时间方向信道估计模块(TCE)107相连，并根据多径信道的延时扩展参数选择两个支路的信道估计结果。
当然，也可以将估计出的信道的延时扩展参数存入存储器中，信道估计结果选择模块108到存储器中读取所述估计出的多径信道的延时扩展参数，这构成了本发明的又一实施例。
具体来说，延时扩展参数门限值设定模块102预先设定一个“延时扩展参数门限值”，并由比较模块103将估计出的参数值与所述门限值进行比较；当比较模块103判断到延时扩展参数大于所述门限值，则表明当前信道的多径延时较大，信道估计方案需重点跟踪频率方向上的信道变化情况，因此为了保证频率方向上的导频尽可能地密集，需首先进行TCE，即时间方向上的信道估计，因此使能第一时间方向信道估计模块(TCE)104，第一时间方向信道估计模块(TCE)104进行时间方向的信道估计，利用导频处获得的信道特征插值滤波出时间方向上导频之间的非导频处的信道特征，从而新获得的信道特征所对应的原来的非导频对于频率方向信道估计来说就相当于导频，从而增加了频率方向上的导频密集度，即增加了频率方向上的导频相关性，再由第一频率方向信道估计(FCE)模块105进行FCE，即频率方向上的信道估计。在进行FCE的过程中，需要利用估计出的延时扩展参数值选择合适的Wiener滤波器系数，在这里需要指出的是，滤波器系数与延时扩展参数值存在对应关系，是由系统预先设定的，保存在系统的存储器中。
当然，在进行FCE的过程中，可以通过第一频率方向信道估计(FCE)模块105与延时扩展参数估计模块101相连，然后根据估计出的延时扩展参数值选择合适的Wiener滤波器系数；也可以将估计出的延时扩展参数存入存储器中，由第一频率方向信道估计(FCE)模块105到存储器中读取估计出的信道的延时扩展参数，然后再选择合适的Wiener滤波器系数，两种方式都能实现本发明的目的。以下参数估计值小于或等于设定的门限值时与此相同。
若延时扩展参数估计值小于或等于设定的门限值，则表明当前的环境是快速移动环境，信道估计算法需要快速跟踪时间方向上的信道变化情况，因此时间方向上的导频越密集信道估计性能就越好。因此首先使能第二频率方向信道估计(FCE)模块106，使之根据延时扩展参数估计值选择合适的滤波器系数进行FCE，即频率方向上的信道估计，再由第二时间方向信道估计模块(TCE)107进行时间方向的信道估计。需要指出的是，因为尽管两个支路的时间方向信道估计模块和频率方向信道估计模块操作原理相同，但实际运算过程略有差别。
最后，再根据延时扩展参数估计值，选择与所述估计值相对应的支路输出的信道估计结果，即完成了信道估计过程，获得了任意一个子载波处、任意一个时间点的信道响应结果。
参照图3所示，为图2所示的一条支路进行信道估计时导频信号变化示意图。下面结合图1和图3对支路一的信道估计过程中导频信号的变化进行详细说明。
在图1中，频率方向的有效子载波个数Nv＝3076，时间方向上1个时隙包括53个OFDM符号。图中的黑块即为离散导频信号(SPT)，每个OFDM符号包括384个离散导频信号，因此输入图3中第一时间方向信道估计模块104的离散导频信号为384*53个。而经过第一时间方向信道估计模块104处理后，输出384*2*53个信道响应值，当然，第一时间方向信道估计模块104的输出就是第一频率方向信道估计模块105的输入，经过第一频率方向信道估计模块105处理后，输出53*3072个信道响应值。
第二支路的信道估计过程中导频信号的变化与上述类似，在此不再赘述。
另外需要指出的是，第一时间方向信道估计模块和第二时间方向信道估计模块对应的滤波器系数值是不一样的，第一时间方向信道估计模决对应的Doppler频偏值较小，而第二时间方向信道估计模块对应的Doppler频偏值较大。具体的滤波器系数取值可根据系统具体的情况而定，但第一时间方向信道估计模块和第二时间方向信道估计模块都是各存储一套滤波器系数，即各对应一个Doppler值。
同样道理，第一频率方向信道估计模块对应的延时扩展值较大，而第二频率方向信道估计对应的延时扩展值则较小，但第一频率方向信道估计模块和第二频率方向信道估计模块都可以存储多套滤波器系数值。
参照图4所示，为本实施例的存储器使用情况示意图。
本发明需要用到的存储器包括随机存储读取器(RAM)401、402及只读存读器(ROM)403。RAM401用于存储导频子载波处的信道响应，RAM402用于存储利用本实施例的信道估计模块新获得的子载波处的信道响应，ROM403用于存储滤波器系数。
两条支路的TCE和FCE实现时，都是利用存储在RAM401中的已知导频子载波处的信道响应和存储在ROM403中的滤波器系数进行一维Wiener滤波插值处理，获得时间方向上或者频率方向上的所有的子载波处的信道响应，并存储到RAM402中，备后续模块使用。
需要指出的是，尽管两条支路上的TCE和FCE先后顺序不同，但在实际的硬件实现中，RAM资源是可以重用的，即只需要分配两条支路所需的最大RAM量，而非两条支路的RAM量之和，从而可以进一步地降低实现复杂度。而ROM资源的开销是较小的，尤其对于集成电路来说。
并且本发明提出的方案具有较大的灵活性，若需应对更多的信道类型，需要设置出更多的滤波器系数，只需要扩展ROM即可。
参照图5所示，为本发明信道估计方法流程图，所述信道估计方法包括以下步骤：
步骤501：设定一延时扩展参数门限值；
步骤502：将估计出的延时扩展参数值与所述门限值进行比较；若估计值大于门限值，则执行步骤503，否则执行步骤504；
步骤503：先进行时间方向的信道估计，再进行频率方向的信道估计；
步骤504：先进行频率方向的信道估计，再进行时间方向的信道估计。
步骤505：选择一信道估计结果。
其中，所述延时扩展参数门限值为一固定值或一可变值。进行频率方向的信道估计根据多径信道的延时扩展参数进行。步骤505中所述选择一信道估计结果根据多径信道的延时扩展参数进行。
当然，以上所述仅为本发明的较佳实施方式，而不是对本发明技术方案的限定，任何熟悉本领域的技术人员对本发明技术特征所作的等同替换或者相应改进，仍在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种正交频分复用系统的信道估计装置，包括延时扩展参数估计模块，用于估计延时扩展参数值，其特征在于，所述信道估计装置还包括：延时扩展参数门限值设定模块、比较模块、第一时间方向信道估计模块、第一频率方向信道估计模块、第二频率方向信道估计模块和第二时间方向信道估计模块；
所述延时扩展参数门限值设定模块，用于设定一延时扩展参数门限值；
所述比较模块，与所述延时扩展参数估计模块及所述延时扩展参数门限值设定模块相连，用于将估计出的延时扩展参数与所述延时扩展参数门限值进行比较，若所述估计出的延时扩展参数值大于所述延时扩展参数门限值，则向所述第一时间方向信道估计模块输出使能信号，否则向所述第二频率方向信道估计模块输出使能信号；
所述第一时间方向信道估计模块，与所述比较模块相连，用于根据所述比较模块输出的使能信号进行时间方向信道估计；
所述第一频率方向信道估计模块，与所述第一时间方向信道估计模块相连，用于根据所述第一时间方向信道估计模块信道估计结果进行频率方向信道估计；
所述第二频率方向信道估计模块，与所述比较模块相连，用于根据所述比较模块输出的使能信号进行频率方向信道估计；
所述第二时间方向信道估计模块，与所述第二频率方向信道估计模块相连，用于根据所述第二频率方向信道估计模块信道估计结果进行时间方向信道估计。
2.如权利要求1所述的信道估计装置，其特征在于，所述信道估计装置还包括信道估计结果选择模块，所述信道估计结果选择模块与所述第一频率方向信道估计模块及第二时间方向信道估计模块相连，用于选择两个模块的信道估计结果。
3.如权利要求1所述的信道估计装置，其特征在于，所述第一频率方向信道估计模块及所述第二频率方向信道估计模块分别与所述延时扩展参数估计模块相连，根据多径信道的延时扩展参数进行信道估计。
4.如权利要求2所述的信道估计装置，其特征在于，所述信道估计结果选择模块与所述延时扩展参数估计模块相连，根据多径信道的延时扩展参数选择两个模块的信道估计结果。
5.如权利要求2所述的信道估计装置，其特征在于，所述信道估计装置还包括存储器，所述延时扩展参数估计模块与所述存储器相连，将估计出的延时扩展参数存入所述存储器中；所述第一频率方向信道估计模块、所述第二频率方向信道估计模块及信道估计结果选择模块与所述存储器相连，读取所述存储器中的延时扩展参数。
6.一种正交频分复用系统的信道估计方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)设定一延时扩展参数门限值；
(2)估计延时扩展参数值，并将估计出的延时扩展参数值与所述门限值进行比较；若所述估计出的延时扩展参数值大于所述门限值，则执行步骤(3)，否则执行步骤(4)；
(3)先进行时间方向的信道估计，再进行频率方向的信道估计；
(4)先进行频率方向的信道估计，再进行时间方向的信道估计。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：(5)选择一信道估计结果。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述延时扩展参数门限值为一固定值或一可变值。
9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤(3)及步骤(4)中所述进行频率方向的信道估计根据多径信道的延时扩展参数进行。
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤(5)中所述选择一信道估计结果根据多径信道的延时扩展参数进行。
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