CN101291308B - 一种基于二维内插的自适应信道均衡器及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于二维内插的自适应信道估计器，用于信道均衡；该信道估计器根据接收码元中的导频信号完成时间方向的信道估计，获取部分的信道响应；根据该信道响应估计得到信道信息；在该信道信息的控制下，对该信道响应自适应地选择出频率方向信道估计单元，进行进行频率方向信道估计，获取完整的信道响应从信道估计器输出。本发明由于信道信息估计采用改进的从后向前的信道阶数搜索方法，且频率方向信道估计采用前向自适应的结构和变长的插值系数矩阵及改进的插值算法，故在信道均衡性能和实现复杂度方面都有较大地改善。本发明还相应地提出基于二维内插的自适应信道估计方法和信道均衡器及方法。

Description

一种基于二维内插的自适应信道均衡器及方法

技术领域

本发明涉及数字通信系统及数字多媒体广播系统接收装置的信道均衡技术，尤其涉及基于二维内插的自适应信道均衡器及方法。

背景技术

一般在通信系统中，为了保证信息的准确传输，需要对接收信号进行信道均衡，即尽可能地补偿信道对发送信号产生的失真或畸变的影响。通常，作为一种信号处理方法，信道均衡可以在时域或者频域进行。由于在大多数的数字电视广播系统中，都运用了正交频分复用(OFDM，OrthogonalFurequency Division Multiplexity)和导频(Pilot)技术，故在这些系统中信道均衡往往采用频域均衡的方式，这样可以降低均衡器的实现复杂度。为了实现较好的均衡性能，系统需要对信道进行估计然后作出相应的补偿。

目前，现有的均衡方法包括静态或动态自适应的方法。静态的均衡方法由于无法根据信道的变化对均衡器做出及时调整，故在时变信道下不能提供较好的均衡性能。而现有的动态均衡方法大多是在时域或时间方向进行的，这些方法或是均衡性能不好，或是复杂度过高，因而对于实际的数字电视接收系统来说都不适合。对于现有的在频域进行的动态均衡方法来说，由于采用了反馈链路或解码信息，虽然具有较好的均衡性能，但是也由此带来了额外的延时，并且其实现复杂度和成本都较高，系统兼容性也较低，因而对于移动环境下的数字电视接收机来说，并不实用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于二维内插的自适应信道均衡器及方法，在系统性能及实现复杂度方面作出了折衷考虑，既能使方法实现简单，又能使均衡性能满足目前及未来业务的需要。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于二维内插的自适应信道估计器，用于信道均衡；该信道估计器根据接收码元中的导频信号完成时间方向的信道估计，获取部分的信道响应；根据该信道响应估计得到信道信息；在所述信道信息的控制下，对该信道响应自适应地进行频率方向信道估计，获取完整的信道响应从信道估计器输出。

进一步地，信道估计器包括依次连接的时间方向信道估计器、信道信息估计器以及频率方向信道估计器，其中：

时间方向信道估计器与频率方向信道估计器连接，用于对导频信号进行时间方向的信道估计而获取该信道响应，分别输出给信道信息估计器和频率方向信道估计器；

信道信息估计器，用于根据该信道响应估计得到信道信息，作为控制信号输出给频率方向信道估计器；

频率方向信道估计器，用于在信道信息的控制下，自适应地选择出频率方向信道估计单元，对该信道响应进行所述频率方向信道估计，并输出完整的信道响应。

进一步地，时间方向信道估计器采用高阶插值算法、二阶插值算法以及线性插值算法中的一种算法来完成时间方向的信道估计。

进一步地，信道信息估计器根据输入的信道响应计算获取相应的信道冲激响应，并计算出信道冲激响应模的平方；根据该信道冲激响应模的平方搜索计算出信道阶数，该信道阶数作为信道信息输出。

进一步地，频率方向信道估计器还包括：一选择开关和分别与选择开关的输出连接的多个频率方向信道估计单元；其中，选择开关在信道信息的控制下，从多个频率方向信道估计单元中自适应地选择出一个，频率方向信道估计单元采用高阶插值算法、二阶插值算法以及线性插值算法中的一种算法来完成所述频率方向信道估计。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种运用如上所述信道估计器的自适应信道均衡器，包括相互连接的自适应信道估计器和信道补偿器，其中，信道补偿器根据自适应信道估计器输出的信道响应对接收数据进行信道补偿，获取的均衡数据信号从该自适应信道均衡器输出。

进一步地，信道补偿器采用线性最小平方差的信道补偿算法、基于最大似然比的信道补偿算法以及基于维纳滤波的信道补偿算法中的一种算法进行信道补偿。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于二维内插的自适应信道估计方法，其步骤为：

对接收码元中的导频信号进行时间方向的信道估计，以获取部分的信道响应；

根据该信道响应估计得到信道信息；

在该信道信息控制下，对该信道响应自适应地进行频率方向的信道估计，以获取完整的信道响应。

进一步地，时间方向的信道估计采用高阶插值算法、二阶插值算法以及线性插值算法中的一种算法实现。

进一步地，估计得到信道信息包括步骤：根据该信道响应计算获取相应的信道冲激响应，并计算出该信道冲激响应模的平方；根据该信道冲激响应模的平方搜索计算出信道阶数，该信道阶数作为信道信息输出。

进一步地，自适应地进行频率方向的信道估计，即根据信道信息自适应地从多组频率方向信道估计算法中选出一组，频率方向信道估计采用高阶插值算法、二阶插值算法以及线性插值算法中的一种算法实现。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种运用如上所述方法的自适应信道均衡方法，该方法还包括步骤：根据自适应信道估计得到的信道响应对接收码元中的数据信号进行信道补偿。

进一步地，信道补偿采用线性最小平方差的信道补偿算法、基于最大似然比的信道补偿算法以及基于维纳滤波的信道补偿算法中的一种算法实现。

本发明采用前向自适应结构，与现有的静态信道均衡器和采用反馈回路的自适应信道均衡器，在结构上有很大不同。从性能和复杂度考虑，本发明为这两种均衡器之间的一个折衷方案。与其它采用类似结构的均衡器相比，本发明在频率方向信道估计器和信道信息估计器的设计方面都有很大不同。信道信息估计采用改进的从后向前的信道阶数搜索方法，而频率方向信道估计采用前向自适应的结构和变长的插值系数矩阵及改进的插值算法。由于采用了上面这些设计，本发明在信道均衡性能和实现复杂度方面都有较大地改善。

附图说明

图1本发明提供的自适应信道均衡器的结构框图；

图2本发明的自适应信道估计器中频率方向信道估计器的组成框图；

图3欧洲地面数字电视广播DVB-T系统的导频信号图样；

图4为本发明所采用的时间方向信道估计方法示意图；

图4a为时间方向信道估计插值结果示意图；

图4b为本发明所采用的信道信息估计算法流程图；

图5频率方向信道估计方法示意图；

图5a为频率方向信道估计插值结果示意图；

图6为本发明自适应信道均衡器的误比特率与多普勒频偏性能曲线图；

图7为本发明自适应信道均衡器的误比特率与二径回音信道延时性能曲线图。

具体实施方式

本发明提供的基于二维内插的自适应信道均衡器由自适应信道估计器和信道补偿器组成。其中，在自适应信道估计器中，时间方向信道估计器对接收码元中的导频信号进行时间方向的信道估计，获取部分的信道响应，分别输出给信道信息估计器和频率方向信道估计器；信道信息估计器根据该信道响应估计得到信道信息，作为控制信号输出给频率方向信道估计器；频率方向信道估计器在该信道信息的控制下，对信道响应自适应地进行频率方向信道估计，获取完整的信道响应输出给信道补偿器。信道补偿器则根据该信道响应对接收数据进行信道补偿，获取的均衡数据信号从自适应信道均衡器输出。

以下结合附图和具体实施例来更详细地说明本发明的上述技术方案。

如图1所示，本发明提供的自适应信道均衡器100包括依次连接的时间方向信道估计器110、信道信息估计器120、频率方向信道估计器130以及信道补偿器140，其中：

时间方向信道估计器110还与频率方向信道估计器130连接，用于对接收码元中的导频信号进行时间方向的信道估计，获取部分的信道响应，分别输出给信道信息估计器120和频率方向信道估计器130；

信道信息估计器120，用于根据该信道响应估计得到信道信息，作为控制信号输出给频率方向信道估计器130；

在此，获取的信道信息譬如为估计出的信道阶数，表示信道最大多径时延，其估计算法流程具体参见后面本发明的自适应信道均衡方法的叙述及图4b。

频率方向信道估计器130，用于在信道信息的控制下，对该信道响应自适应地进行频率方向信道估计，获取完整的信道响应即信道的传递函数输出给信道补偿器140；

信道补偿器140，用于根据信道响应对接收数据进行信道补偿，获取的均衡数据信号作为自适应信道均衡器100的输出信号输出到下级模块。

上述自适应信道均衡器100中的时间方向信道估计器110、信道信息估计器120及频率方向信道估计器130构成了本发明的自适应信道估计器，即图1中虚框所示。

图2中虚框内表示的是本发明的自适应信道估计器中频率方向信道估计器130的详细结构，该频率方向信道估计器130包括一个选择开关1310和分别与该选择开关1310输出连接的L个频率方向信道估计单元1311、1312、...；其中，选择开关1310用于在信道信息的控制下，从L个频率方向信道估计单元中自适应地选择出一个，该频率方向信道估计单元采用高阶插值算法、二阶插值算法以及线性插值算法中的一种，来对输入的信道响应继续完成频率方向的信道估计，以将获取完整的信道响应输出。

本发明提供的自适应信道均衡方法，包括以下步骤：

利用接收码元中的导频信号进行时间方向的信道估计，获取部分的信道响应；

根据该信道响应估计得到信道信息；

在该信道信息的控制下，从多组频率方向的信道估计方法中，自适应地选择其中一组，对信道响应进行频率方向的信道估计，获取完整的信道响应；

根据信道响应对接收码元中的数据信号进行信道补偿。

图3表示的是欧洲地面数字电视广播标准DVB-T系统采用的导频信号图样，其时间方向导频信号的间隔为4个码元，频率方向导频信号的间隔为12个码元。下面，就以DVB-T系统采用的导频信号为实施例来描述本发明的自适应信道估计及均衡方法。

(1)时间方向信道估计方法

利用离当前码元前后最近的4个导频信号(已知信号值)进行时间方向的信道插值，插值输出4个估计值(未知信号值)，如图4所示。这里深色方块代表导频信号，X表示插值后的信号，注意第二个导频信号位置处的值将用新的估计值来代替。因此，按上面方法进行的整个时间方向上的信道估计插值系数可以用一个4×4维的插值矩阵来描述，插值结果如图4a所示。在本实施例中时间方向的信道估计采用高阶插值算法，记为X.H.TDI。作为更多的实施例，还可采用线性插值(LTDI)算法和二阶插值(SOTDI)算法。

(2)信道信息估计算法

在本实施例中，以表示信道最大多径时延(它决定了信道的最小相干带宽)的信道阶数s作为信道信息进行估计，即对s的初值不断地进行调整搜索的过程，其算法流程如图4b所示，包括如下步骤：

步骤410：首先置s的初值：s＝N_p-32，其中N_p为每个码元中导频符号的个数；

步骤420：根据时间方向的信道响应H_p(k)(即导频位置的信道估计)计算获取相应的信道冲激响应h_p(m)，如下式所示：

式中，N_noise对于2k，4k和8k模式(指DVB-T的工作模式)分别为128，256和512；

步骤430：根据信道冲激响应h_p(m)计算其模的平方，如下式所示：

h_p(m)＝|h_p(m)|²；    (2)

步骤440：由下式根据h_p(m)计算R_s值：

$R_s=\frac{\underset{\max (s-\mathrm{16,0})}{\overset{s}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\‾}{h}}_p\left(m\right)/16}{\underset{m=s+1}{\overset{{\tilde{N}}_{\mathrm{noise}}}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\‾}{h}}_p\left(m\right)/({\tilde{N}}_{\mathrm{noise}}-s)};---\left(3\right)$

式中， ${\tilde{N}}_{\mathrm{noise}}=\min (N_p,s+N_{\mathrm{noise}});$

步骤450：判断是否计算出的R_s≥25.6，若是执行下一步骤，若否(R_s＜25.6)则执行步骤470；

步骤460：将当前s作为估计的信道阶数输出，结束流程；

步骤470：判断是否当前s＜1，若是返回步骤460执行，若否则执行下一步骤；

步骤480：将s移动一个步长s＝s-4，并返回步骤440进行计算。

注意，步骤420中FFT运算的长度N_noise对于2k，4k和8k模式分别为128，256和512，其计算量大大小于传统算法。另外，信噪比SNR门限和噪声窗口等参数都被给定为2的整数次幂的整数倍的形式，因此，在硬件实现中更为方便。

(3)频率方向信道估计方法

在本实施例中，频率方向信道估计方法的设置如表1所示。这里s为所估计的信道阶数，N为接收码元的长度。对于不同长度的信道阶数s，频率方向信道估计从4组不同的插值矩阵中选择一组插值矩阵来进行频率方向的信道估计，这里将这4个插值矩阵记为C¹ _AFDI～C⁴ _AFDI。

表1自适应频率方向插值的参数设置实例

工作模式	1	2	3	4
					tc＝s/N	tc＜1/64	1/64≤tc＜1/32	1/32≤tc＜1/16	1/16≤tc
插值矩阵	C1 AFDI	C2 AFDI	C3 AFDI	C4 AFDI

已知欧洲地面数字电视广播标准DVB-T系统中的导频信号的图样如图3所示，其频率方向的间隔为12个码元。在经过时间方向信道估计后，对于每一个接收码元，其已估计的信道值的间隔为3个子载波。在本实施例中，再利用当前码元前后离其最近的16个已估值信号进行频率方向的插值，插值输出3个子载波位置处的信道估计值，如图5所示。这里深色方块代表已估值信号，Y表示插值后的信号，其中第8个已估信号位置处的值X已用新的估计值Y来代替。因此，按上面办法整个频率方向上的信道估计插值系数可以用四个16×3维的插值矩阵来描述。例如，如果t_c小于1/64，则选择C¹ _AFDI，如果t_c大于等于1/16，则选择C⁴ _AFDI，插值结果如图5a所示。此处，C⁴ _AFDI采用了频率方向的高阶插值算法(X.H.FDI)。这里需要注意的是，C¹ _AFDI、C² _AFDI、C³ _AFDI及C⁴ _AFDI矩阵的维数可以不相同。另外，作为更多的实施例，也可以采用频率方向的线性插值算法(LFDI)或者频率方向的二阶插值算法(SOFDI)的算法。不过，实验结果表明，C⁴ _AFDI采用X.H.FDI算法在回音信道下会有更好的信道估计性能。

(4)信道补偿方法

本实施例采用线性最小平方差的信道补偿算法。假设接收码元中第k个数据信号表示为Y_d(k)，则对应该码元同子载波位置处的信道估计值为

那么补偿后的值X_d(k)由下式计算出：

$X_d\left(k\right)\frac{Y_d\left(k\right)}{{\hat{H}}_d\left(k\right)},k=\mathrm{1,2},\·\·\·,N;---\left(4\right)$

注意，式中 ${\hat{X}}_d\left(k\right)>0,$ N为接收码元的长度。另外，本发明中的信道补偿方法还可以采用其它信道均衡算法中的补偿方法，例如基于最大似然比的信道均衡和基于维纳滤波的信道均衡方法等。

对本发明提供的自适应信道均衡器及方法的性能评估

为了评估本发明提出的自适应信道均衡器及方法的性能，将其用于欧洲地面数字电视广播(DVB-T)系统的仿真实验系统中。该系统的参数设置可参考相关标准。对于本发明提出的自适应信道均衡器，若采用上面实施例给定的时间方向信道估计方法、信道阶数估计算法、频率方向信道估计方法和信道补偿方法，其性能评估结果如下。

表2给出了在6径瑞利信道(多普勒频偏最大达50Hz)下，时间和频率方向信道估计算法的误比特率(BER)性能。注意，该BER为里德-所罗门(RS，Reed Solomon)解码器输入端的误比特率。此时，系统采用8k模式、8MHz信道及64QAM调制，卷积码码率为2/3，保护间隔为1/4码长，接收机信噪比为29.3dB。可以看到，上面实施例采用的X.H.TDI算法在配合同样的频率方向信道估计算法时，比其它两种算法LTDI和SOTDI都有更好的性能。另一方面，由于频率方向信道估计方法是针对信道回音设计的，在时变信道下，高阶的频率方向插值算法的性能并未比线性的频率方向插值算法要好。不过，从下表中可以看到，在两径回音信道下，采用X.H.FDI算法的自适应信道均衡器具有最好的性能。

表2时间、频率方向信道估计在时变瑞利信道下的BER性能实例(8k)

通常，如果工作在2k模式下，DVB-T系统可以支持更高速的数据传输，可允许有更大的多普勒频偏。当最大多普勒频偏为300Hz，系统采用2k模式、8MHz信道及16QAM调制，并在卷积码码率为3/4、保护间隔为1/4码长以及接收机信噪比为29.3dB时，本发明提出的高阶时间方向插值(X.H.TDI)和自适应频率方向插值(AFDI)算法具有最好的性能，如表3所示。

表3时间-频率方向插值器在时变瑞利信道下的BER性能实例(2k)

另外，图6给出了在同样设置下，采用这两种算法的自适应均衡器在二十径瑞利信道下，误比特率(纵轴)随多普勒频偏变化(横轴)的性能。可以看到，由于二十径瑞利信道的时变特性更为明显，均衡器随多普勒频偏的增大到280Hz以上时，性能会很快恶化。

对于上面的实施例，表4和表5分别给出了本发明提出的自适应信道均衡算法在二径回音信道下采用2k和8k模式的性能，系统其它参数设置仍为8MHz信道、16QAM调制、卷积码码率为2/3、保护间隔为1/4码长以及接收机信噪比为29.3dB。可以看出，对于不同强度的二径回音，采用二阶频率方向插值(SOFDI)比原始的插值算法可以抵抗更长延时的回音。在8k模式下，为保证RS解码器前的BER不高于2×10^-4，二阶频率方向插值算法可以支持延时高达84μs强度为-2dB的二径回音，而此时若采用自适应频率插值算法(ACE)，则系统可以实现更低的BER。

表4自适应信道均衡器在二径回音信道下的BER性能实例(2k)

表5自适应信道均衡器在二径回音信道下的BER性能实例(8k)

再有，图7比较了8k模式下，系统设置为8MHz信道、16QAM调制、卷积码码率为3/4、保护间隔为1/32码长以及接收机信噪比为29.3dB时，本发明所提出的自适应信道均衡算法与其它算法的误比特率随二径回音延时变化的性能。其中，实线①和虚线②分别表示二径回音强度为-2dB和-5dB的情况。可以看到，在对抗二径回音时，如果保护间隔不够长，自适应信道均衡(ACE)算法(曲线③)比二阶频率方向插值(SOFDI)算法(曲线④)的性能要略差一些，但是仍旧比原始的频率方向插值算法(曲线①和②)有很大的性能改善。

下面来估计本发明提出的自适应信道均衡器的计算复杂度。如表6所示，在2k和8k模式下，该均衡器总共所需要的加法次数和乘法次数大致相当，分别为5.6×10⁴次和2.2×10⁵次。而根据目前的硬件处理速度可知，该均衡器的计算复杂度并不高。

表6自适应信道均衡器的计算复杂度估计

众所周知，在时变信道和长回音信道环境下实现高速可靠的数据传输，是目前数字电视广播系统设计中面临的主要难题。而综上所述可以看出，本发明提出的自适应信道均衡算法，以相对较低的计算复杂度开销，却仍能在时变信道和长回音信道下实现较大的性能增益。

由于本发明可以以几种形式具体化而不脱离本发明的宗旨和必要的特性，因此应当明白上述的实施例不被上述的说明中的任何细节限定，除非另外规定，而应当在所附的权力要求中限定的宗旨和范围中作宽的解释，因此落入所述权力要求的边界或这种边界的类似物中的所有改变和改进被所附的权力要求所包括。

Claims (10)

1.一种基于二维内插的自适应信道估计器，用于信道均衡，其特征在于，所述信道估计器根据接收码元中的导频信号完成时间方向的信道估计，获取部分的信道响应；根据所述时间方向的信道估计获得的信道响应估计得到信道信息；在所述信道信息的控制下，对所述时间方向的信道估计获得的信道响应自适应地进行频率方向信道估计，获取完整的信道响应从所述信道估计器输出；

所述信道估计器包括依次连接的时间方向信道估计器、信道信息估计器以及频率方向信道估计器，其中：

所述时间方向信道估计器与所述频率方向信道估计器连接，用于对所述导频信号进行所述时间方向的信道估计而获取所述时间方向的信道估计获得的信道响应，分别输出给所述信道信息估计器和所述频率方向信道估计器；

所述信道信息估计器，用于根据所述时间方向的信道估计获得的信道响应估计得到所述信道信息，作为控制信号输出给所述频率方向信道估计器；

所述频率方向信道估计器，用于在所述信道信息的控制下，自适应地选择出频率方向信道估计单元，对所述时间方向的信道估计获得的信道响应进行所述频率方向信道估计，并输出所述完整的信道响应；

其中，所述信道信息估计器根据输入的所述时间方向的信道估计获得的信道响应计算获取相应的信道冲激响应，并计算出所述信道冲激响应模的平方；根据所述信道冲激响应模的平方搜索计算出信道阶数，所述信道阶数作为所述信道信息输出。

2.按照权利要求1所述的信道估计器，其特征在于，所述时间方向信道估计器采用高阶插值算法、二阶插值算法以及线性插值算法中的一种算法来完成所述时间方向的信道估计。

3.按照权利要求1所述的信道估计器，其特征在于，所述频率方向信道估计器进一步包括：一选择开关和分别与所述选择开关的输出连接的多个所述频率方向信道估计单元；其中，所述选择开关在所述信道信息的控制下，从所述多个频率方向信道估计单元中自适应地选择出一个，所述频率方向信道估计单元采用高阶插值算法、二阶插值算法以及线性插值算法中的一种来完成所述频率方向信道估计。

4.一种运用如权利要求1至3任一项所述信道估计器的自适应信道均衡器，其特征在于，所述信道均衡器包括相互连接的所述自适应信道估计器和信道补偿器，其中，所述信道补偿器根据所述自适应信道估计器输出的信道响应对接收数据进行信道补偿，获取的均衡数据信号从所述自适应信道均衡器输出。

5.按照权利要求4所述的信道均衡器，其特征在于，所述信道补偿器采用线性最小平方差的信道补偿算法、基于最大似然比的信道补偿算法以及基于维纳滤波的信道补偿算法中的一种算法进行所述信道补偿。

6.一种基于二维内插的自适应信道估计方法，其特征在于，所述方法步骤为：

对接收码元中的导频信号进行时间方向的信道估计，以获取部分的信道响应；

根据所述时间方向的信道估计获得的信道响应估计得到信道信息；

在所述信道信息控制下，对所述时间方向的信道估计获得的信道响应自适应地进行频率方向的信道估计，以获取完整的信道响应；

其中，所述估计得到信道信息包括步骤：

根据所述时间方向的信道估计获得的信道响应计算获取相应的信道冲激响应，并计算出所述信道冲激响应模的平方；根据所述信道冲激响应模的平方搜索计算出信道阶数，所述信道阶数作为所述信道信息输出。

7.按照权利要求6所述的方法，其特征在于，所述时间方向的信道估计采用高阶插值算法、二阶插值算法以及线性插值算法中的一种。

8.按照权利要求6所述的方法，其特征在于，所述自适应地进行频率方向的信道估计，即根据所述信道信息，自适应地从多组频率方向信道估计算法中选出一组，所述频率方向信道估计采用高阶插值算法、二阶插值算法以及线性插值算法中的一种算法实现。

9.一种运用如权利要求6至8任一项所述方法的自适应信道均衡方法，其特征在于，所述自适应信道均衡方法还包括步骤：根据所述自适应信道估计得到的所述完整的信道响应对所述接收码元中的数据信号进行信道补偿。

10.按照权利要求9所述的方法，其特征在于，所述信道补偿采用线性最小平方差的信道补偿算法、基于最大似然比的信道补偿算法以及基于维纳滤波的信道补偿算法中的一种算法实现。

Images