CN101547019A - Dtmb系统中信道估计方法及实现该方法的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种DTMB系统中信道估计方法，包括如下步骤：从接收到的PN数据中截取所需的序列；读取压缩的广义伪逆矩阵数据，并进行解码；对解码后的数据进行解差分，得到广义伪逆矩阵；将该广义伪逆矩阵和所截取的PN数据序列进行矩阵相乘，得到信道冲激响应序列h。本发明还公开了一种实现该方法的装置。本发明能够有效降低接收系统实现的复杂度。本发明的DTMB系统中信道估计方法，不只适用于DTMB系统中，只要是存在连续随机训练序列的系统都可适用。

Description

DTMB系统中信道估计方法及实现该方法的装置

技术领域

本发明涉及无线信号传输领域，特别是涉及一种DTMB(数字地面多媒体广播digital terrestrial multimedia broadcasting)的接收系统中使用的信道估计方法；本发明还涉及一种实现所述信道估计方法的装置。

背景技术

在我国自主推出的数字电视地面广播国家标准——数字地面多媒体广播的接收系统中，融合了单载波、多载波两种载波传输模式；所采取的PN(伪随机)码也有3种不同的类型，长度分别为420、945、595，分别记为PN420模式、PN945模式、PN595模式。对于PN 420和PN 945两种PN模式，其发送的PN数据序列满足周期PN相关特性，可以方便地进行快速信道估计。对于PN 595模式，其发送的PN数据序列并不能构成一个完整的周期PN序列，因此没有办法通过快速算法进行快速信道估计，必须用其他方法来实现。

PN 595模式要应对恶劣的无线传输信道，通常采用时域均衡的方法，一般需要利用训练序列进行时域均衡，通常适用于窄带数字通信系统，如GSM(全球移动系统)通信系统。在信道时延扩展特性不变的情形下，宽带数字通信系统由于码片时间宽度变窄，信道将具有很强的频率选择性特性，意味着时域均衡横向滤波器将需要非常多的抽头数目，同时通常至少具有两倍于最大时延扩展径的抽头数目，从而极大地增加了系统时域均衡实现的复杂度。特别是在移动环境下，由于信道的时变特性，要求时域均衡系统具有自适应的信道跟踪能力，即需要很高抽头数目的时变自适应滤波能力；这无疑极大地增加了接收系统实现的复杂度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种用于DTMB接收系统的信道估计方法，它能够有效降低接收系统实现的复杂度；为此，本发明还要提供一种实现所述信道估计方法的装置。

为解决上述技术问题，本发明的DTMB系统中信道估计方法包括如下步骤：

步骤1、从接收到的PN数据中截取所需的序列；

步骤2、读取压缩的广义伪逆矩阵数据，并进行解码；

步骤3、对解码后的数据进行解差分，得到广义伪逆矩阵；

步骤4、将步骤3中得到的广义伪逆矩阵和步骤1所截取的PN数据序列进行矩阵相乘，得到信道冲激响应序列h。

本发明的实现所述信道估计方法的装置，包括：

前端接收模块，用于接收PN数据；

PN数据截取模块，与所述前端接收模块连接，从接收的PN数据中截取所需的序列；具体实现的过程是，从接收到的PN数据点中截取大致位于后端的多个点，并将其缓存到PN数据截取模块内部的存储器中；

存储器模块，用于存储压缩的广义伪逆矩阵数据；

解码模块，与所述存储器模块连接，从所述存储器模块模块中读取压缩的广义伪逆矩阵数据，进行解码；

解差分模块，与所述解码模块连接，对解码后的广义伪逆矩阵数据进行解差分；

矩阵相乘模块，与解差分模块、PN数据截取模块连接，将解差分后得到的广义伪逆矩阵和截取的PN数据序列进行矩阵相乘，得到信道冲激响应序列h。

使用本发明所提出的信道估计方法，可以有效解决PN595模式下的信道估计问题，降低接收系统实现的复杂度，而该方法对于其他PN模式下也可适用。同时由于预先存储的广义伪逆矩阵使用了压缩编码，对于数据的存储量也大大降低，大约只需要28k byte左右的存储量，与原始的广义伪逆矩阵数据量相比压缩了56.3％。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1是进行对角差分的示意图；

图2是本发明的实现信道估计的装置结构图；

图3是进行解码过程示意图；

图4是本发明中解码模块结构图。

具体实施方式

以下将以PN595为实施例对本发明进行详细说明，当然，对PN420、PN945模式同样适用，只是部分参数作相应调整而已。应特别注意的是，文中所述的所有常数，仅是为了方便实施例的描述，绝不用于限制本发明。

基于PN 595模式的帧头不具有周期PN序列特性，为了对付多径信道干扰对接收系统造成的影响，本发明采用广义伪逆矩阵的方式来实现PN595模式下的信道估计。

在无线通信系统中，时域发送信号s(t)与时域接收信号r(t)之间的关系可用下式来表示：

$r\left(t\right)=h\left(t\right)\⊗s\left(t\right)+n\left(t\right)$                              (公式1)

这里

表示卷积操作。h(t)为时域信道冲激响应，n(t)表示复加性高斯白噪声。

上式经离散化后，变为：

$r_k=\underset{l=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{h}_{k-l}{s}_l+n_k$

$=\underset{l=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{h}_l{s}_{k-l}+n_k$                                    (公式2)

这里h_k为离散化后时域信道冲激响应，S_k为离散化后时域发送信号，r_k为离散化后时域接收信号，n_k为离散化后复加性高斯白噪声。

相应地，对于公式1所表示的时域发送信号s(t)与时域接收信号r(t)之间的关系，还可以采用下面的矩阵表示：

r_L+N-1×1＝h_L+N-1×Ns_N×1+n_L+N-1×1

        ＝s_L+N-1×Lh_L×1+n_L+N-1×1                      (公式3)

这里N为发送数据长度.在最小均方误差意义上，前者

r_L+N-1×1＝h_L+N-1×Ns_N×1+n_L+N-1×1              (公式3-1)

通常当信道完全已知时，可以用来恢复数据(如 $\hat{s}={(h^{H}h+\frac{I}{\mathrm{SNR}})}^{-1}{h}^{H}r,$ SNR(Signal to Noise Ratio)为信噪比；

同样，后者

r_L+N-1×1＝s_L+N-1×Lh_L×1+n_L+N-1×1              (公式3-2)

在数据完全已知的情形下，用来估计信道。对于公式3的两种表示方式，可以用来分别对应于DTMB系统帧结构不同部分的处理。

为了详细阐述如何进行信道估计，进一步将公式3-2进行元素展开

      (公式4)

在最小均方误差(MMSE)意义上，有 ${\hat{h}}_{\mathrm{MMSE}}={\tilde{s}}^{+}r={(s^{H}s+\frac{I}{\mathrm{SNR}})}^{-1}{s}^{H}r,$ 称为矩阵

为广义伪逆矩阵，当SNR＝+∞时，将退化为，最小二乘意义下 ${\hat{h}}_{\mathrm{MLSE}}=s^{+}r={\left(s^{H}s\right)}^{-1}{s}^{H}r,$ 这里s⁺为矩阵s伪逆矩阵。注意在DTMB系统的帧头部分，发送的PN595数据序列是已知的，即矩阵s是由+1或—1构成的固定常矩阵，其中无干扰部分接收数据的长度为N-L+1，因而广义伪逆矩阵

在确定要抗多大时延扩展及信噪比的前提下，也为一固定常矩阵，这就是需要事先存储好的矩阵。当然为了要确保广义伪逆矩阵s⁺的存在，由于矩阵s的每一行都是由PN595数据序列的局部构成的，只要保证

存在即可，即要求

满秩，L≤N-L+1，即 $L\≤\frac{N+1}{2},$ 这也决定了这种算法条件下，能抗的最大時延扩展L_max＝298。另一方面，根据相容方程组求解原理，该矩阵的抗噪性能通常由比值

确定，该比值越大抗噪性能越强，通常该比值可以取大于2，以获得可以接受的性能。这里假定L＝192，N＝575，即比值为2，从而广义伪逆矩阵

为192x384的常矩阵。

对于PN595模式下的信道估计，可以将接收到的PN数据序列跟事先存储好的广义伪逆矩阵进行矩阵相乘，得到所需要的时域冲激响应序列。

广义伪逆矩阵

经过定点化的步骤后，每个矩阵元素值的范围为0～127，即需要用7bit(位)来表示，所以总共需要的存储量为384 x 192 x 7bit。

对于矩阵的元素进行分析之后，可以发现，将矩阵进行对角差分后，其每个元素值的范围可以缩小到-8～+7，即可以用4bit表示。对角差分的方式如图1所示，设矩阵为a(i，j)，对于i、j不等于0的情况，取a’(i，j)＝a(i，j)-a(i-1，j-1)，而i或者j＝0的情况取a’(i，j)＝a(i，j)。因此仅需要存储第一行和第一列的7bit完整值，剩余的191 x 383大小的矩阵只需要存储4bit的差分值，大大节约了存储量。

对于差分后的矩阵进行分析，用二进制数1000到0111分别表示-8到+7，可以发现1111(-1)，0000(0)，0001(+1)占据的比例很大。这样，就可以通过对-1、0、1单独短编码(比如原来需要用4位表示的信息改用2位表示)，对于其它-8到+7的信息采用长编码(比如原来需要用4位表示的信息改用6位表示)，以下是可供选择的其中一种编码方式：-8：11_1000；-7：11_1001；-6：11_1010；-5：11_1011；-4：11_1100；-3：11_1101；-2：11_1110；-1：10；0：00；1：01；2：11_0010；3：11_0011；4：11_0100；5：11_0101；6：11_0110；7：11_0111。采用这种短编码与长编码混合的变字长的编码方式，在不增加解码复杂度和PINV矩阵使用实时性的前提下，编码压缩率达到76％。

综合以上的差分和变字长编码两种压缩方式，使得整个广义伪逆矩阵的存储量降低了56.3％。

如图2所示，对于接收端来说，前端接收模块，用于接收PN数据；

PN数据截取模块从接收到的PN数据中截取所需的序列，长度为384；截取的方法是从接收到的PN数据595个点中截取最后的384个点。设所截取的PN数据序列为x(i)，i＝0，1...383；因为在矩阵计算中需要反复读取该序列，因此将其缓存到PN数据截取模块的内部存储器中。

压缩好的广义伪逆矩阵的数据固定存在一个存储器模块中，该存储器模块可以使用外部的SDRAM，也可以使用EEPROM，根据具体应用需要来决定。从存储器中读出来的压缩数据，由解码模块进行变字长的解码，再由然后解差分，得到原始的7bit矩阵元素数据。矩阵相乘模块将该7bit矩阵元素数据与所截取的PN数据序列x(i)进行矩阵相乘，就可以得到时域冲激响应序列h(i)，i＝0，1….191。

图3、4示出了解码模块的实现结构。如图3所示，总共只需要7个状态就可以控制整个解码过程，选取11作为长编码的开始位只是其中的一种方式，也可以使用00、01或者10作为长编码的开始位，不影响编码效率和实现。

图4中的解码状态机实现的就是图3所示的解码过程，每次输入8位的待解码信息，加上前次解码遗留下来的2位或者4位待解码信息，在一次新的解码开始前，组成最多为12位的新的待解码信息。然后通过解码状态机对新的待解码信息从高位到低位以2位为单位进行判断，判断是否为长编码的开始位(即长编码的特殊标志位)。如果不是长编码的开始位(图3以“11”为例)，那么对应的就是短编码，可以通过映射输出有效的4位原码。如果对应的是长编码的开始位而且剩下的数据位足够长编码的长度，那么也可以输出有效的4位原码，如果不到长编码的长度，那么就要保留该新的待解码信息，等到下次8位待解码信息输入时再解码。

如图1所示，解差分的时候，对于广义伪逆矩阵第一行的数据，直接从存储器里取出来并缓存下来，接下来第二行的数据读出来并经过解码之后，得到的是差分值，将该差分值对应加上之前缓存的第一行的数据，就可以得到广义伪逆矩阵第二行的数据，将该广义伪逆矩阵第二行的数据写入缓存替代原先缓存的数据，然后进行第三行的解差分，依此类推，直至得到原始的7bit矩阵元素数据。

本发明的DTMB系统中信道估计方法，不只适用于DTMB系统中，只要是存在连续随机训练序列的系统都可适用。

Claims (8)

1、一种DTMB系统中信道估计方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1、从接收到的PN数据中截取所需的序列；

步骤2、读取压缩的广义伪逆矩阵数据，并进行解码；

步骤3、对解码后的数据进行解差分，得到广义伪逆矩阵；

步骤4、将步骤3中得到的广义伪逆矩阵和步骤1所截取的PN数据序列进行矩阵相乘，得到信道冲激响应序列h。

2、如权利要求1所述的DTMB系统中信道估计方法，其特征在于：步骤1所述的截取PN数据序列具体方法是，从接收到的PN数据点中截取位于后端的多个点，并将其缓存到存储器中。

3、如权利要求1所述的DTMB系统中信道估计方法，其特征在于：步骤2所述的解码具体方法是，每次输入8位待解码信息，加上前次解码遗留下来的2位或者4位待解码信息，在一次新的解码开始前，组成新的待解码信息，然后通过解码状态机对所述新的待解码信息从高位到低位以2位为单位，判断是否为所选取的长编码的开始位；如果是，而且剩下的数据位等于长编码的长度，则输出有效的4位原码，如果小于长编码的长度，则保留该新的待解码信息，等到下次8位待解码信息输入时再解码；如果不是，则为短编码，通过映射输出有效的4位原码。

4、如权利要求3所述的DTMB系统中信道估计方法，其特征在于：所述长编码的开始位为00、01、10或者11。

5、如权利要求1所述的DTMB系统中信道估计方法，其特征在于：步骤3所述的解差分具体方法是，对于广义伪逆矩阵第一行的数据，直接从存储器取出并进行缓存；将第二行的数据读出并经解码后得到差分值，将该差分值对应加上缓存的广义伪逆矩阵第一行的数据，则得到广义伪逆矩阵第二行的数据，将其写入缓存替代前次缓存的数据，然后进行第三行的解差分，依此类推，直至得到原始的矩阵元素数据。

6、如权利要求1所述的DTMB系统中信道估计方法，其特征在于：步骤2所述的广义伪逆矩阵采用对角差分压缩，设矩阵为a(i，j)，当i、j不等于0时，取a’(i，j)＝a(i，j)-a(i-1，j-1)，当i或j＝0时，取a’(i，j)＝a(i，j)。

7、如权利要求6所述的DTMB系统中信道估计方法，其特征在于：经对角差分压缩后的广义伪逆矩阵进一步采用变字长压缩。

8、一种实现权利要求1所述方法的装置，其特征在于，包括：

前端接收模块，用于接收PN数据；

PN数据截取模块，与所述前端接收模块连接，从接收的PN数据中截取所需的序列；具体实现的过程是，从接收到的PN数据点中截取位于后端的多个点，并将其缓存到PN数据截取模块内部的存储器中；

存储器模块，用于存储压缩的广义伪逆矩阵数据；

解码模块，与所述存储器模块连接，从所述存储器模块模块中读取压缩的广义伪逆矩阵数据，进行解码；

解差分模块，与所述解码模块连接，对解码后的广义伪逆矩阵数据进行解差分；

矩阵相乘模块，与解差分模块、PN数据截取模块连接，将解差分后得到的广义伪逆矩阵和截取的PN数据序列进行矩阵相乘，得到信道冲激响应序列h。

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