CN101997790B - 基于时域导频序列的信道估计装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于时域导频序列的信道估计装置，包括：分离器，信道信息估计单元，时域导频循环利用控制单元，步长自适应单元，时域自适应滤波器，加法器，时域插值单元；根据估计出的信道变化的快慢自动调整时域自适应滤波器的抽头更新步长；估计出时域导频序列的信道响应；利用时域导频循环利用控制单元产生的时域导频序列，和时域自适应滤波器输出的抽头滤波求和运算结果相减得到估计误差，并作为时域自适应滤波器的抽头更新的误差；恢复出当前帧的信道响应值。本发明还公开了一种基于时域导频序列的信道估计方法。本发明可根据信道变化动态调整信道估计自身的参数，达到对信道准确的估计，有效跟踪信道的变化。

Description

基于时域导频序列的信道估计装置及方法

技术领域

本发明涉及一种数字电视接收机使用的信道估计装置，特别是涉及一种基于时域导频序列的信道估计装置；本发明还涉及利用所述装置实现信道估计的方法。

背景技术

数字电视接收机解调出发送信号要求实现三个功能：同步(包括定时恢复和载波跟踪)、信道估计以及信道均衡。定时恢复是使接收机的符号时钟同步于发射机的符号时钟，保证接收机实现最佳的符号时间采样。载波跟踪是把射频/中频的信号频谱搬移到基带，实现基带信号恢复的过程。信道估计是估计出信道的时域或者频域响应，以便信道均衡对接收的信号进行校正和恢复，以获得相干检测的性能增益。

在地面广播信道中，由于信道频率响应特性偏离理想信道特性，存在着回波干扰或称多径干扰。由于数字电视需要传送高速率数据，这使得信道响应变成时变的。在这样恶劣的传输信道上要获得较好的接收性能，必须使用准确的信道估计来进行信道补偿。无论单载波或多载波系统，一般是要借助于一定的导频信号进行信道估计。

美国ATSC 8-VSB单载波系统大都使用判决反馈均衡器(DecisionFeedback Equalizer，DFE)来进行信道估计，消除多径干扰。DFE一般采用最小均方算法，用二进制的时域导频序列来调节滤波器抽头，降低均衡器输出误差，由于DFE反馈输入是不含有噪声的已判决数据，因此它能很好的抵消后向符号间干扰，提高输出端的信噪比。为了达到良好的均衡效果，均衡器往往需要几个百个抽头；复杂的信道均衡器大大增加实现的复杂度和成本；由于DFE的IIR结构，在强多径信道中存在着不稳定的现象；另外DFE对信道的变化比较敏感，跟踪性能不好。

欧洲的DVB-T多载波系统是在OFDM(正交频分复用)频谱中插入导频信号来进行信道估计的。它规定了散布导频和连续导频。连续导频在每个OFDM符号中的位置都是固定的，散布导频的位置在不同OFDM符号中有所不同，但以4个OFDM符号为周期循环。多径衰落信道可以看成是时间和频率上的一个二维信号。进行信道估计时，使用导频信号对信道在时域和频域上进行采样，只要采样频率在时域和频域上满足Nyquist抽样定理，则对采样信号插值就可得到整个信道的频率响应。但该算法进行一次全信道估计需要连续4个OFDM符号，估计时间长，对随时间快速变化的信道的跟踪性能不好，而且由于频域数据中插入了大量的导频，降低了频谱利用率。

综上所述，如何设计一个快速、准确的信道估计装置，尤其是能够跟踪信道快速变化的信道估计装置是一个有待解决的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于时域导频序列的信道估计装置，能够根据信道的变化动态调整自身的参数，从而达到对信道准确的估计，并有效的跟踪信道的快速变化；为此，本发明还要提供一种利用该信道估计装置进行信道估计的方法。

为解决上述技术问题，本发明的基于时域导频序列的信道估计装置，包括：

分离器，用于从均衡前的数据中分离出时域导频序列；

信道信息估计单元，与时域导频循环利用控制单元、步长自适应单元、时域自适应滤波器和时域插值单元相连接，利用均衡前的数据估计出信道变化的快慢以及初始的信道响应；

时域导频循环利用控制单元，其输入端分别与分离器的输出端，信道信息估计单元的输出端相连接，根据分离出的时域导频序列产生出时域导频序列，并根据估计出的信道变化的快慢调整时域导频序列循环利用的次数；

步长自适应单元，其输入端与信道信息估计单元相连接，根据估计出的信道变化的快慢自动调整时域自适应滤波器的抽头更新步长；

本地时域导频序列产生单元，其输出端与时域自适应滤波器相连接，用于产生本地时域导频序列信号；

时域自适应滤波器，其输入端分别与本地时域导频序列产生单元、信道信息估计单元、步长自适应单元和加法器相连接，用于产生抽头滤波求和运算结果，估计出时域导频序列的信道响应；

加法器，其输入端分别与时域导频循环利用控制单元，时域自适应滤波器相连接，利用时域导频循环利用控制单元产生的时域导频序列，和时域自适应滤波器输出的抽头滤波求和运算结果相减得到估计误差，并作为时域自适应滤波器的抽头更新的误差；

时域插值单元，其输入端与信道信息估计单元，时域自适应滤波器相连接，用于恢复出当前帧的信道响应值。

本发明的基于时域导频序列的信道估计方法，包括如下步骤：

步骤一、从均衡前的数据中估计出信道变化的快慢以及初始的信道响应；

步骤二、从均衡前的数据中分离出时域导频序列；根据信道变化的快慢控制时域导频序列循环利用的次数；根据信道变化的快慢自动调整时域自适应滤波器的抽头更新步长；

步骤三、将时域导频序列和抽头滤波求和运算结果进行相减得到估计误差，并作为抽头更新的误差；

步骤四、利用估计出的初始的信道响应对其抽头系数进行初始化；利用调整后的抽头更新的步长和抽头更新的误差进行相乘，相乘的结果与延时后的本地时域导频序列进行运算，产生抽头更新的更新量对抽头进行更新；

步骤五、选择出无效抽头并对无效抽头进行清零处理，然后计算得到时域导频序列的信道响应的估计值；选择出有效抽头，并将该有效抽头与延时后的本地时域导频序列进行抽头滤波求和运算，该抽头滤波求和运算的结果用于和时域导频序列进行计算，作为新的抽头更新的误差；

步骤六、对时域导频序列的信道响应的估计值进行时域插值，并根据信道变化的快慢调整插值参数，恢复出当前帧的信道响应值。

本发明的基于时域导频序列的信道估计装置可有效的控制信道估计处理。本发明对时域导频序列进行循环利用，并根据估计信道变化的快慢调整时域导频序列循环利用的次数，在信道变化慢时使用较少循环次数的时域导频序列，在信道变化快时多次的循环利用时域导频序列，以便时域自适应滤波器能够充分的估计出时域导频序列的信道响应。因此本发明能够根据信道的变化动态调整自身的参数，从而达到对信道准确的估计，并有效的跟踪信道的快速变化。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1是本发明的基于时域导频序列的信道估计装置结构框图；

图2是均衡前的数据帧结构示意图；

图3是图1中时域导频循环利用控制单元的结构框图；

图4是对时域导频序列进行循环利用的示意图；

图5是图1中步长自适应单元的结构框图；

图6是图1中时域自适应滤波器的结构框图；

图7是图1中时域插值单元的结构框图；

具体实施方式

参见图1所示，本发明的基于时域导频序列的信道估计装置包括：

分离器10，其输入的是均衡前的数据，其输出端与时域导频循环利用控制单元20相连接，用于从均衡前的数据中分离出时域导频序列。

信道信息估计单元30，其输入的是均衡前的数据，与时域导频循环利用控制单元20、步长自适应单元40、时域自适应滤波器60、时域插值单元80相连接，利用均衡前的数据估计出信道变化的快慢以及初始的信道响应。

时域导频循环利用控制单元20，其一个输入端与分离器10的输出端相连接，另一个输入端与信道信息估计单元30的输出端相连接，根据分离器10分离出的时域导频序列产生出时域导频序列，并根据信道信息估计单元30估计出的信道变化的快慢调整时域导频序列循环利用的次数。

步长自适应单元40，其输入端与信道信息估计单元30相连接，其输出端与时域自适应滤波器60相连接，根据信道信息估计单元30估计出的信道变化的快慢自动调整时域自适应滤波器60的抽头更新步长。

本地时域导频序列产生单元50，其输出端与时域自适应滤波器60相连接，用于产生本地时域导频序列信号。

时域自适应滤波器60，其输入端分别与本地时域导频序列产生单元50、信道信息估计单元30、步长自适应单元40、加法器70相连接，其输出端分别与加法器70和时域插值单元80相连接，用于产生抽头滤波求和运算结果，估计出时域导频序列的信道响应。

加法器70，其一个输入端与时域导频循环利用控制单元20相连接，另一个输入端与时域自适应滤波器60相连接，其输出端与时域自适应滤波器60相连接，利用时域导频循环利用控制单元20产生的时域导频序列，和时域自适应滤波器60输出的抽头滤波求和运算结果相减得到估计误差，并作为时域自适应滤波器60的抽头更新的误差。

时域插值单元80，其一个输入端与信道信息估计单元30相连接，另一个输入端与时域自适应滤波器60相连接，用于恢复出当前帧的信道响应值。

所述均衡前的数据具有如图2所示的帧结构。它包括帧头和帧体两个部分，帧头部分为时域导频已知序列，帧体部分为数据块，该数据块可以是OFDM数据块也可以是非OFDM数据块。

时域自适应滤波器60的抽头滤波求和运算的结果可用公式表示为，

${\hat{r}}_p(k,j)=\underset{i=1}{\overset{I}{\mathrm{\Σ}}}w(i,k,j)*p(k-i)$ (公式1)

其中i为抽头位置，i＝1，2，…I，j为时域导频序列循环利用次数，j＝1，2，…J，k为信号的采样时刻。

而抽头系数为，

w(i，k+1，j)＝w(i，k，j)+μ(k，j)*e(k，j)*p(k-i)    (公式2)

其中，μ(k，j)为第j次时域导频序列循环利用，第k采样时刻的自适应步长；e(k，j)为第j次时域导频序列循环利用，第k采样时刻的误差量。

抽头更新的误差为，

$e(k,j)=r_p(k,j)-{\hat{r}}_p(k,j)$ (公式3)

从上述公式可以看出，时域自适应滤波器60估计出的时域导频序列的信道响应为 ${\hat{h}}_p=w(i,k,j)$ 。

所述时域导频循环利用控制单元20的结构如图3所示，包括：

不同信道对应的最佳时域导频序列循环利用次数单元200，其输入端与信道信息估计单元30的输出端相连接，利用信道信息估计单元30估计出的信道变化的快慢调整得到最佳的时域导频序列循环利用次数J并将其输出至对时域导频序列循环利用单元210。

对时域导频序列循环利用单元210，其输入端与分离器10，不同信道对应的最佳时域导频序列循环利用次数单元200相连接，根据最佳的时域导频序列循环利用次数J，对分离器10输出的时域导频序列进行循环利用。

所述根据估计出的信道变化的快慢调整时域导频序列循环利用的次数是指，在信道变化慢时减少时域导频序列循环利用的次数，在信道变化快时增加时域导频序列循环利用的次数，以便时域自适应滤波器60能够充分的估计出时域导频序列的信道响应。

对时域导频序列进行循环利用的过程如图4所示。根据不同信道对应的最佳时域导频序列循环利用次数单元200输出的最佳的时域导频序列循环利用次数J对时域导频序列进行J次循环利用。用公式可以表示为：

r_p(k，j)＝r_p(k)                (公式4)

其中r_p(k)为接收到的本地时域导频序列，r_p(k，j)表示对r_p(k)的j次循环利用，j为循环利用次数，j＝1，2，…J，k为信号的采样时刻。

所述步长自适应单元40的结构如图5所示。包括：

不同信道对应的最佳步长增益单元400，与信道信息估计单元30的输出端相连接，用于获得最佳抽头更新步长增益。

步长基值单元410，用于产生抽头更新步长的基准值。

乘法器420，其输入端分别与不同信道对应的最佳步长增益单元400和步长基值单元410相连接，将抽头更新步长的基准值和最佳抽头更新步长增益相乘，得到时域自适应滤波器60的抽头更新步长。

所述步长自适应单元40，在信道变化慢时减小时域自适应滤波器60的抽头更新步长，在信道变化快时增大时域自适应滤波器60的抽头更新步长，以便时域自适应滤波器60精确跟踪慢变信道以及快速跟踪快变信道的变化。

所述时域自适应滤波器60的结构如图6所示，包括：

时间延时线单元600，其输入端与本地时域导频序列产生单元50的输出端相连接，用于延时存储从外部输入的本地时域导频序列。

第二乘法器610，其输入端分别与加法器70和步长自适应单元40的输出端相连接，用于完成外部输入的抽头更新步长和抽头更新的误差的相乘运算。

抽头更新单元620，其输入端分别与信道信息估计单元30、第二乘法器610、时间延时线单元600、噪声抽头估计单元640相连接，根据噪声抽头估计单元640输出的无效抽头信号对抽头更新单元620中的无效抽头进行清零处理，然后计算得到时域导频序列的信道响应的估计值

。

抽头滤波求和单元630，其输入端分别与时间延时线单元600、抽头更新单元620、噪声抽头估计单元640相连接，在噪声抽头估计单元640输出的有效抽头信号的控制下选择出有效抽头，并将该有效抽头与时间延时线单元600输出的本地时域导频序列进行抽头滤波求和运算得到抽头滤波求和运算的结果。

噪声抽头估计单元640，其输入端与抽头更新单元620相连接，根据抽头更新单元620输出的抽头更新量w，估计出有效抽头信号和无效抽头信号，以便消除有噪声抽头的影响。

时域自适应滤波器60利用信道信息估计单元30估计出的初始的信道响应w₀对抽头更新单元620的抽头系数进行初始化，以便时域自适应滤波器60快速收敛并跟踪时域导频序列的信道响应的变化。

将步长自适应单元40调整后输出的抽头更新的步长μ(k，j)，加法器70输出的抽头更新的误差e(k，j)由第二乘法器610相乘，相乘运算的结果输入到抽头更新单元620。抽头更新单元620对输入的第二乘法器610相乘运算的结果和时间延时线单元600输出的本地时域导频序列进行运算，产生抽头更新的更新量w对抽头更新单元620的抽头进行更新。

所述时域自适应滤波器60的抽头进行去噪处理，具体方法如下：

1、估计出时域自适应滤波器60的抽头中有噪声的抽头，并将有噪声的抽头标记为无效抽头，没有噪声的抽头标记为有效抽头；

2、只有有效抽头参与抽头滤波求和运算，并对无效抽头进行清零处理，以便估计出时域导频序列的信道响应。

所述时域插值单元80的结构如图7所示，对时域自适应滤波器60输出的时域导频序列的信道响应的估计值

进行时域插值，并根据信道信息估计单元30输出的信道变化的快慢调整插值参数，恢复出当前帧的信道响应值

。它包括：

不同信道对应最佳插值增益单元800，其输入端与信道信息估计单元30的输出端相连接，根据估计出的信道变化的快慢产生插值增益α。在信道变化快时，增大插值增益α；在信道变化慢时，降低插值增益。

延时一帧单元820，其输入端与时域自适应滤波器60的输出端相连接，对时域导频序列的信道响应的估计值

延时一帧长度。

第二加法器810，其输入端分别与不同信道对应最佳插值增益单元800的输出端，常数“1”相连接，得到上一帧时域导频序列信道响应的估计值的加权系数1-α。

第三乘法器830，其输入端分别与时域自适应滤波器60的输出端，不同信道对应的最佳插值增益单元800相连接，将时域导频序列的信道响应的估计值

和插值增益α进行相乘运算。

第四乘法器840，其输入端分别与第二加法器810，延时一帧单元820的输出端相连接，将上一帧的时域导频序列的信道响应的估计值

和加权系数1-α进行相乘运算。

第三加法器850，其输入端分别与第三乘法器830，第四乘法器840相连接，恢复出当前帧的信道响应值

。

时域插值过程可以用公式表示为：

$\hat{h}={\hat{h}}_p*\mathrm{\α}+{\hat{h}}_p(-1)*(1-\mathrm{\α})$ (公式5)

其中，

、

分别为当前帧与上一帧时域导频序列的信道响应的估计值，

为当前帧信道响应的估计值，α为插值增益，它由不同信道对应的最佳插值增益单元800根据信道信息估计单元30输出的信道变化的快慢确定。

以上通过具体实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于时域导频序列的信道估计装置，其特征在于，包括：

分离器，用于从均衡前的数据中分离出时域导频序列；

信道信息估计单元，与时域导频循环利用控制单元、步长自适应单元、时域自适应滤波器和时域插值单元相连接，利用均衡前的数据估计出信道变化的快慢以及初始的信道响应；

时域导频循环利用控制单元，其输入端分别与分离器的输出端，信道信息估计单元的输出端相连接，根据分离出的时域导频序列产生出时域导频序列，并根据估计出的信道变化的快慢调整时域导频序列循环利用的次数；

步长自适应单元，其输入端与信道信息估计单元相连接，根据估计出的信道变化的快慢自动调整时域自适应滤波器的抽头更新步长；

本地时域导频序列产生单元，其输出端与时域自适应滤波器相连接，用于产生本地时域导频序列信号；

时域自适应滤波器，其输入端分别与本地时域导频序列产生单元、信道信息估计单元、步长自适应单元和加法器相连接，用于产生抽头滤波求和运算结果，估计出时域导频序列的信道响应；

加法器，其输入端分别与时域导频循环利用控制单元，时域自适应滤波器相连接，利用时域导频循环利用控制单元产生的时域导频序列，和时域自适应滤波器输出的抽头滤波求和运算结果相减得到估计误差，并作为时域自适应滤波器的抽头更新的误差；

时域插值单元，其输入端与信道信息估计单元，时域自适应滤波器相连接，用于恢复出当前帧的信道响应值。

2.根据权利要求1所述的基于时域导频序列的信道估计装置，其特征在于：所述时域导频循环利用控制单元，包括：

不同信道对应的最佳时域导频序列循环利用次数单元，其输入端与信道信息估计单元的输出端相连接，利用估计出的信道变化的快慢调整得到最佳的时域导频序列循环利用次数并将其输出至对时域导频序列循环利用单元；

对时域导频序列循环利用单元，其输入端与分离器，不同信道对应的最佳时域导频序列循环利用次数单元相连接，根据最佳的时域导频序列循环利用次数，对分离器输出的时域导频序列进行循环利用。

3.根据权利要求1或2所述的基于时域导频序列的信道估计装置，其特征在于：所述根据估计出的信道变化的快慢调整时域导频序列循环利用的次数是指，在信道变化慢时减少时域导频序列循环利用的次数，在信道变化快时增加时域导频序列循环利用的次数，以便时域自适应滤波器能够充分的估计出时域导频序列的信道响应。

4.根据权利要求1所述的基于时域导频序列的信道估计装置，其特征在于：所述步长自适应单元，包括：

不同信道对应的最佳步长增益单元，与信道信息估计单元的输出端相连接，用于获得最佳抽头更新步长增益；

步长基值单元，用于产生抽头更新步长的基准值；

乘法器，其输入端分别与不同信道对应的最佳步长增益单元和步长基值单元相连接，将抽头更新步长的基准值和最佳抽头更新步长增益相乘，得到时域自适应滤波器的抽头更新步长。

5.根据权利要求1或4所述的基于时域导频序列的信道估计装置，其特征在于：所述步长自适应单元，在信道变化慢时减小时域自适应滤波器的抽头更新步长，在信道变化快时增大时域自适应滤波器的抽头更新步长，以便时域自适应滤波器精确跟踪慢变信道以及快速跟踪快变信道的变化。

6.根据权利要求1所述的基于时域导频序列的信道估计装置，其特征在于：所述时域自适应滤波器，包括：

时间延时线单元，其输入端与本地时域导频序列产生单元的输出端相连接，用于延时存储从外部输入的本地时域导频序列；

第二乘法器，其输入端分别与加法器和步长自适应单元的输出端相连接，用于完成外部输入的抽头更新步长和抽头更新的误差的相乘运算；

抽头更新单元，其输入端分别与信道信息估计单元、第二乘法器、时间延时线单元、噪声抽头估计单元相连接，根据噪声抽头估计单元输出的无效抽头信号对抽头更新单元中的无效抽头进行清零处理，然后计算得到时域导频序列的信道响应的估计值；

抽头滤波求和单元，其输入端分别与时间延时线单元、抽头更新单元、噪声抽头估计单元相连接，在噪声抽头估计单元输出的有效抽头信号的控制下选择出有效抽头，并将该有效抽头与时间延时线单元输出的本地时域导频序列进行抽头滤波求和运算得到抽头滤波求和运算的结果；

噪声抽头估计单元，其输入端与抽头更新单元相连接，根据抽头更新单元输出的抽头更新量，估计出有效抽头信号和无效抽头信号，以便消除有噪声抽头的影响。

7.根据权利要求1或6所述的基于时域导频序列的信道估计装置，其特征在于：所述时域自适应滤波器利用信道信息估计单元估计出的初始的信道响应对抽头系数进行初始化，以便时域自适应滤波器快速收敛并跟踪时域导频序列的信道响应的变化。

8.根据权利要求1所述的基于时域导频序列的信道估计装置，其特征在于：所述时域自适应滤波器的抽头进行去噪处理，具体过程如下：

估计出时域自适应滤波器的抽头中有噪声的抽头，并将有噪声的抽头标记为无效抽头，没有噪声的抽头标记为有效抽头；

只有有效抽头参与抽头滤波求和运算，并对无效抽头进行清零处理，以便估计出时域导频序列的信道响应。

9.根据权利要求1所述的基于时域导频序列的信道估计装置，其特征在于：所述时域插值单元对时域自适应滤波器输出的时域导频序列的信道响应的估计值进行时域插值，并根据信道信息估计单元输出的信道变化的快慢调整插值参数，恢复出当前帧的信道响应值。

10.一种基于时域导频序列的信道估计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、从均衡前的数据中估计出信道变化的快慢以及初始的信道响应；

步骤二、从均衡前的数据中分离出时域导频序列；根据信道变化的快慢控制时域导频序列循环利用的次数；根据信道变化的快慢自动调整时域自适应滤波器的抽头更新步长；

步骤三、将时域导频序列和抽头滤波求和运算结果进行相减得到估计误差，并作为抽头更新的误差；

抽头滤波求和运算的结果用公式表示为，

${\hat{r}}_p(k,j)=\underset{i=1}{\overset{I}{\∑}}w(i,k,j)*p(k-i)$

其中i为抽头位置，i＝1，2，…I，j为时域导频序列循环利用次数，j＝1，2，…J，k为信号的采样时刻；

而抽头系数为，

w(i，k+1，j)＝w(i，k，j)+μ(k，j)*e(k，j)*p(k-i)

其中，μ(k，j)为第j次时域导频序列循环利用，第k采样时刻的自适应步长；e(k，j)为第j次时域导频序列循环利用，第k采样时刻的误差量；

抽头更新的误差为，

$e(k,j)=r_p(k,j)-{\hat{r}}_p(k,j)$

从上述公式能得出，估计出的时域导频序列的信道响应为

步骤四、利用估计出的初始的信道响应对其抽头系数进行初始化；利用调整后的抽头更新的步长和抽头更新的误差进行相乘，相乘的结果与延时后的本地时域导频序列进行运算，产生抽头更新的更新量对抽头进行更新；

步骤五、选择出无效抽头并对无效抽头进行清零处理，然后计算得到时域导频序列的信道响应的估计值；选择出有效抽头，并将该有效抽头与延时后的本地时域导频序列进行抽头滤波求和运算，该抽头滤波求和运算的结果用于和时域导频序列进行计算，作为下一次循环抽头更新的误差；

步骤六、对时域导频序列的信道响应的估计值进行时域插值，并根据信道变化的快慢调整插值参数，恢复出当前帧的信道响应值。

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