CN102098257B - 多载波频域信道响应估计装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多载波频域信道响应估计装置，包括：数据预处理模块，通过位置存储器得到频域信号帧中的冗余数据位置，并通过相应位置上接收的数据以及已知冗余数据计算该位置的信道响应结果，将得到的冗余数据位置的信道响应结果送入频域信道响应估计模块；频域信道响应估计模块，进行边沿冗余数据预测拓展，根据预测拓展的结果和频域信号帧内的冗余数据位置上的信道响应拼接后的序列，使用内插滤波估计出频域所有数据位置上的信道响应结果；数据缓存模块，将接收的数据延迟到和频域信道响应同步。本发明还公开了一种多载波频域信道响应估计方法。本发明既能保证较小的存储单元开销，又能得到性能良好的信道估计结果。

Description

多载波频域信道响应估计装置及方法

技术领域

本发明涉及数字信息传输领域，特别是涉及一种多载波移动多媒体广播系统的多载波频域信道响应估计装置。本发明还涉及一种多载波频域信道响应估计方法。

背景技术

CMMB(China Mobile Multimedia Broadcasting，中国数字移动多媒体广播系统)是中国国家广电总局于2006年10月颁布的中国移动多媒体广播行业标准，该标准于2006年11月1日起正式实施。CMMB是一种基于多载波OFDM技术的无线广播系统，采用先进的信道纠错编码和多载波OFDM(正交频分复用)调制技术，提高了抗干扰能力和对移动性的支持；采用时隙发射方式来降低终端的功耗。依据CMMB网络覆盖的设想，CMMB信号由S波段卫星覆盖网络和U波段地面覆盖网络实现信号覆盖。S波段卫星网络广播信道用于直接接收，Ku波段上行，S波段下行；分发信道用于地面增补转发接收，Ku波段上行，Ku波段下行，由地面增补网络转发器转为S波段发送到CMMB终端。为实现城市人口密集区域移动多媒体广播电视信号的有效覆盖，采用U波段地面无线发射构建城市U波段地面覆盖网络。

信号的地面无线传送阶段，由于地面无线传输环境比较恶劣，会对传输信号产生复杂的信号畸变，在接收端必须采用一定的信号处理方法进行数据恢复。基于OFDM技术，CMMB系统本身可以减少信号无线传输过程中的频率选择性干扰，但是由于系统中包含传输速率较高的多电平调制方式，为了得到性能较好的传输质量，CMMB接收端需要采用相干解调方式恢复信号。相干解调方式将带来3dB的信号增益，虽然实现复杂度较之非相干解调高，但是将明显提高信号接收质量。因此，在CMMB系统中，信道估计部分是影响系统接收性能的一个关键模块。

依据CMMB标准，系统在频域信号帧中按照标准规定的分布图样插入了若干个冗余数据，这些冗余数据对于CMMB系统的收发两端都是已知的，根据这些已知的冗余数据在传输过程中幅度和相位的畸变，可以用来进行接收端的信号同步、信道响应估计等处理，得到相应的信道传输误差。

基于频域冗余数据的CMMB系统，信道响应估计可以使用频域内插滤波技术来实现信道响应的估计。由于数据帧头尾端的数据截断效应，CMMB信号的一帧数据中的开头端和结尾端必须使用和中间数据部分不同的滤波器系数进行滤波处理。然而，这种分段的系数计算方法伴随子载波个数的增加，硬件实现时将占用较多的存储单元。如果简单的将头尾两端的滤波器弱化为低阶数的滤波器，将会降低信道响应内插计算的精确度和信道估计的性能。如何既保证较低的硬件资源占用，又保证信道估计性能是一个需要解决的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种多载波频域信道响应估计装置，既能保证较小的存储单元开销，又能得到性能良好的信道估计结果；为此，本发明还要提供一种多载波频域信道响应估计方法。

为解决上述技术问题，本发明的多载波频域信道响应估计装置，包括：

数据预处理模块，通过位置存储器得到频域信号帧中的冗余数据位置，并通过相应位置上接收的数据以及已知冗余数据计算该位置的信道响应结果，将得到的冗余数据位置的信道响应结果送入频域信道响应估计模块；

频域信道响应估计模块，进行边沿冗余数据预测拓展，根据预测拓展的结果和频域信号帧内的冗余数据位置上的信道响应拼接后的序列，使用内插滤波估计出频域所有数据位置上的信道响应结果；

数据缓存模块，将接收的数据延迟到和频域信道响应同步。

本发明的多载波频域信道响应估计方法，包括如下步骤：

步骤一，提取接收的频域信号帧中的冗余数据的位置，计算相应位置的信道响应结果；

步骤二，提取频域信号帧高频和低频两侧端处的各N个冗余数据位置的信道响应结果，通过线性计算，得到频域信号帧两侧端的虚拟冗余数据位置的信道响应预测结果；其中，N为大于1的整数；

步骤三、将冗余数据位置的信道响应估计结果与频域信号帧的主体部分的冗余数据序列进行拼接处理；

步骤四，对于频域信号帧的高频端，主体部分和低频端三部分的数据位置使用相同阶数的内插滤波器进行内插滤波，计算出接收的频域信号帧所有数据位置的信道响应结果。

所述的频域信号帧体使用多载波调制方式。所述多载波调制方式为符合CMMB标准的多载波信号帧符号。

通过研究无线传输信道的衰落特性，本发明提供了一种基于频域边沿冗余数据预测的，采用频域内插滤波的CMMB频域信道响应估计装置及方法。基于频域信号帧中边沿冗余数据的信道响应结果，通过对频域信号帧两侧端的信道响应的预测延拓，得到拓展的虚拟冗余数据位置的信道响应结果，基于拓展后的虚拟冗余数据位置的信道响应和频域信号帧内的冗余数据位置的信道响应拼接后的序列，接收装置不需要弱化频域信号帧边沿的内插滤波器，对频域信号帧内所有的数据位置使用相同阶数的内插滤波器进行处理，即可得到数据帧内所有数据位置的信道响应结果。采用本发明的信道响应估计装置及方法，不但保证了较小的存储单元开销，而且可以得到性能良好的信道估计结果；有效解决了现有技术所存在的：采用分段计算滤波器系数的方法存储单元开销太大；采用头尾两端滤波器弱化为低阶滤波器的方法会降低系统性能的问题。本发明兼具低存储单元使用量和高估计精确度的双重特点。

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是符合CMMB标准的信号接收装置结构示意图；

图2是本发明的信道估计模块结构一实施例示意图；

图3是本发明的频域信道响应估计模块一实施例结构示意图；

图4是本发明的方法一实施例控制流程图；

图5是CMMB标准的频域冗余数据分布图样；

图6是频域信号帧边沿冗余数据预测示意图；

图7是进行频域边沿数据预测后，非降阶数的频域数据信道响应内插滤波处理示意图。

具体实施方式

为了在接收端对接收信号进行恢复，CMMB频域信号帧中插入了收发两端都已知的若干冗余数据。这些冗余数据可以帮助接收端进行信号同步和信道响应估计等处理。根据冗余数据位置上的接收数据以及对应位置上已知的发射数据，可以计算出冗余数据位置上的信道响应，再通过内插滤波器即可得到所有频域数据位置的信道响应结果。

参见图1，这是一个符合CMMB标准的信号接收装置，基于数据内插滤波进行信道响应估计。接收到的射频模拟信号首先进入一个解调模块100，数据解调后产生一个基带复数信号，包括一个实部和一个虚部；所述基带复数信号进入一个快速傅立叶变换模块200，将接收数据从时域变换为频域；变换后的频域数据进入解扰模块300进行数据解扰运算；解扰之后的数据进入信道估计模块400，估计信号在无线信道传输过程中的信道响应，与此同时，频域数据延时保持和信道响应估计结果的同步，之后频域数据和信道响应估计结果进入信道解码模块500，进行信道解码处理。根据图1可以看出，由于冗余数据在频域插入信号帧中，基于频域冗余数据内插的信道估计在CMMB接收机中处于快速傅立叶变换之后。

参见图2所示，在本发明的一实施例中，所述信道估计模块400包括：数据预处理模块410，数据缓存模块430和频域信道响应估计模块420。数据预处理模块410通过位置存储器得到频域信号帧中的冗余数据位置，并通过相应位置上接收的数据以及已知冗余数据计算该位置的信道响应结果，最后将得到的冗余数据位置的信道响应结果送入频域信道响应估计模块420中。频域信道响应估计模块420进行边沿冗余数据预测拓展，然后根据预测拓展的结果和频域信号帧内的冗余数据位置上的信道响应拼接后的序列，使用内插滤波的方法估计出频域所有数据位置上的信道响应结果。数据缓存模块430缓存数据，将数据延迟到和频域信道响应同步。

结合图3所示，在本发明的一实施例中，所述频域信道响应估计模块420包括：边沿冗余数据提取模块421，线性运算单元422，线性预测长度控制器423，冗余数据拼接模块424，内插滤波器425。边沿冗余数据提取模块421在输入的冗余数据序列中提取出开头端(高频端)和结尾端(低频端)的各N(N为大于1的整数)个冗余数据位置的信道响应值，再送入线性运算单元422。由于在较小的频域间隔内，信道响应的曲线可以简化为线性变化，使用线性运算进行虚拟冗余数据位置的信道响应结果的预测，根据提取出的N个冗余数据值，进行线性运算，得到的结果即为频域信号帧两侧端的虚拟冗余数据位置的信道响应估计结果。即频域信号帧两侧端的虚拟冗余数据位置的信道响应结果的预测值可以用下式表示，

${\tilde{p}}_k=(p_1+...p_n)/N$ n＝1，2，...，N

其中，k为得到的预测值个数，由线性预测长度控制器423控制，p_n为预处理后得到的当前频域数据帧内的冗余数据位置的信道响应结果。

向频域信号帧两侧端进行的线性预测的数据长度由线性预测长度控制器423控制，它根据系统中使用的内插滤波器的阶数确定数据预测长度，产生相应长度的使能信号控制线性预测数据的个数。经过线性预测长度控制器423处理后的冗余数据位置的信道响应序列，在与主体部分的冗余数据序列拼接处理后，进入内插滤波器425进行内插滤波，得到所有数据位置上的信道响应结果csi_k，

${\mathrm{csi}}_k=\underset{l=1}{\overset{n=k/8+4}{\underset{n=k/8-3}{\overset{l=8}{\mathrm{\Σ}}}}}(p_n*{\mathrm{coef}}_l)$ k＝0，1，2，...，K

其中，k为数据的序号，K为一个频域数据帧中的数据个数，coef_i为滤波器系数。在该实施例中采用了8阶内插滤波器，当然还可以使用其它阶数的滤波器。

图4是基于频域边沿数据预测的信道响应估计一实施例控制流程图，包括如下步骤：基于频域边沿数据预测进行信道响应估计

步骤一，对冗余数据标记信号进行控制，即提取接收的频域信号帧中的冗余数据的位置，计算相应位置的信道响应结果。

步骤二，提取频域信号帧两边沿端(高频和低频)的各两个冗余数据位置的信道响应结果。

步骤三，通过线性计算得到频域信号帧两侧端的虚拟冗余数据位置的信道响应预测结果。

步骤四，由线性预测长度控制器根据内插滤波器的阶数确定是否达到预测的信道响应结果的长度；如果未达到预测的信道响应结果的长度，则返回步骤三；如果达到预测的信道响应结果的长度则执行步骤五。

步骤五，由内插滤波器对于频域信号帧的开头端，主体和结尾端三部分的数据位置使用相同阶数进行内插滤波处理，计算出接收的频域信号帧所有数据位置的信道响应结果。

图5是CMMB标准的频域冗余数据分布图样；其中，黑点为频域信号帧内的冗余数据位置，白点为频域信号帧内的数据位置。

图6是进行频域信号帧边沿冗余数据预测的示意图，其中，带斜线的圆点为预测得到的频域信号帧两端侧的虚拟冗余数据位置。序号为1的黑点为频域信号帧边沿的第一个冗余数据位置，以此类推。

图7是进行频域边沿数据预测后，非降阶数的频域数据信道响应内插滤波处理示意图。由预测得到的频域信号帧两端侧的虚拟冗余数据位置的数据和频域信号帧边沿的实际冗余数据位置的数据与相应的滤波器系数进行乘加运算后得到第m帧第n个数据的信道响应结果。

在本发明上述实施例中，由于接收的频域信号在信道响应滤波估计之前，经过了边沿数据预测处理，在信号帧两端侧进行内插处理时，不需要降低滤波器阶数，所以经过内插滤波器之后，可以得到精确度更好的信道响应估计结果。

在本发明上述实施例中，由于有了边沿数据预测处理，信号帧两端的内插滤波处理和信号帧中间部分的处理相同，不需要在边沿处理时使用特殊的滤波器系数和滤波器结构，所以其硬件实现资源得到节约。例如使用8阶的内插滤波器进行CMMB信道响应估计中的频域内插处理，冗余数据间隔为8，数据内插时使用当前位置之前和之后的各4个冗余数据。频域信号帧的开头端，主体部分和结尾端三部分所需要的滤波器系数的组数为：9*3+9*1+9*3＝9*7＝63；经过边沿处理后，由于开头端，主体部分和结尾端三部分的内插滤波器结构完全一样，所以需要的滤波器系数的组数为：9*1＝9。这样，用于滤波器系数的存储单元明显减少。

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 (7)

1.一种多载波频域信道响应估计装置，其特征在于，包括：

数据预处理模块，通过位置存储器得到频域信号帧中的冗余数据位置，并通过相应位置上接收的数据以及已知冗余数据计算该位置的信道响应结果，将得到的冗余数据位置的信道响应结果送入频域信道响应估计模块；

频域信道响应估计模块，进行边沿冗余数据预测拓展，根据预测拓展的结果和频域信号帧内的主体部分的冗余数据位置上的信道响应拼接后的序列，对频域信号帧的高频端，主体部分和低频端的数据位置使用相同阶数内插滤波估计出频域所有数据位置上的信道响应结果；

数据缓存模块，将接收的数据延迟到和频域信道响应同步。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述频域信道响应估计模块包括：

边沿冗余数据提取模块，在输入的冗余数据序列中提取出高频和低频两端处的各N个冗余数据位置的信道响应值，并送入线性运算单元，其中，N为大于1的整数；

线性运算单元，根据提取出的N个冗余数据位置的信道响应值，进行线性运算，得到频域信号帧两侧端的虚拟冗余数据位置的信道响应估计结果；

冗余数据拼接模块，将冗余数据位置的信道响应估计结果与频域信号帧的主体部分的冗余数据序列进行拼接处理；

内插滤波器，对冗余数据拼接模块输出的拼接结果进行内插滤波，得到所有数据位置上的信道响应结果。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，还包括：线性预测长度控制器，根据系统中使用的内插滤波器的阶数确定数据预测长度，产生相应长度的使能信号控制线性预测数据的个数。

4.一种多载波频域信道响应估计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，提取接收的频域信号帧中的冗余数据的位置，计算相应位置的信道响应结果；

步骤二，提取频域信号帧高频和低频两侧端处的各N个冗余数据位置的信道响应结果，通过线性计算，得到频域信号帧两侧端的虚拟冗余数据位置的信道响应预测结果；其中，N为大于1的整数；

步骤三、将冗余数据位置的信道响应预测结果与频域信号帧的主体部分的冗余数据序列进行拼接处理；

步骤四，对于频域信号帧的高频端，主体部分和低频端三部分的数据位置使用相同阶数的内插滤波器进行内插滤波，计算出接收的频域信号帧所有数据位置的信道响应结果。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述的频域信号帧体使用多载波调制方式。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述多载波调制方式为符合CMMB标准的多载波信号帧符号。

7.根据权利要求4-6任一所述的方法，其特征在于：预测的信道响应结果的长度由线性预测长度控制器根据内插滤波器的阶数来确定。