CN102377701A

CN102377701A - 基于循环相关的信道估计方法及系统

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Publication number: CN102377701A
Application number: CN2010102595117A
Authority: CN
Inventors: 张超; 王昭诚; 王劲涛; 王军
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2010-08-20
Filing date: 2010-08-20
Publication date: 2012-03-14
Anticipated expiration: 2030-08-20
Also published as: CN102377701B

Abstract

本发明涉及一种基于循环相关的信道估计方法及系统，该方法包括步骤：S1.对接收信号进行帧同步得到初始位置信息，根据所述初始位置信息选取对应的接收信号作为接收训练序列；S2.将所述接收训练序列与本地已知的训练序列进行循环相关运算，得到时域信道冲激响应；S3.根据所述时域信道冲激响应对信道的多径分布进行分析，若需要调整接收训练序列的选取位置，则根据分析结果调整接收训练序列的选取位置，再次选取接收训练序列，并返回执行步骤S2，否则，输出最终信道估计结果。本发明的方法及系统可避免传统TDS-OFDM系统中训练序列与数据符号之间的干扰，提高信道估计的精度，降低了系统复杂度。

Description

基于循环相关的信道估计方法及系统

技术领域

本发明涉及数字信号传输技术领域，尤其涉及一种基于循环相关的信道估计方法及系统。

背景技术

正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplex，OFDM)技术由于其具备优秀的抗多径干扰的能力，目前已经在多种宽带数字信号传输系统中得到了应用，如无线局域网、无线数字音频和视频广播传输标准(Digital Television Terrestrial Broadcasting，DTTB)。欧洲数字视频地面广播(Digital Video Broadcasting-Terrestrial，DVB-T)、第二代DVB-T标准DVB-T2以及中国地面数字电视传输标准(DigitalTelevision Multimedia Broadcast，DTMB)中都采用了OFDM技术。

传统的OFDM系统采用了循环前缀(Cyclic-Prefix，CP)用于对抗多径信道所造成的符号间干扰(Inter-Symbol Interference，ISI)，并且采用频域导频来进行信道估计以及同步参数的提取。如欧洲地面数字电视标准DVB-T系统，其时频二维信号结构如图1所示。其中标记黑色的子载波为传输的频域导频符号。频域导频可分为连续导频和离散导频两种类型。在8K模式的DVB-T系统中共插入了177个连续导频，而2K模式中插入了45个连续导频。离散导频按照每4个OFDM符号重复循环一次的规则分散插入到OFDM频域符号中。连续导频可用于载波和定时等同步参数的提取，而离散导频主要用于频域信道估计，并可通过时频二维插值获得整个频域的信道响应。但是导频符号的插入降低了有效的数据传输带宽和频谱利用率。

中国地面数字电视标准DTMB系统中采用了时域同步正交频分复用技术(Time Domain Synchronous OFDM，TDS-OFDM)，时域训练序列作为保护间隔代替了传统OFDM中的循环前缀，训练序列在接收端还可用于同步和信道估计。DTMB系统的多层复帧结构如图2所示。TDS-OFDM是一项已经公开的技术，公开于名称为“时域同步正交频分复用调制方法”、申请号为01115520.5、公开号为CN1317903A的专利申请中。使用伪随机序列(Pseudorandom Noise，PN)代替OFDM中保护间隔并用于时间同步、频率同步和信道估计也是一项已经公开的技术，公开于名称为“正交频分复用调制系统中保护间隔的填充方法”、申请号为01124144.6、公开号为CN1334655A的专利申请中。特别的，已知训练序列在对抗块间干扰起到保护间隔作用的同时，还可以辅助进行同步、定时恢复、载波恢复、信道估计和噪声估计等。DTMB系统包含三种可选的训练序列长度，分别为PN420、PN595和PN945，均为时域训练序列。

当存在多径干扰时，训练序列会受到前一个信号帧的数据符号的干扰，从而影响信道估计的结果，降低信道估计的准确性。为此需要采用迭代的方法来消除数据符号与训练序列之间的干扰，但这样却提高了系统的实现复杂度。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何避免传统TDS-OFDM系统中训练序列与数据符号之间的干扰，从而提高信道估计的精度，降低系统复杂度。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明提供了一种基于循环相关的信道估计方法，该方法包括步骤：

S1.对接收信号进行帧同步，得到初始位置信息，根据所述初始位置信息选取对应的接收信号作为接收训练序列；

S2.将所述接收训练序列与本地已知的训练序列进行循环相关运算，得到时域信道冲激响应；

S3.根据所述时域信道冲激响应对信道的多径分布进行分析，若需要调整接收训练序列的选取位置，则根据分析结果调整接收训练序列的选取位置，再次选取接收训练序列，并返回执行步骤S2，否则，输出最终信道估计结果。

其中，所述接收训练序列由至少两段相同的已知训练序列构成，且呈块状地连续插入在发送信号中。

其中，步骤S2中的循环相关运算通过时域相关器或频域相关器实现。

其中，通过频域相关器实现所述循环相关运算的方法包括步骤：

S2.1对所述接收训练序列进行离散傅里叶变换，得到频域信号；

S2.2将所述频域信号与本地已知的训练序列在频域进行复数除法；

S2.3对步骤S2.2复数除法得到的结果进行反离散傅里叶变换，得到时域信道冲激响应。

其中，步骤S3中对信道的多径分布进行分析的方法包括步骤：

S3.1根据所述时域信道冲激响应，分别选取最前多径分量和最后多径分量；

S3.2分别根据最前多径分量的位置和最后多径分量的位置，在时域计算接收训练序列与本地已知的训练序列之间的相关值；

S3.3将步骤S3.2得到的两个相关值与设定门限进行比较，若两个相关值均超过设定门限，则不对接收训练序列的选取位置进行调整；若根据最前多径分量的位置得到的相关值小于设定门限，则将接收训练序列的选取位置向后调整；若根据最后多径分量的位置得到的相关值小于设定门限，则将接收训练序列的选取位置向前调整；

S3.4重复执行步骤S3.1-S3.3，直至所述两个相关值均超过设定门限。

其中，根据最前多径分量的位置得到的相关值的设定门限与根据最后多径分量的位置得到的相关值的设定门限不同。

其中，根据最前多径分量的位置得到的相关值的设定门限与根据最后多径分量的位置得到的相关值的设定门限分别为时域信道冲激响应中最前多径分量和最后多径分量的幅度。

其中，在步骤S3.3中，向后调整的调整量为最前多径分量的位置值；向前调整的调整量为接收训练序列长度减去最后多径分量的位置值。

其中，在步骤S2中，将相邻两组连续的接收训练序列分别与本地训练序列进行循环相关运算，之后将两个循环相关的结果在时域进行相加，以相加之后的相关结果作为所述时域信道冲击响应。

本发明还提供了一种基于循环相关的信道估计系统，该系统包括：训练序列选取模块，用于对接收信号进行帧同步得到初始位置信息，根据所述初始位置信息或调整后的选取位置，选取对应的接收信号作为接收训练序列；循环相关模块，用于将所述接收训练序列与本地已知的训练序列进行循环相关运算，得到时域信道冲激响应；信道分布分析模块，用于根据所述时域信道冲激响应对信道的多径分布进行分析，若需要调整接收训练序列的选取位置，则根据分析结果调整接收训练序列的选取位置，再次选取接收训练序列，并输入至循环相关模块，否则，输出最终信道估计结果。

(三)有益效果

由于采用了循环相关的方案，本发明的方法及系统可以获得更高的信道估计精度。当采用频域运算实现循环相关时，可以采用快速傅里叶变换(Fast Fourier Transformation，FFT)和反快速傅里叶变换(Inverse Fast Fourier Transformation，IFFT)，相关器的复杂度可以明显下降。连续的块状训练序列可以避免数据符号对训练序列的干扰，保持了训练序列的循环特性。

附图说明

图1为欧洲DVB-T系统视频二维信号结构图；

图2为DTMB系统的分层信号帧结构图；

图3为依照本发明一种实施方式的基于循环相关的信道估计方法流程图；

图4为接收训练序列位置选取正确的信道估计结果；

图5为接收训练序列位置选取提前的信道估计结果；

图6为接收训练序列位置选取错后的信道估计结果；

图7为依照本发明一种实施方式的基于循环相关的信道估计系统结构图；

图8为依照本发明一种实施方式的基于循环相关的信道估计系统中信道分布分析模块结构图。

具体实施方式

本发明提出的基于循环相关的信道估计方法及系统，结合附图和实施例详细说明如下。

本发明的基于循环相关的信道估计方法及系统，采用了多段连续重复的块状训练序列，提高了信道估计的精度，降低了系统实现复杂度。同时还可保持TDS-OFDM技术已有的优点。

如图3所示，依照本发明一种实施方式的基于循环相关的信道估计方法包括以下步骤：

S1.接收到的信号经过帧同步之后得到初始的位置信息，根据初始位置信息，选取对应的接收信号作为接收训练序列；

S2.将接收训练序列与本地已知的训练序列进行循环相关运算，得到时域信道冲激响应；

或者，为了提高信道分布判断的可靠性，可将相邻两组连续的接收训练序列分别与本地训练序列进行循环相关运算，之后将两个循环相关的结果在时域进行相加，以相加之后的相关结果作为信道分布判断的依据。由于训练序列采用了两组或多组重复发送的方式，因此可根据步骤S1所获得的训练序列初始位置信息对相邻两组训练序列的起始位置做出判断。

步骤S2中的循环相关运算通过时域相关器或频域相关器实现，其中，采用时域的实现方式，即时域横向滤波器的结构来实现，但时域滤波器的实现复杂度高，特别对于较长的序列，或者时域非二值序列，其硬件复杂度会明显提高。为了减小系统复杂度，采用频域结构的循环相关器是一种很有效的实现方式。频域相关器的基本实现原理是时域卷积与频域相乘之间的对应关系。因此，可将接收训练序列通过FFT变换得到频域信号，之后将频域信号与本地已知的训练序列的频域值进行复数除法，再将复数除法的结果通过IFFT变换到时域，从而得到时域冲激响应。具体的，通过频域相关器实现所述循环相关运算的方法包括步骤：

S2.1对接收训练序列进行离散傅里叶变换，得到频域信号；

S2.2将步骤S2.1得到的频域信号与本地已知的训练序列在频域进行复数除法；

S3.1根据时域信道冲激响应，分别选取最前多径分量和最后多径分量；

S3.2分别根据最前多径分量的位置和最后多径分量的位置，在时域通过串行相关器计算接收训练序列与本地已知的训练序列之间的相关值；

S3.4重复执行步骤S3.1-S3.3，直至两个相关值均超过设定门限。

其中，根据最前多径分量的位置得到的相关值的设定门限与根据最后多径分量的位置得到的相关值的设定门限可以不同，特别的可分别选取时域信道冲激响应中最前多径分量和最后多径分量的幅度。

向后调整的调整量为最前多径分量的位置值；向前调整的调整量为接收训练序列长度减去最后多径分量的位置值。

图4-图6分别给出了连续两段训练序列填充情况下，不同接收训练序列选取位置所得到的信道估计结果。信道选取三径模型，包含一个幅度最高的主径、一个前径和一个后径。

如图4所示为接收训练序列选取位置正确情况下的信道估计结果。由于训练序列具有连续重复的块状特性，所以前一个训练序列构成了后一个序列的循环扩展，从而使在多径信道下，后面的训练序列具备循环特性。因此，只要多径最大时延扩展小于训练序列本身的长度，并且选取的训练序列部分只含有训练序列本身，而不包括由于多径扩展所引入的数据符号部分，则通过循环相关运算就可以得到正确的时域冲激响应。图4所示情况符合上述条件。

图5给出了接收训练序列选取位置提前的信道估计结果。此时选取的接收训练序列(两条虚线之间的部分)不但包括训练序列本身，而且包括了部分数据符号。具体到每一条多径分量，即与后径相对应的训练序列选取不完全。此时，由于循环相关的作用，后径分量会被作为前径来出现。因此得到了如图5所示的信道估计结果。此种情况下，需要相应的将训练序列选取位置向后调整。

图6给出了接收训练序列选取位置错后的信道估计结果。与图5类似，选取的接收训练序列中包含了部分数据符号。具体到每条多径分量，与前径相对应的训练序列部分选取不完全。循环相关之后，前径分量会被作为后径来出现。因此得到了如图6所示的信道估计结果。此时需要将训练序列选取位置向前调整。

另外，本发明中所采用的训练序列为时域训练序列或者频域训练序列。

如图7所示，本发明还提供了一种基于循环相关的信道估计系统，接收到的信号经过帧同步之后得到初始的位置信息，根据该初始位置信息通过训练序列选取模块1选取对应的接收信号作为接收训练序列。之后将该接收训练序列与本地已知的训练序列在与训练序列选取模块1相连的循环相关模块2中计算循环相关。循环相关模块2的输出信号输入到与其相连的信道分布分析模块3中。信道分布分析模块3根据循环相关模块2输出的信道冲激响应判断最前多径分量与最后多径分量的位置，并确认最前多径分量与最后多径分量的正确性，从而判断接收训练序列选取位置是否正确。如果选取位置不正确，则根据信道分布分析模块3计算所得的调整量对训练序列选取模块1的选取位置进行调整，直到获得正确的信道估计结果。

循环相关模块2可以采用时域的实现方式，即时域横向滤波器的结构来实现，但时域滤波器的实现复杂度高，特别对于较长的序列，或者时域非二值序列，其硬件复杂度会明显提高。为了减小系统复杂度，采用频域结构的循环相关器是一种很有效的实现方式。频域相关器的基本实现原理是时域卷积与频域相乘之间的对应关系。因此，可将接收到的训练序列通过FFT变换得到频域信号，之后将频域信号与本地已知的训练序列的频域值进行复数除法，再将复数除法的结果通过IFFT变换到时域，从而得到时域冲激响应。

图8具体给出了信道分布分析模块3的实现结构图。根据循环相关模块2输出的信道时域冲激响应，最前多径分量、最后多径分量位置判断模块31首先确定当前信道冲激响应中最前多径分量与最后多径分量的位置。之后，根据最前多径分量与最后多径分量的位置，分别在前径相关器32与后径相关器33中计算接收训练序列与本地训练序列之间的时域相关值。此处的相关器为时域的串行积分累加相关器。将得到的相关结果与设定门限进行比较，从而判断最前多径分量与最后多径分量的正确性。如果最前多径分量相关结果和最后多径分量相关结果均超过设定门限，则不对接收训练序列的选取位置进行调整；如果最前多径分量的相关结果小于设定门限，则将接收训练序列的选取位置向后调整；如果最后多径分量的相关结果小于设定门限，则将接收训练序列的选取位置向前调整。之后重复上面的过程，直至最前多径分量的相关结果与最后多径分量的相关结果均超过已知的设定门限。当判断接收训练序列选取位置的需要向后调整时，调整量取值为最前多径分量所处的位置值；当需要向前调整时，调整量为接收训练序列长度减去最后多径分量的位置值。

选取门限时一种比较简单有效的方法是将时域冲激响应中最前多径分量与最后多径分量的幅度分别作为最前多径分量相关结果和最后多径分量相关结果的判断门限。当接收训练序列选取位置恰当时，时域串行相关的幅度应与循环相关结果中对应位置的幅度可比拟，或者呈现一定的比例关系。如果不满足这种比例关系，则可认为循环相关与串行相关的位置不对应，因此可以作为信道最前多径分量与最后多径分量是否正确的判断依据。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims

1.一种基于循环相关的信道估计方法，其特征在于，该方法包括步骤：

2.如权利要求1所述的基于循环相关的信道估计方法，其特征在于，所述接收训练序列由至少两段相同的已知训练序列构成，且呈块状地连续插入在发送信号中。

3.如权利要求1所述的基于循环相关的信道估计方法，其特征在于，步骤S2中的循环相关运算通过时域相关器或频域相关器实现。

4.如权利要求3所述的基于循环相关的信道估计方法，其特征在于，通过频域相关器实现所述循环相关运算的方法包括步骤：

5.如权利要求1所述的基于循环相关的信道估计方法，其特征在于，步骤S3中对信道的多径分布进行分析的方法包括步骤：

6.如权利要求5所述的基于循环相关的信道估计方法，其特征在于，根据最前多径分量的位置得到的相关值的设定门限与根据最后多径分量的位置得到的相关值的设定门限不同。

7.如权利要求5所述的基于循环相关的信道估计方法，其特征在于，根据最前多径分量的位置得到的相关值的设定门限与根据最后多径分量的位置得到的相关值的设定门限分别为时域信道冲激响应中最前多径分量和最后多径分量的幅度。

8.如权利要求5所述的基于循环相关的信道估计方法，其特征在于，在步骤S3.3中，向后调整的调整量为最前多径分量的位置值；向前调整的调整量为接收训练序列长度减去最后多径分量的位置值。

9.如权利要求1所述的基于循环相关的信道估计方法，其特征在于，在步骤S2中，将相邻两组连续的接收训练序列分别与本地训练序列进行循环相关运算，之后将两个循环相关的结果在时域进行相加，以相加之后的相关结果作为所述时域信道冲击响应。

10.一种基于循环相关的信道估计系统，其特征在于，该系统包括：

训练序列选取模块，用于对接收信号进行帧同步得到初始位置信息，根据所述初始位置信息或调整后的选取位置，选取对应的接收信号作为接收训练序列；

循环相关模块，用于将所述接收训练序列与本地已知的训练序列进行循环相关运算，得到时域信道冲激响应；

信道分布分析模块，用于根据所述时域信道冲激响应对信道的多径分布进行分析，若需要调整接收训练序列的选取位置，则根据分析结果调整接收训练序列的选取位置，再次选取接收训练序列，并输入至循环相关模块，否则，输出最终信道估计结果。