CN103107968A - 无线通信接收机、无线通信接收方法与相位噪声补偿装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无线通信接收机，包含一第一信号处理装置、一相位噪声补偿装置以及一第二信号处理装置。该第一信号处理装置用以通过处理一接收信号来产生一第一处理过的输出，其中该第一信号处理装置包含用以进行信道估测之一信道估测单元。该相位噪声补偿装置用以接收该第一处理过的输出，并且依据所接收之该第一处理过的输出来执行相位噪声补偿以产生一第二处理过的输出。该第二信号处理装置用以接收该第二处理过的输出，并对所接收之该第二处理过的输出进行处理。

Description

无线通信接收机、无线通信接收方法与相位噪声补偿装置

技术领域

本发明的实施例有关于无线通信信号的接收，尤指一种在通道估测之后才执行相位噪声估测与相位噪声补偿的无线通信接收机，以及相关的无线通信接收方法及相位噪声补偿装置。

背景技术

正交分频多任务(orthogonal frequency division multiplexing,OFDM)技术会将数据分散于众多的子载波(sub-carrier)中，而这些子载波之间会通过已定义好的频率而彼此分隔，而如此的频率分隔便提供正交分频多任务运作的正交性(orthogonality)，并防止解调器(demodulator)看到不属于本身所处理之频率的其它频率。正交分频多任务的好处包含高频谱效率(high spectral efficiency)、抗射频干扰，以及低多重路径失真(low multipath distortion)。为了于传送器中将信号升频至射频以及于接收器中将所接收的射频信号降频至中频(interme diate-frequency,IF)/基频(baseband)，需要使用实际的(practical)振荡器，然而，实际的振荡器一般而言并不会如理想般地运作，因而会遭受一个稳定正弦波之相位的随机扰动(randomperturbation)所带来之相位噪声(phase noise)的影响，此外，实际的振荡器的相位噪声将会于传送端的升频操作过程中以及接收器的降频操作过程中导入至信号，因而对如此的频移振荡器所造成之相位噪声的频谱便会是一个自由运行之振荡器的特性与锁相回路(phase-locked loop,PLL)之内部组件的特性的函数。

本地振荡器所导入之不想要的相位噪声会威胁正交分频多任务系统中所使用之子载波的正交性，而由位于接收器的本地振荡器所加入至信号的相位噪声具有两种效应，其可分别区分为一低频相位噪声(一般称为共同相位误差(common phase error))与一高频相位噪声（一般称为载波间干扰(inter-carrier interference)）。明确来说，共同相位误差主要是由相位噪声频谱中的低频成分所造成，并且会导致信号星座图(signal constellation)的旋转。对于载波间干扰而言，其系对应至其它的子载波所传递之信息的加总结果，并以附加高斯噪声(additive Gaussian noise)的方式呈现予接收机，其中这些其它的子载波中的每一子载波会乘上一些复数数值(complex number)，而该复数数值来自于具有频谱偏移(spectral shift)之相位噪声的平均值。

如上所述，实际的振荡器所导入的相位噪声是无法避免的，然而，假若接收器具有适当能力来处理相位噪声的效应，便可允许系统以及射频电路工程师来放宽接收器所使用之本地振荡器的规格。

发明内容

基于本发明的实施例，揭示了一种在通道估测之后才执行相位噪声估测与相位噪声补偿的无线通信接收机与相关的无线通信接收方法及相位噪声补偿装置，以解决上述问题。

依据本发明之一实施例，揭示了一种无线通信接收机。该无线通信接收机包含一第一信号处理装置、一相位噪声补偿装置以及一第二信号处理装置。该第一信号处理装置用以处理一接收信号并产生一第一处理过的输出，其中该第一信号处理装置包含用以进行信道估测之一信道估测单元。该相位噪声补偿装置用以接收该第一处理过的输出，并依据所接收之该第一处理过的输出来执行相位噪声补偿以产生一第二处理过的输出。该第二信号处理装置用以接收该第二处理过的输出，并对所接收之该第二处理过的输出进行处理。

依据本发明之另一实施例，揭示了一种无线通信接收方法。该无线通信接收方法包含：执行一第一信号处理操作来处理一接收信号以产生一第一处理过的输出，其中该第一信号处理操作包含信道估测；依据该第一处理过的输出来执行相位噪声补偿，以产生一第二处理过的输出；以及对该第二处理过的输出进行一第二信号处理操作。

依据本发明之又一实施例，揭示了一种相位噪声补偿装置。该相位噪声补偿装置包含一共同相位误差估测单元、一均衡器以及一共同相位误差补偿单元。该共同相位误差估测单元用以估测一输入信号之一共同相位误差。该均衡器用以等化该输入信号来产生一等化信号。该共同相位误差补偿单元用以依据该共同相位误差估测单元所估测之该共同相位误差，来对该等化信号进行共同相位误差补偿。

本发明之相位噪声补偿装置于频域执行相位噪声估测与相位噪声补偿，因此，相位噪声可以轻易地估测出来，进而使得相位噪声补偿可以轻易地被实现。此外，由于相位噪声估测与相位噪声补偿于信道估测完成之后才执行，使得相位噪声补偿装置可以事先得知信道估测结果，并且可参照通道估测结果来更加精准且有效率地移除相位噪声所造成的效应。

附图说明

图1为本发明的广义的无线通信接收机之一实施例的示意图。

图2为图1的无线通信接收机中的相位噪声补偿装置之第一实施例的示意图。

图3为图1的无线通信接收机中的相位噪声补偿装置之第二实施例的示意图。

具体实施方式

为使本发明之上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。

在本说明书以及权利要求书当中使用了某些词汇来指代特定的组件。本领域的技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同的名词来称呼同样的组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异作为区分的准则。在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”是一个开放式的用语，因此应解释成“包含但不限定于”。另外，“耦接”一词在此包含任何直接及间接的电气连接手段。因此，若文中描述第一装置耦接第二装置，则代表第一装置可以直接电气连接于第二装置，或通过其它装置或连接手段间接地电气连接至第二装置。

请参阅图1，其为本发明之广义的无线通信接收机之一实施例的示意图。无线通信接收机100可以应用于DVB-T系统、DVB-T2系统、多标准(包含DVB-T与DVB-T2)系统、ISDB-T系统或任何基于正交分频多任务的系统。于本实施例中，无线通信接收机100包含（但不局限于）一第一信号处理装置(signal processing block)102、一相位噪声补偿(phase noise compensation)装置104以及一第二信号处理装置106。第一信号处理装置102用以通过处理一接收信号(例如所接收之射频信号)SR来产生一第一处理过的输出(processedoutput)S1。相位噪声补偿装置104耦接于第一信号处理装置102以及第二信号处理装置106之间，并用以接收第一处理过的输出S1以及通过依据所接收到之第一处理过的输出S1来执行相位噪声补偿，以产生一第二处理过的输出S2。第二信号处理装置106用以接收第二处理过的输出S2，并对所接收到之第二处理过的输出S2进行处理，举例来说，第二信号处理装置106可以对第二处理过的输出S2进行错误更正(error correction)。如图1所示，第一信号处理装置102包含用以执行信道估测(channel estimation)之一信道估测单元108，此外，相位噪声补偿装置104设置于前端的第一信号处理装置102与后端的第二信号处理装置106之间，因此，对于一个被传送的正交分频多任务符元(OFDM symbol)来说，相位噪声估测(phase noiseestimation)与相位噪声补偿会在信道估测完成之后才会被执行。由于通道估测结果会事先得知，当针对第一处理过的输出S1进行相位噪声补偿时，便可参照通道估测结果来更加精确且有效率地移除相位噪声所引起的效应。关于相位噪声补偿装置104的进一步细节将于下详述。

请参阅图2，其为本发明相位噪声补偿装置之第一种实施例的示意图。此一示范性的相位噪声补偿装置200可用以实现图1所示之相位噪声补偿装置104。如图所示，相位噪声补偿装置200包含（但不局限于）一共同相位误差估测(common phase error estimation，图2称CPEE)单元202、一均衡器(equalizer，图2称EQ)204、一共同相位误差补偿(common phase error compensation，图2称CPEC)单元206、一噪声估测(noise estimation，图2称NE)单元208、一信道状态信息(channel state information，图2称CSI)单元210以及一信道状态信息补偿(channel state information compensation，图2称CSIC)单元212。请注意，快速傅立叶变换(fast Fourier transform,图2称FFT)单元222以及信道估测(channel estimation,图2称CE)单元224均隶属于图1所示之第一信号处理装置102，而前向错误更正(forward error correction,图2称FEC)单元226则是隶属于图1所示之第二信号处理装置106，所以，相位噪声补偿装置200可视为直接连接于第一信号处理装置102的信道估测单元224与第一信号处理装置106的前向错误更正单元226之间。然而，相位噪声补偿装置200亦可仅是耦接于信道估测单元224与前向错误更正单元226之间，因此，其它的装置(例如频域交错器(frequency domaininterleaver)，图未示)另可连接于信道估测单元224与前向错误更正单元226之间。

信道估测单元224根据快速傅立叶变换单元222的一快速傅立叶变换输出(FFT output)，来产生一通道估测结果H。共同相位误差估测单元202用以根据第一处理过的输出S1以及通道估测结果(例如估测通道增益(estimated channel gain))H，来估测第一处理过的输出S1之一共同相位误差(例如θ)，举例来说（但本发明不以此为限），共同相位误差估测单元202可使用第一处理过的输出S1中的多个正交分频多任务符元的连续导引(continual pilot)以及相对应的估测通道增益，来估测出共同相位误差。假若r_i代表位于子载波i上的数据，以及h_i代表子载波i的估测通道增益，则共同相位误差θ可以通过以下的算法来得到:

Let ${\tilde{r}}_i=r_i\·h_i^{*}$

if

is CP

{

$\mathrm{ifreal}\left({\tilde{r}}_i\right)>0$

$\mathrm{SUM}=\mathrm{SUM}+{\tilde{r}}_i$

$\mathrm{elseSUM}=\mathrm{SUM}-{\tilde{r}}_i$

}

θ=atan2(SUM)

由于连续导引是采用二元相移键控(binary phase shift keying,BPSK)来进行调变，因此，连续导引的数值不是+1就是-1，为了消除数据本身所造成的效应，可采用决策导引(decision directed,DD)机制来将

的实数部分与0进行比较，如此一来，共同相位误差将可通过来更新总和值SUM而正确地累加产生，而基于总和值SUM，共同相位误差θ便可通过atan2函数来轻易地获得。

请注意，使用连续导引来估测共同相位误差仅作为范例说明，于一设计变化中，可使用一个更加复杂的算法来对共同相位误差进行估测，举例来说，利用低阶的正交振幅调变(quadrature amplitudemodulation,QAM)机制来调变位于一子载波上的数据，也可用来进行共同相位误差估测。

均衡器204用以通过依据通道估测结果H来对第一处理过的输出S1(例如快速傅立叶变换输出)进行等化，以产生一等化信号(equalized signal)S_EQ。信道状态信息单元210用以根据第一处理过的输出S1来产生信道状态信息CSI，其中信道状态信息CSI会指示出传送器与接收器之间的通信链接(communication link)的通道特性，因此会描述所接收到之数据的可靠度(reliability)。因为均衡器输出数据(EQ data)的星座图会被共同相位误差(其可能是来自于振荡器的相位误差及/或残余载波频偏(residual carrier frequency offset))所损害与旋转，故接收器的效能便会不好，此外，信道状态信息也会不好，因此，共同相位误差补偿单元206便用以根据共同相位误差估测单元202所估测之共同相位误差θ，来对等化信号S_EQ进行共同相位误差补偿，举例来说，共同相位误差补偿单元206通过将等化信号S_EQ与e-jθ相乘来反向旋转(de-rotate)均衡器输出数据的星座图，并相对应地产生一补偿过的等化信号S_EQ’。

请注意，前向错误更正单元226用以根据信道状态信息C_SI来对均衡器输出数据进行错误更正，举例来说，假若无线通信系统采用低密度同位检查(low-density parity-check,LDPC)的编码来确保数据的正确性，则前向错误更正单元226便经由设计而具备低密度同位检查译码能力，并通过参考信道状态信息所给予之绝对可靠度(absolute reliability)数据，来对均衡器输出数据进行低密度同位检查译码。由于等化信号S_EQ会被共同相位误差补偿单元206所调整/补偿，因此等化信号S_EQ所对应之原本的信道状态信息也应该要进行调整，以便具有正确的绝对可靠度数据而馈入至前向错误更正单元226，换言之，相位噪声补偿装置200所产生之第二处理过的输出S2会包含补偿过的等化信号S_EQ’以及调整过的信道状态信息CSI’。

对于施加在信道状态信息单元210所产生之信道状态信息CSI的补偿而言，噪声估测单元208以及信道状态信息补偿单元212会被使用。噪声估测单元208用以产生对应至共同相位误差θ之一补偿参数W，以及信道状态信息补偿单元212用以根据补偿参数W来调整信道状态信息CSI，并相对应地输出调整过的信道状态信息CSI’。于一设计范例中，补偿参数W为一权重值(weighting value)，以及信道状态信息补偿单元212通过将信道状态信息CSI与补偿参数W相乘，来产生调整过的信道状态信息CSI’。对于补偿参数(例如权重值)W来说，噪声估测单元208可被设定为依据共同相位误差θ、第一处理过的输出S1以及通道估测结果H来产生补偿参数W，举例来说（但本发明并不以此为限），有两种作法可被采用来计算出补偿参数W，其中一种是数学推导方法(math derivation method)，而另一种则是噪声重新估测方法(noise re-estimation method)。这两种方法的细节将于下描述。

所接收到的信号可以使用以下的方程式来加以模型化。

Y_l,k＝e^jθH_l,kX_l，k+N_l,k    (1)

于上述的方程式(1)中，Yl_，k代表所接收到的信号，e^jθ代表共同相位误差，H_l，k代表通道，X_l，k代表资料或导引，N_l,k代表噪声，l代表对应第l个符元的索引值(index value)，以及k代表对应第k个子载波的索引值。调整过的信道状态信息CSIl_，k,after与原本的信道状态信息CSI_{l，k，before}之间的关系可表示如下:

当噪声估测单元208使用数学推导方法时，补偿参数(例如权重值)W则可经由以下方程式来计算得到：

$A=E\left[\frac{1}{k}{|e^{\mathrm{j\θ}}-1|}^2{\left|{\tilde{H}}_{l,k}\right|}^2{\left|X_{l,k}\right|}^2\right],$ 其中K为常数(constant)    (4)

当噪声估测单元208使用噪声重新估测方法时，补偿参数(例如权重值)W则可经由以下方程式来计算得到：

$\left(5\right)$

$\left(6\right)$

$E\left[{\left|N_{l,k,\mathrm{after}}\right|}^2\right]=E\left[{|Y_{l,k}{e}^{-\mathrm{j\θ}}-H_{l,k}{X}_{l,k}|}^2\right]$ 或者 $E[{|Y_{l,k}-e^{\mathrm{j\θ}}{H}_{l,k}{X}_{l,k}|}^2---\left(7\right)$

如上所述，前向错误更正单元226会依据信道状态信息来对均衡器输出数据进行错误更正。但是，考虑另一状况，假若无线通信系统采用维特比(Viterbi)的编码来确保数据的正确性，则前向错误更正单元226便会经由设计而具备维特比译码能力，并通过参考信道状态信息所给予之相对可靠度(relative reliability)数据，来针对均衡器输出数据进行维特比译码，而不是参考绝对可靠度数据。由于等化信号S_EQ会被同一共同相位误差(例如e^-jθ)所调整/补偿，因此等化信号S_EQ所对应之信道状态信息CSI所给予之相对可靠度数据并不会因为施加于等化信号S_EQ之共同相位误差补偿而受到影响，所以，当前向错误更正单元226是经由设计而参考相对可靠度数据以对均衡器输出数据进行维特比译码时，上述之信道状态信息CSI的调整/补偿操作便可以省略。

请参阅图3，其为本发明相位噪声补偿装置之第二实施例的示意图。此一示范性的相位噪声补偿装置300可用以实现图1所示之相位噪声补偿装置104，而相位噪声补偿装置200与相位噪声补偿装置300之间最主要的不同之处在于：相位噪声补偿装置300中的信道状态信息单元210将信道状态信息CSI直接输出至后续的前向错误更正单元326，换言之，相位噪声补偿装置300所产生之第二处理过的输出S2会包含补偿过的等化信号S_EQ’与并未调整/补偿过的信道状态信息CSI。

于上述的实施例中，相位噪声补偿装置200/300耦接于信道估测单元224与前向错误更正单元226之间(例如直接地或间接地连接于信道估测单元224与前向错误更正单元226之间)，然而，此仅作为范例说明之用，并非用以作为本发明的限制条件，举例来说，只要是无线通信接收机采用了相位噪声补偿装置200/300的电路架构，均会落入本发明的范畴，例如，第一处理过的输出S1并不一定需要于通道估测完成之后立即地由第一信号处理装置102来产生，及/或相位噪声补偿装置所产生的第二处理过的输出S2并不一定需要立即地被前向错误更正所使用。

简而言之，依据图2与图3所示之实施例，本发明揭示了一种相位噪声补偿装置，其包含一共同相位误差估测单元、一均衡器以及一共同相位误差补偿单元，其中该共同相位误差估测单元是用以估测一输入信号（例如上述的第一处理过的输出S1或可被相位噪声补偿装置所处理以实现共同相位误差估测的任何信号）之一共同相位误差，该均衡器用以通过等化该输入信号来产生一等化信号，以及该共同相位误差补偿单元用以根据该共同相位误差估测单元所估测到的该共同相位误差来对该等化信号进行共同相位误差补偿。因此，任何依据均衡器之输入来估测共同相位误差并施加共同相位误差补偿予均衡器之输出的无线通信接收器，均会落入本发明的范畴。再者，基于无线通信系统所实际使用的错误更正机制，本发明所揭示之相位噪声补偿装置可另包含一噪声估测单元(其是用以产生对应至该共同相位误差之一补偿参数)、一信道状态信息单元(其是用以依据该输入信号来产生一信道状态信息)以及一信道状态信息补偿单元(其是用以依据该补偿参数来调整该信道状态信息)。

由图2与图3可以得知，相位噪声补偿装置200/300是用以对均衡器输出数据及/或信道状态信息进行补偿，换言之，本发明之相位噪声补偿装置会于频域(frequency domain)执行相位噪声估测与相位噪声补偿，亦即，本发明之相位噪声补偿装置不但不会于时域(timedomain)中多个时段的每一时段中估测相位噪声与执行相位噪声补偿，也不会于频域中迭代地(iteratively)估测相位噪声以及于时域中执行相对应的相位噪声补偿，因此，相位噪声便可以轻易地估测出来，进而使得相位噪声补偿可以轻易地被实现。此外，由于相位噪声估测与相位噪声补偿系于信道估测完成之后才执行，本发明之相位噪声补偿装置可以事先得知信道估测结果，并且可参照通道估测结果来更加精准且有效率地移除相位噪声所造成的效应。

Claims (16)

1.一种无线通信接收机，包含：

一第一信号处理装置，用以处理一接收信号以产生一第一处理过的输出，其中该第一信号处理装置包含用以进行信道估测之一信道估测单元；

一相位噪声补偿装置，用以接收该第一处理过的输出，并依据所接收之该第一处理过的输出来执行相位噪声补偿，以产生一第二处理过的输出；以及

一第二信号处理装置，用以接收并处理该第二处理过的输出。

2.如权利要求1所述之无线通信接收机，其特征在于，该第二信号处理装置包含一前向错误更正单元，以及该相位噪声补偿装置耦接于该信道估测单元与该前向错误更正单元之间。

3.如权利要求1或2所述之无线通信接收机，其特征在于，该相位噪声补偿装置包含：

一共同相位误差估测单元，用以估测该第一处理过的输出的一共同相位误差；

一均衡器，用以等化该第一处理过的输出，来产生一等化信号；以及

一共同相位误差补偿单元，用以依据该共同相位误差估测单元所估测之该共同相位误差，来对该等化信号执行共同相位误差补偿。

4.如权利要求3所述之无线通信接收机，其特征在于，该相位噪声补偿装置另包含：

一噪声估测单元，用以产生对应至该共同相位误差的一补偿参数；

一信道状态信息单元，用以依据该第一处理过的输出来产生一信道状态信息；以及

一信道状态信息补偿单元，用以依据该补偿参数来调整该信道状态信息。

5.如权利要求4所述之无线通信接收机，其特征在于，该噪声估测单元用以依据该共同相位误差、该第一处理过的输出以及该信道状态信息，来产生该补偿参数。

6.如权利要求3所述之无线通信接收机，其特征在于，

该共同相位误差估测单元依据该第一处理过的输出以及该信道估测单元所产生之信道估测结果，来估测该第一处理过的输出之该共同相位误差；

该均衡器依据该通道估测结果来等化该第一处理过的输出，以产生该等化信号；以及

该共同相位误差补偿单元依据该共同相位误差估测单元所估测之该共同相位误差，来对该等化信号执行共同相位误差补偿。

7.如权利要求6所述之无线通信接收机，其特征在于，该补偿参数为一权重值，以及该信道状态信息补偿单元用以将该信道状态信息与该权重值相乘，来产生一调整过的信道状态信息。

8.一种无线通信接收方法，包含：

执行一第一信号处理操作来处理一接收信号以产生一第一处理过的输出，其中该第一信号处理操作包含信道估测；

依据该第一处理过的输出来执行相位噪声补偿，以产生一第二处理过的输出；以及

对该第二处理过的输出进行一第二信号处理操作。

9.如权利要求8所述之无线通信接收方法，其特征在于，该第二信号处理操作包含前向错误更正，以及由该通道估测所产生之一通道估测结果被该相位噪声补偿所使用，以及该第二处理过的输出被该前向错误更正所使用。

10.如权利要求8或9所述之无线通信接收方法，其特征在于，该相位噪声补偿包含：

估测该第一处理过的输出之一共同相位误差；

等化该第一处理过的输出来产生一等化信号；以及

依据该共同相位误差来对该等化信号执行共同相位误差补偿。

11.如权利要求10所述之无线通信接收方法，其特征在于：

依据该第一处理过的输出以及该通道估测结果，来估测该共同相位误差；

依据该通道估测结果来等化该第一处理过的输出，以产生该等化信号；以及

依据该共同相位误差来对该等化信号执行共同相位误差补偿。

12.如权利要求11所述之无线通信接收方法，其特征在于，该相位噪声补偿另包含：

产生对应至该共同相位误差之一补偿参数；

依据该第一处理过的输出来产生一信道状态信息；以及

依据该补偿参数来调整该信道状态信息。

13.如权利要求12所述之无线通信接收方法，其特征在于，产生对应至该共同相位误差之该补偿参数的步骤包含：

依据该共同相位误差、该第一处理过的输出以及该信道状态信息，来产生该补偿参数。

14.如权利要求13所述之无线通信接收方法，其特征在于，该补偿参数为一权重值，以及依据该补偿参数来调整该信道状态信息的步骤包含：

将该信道状态信息与该权重值相乘，来产生一调整过的信道状态信息。

15.一种相位噪声补偿装置，包含：

一共同相位误差估测单元，用以估测一输入信号之一共同相位误差；

一均衡器，用以等化该输入信号来产生一等化信号；以及

一共同相位误差补偿单元，用以依据该共同相位误差估测单元所估测之该共同相位误差，来对该等化信号进行共同相位误差补偿。

16.如权利要求15所述之相位噪声补偿装置，另包含：

一噪声估测单元，用以产生对应至该共同相位误差之一补偿参数；

一信道状态信息单元，用以依据该输入信号来产生一信道状态信息；以及

一信道状态信息补偿单元，用以依据该补偿参数来调整该信道状态信息。

Images