CN1094001C - 接收方法和接收机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及数字蜂窝无线系统中的接收方法。本发明还涉及蜂窝无线网络的接收机。在计算信号对噪声的比率时，使用作为估计的信道脉冲响应和预定的序列(53)的卷积的参考信号。信号噪声比是作为参考信号的和从信道接收的预定序列(53)之间方差的比率而获得的。信号噪声比用来对分集接收机的分集支路加权。

Description

接收方法和接收机

本发明涉及用于数字蜂窝无线系统接收机的接收方法，该接收机使用维特比(Viterbi)检测和分集接收，该方法涉及形成信道的估计脉冲响应，并且信道的估计脉冲响应以及包含在信号中的预定的序列为符号(symbol)序列。

本发明还涉及数字无线系统的接收机，该接收机包括维特比检测装置，分集支路和用于形成信道的估计脉冲响应的装置。

在蜂窝无线系统中，基站和用户终端设备之间的连接质量是不断变化的。这种变化是由于无线通路中存在着干扰以及无线电波的衰减作为信道中的距离和时间的函数渐趋衰弱而造成的。例如连接质量可通过监视所接收的电平强度而测量。为了部分地补偿连接质量的变化，可以使用功率控制。

数字蜂窝无线系统需要更精确的方法用来估计连接质量。已知所使用的质量参数例如包括误码率BER及信噪比SNR。

已知在估计接收的信号的SNR时使用维特比检测的判定。作为接收机，可能使用基站或用户终端设备。在现有技术的解决方法中，对于接收的脉冲串在决定SNR之前完整地执行维特比检测。由于维特比算法常常在接收机允许的处理时间内对数字信号处理程序有繁重的任务要求，故必须使用分开的维特比硬件。这一点在J.Hagenauer，P.Hoeher的文章中有更为详细的描述：带有软判定输出的维特比算法及其应用，IEEE GLOBECOM 1989，德克萨斯，达拉斯，1989年11月，该文献在此引述作为参考。基于接收的信号和基于信道估计而计算的估计信号之间的差来计算SNR也在欧洲专利428199中论及，该文献也在此引述作为参考。

众所周知，通过根据本发明的方法可简单计算的SNR信息是使用各种分集接收机时都需要的。在分集接收中，最典型的分集接收机组合了检测之前和检测之后的信号，并且例如它们包括选择性组合，最大比率组合，及等增益组合。分集信号通常使用维特比检测方法检测，由此信号组合发生在检测之后。然而，最好的方式是组合检测之前的信号，因为其结果是产生较高的信号增益。关于分集接收机比较仔细的描述是在William C.Y.Lee的文献中：移动通信工程，第10章，组合技术，291-336页，McGraw-Hill，美国1982年，该文献在此引述作为参考。

本发明旨在实现不使用维特比检测而能够直接从接收的信号估计SNR的方法，这样使得在使用分集接收机时能够组合信号。

这一目的是通过引言中提出的方法达到的，其特征在于以下的步骤：从估计的信道脉冲响应和信号内预定的序列形成参考信号，作为方差型的计算从参考信号和由信道接收的预定序列计算与信号相关的噪声能量，计算作为参考信号能量与噪声能量之间的比率的SNR，以及组合暂时彼此对应的分集支路符号，并按每一支路的SNR对每一支路中适配的滤波器的输出及脉冲响应中的自相关分支(tap)加权。

根据本发明的接收机的特征在于，为了计算SNR，该接收机包括以下装置：用于从估计的信道脉冲响应和信号内的预定序列形成参考信号的装置，用于作为方差型的计算从参考信号和接收的预定序列计算信道噪声能量的装置，用于计算作为参考信号能量和噪声能量之间的比率的SNR的装置，组合不同支路暂时对应的符号的分集支路组合装置，以及用于按每一支路的SNR对每一支路中的适配滤波器的输出及脉冲响应中的自相关分支加权的装置。

本发明提供了若干优点。借助于根据本发明的方法，或者通过使用脉冲串中预定序列在维特比检测之前实施本发明的方法，能够从接收的信号而不必进行维特比检测直接估计SNR。本发明有两个主要的级：第一级是形成参考信号，第二级是计算接收的信号与参考信号之间的方差，即噪声能量。参考信号在计算借助于预定的序列获得的估计的信道脉冲响应和预定序列的卷积时获得。估计的噪声能量是从参考信号和接收的序列作为方差，或函数类似方差计算出的。信号能量或者是从信道估计脉冲响应中的分支的能量或是通过计算参考信号的样本即符号能量获得的。通过把这样形成的信号除以噪声，将获得信道的估计瞬时SNR。

通过避免维特比算法的使用，将节省计算过程中的耗用的存储器容量和时间。这样获得的SNR值可用于估计信道上的条件，作为不良帧估计方法中的辅助并用于在ML(最大似然)度量中的标度。此外，SNR可用于分集组合，并特别实用的是分集信号在检测之前组合的情形。

根据本发明方法的优选实施例还在所附从属权利要求2-9中提出，根据本发明的接收机的优选实施例在所附从属权利要求11-13中提出。

以下，将参照附图中的例子更为详细地对本发明进行说明，这些附图是

图1表示根据本发明的方法可适用的蜂窝无线系统，

图2表示根据GMS系统的接收机的主要部件，

图3表示根据GMS系统的接收机的主要部件的另一种实现，

图4表示根据GSM系统的接收机，该接收机使用分集组合技术，以及

图5表示GSM系统中的常规脉冲串。

根据本发明的方法和接收机可适用于其主要部件如图1中所示的任何数字蜂窝无线系统。该系统包括一个基站10，及与基站有双工连接14-16的多个通常是移动的用户终端设备11-13。基站10把终端设备11-13的连接转送到基站控制器17，该控制器进而把它们转送到系统的其他部分以及固定网络。基站控制器17控制着一个或者多个基站的操作。在GSM系统中，基站10和终端设备11-13都连续测量连接的质量并把结果传送到基站控制器17。在根据本发明的实施例中，连接质量的测量是作为SNR测量而进行的。

以下将更为详细地说明蜂窝无线系统中根据本发明的接收机，这种接收机的主要部件以框图的形式示于图2中。基站和用户终端设备都可作为本发明的接收机。接收机包括接收施加于射频部件22的信号的天线21，在该射频部件中信号被转换为中频。从这些射频部件，信号被馈送到把信号从模拟转换为数字的转换装置23。数字信号进到预处理装置24，在该装置中，除了其他事情之外，能够把信号滤波，删除DC偏移，控制数字信号的自动放大，并对该信号进行解调。设置在信道中的滤波器25把在信道上被变形的信号恢复为带有低符号差错概率的原始数据流。信道的脉冲响应及其能量的估计由装置26形成。基于脉冲响应信息，信道脉冲响应的自相关分支在装置27中形成。

在数字系统中，信道的脉冲响应以具有N个符号的字符描述。通常，信道脉冲响应具有五个符号，即N获得了数值5。SNR按本发明的方法以装置28进行计算，该装置包括装置28a，28b和28c。装置28a用来从估计的信道脉冲响应和信号中的预定的序列形成参考信号。装置28b从参考信号和接收的预定序列计算信道上的噪声能量。装置28c计算作为参考信号和噪声能量之间的比率的SNR。装置28d用来纠正参考信号和预定序列之间的偏移，偏移是指符号彼此之间随时间的迁移。最后，接收机中的维特比检测装置29接收不同的序列52，53和54，即从适配的滤波器的输出接收的脉冲串的序列，该序列示于图5，以及从装置27接收的脉冲项移的自相关分支。根据本接收机的解决方法，SNR信息既转移到用来形成脉冲响应的自相关分支的装置27，又转移到适配滤波器25。SNR信息还能够发送到其他装置。作为从维特比检测装置29的输出，获得被检测的符号。

以下将更为详细地说明第二接收机，即对于蜂窝无线系统的第一接收机的替代，这种第二接收机的框图的主要部件示于图3中。就大部分来说，该接收机类似于图2中所示的接收机。在这一接收机的解决方法中，SNR信息从SNR计算装置28转移到形成脉冲响应分支的装置26。SNR信息还可能施加于其他装置。作为维特比检测装置29的输出，获得被检测的符号。SNR信息还能够传送到其他装置，这在图2和3中由从装置28指示的箭头30表示。

图2和3所示的解决方法可以有利地用于分集接收，这种配置示于图4中，带有使用分集组合的接收机。图4中的接收机包括天线41和42，装置43，44，这些装置又包含射频部件22，转换装置23，预处理装置24，适配滤波器25，用于信道脉冲响应的估计装置26，诸如图2和3的接收机的SNR计算装置28。虽然图4中只有2个支路，即信道，类似的分集组合也能够用于更大数目的信道。对于不同信道的估计的脉冲响应的自相关分支由装置27a和27b形成，这些装置起着与图2和3中的装置27相同目的的作用。从不同信道接收的信号与装置45组合，在该装置中通过求和或求平均，并如果需要使得信号乘以适当的常数而进行求和。于是，信号由SNR加权，或者基于SNR信息选择用于检测器的信号。在组合之后，信号施加到维特比检测装置29。形成脉冲响应的自相关分支的装置27a和27b的输出例如还由装置46通过求和或者求平均，并如果需要使该输出乘以适当的常数而被组合。当组合分集支路和自相关分支时最好只组合暂时彼此对应的符号或者比特。装置46的输出还施加于维特比检测装置29。这种解决方法是特别适用的，因为在检测之前组合信号的结果是对于信号产生较高的增益。

以下，将结合GSM系统更为详细地说明根据本发明的解决方法。GSM系统中的常规脉冲串示于图5中，共包括148个符号。这些符号包含比特或者比特的组合。脉冲串的符号出现在包含3个开始符号(TS)51；58个数据符号(数据)52；26个训练符号(TRS)53；58个数据符号(数据)54；及3个结束符号(TS)55的序列中。在本发明的解决方法中，参考信号的符号序列是作为训练序列53和信道的估计脉冲响应的函数而计算的，该函数很好地表示了所述序列的卷积。

以下，将说明在用于GSM系统时的本发明的方法。对于信道计算瞬时SNR包括两个主要步骤：首先，最好作为卷积从信道的估计的脉冲响应H形成参考信号YR及训练序列TRS(图5的训练符号53)，且第二；作为方差型计算由参考信号YR和从信道接收的训练序列Y计算噪声能量VAR。于是，噪声的能量VAR是作为方差型计算而被计算的，但是在其分母中的字符并不重要，因为它易于被建立而且只是具有作为噪声能量标度器操作的目的，这在计算处理的任何阶段易于通知并纠正。通过计算卷积，能够获得这样的优点，即参考信号YR以信道上实际信号的相同方式形成，并通过比较该结果与从信道接收的信号，能够估计噪声。当噪声能量VAR从参考信号YR和从信道接收的信号作为方差被计算时，其优点在于，能够直接获得噪声能量。

由于训练序列TRS是被预先确定的，故能够确定信道的瞬时估计的脉冲响应H。通常，估计的脉冲响应H具有5个符号，即如果有N个符号，N＝5保持为真。在根据本发明方法的第一方面，参考信号YR是作为信道估计脉冲响应和训练序列TRS的卷积，例如使用公式(1)被计算的，YR是在所述估计的脉冲响应H处接收的训练序列TRS的预期值。 $\mathrm{YR}\left(j\right)=\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}H\left(i\right)\·(1-2\·\mathrm{TRS}(j-i))-------\left(1\right)$ 其中N表示估计脉冲响应H中的符号数，并对于指示被计算的符号的符号标记j，j≥N保持真。通过N和26之间的符号j，或者预定序列中的符号数，将获得整个参考信号YR。通过使用获得的参考信号YR及作为被接收的训练序列的接收的信号Y，使用公式(2)来计算这两者的方差型结果VAR。 $\mathrm{VAR}=\frac{\underset{i-N}{\overset{26}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Re}(Y(i+\mathrm{offset})-\mathrm{YR}\left(i\right){)}^2+\mathrm{Im}{(Y(i+\mathrm{offset})-\mathrm{YR}\left(i\right))}^2}{K}---\left(2\right)$ 在公式(2)中，这种符号数被估算为不超过预定序列53中的符号数减去信道估计脉冲响应中的符号数。这意味着在计算处理中考虑的符号数可自由地选择。如果给出除数K的一个数值等于用来求和的符号的数值，则公式(2)中的方差型结果的数值与每样本的噪声能量相同，或者如果除数K具有数值1，则该数值等于每全序列的能量。就本发明的解决方法来说，则除数K的值是不重要的，即任何数值都可以被选择表示除数K的数值。公式(2)使用I/Q调制的表示，由此符号以其复数形式表示。公式(2)考虑了偏移，项参照接收的信号的符号有利的转移，使得接收的信号的符号对应于参考信号的符号，即指向训练序列中正确的位置。

接收的信号的能量可借助于信道估计脉冲响应H或者参考信号YR计算。通过计算信道估计的脉冲响应H的分支的能量获得这样的好处，即获得了每符号的信号能量E₁。当能量E_YR借助于从参考信号的I/Q调制获得的复数符号，例如使用公式(3)计算时， $E_{\mathrm{YR}}=\underset{i=N}{\overset{26}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Re}{\left(\mathrm{YR}\left(i\right)\right)}^2+\mathrm{Im}{\left(\mathrm{YR}\left(i\right)\right)}^2-------\left(3\right)$ 则能够直接获得参考信号的全部能量。如现有技术中那样，如果使用预处理装置24形成对应于能量E_YR的信号的标准化的平均能量，就不必分开计算。

当对公式(2)中的除数K给出与符号数对应的数值时，根据公式(4)所示的原理通过把每符号的信号能量E₁除以每符号噪声能量VAR获得信道的瞬时SNR。 $\mathrm{SNR}=\frac{E_I}{\mathrm{VAR}}------\left(4\right)$ 然而，当公式(2)中的除数K具有数值1时，由于在这种情形下公式(2)和(3)具有基本相同的待求和的成分数目，根据公式(5)并从而为了避免额外的除法，计算SNR有利的方法是把信号总能量E_YR除以噪声总能量VAR。 $\mathrm{SNR}=\frac{E_{\mathrm{YR}}}{\mathrm{VAR}}-----\left(5\right)$ 最好对每一脉冲串分别计算SNR，因为即使在短时间期间中通信质量也有可能迅速变化。

来源于不同分集支路的信号在分集接收机中被组合，组合例如是通过求和或者求平均，并如果需要通过使信号乘以适当的常数进行的。在本发明的方法中，信号通过所形成的SNR被加权，或者基于SNR信息选择用于检测器的信号。该信号施加到组合后的检测器。脉冲响应的自相关分支例如也是通过求和或者求平均，或如果需要通过对信号乘以适当的常数被组合的。脉冲响应的自相关分支也通过SNR加权。在组合分集支路和自相关分支时，最好只组合彼此暂时相对应的比特或符号。最好在检测之前组合信号，由此将获得对信号较高的增益。

虽然以上参照附图中的例子对本发明进行了说明，但本发明显然不限于此，本发明可在所附权利要求的发明思想内以各种方式进行修改。

Claims (12)

1.用于数字蜂窝无线系统的接收机(10-13)的接收方法，该接收机使用维特比检测和分集接收，该方法涉及形成估计的信道脉冲响应，并且估计的信道脉冲响应以及包含在信号中的预定序列(53)为符号序列，其特征在于以下的步骤：

从估计的信道脉冲响应和信号内预定的序列(53)形成参考信号，

作为方差型的计算从参考信号和由信道接收的预定序列(53)计算与信号相关的噪声能量，

计算作为参考信号能量与噪声能量之间的比率的SNR，以及

组合暂时彼此对应的分集支路符号，并按每一支路的SNR对每一支路中适配的滤波器(25)的输出及脉冲响应中的自相关分支加权。

2.权利要求1中所述的方法，其特征在于，分集支路的组合发生在维特比检测之前。

3.权利要求1中所述的方法，其特征在于，参考信号借助于卷积从估计的信道脉冲响应和预定的序列(53)形成。

4.权利要求1中所述的方法，其特征在于，计算信道噪声能量考虑到不超过预定序列(53)中的符号数减去信道的估计脉冲响应中的符号数的符号数目。

5.权利要求1中所述的方法，其特征在于，为了计算信道噪声能量，通过彼此相互移动参考信号和预定序列的符号使得接收的信号的符号与参考信号的符号对应而纠正参考信号与预定的序列之间的偏移。

6.权利要求1中所述的方法，其特征在于，参考信号的能量是作为信号内符号中平方的实部的和形成的。

7.权利要求1中所述的方法，其特征在于，参考信号的能量是作为信道的估计脉冲响应中的分支的平方和而形成的。

8.权利要求1中所述的方法，其特征在于，如果在脉冲串中发生传输，则对于每一接收的脉冲串分开计算SNR。

9.权利要求1或8中所述的方法，其特征在于，预定的序列(53)为GSM系统中常规的脉冲串的训练序列。

10.一种数字无线系统的接收机(10-13)，该接收机包括一个维特比检测装置(29)，多个分集支路以及用于形成信道的估计脉冲响应的装置(26)，其特征在于，还包括：

组合不同支路的暂时对应符号的分集支路组合装置(45，46)，以及用于按每一支路的SNR，对每一支路中的适配滤波器(25)的输出以及脉冲响应中的自相关分支加权的装置(28)；

为了计算SNR，该装置(28)进一步包括：

根据估计的信道脉冲响应以及信号内的预定序列(53)形成参考信号的装置(28a)，

以方差型计算的形式，根据参考信号和接收的预定序列(53)计算信道噪声能量的装置(28b)，

用于计算作为参考信号能量和噪声能量之间的比率的SNR的装置(28c)。

11.如权利要求10中所述的接收机(10-13)，其特征在于，分集支路组合装置(45和46)位于维特比检测装置(29)之前。

12.如权利要求10中所述的接收机(10-13)，其特征在于，接收机(10-13)包括用来纠正参考信号和预定序列(53)之间的偏移的装置(28d)。

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