CN109729028A - 无线通信系统及其信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无线通信系统，其中包含一信道估计电路、一短化电路、一时域决定反馈均衡器与一系数计算电路。该信道估计电路是用以根据一接收信号产生一估计信道脉冲响应。该短化电路是用以根据该估计通道脉冲响应的一主要能量分布区，自该估计通道脉冲响应中截取出一短化后脉冲响应。该时域决定反馈均衡器是用以对该接收信号施以一时域等化程序，其中包含用以过滤该接收信号的一前馈滤波器。该系数计算电路是用以根据该短化后脉冲响应计算出一组前馈滤波系数，供该前馈滤波器使用。

Description

无线通信系统及其信号处理方法

技术领域

本发明与无线通信系统相关，并且尤其与无线通信系统中为时域决定反馈均衡器(time-domain decision-feedback equalizer)决定滤波系数的技术相关。

背景技术

在许多无线通信系统中，为了消除多重传播路径(multipath)造成的干扰，接收端设有时域均衡器。对于数字电视有线广播(digital video broadcasting–cable,DVB-C)、进阶电视系统委员会(Advanced Television Systems Committee,ASTC)、数字地面多媒体广播(digital terrestrial multimedia broadcast,DTMB)等采用单一载波时域传输的无线通信标准来说，决定反馈(decision-feedback)是一个有效且实用的均衡器架构。

图1呈现无线接收器100的示意图。无线接收器100包含信道估计电路110、系数计算电路120以及时域决定反馈均衡器130。信道估计电路110负责根据进入无线接收器100的接收信号产生一估计信道脉冲响应，其是估计一对应的传送信号被传送至接收器100所经过的通道的脉冲响应。时域决定反馈均衡器130包含一前馈滤波器(feedforward filter)130A、一加法器130B、一反馈滤波器(feedback filter)130C以及一截剪器(slicer)130D。系数计算电路120负责根据信道估计电路110输出的估计信道脉冲响应，计算出各种滤波系数(例如中心频率、截止频率、带宽等)的初始值，供前馈滤波器130A与反馈滤波器130C使用。随后，时域决定反馈均衡器130可透过迭代运算自行修正该等滤波系数。加法器130B的输出信号(亦即等化后信号)会被传递至解码电路140进行解码，以产生一解码后位串。

图2呈现对应于时域决定反馈均衡器130的信号模型。图2中的符号x(n)表示传送端输出的原始信号，符号H(z)表示原始信号x(n)所经过的通道贡献的脉冲响应。符号y(n)表示图1中送入信道估计电路110与时域决定反馈均衡器130的接收信号，信道估计电路110的任务便是产生脉冲响应H(z)的估计值。符号F(z)、B(z)分别表示前馈滤波器130A与反馈滤波器130C贡献的频率响应。符号δ代表一延迟量；原始信号x(n-δ)相对于原始信号x(n)存在大小为δ个取样的延迟。

优化系数计算电路120产生滤波系数初始值的一种方式是将计算目标订为「令等化后信号与原始信号x(n-δ)的差异的期望值最小化」，其推导过程详述如下。

首先，加法器130B输出的等化后信号可被表示为：

其中符号f表示前馈滤波器130A的滤波系数向量，其长度为L；符号b表示反馈滤波器130C的滤波系数向量，其长度为M；符号y_n表示一串连续的接收信号取样：

[y(n) y(n-1) … y(n-(L-2)) y(n-(L-1))]，

符号表示一串连续的截剪后信号取样：

由图2可看出，接收信号y_n亦可被表示为原始信号x(n)受到通道效应影响的结果：

y_n＝x_nH+v_n， (式二)

其中，符号x_n表示一串连续的原始信号取样：

[x(n) x(n-1) … x(n-(N+L-2))]，

并且符号H表示一个由估计通道脉冲响应h组成的矩阵：

估计信道脉冲响应h是一个时间函数，其长度为正整数N，而符号v_n表示一噪声向量。

综合上述定义，「将等化后信号与原始信号x(n-δ)的差异的期望值最小化」可被数学化表示如下：

式三可被进一步改写为：

式四可利用韦纳滤波(Wiener filter)数学模型求解：

其中

已知反矩阵定理(matrix inversion lemma)为：

其中

以及

其中

若将反矩阵定理套用至式五，可推导出：

其中

且

经过简化，式八可被改写为：

其中

h_δ＝[h(δ) … h(0)]_1×(δ+1)，

且

综合上述推导，系数计算电路120可根据下列表达式找出式四的韦纳解：

若系数计算电路120改采用忽略噪声项的零强迫(zero forcing)数学模型来为式四求解，也会得到与式十类似的结果：

理论上，若信道估计电路110找出的估计信道脉冲响应h愈能详实反映实际信道状况，系数计算电路120所计算出的滤波系数初始值便会愈理想，亦即能使得时域决定反馈均衡器130较快进入收敛状态、开始稳定运作。在真实世界中，通道状况是随着时间不断变化的。在无法预测估计通道脉冲响应h的长度的情况下，为了涵盖各种可能的信道状况，信道估计电路110的评估期间通常被设计为一个相当大的时间范围，因而使得信道估计电路110产生的估计信道脉冲响应h具有相当大的长度N。

然而，由式十与式十一可看出，系数计算电路120在计算前馈滤波器130A的滤波系数向量f_opt以及反馈滤波器130C的滤波系数向量b_opt时，其计算程序的复杂度是正相关于向量f_opt和b_opt的长度(分别是L和M)。实务上，向量长度L通常被设计为与估计通道脉冲响应的长度N相同，而向量长度M则是正相关于估计通道脉冲响应的长度N以及向量长度L。更具体地说，信道估计电路110找出的估计信道脉冲响应h愈长，矩阵H就愈大，系数计算电路120需要进行的计算会愈复杂。可理解的是，若系数计算电路120因进行较复杂的计算而耗费较长的时间来产生滤波系数初始值，即使得到的计算结果较理想，时域决定反馈均衡器130能够开始稳定运作的时间点反而可能会受到延迟。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种新的无线通信系统及其信号处理方法。

根据本发明的一具体实施例为一种无线通信系统，其中包含一信道估计电路、一短化电路、一时域决定反馈均衡器，以及一系数计算电路。该信道估计电路是用以根据一接收信号产生一估计信道脉冲响应。该短化电路是用以根据该估计通道脉冲响应的一主要能量分布区，自该估计通道脉冲响应中截取出一短化后脉冲响应。该时域决定反馈均衡器是用以对该接收信号施以一时域等化程序，其中包含用以过滤该接收信号的一前馈滤波器。该系数计算电路是用以根据该短化后脉冲响应计算出一组前馈滤波系数，供该前馈滤波器使用。

根据本发明的另一具体实施例为一种应用于一无线通信系统的信号处理方法。首先，一估计信道脉冲响应根据一接收信号被产生。接着，根据该估计通道脉冲响应的一主要能量分布区，一短化后脉冲响应自该估计通道脉冲响应中被截取出来。随后，根据该短化后脉冲响应，一组前馈滤波系数被计算产生。尔后，在对该接收信号所施以的一时域决定反馈等化程序中，包含了对该接收信号施以使用该组前馈滤波系数的一前馈滤波程序。

关于本发明的优点与精神可以藉由以下发明详述及所附图式得到进一步的了解。

附图说明

图1呈现一个包含时域决定反馈均衡器的无线接收器的示意图。

图2呈现一个对应于时域决定反馈均衡器的信号模型。

图3为根据本发明的一实施例中的无线通信系统的功能方块图。

图4A呈现一个估计信道脉冲响应的范例。

图4B是绘示根据本发明的短化电路的一种详细实施范例。

图4C是用以说明如何根据能量峰来界定估计通道脉冲响应中的主要能量分布区。

图5是绘示根据本发明的无线通信系统进一步包含一组态控制器的实施例。

图6A呈现另一个估计信道脉冲响应的范例。

图6B是绘示根据本发明的短化电路的另一种详细实施范例。

图7为根据本发明的一实施例中的信号处理方法的流程图。

符号说明

100：无线接收器

300：无线通信系统

110、310：信道估计电路

120、320：系数计算电路

130、330：时域决定反馈均衡器

130A、330A：前馈滤波器

130B、330B：加法器

130C、330C：反馈滤波器

130D、330D：截剪器

140、340：解码电路

350：短化电路

350A：缓冲存储器

350B：能量峰值搜寻电路

350C：能量分布区辨识电路

360：组态控制器

S71～S74：流程步骤

须说明的是，本发明的图式包含呈现多种彼此关联的功能性模块的功能方块图。该等图式并非细部电路图，且其中的连接线仅用以表示信号流。功能性元件及/或程序间的多种互动关系不一定要透过直接的电性连结始能达成。此外，个别元件的功能不一定要如图式中绘示的方式分配，且分布式的区块不一定要以分布式的电子元件实现。

具体实施方式

根据本发明的一具体实施例为一种无线通信系统，其功能方块图是绘示于图3。无线通信系统300包含一信道估计电路310、一系数计算电路320、一时域决定反馈均衡器330、一解码电路340，以及一短化(shortening)电路350，分述如下。

信道估计电路310是用以根据进入无线通信系统300的接收信号产生一估计信道脉冲响应h。时域决定反馈均衡器330则是用以对该接收信号施以一时域等化程序，其中包含一前馈滤波器330A、一加法器330B、一反馈滤波器330C以及一截剪器330D。时域决定反馈均衡器330输出的等化后信号会被传递至解码电路340进行解码，以产生一解码后位串。

系数计算电路320负责计算出一组前馈滤波系数f与一组反馈滤波系数b，分别供前馈滤波器330A与反馈滤波器330C使用。不同于无线接收器100的电路架构，信道估计电路310与系数计算电路320间耦接有短化电路350。短化电路350负责为估计信道脉冲响应h界定出一主要能量分布区EM，并据此自估计通道脉冲响应h中截取出一部分，做为一短化后脉冲响应hS。图4A呈现一个估计信道脉冲响应h的范例，其纵轴为能量，横轴为时间，而估计通道脉冲响应h的时间长度N是由信道估计电路310决定的一个特定数值。如图4A所示，估计通道脉冲响应h的能量并非平均分布，通常会在某几个时间点出现能量峰，其他时间点的能量则明显低于该等峰值。短化电路350会在时间范围0～N内选出能涵盖估计通道脉冲响应h中大部分能量的一个区段，做为主要能量分布区EM。实务上，有多种界定主要能量分布区EM的方式可应用于短化电路350，以下介绍几种实施例。

于一实施例中，短化电路350根据能量峰的位置来界定主要能量分布区EM，其功能方块图如图4B所示。缓冲存储器350A是用以储存信道估计电路310产生的估计信道脉冲响应h。举例而言，缓冲存储器350A可利用多个缓存器来储存估计信道脉冲响应h中各个时间点所对应的能量值。本发明的范畴并未限定于特定储存机制。缓冲存储器350A可为挥发性或非挥发性存储器装置，例如随机存取存储器或闪存。能量峰值搜寻电路350B负责找出估计信道脉冲响应h中能量高于一预设门槛值PTH的能量峰。就图4C呈现的范例而言，能量峰值搜寻电路350B总共会找出P1～P4四个能量峰，提供给能量分布区辨识电路350C。接着，能量分布区辨识电路350C便根据能量峰P1～P4来界定出主要能量分布区EM。举例而言，能量分布区辨识电路350C可将主要能量分布区EM的范围下限NL设定在自能量峰P1向左起算一特定时间长度、将范围上限NU设定在自能量峰P4向右起算一特定时间长度(其具体数值可由电路设计者根据经验决定)。随后，能量分布区辨识电路350C便自缓冲存储器350A撷取出估计通道脉冲响应h对应于主要能量分布区EM(时间范围NL～NU)的部分，做为短化后脉冲响应hS(亦即不考虑估计通道脉冲响应h于主要能量分布区EM之外的值)。在这个实施例中，短化电路350并未预先限定主要能量分布区EM的长度。

于另一实施例中，短化电路350先计算出估计通道脉冲响应h的总能量，接着利用积分器，在估计通道脉冲响应h中寻找一段能够涵盖该总能量的百分之八十的连续时间范围，做为主要能量分布区EM。在这个实施例中，短化电路350亦不会预先限定主要能量分布区EM的长度。

于又一实施例中，短化电路350预先设定主要能量分布区EM的长度，并且是从估计通道脉冲响应h中找出符合此固定长度且能量最集中的一个连续区段做为主要能量分布区EM。

由图3可看出，系数计算电路320是根据短化电路350产生的短化后脉冲响应hS(而非信道估计电路310产生的估计信道脉冲响应h)构成的矩阵(以下标示为H_S)来计算前馈滤波系数f。如先前所述，无论是采用韦纳滤波数学模型或零强迫数学模型，系数计算电路320在计算前馈滤波系数f时，其计算程序的复杂度皆正相关于估计通道脉冲响应h的长度。显然，相较于采用根据估计通道脉冲响应h构成的矩阵H，在计算前馈滤波系数f时采用根据短化后脉冲响应hS构成的矩阵H_S，系数计算电路320中的计算复杂度能被有效降低。透过选择适当的主要能量分布区EM，令估计通道脉冲响应h中大部分的能量落在其中，系数计算电路320根据矩阵H_S所计算出的前馈滤波系数f便不会与理想值差异太大。再者，该等差异造成的影响随后可藉由时域决定反馈均衡器330本身的迭代修正来降低。

于一实施例中，如图5所示，无线通信系统300在短化电路350与系数计算电路320之间进一步包含一组态控制器360，且系数计算电路320能接受组态控制器360的控制被弹性组态，而非固定针对具有特定通道长度的短化后脉冲响应hS进行计算。在这个架构中，短化电路350能够自行决定主要能量分布区的长度。在短化电路350产生短化后脉冲响应hS后，组态控制器360便会根据短化后脉冲响应hS所对应的一通道长度来组态系数计算电路320。

于一实施例中，除了前馈滤波系数f之外，系数计算电路320亦根据对应于短化后脉冲响应hS的矩阵H_S来产生反馈滤波系数b。在这个情况下，因前馈滤波系数f与矩阵H_S皆已经过简化，系数计算电路320中计算反馈滤波系数b的复杂度可大幅降低。

于另一实施例中，系数计算电路320仅将矩阵H_S用于计算前馈滤波系数f，在产生反馈滤波系数b时则是利用由估计通道脉冲响应h构成的矩阵H来进行计算。这种做法的好处在于，对反馈滤波系数b来说，因短化脉冲响应而造成的系数不理想性可被降低。并且，由式十与式十一可看出，不同于产生前馈滤波系数f时需要复杂的反矩阵运算，产生反馈滤波系数b的线性运算较为单纯；即使采用由估计通道脉冲响应h构成的矩阵H来产生反馈滤波系数b，系数计算电路320亦不需要处理太庞杂的运算。

请参阅图6A及图6B。于一实施例中，能量峰值搜寻电路350B进一步参考另一预设门槛值PTH2，找出估计信道脉冲响应h中能量介于两个预设门槛值PTH与PTH2之间的能量峰。就图6A中的估计通道脉冲响应h而言，能量峰值搜寻电路350B会进一步找出能量峰P5，能量分布区辨识电路350C根据此能量峰P5界定出与主要能量分布区互不重叠的一个次要能量分布区EM2。次要能量分布区EM2可被视为在主要能量分布区EM之外，另一个较不重要的能量集中区域。举例而言，能量分布区辨识电路350C可将次要能量分布区EM2的时间轴范围下限NL2设定在自能量峰P5向左起算一特定时间长度、将时间轴范围上限NU2设定在自能量峰P5向右起算一特定时间长度。随后，能量分布区辨识电路350C便自缓冲存储器350A撷取出估计通道脉冲响应h对应于这个次要能量分布区EM2(时间范围NL2～NU2)的部分，做为次要脉冲响应hS2。

在这个实施例中，短化电路350会将短化后脉冲响应hS与次要脉冲响应hS2都提供给系数计算电路320。如先前所述，系数计算电路320根据式十或式十一来产生反馈滤波系数b时，所进行的都是线性运算。因此，系数计算电路320可分别根据短化后脉冲响应hS与次要脉冲响应hS2计算出两组反馈滤波系数，再将这两组反馈滤波系数线性迭加，做为提供给反馈滤波器330C使用的反馈滤波系数b。相较于只根据短化后脉冲响应hS来产生反馈滤波系数b的情况，令系数计算电路320进一步将次要脉冲响应hS2纳入考虑，可以提高反馈滤波系数b的理想性，并且不会导致太大的运算负担。

本发明所属技术领域中具有通常知识者可理解，如同主要能量分布区EM，短化电路350亦不限于根据能量峰的位置来界定次要能量分布区EM2。举例而言，在界定出主要能量分布区EM后，短化电路350可计算出估计通道脉冲响应h在主要能量分布区EM之外的剩余能量，并利用积分器，在估计通道脉冲响应h中寻找能够涵盖该剩余能量的百分之八十且不与主要能量分布区EM重叠的一段连续时间范围，做为次要能量分布区EM2。

实务上，短化电路350可利用多种控制和处理平台实现，包含固定式的和可程序化的逻辑电路，例如可程序化逻辑门阵列、针对特定应用的集成电路、微控制器、微处理器、数字信号处理器。此外，这两个电路亦可被设计为透过执行存储器中所储存的处理器指令来完成任务。本发明所属技术领域中具有通常知识者可理解，有多种电路组态和元件可在不背离本发明精神的情况下实现本发明的概念。

须说明的是，系数计算电路320产生的前馈滤波系数f与反馈滤波系数b，不限于做为时域决定反馈均衡器330的滤波系数初始值使用。在时域决定反馈均衡器330开始稳定运作之后，信道估计电路310仍可周期性地产生新的估计通道脉冲响应h，并且令短化电路350定期产生新的短化后脉冲响应hS、系数计算电路320计算出新的前馈滤波系数f与反馈滤波系数b，提供给时域决定反馈均衡器330。

根据本发明的另一具体实施例为一种应用于一无线通信系统的信号处理方法，其流程图是绘示于图7。首先，步骤S71为根据一接收信号产生一估计信道脉冲响应。接着，步骤S72是根据该估计通道脉冲响应的一主要能量分布区，自该估计通道脉冲响应中截取出一短化后脉冲响应。随后，步骤S73为根据该短化后脉冲响应计算出一组前馈滤波系数。步骤S74则是对该接收信号施以一时域决定反馈等化程序，其中包含对该接收信号施以使用该组前馈滤波系数的一前馈滤波程序。

本发明所属技术领域中具有通常知识者可理解，先前在介绍无线通信系统300时描述的各种操作变化亦可应用至图7中的信号处理方法，其细节不再赘述。

借由以上较佳具体实施例的详述，是希望能更加清楚描述本发明的特征与精神，而并非以上述所揭露的较佳具体实施例来对本发明的范畴加以限制。相反地，其目的是希望能涵盖各种改变及具相等性的安排于本发明所欲申请的专利范围的范畴内。本揭露书中的数学表示式是用以说明与本发明的实施例相关的原理和逻辑，除非有特别指明的情况，否则不对本发明的范畴构成限制。本领域的技术人员可理解，有多种技术可实现该等数学式所对应的物理表现形式。

Claims (9)

1.一种无线通信系统，包含：

一信道估计电路，用以根据一接收信号产生一估计信道脉冲响应；

一短化电路，用以界定出该估计通道脉冲响应的一主要能量分布区，并根据该主要能量分布区，自该估计通道脉冲响应中截取出一短化后脉冲响应；

一时域决定反馈均衡器，用以对该接收信号施以一时域等化程序，其中包含用以过滤该接收信号的一前馈滤波器；以及

一系数计算电路，用以根据该短化后脉冲响应计算出一组前馈滤波系数，供该前馈滤波器使用。

2.如权利要求1所述的无线通信系统，其特征在于，该系数计算电路能被弹性组态，而非固定针对具有一特定通道长度的短化后脉冲响应进行计算；该无线通信系统进一步包含：

一组态控制器，耦接于该短化电路与该系数计算电路之间，用以根据该短化后脉冲响应所对应的一通道长度来组态该系数计算电路。

3.如权利要求1所述的无线通信系统，其特征在于，该时域决定反馈均衡器包含一反馈滤波器，该系数计算电路是根据该估计信道脉冲响应计算出一组反馈滤波系数，供该反馈滤波器使用。

4.如权利要求1所述的无线通信系统，其特征在于，该时域决定反馈均衡器包含一反馈滤波器，该系数计算电路亦根据该短化后脉冲响应计算出一组反馈滤波系数，供该反馈滤波器使用。

5.如权利要求4所述的无线通信系统，其特征在于，该短化电路进一步界定出该估计通道脉冲响应中不同于该主要能量分布区的一次要能量分布区，并根据该次要能量分布区，自该估计通道脉冲响应中截取出一次要脉冲响应；该系数计算电路根据该短化后脉冲响应以及该次要脉冲响应计算出该组反馈滤波系数。

6.一种应用于一无线通信系统的信号处理方法，包含：

(a)根据一接收信号产生一估计信道脉冲响应；

(b)界定出该估计通道脉冲响应的一主要能量分布区，并根据该主要能量分布区，自该估计通道脉冲响应中截取出一短化后脉冲响应；

(c)根据该短化后脉冲响应计算出一组前馈滤波系数；以及

(d)对该接收信号施以一时域决定反馈等化程序，其中包含对该接收信号施以使用该组前馈滤波系数的一前馈滤波程序。

7.如权利要求6所述的信号处理方法，其特征在于，该时域决定反馈等化程序亦包含一反馈滤波程序；该信号处理方法进一步包含：

(e)根据该估计通道脉冲响应计算出一组反馈滤波系数，供该反馈滤波程序使用。

8.如权利要求6所述的信号处理方法，其特征在于，该时域决定反馈等化程序亦包含一反馈滤波程序；该信号处理方法进一步包含：

(e)根据该短化后脉冲响应计算出一组反馈滤波系数，供该反馈滤波程序使用。

9.如权利要求8所述的信号处理方法，其特征在于，该时域决定反馈等化程序亦包含一反馈滤波程序；该信号处理方法进一步包含：

根据该估计通道脉冲响应的一次要能量分布区，自该估计通道脉冲响应中截取出一次要脉冲响应；以及

根据该短化后脉冲响应与该次要脉冲响应计算出该组反馈滤波系数。