CN1157036C - 无线接收器中的均衡方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种在接收来自发送器的信号的无线接收器中进行均衡处理的均衡器100，其中在发送器和接收器之间有一个信道，该信道具有一个信道脉冲响应CIR。均衡器100包括产生多个抽头系数的CIR估测装置1；评价CIR估测装置产生的抽头系数并且输出一个评价信号的评价装置2；和一个接收评价信号的均衡器算法处理单元5，该处理单元根据评价信号选择并执行多个不同的均衡器算法中的一个算法，其中当可以忽略一或多个抽头系数时，与一个涉及CIR估测装置1产生的所有系数的算法相比，可以优先选择并执行一个需要较少处理能力的算法。

Description

无线接收器中的均衡方法和装置
技术领域
本发明涉及无线接收器中的均衡方法和装置。具体地，本发明涉及在GSM手机中进行有效的均衡的方法和相应的装置。
背景技术
移动电话手机包含构成接收器电路一部分的信道均衡器以便对多路径信号耗散所导致的信号冲突加以补偿。在许多数字移动电话系统(例如GSM)中，所设立的标准针对构成系统的一个组成部分的手机均衡器提出了最低需求。
均衡器所需的最低标准通常高于最坏情况下(例如在丘陵环境中)的需求。不幸的是，在常规均衡器中这种高操作标准需要均衡器消耗大量的能量。在备用模式下均衡器的功耗占用了手机总功耗中的绝大部分。
均衡器的功能是复杂的，但可以在相对较高的层次上对其加以描述，其中首先标明一个响应发送器和接收器之间发送的数字信号的冲突的均衡数字滤波器(也被称作估测信道脉冲响应(CIR))，这种冲突是由多路径耗散，发送和接收电路产生的；接着使用所获得的CIR根据(冲突)接收信号尽可能最优地恢复出最初的发送信号。
为了获得CIR估测，发送器频繁(作为帧的一部分)发送一个接收器已知的信号(参照信号(midamble))，接着尝试把接收信号与所发送的信号(如上所述，是接收器已知的信号-即在接收器本地存储的信号)相匹配。在这个过程中，均衡器有必要在接收信号和本地存储的发送信号之间尝试进行同步。但作为多路径耗散的结果，有一些不同的时间同步点可以是(至少部分地)适用的。
例如，在一个典型的GSM移动站接收器中，在时间周期中的10或11个不同的时间点上测量本地存储参照信号和接收信号之间的相关，其中该时间周期的长度等于在两个不同的时间点之间发送一个单独的信息位所用的时间长度。测量这些时间点上的相关强度，并且该强度值被称作抽头系数或抽头(tap)。在这个点上进行时间同步以便识别出最相关的抽头，并且此后保留5个固定的抽头以便进行后续的处理。通过这种方式导出的5个抽头系数接着被用来表示CIR并且可以被用于均衡的第二阶段(即恢复发送信号的未知部分)。国际出版专利申请第WO 92/11708号描述了这样一种可以用于本发明的均衡器。
在均衡处理的第二阶段，均衡器本质上利用接收数据信号和抽头系数执行一个算法，其中抽头系数在第一阶段被导出，并且被用作上述算法的数据。这种算法的性能非常严重地依赖于所需的总处理能力(用百万指令每秒(MIPS)来表示)。这种类型的一个常用算法被称作Viterbi算法，其中所需的总处理能力与2L成正比，其中L是以发送一个单独位的时间量为单位的约束长度，并且在常规GSM系统中，其数值等于抽头系数的数量减1(即在GSM系统中为4)。
发明内容
本发明试图提供一种在无线接收器中进行均衡处理的方法和装置，该方法和装置在某些情况下可以减少均衡器的功耗。
根据本发明的第一方面，其中提供了在接收来自发送器的信号的无线接收器中进行均衡处理的均衡器，其中在发送器和接收器之间有一个信道，具有一个信道脉冲响应CIR，该均衡器包括产生多个抽头系数的CIR估测装置；评价CIR估测装置产生的抽头系数并且输出一个评价信号的评价装置；和一个适于接收评价信号的处理单元，该处理单元根据评价信号选择并执行多个不同的均衡器算法中的一个算法，其中当忽略一或多个抽头系数时，与一个考虑CIR估测装置产生的所有系数的算法相比，优先选择并执行一个需要较少处理能力的算法。
根据本发明的第二方面，其中提供了在接收来自发送器的信号的无线接收器中进行均衡处理的方法，其中在发送器和接收器之间有一个信道，具有一个信道脉冲响应CIR，该方法包括的步骤有，通过产生多个抽头系数估测CIR；评价所产生的抽头系数；并且根据评价抽头系数步骤的结果选择并执行多个不同均衡器算法中的一个算法，其中当忽略一或多个抽头系数时，与一个涉及在估测CIR的步骤得到的所有系数的算法相比，优先选择并执行一个需要较少处理能力的算法。
评价抽头系数的步骤最好考虑在对发送器发送的前置帧进行均衡处理时忽略的抽头系数的数量。通过一个约束长度均值装置可以做到这一点，该装置适于对约束长度进行统计分析，而均衡器在对前面发送的帧进行均衡处理期间使用或者在其中的某个点上产生上述约束长度。
评价抽头系数的步骤最好包括考虑发送器和接收器之间的距离的步骤。通过使用发送器发送到接收器的一个参数和一个接收该参数的移动站至基发送站距离估测装置可以很容易地导出该距离。这种参数一个很好的用途是通知接收器在向发送器发送一个信号时应当需要多大的功率。并且，评价抽头系数的步骤还可以额外包括考虑发送器和/或接收器所处的环境的步骤。通过一个分析基发送站发送的包含这类信息的参数的环境分析装置可以很方便地做到这一点。这种参数将被包含在未来的，诸如UMTS的电信标准中。
评价抽头系数的步骤最好引入一个额外的，修改某些抽头系数的步骤，以便在抽头系数低于某个阀值时可以方便地把一或多个抽头系数设置成0。阀值最好是一个与接收信号的信噪比(SNR)成反比的变量，其中SNR越低，阀值的设定值越高。
评价抽头系数的步骤最好包括在可能的情况下进行约束长度缩减的步骤，其中选择一或多个要被忽略的末端抽头系数。末端抽头系数可以对应于最小延迟或最大延迟的抽头系数。在不同的环境下，当在每个不容忽略的抽头系数后可以忽略固定数量的抽头系数时，可以执行一个准约束长度缩减步骤，其中包括(为了执行均衡器算法)将约束长度除以1+在每个不容忽略的抽头系数之后忽略的抽头系数的数量，并且以相同的次数单独对相同数量的接收数据信号或样本分支执行均衡器算法，从而产生两个，三个，四个或更多个分支，其中根据每个非忽略抽头之后是否清除了一个，两个，三个或更多个抽头，通过只处理每个分支中的第二，第三，第四或其它样本从而产生出各个分支。换而言之，在剩余抽头之间的间隔为N的情况下，分别在N个分支上进行均衡处理。
附图说明
为了更好地理解本发明，现在参照附图描述本发明的一个实施例，其中整个图例是一个描述基于本发明的均衡器的模块图。
具体实施方式
均衡器100包括信道脉冲响应(CIR)估测装置1，评价装置2和一个均衡器算法处理单元5。评价装置2包括一个信噪比(SNR)计算装置20；阀值估测装置21；抽头清除装置22；噪声均值装置31；约束长度均值装置32；移动站(MS)至基发送器站(BTS)距离估测装置33；环境分析装置34；Lmax计算装置35；和约束长度调整装置40。处理单元5包括算法选择装置50；Viterbi序列估测装置51；匹配滤波装置52；和查询表53。
均衡器100构成了接收器(未示出)的一部分，而该接收器则构成了数字移动电话手机(MS)的一部分。均衡器对基站发送器(BTS)发送的信号进行均衡处理，该信号因多路径畸变在BTS和MS之间发生冲突(corrupted)。为了进行均衡处理，通过比较本地存储的参照信号和BTS以每个帧数据发送的信号，估测出BTS和MS之间的通信信道的CIR。均衡器100的输出是一个比特流，它可以与BTS发送的比特流相对应。所示的均衡器100有四个基本输入101，102，103，104和一个基本输出105。CIR估测装置1有两个输入。CIR估测装置1的第一个输入接收MS的接收器已经检测到的接收解调信号的样本101。CIR估测装置1的第二个输入接收本地存储的参照信号102。CIR估测装置产生一些抽头系数或抽头，这些抽头系数或抽头表示沿着不同长度路径传播的发送信号的不同分量的量级，而这些路径使得不同分量之间的相对延迟等于BTS在发送数据的一帧内发送单独一位所需的时间。这种CIR估测装置是众所周知的，因而下面不再进一步地描述该部件的结构和操作。
图示的均衡器只适用于GSM系统，因而CIR估测装置1产生5个抽头。当然，在不同于GSM的系统中会需要产生更多或更少的抽头。本发明可以等价地适用于这样的系统，尽管需要对图示的部件(例如CIR估测装置)进行微小的修改。
CIR估测装置1产生的抽头可以被称作Initial_Taps。Initial_Taps被传送到SNR计算装置20和抽头清除装置22。SNR计算装置还把已知的参照信号102当作输入来接收。根据这两个输入(参照信号102和Initial_Taps)，SNR计算装置能够产生接收信号的SNR。由于这种SNR计算装置是众所周知的，所以不再详细描述。
SNR计算装置产生的SNR被传送到阀值估测装置21。阀值估测装置21产生一个阀值级别，其量级与SNR成反比。阀值估测装置一种可能的实现方法是使用查询表。本领域的技术人员显然还可以找到其它的实现方法。
阀值估测装置21产生的阀值被传送到抽头清除装置22。抽头清除装置22也把CIR估测装置1产生的Initial_Taps当作一个输入来接收。抽头清除装置22比较Initial_Taps和阀值，并且把任何小于阀值的抽头设置为0。通过这个过程产生的抽头可以被称作Modified_Taps。由于低于阀值级别的抽头实际包含了超过有用信号的噪声，所以通过这种方式修改抽头实际上改进了CIR估测。
在美国专利第5,251,233号中详细描述了阀值估测和通过抽头清除减少噪声的原理，这里在本发明的阀值估测和抽头清除部分中参考引用了上述专利的内容。但应当注意，在美国专利5,251,233中尽管某些抽头被设置成0，但均衡器在执行均衡算法时仍然对其加以计算，因而算法的复杂度并未得到任何减少。
抽头清除装置22还产生一个经过修改的约束长度L，该长度可以被称作Modified_L。这是美国专利5,251,233中未包含的内容。约束长度L基本上是以脉冲串中相邻位之间的时间为单位测量出的第一个和最后一个抽头之间的时间。在GSM系统中，这个时间为3.69μs，并且产生5个抽头，这表示第一个抽头和最后一个抽头之间的时间间隔为4*3.69μs，因而给定的未修改约束长度为4。但是，如果抽头清除装置22将一个外部边缘抽头(即第一个或最后一个抽头)设置为0，则通过忽略被设置为0的抽头可以减少约束长度。
SNR计算装置20产生的SNR被传送到噪声均值装置31(另外还被传送到阀值估测装置21)。噪声均值装置31跟踪从一个脉冲串到另一个脉冲串的时间内的SNR变化，并且产生指示最近从BTS发送的一些(例如30个)最近接收的脉冲串的SNR平均值和SNR变化的参数。这些参数可以被称作Noise_average和Noise_variance。为了保证类似的脉冲串相互比较，噪声均值装置31还把一个指示MS操作模式的模式参数当作一个输入来接收。模式参数还允许均衡器在从一个BTS切换到另一个BTS时重新初始化其均值装置(即噪声和约束长度均值装置)。
约束长度均值装置32把抽头清除装置22输出的Modified_L参数，来自SNR计算装置20的SNR和噪声均值装置31产生的Noise_variance和Noise_average参数当作输入来接收。约束长度均值装置的基本功能是计算最近接收的脉冲串的Modified_L参数以便防止在应当使用较小的约束长度时误用了较高的Modified_L值。通过一个输出一些前导Modified_L值的中间值的算法可以容易地做到这点。根据与各个Modified_L值相关的SNR对Modified_L的值进行加权，可以改进这种功能。根据Noise_variance和Noise_average参数改变与具体SNR相关的加权，则可以增强这种功能。约束长度均值装置32的输出是一个可以被称作Lmax_32的均值约束长度。
MS至BTS距离估测装置33把指示MS和BTS之间的距离的一或多个参数当作输入来接收。这样的一个参数可以是MS_TX_Power参数，BTS发送该参数以便通知在一个特定小区中的空闲MS，发送功率有多高才能保证BTS接收满意。这个参数依赖于MS和BTS之间的最大可能距离。在某些情况下小区可能非常地小(例如在微小区环境中)，在这种情况下MS_TX_Power参数也会很小，并且多路径畸变的机会很小。这样可能会依赖一个假定，即所需要的最大约束长度会比系统提供的至少要小一些。在本例子中，提供一个根据MS_TXPower的值输出一个被称作Lmax_33的约束长度参数的查询表。通过现场实验可以很容易地建立查询表的详细内容，但使用本领域技术人员已知的公式可以预先加以估测。
除了能够接收一个提供关于MS所定位的小区环境(例如，室内，乡村，市区，丘陵等等)显式信息的参数之外，环境分析装置34类似于MS至BTS距离估测装置。该装置还根据一个查询表输出一个被称作Lmax_34的约束长度参数。另外该装置还输出一个指示可以忽略某些中间抽头并且可以使用一个特殊类型的，复杂度减少了的均衡器算法的参数，下面会结合某种环境(例如某种丘陵乡村环境)更详细地描述该参数。在当前的GSM系统中找不到这种环境参数，但在将来的系统(例如UMTS)中会使用到。
Lmax计算装置35接收参数Lmax_32，Lmax_33和Lmax_34，并且在其间作出判断以便产生一个总的Lmax参数Lmax_overall。最优的判决方法是在可能的情况下使用Lmax_34(在常规GSM系统中不会是这样)，否则将Lmax_overall设置成Lmax_32和Lmax_33中较小的一个。另外，Lmax计算装置可以考虑MS所处的工作模式以便在Lmax_32不可靠时能够检测出切换，并且可以计算Noise_variance和Noise_average参数，在Lmax_33没有Lmax_32可靠时这些参数可以被用来检测噪声很严重的操作差错。
参数Lmax_overall和抽头清除装置22输出的Modified_Taps和Modified_L被传送到约束长度调整装置40。约束长度调整装置40首先比较Modified_L和Lmax_overall，并且在Modified_L大于Lmax_overall时(表明可以安全地减少约束长度)修改Modified_Taps。为了减少约束长度，有必要清除一或多个外部边缘抽头。显然应当以保持最大抽头的方式进行这一步工作。如果只需要清除一个抽头，应当比较第一个抽头和最后一个抽头并且清除最小的一个抽头。如果要清除两个抽头，则有三个不同的，应当清除的抽头对，即前两个抽头，后两个抽头，第一个和最后一个(即每端的一个)抽头；这些不同的抽头对必须被加到一起并且相互比较，最小的抽头对将被清除。本领域的技术人员显然可以理解保证这个处理正确执行的合适算法。
一旦对Modified_Taps进行了这种性质的任何修改，约束长度调整装置40便会产生Final_Taps和一或多个提供关于Final_Taps的信息的参数。这样的信息会指明在最初的5个抽头中已清除哪些抽头。可选地可以提供一个表示已清除抽头的信息的附加参数，在此阶段仍然会保留所有5个抽头，包括那些在下行将被忽略的已经被设置为0的抽头。
另外，约束长度调整装置可以尝试进行准约束长度缩减，其中可能忽略任意的抽头(例如抽头1和3)，或者除了2个抽头以外的所有抽头。在这些情况下，可以准增加仅用于均衡器算法的帧中的各个位之间的时间长度；这样会导致约束长度看上去被减少了与准增加相同的数量。例如，如果清除抽头1和3，则抽头0，2和4可以被看作表示一个约束长度为2并且每隔7.38μs发送一位的系统。为了恢复所有样本的数据，有必要执行两次算法，一次使用“偶”样本而另一次使用“奇”样本(“偶”样本是指样本0，2，4...，而“奇”样本是指样本1，3，5...，以其时间为序)。作为第二个例子，已经清除了抽头1，2和3并且只保留抽头0和4，这样可以被看作表示一个约束长度为1并且相邻位间隔为14.76μs的系统；为了恢复所有样本的数据，有必要针对样本4m，4m+1，4m+2和4m+3的连续4个子集执行4次算法，其中m是一个在0和总样本数除4所得的数之间变化的整数。
约束长度调整装置40的输出构成了评价装置2的总输出并且被传送到均衡器算法处理单元5，在该单元中选择并执行均衡器算法。在均衡器算法处理单元5中，算法选择装置50把约束长度调整装置40产生的参数当作输入来接收。根据这些参数，算法选择装置50能够明确应当怎样执行均衡器算法才能使复杂度最小并且使处理器在执行算法时消耗的MIPS数量最少。为了保证均衡器算法能够正确执行，该装置还对均衡器算法处理单元的其它部分进行任何必要的微小调整。下面会更详细地描述算法选择装置的操作。
约束长度调整装置的输出还被提供给各个Viterbi序列估测装置51，匹配滤波装置52和查询表53。这三个部件的基本操作在本领域中是众所周知的，除了根据本发明与常规Viterbi序列估测器中的对应部件有显著区别的部分之外，这里不再详细描述其它内容。注意均衡器100把Viterbi序列算法作为其均衡器算法；但本领域技术人员显然理解也可以使用诸如判定反馈算法的任意其它算法。还应当注意查询表53与使用Viterbi算法相关，并且在使用其它均衡器算法时可以省略查询表。
部件51，52和53的基本操作如下所述。匹配滤波装置52接收样本101并且对接收样本101进行数字滤波以便部分计算出BTS发送器和MS接收器之间的信道的CIR的影响。通过使用Final_Taps表示的CIR的时逆复共轭对接收样本101进行卷积处理从而完成数字滤波。一旦接收样本101经过了滤波，则被传送到Viterbi序列估测装置51。查询表53接收约束长度调整装置40的输出参数并且使用其中包含的CIR信息产生自相关系数，该系数接着被用来产生多个基于这些自相关系数的，被存储在查询表53中以便Viterbi序列估测装置51有效使用的数值。针对给定约束长度计算这些数值的方法是众所周知的，这里不再详细描述。
Viterbi序列估测装置51把查询表53中存储的数值和来自匹配滤波装置52的滤波样本用作合适的Viterbi算法的输入，该算法产生一个应当与发送BTS发送的位流相对应的恢复位流。适用于给定约束长度的算法是众所周知的，这里不再讨论。
为了使Viterbi算法复杂度最小，算法选择装置50分析Final_Taps，Final_constraint_length和一或多个提供关于已经清除的抽头(如果有)的信息的参数，并且确定应当如何最优地执行Viterbi算法。例如，如果最后一个抽头被清除或设置成0，则可以使用一个只考虑4个抽头(约束长度被减为3)的Viterbi算法。在这些情况下显然查询表53不必计算出许多数值。因而算法选择装置与Viterbi序列估测装置51和查询表53通信使得它们只期望接收(或处理)4个抽头(或前4个抽头)。显然，除了省略许多步骤之外，这样的算法与用于处理5个抽头的算法基本相同。这样就大大减少了执行算法所需的MIPS数量。
作为第二个例子，如果可以清除第一个抽头，则算法选择装置再次通知Viterbi序列估测装置51和查询表53使得它们只期望接收(或处理)4个抽头(或前4个抽头)。但为了保证样本和抽头之间的假定对应关系不会出错，算法选择装置控制在匹配滤波装置52中对样本进行移位，以便兼容与5个抽头的情况相比对应于信道中一个额外延迟的情况。为此，算法选择装置50也与匹配滤波装置52通信。
作为第三个例子，在抽头1和3被清除或设置成0时，算法选择装置50通知Viterbi序列估测装置51和查询表53，使得它们只期望接收(或处理)3个抽头(或第一，第三和第五个抽头)。但是，在这种情况下算法选择装置也必须把样本分成两组样本(偶和奇)以便针对各组样本各运行一次算法并且在输出恢复的位流之前重新装配(通过插入两个输出流)出恢复位流。在只保留2个抽头时，算法选择装置进行类似的操作以保证执行需要MIPS最少的算法。
最好通过适于编程的数字信号处理器(DSP)实现上述均衡器。

Claims (10)

1.一种在接收来自发送器的信号的无线接收器中进行均衡处理的均衡器，其中在发送器和无线接收器之间有一个信道，该信道具有信道脉冲响应CIR，该均衡器包括产生多个抽头系数的CIR估测装置；评价该CIR估测装置产生的抽头系数并且输出一个评价信号的评价装置；和一个接收该评价信号的均衡器算法处理单元，该均衡算法处理单元根据该评价信号选择并执行多个不同的均衡器算法中的一个算法，其中当忽略一或多个抽头系数时，与一个涉及该CIR估测装置产生的所有抽头系数的算法相比，优先选择并执行一个需要较少处理能力的算法。
2.如权利要求1所述的均衡器，其中评价装置包括约束长度调整装置，该约束长度调整装置为了执行选择的均衡器算法在可能的情况下改变接收信号的约束长度。
3.如权利要求2所述的均衡器，其中评价装置包括约束长度均值装置，该约束长度均值装置对约束长度进行统计分析，而均衡器在对前面发送的帧进行均衡处理期间使用上述约束长度或者在其中的某个点上产生上述约束长度。
4.如权利要求1至3中任一项所述的均衡器，其中评价装置包括一个移动站至发送基站距离估测装置，该距离估测装置接收发送器发送的一个指示无线接收器和发送器之间最大距离的参数。
5.如权利要求1至3中任一项所述的均衡器，其中评价装置包括环境分析装置，该环境分析装置接收发送器发送的一个指示发送器所处的环境类型的参数。
6.如权利要求2所述的均衡器，其中评价装置包括抽头清除装置，该抽头清除装置在一或多个抽头系数低于某个阀值时把这些抽头系数设置成0。
7.如权利要求5所述的均衡器，其中评价装置还包括阀值估测装置，该阈值估测装置以和接收信号信噪比成反比的方式设置阀值。
8.如权利要求1所述的均衡器，其中评价装置包括抽头清除装置，该抽头清除装置在一或多个抽头系数低于某个阀值时把这些抽头系数设置成0；均衡器算法处理单元分别在根据接收信号导出的数据流的N个分支上进行均衡处理，只要剩余抽头系数之间的间隔为N。
9.如权利要求8所述的均衡器，其中评价装置还包括阀值估测装置，该阈值估测装置以和接收信号信噪比成反比的方式设置阀值。
10.一种在接收来自发送器的信号的无线接收器中进行均衡处理的方法，其中在发送器和无线接收器之间有一个信道，该信道具有信道脉冲响应CIR，该方法包括的步骤有，通过产生多个抽头系数估测CIR；评价所产生的抽头系数；并且根据评价抽头系数步骤的结果选择并执行多个不同均衡器算法中的一个算法，其中当忽略一或多个抽头系数时，与一个涉及在估测CIR的步骤得到的所有抽头系数的算法相比，优先选择并执行一个需要较少处理能力的算法。
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