CN1169392C - 包含信道跟踪器的数字通信接收机及其运行方法 - Google Patents

Abstract

数字通信接收机(300)通过通信信道与数字通信发射机通信以及它具有：信道估值器(330)，它根据接收信号(y_t)提供通信信道的信道估值(H₀)；均衡器(340)，它根据接收信号和信道估值来估值发送的符号序列(u_t)和提供判决的符号(_t)序列；以及信道跟踪器(350)，它根据接收信号(y_t)和判决的符号(_t)产生更新的信道估值(H_t)和提供更新的信道估值给均衡器。数字通信接收机(300)还具有控制器(370)，它接收与来自均衡器的输出有关的信道质量指示数据(量度)，确定这些数据是否无法满足预定的准则，如果是的话，则把一个使能控制信号(“跟踪器是/否？”)提供给信道跟踪器，这样，将把信道跟踪器从禁止状态(其中不产生更新的信道估值(H_t))切换到使能状态(其中产生所述更新的信道估值(H_t))。

Description

包含信道跟踪器的数字通信接收机及其运行方法

技术领域

本发明涉及适用于通过通信信道与数字通信发射机通信的数字通信接收机，它包括：信道估值器，用于根据接收信号提供通信信道的信道估值；均衡器，用于根据接收信号和信道估值来估计发送的符号序列和提供判决的符号(decided symbol)序列；以及信道跟踪器，用于根据接收信号和判决的符号产生更新的信道估值和提供更新的信道估值给均衡器。本发明也涉及包含这样的数字通信接收机(例如，TDMA接收机)的无线通信设备，例如无线电话。

而且，本发明涉及运行数字通信接收机的方法，其中根据接收信号来产生接收机和相应的通信发射机之间的通信信道的信道估值，以及根据接收信号和信道估值来产生判决的符号序列。

背景技术

如上所述的数字通信接收机被广泛地应用于现代通信系统中。例如，用于移动或蜂窝电信的最现代化的系统就是建立在数字通信的基础上的，其中GSM和EDGE是两个熟知的例子。在数字通信系统中，数字通信接收机必然需要具备相当的复杂程度，以便能够处理信号失真(诸如多径传播)，以及能够译码从数字通信发射机发送的数据。一个显著的问题是，在发射机与接收机之间的无线信道是时变的，其原因是：或者主通信设备(其中包含接收机的设备，诸如移动电话)本身正在移动，或者外部物体正在移动(例如，汽车或火车)，因而使发射的无线电波产生杂散的反射波，这些反射波可能到达接收机。因此，需要一种能够适应于时变的实际环境的接收机技术。

在GSM中使用的时分多址(TDMA)中，信息是以脉冲串(burst)形式通过无线信道从发射机发送到接收机的。每个脉冲串包含载送信息的数据，其内容对于接收机是事先未知的；以及已知的训练序列。训练序列被使用于进行同步和信道估值，以便执行接收信号的相干检测。

图1显示现有技术的TDMA接收机结构。脉冲串是在天线1处以例如具有900MHz或1800MHz的载频的射频或微波信号被接收的。前端接收机110接收来自天线1的信号，处理该信号以及把它下变频成基带信号y_t。前端接收机110包括各种熟知的部件，诸如滤波器、放大器、混频器、和本地振荡器。

接收的基带信号y_t被馈送到同步器120，它被安排来把已知的训练序列与接收信号y_t(它包含相同的训练序列)进行相关，其中同步器120能够定位同步位置。然后，接收信号y_t连同定位的同步位置一起被馈送到信道估值器130。信道估值器130被安排来确定无线信道的估值H。

作为下一个步骤，接收的基带信号y_t、信道估值H和同步位置都被提供到均衡器140，它根据预定的信道模型解调接收信号y_t，以便估计发送的信号。信道模型例如可以表示为：

                   Y_t＝H^TU_t+e_t，其中H＝[h₀，…，h_L]^T，是复数值的信道滤波器抽头，U_t＝[u_t…，u_t-L]^T是具有发送的符号的矢量，以及e_t代表噪声。这种信道模型在J.Proakis的“Digital Communications(数字通信)”，McGraw-Hill，New York，1995中有进一步描述，该书在此全部引用，以供参考。

换句话说，均衡器140被安排来估计发送的符号u_t。均衡器140提供判决的符号

序列作为第一输出以及提供质量(qualitative)信息M_t(在图1上被标注为量度Metric)作为第二输出，该M_t是估计的符号与发送的符号之间的接近程度的量度。当进一步处理接收信号时将使用这个质量信息。通常，质量信息M_t是基于接收的序列与给定判决符号时的预测的接收序列之间的平方距离(squared distance)，即：

$M_t={|y_t-{y^{^}}_t|}^2={|y_t-H^T{U}_t|}^2,$

其中 $U_t=\[{\hat{u}}_{t...,}{\hat{u}}_{t\·L}{\]}^T$ 是具有判决符号的矢量。可以看到，如果M_t是一个小的数值，则估计的信道H≈真实的信道H_real，即，估计的信道滤波器抽头基本上正确地被估计，而且，U＝U_transmitted，即，估计的符号是正确的。

如果主通信设备不太快速地移动，则以上的方法呈现良好的性能。在这样的条件下，合理的正确假设是，信道滤波器抽头H在发送信息的一个脉冲串期间内是常数。然而，当主通信设备的速度增加时，无线信道在脉冲串范围内开始改变，这意味着，借助于训练序列得到的信道估值对于脉冲串内的整个数据序列将是不正确的。例如，对于GSM中使用的TDMA接收机(其中在1800MHz频段上利用GMSK调制)，当主通信设备的速度增加到大于100-200km/h时，性能开始恶化。在EDGE系统中(其中利用8-PSK调制，它比起GMSK调制对于失真更敏感)，在约50km/h的速度时性能已开始恶化。因此，为了处理这个问题，需要信道跟踪器。

图2上显示带有信道跟踪器的先前已知的TDMA接收机结构。如图1所示，由天线1接收的脉冲串由前端接收机210变换成已接收的基带信号y_t。由同步器220把接收信号与已知的训练序列进行相关，以便找出同步位置，然后，由信道估值器230对信道进行估值，这与以上针对图1的信道估值器130所描述的情况相对应。

信道估值H₀是一个初始估值，它被使用来开始由均衡器240执行的均衡处理过程。正如参照图1描述的，均衡器240估计已判决的符号 序列以及质量信息(量度)。已判决的符号 序列连同接收信号y_t一起被提供到信道跟踪器250，它针对每个时刻t＝1，…，N更新信道估值H_t，其中N是脉冲串的持续时间。信道估值H_t随后被反馈到均衡器240，它将使用所述更新的信道估值，以便确定

等等。

通过使用信道跟踪器250，本来与高速度活动的主通信设备有关的问题可得到解决。然而，图2所示的现有技术接收机的信道跟踪器250在所有的运行时间期间被恒定地使用，这意味着，即使当主通信设备的速度很低以及无需信道跟踪器也能得到良好的性能时，接收机仍然执行许多不必要的数据处理。而且，由于在所有的时间都使用信道跟踪器250，对于先前已知的接收机(例如图2所示的接收机)而言，很高的电流消耗是所不希望的。

发明内容

本发明的目的是提供如上所述的在电流消耗方面得到改进的数字通信接收机。

以上的目的是通过提供一个控制器而达到的，该控制器确定和估计通信信道的瞬时质量，以及由此而产生一个控制信号，该控制信号被用来使能或禁止信道跟踪器的工作，使得信道跟踪器只在需要的场合下(当通信信道的质量由于数字通信接收机高速度运动而恶化时)才激活。

因此，按照本发明，信道跟踪器根据当前的无线信道条件被接通或被关断。接通或关断信道跟踪器的判决是根据来自均衡器的质量信息输出而作出的。可替换地，该判决是根据在脉冲串的末端和/或开始端处的新的信道估值与初始的信道估值之间的比较结果而作出的。通过只在必要时使用信道跟踪器，接收机消耗的处理功率可被减小，由此允许在便携式主处理设备(诸如移动或蜂窝无线电话)中在电池重新充电之前有更长的运行时间。

根据本发明，提供一种数字通信接收机，用于通过通信信道与数字通信发射机通信，该数字通信接收机包括：信道估值器，用来根据接收信号来提供通信信道的信道估值；均衡器，用来根据接收信号和信道估值来估计发送的符号序列和提供判决的符号序列；以及信道跟踪器，用来根据接收信号和判决的符号序列来产生更新的信道估值，并用来提供更新的信道估值给均衡器；其特征在于，控制器，它耦合到均衡器和信道跟踪器；其中所述控制器用来接收均衡器的输出的信道质量指示数据，以确定所述信道质量指示数据是否无法满足预定的准则，并在是这样的情况时提供使能控制信号给信道跟踪器；以及其中所述使能控制信号用来将信道跟踪器从禁止状态切换到使能状态，在该禁止状态中不产生更新的信道估值，而在该使能状态中产生所述更新的信道估值。

根据本发明，还提供一种数字通信接收机，用来通过通信信道与数字通信发射机通信，该数字通信接收机包括：信道估值器，用来根据接收信号来提供通信信道的信道估值；均衡器，用来根据接收信号和信道估值来估计发送的符号序列和提供判决的符号序列；以及信道跟踪器，用来根据接收信号和判决的符号序列来产生更新的信道估值，并用来提供更新的信道估值给均衡器；其特征在于，控制器，它耦合到信道跟踪器；其中所述控制器用来将所述更新的信道估值与初始信道估值进行比较，并在此比较表示差值小于所述预定的准则时提供禁止控制信号给信道跟踪器；以及其中所述禁止控制信号用来将信道跟踪器从使能状态切换到禁止状态，在该使能状态中产生所述更新的信道估值，而在该禁止状态中不产生更新的信道估值。

根据本发明，又提供包括上述的数字通信接收机的一种无线通信设备。

根据本发明，还提供运行数字通信接收机的一种方法，其中根据接收信号产生在接收机与数字通信发射机之间的通信信道的信道估值，并且其中判决的符号序列是根据接收信号和信道估值产生的，其特征在于以下步骤：(a)接收信道质量指示数据，所述数据直接或间接地与所述判决的符号序列相关；(b)确定所述信道质量指示数据是否无法满足预定的准则；以及(c)有条件地，如果不满足预定的准则，则从禁止状态切换到使能状态，在该禁止状态中不产生更新的信道估值，而在该使能状态中根据所述接收信号和所述判决的符号序列来产生更新的信道估值。

根据本发明，又提供运行数字通信接收机的一种方法，其中根据接收信号产生在接收机与数字通信发射机之间的通信信道的信道估值，并且其中判决的符号序列是根据接收信号和信道估值产生的，其特征在于以下步骤：(a)根据判决的符号序列来接收更新的信道估值；(b)把所述更新的信道估值与初始信道估值进行比较；以及(c)有条件地，如果此比较结果表示差值小于预定的准则，则从使能状态切换到禁止状态，在该使能状态中根据所述接收信号和所述判决的符号序列来产生更新的信道估值，而在该禁止状态中不产生更新的信道估值。

通过以下对优选的和替换的实施例的更详细的说明，以及通过附属权利要求以及通过附图，将明白本发明的其它目的、优点和特性。

附图说明

现在结合附图参照优选的和替换的实施例，更详细地描述本发明，其中：

图1和2是显示现有技术的两个通信接收机的图，

图3是显示按照优选实施例的数字通信接收机的示意性方框图，

图4是显示按照替换的实施例的数字通信接收机的示意性方框图，

图5是显示在三个不同的情形下来自接收机的均衡器的质量信息输出的典型形状的三条曲线的图。

具体实施方式

首先参照图5，可以看到，均衡器的质量信息输出(M_t，量度)的变化曲线取决于影响接收信号y_t的是哪种失真。对于不具有信道跟踪器的接收机，显示了对于三种不同情形的三种典型的质量信息的变化曲线。接收机不具有信道跟踪器，这意味着在训练序列期间得到的信道估值将被使用于整个脉冲串。

图5的最上面的图形显示其中白色噪声代表占主要地位的失真的情形。可以看到，在训练序列(TS)和信息序列(数据)期间质量信息是相当恒定的。

在第二图形中，占主要地位的失真来源于同信道干扰源，即，一个正在以相同的载频发射的远端发射机。由于同信道干扰源不能与想要的信号同步，只有脉冲串的某些部分可能导致失真(在图5上，第二图形的最右面部分)。

在图5的最上面的图形，失真是由于主通信设备的高速度造成的，这表示通信信道是时变的，并且在脉冲串的范围内是变化的。由于在均衡器中使用的信道抽头H在训练序列期间被估计以及它是对于脉冲串的中心被最佳化的(在图5所示的例子中)，因此质量信息在脉冲串的末端增加。质量信息的性能情况按照本发明可被使用来确定究竟是需要信道跟踪器能够进行工作还是被禁止工作。

图3显示按照本发明的优选实施例的数字通信接收机300。

类似于图1和2所示的现有技术接收机，数字通信接收机300被连接到天线1，用于接收由数字通信发射机发射的射频和微波信号。射频或微波信号被提供到前端接收机310，它把信号下变频成所接收的基带信号y_t，与以上参照图1和2描述的相类似。前端接收机310包括其本身已知的各个部件，诸如滤波器、放大器、本地振荡器、和混频器，所有这些是本领域技术人员熟知的。因此，前端接收机310的内部结构在这里无需进一步描述。

接收信号y_t被提供给同步器320，它把已知训练序列与包含同一个训练序列的接收信号y_t进行相关，其中同步器320能够定位同步位置。接收信号y_t连同同步位置一起提供给信道估值器330，后者以基本上与参照1和2描述的相同的方式估计信道H。

接收信号y_t、信道估值H、和同步位置都被提供给均衡器340，后者调制接收信号，以便得到发送的数据。正如参照图1和2描述的，均衡器340以判决的符号

序列的形式来提供第一输出和以质量信息(量度)的形式来提供第二输出。

判决的符号序列 连同接收信号y_t一起被提供给信道跟踪器350，后者对于每个时刻t＝1，…，N更新信道估值H_t，其中N是脉冲串的持续时间。在假设开关360是闭合位置的条件下，更新的信道估值H_t然后通过开关360被反馈到均衡器340。正如下面描述的，开关360是可通过控制器370来控制的。如果更新的信道估值H_t事实上通过闭合的开关360被反馈到均衡器340，则当解调 时，均衡器340将使用更新的估值H_t，等等。

如上所述，在图3所示的通信接收机300中提供了控制器370。控制器370具有第一输入端，用于接收来自信道跟踪器350的更新的信道估值H_t。控制器370也具有第二输入端，用于读出由均衡器340提供的质量信息量度。根据质量信息，控制器370确定和估计通信信道的质量，以便确定是否需要使用信道跟踪器350。为此，信道跟踪器350通过来自控制器370的控制信号(在图3上标记为“跟踪器是/否？”)，分别被使能和被禁止。在图3的优选实施例中，当信道跟踪器350要被使能时，这个控制信号被赋予第一值，以及当信道跟踪器350要被禁止时，这个控制信号被赋予第二值。

控制器370被耦合到电子存储器390(优选地，它是非易失性存储器，诸如快闪存储器、(EE)PROM存储器或SRAM存储器)，以便存储对于来自均衡器350的质量信息(量度)的预定门限值，即上限。这个上限规定对于在接收信号(y_t)中的符号与在给定判决符号 时的预测的接收信号中的符号之间的差值来说是可接受的极限，该差值优选是如上所述的平方距离。换句话说，质量信息表示接收信号和判决的符号之间的对应程度，并且控制器370使用预定的上限作为一个准则，以便判决质量信息是否不满足这个准则，并因此控制信号“跟踪器是/否？”是否必须被赋予第一值，表示需要使能信道跟踪器350。

控制器370可以用可编程微处理器、可编程逻辑阵列、其它逻辑电路、分立逻辑门和部件等等来实现。

在图3所示的通信接收机300中，假设信道跟踪器350在某个先前的时刻已经被控制器370使能，控制器370也可以用来确定信道跟踪器350是否被禁止(被关断)。在这种情形下，不太适合于使用由均衡器340产生的上述的质量信息，因为信道跟踪器350将试图跟踪通信无线信道中的变化，这表示由均衡器340产生的质量信息在这个脉冲串期间是接近于恒定的。与其不同的是，把信道估值H_t提供给控制单元370，后者将使用这些估值来确定信道跟踪器350是否可被关断。例如，如果H₀≈H_start≈H_end(其中H₀是初始信道估值)，以及H_start和H_end分别是在脉冲串的开始端和末端的信道估值，则无线信道的质量是可接受的，以及控制器370确定：信道跟踪器350可通过赋予控制信号“跟踪器是/否？”以第二值(如前所述)而被关断或被禁止。

另一方面，如果‖H₀-H_start‖＞＞0和‖H₀-H_end‖＞＞0，则控制器370决定继续使用信道跟踪器350，因此赋予控制信号“跟踪器是/否？”以它的第一值(如前所述)。控制信号“跟踪器是/否？”也被提供给开关360，以用于分别把它设置为打开和闭合位置。

现在参照图4，图上显示通信接收机的替换的实施例。在这里，天线1、前端接收机410、同步器420、信道估值器430、均衡器440、信道跟踪器450和存储器490都与图3的天线1、前端接收机310、同步器320、信道估值器330、均衡器340、信道跟踪器350和存储器390基本上相同，现在不再重复说明。

与图3不同，另一方面，图4的通信接收机400在确定信道跟踪器究竟是被使能还是禁止时，不使用质量信息，即，量度。在这里是把判决的符号

提供给第二信道估值器480。根据在脉冲串开始端和末端的判决的符号，可以由第二信道估值器480得出新的信道估值H_start和H_end，以及把它们提交给控制器470。如果‖H₀-H_start‖＞＞0和‖H₀-H_end‖＞＞0，则控制器470决定通过赋予它的控制信号“跟踪器是/否？”以第一值而使能信道跟踪器450，其中信道跟踪器450在下一个脉冲串被接收时已准备好提供使用。关于接通或关断信道跟踪器450的判决基本上是以与以上参照图3描述的相同的方式作出的。

图3和4所示的数字通信接收机300和400特别适合于被包含在便携式无线电话(诸如GSM移动电话)中。替换地，按照本发明的数字通信接收机可以非常好地被包含在移动电信系统中的基站(诸如GSM基站)中。然而，本发明并不限于这些例子，按照本发明的数字通信接收机实际上可被包含在任何主通信设备中。除了以上描述的以外的其它实施例同样适合于由附属的权利要求书所规定的本发明范围。

Claims (16)

1.一种数字通信接收机(300；400)，用于通过通信信道与数字通信发射机通信，所述数字通信接收机包括：

信道估值器(330；430)，用于根据接收信号(y_t)来提供通信信道的信道估值(H_o)；

均衡器(340；440)，用于根据接收信号和信道估值来估计发送的符号(u_t)序列和提供判决的符号(_t)序列；以及

信道跟踪器(350；450)，用于根据接收信号(y_t)和判决的符号(_t)序列来产生更新的信道估值(H_t)，并用于提供更新的信道估值给均衡器；

其特征在于，

控制器(370；470)，所述控制器耦合到均衡器(340；440)和信道跟踪器(350；450)；其中

所述控制器用于接收均衡器的输出的信道质量指示数据，以确定所述信道质量指示数据是否不满足预定的准则，并在是这样的情况时提供使能控制信号给信道跟踪器；以及其中

所述使能控制信号用于将信道跟踪器从禁止状态切换到使能状态，在所述禁止状态中不产生更新的信道估值(H_t)，而在所述使能状态中产生所述更新的信道估值(H_t)。

2.如权利要求1的数字通信接收机，其中所述信道质量指示数据是由均衡器(340)产生的并代表接收信号(y_t)与判决的符号(_t)序列之间的对应程度。

3.如权利要求2的数字通信接收机，其中所述信道质量指示数据是接收信号(y_t)中的符号和给定由均衡器(340)计算的判决的符号(_t)序列时的预测的接收信号中的符号之间的平方距离。

4.如任何一项前述权利要求的数字通信接收机，其中将所述预定的准则作为门限值存储在耦合到控制器(370)的电子存储器(390)中。

5.如权利要求1的数字通信接收机，还包括第二信道跟踪器(480)，所述第二信道跟踪器耦合到均衡器(440)和控制器(470)，其中

由第二信道跟踪器根据来自均衡器的判决的符号(_t)序列以附加信道估值(H_start，H_end)的形式来产生所述信道质量指示数据(H_start，H_end)，并且其中

控制器(470)用于将附加信道估值与初始信道估值(H_o)进行比较，并在此比较表示差值大于所述预定的准则时产生所述使能控制信号。

6.如权利要求1-3、5之一的数字通信接收机，能够进行时分多址通信。

7.一种数字通信接收机(300；400)，用于通过通信信道与数字通信发射机通信，所述数字通信接收机包括：

信道估值器(330；430)，用于根据接收信号(y_t)来提供通信信道的信道估值(H_o)；

均衡器(340；440)，用于根据接收信号和信道估值来估计发送的符号(u_t)序列和提供判决的符号(_t)序列；以及

信道跟踪器(350；450)，用于根据接收信号(y_t)和判决的符号(_t)序列来产生更新的信道估值(H_t)，并用于提供更新的信道估值给均衡器；

其特征在于，

控制器(370；470)，所述控制器耦合到信道跟踪器(350；450)；其中

所述控制器用于将所述更新的信道估值(H_t)与初始信道估值(H_o)进行比较，并在此比较表示差值小于预定的准则时提供禁止控制信号给信道跟踪器；以及其中

所述禁止控制信号用于将信道跟踪器从使能状态切换到禁止状态，在所述使能状态中产生所述更新的信道估值(H_t)，而在所述禁止状态中不产生更新的信道估值(H_t)。

8.如权利要求7的数字通信接收机，所述接收机能够进行时分多址通信，其中所述更新的信道估值涉及TDMA脉冲串的开始和/或末端。

9.一种无线通信设备，包括如任何一项前述权利要求的数字通信接收机。

10.如权利要求9的无线通信设备，其中此设备是无线电话。

11.如权利要求9的无线通信设备，其中此设备是蜂窝通信系统中的基站。

12.运行数字通信接收机(300，400)的一种方法，其中根据接收信号(y_t)产生在接收机与数字通信发射机之间的通信信道的信道估值(H_o)，并且其中根据接收信号和信道估值产生判决的符号(_t)序列，其特征在于以下步骤：

(a)接收信道质量指示数据，所述数据直接或间接地与所述判决的符号(_t)序列相关；

(b)确定所述信道质量指示数据是否不满足预定的准则；以及

(c)有条件地，如果不满足预定的准则，则从禁止状态切换到使能状态，在所述禁止状态中不产生更新的信道估值(H_t)，而在所述使能状态中根据所述接收信号(y_t)和所述判决的符号(_t)序列来产生更新的信道估值(H_t)。

13.如权利要求12的方法，在步骤(a)之前还包括以下步骤：

(a′)通过计算在接收信号(y_t)中的符号和给定判决的符号(_t)序列时的预测的接收信号中的符号之间的平方距离来产生所述信道质量指示数据。

14.如权利要求12的方法，在步骤(a)之前还包括以下步骤：

(a”)根据判决的符号(_t)序列来产生所述信道质量指示数据作为附加信道估值(H_start，H_end)，其中

所述预定的准则是所述附加信道估值与初始信道估值之间的对应程度。

15.运行数字通信接收机(300，400)的一种方法，其中根据接收信号(y_t)产生在接收机与数字通信发射机之间的通信信道的信道估值(H_o)，并且其中根据接收信号和信道估值产生判决的符号(_t)序列，其特征在于以下步骤：

(a)根据判决的符号(_t)序列来接收更新的信道估值(H_t)；

(b)将所述更新的信道估值(H_t)与初始信道估值(H_o)进行比较；以及

(c)有条件地，如果此比较表示差值小于预定的准则，则从使能状态切换到禁止状态，在所述使能状态中根据所述接收信号(y_t)和所述判决的符号(_t)序列来产生更新的信道估值(H_t)，而在所述禁止状态中不产生更新的信道估值(H_t)。

16.如权利要求15的方法，其中接收机能够进行时分多址通信，并且其中所述更新的信道估值涉及TDMA脉冲串的开始和/或末端。

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