CN1180964A - 正交频分复用信号的矢量均衡装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于从发送机经过传输信道发送使用OFDM调制(正交频分复用)的信号到至少一个接收机的领域。本发明特别涉及用于均衡接收的OFDM信号的装置和方法。所述均衡装置安装到同步模块和用于二进制解码接收信号的模块之间的接收系统中,其中该接收机包括能够校正时域中的接收信号的递归矢量均衡器(10)。根据本发明,该递归矢量均衡器(10)包括能够按照在发送符号以前的发送符号的估值的函数估计每个所述发送符号的计算装置(16;22;24;40;44;46;56)。

Description

正交频分复用信号的 矢量均衡装置与方法

本发明涉及通过传输信道从发送器传送OFDM(正交频分复用)信号到至少一个接收机的装置。本发明特别涉及接收的OFDM信号均衡的装置和方法，其中该接收机包括能够校正时域接收信号的一个递归矢量均衡器。所述均衡装置安装在同步模块与接收信号二进制解码的模块之间的接收系统。

通过在正交函数的基础上将包括多个副载波的信号的分解，以本身公知的方式产生一个OFDM信号，每个副载波携带通过所传送信号的星座编码得到的多个样本的复样值。IDFT(逆离散傅里叶变换)应用到每个数据包而得到一组OFDM符号，每个符号由代表N个复数值的数字样本构成，N是整数。每个符号以N分量的矢量表示。

传输信道完全由其脉冲响应定义。后者可能是数字的，该信道则以一组复数值{h_n}表示。以{x_n}表示的该组数字样本出现在传输信道的输入端，而以{y_n}表示的该组数字样本出现在传输信道的输出端，出现在信道输出端的第i个数字样本以下式表示。 $y_1=\underset{n=-\∞}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}{h}_n{x}_{i-n}.....\left(E1\right)$ (E1)式可用矩阵形式写成： ${\underset{-}{y}}_1=\underset{n=-\∞}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\underset{=}{H}}_n{\underset{-}{x}}_{1-n}.......\left(E2\right)$

x _i和 y _i分别代表表示出现在传输信道输入端信号的维数N的矢量组{ x _n}的第i个矢量和表示出现在传输信道输出端信号的N维矢量组{ y _n}的第i个矢量。矢量xi的第k分量是数字的样本X_iN+k。k在0与N-1之间。类似地，矢量 y _i的第k个分量是数字样本Y_iN+k。 H _i代表N×N维矩阵组{ H _n}的第i个矩阵，它代表该传输信道。在 H _i的第1行和第k列的单元是h_iN+1-k，1和k在0和N-1之间。

在实际中遇到的传输信道具有因果脉冲响应。如果i＜0这个特性以h_i＝0表示在组{h_n}上。而且，我们非常实际的假定最长的回声延迟小于OFDM信号的持续时间。如果i＞N-1，这个假定以h_i＝0表示在组{h_n}上。如果i≠0和i≠1传输信道的因果性和对其长度所做的假设以 H _i＝ 0表示在矩阵{ H _n}的组上。

在高斯信道(如果i≠0，则h_o＝1，h_i＝0，和没有除高斯白噪声外干扰的传输信道)上通信期间，保留副载波的正交性。因此，为了在接收机中恢复该发送信号，在已及时地正确同步它并划分为N样本的数据包之后，进行所接收信号的DFT(离散傅里叶变换)就足够了。相反地，在多路径型信道(包含回声的传输信道)上传输期间，观察到OFDM符号之间的干扰现象。在这种情况下，接收的信号是相应于已衰减和延迟的发送信号的多个信号的加权和。每个信号是在发送机与接收机之间从发送信号所沿着的各个路径始发的。OFDM符号之间的干扰导致副载波之间正交性的丢失并因此导致发送信息的干扰。

为了解决这个问题已提出了多个解决方案。最普遍采用的一个方案包括在每个符号前插入一个保护间隔，其持续时间必须大于出现在传输信道上的最长回声延迟。包含在这个间隔中的复样本与构成它后面的OFDM符号末尾的那些样本相同。由于OFDM符号只受它前面的保护间隔内容的干扰，因此避免了符号之间的干扰现象。因此保留了副载波的正交性。

虽然这个解决方案导致接收机的设计不复杂，只需在接收符号的基础上进行傅里叶变换和N标度操作以估计发送的符号，但它不会导致传输装置频谱效率的减少，而就在OFDM符号之间插入保护间隔来说减少了每单位时间发送的符号数。

另一个公知的解决方案包括在频率域中较正对发送信号的信道影响。这个方案导致均衡器的实现很复杂。特别是，以Y_j，k代表表示该接收符号的矢量的第k个分量，以 代表表示第j个发送符号的矢量的第k个分量的第一估计值，和以

代表从包含找出最接近 的星座中的点的硬判定得到的这个分量的第二估计值，估计值 由下式给出： ${\hat{X}}_{j,k}=\underset{m=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{p}_0^{m,k},Y_{j,m}+\underset{m=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{p}_1^{m,k},{\tilde{X}}_{j-1,m}......\left(E3\right)$ P_i ^m，k代表为了跟踪传输信道的变化需要动态地估计的均衡系数。式(3)可用以下形式矢量地表示： ${\underset{-}{\overset{^}{X}}}_j={\underset{=}{P}}_0{\underset{-}{Y}}_1+{\underset{=}{P}}_1{\underset{-}{\overset{~}{X}}}_{j-1}.......\left(E4\right)$

式中 P ₀和 P ₁代表由系数P_i ^m，k(i＝0，1)构成的矩阵。图1给出这类装置的结构图，其中接收的符号首先加到模块的输入端，用于计算傅里叶变换(FFT)，其输出接到具有连接到矩阵 P ₀的估计器(未示出)的第二输入端的乘法器2的第一输入端。乘法器2的输出端接到加法器6的第一输入端，其第二输入端接到矩阵 P ₁的估计器(未示出)。加法器6的输出端经过反馈环路接到与存储单元8串联的硬判定模块7。依据两个准则可优化矩阵 P ₀和 P ₁。第一准则是使得能够得到下列矩阵的最小均方差(MMSE)的准则：

式中 $\underset{=}{R}={\mathrm{\σ}}_x^2,{\underset{=}{H}}_0{\underset{=}{H}}_0^H+\mathrm{diag}\left({\mathrm{\σ}}_k^2\right)......\left(E6\right)$

是维数N×N的矩阵，代表离散傅里叶变换，σ² _x和σ² _k分别代表在OFDM信号的第k载波上的发送信号功率和噪声的功率。第二准则是使得能够得到下列矩阵的迫零(zero forcing)准则：

从这些计算得到的结构不能直接地使用，因为估计的系数P_i ^m，k的数量大。此外，这些系数不是互相独立的。

此外，为了校正在载波上接收的信号，需要考虑在OFDM信号的每个载波上接收的信号。

本发明的目的是克服均衡OFDM信号的公知装置的缺陷。

根据本发明，递归矢量均衡器包括计算装置，能够估计每个发送的符号，按照在所述发送的符号前面的发送符号的估值的函数。

本发明的均衡器有一个特别紧凑的结构，使得能够简化均衡接收信号的方法。

信道的脉冲响应以矩阵 H ₀表示，其逆已在先前估计和存储，和以已在先前估计和存储的矩阵 H ₁表示，根据本发明用于均衡接收信号的方法包括以下步骤：

从代表接收符号的矢量减去通过逆傅里叶变换的计算接着乘以前一符号的估计值的矩阵 H ₁得到的矢量，

从这个减法得到的矢量乘以矩阵H₀的逆，然后

计算从这个乘法得到的矢量的傅里叶变换，以便在原始频率域中表示校正的符号，然后使用以这个傅里叶变换得到的符号校正随后接收的符号，最后

计算 H ₀的逆矩阵的系数和矩阵 H ₁的系数的新估计值，存储该估计值以便校正下一符号。

根据本发明的方法使得能够均衡所接收的信号而不需要在符号之间插入保护间隔。这使得能够保证与用该保护间隔方法得到的频谱效率比较，有更好的传输装置频谱效率。在具有固定频谱效率的两方法(有或没有保护间隔)之间比较的情况下，没有插入保护间隔的均衡使得能够使用更有效的纠错码。

作为均衡矩阵，根据本发明的方法只涉及经过它的逆的矩阵 H ₀和矩阵H ₁。此外，由于传输信道的因果性和对其长度所做的假定， H ₀及其逆矩阵是下三角矩阵而 H ₁是上三角矩阵。此外， H ₀以及其逆矩阵是完全由它们的第一列确定的，而 H ₁是完全由其第一行确定的。

本发明的其它特征和优点将利用非限定的实例、结合附图从下面的描述中得出，其中：

图1示意性地表示根据现有技术的安装到OFDM信号传输装置的接收机的均衡器的结构，

图2示意性地表示根据本发明的安装到OFDM信号传输装置的接收机的均衡器的结构。

图2示意性地示出安装到发送OFDM信号的装置的接收机的均衡器10的结构，OFDM信号是由经过传输信道从发送机发送到至少一个接收机的多个数字符号构成的。

这个均衡器10是递归矢量型的并且可校正时域中的接收信号。

本发明的传输装置的接收机包括至少两个估计器(12，14)，能够动态地计算矩阵 H ₀的逆的系数和矩阵 H ₁的系数。

如在图2可看到的，一方面均衡器10的计算装置包括具有第一输入端18的减法器16，接收的信号加在第一输入端18，这个减法器16在正向分支20中与第一乘法器22并与用于离散傅里叶变换计算(DFT)的模块24串联，这个第一乘法器22的第一输入端26接到减法器16的输出端28，这个第一乘法器22的第二输入端30接到矩阵 H ₀的逆的第一估计器12的输出端32，而这个第一乘法器22的输出端34接到用于离散傅里叶变换计算(DFT)的模块24的输入端36，其输出端38传送代表发送符号的第一估计的矢量，另一方面，设置在反馈环路42中的硬判定模块40与用于逆离散傅里叶变换(IDFT)计算的模块44及与第二乘法器46串联，所述硬判定模块40的输入端接到用于傅里叶变换计算的模块24的输出端38，而所述硬决定模块40的输出端50接到用于逆离散傅里叶变换计算(IDFT)的模块44的输入端52，其输出端54经过能够存储至少一个符号的存储模块56接到第二乘法器46的第一输入端58，这个第二乘法器46的第二输入端60接到矩阵 H ₁的估计器14的输出端62，第二乘法器46的输出端62接到减法器16的第二输入端64并且给它传递一个矢量，该矢量是通过先计算以前发送的符号的估计值的逆傅里叶变换，接着将这个变换乘以矩阵 H ₁得到的。

利用这一类型的结构，根据以下步骤均衡接收的信号：

从代表接收符号的矢量中减去通过逆离散傅里叶变换计算再乘以前一符号估计值的矩阵 H ₁得到的矢量，

从这个减法得到的矢量乘以矩阵H₀的逆矩阵，然后，

计算从这个乘法得到的矢量的傅里叶变换，以便在原始频域中表示校正的符号，然后使用通过这个傅里叶变换得到的符号校正随后的接收符号，以及最后

计算 H ₀的逆矩阵的系数和矩阵 H ₁的系数的新估计值，这些估计值被存储以校正随后的符号。

根据本发明的另一特征，为了估计 H ₀逆矩阵的系数和矩阵 H ₁的系数，只计算 H ₀逆矩阵第一列的系数和矩阵 H ₁第一行的系数。通过归纳用在以单载波型调制所调制的信号的均衡中的常规梯度算法的算法来计算其系数。

Claims (6)

1.用于经过传输信道发送由发送机发送到至少一个接收机的多个数字符号构成的OFDM信号的装置，其中该接收机包括能够校正时域中的接收信号的一个递归矢量均衡器(10)，其特征在于该递归矢量均衡器(10)包括能够按照在发送符号以前的发送符号的估值的函数来估计每个所述发送符号的计算装置(16；22；24；40；44；46；56)。

2.根据权利要求1的装置，其特征在于该接收机包括能够动态地计算代表传输信道的脉冲响应的至少两个三角矩阵的系数的至少两个估计器(12，14)。

3.根据权利要求2的装置，其特征在于所述估计器(12，14)包括用于计算第一下三角矩阵 H ₀的逆矩阵的系数和第二上三角矩阵 H ₁的系数的装置。

4.根据权利要求1的装置，其特征在于一方面该均衡器的计算装置包括具有第一输入端(18)的减法器(16)，接收信号加在第一输入端(18)，这个减法器(16)在正向分支(20)中与第一乘法器(22)和用于离散傅里叶变换计算的模块(24)串联，这个第一乘法器(22)的第一输入端(26)连接到减法器(16)的输出端(28)，这个第一乘法器(22)的第二输入端(30)连接到矩阵 H ₀的逆的第一估计器(12)的输出端(32)，而这个第一乘法器(22)的输出端(34)连接到用于离散傅里叶变换计算的模块(24)的输入端(36)，模块24的输出端(38)传送代表发送符号的第一估值的矢量，另一方面，设置在反馈环路(42)中的硬判定模块(40)与用于逆离散傅里叶变换计算的模块(44)及与第二乘法器(46)串联，该硬判定模块(40)的输入端连接到用于傅里叶变换计算的模块(24)的输出端(38)，而所述硬判定模块(40)的输出端(50)连接到用于逆离散傅里叶变换计算的模块(44)的输入端(52)，其输出端(54)经过能够存储至少一个符号的存储模块(56)连接到第二乘法器(46)的第一输入端(58)，这个第二乘法器(46)的第二输入端(60)连接到矩阵H1的估计器(14)的输出端(62)，第二乘法器(46)的输出端(62)连接到减法器(16)的第二输入端(64)并且给它传递一个矢量，该矢量是通过先计算以前发送的符号的估计值的逆傅里叶变换、接着将这个变换乘以矩阵 H ₁得到的。

5.用于均衡携带多个数字符号的OFDM信号的方法，每个数字符号包括通过将发送的信号星座编码得到的数量N的复数样本，每个符号以N分量的矢量代表，这个信号由发送机经过传输信号发送到至少一个接收机，先前估计和存储的传输信道的脉冲响应以至少两个矩阵代表，即第一下三角矩阵H ₀和第二上三角矩阵 H ₁，所述方法的特征在于：

从代表接收符号的矢量中减去通过逆离散傅里叶变换计算再乘以前一符号估计值的矩阵 H ₁得到的矢量，

从这个减法得到的矢量乘以矩阵H₀的逆矩阵，然后

计算从这个乘法得到的矢量的傅里叶变换，以便在原始频域中表示校正的符号，然后使用通过这个傅里叶变换得到的符号校正随后的接收符号，以及最后

计算H₀的逆矩阵系数和H₁矩阵系数的新估值，这些估计值被存储以校正随后的符号。

6.根据权利要求5的方法，其特征在于：为了估计 H ₀的逆矩阵系数和矩阵 H ₁的系数，只要计算所述 H ₀的逆矩阵第一列的系数和所述矩阵 H ₁第一行的系数。