CN1217128A - 估测连接质量的方法、分集合并方法、和接收机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在数字无线系统中估测连接质量的方法和一种分集合并方法,在该系统中诸发射信号是脉冲形式的,诸信息组包含一种训练序列;该发明还涉及一种包含一个与该接收信号相匹配的滤波器(212,212a)的接收机。为实现连接质量的简单估测,该接收机包含用以从匹配滤波器的输出信号的诸码元中以及从该训练序列的诸相应码元中构成一个该训练序列的最大长度的结果矢量的装置(214,214a);用以为该结果矢量的诸码元计算一个平均值和方差的装置(214,214a);以及用以作为该结果矢量的均方值和该结果矢量的方差的商来构成一个正比于信号质量的量的装置(214,214a)。

Description

估测连接质量的方法、分集合并方 法、和接收机

本发明涉及一种用于在一种数字无线系统中估测连接质量的方法，在该系统中诸发射信号含有多个信息组(burst)，这些信息组由多个码元组成并含有一种已知的训练序列，并且在该方法中用一种匹配滤波器来处理接收到的信号。

在一种蜂窝无线系统中，基站和用户终端之间的连接质量不断地改变。该变化是由该无线路径上的干扰和一条衰落信道上的作为距离和时间函数的诸无线电波的衰减所导致的。例如，通过监控接收到的功率可以测量一条连接的质量。任何连接质量上的变化都可以通过功率调节来部分地补偿。

在一种数字蜂窝无线系统中，为了估测连接质量需要一种较功率测量更为准确的方法。现有的质量参数有，例如，误码率BER和信噪比。

在估测接收信号的信噪比时，目前众所周知的方法是利用各种维特比检测判定。基站或者用户终端可以用作接收机。在现有已知的各种解决方案中，总体上在定义信噪比之前在一个接收的信息组上执行维特比检测。然而，由于维特比算法通常需要一种用于数字信号处理程序的操作从而在接收机允许的处理时间内执行，因此必须采用独立的维特比硬件。在J.Hagenauer和P.Hoeher在1989年11月在Texas的Dallas举行的IEEEGLOBECOM 1989中发表的“一种含有软判定输出的维特比算法及其应用”中更详尽地描述了这一点，本文在此处作为参考。

在各种蜂窝无线系统中，通常采用各种分集方法来改进各种条件下的基站和无线终端之间的连接质量。在诸分集方法中，在多个相互间不相关的接收信号中包含的信息被以最佳方式合并起来。在多径接收中，多个最普通的分集接收机在检测之前或之后将各个信号合并起来，并且他们包含，例如，选择合并、最大比值合并和等增益合并。通常用维特比检测来检测各个多径信号，由此在检测后将他们合并起来。例如由William C.Y.Lee在1982年由美国的Mc-Graw-Hill发表的“移动通信工程”的第10章“合并技术”的291-336页中更详尽地描述了多种分集接收机和各种上述方法，本文在此处作为参考。

优选分集合并方法是最大比值合并，该合并在检测之前实施，由此获得更大的信号增益。在最大比值合并中，在合并之前将各接收信号加权并同相。其问题在于，寻找正确的加权系数。

本发明的目的在于，实施一种方法，由此可以直接从接收信号中通过一种与信噪比成正比的量来估测连接质量，而无需采用维特比检测。其另一目的在于，实施一种方法，用于当采用诸分集接收机时，计算诸加权系数并由此在检测之前实现信号合并。

上述是通过一种根据序言的方法来实现的，其特征在于，从匹配滤波器的输出信号的诸码元和已知训练序列的诸相应码元中构成训练序列的最大长度的结果矢量，并且为该结果矢量的诸码元计算一个平均值和方差，并且作为结果矢量的均方值和结果矢量的方差的商构成一个正比于信号质量的量。

本发明还涉及一种根据权利要求2的分集合并方法和一种根据权利要求5的接收机。

通过本发明提供的解决方案可获得几种优点。通过本发明的方法，可以无需实施维特比检测而直接从接收信号中估测信号质量，或者利用目前已知的在信息组中包含的训练序列，在维特比检测之前通过执行本发明方法来估测信号质量。本发明包含两个主要步骤：由一种匹配滤波器和一个训练序列构成一个结果矢量，并由该结果矢量构成一个与信号质量成正比的量。该正比于信号质量的量代表信噪比。

由于避免了采用维特比算法，从而节省了存储器容量，并减少了计算所需的时间。当在检测之前合并了诸多径信号时，在估测信道状态时、在用于估测坏帧的诸方法中、尤其在分集组合中计算诸加权系数的计算过程中，都可以利用该正比于信号质量的量。

在下文中将参照附图中阐释的诸示例更详尽地描述本发明，其中

图1所示为一种可以采用本发明方法的蜂窝无线系统，

图2所示为一种根据本发明的接收机的一种示例结构的诸主要部件，

图3所示为一种GSM系统中的一个正常信息组的结构，

图4所示为一种根据本发明的分集接收机的一种示例结构。

在任何数字无线系统中都可以采用根据本发明的方法和接收机，在这些系统中诸发射信号包含多个信息组，这些信息组由多个码元组成并含有一种已知的训练序列。在图1中通过一种示例方式描述了一种普通的蜂窝无线系统结构的诸基本部件。该系统包含一个基站100和多个普通的移动用户终端102-106，这些终端与基站100之间具有一种双向连接108-112。基站100将诸用户终端102-106的诸连接传递到一个基站控制器114处，该基站控制器将诸连接传递到该系统的诸其它部件并传递到固定网络。基站控制器114控制一个或多个基站100的操作。

在下文中，我们将更详细地讨论一种根据本发明的无线系统的一个接收机的结构，在图2的方框图中阐释了其结构的主要部件。在本发明中，基站和用户终端都可以用作接收机。该接收机包含一个用以接收信号的天线200，然后该信号被传送给射频部件202，在该部件处将该信号转换至一个中频处。从该射频部件处，信号被传送给转换器装置204，在此处将信号从模拟转换为数字形式。该数字信号传输到预处理装置206，在此处-例如-可以将该信号滤波，可以从信号中消除直流偏置，可以控制该数字信号的自动增益，并可以将该信号解调。从预处理装置206处可以将信号传送给装置208，在装置208处估测信道的脉冲响应及其能量。从预处理装置206处还将该信号提供给一个与该信道匹配的滤波器212，并且在装置208中估测的脉冲响应也被提供给该滤波器212。匹配滤波器212通过一种依赖于由例如相邻诸接收比特引起的干扰的码元差错概率，将在信道中失真的信号恢复为原始数据流。通过装置210，从脉冲响应数据中构成例如信道的被估测脉冲响应的诸自相关分支(autocorrelation tap)。上述诸设备可以通过例如多个普通的信号处理器或者通过独立的逻辑电路来实现。

在各种数字系统中，在诸信号信息组中可以排列一种预定的码元序列，并且根据该序列，例如，可以计算脉冲响应。图3通过示例方式显示了一种数字GSM蜂窝无线系统的一个信息组。该GSM系统中的一个普通信息组总共包含148个码元。这些码元构成诸比特或诸比特组合。一个信息组的诸码元是串联的，从而构成3个起始码元280、58个数据码元282、26个训练码元284、58个数据码元286、和3个终止码元288。由此在一个普通的GSM信息组中，一个训练序列的长度为26个码元，其取值可以为-1或1。

在一个根据本发明的接收机中，根据匹配滤波器212的输出信号和包含在该信号中的训练序列可以构成一个正比于信号质量的值(可以称为信噪比)。在本发明的解决方案中，首先在计算装置214中从匹配滤波器的输出信号的诸码元中以及从该训练序列的诸响应码元中构成训练序列的长度的一个结果矢量，这一点最好通过例如多个普通的信号处理器或者通过独立的逻辑电路来实现。

在本发明的第一优选实施例中，通过将匹配滤波器的输出信号的诸码元与训练序列的诸相应码元相乘来构成结果矢量。该方法可由下式描述

REF(i)=MF(i+offset)*Tr(i)

其中MF代表匹配滤波器的输出信号，i是一个从0到最好为训练序列长度的数，即，在GSM中，最大到26，offset(偏置)是一个偏离数，由此可以将该指数指向训练序列的第一比特，而Tr是训练序列的一个比特。数i的最大值也可以小于训练序列的长度。但是，这样其结果要差。

现在结果矢量REF的每一项都具有相同的符号。然后在计算装置中为结果矢量计算一个平均值REF_mean和方差RE_var，例如通过如下公式 ${\mathrm{REF}}_{\mathrm{mean}}=\underset{i=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}\frac{\mathrm{REF}\left(i\right)}{L}$ 和 ${\mathrm{REF}}_{\mathrm{var}}=\underset{i=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{(\mathrm{REF}\left(i\right)-{\mathrm{REF}}_{\mathrm{mean}})}^2}{L}$

其中L是结果矢量的长度，即，最长为训练序列的长度，即，在GSM示例中L=26。

在装置214中作为结果矢量的均方值与结果矢量的方差的商构成与信号质量成正比的量，即 $W=K*\frac{{\left({\mathrm{REF}}_{\mathrm{mean}}\right)}^2}{{\mathrm{REF}}_{\mathrm{var}}}$

其中K是一个常系数，可以为每次应用特定选取。利用各个自相关分支系数216，将描述信号质量的结果量218传递到接收机的其它部件。

在本发明的第二优选实施例中，在结果矢量的计算过程中考虑了诸相邻接收比特的影响，即码元间干扰ISI。为实现这一点，在结果矢量的计算过程中考虑了在装置210中计算的脉冲响应的诸自相关分支系数。

在一种数字系统中，通常用一个N码元图来描述一个信道的脉冲响应。例如在GSM系统中，信道的脉冲响应包含5个码元，即N为5。由此GSM系统中脉冲响应的诸自相关分支的数目N为5。

在本发明的第二优选实施例中，通过从匹配滤波器的输出信号的每个码元中去除在已知训练序列的相应码元之前的N-1个码元和其之后的N-1个码元(这些码元已经与自相关函数的诸相应分支系数相乘)，来构成结果矢量。由此可以消除诸相邻比特的影响。在GSM系统中用下式来阐释此方法

REF(4+i)=MF(4+i+offset)*Tr(i+3)-Tr(i+3)*c(1)-Tr(i+2)*c(2)-Tr(i+1)*c(3)-Tr(i)*c(4)-Tr(i+5)*c(1)-Tr(i+6)*c(2)-Tr(i+7)*c(3)-Tr(i+8)*c(4)

其中c(j)代表脉冲响应的诸自相关分支，j=[0,...,4],c(0)代表比特能量而其它指数代表诸相邻比特的影响。换句话说，诸如在GSM系统中，如果脉冲响应在长度上是5个比特，则前4个和后4个取样值根据相应的自相关分支来影响匹配滤波器的每一输出比特。根据该方法，可以消除干扰。

当来自各个分集支路的诸信号被合并时，尤其可以在分集接收机中采用描述信号支路的计算量。如上所述，当采用最大比值合并时，在合并之前将要被合并的诸信号与一个加权系数相乘。优选地，可以采用根据本发明的描述信号支路的量作为一种加权系数，从而获得良好的合并结果。

在下文中，我们将更详尽地研究一种根据本发明的分集接收机的结构，在图4的方框图中描述了该结构的基本部件。作为示例，该接收机包括两个分集支路300、302。在实际接收机中支路的数目自然也可以不同。每个分集支路的结构与上述接收机的结构类似，即，一个支路包括一个天线200,220a；射频装置202,202a；一个模数转换器204,204a；如上述操作的预处理装置206,206a；一个匹配滤波器212,212a；估测装置208,208a，用于估测脉冲响应；计算装置210,210a，用以计算脉冲响应的自相关函数的诸分支系数；以及根据本发明的装置214,214a，用以计算描述信号质量的量。该接收机还包含检测装置312，这最好通过一种维特比技术来实现。

该接收机还包含求和装置310，用以在检测之前将各个不同的分集支路的各个计算的自相关分支合并，并包含装置308，用以在检测之前将诸分集支路的匹配滤波器212,212a的诸输出信号合并。

在根据本发明的一个接收机中，在合并之前在每个支路中将要被合并的诸信号用一个描述信号质量的量314,314a加权，该量用本发明方法来计算。在求和器304,304a中将自相关函数的诸分支系数加权，并在求和器306,306a中将诸匹配滤波器的诸输出信号加权。

虽然上述参照所附诸插图中阐释的示例描述了本发明，但是应当了解，本发明并非仅限于此，而是可以在所附权利要求书中公开的本发明思想的范围内以多种方式变化。

Claims (8)

1．一种用以在数字无线系统中估测连接质量的方法，在该系统中诸发射信号含有多个信息组，这些信息组由多个码元组成并含有一种已知的训练序列，并且在该方法中用匹配滤波器来处理接收到的信号，其特征在于

从该匹配滤波器的输出信号的诸码元中以及从已知训练序列的诸相应码元中构成一个该训练序列的最大长度的结果矢量，并且

为该结果矢量的诸码元计算一个平均值和方差，以及

作为该结果矢量的均方值和该结果矢量的方差的商，构成一个与信号质量成正比的量。

2．一种在数字无线系统中将诸分集信号合并的方法，在该系统中诸发射信号含有多个信息组，这些信息组由多个码元组成并含有一种已知的训练序列，并且在该方法中用匹配滤波器来处理接收到的信号，并且在检测之前利用最大比值合并方法将接收到的诸分集信号合并，在合并之前利用一个与信号质量成正比的系数将诸信号加权，其特征在于

从该匹配滤波器的输出信号的诸码元中以及从已知训练序列的诸相应码元中构成一个该训练序列的最大长度的结果矢量，并且

为该结果矢量的诸码元计算一个平均值和方差，以及

作为该结果矢量的均方值和该结果矢量的方差的商，构成一个与信号质量成正比的量。

3．根据权利要求1或2的方法，其特征在于，通过将匹配滤波器的输出信号的诸码元与已知训练序列的诸相应码元相乘来构成结果矢量。

4．根据权利要求3的方法，其特征在于，为接收信号计算一个脉冲响应以及该脉冲响应的自相关函数的N个分支系数，其中N是该脉冲响应中的比特数目，并且当该结果矢量构成时，从已经与训练序列的相应码元相乘的匹配滤波器的输出信号的每个码元中去除已知训练序列的相应码元之前的N-1个码元和其之后的N-1个码元，所述诸码元已经与自相关函数的诸相应分支系数相乘。

5．一种数字无线系统中的接收机，其中诸发射信号包含多个信息组，这些信息组由多个码元构成并含有一种已知的训练序列，该接收机包含一个与该接收信号相匹配的滤波器(212,212a)，其特征在于该接收机包含

用以从匹配滤波器(212,212a)的输出信号的诸码元中以及已知训练序列的诸相应码元中构成一个该训练序列的最大长度的结果矢量的装置(214,214a)，

用以为该结果矢量的诸码元计算一个平均值和方差的装置(214,214a)，以及

用以作为该结果矢量的均方值和该结果矢量的方差的商，构成一个正比于信号质量的量的装置(214,214a)。

6．根据权利要求5的接收机，其特征在于，该接收机包含装置(214,214a)，用以通过将匹配滤波器(212,212a)的输出信号的诸码元与已知训练序列的诸相应序列相乘，从而构成该结果矢量。

7．根据权利要求6的接收机，其特征在于，该接收机包含用以为接收信号计算一个脉冲响应(208,208a)的装置；以及用以计算该脉冲响应的自相关函数的N个分支系数的装置(210,210a)，其中N是该脉冲响应中的比特数目；以及用以通过从已经与训练序列的相应码元相乘的匹配滤波器(212,212a)输出信号的每个码元中去除训练序列的相应码元的前N-1个码元和其之后的N-1个码元，从而构成该结果矢量的装置(214,214a)，这些码元已经与自相关函数的相应的诸分支系数相乘。

8．根据权利要求6或7的接收机，其特征在于，该接收机包含至少两个分集支路(300,302)；检测装置(312)；用以合并诸分集支路的装置(308和310)，所述装置在检测装置(312)之前被设定并将关于时间相互对应的不同支路的诸码元合并；并且该接收机包含用以将每个支路的诸匹配滤波器(212,212a)的诸输出和脉冲响应的诸自相关分支用一个为每个支路特定的与信号质量成正比的量进行加权的装置(304,304a,308,308a)。

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