CN1643776A - 用于多级调制均衡方法的限幅算法 - Google Patents

用于多级调制均衡方法的限幅算法 Download PDF

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Abstract

一种用于对接收信号限幅的方法，包括以下步骤：接收代表平面信号空间中的理想信号点(1－9，...)的星座中的一个的信号(5)，接收到的信号处于信号空间中的点(42)处；和向接收的信号分配一个具有预定大小(|A|)和代表相应理想信号点(1－9，...)的角度(α，β)的判定点(21，26，25，27，...)。一种限幅器(30)，包括：一个用于接收代表平面信号空间中的理想信号点(1－9，...)的星座中的一个的信号的源(10)，接收到的信号处于信号空间中的一个点(42)上；连接至信号源(10)的电路(30)，用于生成代表具有预定大小(|A|)和角度(α，β)的判定点(21，26，25，27，...)的信号(15)，所述角度(α，β)代表与接收信号点(42)相对应的理想信号点(1－9，...)。

Description

用于多级调制均衡方法的限幅算法
技术领域
本发明涉及均衡系统中使用的限幅算法，更具体地，涉及用于多级调制均衡方法的限幅算法。
背景技术
图1是一个说明已知的判定反馈均衡器(DFE)的结构的方框图。在图1中，输入端5连接至一个信号序列源(未示出)，每一个信号序列代表平面信号空间中的一个理想信号点的星座。输入端5连接至FIR滤波器10的输入端。FIR滤波器10的输出端连接至限幅器30的输入端和减法器40的第一输入端。限幅器30的输出端连接至减法器40的第二输入端以及输出端15。输出端15连接至用于解码并使用接收信号中编码的信息的接收机(未显示)的后端。减法器40的输出端连接至系数控制电路20的输入端。系数控制电路20的输出端连接至FIR滤波器10的控制输入端。
在如图1中所示的已知均衡器中，系数控制电路20执行一种抽头系数调节方法，如最小均方(LMS)，以调节FIR滤波器10中的抽头系数。减法器40计算误差信号E，该误差信号是来自FIR滤波器10的均衡后的接收的输入信号与来自限幅器30的限幅的理想信号之差，所述均衡后的接收的输入信号代表传输的数据符号，所述限幅的理想信号代表假定已经传输的数据符号。响应误差信号E，系数控制电路20计算用于FIR滤波器10的抽头的、调整后的系数值，以使均衡后的数据信号更接近于理想信号，从而实现正确的均衡器调节或汇聚，这些都以一种已知的方式来完成。
因为在大多数情况下传输的数据在接收端是未知的，因此假定已传输的符号必须从均衡后的数据本身来估计。一种通用的提供这种估计的方法称为“限幅”，在其中基于信号空间中称为“判定区域”的多个预定区域来判定假定已传输了哪个符号。接收的均衡信号所处的判定区域确定假定的传输符号。当大部分接收的均衡信号都处于正确的判定区域中，并且出现的限幅误差以不偏向于正确区域的任何一个邻近区域的随机方式发生时，限幅较好地进行。在此条件下平均均衡器抽头将汇聚。
当诸如残留载波频率和/或相位偏移的信号损坏引起相对于其它区域而言偏向一个或多个邻近判定区域的限幅误差，也就是均衡后的数据在长时间内始终为错误时，会出现一个问题。这种损坏潜在地会引起均衡器的抽头向不正确的稳定状态值方向改变。在QAM调制方法中，这种现象会以一种大小误锁(false-lock)的方式表现自己，其中均衡器抽头的抽头大小被向不正确的稳定状态平均值方向改变。
图2是一个图示了有助于理解本发明的操作的理想和均衡后的接收的星座的信号空间图。图2将16QAM信号的理想星座图图示为实心圆圈，将均衡后的接收信号点图示为空心圆圈。标准的已知判定区域由虚线划定界线。本领域的技术人员可以理解这些判定区域为围绕理想星座点对称分布的矩形区域。参考图2a，由于例如噪声的存在，均衡后的接收点(空心圆圈)的星座的大小要比理想点的星座小。另外，载波相位和/或频率偏移的存在使得均衡后的接收点的星座在信号空间中逆时针方向旋转。
更具体地，均衡后的接收点5’表示与由判定区域d5中的理想点5所表示的发送信号相对应的发送信号。但是，如上所述，点5’被逆时针方向旋转，并且幅度被减少，所以处于判定区域d1中。结果，当在点5’接收到一个信号后限幅器30将做出错误的判定：由理想点1所表示的符号被传输。另外，接收点5’与理想点1之差指示出接收的星座的大小太大，以及角度是正确的。响应于此，将通过系数控制电路20更新均衡器FIR滤波器10的抽头，以使接收的星座小一些。
可以想象，如果出现正确的符号序列，则均衡器抽头将被更新以至于均衡后的接收星座变得非常小，以致它成为完全处于4个最内部判定区域内的正确星座的“微缩”版本，如图2b中所示。这是一个稳定的误锁情况，因为这个“小”星座将总是被限幅为内部点1-4，从而其平均功率将被驱使至与一个通过内部点的恒定模数环相对应。
一种已知的在不能做出正确的限幅器判定时调节均衡器抽头的方法称为恒定模数算法(CMA)。CMA算法的判定并不与理想符号的信号位置相一致。相反，CMA算法以一种将均衡后的接收数据的平均大小向理想传输星座的预先计算好的平均大小驱动的方式来更新抽头系数，大小值称为CMA的环半径。但是，此方法相当粗略，并且可能向一种具有均衡后的星座的残留旋转偏置的稳定状态汇聚，这样导致总体的性能下降。
在一些频域调制方法中，如在Hiperlan2/IEE802.11a标准中使用的方法中，使用相邻均衡器抽头之间频域连续的假定来防止一个给定的均衡器抽头值给出与它的邻域的值相差太多的值。但是，此方法实现起来成本很高，并且它的性能非常依赖于实际传输信道的频率响应。
希望一种实现起来简单并且成本低，同时可以将CMA的旋转不变性与判定控制方法的无偏置稳定状态星座位置相结合的限幅方法。
发明内容
根据本发明的原理，提供了一种用于对接收的信号限幅的方法，包括步骤：接收代表平面信号空间中的一个理想数据点的星座的信号，接收到的信号处于信号空间中的一个点；向接收的信号分配一个具有预定大小和代表相应理想信号点的角度的判定点。限幅器包括一个用于接收代表平面信号空间中的一个理想数据点的星座的信号的源，接收到的信号处于信号空间中的一个点；和连接至信号源的电路，用于生成代表具有预定大小和代表与接收信号点相对应的理想信号点的角度的判定点的信号。
此算法的关键点在于通过不论接收信号点可能被错误的限幅到哪个判定区域都保证平均星座功率保持正确，来防止大小误锁。根据本发明的原理的限幅器使用CMA的基本前提。也就是，改变限幅值的大小以使得新点位于一个CMA环上。但是，限幅器还保护限幅值的正确角度，从而保证均衡器抽头相位被向正确的值驱动。
根据本发明的原理的限幅算法可以在用于多电平调制方法的判定反馈均衡器(DFE)中使用，如正交幅度调制(QAM)。该算法提供了传输信号的改进估计，以便在存在如载波旋转的损坏时，便于进行正确的均衡器调节。
附图说明
图1是图示了DFE均衡器的已知结构的方框图；
图2是图示了有助于理解本发明的操作的、理想和接收的星座的信号空间图。
图3是图示了有助于描述和理解实现本发明的原理的限幅器的操作的理想星座和限幅器判定点的信号空间图。
具体实施方式
图3a和图3b是图示有助于描述和理解实现本发明的原理的(图1的)限幅器30的操作的限幅器判定区域和判定点的信号空间图。与图2中所示相同的元件用相同的参考数字来指示。如图2中一样，图3a和图3b将16QAM信号的理想星座图示为实心圆圈，而将判定区域间的边界图示为虚线。图3a和图3b还将限幅器判定点图示为圈点。图3a和图3b图示了传统限幅器判定点(1-9...)和根据本发明的原理的判定点(21-29...)之间的差。
一般说来，根据本发明的所有的限幅器判定点21-29...都具有相同的预定大小|A|。此预定大小|A|是理想星座的平均功率的大小，即CMA环20的大小。各个判定点21-29...的角度等于相应的理想星座点1-9...的角度。在图3a中，将判定区域定义为扇形，也就是围绕各个判定点的角度的角形区域。在图3b中，将判定区域定义为包围理想星座点的矩形区域，如在传统限幅器中那样。
参考图3a，理想星座点5位于离I轴的角度为α＝Arc tan(1/3)＝18.4°处。对应于理想星座点5的限幅器判定点25位于角度为α＝18.4°的CMA环20上。理想星座点1和6位于离I轴角度为45°处。对应于理想星座点1和6的限幅器判定点21、26位于角度为α＝45°的CMA环20上。理想星座点7位于离I轴的角度为β＝Arc tan(3)＝71.6°处。对应于理想星座点7的限幅器判定点27位于角度为β＝71.6°的CMA环20上。
因此，判定区域d5可以被定义为I轴0°和由虚线32表示的18.4°与45°的角平分线31.7°之间的扇形。判定区域d7可以被定义为Q轴90°和由虚线34表示的71.6°与45°的角平分线58.3°之间的扇形。最后，判定区域d1，6可以被定义为31.7°与58.3°之间的扇形。
上面描述了四分之一圆I的设置。但是，本领域中的技术人员可以理解另外三个四分之一圆(II、III、IV)具有类似的几何形状，并且可以使用与上述用于四分之一圆I相同的处理来确定判定区域。本领域中的技术人员还可以理解，出于任何期望的原因，判定区域之间的边界还可以被调整为除理想星座点的角度之间的角平分线外的其它角度位置。例如，为了计算简单，均衡器判定区域可以用从I轴开始每30°的边界(即，30°、60°、90°，...)来定义。
根据图3a所示的信号空间中的每一个均衡后的接收信号点所在的判定区域(d1，6、d5、d7，...)来向这些接收的信号点分配一个限幅器判定点(21-29，...)。这些限幅器判定点(21-29，...)在将各个理想星座点的大小改变为等于CMA环20的半径的相同值的情况下，保持理想星座点的正确角度。然后，以已知方式将均衡后的接收信号点与分配的限幅器判定点之差用来调节均衡的抽头系数。
例如，接收信号点42位于判定区域d7内的角度θ处，因此向其分配限幅器判定点27。接收信号点42与限幅器判定点27之差表示需要增加所接收的星座的大小，以及需要顺时针旋转接收的星座的角度。然后以已知方式恰当地调节均衡的抽头系数以增加接收的星座的大小和顺时针旋转该星座。
因为CMA环20的大小为|A|，|A|代表理想星座的平均功率，均衡后的接收星座的大小将在长时间内被调节为与理想星座的平均功率相同，这避免了上述误锁情况。类似地，均衡后的接收星座的旋转将在长时间内被调节为恰当的角度方向。
数字接收机设计领域中的技术人员能够很容易地设计和实现可以如图3所述进行操作的限幅器30。在一个实施例中，(图1的)限幅器30可以包括确定每个均衡后的接收信号点的角度θ的电路，容易知道该角度θ的计算为θ＝Arc tan(SQ/SI)，其中SI为信号点42的同相或I分量，SQ为信号点的正交或Q分量。将计算出的信号点的角度θ与如上所述确定的判定区域间的边界(I轴、32、34、Q轴)的角度进行比较，以确定该信号点处于哪个判定区域。然后，产生对应于所确定的判定区域的限幅判定点，作为接收信号点的限幅值。然后，可以用此限幅判定点和接收信号点之差来控制系数控制器20，以便以众所周知的方式调节均衡器10的抽头系数。
可以在数字域或模拟域或这两者的组合中实现此电路。此电路还可以是特别设计的专用于执行这些功能的硬件，或可以包括一个在控制程序控制下运行的处理器，所述控制程序使处理器适于执行上述过程，或者此电路是这两者的组合。
在一个可选且优选的实现中，(图1的)限幅器30可以通过一个查找表来实现，其在接收端接收代表接收信号点的信号，并在输出端生成代表与接收信号点相对应的判定点的信号。查找表中的存储位置被划分为：代表判定区域(d1，6，d5，d7，...)中的信号点的输入信号确定所有包含数据的各个位置的地址，所述包含的数据将产生代表与所述判定区域相对应的判定点(21，26，25，27，...)的输出信号，所有这些都以已知方式实现。
图3b图示了一个根据本发明的(图1的)限幅器30的可选实施例。在图3b所示的实施例中，判定区域(d1，6，d5，d7，...)形成为围绕相应理想星座点(1，6，7，...)的矩形区域，与图2中所示的传统限幅器相同。但是，限幅器30不产生代表处于每个判定区域的中心的理想星座点的信号，而是产生图3a中所示的判定点。也就是，对应于每个判定区域的判定点具有预定的CMA环20的大小|A|，并且理想星座点的角度处于该判定区域内。
例如，图3b中的接收信号点位于包含理想星座点7的判定区域d7中。这样，对于接收信号点42生成对应于判定区域d7的判定点27。类似地，接收信号点44位于判定区域d6中。对于接收信号点44生成判定点21、26。接收信号点46位于判定区域d1中。对于接收信号点46也生成判定点21、26。这个对查找表的内容的简单修改意味着不需要传统限幅器所提供的电路以外的更多电路来实现根据本发明的限幅器。
如图3a，因为CMA环20的大小为代表理想星座的平均功率的预定大小|A|，所以均衡后的接收星座的幅度将在长时间内被调节为与理想星座的平均功率相同，这避免了上述的误锁情况。类似地，均衡后的接收星座的旋转将在长时间内被调节为恰当的角度方向。
对于图3b中所述实施例，传统限幅器中的查找表被修改为对于各个判定区域d1，d6，d7，...中的信号，产生判定点21-29，...而不是理想星座点1-9，...。更具体地，在传统限幅器中，对于判定区域d1中的所有接收信号点，查找表产生理想星座值1。在具有根据本发明而修改的查找表的限幅器中，如图3b所示，对于判定区域d1中的所有接收信号点，查找表产生判定点21，26。对判定区域d6中的所有接收信号同样适用。对于判定区域d7中的所有接收信号点，查找表生成判定点27，等等。本领域中的技术人员可以知道怎样对查找表重新编程以产生如图3b所示的每个判定区域的新的判定点。这个对查找表的内容的简单修改意味着不需要传统限幅器所提供的电路以外的更多电路来实现根据本发明的限幅器。
上述限幅器特别适用于IEE802.11a和Hiperlan2标准的情形，其中传输中的信号干扰是突发出现的，并且接收到的每一个频域副载波独立旋转。使用训练符号，也就是在接收机端是已知的用于每个接收信号的传输符号，可以获得一个很好的初始均衡器抽头设置，但是在残留旋转可通过图2所示的均衡器和载波同步电路联合去除之前，副载波的残留旋转可能会引起最初几个符号被均衡至错误的判定区域。当这种旋转被去除时，均衡器可能如上所述已经误锁了。根据本发明的限幅算法将消除这种不希望的影响。

Claims (25)

1.一种用于对接收信号限幅的方法，包括以下步骤：
接收代表平面信号空间中的理想信号点(1-9，...)的星座中的一个的信号，接收到的信号处于信号空间中的点(42)处；和
向接收的信号分配一个具有预定大小(|A|)和代表相应理想信号点(1-9，...)的角度(α，β）的判定点(21，26，25，27，...)。
2.如权利要求1所述的方法，其中预定大小(|A|)等于理想点(1-9，...)的星座的平均功率(20)。
3.如权利要求1所述的方法，其中代表相应理想信号点(1-9，...)的角度(α，β)等于相应理想信号点(1-9，...)的角度(α，β)。
4.如权利要求1所述的方法，其中分配步骤包括下列步骤：
定义包含相关判定点(21，26，25，27，...)周围的各个邻域的判定区域(d1，6，d5，d7，，...；d1，d5，d6，d7，...)；
确定接收信号点(42)处于哪一个判定区域(d1，d6，d5，d7，...；d1，d5，d6，d7，...)；
将与确定的判定区域(d1，6，d5，d7，...；d1，d5，d6，d7，...)相关的判定点分配给接收到的数据点(42)。
5.如权利要求4所述的方法，其中定义判定区域的步骤包括：
将相应理想信号点周围的邻域(d1，6，d5，d7，...；d1，d5，d6，d7，...)定义为各个判定区域；
将判定点与每一个判定区域相关联。
6.如权利要求5所述的方法，其中定义邻域的步骤包括定义相应理想信号点(1-9，...)周围的矩形区域(d1，6，d5，d7，...)的步骤。
7.如权利要求6所述的方法，其中定义邻域的步骤包括定义包含相应理想信号点(1-9，...)的扇形(d1，6，d5，d7，...)的步骤。
8.如权利要求5所述的方法，其中将判定点(21，26，25，27，...)与每个判定区域(d1，6，d5，d7，...；d1，d5，d6，d7，...)相关联的步骤包括步骤：将具有预定大小(|A|)以及与判定区域(d1，6，d5，d7，...；d1，d5，d6，d7，...)相对应的理想信号点(1-9，...)的角度(α，β)的判定点(21，26，25，27，...)与判定区域(d1，6，d5，d7，...；d1，d5，d6，d7，...)相关联。
9.如权利要求4所述的方法，其中定义判定区域(d1，6，d5，d7，...)的步骤包括：
确定代表理想信号点(1-9，...)的星座上的各个点的角度(α，β)；
指定代表理想信号点(1-9，...)的星座上的各个点的角度(α，β)之间的边界(32，34)的角度；
定义判定区域(d1，6，d5，d7，...)为相邻边界角度之间的各个区域，其中每个边界角度都包含一个或多个理想信号点(1-9，...)和一个相关联的判定点(21，26，25，27，...)。
10.如权利要求7所述的方法，其中指定步骤包括步骤：将边界角度指定为代表理想信号点(1-9，...)的星座上的各个点的角度(α，β)之间的角平分线(32，34)。
11.如权利要求7所述的方法，其中确定接收信号点(42)位于哪一个判定区域(d1，6，d5，d7，...)的步骤包括步骤：
确定接收信号点(42)的角度(θ)；
确定包含接收信号点(42)的角度(θ)的判定区域(d1，6，d5，d7，...)。
12.如权利要求11所述的方法，其中接收信号点(42)的角度(θ)计算为Arctan(SI/SQ)，其中SI为接收信号点(42)在同相轴上的分量，SQ为接收信号点(42)在正交轴上的分量。
13.一种限幅器，包括：
一个用于接收代表平面信号空间中的一个理想信号点的星座的信号的源(5)，接收到的信号处于信号空间中的一个点(42)上；
连接至信号源(5)的电路(30)，用于生成代表具有预定大小(|A|)和角度(α，β)的判定点(21，26，25，27，...)的信号，所述角度(α，β)代表与接收信号点(42)相对应的理想信号点(1-9，...)。
14.如权利要求13所述的限幅器，其中生成电路(30)包括用于生成代表具有大小(|A|)的信号的判定点(21，26，25，27，...)的电路，其中大小(|A|)等于理想数据点(1-9，...)的星座的平均能量的大小(20)。
15.如权利要求13所述的限幅器，其中生成电路(30)包括用于生成代表具有角度(α，β)的信号的判定点(21，26，25，27，...)的电路，其中角度(α，β)与相应理想信号点(1-9，...)的角度相同。
16.如权利要求13所述的限幅器，其中生成电路(30)包括一个查找表(30)，其具有响应于接收信号(42)的输入，和判定点(21，26，25，27，...)代表信号的输出。
17.如权利要求16所述的限幅器，其中查找表(30)被划分为：代表判定区域(d1，6，d5，d7，...；d1，d5，d6，d7，...)中的点(42)的输入信号产生判定点(21，26，25，27，...)代表输出信号，该输出信号具有对应于接收信号点(42)的判定点(21，26，25，27，...)的值。
18.如权利要求17所述的限幅器，其中判定区域(d1，6，d5，d7，...；d1，d5，d6，d7，...)是星座中各个理想信号点(1-9，...)周围的邻域。
19.如权利要求18所述的限幅器，其中判定区域(d1，6，d5，d7，...)是包含星座中各个理想信号点(1-9，...)的扇形。
20.如权利要求18所述的限幅器，其中判定区域(d1，6，d5，d7，...)是星座中各个理想信号点(1-9，...)周围的矩形区域。
21.如权利要求13所述的限幅器，其中生成电路(30)包括：
用于生成代表判定区域(d1，6，d5，d7，...)的边界(32，34)位置的各个信号的电路，所述判定区域是相关判定点(21，26，25，27，...)周围的邻域；
用于生成代表接收信号点的位置(42)的信号的电路；
用于将代表接收信号点的位置(42)的信号与代表判定区域(d1，6，d5，d7，...)边界(32，34)的位置的信号进行比较的电路；
用于生成代表与判定区域(d1，6，d5，d7，...)相关的判定点(21，26，25，27，...)的信号的电路，所述判定区域包含接收信号点(42)。
22.如权利要求21所述的限幅器，其中：
用于生成边界(32，34)代表信号的电路生成代表边界(32，34)角度的各个信号；
用于生成接收信号位置(42)代表信号的电路包括用于生成代表接收信号的角度(θ)的信号；
比较电路将代表接收信号(42)的角度(θ)的信号与代表边界(32，34)的角度的各个信号进行比较。
23.如权利要求22所述的限幅器，其中：
接收信号源(5)生成表示接收信号(42)的同相分量的信号SI，和表示接收信号(42)的正交分量的信号SQ；
用于生成接收信号位置(42)的角度代表信号的电路生成等于Arctan(SI/SQ)的信号。
24.如权利要求22所述的限幅器，其中用于生成边界(32，34)代表信号的电路生成代表理想数据点(1-9，...)的星座的各个角度(α，β)之间的角度的信号。
25.如权利要求24所述的限幅器，其中用于生成边界(32，34)代表信号的电路生成代表理想数据点(1-9，...)的星座的各个角度(α，β)的角平分线的信号。
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