CN1697332A - 线性滤波均衡器 - Google Patents

Abstract

在这里提供了一种设备(100)以及一种适合在通信设备中使用的方法(400)，所述方法和设备通过均衡接收到的输入信号来缓和存在于通信设备中的输入信号的多径失真效应。第一滤波器(102)对输入信号(104)进行采样，并且基于采样的输入信号以及滤波器系数阵列(108)来产生第一滤波器输出(106)。然后，基于第一滤波器输出(106)与预期信号(114)之间的差值产生误差信号(112)，并且基于误差信号(112)与自适应常数(118)的乘积产生滤波器系数阵列(108)。第二滤波器(126)对延迟输入信号(124)进行采样，并且基于经过采样的延迟输入信号以及滤波器系数阵列(108)来产生第二滤波器输出(128)。

Description

线性滤波均衡器

技术领域

本发明主要涉及均衡器，尤其涉及的是在通信系统中实施的最小均方均衡器。

背景技术

在典型的蜂窝通信系统中，从蜂窝基站发射机到接收无线移动通信设备的传输信号或传输波形可以用多个独立衰落的路径来表征。这样的多个衰落路径称为多径传播，它们有可能导致接收波形失真。目前存在若干种旨在缓解因为多径传播所导致的失真的接收机架构。在码分多址(“CDMA”)系统中，无线移动通信设备中的接收机通常使用RAKE架构，该架构使用了若干个基带相关器或搜索(Rake)支路来单独处理多径分量中的各个分量。然后，相关器输出将会组合在一起，以便提高恢复传输波形的性能。此外，RAKE架构还可以支持软切换，这种切换是在接收机合并来自多个蜂窝基站的波形的时候出现的。

对线性均衡器这样的备选接收机设备来说，它们在多径环境中使用了滤波技术来优化性能。这些均衡器在包括全球数字移动电话系统(“GSM”)在内的众多蜂窝通信系统中是非常普及的。然而，出于两个主要原因，这些均衡器在CDMA蜂窝网络中并不普及。首先，线性均衡器并不是固有地支持软切换技术。在无线移动通信设备的接收范围中，每一个基站都需要不同的均衡器，这些均衡器将会增加无线移动通信设备的成本。第二，在传输信道特性快速变化的环境中，均衡器性能相对低效。

下一代或第三代(3G)蜂窝系统预期将会提供很高的数据速率，由此允许消费者感受到实时视频之类的附加益处。在高速下行链路分组接入(“HSDPA”)系统中，高数据速率传输预期将会显现出那些使得均衡器相比常规RAKE接收机更为优越的特性，其中包括：1)由单个基站发射信号，由此消除支持软切换的需要；2)可以使用具有高码元速率的高阶调制；以及3)预期的信号干扰比与常规语音信道的比率相比，通常更高。虽然这些条件有益于均衡，但对常规均衡器而言，快速变化的信道环境仍旧是导致降级的来源。

使用迭代系数更新的均衡器包括最小均方(“LMS”)、分块LMS以及递归最小均方(“RLS”)算法。通过使用递归方法，这些均衡器将会适应于它们的环境，并且在变化较慢的传输信道中取得了令人满意的性能。例如，LMS均衡器以迭代方式修改其滤波器系数，以求匹配一个预期或“目标”信号。在蜂窝电信应用所使用的典型的LMS均衡器中，输入信号u(n)是经由一个具有n个分支的分接式延迟线传递的，其中该输入信号包括接收的基带波形，n表示迭代数目。在每一个分支中都对输入信号进行采样，经过采样的信号与其相应的滤波器系数w_i(n)相乘，其中i是分支位置索引。这些采样系数乘积的总和被用于产生一个滤波器输出y(n)，然后，这个滤波器输出与预期信号d(n)相比较。滤波器输出y(n)与预期信号d(n)之间的差值则形成一个用于更新滤波器系数的误差信号e(n)。

用于产生下一个系数集合 w(n+1)的算法可以如下表示：

w(n+1)＝ w(n)+μ u(n)e*(n)                      (1)

其中

u(n)＝当前输入采样的列矢量

＝[u(n)，u(n-1)，...，u(n-N)]^T，

w(n)＝当前滤波器系数的列矢量

＝[w₀(n)，w1₁(n)，.....，w_N-1(n)]^T，以及

e(n)＝误差信号

＝d(n)-y(n)，

其中μ＝自适应常数，以及

n＝迭代数目

当LMS均衡器在多径环境中执行恰当运作的时候，传输信道引入的失真将会从滤波器输出y(n)中消除。结果，该输出近似于预期信号，并且还取得了改进的接收机性能。在实施这种常规方法的CDMA手机中，滤波器输出随后将会发送到接收机后端，接收机后端则对恢复传输数据序列所必需的滤波器输出执行解扩、相关和解码。等式(1)中表示的系数自适应是以一种尝试将滤波器输出与目标信号之间的均方误差最小化的算法为基础的。非常理想的是，该误差趋近于维纳(Wiener)解所产生的结果，这是最佳的。由于输出信号的统计数值会在时间上改变，因此一般来说，来自LMS的均方误差不会会聚成这个理想的解。作为与最佳解之间的均方偏差量度的失调可以分离成两个分量：一个梯度或噪声误差分量以及一个滞后误差分量。自适应系数或步长μ是以相反的方式来影响这两个分量的。特别地，增大自适应系数μ将会减小滞后误差，同时使得滤波器对噪声更为敏感。与此相反，减小自适应系数μ将会在噪声环境中改进性能，同时增大滞后误差分量。

在一个高移动性的环境中，使用小自适应系数来降低噪声误差分量的LMS滤波器易于追踪时变传输信道。然而，小的自适应系数具有增大滞后误差的非预期效果，在诸如车辆速度之类的移动性增大的时候，这种效果将会更加显著。

附图说明

图1是依照本发明的线性滤波均衡器的一个实施例的示范性框图。

图2是被配置成在依照本发明的线性均衡器中处理接收信号的第一滤波器的一个实施例的示范性框图。

图3是被配置成在依照本发明的线性均衡器中处理延迟接收信号的第二滤波器的一个实施例的示范性框图。

图4是描述在通信设备中依照本发明来均衡接收信号的方法的示范性流程图。

具体实施方式

本发明提供了一种适合在通信设备中使用的设备和方法，在通信设备中通过均衡接收信号来缓和接收信号中存在的的多径失真效应。通常，通信设备可以是蜂窝电话之类的无线通信设备。指向无线通信设备的传输信号可以在经由多个独立路径或衰落路径传播之后由无线通信设备接收。这样一来，接收信号是若干个具有多径失真效应的衰落传输信号的组合。为了缓解多径失真效应，本发明使用了两个线性滤波器，诸如分接式延迟线。第一个滤波器接受接收信号并且通过使用多种技术来尝试追踪接收信号，这些技术包括但不局限于以一种与常规的最小均方(“LMS”)滤波器相类似的方式来最小化均方误差。与常规无线通信设备中将第一滤波器输出直接送到接收机后台，以便恢复传输波形所不同，来自第一滤波器的输出仅仅用于产生滤波器系数。来自第一滤波器的输出与预期信号之间的差值则用于产生一个误差信号。然后，该误差信号由一个自适应常数(adaptation constant)进行扩缩，以便产生滤波器系数。而第二滤波器则接受一个延迟接收信号，该信号是通过向接收信号中增加延迟而产生的。实际上，这个增加的延迟补偿了常规LMS解决方案的滞后误差，并且允许第二滤波器中的输入数据采样更好地与滤波系数相校准。此外，在这里分别将自适应常数和延迟这两个参数调整成补偿接收信号中的噪声和滞后误差分量。所述参数对的值可以基于接收信号变化率来进行选择，这可以基于多种技术，这些技术包括但不局限于多普勒和速度估计。

图1是依照本发明的线性滤波均衡器100的一个实施例的示范性框图。线性滤波均衡器100包括第一滤波器102，该滤波器是一个线性滤波器，例如N个分支的分接式延迟线。第一滤波器102将会接收一个输入信号104，例如具有多径衰落所导致的失真的接收信号。此外，第一滤波器102被配置成充当一个常规的分接式延迟线，并且在每一个分支对输入信号104进行采样，由此产生了多个经过采样的输入信号，或第一分支信号(未显示)。然后，基于多个第一分支信号以及一个滤波器系数阵列108产生第一滤波器输出106。滤波器系数阵列108可以初始指定成一个缺省值并在稍后进行更新。误差信号生成器110耦合到第一滤波器102，并被配置成基于第一滤波器输出106以及预期信号114来产生误差信号112，例如第一滤波器输出106与预期信号114之间的差值。误差信号112则用于更新滤波器系数阵列108。滤波器系数生成器116耦合到误差信号生成器110并被配置成基于误差信号112和自适应常数118来产生和更新滤波器系数阵列108，其中所述常数可用于扩缩误差信号112。可以基于输入信号104、先前产生的滤波器系数阵列以及经过扩缩的误差信号进一步得到更新的滤波器系数阵列。线性滤波均衡器100还包括延迟生成器120，它被配置成接受输入信号104并且对输入信号104增加延迟时间122，由此产生延迟输入信号124。第二滤波器126是另一个线性滤波器，例如M个分支的分接式延迟线，它耦合到滤波器系数生成器116以及延迟生成器120。第一滤波器102和第二滤波器126的分支数目可以是相同的。第二滤波器126在各个分支对延迟输入信号124进行采样，由此产生多个抽样延迟输入信号，或第二分支信号(未显示)。通过对输入信号104增加延迟122，延迟输入信号124将被更好地补偿滞后误差，并且第二滤波器126中的多个第二分支信号将会更好地与滤波器系数阵列108相校准。第二滤波器126还被配置成基于多个第二分支信号以及滤波器系数阵列108来产生一个第二滤波器输出128。滤波器系数阵列108可以根据第一滤波器102以及第二滤波器126的分支数目而采取具有不同阵列元素数目的大小。自适应常数118和延迟时间122都可以基于输入信号104的变化率而改变。

图2是被配置成在依照本发明的线性均衡器100中处理接收信号104的第一滤波器102的一个实施例的示范性框图。在这里将第一滤波器102显示成分接式延迟线，它具有多个延迟元件(在这里只显示了三个延迟元件202、204和206)。多个延迟元件202、204和206中的每一个都被配置成以半码片或全码片速率这样的预定速率来采样输入信号104，并且产生相应的第一分支信号(在这里只显示了三个第一分支信号208、210和212)。第一滤波器102还包括与多个延迟元件202、204和206相对应的多个第一滤波器分支乘法器(在这里只显示了三个第一滤波器分支乘法器214、216和218)。多个第一滤波器分支乘法器214、216和218中的每一个都耦合到一个相应的延迟元件202、204或206，并且还耦合到滤波器系数生成器116。多个第一滤波器分支乘法器214、216和218中的每一个都被配置成将相应的第一分支信号208、210和212与滤波器系数阵列108中的相应的第一分支系数226、228以及230相乘，以便产生元素乘积220、222以及224。例如，第一滤波器分支乘法器214被配置成将来自延迟元件202的第一分支信号与相应的第一分支系数226相乘，从而产生元素乘积220。所有元素乘积220、222和224由多个加法器相加(在这里只显示了两个加法器232和234)，以便产生第一滤波器输出106，然后，所述输出被用于更新滤波器系数阵列108。

图3是被配置成在依照本发明的线性均衡器100中处理延迟输入信号124的第二滤波器126的一个实施例的示范性框图。第二滤波器126与第一滤波器102是相似的，但是第二滤波器124接收的是延迟输入信号124，并且在这里并没有使用它的输入、即第二滤波器输出128来产生或更新滤波器系数阵列108，而是将其送到接收机后端。如先前所述，延迟输入信号124是通过由延迟生成器120将延迟时间122添加到输入信号104而产生的。作为分接式延迟线显示的第二滤波器126具有多个延迟元件(在这里只显示了三个延迟元件302、304和306)。多个延迟元件302、304和306中的每一个都被配置成以半码片速率或全码片速率这样的预定速率来对延迟输入信号124进行采样，并且产生相应的第二分支信号(在这里只显示了三个第二分支信号308、310和312)。第二滤波器126还包括与多个延迟元件302、304和306相对应的多个第二滤波器分支乘法器(在这里只显示了三个第二分支乘法器314、316和318)。多个第二滤波器分支乘法器314、316和318中的每一个都耦合到相应的延迟元件302、304或306，并且还耦合到滤波器系数生成器116。多个第二滤波器分支乘法器314、316和318中的每一个都被配置成将相应的第二分支信号308、310和312与滤波器系数阵列108中的相应的第二分支系数326、328和330相乘，以便产生元素乘积320、322或324。例如，第二滤波器分支乘法器314被配置成将来自延迟元件302的第二分支信号308与相应的第二分支系数326相乘，以便产生元素乘积320。所有元素乘积320、322和324由多个加法器相加(在这里只显示了两个加法器332和334)，以便产生第二滤波器输出128。

图4是描述依照本发明来均衡输入信号的通信设备中的方法的示范性流程图400。该处理始于框402，并且在框404中接收输入信号。然后，在框406中，对输入信号进行采样。在框408中，基于采样输入信号和滤波器系数阵列来产生第一输出。第一输出可以通过使用分接式延迟线来产生。在框410中，基于第一输出与预期信号之间的差值产生误差信号。然后，在框412中，使用误差信号来更新第一滤波器系数阵列，其中所述阵列是基于误差信号与自适应常数的乘积得到的。在框414中，将延迟时间添加到输入信号中，并且在框416中对延迟输入信号进行采样。然后，在框418中，基于经过采样的延迟输入信号以及经过更新的滤波器系数阵列产生第二输出。此外也可以使用另一个分接式延迟线来产生第二输出。然后，该处理将会在框420中终止。该处理还可以包括估计输入信号变化率，并且框412中的自适应常数以及框414中的延迟时间可以基于输入信号变化率而发生变化。

虽然在这里说明并描述了本发明的优选实施例，但是应该理解，本发明并不局限于此。在不脱离附加权利要求所定义的本发明的实质和范围的情况下，本领域技术人员可以想到多种修改、改变、变化、替换和等价物。

Claims (10)

1.一种线性滤波均衡器，包括：

第一滤波器，它被配置成接收输入信号，第一滤波器还被配置成基于多个由滤波器系数阵列加权的采样输入信号来产生第一滤波器输出；

耦合到第一滤波器的误差信号生成器，所述误差信号生成器被配置成基于第一滤波器输出以及预期信号来产生误差信号；

耦合到误差信号生成器的滤波器系数生成器，所述滤波器系数生成器被配置成基于误差信号和自适应常数来产生滤波器系数阵列；

延迟生成器，它被配置成将延迟时间添加到输入信号中，从而产生延迟输入信号；以及

耦合到滤波器系数生成器以及延迟生成器的第二滤波器，所述第二滤波器被配置成基于多个经过滤波器系数阵列加权的采样延迟输入信号来产生第二滤波器输出。

2.权利要求1的线性滤波均衡器，其中基于第一滤波器输出以及预期信号的误差信号包括基于第一滤波器输出与预期信号之间的差值产生的误差信号。

3.权利要求1的线性均衡滤波器，其中所产生的滤波器系数阵列还是基于输入信号与先前滤波器系数阵列中的至少一个得到的。

4.权利要求1的线性均衡滤波器，其中自适应常数是基于输入信号变化率而改变的。

5.权利要求1的线性均衡滤波器，其中延迟时间是基于输入信号变化率而改变的。

6.权利要求1的线性均衡滤波器，其中第一滤波器与第二滤波器中的至少一个是包含多个延迟元件的分接式延迟线。

7.权利要求6的线性均衡滤波器，其中滤波器系数阵列具有与多个延迟元件相对应的多个阵列元件。

8.权利要求1的线性均衡滤波器，其中：

第一滤波器是包含多个第一滤波器延迟元件的分接式延迟线；

第二滤波器是包含多个第二滤波器延迟元件的分接式延迟线，其中所述多个第二滤波器延迟元件的数目与所述多个第一延迟元件的数目是相等的；以及

滤波器系数阵列具有与多个第一滤波器延迟元件以及多个第二滤波器延迟元件相对应的多个阵列元素。

9.权利要求9的线性滤波均衡器，其中与多个第一滤波器延迟元件相对应的多个阵列元素还对应于多个第二滤波器延迟元件。

10.一种在线性滤波均衡器中均衡输入信号的方法，该方法包括：

接收输入信号；

采样输入信号；

基于采样输入信号以及滤波器系数阵列来产生第一输出；

基于第一输出以及预期信号来产生误差信号；

基于误差信号和自适应常数来更新滤波器系数阵列；

将输入信号延迟一个延迟时间；

对延迟输入信号进行采样；以及

基于经过采样的延迟输入信号以及经过更新的滤波器系数阵列来产生第二输出。

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