CN1826785B - 用于估计多载波信号传播信道的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于估计由多载波信号的连续符号组成的传播信道的方法，每个符号都包括至少一个参考导频(513)和多个运载数据的频率。该方法尤其包括至少一个以下步骤：基于传播信道(516)的第一估计校正所述至少一个参考导频(516)，以便提供所述信道(516)的第二更为精确的估计。

Description

用于估计多载波信号传播信道的方法和装置

1.技术领域

本发明的领域适用于类型属于包括DAB，DVB-T，DRM，以及电信(ADSL，Hyperlan2，等等)的组的数字通信，数字无线电广播系统。

更为准确的，本发明涉及利用OFDM(正交频分复用)解调的DAB，DVB-T，DRM类型的接收机，其在以上提及的领域中得到越来越多的应用。

2.背景技术

2.1OFDM调制原理的提示

OFDM调制是在多个被独立调制的载频上，例如，在QPSK或者QAM中，以时间-频率间隔分布持续时间为Tu(称为有用的符号时间)的数据。因此，OFDM沿如图1所示的时间轴11和频率轴12将信道分解成单元。每一个载波与前一个载波正交。

具有预定长度13的信道由此由一系列频率子带14和一系列时间段15组成。

为每个频率/时间单元分配一个专用载波。因此，要被传输的信息将被分布在所有这些载波上，每个载波被以低流量调制，例如，通过QPSK或QAM类型调制。一个OFDM符号包括所有载波在时间t运载的所有信息。

这种调制技术在遭遇多路径的情况下尤为有效。如提供了一组OFDM符号21的图2所示，通过两个不同路径到达接收机的相同序列符号，就像在两个不同并附加的瞬间到达的相同信息。这些回波将造成两类缺陷：

—符号内干扰：本身被轻微异相的符号相加；

—符号间干扰：下一个符号加上被轻微异相的前一个符号的符号相加。

在每个被发送的符号之间插入称作保护间隔22的“盲”区，其持续时间23被选择为对于回波扩散将足够大。这些预防措施将限制符号间干扰(其被保护间隔吸收)。

在接收时，载波还受到衰减(破坏性的回波)或者放大(建设性的回波)和/或相位旋转的影响。

导频同步载波(幅度通常比有用的数据载波大)被插入以计算信道传输函数，以及，因此在解调之前均衡该信号。在时间/频率间隔中的这些导频的值和位置对于接收机是预定义和已知的。

在时间和频率上的内插之后，获得或多或少的信道响应的相关估计，作为参考导频的数量和其在时间/频率域内的分布的函数。

2.2AM(DRM)频带中的应用

OFDM调制越来越多的被用于数字广播中，因为其非常适合无线电信道中的变化：回波和多普勒效应。工程师首先研究无线电信道的特性，这些特性变化作为发射频率，信号通带，以及AM(DRM)频带中的数字无线电，白天和黑夜以及太阳活动周期之间的不同传播条件的函数，以选择最适合的OFDM结构。

用于OFDM解调的接收机基本上利用从参考导频计算出来的信道响应。因此，该估计的精度取决于插入到OFDM符号中的参考导频的比例。

2.3.依据现有技术的技术缺点

共同相位误差校正算法是已知的，但是，处理后的误差对应于两个连续的OFDM符号之间的相对误差，因此目的是校正由于接收机中使用的振荡器的缺陷引起的相位误差。

然而，观测到有快速信道变化，特别对于DRM以及特别在车辆行进时，这可能引起业务的暂时丢失(部分或全部)。

特别的，用于校正两个连续的OFDM符号之间的相位变化的已知技术，是基于通过两个连续的符号之间的区别计算共同相位误差。因此，在信道估计之前完成该校正。例如，这是针对France Télécomand Télédiffusion de France(TDF)在他们的法国专利NO.FR2768278中提出的解决方案的情况。但是，这可能不充分，尤其是在DRM的情况下。

3.发明内容

本发明的目的尤其是为了克服现有技术的这些主要缺点。

精确地说，本发明的一个目的是提供一种方法和装置，用于优化传播信道的估计，尤其是OFDM信道的估计，例如用于DRM类型的应用。

特别的，本发明的另一个目的是试图降低例如在DRM的情况下可能发生的强烈的衰落。

本发明的另一个目的是提供一种方法和装置，用于校正作为相应的传播信道的函数的参考导频。

本发明的另一个目的是提供一种用于改进接收机的同步的方法和估计装置。

本发明的另一个目的是提供一种保持合理成本的同时容易使用的方法和装置。

本发明的另一个目的是提供一种方法和装置，还用于纠正接收的OFDM信号上的共同相位误差的问题，例如，由振荡器相位噪声引起的、与OFDM符号共有的幅度上的误差互补的相位误差。

4.本发明的主要特征

借助估计由多载波信号的连续符号形成的传播信道的方法，其中每个符号包括至少一个参考导频和多个运载数据的频率，将实现这些目的和之后出现的其它目的。

这样的方法有利地包括至少一个以下步骤：根据传播信道的第一估计校正一个或多个参考导频，从而产生第二更为精确的信道估计。

这种方法尤其基于本发明人观察到的，在依据现有技术的解决方案中当前已知的算法不使用能从参考导频中提取的所有信息。

作者J.Scott于1998年在“EBU Technical Review”中出版的标题为“COFDM中相位噪声的影响”论文，确定了在接收中OFDM信号上的共同相位误差的问题，例如，由振荡器相位噪声引起的相位误差。然而，依据现有技术的这篇论文没有对这个问题提出任何解决办法。

有利的是，用于传播信道的第一估计步骤在接收的导频被校正之前考虑这些导频。

优选的，该校正步骤包括为每个参考导频计算幅度和/或相位误差向量的步骤。

优选的，误差向量计算步骤包括对在至少一个符号上获得的一组误差向量的求平均。例如，该求平均可以对应于在为每个符号获得的误差向量上的积分，以消除任何由于非典型导频的使用而可能产生的引入噪声的风险。

有利的是，在每个符号上计算求平均。

有利的是，该组误差向量只包含满足至少一个预定质量标准的误差向量。

优选的，用于幅度和/或相位误差向量的计算步骤包括初步的抑制步骤，使该计算抑制具有幅度低于第一预定最小平均阈值和/或大于第二预定最大平均阈值的导频，以便防止任何将偏差引入到幅度和/或相位误差向量的计算中的风险。

作为简单的说明性实例，当进行常规信道估计时，常常有百分比十分大的幅度和相位误差使得该信道不可用。

另一方面，依据本发明的方法能够通过应用对数据本身的信道估计，解调所有的导频以提取一个适用于该信道的共用估计。

因此，随着对于相同符号的这些导频的数量增加，所述误差的估计也将更佳，且加性高斯白噪声将最小。与符号上的平均数相比具有很低幅度或者具有太高幅度(其可被视为寄生)的导频在运算中被忽略。

有利的是，所述第二估计包括取决于第一信道估计的均衡步骤。

有利的是，所述均衡步骤在每个符号的所有载频上执行。

同样有利的是，所述均衡步骤后跟随一个根据被均衡用于在时间上改善接收机的同步的参考导频，计算传播信道的脉冲响应的步骤。

优选的，所述参考导频校正步骤包括通过第一传播信道估计划分这些导频。

优选的，所述参考导频的校正步骤还包括一个对所有被均衡的有用载波的最后校正步骤，其考虑作为求平均的结果获得的平均值。

依据本发明的方法被有利的用于校正对于相同OFDM(正交频分复用)类型符号中的两个单元共同的至少一个相位和/或幅度误差。

本发明还涉及传播信道估计装置，其由多载波信号的连续符号形成，每个符号包括至少一个参考导频和多个数据载频。

因此，这种装置优选地包括用于校正作为所述传播信道的第一估计的函数的一个或多个参考导频，以输出更为精确的第二信道估计的装置。

5.附图说明

在阅读以下作为简单说明性和非限定性实例给出的优选实施例的以及附图的说明之后，将更清楚本发明的其他特性和优点，附图有：

图1，已经在序言中说明，是分解为单元的OFDM信道的时间/频率视图，所述信道由一系列频率子带和一系列时间段组成；

图2，以上也已说明，提供了一组OFDM符号；

图3示出了一组DRM符号在模式A的OFDM结构的实例；

图4示出了OFDM结构，但是用于一组DVB-T符号时的第二实例；

图5为依据本发明的方法的功能性算法的图表说明，且在以下详细说明；

图6给出了从为N＝7个导频分别获得的7个误差向量开始，用于确定综合误差向量的实例。

图7给出了根据本发明，在DRM信号从一个塔以模式A在26MHZ频率的试验性广播上的获得的不应用该算法和应用该算法的结果实例。该图演示了在应用共同误差校正之前和之后信道估计中的残留误差。在对本发明的优选实施例的说明的章节7.2中有详细描述。

6.本发明的其余一般原理

因此，本发明的目的是校正包含在相同OFDM符号内的单元所共同的一个或多个相位和/或幅度误差，以优化OFDM信道的估计。

更详细的，OFDM信号中所谓的参考导频被积分以估计所述传播信道。该估计首先用于校正关于传播信道的所谓的数据导频，其次获得该信道的脉冲响应，该响应随后被用于在时间上改善接收机的同步。

对于信息，在1990年2月6日的关于数字数据广播方法的法国专利NO.FR 2658016中描述了参考导频在数字声音无线电广播系统中的使用，特别是COFDM(编码正交频分复用)类型，尤其用于高速无线电广播到具有时间-频率交错和相干解调的移动台，以及相应的接收机。特别的，这种方法可以被用于通过内插为每个数字元件确定相位和幅度基准，由此实现相干解调。

7.具体实施方式

因此，利用依据本发明的方法，就能够在信道校正后确定OFDM符号的相位旋转。这种技术提供了一种补偿从接收机振荡器输出的相位变化的手段，但是，其还能够确定一个符号所共有的幅度变化。这两项信息可以被用于以时间域内的符号率监控信道的变化。

依据本发明的一个优选实施例，其目的是校正包含在相同OFDM符号内的单元所共同的相位和幅度误差。本技术可用于以OFDM符号的速率监控信道变化，这比由于参考导频的时间和频率分布在数量上常受限导致的常规信道估计所能得到的速率好得多，以至于不会过度地降低吞吐量。

一旦该“粗略的”时间和频率同步已经被建立，例如，通过校正保护间隔，可以通过参考导频上的内插获得信道响应。一旦获得该估计，均衡就被应用于所有参考导频和OFDM符号数据。接着就可能在均衡后在参考导频确定发送导频和接收导频之间的残留误差。这通常是由于加性高斯白噪声或者可能由于涉及时间和频率内插限制的误差引起的，换句话说，就是信道估计。

通过积分符号上的所有向量，等效于为它们求平均，所获得的结果是一个综合误差向量。基本向量中的置信度通过信道估计实现的，该运算抑制微弱的信号(嵌入噪声中)或者寄生峰值。

该向量的相位对应于公共相位误差“CPE”，以及该向量的幅度对应于公共幅度误差“CAE”，两者都通过以下给出的数学公式表示，并在图6中示出。该图6给出了如何确定从为N＝7个导频分别获得的7个误差向量(62，63，64，65，66，67，68)开始的综合误差向量61的说明性实例。

公共相位误差“CPE”69表示如下：

$\mathrm{CPE}=\mathrm{angle}\left(\underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{{\mathrm{ref}}_i}\right)$

公共幅度误差“CAE”61表示如下：

$\mathrm{CAE}=\frac{{\sqrt{\left(\underset{i=o}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{ref}{i}_i}\right)}}^2}{N}$

其中：

Pref_i：为在参考导频i上的复合残留误差，在此，i为所使用的N个参考导频的索引(从0到N-1)；

N：为在该计算中定义导频数量的变量。

同样的，如果H₁是校正前信道的第一响应估计，用综合误差向量加权该第一信道估计可以给出一个表示为H₂的新的更为精确的信道估计，其考虑接收机振荡器的相位误差。该第二更为精确的估计还考虑信道变化，借助依据现有技术的技术不能正常测量该变化，这也是应用于OFDM解调的信道估计的改进的部分原因。

该第二更为精确的信道估计通过以下数学公式表示：

$H_2\left(n\right)=\frac{{h1}^{\left(n\right).e(-j.\mathrm{CPE})}}{\mathrm{CAE}}$

在此h₁(n)：是校正前的信道响应。

接着通过以下数学公式，就能够评估分配给由该估计所均衡的所有单元的改良估计值，

Y(n)＝h₂ ^-1(n)＊x(n)

在此：

y(n)是由该估计均衡的一组单元；

h₂(n)：是在通过CPE和CAE校正之后的信道响应；

x(n)：是与OFDM符号相关联的一组单元。

图5示出了以上描述的功能算法的图表说明，对此主要步骤归纳如下：

-步骤1：将快速傅立叶变换510应用于在基带中传送的接收信号，以识别与每个OFDM符号相关联的单元的集合X(n)511；

-步骤2：接着，单元511的解复用512首先分离参考导频513其次分离数据载波514；

-步骤3：在所有的参考导频513上完成时间/频率内插515，以在校正之前获得信道响应516的第一估计h₁(n)；

-步骤4：随后在校正前从参考导频513，以及信道响应516的第一估计h₁(n)进行共同相位误差(ECP)和共同幅度误差(CAE)的计算517；

-步骤5：在校正后计算信道响应的第二更为精确的估计h₂(n)；

-步骤6：通过一组数据载波514和第二估计518的结果对所有单元512进行均衡519，以通过该估计定义被均衡的单元y(n)的集合520；

-步骤7：应用被校正的参考导频i上的复合残留误差的数据处理521和计算522，以在被校正的导频上进行最后一次调整523。

图7说明了依据本发明，在DRM信号从一个塔以模式A在26MHZ频率的试验广播上(其在频率上每20个单元以及在时间上每5个单元有一个参考导频)，不应用算法和应用算法获得的结果实例。当以每小时50公里的速度移动到塔附近时，音频业务71被高度干扰：未校正的信道72包括凸肚和节点73，其比所选择的OFDM模式还要更频繁的反复发生。使用依据本发明的技术，音频业务71在校正后工作很完美，如参考标记74所示。

图7还示意了为以下获得的信号：

-未校正的模块75；

-已校正的模块76；

-未校正的相位77；

-已校正的相位78。

8.依据本发明的解决方案的优点

依据本发明提出的用于估计由多载波信号的连续符号形成的传播信道的方法和装置具有多个优点，其中每个符号包括至少一个参考导频和多个运载数据的频率，这些优点在以下的非穷举列表中给出：

-优化OFDM中的信道估计；

-校正关于传播信道的数据导频；

-获得信道的脉冲响应的可能性，其可以被用于改善接收机的时间同步；

-应用到包括DRM，DVB-T，等等类型的移动性中的OFDM接收；

-简化使用；

-根据校正获得的结果的质量和关联性；

-解决方案和算法的速度。

Claims (14)

1.一种用于估计传播信道的方法，所述传播信道由多载波信号的连续符号形成，每个符号包括至少一个参考导频和多个运载数据的频率，其特征在于，该方法包括以下步骤：

-提取出每个所述符号中存在的所述一个或多个参考导频；

-通过在所述一个或多个参考导频上进行时间/频率内插，第一估计(h₁(n))所述传播信道；

-根据所述一个或多个参考导频和所述传播信道的第一估计(h₁(n))，计算公共相位误差(CPE)和公共幅度误差(CAE)；

-通过所述第一估计(h₁(n))、所述公共相位误差(CPE)和所述公共幅度误差(CAE)，第二估计所述传播信道，以产生所述信道的更为精确的第二估计(h₂(n))。

2.根据权利要求1的用于估计传播信道的方法，其特征在于，所述计算步骤包括为每一个所述参考导频计算幅度和相位误差向量的步骤，称为误差向量计算步骤。

3.根据权利要求2的用于估计传播信道的方法，其特征在于，所述误差向量计算步骤包括对在至少一个符号上获得的一组误差向量求平均。

4.根据权利要求3的用于估计传播信道的方法，其特征在于，所述求平均在每个符号上计算。

5.根据权利要求3或4的用于估计传播信道的方法，其特征在于，所述一组误差向量仅包括满足至少一个预定质量标准的误差向量。

6.根据权利要求2到4中任一项的用于估计传播信道的方法，其特征在于，所述用于幅度和相位误差向量的计算步骤包括一个初步步骤，其中所述具有幅度小于第一预定最小平均阈值和/或大于第二预定最大平均阈值的导频被抑制，以便防止任何将偏差引入到所述幅度和/或相位误差向量的计算中的风险。

7.根据权利要求3或4的用于估计传播信道的方法，其特征在于，所述第二估计包括一个取决于第一信道估计的均衡步骤。

8.根据权利要求7的用于估计传播信道的方法，其特征在于，所述均衡步骤在每一个所述符号的所有载频上进行。

9.根据权利要求7的用于估计传播信道的方法，其特征在于，该方法在所述均衡步骤之后包括一个步骤，用于根据在时间上被均衡的用于改善接收机的同步的参考导频，计算传播信道的脉冲响应。

10.根据权利要求1到4中任一项的用于估计传播信道的方法，其特征在于，所述计算步骤包括通过第一传播信道估计来划分所述导频。

11.根据权利要求7的用于估计传播信道的方法，其特征在于，参考导频的所述计算步骤还包括一个最后步骤，用于考虑作为所述求平均的结果的获得的平均值，校正所有被均衡的有用载波。

12.根据权利要求11的用于估计传播信道的方法，其特征在于，该方法被用于校正在同一正交频分复用(OFDM)类型符号中的两个单元所共有的至少一个公共相位误差(CPE)和/或公共幅度误差(CAE)。

13.根据权利要求1的用于估计传播信道的方法，其特征在于，为在同一正交频分复用(OFDM)类型符号中的两个单元实施该方法。

14.一种用于估计传播信道的装置，所述传播信道由多载波信号的连续符号形成，每一个符号包括至少一个参考导频和多个数据载频，

其特征在于，该装置包括：

-用于提取出每一个所述符号中存在的所述一个或多个参考导频的装置；

-用于通过在所述一个或多个参考导频上进行时间/频率内插，作出所述传播信道的第一估计(h₁(n))的装置；

-用于根据所述一个或多个参考导频和所述传播信道的所述第一估计(h₁(n))，计算公共相位误差(CPE)和公共幅度误差(CAE)的装置；

-用于根据所述第一估计(h₁(n))、所述公共相位误差(CPE)和所述公共幅度误差(CAE)，估计所述传播信道，以便产生所述信道的更为精确的第二估计(h₂(n))的第二装置。

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