TWI646785B - 無線通訊系統及其信號處理方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種無線通訊系統，其中包含一通道估計電路、一短化電路、一時域決定反饋等化器與一係數計算電路。該通道估計電路係用以根據一接收信號產生一估計通道脈衝響應。該短化電路係用以根據該估計通道脈衝響應之一主要能量分布區，自該估計通道脈衝響應中截取出一短化後脈衝響應。該時域決定反饋等化器係用以對該接收信號施以一時域等化程序，其中包含用以過濾該接收信號之一前饋濾波器。該係數計算電路係用以根據該短化後脈衝響應計算出一組前饋濾波係數，供該前饋濾波器使用。

Description

無線通訊系統及其信號處理方法
本發明與無線通訊系統相關，並且尤其與無線通訊系統中為時域決定反饋等化器(time-domain decision-feedback equalizer)決定濾波係數的技術相關。
在許多無線通訊系統中，為了消除多重傳播路徑(multipath)造成的干擾，接收端設有時域等化器。對於數位電視有線廣播(digital video broadcasting-cable,DVB-C)、進階電視系統委員會(Advanced Television Systems Committee,ASTC)、數位地面多媒體廣播(digital terrestrial multimedia broadcast,DTMB)等採用單一載波時域傳輸的無線通訊標準來說，決定反饋(decision-feedback)是一個有效且實用的等化器架構。
圖一呈現無線接收器100的示意圖。無線接收器100包含通道估計電路110、係數計算電路120以及時域決定反饋等化器130。通道估計電路110負責根據進入無線接收器100的接收信號產生一估計通道脈衝響應，其係估計一對應之傳送信號被傳送至接收器100所經過之通道的脈衝響應。時域決定反饋等化器130包含一前饋濾波器(feedforward filter)130A、一加法器130B、一反饋濾波器(feedback filter)130C以及一截剪器(slicer)130D。係數計算電路120負責根據通道估計電路110輸出的估計通道脈衝響應，計算出各種濾波係數(例如中心頻率、截止頻率、頻寬等)的初始值，供前饋濾波器130A與反饋濾波器130C使用。隨後，時域決定反饋等化器130可透過迭代運算自行修正該等濾波係數。加法器 130B的輸出信號(亦即等化後信號)會被傳遞至解碼電路140進行解碼，以產生一解碼後位元串。
圖二呈現對應於時域決定反饋等化器130的信號模型。圖二中的符號x(n)表示傳送端輸出的原始信號，符號H(z)表示原始信號x(n)所經過之通道貢獻的脈衝響應。符號y(n)表示圖一中送入通道估計電路110與時域決定反饋等化器130的接收信號，通道估計電路110的任務便是產生脈衝響應H(z)的估計值。符號F(z)、B(z)分別表示前饋濾波器130A與反饋濾波器130C貢獻的頻率響應。符號δ代表一延遲量；原始信號x(n-δ)相對於原始信號x(n)存在大小為δ個取樣的延遲。
最佳化係數計算電路120產生濾波係數初始值的一種方式是將計算目標訂為「令等化後信號(n-δ)與原始信號x(n-δ)之差異的期望值最小化」，其推導過程詳述如下。
首先，加法器130B輸出的等化後信號(n-δ)可被表示為： 其中符號f表示前饋濾波器130A的濾波係數向量，其長度為L；符號b表示反饋濾波器130C的濾波係數向量，其長度為M；符號yn表示一串連續的接收信號取樣： [y(n) y(n-1) … y(n-(L-2)) y(n-(L-1))]，符號表示一串連續的截剪後信號取樣：
由圖二可看出，接收信號yn亦可被表示為原始信號x(n)受到通道效應影響的結果：yn=xnH+vn，(式二) 其中，符號xn表示一串連續的原始信號取樣： [x(n) x(n-1) … x(n-(N+L-2))]，並且符號H表示一個由估計通道脈衝響應h組成的矩陣： 估計通道脈衝響應h是一個時間函數，其長度為正整數N，而符號vn表示一雜訊向量。
綜合上述定義，「將等化後信號(n-δ)與原始信號x(n-δ)之 差異的期望值最小化」可被數學化表示如下：
式三可被進一步改寫為：
式四可利用韋納濾波(Wiener filter)數學模型求解： 其中
已知反矩陣定理(matrix inversion lemma)為： 其中 以及 其中
若將反矩陣定理套用至式五，可推導出： 其中 且
經過簡化，式八可被改寫為： 其中h δ =[h(δ) … h(0)]1×(δ+1)，且
綜合上述推導，係數計算電路120可根據下列運算式找出式四的韋納解：
若係數計算電路120改採用忽略雜訊項的零強迫(zero forcing)數學模型來為式四求解，也會得到與式十類似的結果：
理論上，若通道估計電路110找出的估計通道脈衝響應h愈能詳實反映實際通道狀況，係數計算電路120所計算出的濾波係數初始值便會愈理想，亦即能使得時域決定反饋等化器130較快進入收斂狀態、開始穩定運作。在真實世界中，通道狀況是隨著時間不斷變化的。在無法預測估計通道脈衝響應h之長度的情況下，為了涵蓋各種可能的通道狀況，通道估計電路110的評估期間通常被設計為一個相當大的時間範圍，因而使 得通道估計電路110產生的估計通道脈衝響應h具有相當大的長度N。
然而，由式十與式十一可看出，係數計算電路120在計算前饋濾波器130A的濾波係數向量f opt 以及反饋濾波器130C的濾波係數向量b opt 時，其計算程序的複雜度係正相關於向量f opt 和b opt 的長度(分別是L和M)。實務上，向量長度L通常被設計為與估計通道脈衝響應的長度N相同，而向量長度M則是正相關於估計通道脈衝響應的長度N以及向量長度L。更具體地說，通道估計電路110找出的估計通道脈衝響應h愈長，矩陣H就愈大，係數計算電路120需要進行的計算會愈複雜。可理解的是，若係數計算電路120因進行較複雜的計算而耗費較長的時間來產生濾波係數初始值，即使得到的計算結果較理想，時域決定反饋等化器130能夠開始穩定運作的時間點反而可能會受到延遲。
為解決上述問題，本發明提出一種新的無線通訊系統及其信號處理方法。
根據本發明之一具體實施例為一種無線通訊系統，其中包含一通道估計電路、一短化電路、一時域決定反饋等化器，以及一係數計算電路。該通道估計電路係用以根據一接收信號產生一估計通道脈衝響應。該短化電路係用以根據該估計通道脈衝響應之一主要能量分布區，自該估計通道脈衝響應中截取出一短化後脈衝響應。該時域決定反饋等化器係用以對該接收信號施以一時域等化程序，其中包含用以過濾該接收信號之一前饋濾波器。該係數計算電路係用以根據該短化後脈衝響應計算出一組前饋濾波係數，供該前饋濾波器使用。
根據本發明之另一具體實施例為一種應用於一無線通訊系統之信號處理方法。首先，一估計通道脈衝響應根據一接收信號被產生。接著，根據該估計通道脈衝響應之一主要能量分布區，一短化後脈衝響應自該估 計通道脈衝響應中被截取出來。隨後，根據該短化後脈衝響應，一組前饋濾波係數被計算產生。爾後，在對該接收信號所施以之一時域決定反饋等化程序中，包含了對該接收信號施以使用該組前饋濾波係數之一前饋濾波程序。
關於本發明的優點與精神可以藉由以下發明詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。
100‧‧‧無線接收器
300‧‧‧無線通訊系統
110、310‧‧‧通道估計電路
120、320‧‧‧係數計算電路
130、330‧‧‧時域決定反饋等化器
130A、330A‧‧‧前饋濾波器
130B、330B‧‧‧加法器
130C、330C‧‧‧反饋濾波器
130D、330D‧‧‧截剪器
140、340‧‧‧解碼電路
350‧‧‧短化電路
350A‧‧‧緩衝記憶體
350B‧‧‧能量峰值搜尋電路
350C‧‧‧能量分布區辨識電路
360‧‧‧組態控制器
S71~S74‧‧‧流程步驟
圖一呈現一個包含時域決定反饋等化器之無線接收器的示意圖。
圖二呈現一個對應於時域決定反饋等化器的信號模型。
圖三為根據本發明之一實施例中的無線通訊系統之功能方塊圖。
圖四(A)呈現一個估計通道脈衝響應的範例。
圖四(B)係繪示根據本發明之短化電路的一種詳細實施範例。
圖四(C)係用以說明如何根據能量峰來界定估計通道脈衝響應中的主要能量分布區。
圖五係繪示根據本發明之無線通訊系統進一步包含一組態控制器的實施例。
圖六(A)呈現另一個估計通道脈衝響應的範例。
圖六(B)係繪示根據本發明之短化電路的另一種詳細實施範例。
圖七為根據本發明之一實施例中的信號處理方法之流程圖。
須說明的是，本發明的圖式包含呈現多種彼此關聯之功能性模 組的功能方塊圖。該等圖式並非細部電路圖，且其中的連接線僅用以表示信號流。功能性元件及/或程序間的多種互動關係不一定要透過直接的電性連結始能達成。此外，個別元件的功能不一定要如圖式中繪示的方式分配，且分散式的區塊不一定要以分散式的電子元件實現。
根據本發明之一具體實施例為一種無線通訊系統，其功能方塊圖係繪示於圖三。無線通訊系統300包含一通道估計電路310、一係數計算電路320、一時域決定反饋等化器330、一解碼電路340，以及一短化電路350，分述如下。
通道估計電路310係用以根據進入無線通訊系統300的接收信號產生一估計通道脈衝響應h。時域決定反饋等化器330則係用以對該接收信號施以一時域等化程序，其中包含一前饋濾波器330A、一加法器330B、一反饋濾波器330C以及一截剪器330D。時域決定反饋等化器330輸出的等化後信號會被傳遞至解碼電路340進行解碼，以產生一解碼後位元串。
係數計算電路320負責計算出一組前饋濾波係數f與一組反饋濾波係數b，分別供前饋濾波器330A與反饋濾波器330C使用。不同於無線接收器100的電路架構，通道估計電路310與係數計算電路320間耦接有短化電路350。短化電路350負責為估計通道脈衝響應h界定出一主要能量分布區EM，並據此自估計通道脈衝響應h中截取出一部分，做為一短化後脈衝響應h S 。圖四(A)呈現一個估計通道脈衝響應h的範例，其縱軸為能量，橫軸為時間，而估計通道脈衝響應h的時間長度N是由通道估計電路310決定的一個特定數值。如圖四(A)所示，估計通道脈衝響應h的能量並非平均分布，通常會在某幾個時間點出現能量峰，其他時間點的能量則明顯低於該等峰值。短化電路350會在時間範圍0~N內選出能涵蓋估計通道脈衝響應h中大部分能量的一個區段，做為主要能量分布區 EM。實務上，有多種界定主要能量分布區EM的方式可應用於短化電路350，以下介紹幾種實施例。
於一實施例中，短化電路350根據能量峰的位置來界定主要能量分布區EM，其功能方塊圖如圖四(B)所示。緩衝記憶體350A係用以儲存通道估計電路310產生的估計通道脈衝響應h。舉例而言，緩衝記憶體350A可利用多個暫存器來儲存估計通道脈衝響應h中各個時間點所對應的能量值。本發明的範疇並未限定於特定儲存機制。緩衝記憶體350A可為揮發性或非揮發性記憶體裝置，例如隨機存取記憶體或快閃記憶體。能量峰值搜尋電路350B負責找出估計通道脈衝響應h中能量高於一預設門檻值PTH的能量峰。就圖四(C)呈現的範例而言，能量峰值搜尋電路350B總共會找出P1~P4四個能量峰，提供給能量分布區辨識電路350C。接著，能量分布區辨識電路350C便根據能量峰P1~P4來界定出主要能量分布區EM。舉例而言，能量分布區辨識電路350C可將主要能量分布區EM的範圍下限NL設定在自能量峰P1向左起算一特定時間長度、將範圍上限NU設定在自能量峰P4向右起算一特定時間長度(其具體數值可由電路設計者根據經驗決定)。隨後，能量分布區辨識電路350C便自緩衝記憶體350A擷取出估計通道脈衝響應h對應於主要能量分布區EM(時間範圍NL~NU)的部分，做為短化後脈衝響應h S (亦即不考慮估計通道脈衝響應h於主要能量分布區EM之外的值)。在這個實施例中，短化電路350並未預先限定主要能量分布區EM的長度。
於另一實施例中，短化電路350先計算出估計通道脈衝響應h的總能量，接著利用積分器，在估計通道脈衝響應h中尋找一段能夠涵蓋該總能量之百分之八十的連續時間範圍，做為主要能量分布區EM。在這個實施例中，短化電路350亦不會預先限定主要能量分布區EM的長度。
於又一實施例中，短化電路350預先設定主要能量分布區EM的長度，並且是從估計通道脈衝響應h中找出符合此固定長度且能量最集中 的一個連續區段做為主要能量分布區EM。
由圖三可看出，係數計算電路320是根據短化電路350產生的短化後脈衝響應h S (而非通道估計電路310產生的估計通道脈衝響應h)構成的矩陣(以下標示為H S )來計算前饋濾波係數f。如先前所述，無論是採用韋納濾波數學模型或零強迫數學模型，係數計算電路320在計算前饋濾波係數f時，其計算程序的複雜度皆正相關於估計通道脈衝響應h的長度。顯然，相較於採用根據估計通道脈衝響應h構成的矩陣H，在計算前饋濾波係數f時採用根據短化後脈衝響應h S 構成的矩陣H S ，係數計算電路320中的計算複雜度能被有效降低。透過選擇適當的主要能量分布區EM，令估計通道脈衝響應h中大部分的能量落在其中，係數計算電路320根據矩陣H S 所計算出的前饋濾波係數f便不會與理想值差異太大。再者，該等差異造成的影響隨後可藉由時域決定反饋等化器330本身的迭代修正來降低。
於一實施例中，如圖五所示，無線通訊系統300在短化電路350與係數計算電路320之間進一步包含一組態控制器360，且係數計算電路320能接受組態控制器360的控制被彈性組態，而非固定針對具有特定通道長度的短化後脈衝響應h S 進行計算。在這個架構中，短化電路350能夠自行決定主要能量分布區之長度。在短化電路350產生短化後脈衝響應h S 後，組態控制器360便會根據短化後脈衝響應h S 所對應之一通道長度來組態係數計算電路320。
於一實施例中，除了前饋濾波係數f之外，係數計算電路320亦根據對應於短化後脈衝響應h S 的矩陣H S 來產生反饋濾波係數b。在這個情況下，因前饋濾波係數f與矩陣H S 皆已經過簡化，係數計算電路320中計算反饋濾波係數b的複雜度可大幅降低。
於另一實施例中，係數計算電路320僅將矩陣H S 用於計算前饋 濾波係數f，在產生反饋濾波係數b時則是利用由估計通道脈衝響應h構成的矩陣H來進行計算。這種做法的好處在於，對反饋濾波係數b來說，因短化脈衝響應而造成的係數不理想性可被降低。並且，由式十與式十一可看出，不同於產生前饋濾波係數f時需要複雜的反矩陣運算，產生反饋濾波係數b的線性運算較為單純；即使採用由估計通道脈衝響應h構成的矩陣H來產生反饋濾波係數b，係數計算電路320亦不需要處理太龐雜的運算。
請參閱圖六(A)及圖六(B)。於一實施例中，能量峰值搜尋電路350B進一步參考另一預設門檻值PTH2，找出估計通道脈衝響應h中能量介於兩個預設門檻值PTH與PTH2之間的能量峰。就圖六(A)中的估計通道脈衝響應h而言，能量峰值搜尋電路350B會進一步找出能量峰P5，能量分布區辨識電路350C根據此能量峰P5界定出與主要能量分布區互不重疊的一個次要能量分布區EM2。次要能量分布區EM2可被視為在主要能量分布區EM之外，另一個較不重要的能量集中區域。舉例而言，能量分布區辨識電路350C可將次要能量分布區EM2的時間軸範圍下限NL2設定在自能量峰P5向左起算一特定時間長度、將時間軸範圍上限NU2設定在自能量峰P5向右起算一特定時間長度。隨後，能量分布區辨識電路350C便自緩衝記憶體350A擷取出估計通道脈衝響應h對應於這個次要能量分布區EM2(時間範圍NL2~NU2)的部分，做為次要脈衝響應h S2 。
在這個實施例中，短化電路350會將短化後脈衝響應h S 與次要脈衝響應h S2 都提供給係數計算電路320。如先前所述，係數計算電路320根據式十或式十一來產生反饋濾波係數b時，所進行的都是線性運算。因此，係數計算電路320可分別根據短化後脈衝響應h S 與次要脈衝響應h S2 計算出兩組反饋濾波係數，再將這兩組反饋濾波係數線性疊加，做為提供給反饋濾波器330C使用的反饋濾波係數b。相較於只根據短化後脈衝響應h S 來產生反饋濾波係數b的情況，令係數計算電路320進一步將次要脈 衝響應h S2 納入考量，可以提高反饋濾波係數b的理想性，並且不會導致太大的運算負擔。
本發明所屬技術領域中具有通常知識者可理解，如同主要能量分布區EM，短化電路350亦不限於根據能量峰的位置來界定次要能量分布區EM2。舉例而言，在界定出主要能量分布區EM後，短化電路350可計算出估計通道脈衝響應h在主要能量分布區EM之外的剩餘能量，並利用積分器，在估計通道脈衝響應h中尋找能夠涵蓋該剩餘能量之百分之八十且不與主要能量分布區EM重疊的一段連續時間範圍，做為次要能量分布區EM2。
實務上，短化電路350可利用多種控制和處理平台實現，包含固定式的和可程式化的邏輯電路，例如可程式化邏輯閘陣列、針對特定應用的積體電路、微控制器、微處理器、數位信號處理器。此外，這兩個電路亦可被設計為透過執行記憶體中所儲存的處理器指令來完成任務。本發明所屬技術領域中具有通常知識者可理解，有多種電路組態和元件可在不背離本發明精神的情況下實現本發明的概念。
須說明的是，係數計算電路320產生的前饋濾波係數f與反饋濾波係數b，不限於做為時域決定反饋等化器330的濾波係數初始值使用。 在時域決定反饋等化器330開始穩定運作之後，通道估計電路310仍可週期性地產生新的估計通道脈衝響應h，並且令短化電路350定期產生新的短化後脈衝響應h S 、係數計算電路320計算出新的前饋濾波係數f與反饋濾波係數b，提供給時域決定反饋等化器330。
根據本發明之另一具體實施例為一種應用於一無線通訊系統之信號處理方法，其流程圖係繪示於圖七。首先，步驟S71為根據一接收信號產生一估計通道脈衝響應。接著，步驟S72是根據該估計通道脈衝響應之一主要能量分布區，自該估計通道脈衝響應中截取出一短化後脈衝響應。 隨後，步驟S73為根據該短化後脈衝響應計算出一組前饋濾波係數。步驟S74則是對該接收信號施以一時域決定反饋等化程序，其中包含對該接收信號施以使用該組前饋濾波係數之一前饋濾波程序。
本發明所屬技術領域中具有通常知識者可理解，先前在介紹無線通訊系統300時描述的各種操作變化亦可應用至圖七中的信號處理方法，其細節不再贅述。
藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。本揭露書中的數學表示式係用以說明與本發明之實施例相關的原理和邏輯，除非有特別指明的情況，否則不對本發明之範疇構成限制。本發明所屬技術領域中具有通常知識者可理解，有多種技術可實現該等數學式所對應的物理表現形式。

Claims (7)

  1. 一種無線通訊系統，包含：一通道估計電路，用以根據一接收信號產生一估計通道脈衝響應；一短化電路，用以根據一能量峰的位置或根據該估計通道脈衝響應之一總能量而界定出該估計通道脈衝響應之一主要能量分布區，並根據該主要能量分布區，自該估計通道脈衝響應中截取出一短化後脈衝響應，其中該短化電路進一步界定出該估計通道脈衝響應中不同於該主要能量分布區之一次要能量分布區，並根據該次要能量分布區，自該估計通道脈衝響應中截取出一次要脈衝響應；一時域決定反饋等化器，用以對該接收信號施以一時域等化程序，其中包含用以過濾該接收信號之一前饋濾波器；以及一係數計算電路，用以根據該短化後脈衝響應以及該次要脈衝響應計算出一組前饋濾波係數，供該前饋濾波器使用。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之無線通訊系統，其中該係數計算電路能被彈性組態，而非固定針對具有一特定通道長度之短化後脈衝響應進行計算；該無線通訊系統進一步包含：一組態控制器，耦接於該短化電路與該係數計算電路之間，用以根據該短化後脈衝響應所對應之一通道長度來組態該係數計算電路。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之無線通訊系統，其中該時域決定反饋等化器包含一反饋濾波器，該係數計算電路係根據該估計通道脈衝響應計算出一組反饋濾波係數，供該反饋濾波器使用。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之無線通訊系統，其中該時域決定 反饋等化器包含一反饋濾波器，該係數計算電路亦根據該短化後脈衝響應計算出一組反饋濾波係數，供該反饋濾波器使用。
  5. 一種應用於一無線通訊系統之信號處理方法，包含：(a)根據一接收信號產生一估計通道脈衝響應；(b)根據一能量峰的位置或根據該估計通道脈衝響應之一總能量而界定出該估計通道脈衝響應之一主要能量分布區，並根據該主要能量分布區，自該估計通道脈衝響應中截取出一短化後脈衝響應，並根據該估計通道脈衝響應之一次要能量分布區，自該估計通道脈衝響應中截取出一次要脈衝響應；(c)根據該短化後脈衝響應與該次要脈衝響應計算出一組前饋濾波係數；以及(d)對該接收信號施以一時域決定反饋等化程序，其中包含對該接收信號施以使用該組前饋濾波係數之一前饋濾波程序。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之信號處理方法，其中該時域決定反饋等化程序亦包含一反饋濾波程序；該信號處理方法進一步包含：(e)根據該估計通道脈衝響應計算出一組反饋濾波係數，供該反饋濾波程序使用。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之信號處理方法，其中該時域決定反饋等化程序亦包含一反饋濾波程序；該信號處理方法進一步包含：(e)根據該短化後脈衝響應計算出一組反饋濾波係數，供該反饋濾波程序使用。
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