CN101478510A - 一种自适应均衡器及使用该均衡器的接收机*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用数据自循环特性的单载波频域自适应均衡器及使用该均衡器的接收机***，其包括：频域自适应滤波器，具有用于数据信号时/频域转换的FFT和IFFT模块和频域均衡模块，以及控制器，提供自循环的数据块的长度参数和更新的FFT和IFFT转换模块的输入数据块的长度参数，本发明的有益效果是：本方法提高了***频带利用率；具有最简单的实现复杂度；利用信道估计对于信道的衰落进行快速准确的估计，并结合自适应算法对估计结果进行调整，确保在非时变信道和快速时变信道环境都能获得良好的性能。

Description

一种自适应均衡器及使用该均衡器的接收机***

技术领域

本发明涉及一种单载波频域自适应均衡器使用该均衡器的接收机***，尤其是指利用信号帧的数据自循环特性的频域自适应均衡器使用该均衡器的接收机***，属于频域自适应均衡器领域。

背景技术

基于频域均衡的单载波传输技术SC-FDE是一种解决单载波宽带无线通信***中的码间干扰问题的方法。SC-FDE有效地结合了OFDM和单载波传输的优点，使用了计算效率很高的FFT运算，数字信号处理的复杂程度和OFDM相当。SC-FDE***具有较强的克服频率选择性衰落的能力，并克服了OFDM***的部分不足。如果SC-FDE***在频域均衡后与时域判决反馈均衡相结合，可以增强***抗多径干扰的能力。所以，廉价的功率放大器可以得到高效率地使用，从而使得具有较长待机时间和电池寿命的移动终端变得较为便宜。

数字接收机的接收信号会受到同步偏差、信道衰落和各种噪声的影响，假设***已经完成同步或者信号中已经消除了同步偏差的影响，接收信号就可以简单表示为发送信号和信道时域冲激响应的线性卷积并叠加噪声分量：

y＝h*x+w   (5)

其中，h是信道时域冲激响应，x是发送信号(包括帧头PN和帧体数据d)，w是噪声，在频域看：

Y＝HX+W   (6)

SC-FDE***就是基于在时域的两个序列的卷积等价于它们的傅立叶变换的乘积，如图1所示使用FFT运算，将接收到的时域信号y(n，l)的分组块变换到频域Y(n，k)，然后在频域进行均衡得到，均衡后得到

再用IFFT变换回到时域

在时域进行判决就能得到对发送信号的估计值

假设信道的准静态假设能够满足，则：

X(n，k)＝FFT_N[x(n，l)]，0≤k≤N-1    (1)

如果保护间隔的长度大于信道的最大多径延迟，那么图1中有：

Y(n，k)＝X(n，k)H(n，k)+W(n，k)通过信道估计能够得到信道响应的估计值

则可以在频域实现均衡：

并最终通过IFFT变换得到非畸变的时域信号：

$x^{\%}(n,l)={\mathrm{IFFT}}_N\left[X^{\%}(n,k)\right]---\left(4\right)$

传统的单载波频域均衡有两种信号帧结构：循环前缀(CP)和特字(UW)。前者是在发送端把数据段尾部数据重复放到数据段前面，也就是通常所说的循环前缀，这样能够保证数据的循环特性，得到数据与信道冲激响应的循环卷积(CP)，采用循环前缀的单载波***如图1所示，由于CP的内容随着数据的变化而变化，是无法预知的，因此不能用于信道估计和同步；另一种称为特字(UW)的方式，就是在数据段的前后都放一个相同的已知序列，序列长度能够覆盖多径延迟，这样保证数据的循环特性，特字和循环前缀的区别如图2所示，然而现有的这两种结构都面临频带利用率比较低的问题，单独使用循环前缀的方式无法对于信道做出准确的估计，实际使用中需要借助于在数据中***大量的的导频来完成对于信道的估计，这样会降低***传输的频带利用率；特字(UW)的方式虽然可以不依赖于导频完成对于信道的估计，但是由于在每个帧信号的前后都要***一段长度能够覆盖多径延迟的已知序列，***的频带利用率也比较低。即现有的频域均衡算法不能很好的兼顾非时变信道和高速时变信道的性能，单单使用频域自适应均衡算法准确性高，但是跟踪速度慢；使用信道估计的输出给频域均衡器的抽头预置抽头速度快但是准确度不够；而且新制订的中国地面数字电视国家标准(标准编号GB 20600-2006，以下简称国标)采用的信号帧结构比较特别，若要采用单载波频域均衡实现数字接收机，需要针对国标独特的PN序列帧头设计和符号保护间隔填充方式研究频域均衡算法，要求保证在***最大的频带利用率的情况下接收机能获得在非时变频率选择性信道下面突出的载噪比性能并兼顾在快速时变信道下面的快速捕获和跟踪性能。

发明内容

针对如上背景技术中所涉及的问题，本发明主要解决的技术问题是：针对国标的独特帧头设计提供简单易实现的频域均衡器及使用该均衡器的接收机***。

本发明提供的技术方法是：针对国标固定帧头PN595单载波模式采用一种利用数据自循环的频域自适应均衡器及使用该均衡器的接收机***即：

1、一种自适应均衡器，包括：

频域自适应滤波器，具有用于数据信号时/频域转换的FFT和IF FT模块和频域均衡模块，以及

控制器，提供自循环的数据块的长度参数和更新的FFT和IFFT转换模块的输入数据块的长度参数。

所述频域自适应滤波器所处理的每个数据块由N个数据符号组成，其中N＝n*4375，n是自然数。

所述频域自适应滤波器包括N点FFT处理器和N点IFFT处理器，其中N＝n*4375，n是自然数。

所述频域自适应滤波器包括频域均衡滤波器，所述频域均衡滤波器可以采用基于迫零(ZF)准则的均衡，也可以采用频域块状LMS自适应收敛算法均衡。

所述频域均衡滤波器，可以采用线性或采用非线性的均衡方式。

一种使用自适应均衡器的接收机***，其包括：

模数转换模块，对输入其中的数据进行模数转换；

同步恢复模块，对输入其中的数据进行的同步处理；

串并转换模块，完成对输入数据的串并转换功能，得到并行输出的数据块

自适应均衡模块，包括：频域自适应滤波器，具有用于数据信号时/频域转换的FFT和IFFT模块和频域均衡模块，以及

控制器，提供自循环的数据块的长度参数和更新的FFT和IFFT转换模块的输入数据块的长度参数。

所述控制器动态的产生数据块长度参数N和FFT/IFFT变换模块的点数N，且根据信道估计的输出以及判决模块的输出误差信号自适应调整滤波器的步长等参数。

所述的使用自适应均衡器的接收机***还包括判决模块，所述频域自适应滤波器可以采用基于迫零(ZF)准则或频域块状LMS自适应收敛算法进行均衡，可以采用线性或采用非线性的均衡方式，在采用基于迫零准则的线性频域均衡时，判决模块可以省略。

所述数据的具有自循环特性是针对PN序列的帧头信号的长度为595个符号的固定帧头。

所述自适应均衡模块包括N点FFT处理器和N点IFFT处理器，其中N＝n*4375，n是自然数；所述自循环的数据块由N个数据符号组成，其中N＝n*4375，n是自然数。

本发明的有益效果是：第一，本方法提高了***频带利用率：循环前缀(CP)的方法是重复发送了一部分的未知数据，多余的数据不能用来辅助信道估计，而本发明是PN序列，能够辅助信道估计，节省了其他导频和各种已知信息。而特字(UW)方法重复发送已知训练序列，虽然在频域恢复信号的方式上比较接近，但是同样对付相同延迟的多径信道，特字的方式需要两倍于***保护间隔的已知序列长度。而本方法只需要一倍于***保护间隔的已知序列作为冗余信息；总的来说，本发明的方法具有最高的频带利用率。

第二，本发明利用了国标固定帧头信号帧的自循环特性，采用了长度4375，或者是N＝n*4375，n是自然数，即4375的整数倍的FFT/IFFT变换完成对于数据的时频域间的转换，具有最简单的实现复杂度。

第三，本发明利用信道估计对于信道的衰落进行快速准确的估计，并结合自适应算法对估计结果进行调整，确保在非时变信道和快速时变信道环境都能获得良好的性能。

附图说明

通过以下对本发明的实施例结合其附图的描述，可以进一步理解其发明的目的、具体结构特征和优点。其中，附图为：

图1是：单载波频域均衡(SC-FDE)基带***框图

图2是：***中使用循环前缀(CP)和使用特字(UW)的比较

图3是：国标单载波固定帧头模式的数据自循环图解

图4是：国标固定帧头单载波(PN595 C＝1)传输模式接收机***框图

图5是：中国8静态信道的输出SINR收敛曲线

图6是：Bad Urban动态信道的输出SINR曲线(100Hz最大多普勒频偏)

具体实施方式

下面参照附图具体介绍本发明的各种实施例，图中相同的结构或功能用相同的数字标出。应该指出的是，附图的目的只是便于对本发明具体实施例的说明，不是一种多余的叙述或是对本发明范围的限制，此外，附图没有必要按比例画出。

在数字电视地面广播***中，考虑到信道环境很恶劣，在移动传输时主径信号被建筑物完全阻断了，接收到的信号中是各种反射的多径信号的叠加，体现在频域上就是频率选择性衰落，在***带宽范围之内，不同的频点上衰落的幅度和相位旋转都有很大差异。频域自适应均衡器就是用来填补这些频域上的起伏。

具体的实施方案如下：整个接收机***的流程框图如图4所示，使用自适应均衡器的接收机***，包括：模数转换模块100，对输入其中的数据进行模数转换；同步恢复模块200，对输入其中的数据进行的同步处理；串并转换模块300，完成对输入数据的串并转换功能，得到并行输出的数据块；自适应均衡模块，利用同步处理后的数据具有的自循环特性，及利用信道估计对于信道的衰落进行快速准确的估计，并结合自适应算法对估计结果进行调整，进行频域自适应均衡；判决模块800，完成对于均衡输出的时域信号的判决功能，得到时域误差信号和数据的时域判决星座点值。

所接收的数据以输入数据经过模数转换模块(A/D)100，对输入其中的数据进行模数转换，接着转换后的的数据进入同步恢复模块200，同步恢复模块200包括载波同步201，定时同步202和帧同步203三个部分，对输入其中的数据分别进行相应的同步处理，帧同步后的输出数据再经过串并转换模块300进行串并数据转换后，完成对输入数据的串并转换功能，得到并行输出的数据块，即得到本发明自适应均衡器的主体部分的输入信号。

上述输入信号进一步送给本发明自适应均衡器(即接收机***的自适应均衡模块)，所述自适应均衡器，包括：具有用于数据信号时/频域转换的FFT和IFFT模块和频域均衡模块的频域自适应滤波器1000，以及提供自循环的数据块的长度参数和更新的FFT和IFFT转换模块的输入数据块的长度参数的控制器900。

所述控制器900可以动态的产生数据块长度参数N和FFT/IFFT变换模块的点数N，即N＝n*4375，n是自然数；且根据信道估计的输出以及判决模块的输出误差信号自适应调整滤波器的步长等参数。

所述频域自适应滤波器1000包括：信道估计模块400，N点FFT处理器500，频域均衡模块600，及N点IFFT处理器700。

接着，送给本发明自适应均衡器的输入信号进一步进入信道估计模块400和N点FFT处理器500，即信道估计模块400和N点FFT处理器500的输入信号均为并行输出的数据块y(n)，信道估计模块400输出当前信道的频域响应信号为

N点FFT处理器500将输入信号转换到频域输出Y(n)，频域均衡模块600的输入为信道估计模块400的输出

和N点FFT处理器500的输出Y(n)，频域均衡模块600在频域完成对于衰落信号的均衡并输出得到信号

N点IFFT处理器700的输入是

N点IFFT处理器700将频域均衡输出

转换到时域得到输出信号

这也是整个频域自适应滤波器1000的最终输出；所述频域自适应滤波器1000的最终输出信号继续进入判决器模块800，即判决器模块800的输入信号为

在完成了对于均衡输出的时域信号的判决功能，得到时域误差信号和数据的时域判决星座点值，之后输出信号为

和e(n)。上述的数字信号y(n)

和

可以是实数信号，也可以是复数信号，且上述控制器900可以动根据信道估计模块400的输出以及判决器模块800的输出误差信号自适应调整滤波器的步长等参数，信道的衰落进行快速准确的估计，并结合自适应算法对估计结果进行调整，确保在非时变信道和快速时变信道环境都能获得良好的性能。

所述的频域自适应滤波器1000即频域均衡滤波器，形式上可以是实数滤波器，也可以是复数滤波器。

对于上述的频域均衡模块600，若要完成基于数据块处理的频域均衡，必须确保数据的自循环特性的长度参数，该发明中：首先，由于国标中的有固定PN序列的帧头的信息数据流在经过同步恢复模块200完成同步后自动实现了数据块的自循环，并且送给N点FFT处理器500处理；其次，数据块的长度也即自循环特性的长度参数N和N点FFT处理器500，及N点IFFT处理器700的FFT/IFFT变换的点数N是4375的正整数倍数，N＝n*4375，n是自然数。

假设多径的最大延迟是L(<595)个码元，由于固定帧头的特点，即帧头信号的长度为595个符号的固定帧头，且相邻两帧的PN序列总是相同的数据，如果把后一帧帧头PN序列看作是当前帧数据的延伸部分，这样当前帧的数据块就是由4375个符号构成(3780个本帧数据符号+595个后一帧头已知伪随机训练序列)，该情形对应于N＝1*4375，这时候假如信道的最大多径延迟在***保护间隔之内，并且以最前多径位置开窗，窗的长度为4375，会发现窗内数据是实现了自循环的，这样就不需要任何多余处理就能以循环卷积代替线性卷积，这个特点更有利于频域均衡的实现。同样对于N＝2*4375的情况，可以将前一帧数据、本帧帧头、本帧数据和后一帧帧头作为一个整体的数据块，总共8750个符号，依此类推，其他的状态描述在此不再赘述。

由于采用了国标中PN序列的固定帧头，这样 ${\mathrm{PN}}_l^n={\mathrm{PN}}_l^{n+1},$ 相邻两帧的间隔信道可以看作是准静态，可以得到h(i)ⁿ＝h(i)ⁿ⁺¹，不妨把h(i)ⁿ和h(i)ⁿ⁺¹都记做h(i)，前L-1个时域符号可以表示为：

                               (7)

这样图3中A部分和B部分是等价的，如图4所示，把本帧帧体数据和下一帧帧头PN序列看作一个整体，就能构成具有自循环特性的数据块，即：

$y_{\mathrm{cyc}}{\left(l\right)}^n=\left\{\begin{array}{cc}{y}_{\mathrm{data}}{\left(l\right)}^n& l=0L3779\\ y_{\mathrm{PN}}{(l-3780)}^{n+1}& l=3780L4375-1\end{array}\right.---\left(8\right)$

Y(n，k)＝FFT₄₃₇₅[y_cyc(l)ⁿ]    (9)

当然这时候就需要使用相当于整帧码元数目点数的FFT变换将信道时域冲激响应和自循环的数据块转换到频域。

当***带宽为7.56MHz，***的映射采用16QAM和64QAM星座点映射时，以往的时域均衡技术在以下的几种恶劣信道环境下面都不能很好的工作，而本发明均衡技术在如下几种情况下均衡的效果大为改善：

1：发送数据星座点采用16QAM映射，高斯白噪声18dB，信道中国8静态信道。

2：发送数据星座点采用64QAM映射，高斯白噪声23dB，信道中国8静态信道。

3：发送数据星座点采用16QAM映射，高斯白噪声23dB，信道Bad Urban动态信道，最大多普勒100Hz。

即本发明应用于数字电视地面广播传输***中，能有效地对抗信号传输中的多径效应和多普勒效应，实现数字电视信号的高质量移动接收功能。

这里使用的SINR仿真曲线是根据每帧均衡输出数据符号和发送端的准确数据符号的差值得到的，计算公式是：

其中表示发送端星座点模值的平方，

是均衡输出数据符号和发送端数据符号差值的模值平方，可见该SINR参数是对于每一帧数据符号MSE的一种有效丈量。

上述1和2的输出SINR性能曲线如图5中所示。表明在非时变多径信道下面该方法在16QAM和64QAM高星座点模式下的工作状态。

上述3的输出SINR性能曲线如图6中所示。表明在快速时变多径信道下面该方法在16QAM模式下的工作状态。

和已有的频域均衡方法及均衡器相比较，本发明在三个方面有了改进：

第一，本方法提高了***频带利用率。循环前缀(CP)的方法是重复发送了一部分的未知数据，多余的数据不能用来辅助信道估计，而该方法多余部分是PN序列，能够辅助信道估计，节省了其他导频和各种已知信息。而特字(UW)方法重复发送已知训练序列，虽然在频域恢复信号的方式上比较接近，但是同样对付相同延迟的多径信道，特字的方式需要两倍于***保护间隔的已知序列长度。而本方法只需要一倍于***保护间隔的已知序列作为冗余信息。总的来说，本发明的方法具有最高的频带利用率。

第二，本发明利用了国标固定帧头信号帧的自循环特性，采用了长度4375，或者是N＝n*4375，n是自然数，即4375的整数倍的FFT/IFFT变换完成对于数据的时频域间的转换，具有最简单的实现复杂度。

第三，本发明利用信道估计对于信道的衰落进行快速准确的估计，并结合自适应算法对估计结果进行调整，确保在非时变信道和快速时变信道环境都能获得良好的性能。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方法范围情况下，利用上述揭示的方法内容对本发明技术方法做出许多可能的变动和修饰，均属于权利要求书保护的范围。

Claims (10)

1、一种自适应均衡器，包括：

频域自适应滤波器，具有用于数据信号时/频域转换的FFT和IFFT模块和频域均衡模块，以及

控制器，提供自循环的数据块的长度参数和更新的FFT和IFFT转换模块的输入数据块的长度参数。

2、根据权利要求1所述的自适应均衡器，其特征在于：所述频域自适应滤波器所处理的每个数据块由N个数据符号组成，其中N＝n*4375，n是自然数。

3、根据权利要求1所述的自适应均衡器，其特征在于：所述频域自适应滤波器包括N点FFT处理器和N点IFFT处理器，其中N＝n*4375，n是自然数。

4、根据权利要求1所述的自适应均衡器，其特征在于：所述频域自适应滤波器包括频域均衡滤波器，所述频域均衡滤波器可以采用基于迫零(ZF)准则的均衡，也可以采用频域块状LMS自适应收敛算法均衡。

5、根据权利要求4所述的自适应均衡器，其特征在于：所述频域均衡滤波器，可以采用线性或采用非线性的均衡方式。

6、一种使用自适应均衡器的接收机***，其包括：

模数转换模块，对输入其中的数据进行模数转换；

同步恢复模块，对输入其中的数据进行的同步处理；

串并转换模块，完成对输入数据的串并转换功能，得到并行输出的数据块

自适应均衡模块，包括：频域自适应滤波器，具有用于数据信号时/频域转换的FFT和IFFT模块和频域均衡模块，以及

控制器，提供自循环的数据块的长度参数和更新的FFT和IFFT转换模块的输入数据块的长度参数。

7、根据权利要求6所述的使用自适应均衡器的接收机***，其特征在于：所述控制器动态的产生数据块长度参数N和FFT/IFFT变换模块的点数N，且根据信道估计的输出以及判决模块的输出误差信号自适应调整滤波器的步长等参数。

8、根据权利要求6所述的使用该自适应均衡器的接收机***，其特征在于：所述的使用自适应均衡器的接收机***还包括判决模块，所述频域自适应滤波器可以采用基于迫零(ZF)准则或频域块状LMS自适应收敛算法进行均衡，可以采用线性或采用非线性的均衡d方式，在采用基于迫零准则的线性频域均衡时，判决模块可以省略。

9、根据权利要求6所述的使用自适应均衡器的接收机***，其特征在于：所述数据的具有自循环特性是针对PN序列的帧头信号的长度为595个符号的固定帧头。

10、根据权利要求6所述的使用该自适应均衡器的接收机***，其特征在于：所述自适应均衡模块包括N点FFT处理器和N点IFFT处理器，其中N＝n*4375，n是自然数；所述自循环的数据块由N个数据符号组成，其中N＝n*4375，n是自然数。

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