CN1083652C - 在数字射频通信***中估算信道参数的方法 - Google Patents

在数字射频通信***中估算信道参数的方法 Download PDF

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Abstract

本方法包括，接收一个包含一个接收帧(45)的信号(18)，该接收帧含有多个接收符号(68)并含有一个接收信息段(47)和一个接收帧质量标志(49)；将多个接收符号中的至少一个存储在一个存储器(110)中；解调接收信息段以形成一个解调信息段，并解调接收帧质量标志以形成一个解调帧质量标志，该解调信息段和该解调帧质量标志包括一个解调帧(85)；将解调帧的至少一段再编码以形成一个编码帧(93)，该编码帧含有多个编码符号；将多个编码符号中的一个与存储在存储器中的多个接收符号中的至少一个相比较；并基于该比较，估算该信道参数。

Description

在数字射频通信***中估算信道参数的方法
本发明一般涉及无线通信***，并特别涉及一种在数字射频通信***中估算信道参数的方法和装置。
在通常的无线通信***，诸如数字无线电话***中，一个拥有一个控制器和多个发射机和接收机的基站与工作在该基站服务区域内的移动台通信。
经由射频(RF)信道在基站和移动台之间发生多址无线通信，可在该信道提供的物理路径上传输数字通信信号，例如话音，数据和视频。所述的基站到移动台的通信发生在正向链路信道上，而移动台到基站的通信则在反向链路信道上。
众所周知的RF数字信道划分技术包括时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)。
在TIA/EIA中间标准IS-95，用于双模宽带扩展频谱蜂窝***的移动台-基站兼容标准，电信工业协会，Washington，D.C.July 1993，中详细描述了一种采用CDMA信道选择的通信***，在此处仅作参考。
通过诸如空气的媒质在一个RF信道上传输通信信号会导致接收到的通信信号与最初发射的通信信号非常不同。如图1所示，接收到的通信信号S12可在经由一个信道的传输期间被一个表示例如信道增益和相移的慢变信道参数A14改变，并可进一步被一个表示噪声量的信道参数N16而恶化。由此，接收到的通信信号R18通常可用一个线性表达式表示，例如R＝A*S+N。
通过准确地估算慢变信道参数A14可提高从接收到的信号R18中恢复发射的通信信号S12的质量。对慢变信道参数A14的错误估算会严重恶化接收机的性能。
因此需要有一种改进的方法和装置来估算数字无线通信***中的慢变信道参数。
根据本发明的一方面，上述需要通过一种在数字射频通信***中估算信道参数的方法来实现，其中包括接收一个包含一个接收帧的信号，该接收帧含有多个接收符号并含有一个接收信息段和一个接收帧质量标志；将多个接收符号中的至少一个存储在一个存储器中；解调接收信息段以形成一个解调信息段并解调接收帧质量标志以形成一个解调帧质量标志，该解调信息段和解调帧质量标志包括一个解调帧；将该解调帧中的至少一段再编码以形成一个编码帧，该编码帧含有多个编码符号；将多个编码符号中的一个与存储在存储器中的多个接收符号中的至少一个进行比较；并基于该比较，估算信道参数。
根据本发明的另一方面，一种用以在数字射频通信***中估算信道参数的方法包括，接收一个包含一个接收帧的信号，该接收帧含有与多个发射符号相关的多个接收符号，并含有一个接收信息段与一个接收帧质量标志；将多个接收符号中的一个输入给一个含有多个输出的解调器；将多个输出中的至少一个存储在一个存储器中；解调接收信息段以形成一个解调信息段，并解调接收帧质量标志以形成一个解调帧质量标志，该解调信息段和解调帧质量标志包括一个解调帧；将该解调帧中的至少一段再编码以形成一个编码帧，该编码帧含有多个编码符号；将多个编码符号中的一个与存储在存储器中的多个输出中的至少一个进行比较；并基于该比较，估算信道参数。
根据本发明的另一方面，一种用以在数字射频通信***中估算信道参数的装置包括一个天线以接收一个包含接收帧的信号。该接收帧含有多个接收符号。作为对该天线的响应，有一个存储器以存储多个接收符号中的至少一个。作为对该接收帧的响应，有一个解调器，以形成一个解调帧。作为对该解调帧的响应，有一个再编码器，以形成一个含有多个编码符号的编码帧。一个比较器响应于许多个编码符号，并响应于存储在存储器中的多个接收符号中的至少一个。
根据本发明的另一方面，一种用以在数字射频通信***中估算信道参数的装置包括一个天线以接收一个包含接收帧的信号。该接收帧含有多个接收符号并含有一个接收信息段和一个接收帧质量标志。一个第一解调器含有多个输出，并响应于多个接收符号中的至少一个。一个可存储多个输出中至少一个的存储器与该第一解调器通信。一个第二解调器响应于该第一解调器，将接收信息段解调以形成一个解调信息段并将接收帧质量标志解调以形成一个解调帧质量标志。该解调信息段和该解调帧质量标志包括一个解调帧。作为对该解调信息段的响应，有一个帧质量标志电路，以计算一个再计算的帧质量标志。一个第一比较器含有一个第一输入，一个第二输入和一个输出，该第一输入响应于解调帧质量标志，该第二输入响应于再计算的帧质量标志。作为对该比较器输出的响应，有一个编码器，编码该再解调帧以形成一个编码帧，该编码帧含有多个编码符号。一个第二比较器响应于多个编码符号，并响应于存储在存储器中的多个输出中至少一个。一个响应于该第二比较器的信道参数估算器输出该信道参数。
对于熟练的技术人员而言，通过以图解方式显示并描述的本发明最佳实施例的如下描述，本发明的优点是显而易见的。如下可知，本发明适应于其它不同的实施例，且其细节可多方修改。因此，其附图和描述是一种本质的说明，不带有限定性。
图1是传输通信信号S的一个示例，该信号已在传输期间被信道参数A和噪声N改变，导致接收通信信号R。
图2是发射机的方框图，用以产生一个与IS-95反向链路信道兼容的通信信号波形。
图3是一个以每秒9600比特的速率传输的IS-95反向链路信道帧图。
图4是一个由图2的发射机产生的数字编码及交织帧的图。
图5是一个接收机的方框图，用以根据本发明的最佳实施例，接收由图2描述的发射机产生的通信信号波形。
图6是一个在图5中阐述的IS-95反向链路接收机中的接收帧图。
图7是在图5中阐述的接收机中采用的存储器的一个实施例图。
图8是在图5中阐述的接收机中采用的存储器的另一个可选择的实施例图。
图9是在图5中阐述的IS-95反向链路接收机中的一个解调帧图。
现在回到附图，图中用数字代表元件，图2是发射机10的方框图，用以产生一个与IS-95反向链路信道兼容的通信信号波形。用一个可变采样率话音信号编码器19将话音通信信号17转换为数字比特流，该编码器产生的信号21包含一系列含有变化传输数据速率的传输信号帧(将在下文中讨论)。当然，通信信号17可以是另一种类型，例如数据或图像。
图3是一个IS-95反向链路传输信道帧20的视图，该帧由话音信号编码器19产生，以每秒9600比特(bps)的速率传输(除非另有说明，此处的所有IS-95反向链路信道示例均对应于9600bps传输速率)。帧20包括：一个含有172个信息比特的信息段22；一个帧质量标志段24，可由信息段22根据IS-95中阐明的多项式(IS-95的6.1.3.3.2.1节)计算；以及8个编码器尾比特26。
参照图2，编码器块28包括一个卷积编码器30和一个交织器32。在卷积编码器30中，可由一个速率1/3编码器采用通用算法将每个帧20编码，从而便于随后的帧20的解码。交织器32采用通用技术将帧20的内容打乱。
如图4所示，数字编码与交织比特的每一帧34包括96组6编码比特，总数为576比特。每组6编码比特代表64个符号中的一个(诸如Walsh代码)的索引35。一个Walsh代码对应于64*64 Hadamard矩阵的一行或一列，该矩阵是一个比特平方矩阵，其维数是2的幂。
再次参照图2，将帧34中的96个Walsh代码索引35的每一个输入到一个M列正交调制器36，它最好是一个64列正交调制器。对于每个输入的Walsh代码索引35，M列正交调制器36在输出38处产生一个相应的64比特Walsh代码W39。由此，为每帧34产生一串96Walsh代码W39以输入到M列正交调制器36。
除此之外，扰码器/扩展器块40采用通用的扰码技术将一个伪随机噪声(PN)序列施加于Walsh代码序列W39。在块42中，采用正交振幅调制方法或另一种调制方法对Walsh代码W39的扰码序列进行相位调制，上行转换并作为图像信号S12经天线46发射出去。
图5是一个接收机60的方框图，该接收机根据本发明的一个最佳实施例来建立，并与IS-95的反向链路兼容，以检测由图2中描述的发射机产生的通信信号S12。接收机60最好是一个含有多个支路分集接收机，虽然图中所示只有一个单独的支路。接收机60可以是相干的，不相干的或准相干的。
天线62接收通信信号R18，该信号包括多个接收帧(将在下文中进一步讨论)。根据图1的阐述和讨论，通信信号R18可以通过表达式R18＝A14*S12+N16与通信信号S12关联，式中A14是一个慢变信道参数，诸如信道增益或相移，N16是一个表示噪声量的信道变量。
在块64中通过通用的方法和电路执行通信信号R18的前端处理，诸如滤波，频率下行转换和相位解调。除此之外，解扰码器/反扩展器块66将扰码器块44采用的PN代码(如图2所示)移至Walsh代码序列W39(如图2所示)。在IS-95反向链路信道中，接收信号18的接收帧(在下文中进一步讨论)包括96个接收符号，或Walsh代码，每个都有64比特长。
图6的方框图表示从解扰码器/去扩展器块66出现的接收帧45。接收帧45包括96个接收到的Walsh代码RW68，这些代码已被例如一个如A14的慢变信道参数(如图1所示)和一个如N16的信道变量(如图1所示)扰乱。此外，接收帧45含有一个接收信息段47，一个接收帧质量标志49和一个接收到的编码尾比特段51，它们没有一个与任一接收Walsh代码RW68明确相关。
再参考图5，在离开解扰码器/去扩展器66后，每个接收Walsh代码RW68被输入给一个正交解调器70，例如快速Hadamard变换(FHT)。可以根据其尺寸，利用商业可用的硬件，例如一个加法器阵列或一个多路复用加法器来实现FHT70。另一方面，还可利用普通的数字信号处理器(DSP)，例如Motorola DSP，零件号.56166来实现FHT70。
接收到一个到达的Walsh代码RW68之后，FHT70产生多个输出信号72。在IS-95反向链路信道中为每一个到达的Walsh代码RW68产生64个输出信号72。每个输出信号72含有一个参照由M列正交调制器36产生的64个可能Walsh代码W39中的一个的索引(如图2所示)。由此，在IS-95反向链路信道中，当一个到达的Walsh代码RW68被输入到FHT70时，产生与64个可能的发射Walsh代码39相关的64个输出信号72。还需明了，除了含有一个索引外，每个输出信号72还含有一个相关的复数C。为简化起见，用输出信号72共同代表该索引和该复数。
每个输出信号72还含有一个相关能量值C2(未显示)，通常用与输出信号72相关的复数C的幅度平方来计算。能量值C2通常与下述置信度或似然度的测量值相对应，即输出信号72作为与输入给FHT70的接收Walsh代码RW68相对应的Walsh代码W39的索引。然而在约百分之二十的情况下，代表置信度最高测量值的能量值C2是错误的-即与能量值C2相关的输出信号72实际上不作为已发射的Walsh代码W39的索引。
根据本发明的最佳实施例，存储器110可以是商业可用的计算机可读随机存取存储器，它可定位在例如接收机60中的一点。如图所示，存储器110响应于FHT70。对于每个输入给FHT70的接收帧45的96个接收Walsh代码RW68中的每一个，存储器最好存储与64个输出信号72中的每一个相关的复数C。
图7是图5中阐述的接收机中使用的存储器的实施例的说明图。
对于一个单一接收帧45(如图6所示)，存储器110可被视为一个拥有96个行112和64个列114的矩阵，每一行112对应于一个特定的输入给FHT70的接收Walsh代码RW68，而每一列114则代表与输出信号72相关的64个复数C116。每个复数的索引以其在存储器110中的位置来表示。
另一方面，存储器110可为每个接收Walsh代码RW68存储由FHT70产生的所有64个输出信号72中的一部分。例如，存储器110可为每个接收Walsh代码RW68只保留一个输出信号72，所存储的输出信号72含有一个与置信度的最高测量值或最高似然度相对应的能量值C2，使存储的输出信号72作为一个与输入给FHT70的接收Walsh代码RW68相对应的Walsh代码W39的索引。
图8是在图5中阐述的接收机60中使用的存储器110的一个变通的实施例的说明图。如图所示，单一接收帧45的存储器110可被视为一个含有96个行118和一个列120的矩阵，每一行表示一个与最高似然度相对应的输出信号72，使输出信号72作为一个与输入给FHT70的接收Walsh代码RW68相对应的Walsh代码W39的索引。存储器110的每一行存储与存储的输出信号72相关的复数C和索引。
再参考图5，解码器块76可包括一个去交织器78和一个卷积解码器80，进一步将接收信号R18解调，以估算包含一系列信道帧的发射信号21(如图2所示)从而形成一系列解调帧(将在下文中进一步讨论)。解调器块76可以用多种方法实现。例如，可在解码器块76中使用根据通用方法以硬件或软件实现的最大似然度解码器。
图9阐述了在解码器块76的输出81处出现的解调帧85。解调帧85包括一个解调信息段86，一个解调帧质量标志88，还可包括一个解调尾比特段89。解调信息段86对应于接收信息段47(如图6所示)，而解调帧质量标志88和解调尾比特段89分别对应于接收帧质量标志49与接收尾比特段51(如图6所示)。
再参考图5，还可按需参考图1-4和5-9，多路分解器90使帧85的解调信息段86从解调帧质量标志88中分离出来。帧质量标志电路92使用解调段86来计算再计算的帧质量标志93。然后在比较器94中将再计算的帧质量标志93与解调帧质量标志88进行比较，以确定特定的解调帧85是否与话音信号编码器19产生的特定信道帧20相匹配。
当解调帧85与信道帧20不匹配时，它失效，并被点97处的开关96删除。
当解调帧85与发射信道帧20匹配时，解调帧85通过。虽然解调帧85已被顺利解码，且通信信号S12已被恢复，解调帧85不再包含诸如信道增益和相移A14的信道参数信息，这些信息有助于改善用于随后各帧的接收机性能。
如图5所示，解调帧85已通过。点91处的开关96使解调信息段86进入再编码器块98，该块最好本质上与如图2所示的编码器块28相似。由此，从再编码器块98输入的编码帧34本质上是帧34的再现(如图4所示)。如图4所示，编码帧34包括多达96组6编码比特，每组6编码比特表示64个Walsh代码中的一个的索引35。
再参考图5，数据选择器100将从再编码器块98处接收到的特定帧34的特定编码索引35(如图4所示)与存储在存储器110中的接收符号相比较。例如当存储器110的构成如图7中描述时，数据选择器100使用特定的编码索引35来为包含与实际发射的Walsh代码W39相对应的复数116的存储器的位置寻址。可用一个数据选择器输出131将被寻址的存储输出信号72转发给信道参数估算器130，用以估算慢变信道参数(将在下文中进一步讨论)。可为存储器110中的每一行112执行此过程。
当存储器110的构成如图8描述时，即当只存储了一个输出信号72，而该信号含有为每个输入该FHT70的接收Walsh代码RW68体现发射Walsh代码W39的最高似然度时，数据选择器100将特定编码索引35与对应于存储的输出信号72的索引相比较。如果不匹配，可将不匹配的存储输出信号72从存储器中删除，并可通过数据选择器输出131输出一个零，从而错误的输出信号72不会降低在块130中对慢变信道参数的准确估算。如果匹配，可通过数据选择器输出131转发匹配的存储输出信号72，并用以在信道参数估算器130处估算慢变信道参数。
参考图1和图5，在块130中估算可表示信道增益或相移的慢变信道参数，诸如A14。可见，该慢变信道参数A14可被近似作R与S的共轭复数的标准内积<R，S*>。已知R的特定表示已在FHT70的输出端的存储器110中被捕获作为多个存储输出信号72。对应于已存储的R的S值由从再编码器块98输出的编码帧34的索引35给出(如图4所示)。由于数据选择器100将与相应的索引35匹配的存储输出信号72或者零值转发给信道参数估算器130，在信道估算器130中对特定帧的计算<R，S*>通常只会被一定量的噪声N16扰乱。为减少来自噪声N16的能量，可在一定时间段，例如几个帧内，对信道参数A14的计算值<R，S*>进行平均。
参考与信道参数估算器130的输出141相对应的图5反馈块140，以各种方式利用信道参数输出141来增强接收机性能。例如，信道参数A14的估算允许在分集元件之间的改进组合，诸如分集接收机中的诸支路，从而使位与帧的误码降低到一个给定的信噪比。在另一示例中，信道相位估算允许一个相关的接收机获得一个接收信号的绝对相位，然后用其来再现发射信号的相位。准确地估算信道相位可使位与帧的误码降低到一个给定的接收信噪比。
诸如数字无线电信***中的增强接收机性能可导致更迅速地建立呼叫并减少丢失呼叫的发生。还可实现更大的接收机范围，以便于呼叫处理。
为了获得其它的信道参数，存在接收通信信号R18的其它形式，通常是非线性形式，例如为每个分集元件(例如分集接收机支路)存在定时误差，移动台速度和附加噪声均方差。这些信道参数及其它也可通过使用本发明的各种实施例受益于改进的估算，以获得供给适当的估算器的改进数据。
应用于基于蜂窝的数字通信***的本发明原理也可应用于其它类型的通信***，包括个人通信***，长途干线***，卫星通信***和数据网络，但并不局限于此。而且，应用于各种类型的数字射频信道的本发明原理也可应用于其它类型的通信信道，例如射频信令信道，电子数据总线，有线信道，光纤线路和卫星线路。
虽然此处特别参考IS-95反向链路信道，本发明可应用于所有TDMA***(包括集群专用移动(GSM)，欧洲TDMA***，太平洋数字蜂窝(PDC)，日本TDMA***，和暂行标准54(IS-54)，美国TDMA***)中的任一数字信道，包括正向链路IS-95信道和所有正向和反向链路TDMA信道，但并不局限于此。
此外显而易见的是，本发明的其它及进一步形式，以及除上述特定实施例之外的其它实施例，都可以在不背离所附权利要求书及其等价物的精神和范围的关提下进行修改，从而本发明的范围只由下述权利要求书及其等价物所支配。

Claims (10)

1.一种用以在数字射频通信***中估算信道参数的方法，本方法包括以下诸步骤：
接收一个包含接收帧的信号，该接收帧含有与多个发射符号相关的多个接收符号，并含有一个接收信息段和一个接收帧质量标志；
将多个接收符号中的一个输入到一个含有多个输出的解调器；
将多个输出中至少一个存储在一个存储器中；
解调该接收信息段以形成一个解调信息段，并解调该接收帧质量标志以形成一个解调帧质量标志，该解调信息段和该解调帧质量标志包括一个解调帧；
将该解调帧的至少一段再编码以形成一个编码帧，该编码帧包含多个编码符号；
将多个编码符号中的一个与存储在存储器中的多个输出中的至少一个相比较；且
基于该比较，估算信道参数。
2.根据权利要求1的方法，其中多个输出中的每一个都有一个值，该值
表示多个接收符号中的一个相对于多个发射符号中的一个的似然度。
3.根据权利要求2的方法，其中在存储器中对至少一个输出的存储中，包括对含有表示最大似然度的值的输出的存储。
4.根据权利要求3的方法，其中对信道参数的估算步骤中包括，当该输出与多个编码符号中的一个相对应时，对含有表示最大似然度的值的输出的选择。
5.根据权利要求3的方法，其中对信道参数的估算步骤中包括，当该输出与多个编码符号中的一个不对应时，将含有表示最大似然度的值的输出从存储器中删除。
6.根据权利要求2的方法，其中在存储器中对至少一个输出的存储中，包括在存储器中对多个输出中的每一个的存储。
7.根据权利要求6的方法，进一步包括以下步骤：
在多个输出中识别每一个输出，该一个输出用编码符号寻址、
8.根据权利要求7的方法，其中对信道参数的估算步骤，包括使用一个输出来估算该信道参数。
9.根据权利要求1的方法，其中该信道参数从本质上包括以下诸参数的组合中选择：移动通信单元的速度，频率偏移，定时误差，信号的衰落幅度，信号的衰落相位，和附加的噪声均方差。
10.根据权利要求1的方法，其中解调器包括一种快速哈达马变换。
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