CN1165185C - 码分多址***中导频及数据联合信道估计方法及其装置 - Google Patents

Abstract

一种码分多址***中导频及数据联合信道估计方法，其特点是，采用两阶段的处理，在传统PSAM信道估计的基础上，对瑞克(RAKE)合并输出结果进行一次临时硬判决，然后把得到的硬判决数据再重新进行调制，并利用该数据对各径时隙中数据段对应的接收数据进行信号去调制操作，将该数据序列与延时后的导频段去调制数据联合使用，得到类似连续导频的数据序列，再利用连续导频的信道估计方法(滑动平均、自适应滤波)，最终得到数据码元更为精确的二次估计。

Description

码分多址***中导频及数据联合信道估计方法及其装置

技术领域

本发明涉及码分多址(CDMA)***中针对移动衰落信道的导频及数据联合信道估计方法及其装置。

背景技术

在移动通信环境下，发射信号会受到多径衰落的影响，其具体表现方式为发射信号被多个物体反射、绕射和折射，以不同的延时、增益和相位到达接收机。一部高性能的接收机必须对发射信号进行相干接收，其目的就是要消除信道对发射信号的影响。在CDMA蜂窝***中，发射信号通过的是一个频率选择性衰落信道，但一个有利因素是在接收信号中各可分辨多径可以被有效分离，最优接收机等效为对多个具有独立平坦衰落信道(或频率非选择性信道)特性的多径信号进行最大比合并，即相干瑞克(RAKE)接收。这样，频率选择性信道均衡问题就简化为多个频率非选择性信道的补偿和分集接收技术问题。在慢衰落信道条件下，接收机可以较好地完成接收功能，但是，当移动台速度加快以及载波频率的提高而引起的信道快衰落时，移动信道不仅在幅度上而且在相位上都对发射信号引入了很强的随机干扰，在这种情况下，求出信道的冲击响应变得十分困难，普通的相干检测技术很难实现。

目前，一种较为普遍采用的信道估计及补偿技术是基于信道侦听技术(ChannelSounding)。而信道侦听技术又可分为两类，一类是基于Pilottone技术，即连续导频技术，如图1所示；一类是基于PSAM(PilotSymbolAidedMethod)技术，即间断导频技术，如图2所示。

假设一个单用户***。发射信号是(0，1)均匀分布的随机比特流，并经过四相移键控(QPSK)调制，得到的数据码元序列被放置于一时隙序列中，每一时隙包括Nd个数据码元，Np个导频码元被附于每个时隙的开始，这种数据结构见图2。

每一时隙的长度T_slot(N_p+N_d)T。这里的T是四相移键控(QPSK)码元的周期。如果假设多径信道是由L路可分解传播径(l＝0，1，…，L-1)组成，则接收到的信号可以表示为：

$r\left(t\right)=\underset{l=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{a}_l\left(t\right)s(t-{\mathrm{\τ}}_l)+n\left(t\right)---\left(1\right)$

其中，n(t)是背景噪声，可视为加性高斯白噪，其单边功率谱密度为ND；al(t)和τl则是第l径复数信道增益和延时；s(t)为对应的发射基带信号。可以设 $E\left[\underset{l=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|a_l\left(t\right)\right|}^2\right]=2S,$ S为接收信号的平均功率。s(t)的表达式为：

s(t)＝p(t)d(t)                   (2)

式中的p(t)为扩频波形函数，d(t)为四相移键控(QPSK)调制数据波形，它包括了导频信号和数据信号。c(k)是随机二进制传播序列，φ(q)∈{(2m+1)π/4；m＝0-3是四相移键控(QPSK)的调制相位。Tc表示码片周期，u(t)为单位函数。

目前在WCDMA***采用了PSAM技术，CDMA2000上行链路也采用了类似的技术，该项技术通过在数据比特流中周期性地***导频码元来进行信道估计，其实质相当于通过已知的导频码元获得信道衰落过程采样点的估计，再通过相关信道估计算法获得数据符号对应的信道参数。在衰落速率较低时，基于PSAM技术的插值类信道估计算法(单阶段信道估计方法)能提供较好的估计性能，而且实现技术简单，这一技术的关键是如何利用已知导频码元的信道衰落系数插值得出未知的数据码元信道衰落系数，也就是内插算法的设计。目前，较为普遍采用的插值方法有高斯插值(零阶、一阶、二阶)、多时隙加权平均(WMSA)以及其他插值方法。

上述方法的具体实现过程如图3，解扩后的各可分离径数据r₁(k)……r₂(k)，例如r₁(k)和r_L(k)(假设为两径)分别被送到导频/数据分路单元101、102，进行导频和数据段的分路处理，

分路后的导频数据r_p，1(k)和r_p，L(k)分别被送到信道估计单元103、104进行数据段的信道参量的估计(包括相位、幅度)，其中采用的信道估计方法如上述提到的各类插值算法，而分路后的数据段数据r_d，1(k)和r_d，L(k)则经过相应的延时单元109、110与对应的信道估计参量的共轭值相乘

这一步在乘法器单元105、106中执行。之后，可得到各径关于数据的估计

然后再对各径数据在加法器单元107中进行最大比合并，得到的数据经过软判决单元108进行软判决输出。这种方式是传统的瑞克(RAKE)接收方式，各径分别进行独立处理，然后再进行最大比合并，合并输出进入后继的解码部分。

在上述现有技术基于导频码元辅助调制(PSAM)的插值类信道估计(单阶段信道估计方法)方法中，仅仅利用了实际接收信号中每个时隙内与导频码元相对应的观测数据。在慢衰落信道情况下，由于一个时隙内信道变化不大，可以利用导频段的信道信息进行插值，得到数据段的信道信息。但是，如果移动台快速移动导致信道变化加快，则纯粹利用导频段信道信息进行插值的方法已经不能完全恢复出数据段的信道信息。

利用时隙中数据码元所对应的观测数据时，由于数据码元本身未知，因此须先形成数据码元的初始估计，再利用此估计作为已知量进行新的一次迭代，最终收敛到稳定点。在平坦衰落信道估计问题中，往往采用一次迭代就能达到较为满意的结果，这样的结构就是所谓的判决反馈技术。上述方法通常靠足够高的初始符号判决正确率以满足一定的收敛条件才能获得较好的性能。

发明内容

本发明的目的是为了克服以上现有技术的缺陷而提出的一种采用从接收到对应时隙数据码元段的观测数据中提取部分信道信息，并与导频段的信道信息通过某种方式联合使用，从而得到更为丰富的信道信息，而求得在衰落信道情况下更为精确的信道估计，并可适应更快变化的衰落信道情况的一种码分多址***中导频及数据联合信道估计方法。

实现本发明的技术方案是：一种码分多址***中导频及数据联合信道估计方法，其步骤为：a、先对接收信号的每一时隙中数据码元段对应的信道信息形成初始估计；b、再利用此估计作为已知量进行新的一次迭代；其特点是，还包括第二阶段的信道估计，其步骤为：

c、在上述信道估计方法的基础上，将各径接收信号与对应信道初始估计值共轭相乘，求得各径数据码元的估计值，再进行瑞克合并，对其输出结果进行一次临时硬判决；

d、将硬判决数据再重新进行多相移键控调制，并利用该数据对各径时隙中数据段对应的接收数据进行去信号调制操作；

e、将数据段去信号调制后得到的数据序列对应时隙导频段去信号调制后得到的数据序列联合使用，得到连续导频的数据序列；

f、利用e步骤产生的连续导频通过滑动平均、自适应滤波方法进行信道估计，得到更为精确的二次估计值，再将各径接收数据与对应信道二次估计值共轭相乘，然后进行瑞克合并，软判决输出。

一种实现码分多址***中导频及数据联合信道估计的装置，包括对应多径输入、同时工作的多个模块，每一径对应的模块有：

导频/数据分路单元，用于对解扩后的各可分离径的数据进行导频和数据段的分路处理；

第一延时单元，与所述导频/数据分路单元的输出端连接；

第一信道估计单元，与所述导频/数据分路单元的输出端连接，用于将分路后的导频数据进行数据段的信道参量的相位和幅度的初次估计；

第一乘法器，分别与该径的第一延时单元和第一信道估计单元的输出端连接，用于将延时后的数据与对应的信道估计参量进行共轭值相乘，得到该径关于数据的初次估计值；

第一加法器，与各径第一乘法器的输出端连接，用于对各径数据在该第一加法器单元中进行最大比合并；

其特点是，还包括：

第二延时单元、第三延时单元，所述的第二延时单元与该径导频/数据分路单元的输出端连接，所述的第三延时单元与第二延时单元的输出端连接；

符号临时硬判决单元，与第一加法器的输出端连接，用于将经最大比合并后得到的数据进行临时硬判决输出；

调制单元，与符号临时硬判决单元的输出端连接，用于对硬判决的结果进行调制；

第二乘法器，与调制单元、第二延时单元的输出端连接，将重新生成的码元与经过第二延时单元的接收数据段中的数据进行共轭相乘；

时分合路单元，与各径第二乘法器的输出端连接，用于对同导频符号对应的信道衰落信息合并；

低通滤波器，与该径的时分合路单元的输出端连接，其采用连续导频体制下的信道估计方法，经过相干加，得到数据段码元对应的信道衰落系数的第二次估值；

第三乘法器，与低通滤波器的输出端连接，用于将第二次信道估计结果与各径中对应的数据段数据进行共轭相乘；

第二加法器，与各径第三乘法器输出端连接，用于对各径输出的信道估计结果第二次进行最大比合并；

软判决输出单元，与第二加法器的输出端连接，对输出结果进行软判决。

由于本发明采用了以上的技术方案，利用判决反馈技术得到了利用导频和数据的联合信道估计，在多径信道估计的结构上比传统的方法有显著的改变，它在传统的多径信道估计结构上又加了一层处理单元，多了一个阶段的处理，使得信道估计不仅在慢衰落的情况下有所改善，而且能适应较快衰落信道的变化，得到较为精确的估计，从而改善误码率。

附图说明

为进一步了解本发明的特征、性能，现结合以下实施例及其附图作详细的描述。

图1是连续导频帧结构；

图2是间断导频帧结构；

图3是已有技术基于PSAM插值类算法多径信道估计结构框图；

图4是已有技术基于PSAM两阶段信道估计结构框图；

图5是本发明在WCDMA***中的具体装置方框图；

图6(a)、图6(b)、图6(c)是本发明两阶段信道估计方法与普通插值类信道估计在不同信噪比和衰落率曲线图。

具体实施方式

请参阅附图。

本发明在传统PSAM信道估计的基础上，对RAKE(瑞克)合并输出结果进行一次临时硬判决，然后把得到的硬判决数据再重新进行调制，并利用该数据对各径时隙中数据段对应的接收数据进行去信号调制操作，因为多径合并以后的数据硬判决误码率比单径的要低，可以认为接收数据进行去信号调制操作后得到的包含信道信息的数据序列比原来通过导频插值得出信道估计值的准确度要高，将该数据序列与延时后的导频段去信号调制的数据联合使用，得到了类似连续导频的数据序列，再利用连续导频的信道估计方法(滑动平均、自适应滤波)，从而得到时隙中数据码元信道信息的二次估计，最终得到数据码元更为精确的二次估计。该方法原理的实施例请参阅图4，解扩后的各可分离径的数据r₁(k)……r₂(k)，例如r₁(k)和r_L(k)两路信号采用传统信道估计方法50进行传统信道估计，同时分别作延时51、52；在上述信道估计方法的基础上，对瑞克(RAKE)合并53的输出结果进行一次临时硬判决54；将硬判决数据再重新进行多相移键控(MPSK)调制，并利用该数据对各径时隙中数据段对应的接收数据进行信号去调制操作；将数据段去信号调制后得到的数据序列对应时隙导频段去信号调制后得到的数据序列联合使用，得到了类似连续导频的数据序列；利用产生的连续导频通过滑动平均、自适应滤波方法进行联合信道估计55，得到更为精确的二次估计软判决输出56。

图5是本发明的具体装置的方框图；一种用于实现上述方法的装置，包括对应多径输入、同时工作的多个模块。本实施例为两条径输入，该两径对应的模块有：导频/数据分路单元201、202；分别与各导频/数据分路单元201、202的输出端连接的第一延时单元401、402和第一信道估计单元203、204；分别与第一延时单元和第一信道估计单元的输出连接的第一乘法器205、206；与各径第一乘法器的输出连接的第一加法器207；与各径导频/数据分路单元的输出连接的第二延时单元403、404、第三延时单元405、406，所述的第二延时单元403、404分别与各径导频/数据分路单元的输出端连接，所述的第三延时单元与各对应的第二延时单元的输出端连接；与第一加法器207的输出连接的符号临时硬判决单元208；与符号临时硬判决单元的输出连接的调制单元503；分别与该调制单元的输出连接的和与各第二延时单元的输出连接的第二乘法器501、502；与各径第二乘法器的输出连接的时分合路单元209、210；与各时分合路单元的输出连接的低通滤波器300、301；与低通滤波器的输出连接的第三乘法器302、303；各径与第二延时单元连接的第三延时单元的输出信号也同时与第三乘法器连接，从各径第三乘法器输出的信号输入到第二加法器304，再输出到软判决输出单元305输出。

解扩后的各可分离多径数据r₁(k)……r₂(k)，例如r₁(k)和r_L(k)分别被送到导频/数据分路单元201、202，进行导频和数据段的分路处理，分路后的导频数据r_p，1(k)和r_p，L(k)分别被送到第一信道估计单元203、204进行数据段的信道参量的相位和幅度的初次估计，另外分路后的导频数据r_d，1(k)和r_d，L(k)分别经过第一延时单元401、402延时，再通过第一乘法器单元205、206与对应的信道估计参量进行共轭值相乘 得到各径关于数据的初次估计

然后再对各径数据在第一加法器单元207中进行最大比合并，得到的数据经过符号临时判决单元208进行临时硬判决输出，然后对硬判决的输出结果在调制器单元503中重新进行四相移键控(QPSK)调制，利用重新生成的码元与经过第二延时单元403、404的接收数据段数据在第二乘法器单元501、502中共轭相乘得到去调制的信号，这样重新得到的信道信息将比信道估计单元203、204得到的值更接近实际情况。分路后的导频数据还分别送到时分合单元210、209，在时分合路单元210、209中，把它们同导频符号对应的信道衰落信息合并，构成类似连续导频信号的形式，再将这一“连续导频信号”在低通滤波器单元300、301中采用连续导频体制下的信道估计方法(滑动平均法、自适应滤波)，经过相干加，提高信噪比，得到数据段码元对应的信道衰落系数的第二次估值，然后将信道估计结果与各径中对应的数据段数据在第二乘法器单元302、303共轭相乘，各径输出的值在第二加法器单元304进行最大比合并，由软判决输出单元305对输出结果进行软判决输出，并提供给后继的解码部分。在该实施例中，可以看出，通过使用两阶段信道估计方法，可以得到更为精确的信道估计，从而改善接收误码率。图6是本发明两阶段信道估计方法与普通插值类信道估计在不同信噪比和衰落率曲线图。假设发射信号传播经历等功率的三条可分离径，横坐标Eb/NO为其中每一条传播径的每比特信号平均功率与噪声功率之比，纵坐标为误码率，图6(a)表示多普勒频率为120Hz时的曲线，图6(b)表示多普勒频率为360Hz时的曲线，图6(c)表示多普勒频率为480Hz时的曲线。从图6可以看到，所增加的处理环节消耗的硬件资源并不大，但得到的处理增益可以达到一个dB以上。

本发明适用于采用PSAM技术的CDMA蜂窝***。

Claims (2)

1、一种码分多址***中导频及数据联合信道估计方法，其步骤为：a、先对接收信号的每一时隙中数据码元段对应的信道信息形成初始估计；b、再利用此估计作为已知量进行新的一次迭代；其特征在于，还包括第二阶段的信道估计，其步骤为：

c、在上述信道估计方法的基础上，将各径接收信号与对应信道初始估计值共轭相乘，求得各径数据码元的估计值，再进行瑞克合并，对其输出结果进行一次临时硬判决；

d、将硬判决数据再重新进行多相移键控调制，并利用该数据对各径时隙中数据段对应的接收数据进行去信号调制操作；

e、将数据段去信号调制后得到的数据序列对应时隙导频段去信号调制后得到的数据序列联合使用，得到连续导频的数据序列；

f、利用e步骤产生的连续导频通过滑动平均、自适应滤波方法进行信道估计，得到更为精确的二次估计值，再将各径接收数据与对应信道二次估计值共轭相乘，然后进行瑞克合并，软判决输出。

2、一种实现码分多址***中导频及数据联合信道估计的装置，包括对应各径输入、同时工作的多个模块，每一径对应的模块有：

导频/数据分路单元，用于对解扩后的各可分离径的数据进行导频和数据段的分路处理；

第一延时单元，与所述导频/数据分路单元的输出端连接；

第一信道估计单元，与所述导频/数据分路单元的输出端连接，用于将分路后的导频数据进行数据段的信道参量的相位和幅度的初次估计；

第一乘法器，分别与该径的第一延时单元和第一信道估计单元的输出端连接，用于将延时后的数据与对应的信道估计参量进行共轭值相乘，得到该径关于数据的初次估计值；

第一加法器，与各径第一乘法器的输出端连接，用于对各径数据在该第一加法器单元中进行最大比合并；

其特征在于，还包括：

第二延时单元、第三延时单元，所述的第二延时单元与该径导频/数据分路单元的输出端连接，所述的第三延时单元与第二延时单元的输出端连接；

符号临时硬判决单元，与第一加法器的输出端连接，用于将经最大比合并后得到的数据进行临时硬判决输出；

调制单元，与符号临时硬判决单元的输出端连接，用于对硬判决的结果进行调制；

第二乘法器，与调制单元、第二延时单元的输出端连接，将重新生成的码元与经过第二延时单元的接收数据段中的数据进行共轭相乘；

时分合路单元，与各径第二乘法器的输出端连接，用于对同导频符号对应的信道衰落信息合并；

低通滤波器，与该径的时分合路单元的输出端连接，其采用连续导频体制下的信道估计方法，经过相干加，得到数据段码元对应的信道衰落系数的第二次估值；

第三乘法器，与低通滤波器的输出端连接，用于将第二次信道估计结果与各径中对应的数据段数据进行共轭相乘；

第二加法器，与各径第三乘法器输出端连接，用于对各径输出的信道估计结果第二次进行最大比合并；

软判决输出单元，与第二加法器的输出端连接，对输出结果进行软判决。

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