專利名稱：一種多徑信道估計方法
技術領域：
本發(fā)明涉及信息傳輸領域，具體涉及 一種多徑信道估計方法。
背景技術：
信道(information channels)是信號的傳輸媒質，可分為有線信 道和無線信道兩類。有線信道包括明線、對稱電纜、同軸電纜及光纜 等；無線信道有地波傳播、短波電離層反射、超短波或微波視距中繼、 人造衛(wèi)星中繼以及各種散射信道等。信號在無線信道中傳播，接收信 號不僅是通過單一直射路徑得到，還包括不同路徑到達的反射、衍射 和數(shù)據(jù)信號，這種現(xiàn)象稱為多徑傳播，該信道稱為多徑信道 (Multi-path channel )。
信號在多徑信道傳輸時，如圖1所示信號分析中將多徑信道作為 一個多徑信道系統(tǒng)來分析，從發(fā)射端發(fā)射的信號作這個系統(tǒng)的輸入信 號x("),最后在接收端接收的信號作為這個系統(tǒng)的輸出信號y("),其 中x(")、 y(w)為信號分析中離散信號的表示方式，具體到"為信號數(shù) 據(jù)的序號，如x(3)表示輸入信號的第3個數(shù)據(jù)，以下與該表達式類似
的"均為該含義，根據(jù)現(xiàn)有技術，該系統(tǒng)具有沖激響應/2(M)，"為沖
激響應數(shù)據(jù)的序號，且輸入信號與輸出信號之間存在這樣的關系 yO戶x(w"/zO) (1)
即接收的信號由輸入信號與這個系統(tǒng)的沖激響應卷積得到，在實 際中，經(jīng)多徑信道傳輸后在接收端接收的信號與實際發(fā)送的信號并不 一致，如將一個圖片的信息經(jīng)多徑信道發(fā)送，如果在接收端將接收的 信號直接顯示，得到的圖片信息與發(fā)射的信息是不一致的，存在信號 經(jīng)多徑信道傳輸后失真的現(xiàn)象，這就是建立多徑道模型進行信道估計 的必要性。
5在信道分析中建立的多徑信道模型，其用沖激響應的形式表示建 立的多徑信道模型，現(xiàn)有的多徑信道模型分析，典型的方法是用稀疏
模型(sparse representation )表示建立的多徑信道模型的沖激響應 / (")，該表達式如式(2)所示<formula>formula see original document page 6</formula> (2)
MS20
式(2)中，M為多徑信道的徑數(shù)，現(xiàn)有分析中， 一般徑數(shù)小于 等于20， /為整數(shù)，/的取值范圍為1~M， /在該式中表示多徑信道 徑數(shù)的序號，",表示多徑信道中第,'個信道的延時，w為沖激響應數(shù)據(jù) 的序號，5為沖激函數(shù)，沖激函數(shù)為只有在輸入信號為0時輸出幅值 的函數(shù)，4為多徑信道中第z'個信道沖激函數(shù)的幅值調整系數(shù)，因此 要得到建立的多徑信道模型，需要把模型參數(shù)4與《估計出來。通 常情況下甚至M也是未知的，但在實際估計多徑信道模型時，為了 簡化問題， 一般假設M已經(jīng)被估計出來或已知。將模型參數(shù)4與《估 計出來后，由式(1)中輸入信號與輸出信號之間的關系，利用信號 分析可以得到實際發(fā)送的信號，我們將該過程稱為信道解碼，因此信 道模型的精確度直接影響到由接收信號經(jīng)信道解碼后得到的實際發(fā) 送信號的精確度。
現(xiàn)有信道估計方法中有很多估計式(2 )中的多徑信道模型參數(shù)J, 與《的方法， 一般有粗估計和細化估計兩個步驟，在得到信道參數(shù)粗 估計在細估計的過程中，普遍存在運算復雜，細化的程度不高，因而 最后得到的多徑信道模型還是不夠精確，不能得到精確的原始發(fā)送的 信號。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種多徑信道估計方法，利用該方法建立的 多徑信道模型性能穩(wěn)定，抗干擾性強，且信道參數(shù)更優(yōu)化，提高接收 信號的精確性。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明釆用如下技術方案
一種多徑信道估計方法，所述多徑信道的徑數(shù)為M，沖激響應為
沖激響應/^)的參數(shù)為徑數(shù)M、多徑信道延時《.和幅值調整系 數(shù)4, /為整數(shù)，/的取值范圍為1 M，《表示多徑信道中第/個信道 的延時，4為多徑信道中第f個信道沖激函數(shù)的幅值調整系數(shù)，該方 法包括以下步驟
(1)對多徑信道進行粗估計，得到多徑信道延時",的初始估計
值；
(2 )由多徑信道延時《的初始估計值得到幅值調整系數(shù)4的初 始估計值；
(3 )用匹配追蹤法MatchingPursuits細化多徑信道延時c/,和幅值
調整系數(shù)4 ，得到細化后多徑信道延時",和幅值調整系數(shù)4的估計
值；
(4)由所述多徑信道的徑數(shù)M、細化后多徑信道延時《和幅值 調整系數(shù)4的估計值確定所述多徑信道的沖激響應，得到多徑信 道模型。
多徑信道的沖激響應W )用下式稀疏模型表示， Z4^("-《)
其中M為多徑信道的徑數(shù)，所述徑數(shù)M小于或等于20，；為整數(shù)， /的取值范圍為1 M，《表示多徑信道中第/個信道的延時，5為沖 激函數(shù)，4為多徑信道中第^個信道沖激函數(shù)的幅值調整系數(shù)，該方 法中，在步驟(2)中由多徑信道延時《的初始估計值得到幅值調整
系數(shù)4的初始估計值的方法包括
. (2A)用偽隨機噪聲序列發(fā)生器產(chǎn)生多徑信道的輸入信號p(w), 從實際多徑信道接收的信號為,由多徑信道的輸入信號與多 徑信道的沖激響應/Kw)卷積，得到輸出信號;
(2B )利用多徑信道的輸出信號yW與實際接收信號之間的均方差￡，由表達式朋 A
——=0
得出4與J,之間的關系式4=gW),將步驟(1)得到的多徑信道延時c/,的初始估計值代入關系式4=gW)，得到多徑信道沖激函數(shù)的幅值調整系數(shù)4，其中/為整數(shù)，/的取值范圍為1 M。
在步驟(3)用匹配追蹤法MatchingPursuits細化多徑信道延時c/,的初始估計值和多徑信道沖激函數(shù)的幅值調整系數(shù)4的方法包括以下步驟
(3A)基于步驟(4)中得到的多徑信道延時估計《的初始估計值構建延時碼表，所述延時碼表中有若干組不相等的多徑信道延時
(3B)由步驟(2B)中的關系式4K《)得出與步驟(3A)中(^對應的若干組不相等的幅值調整系數(shù)，得到若干組多徑信道參數(shù){4,《}，結合多徑信道的徑數(shù)M確定所述多徑信道的若干組沖激響應
{};
(3C)用偽隨機噪聲序列發(fā)生器產(chǎn)生多徑信道的輸入信號;^)，
由輸入信號p(")與多徑信道的若干組沖激響應w("n巻積得到若干個輸出信號b("u，從實際接收多徑信道接收的信號為,(")為細化目標
(3D)從若干個輸出信號b(w))中搜索一組使多徑信道的輸出信
號與細化目標向量的均方差￡最小的多徑信道參數(shù){4。,《};
(3E )由所述多徑信道的徑數(shù)M與多徑信道參數(shù){4。,《}確定所述多徑信道的沖激響應Z/(w);
(3F)根據(jù)多徑信道參數(shù){4。，《。}對細化目標向量更新，更新后的細化目標向量為,(")="")-x。(")，其中少,.。由輸入信號與步驟(3E)中沖激響應W(力的卷積得到；
(3G)循環(huán)執(zhí)行步驟(3D) ~ (3F)有限次，由最后一次在步
8驟(3D)中搜索的多徑信道參數(shù)與多徑信道的徑數(shù)M確定細化后的多徑信道模型。
在步驟(3A)中由多徑信道延時《的初始估計值構建延時碼表的方法為在數(shù)軸上以多徑信道延時《的初始估計值為中心，在《左右兩側對稱地選取若干個值，得到若干組不相等的多徑信道延時估計{《}。
利用本發(fā)明進行多徑信道估計的優(yōu)點有
1. 基于匹配追蹤算法Matching Pursuits的信道參數(shù)的細化估計，由于匹配追蹤算法是一種greedy算法，它通常易于實現(xiàn)并有很好的近似特性，每次循環(huán)都會保證減少均方誤差，因此將匹配追蹤算法應到多徑信道參數(shù)細化估計可以很好的優(yōu)化多徑信道參數(shù)，使建立的多徑信道模型性能穩(wěn)定，抗干擾性強；
2. 在初始信道延時估計時建立一個合理的詞典或碼表，這樣使細化過程中減少了匹配追蹤算法查詢的復雜度，使該多徑信道模型估計方法復雜度降低。


圖l為多徑信道系統(tǒng)中輸入輸出信號關系圖；圖2為多徑信道估計方法中基于全極點模型的初始延時粗估計流程圖3為本發(fā)明信估計方法中基于匹配追蹤算法的信道參數(shù)細估計流程圖。
具體實施例方式
以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。如圖1所示信號分析中將多徑信道作為一個多徑信道系統(tǒng)來分
析，從發(fā)射端發(fā)射的信號作這個系統(tǒng)的輸入信號x(w),最后在接收端接收的信號作為這個系統(tǒng)的輸出信號少(")，其中x(w)、 y(w)為信號分析中離散信號的表示方式，具體到《為信號數(shù)據(jù)的序號，如x(3)表示發(fā)射信號的第3個數(shù)據(jù)，以下與該表達式類似的W均為該含義，根據(jù) 現(xiàn)有技術，該系統(tǒng)具有沖激響應/K"),且輸入信號與輸出信號之間存 在這樣的關系
y(")-xO"/j(/0 (1)
即接收的信號由輸入信號與這個系統(tǒng)的沖激響應卷積得到，在實 際中，經(jīng)多徑信道傳輸后在接收端接收的信號與實際發(fā)送的信號并不 一致，在實際中，為從接收的信號恢復到原始發(fā)送的信號，消除信號 傳輸失真，在信道解碼時，需要建立多徑信道模型，該模型的沖激響 應為上式中的/^)，如果能確定精確的/^)表達式，就等于建立了精 確的信道模型，得到更精確的原始發(fā)射信號。
實施例
本實施例中的多徑信道模型，其沖激響應釆用現(xiàn)有技術中典 型的方法表示，即用稀疏模型(sparse representation)表示建立的多 徑信道模型的沖激響應，如式(2)所示
; (")二Z(2)
M。0
式(2)中，M為多徑信道的徑數(shù)，現(xiàn)有分析中， 一般徑數(shù)小于 或等于20， /為整數(shù)，/的取值范圍為1-M， /在該式中表示多徑信道 徑數(shù)的序號，《為多徑信道中第/個信道的延時，5為沖激函數(shù)，沖 激函數(shù)為只有在輸入信號為O時輸出幅值的函數(shù)，4為多徑信道中第z' 個信道沖激函數(shù)的幅值調整系數(shù)，因此要得到建立的多徑信道模型， 需要把多徑信道模型參數(shù)4與《估計出來。通常情況下甚至M也是 未知的，但在實際估計多徑信道模型時，為了簡化問題， 一般假設M 已經(jīng)被估計出來或已知。
本實施例中M是已知的，利用現(xiàn)有技術對多徑信道模型參數(shù)4與 《的進行粗估計，得到對多徑信道進行粗估計，得到多徑信道延時《 的初始估計值。
現(xiàn)有技術中對多徑信道《和幅值調整系數(shù)4的估計方法有很多，
10例如子空間估計方法(subspace estimation method )(見subspace methods for the blind identification of multichannel FIR filter", E. Moulines, P. Duhamel, J. Cardoso, S. Mayrargue, IEEE transaction on signal processing Vol. 43， No. 2， Feb. 1995 )和自適應均衡信道估計法 (Adaptive equalizer for blind channel estimation x見A. Benveniste and M. Goursat， "Blind equalizers", IEEE Trans. On communications, vol. 32, pp. 871-883,Aug. 1984)，本實施例中也可以利用現(xiàn)有技術在得到多徑 信道延時j,的初始估計值的基礎上采用如下方法得到幅值調整系數(shù) 4:
用偽隨機噪聲序列發(fā)生器產(chǎn)生多徑信道的輸入信號,從實際 信道接收的信號為，由多徑信道模型的輸入信號與沖激響應 (式(2))卷積得到輸出信號
<formula>formula see original document page 11</formula> (3)
式(3)中M、 /、《、4與式(2)中含義相同； 利用式(3)中多徑信道模型的輸出信號;;(w)與實際接收信號—) 之間的均方差￡,
<formula>formula see original document page 11</formula> (4)
其中，"為信號數(shù)據(jù)的序號，式(4)中在求和符號下面標注w表 示對對應的所有輸入輸出數(shù)據(jù)差值后的平方求和。由表達式
即對式(4)中4求導，得出4與",之間的關系式4二gW),將多 徑信道延時估計《的初始估計值代入該表達式得到所述系數(shù)4;
本實施例在確定信道模型沖激響應4與《后，用匹配追蹤法 Matching Pursuits細化多徑信道延時《和幅值調整系數(shù)4 ,得到細化后多徑信道延時《和幅值調整系數(shù)4的估計值。
匹配追蹤算法MP (Matching Pursuits)是一種從一個極度冗余 的詞典中選擇出某些基向量來疊加出一個特定的信號的算法，該算法 是信號分解的一種具體實現(xiàn)方法，但其本質上則是一種估計信號模型 參數(shù)的方法，因而可直接用于信號檢測及參量估計，目前這種算法已 經(jīng)成功地用于視頻壓縮和其它領域中，但是還沒有應用到信道模型參 數(shù)估計方法中。
MP算法還是一種greedy算法，它通常易于實現(xiàn)并有很好的近似 特性，通?；贛P的算法需要有一個判斷標準來循環(huán)地從多個可能
的候選估計參數(shù)中進行挑選。這里我們引入的判斷標準是在偽隨機 噪聲序列PN訓練序列中介于從實際信道接收的信號與從信道模型中 輸出的信號之間的均方誤差(MSE),每次循環(huán)都會保證減少均方誤 差。下面結合

其細化參數(shù)的過程。 1.構建延時碼表
在用MP法細化信道模型參數(shù)之前建立一個合理的詞典或碼表能 減少MP查詢的復雜度，本實施例構建碼表是基于前面所述得到的一 組初始信道延時估計{",} ( BWM， M為多徑信道的徑數(shù)，M的值 小于或等于20)，具體的構建方法為
在數(shù)軸上以信道延時《的初始估計值為中心，在《左右兩側對稱 地選取若干個值，得到若干組不相等的多徑信道延時估計{《}。
本實施例中即在每一個d,值的臨近范圍內圍繞4對稱地取若干 個值，范圍的大小根據(jù)需要設定，如果《之間的差值較大時可以相應 地將范圍取的大一點，所取值的個數(shù)相應多一些，如果《之間的差值 較小時可以相應地將范圍取的小一點，所取值的個數(shù)相應少一些。圍 繞",構建碼表保證碼表內的值都在延時估計c/,的周圍，是比較合理 的。
如圖3所示為本實施例中基于匹配追蹤算法的信道參數(shù)細估計流
12程圖，圖3中基于全極點模型得到初始延時估計為h,"2,^,... )，其
中M為多徑信道的徑數(shù)，M的值小于或等于20， 表示第M個信道的延時，構建碼表時在每個延時估計值的周圍對稱地取兩個值，所構
建的石馬表為{ W「+1，"2 -I,";," +1，"3—1,"3,"3十1,…"m +1 }， 因
此從所述碼表得到三組不相等的延時估計{"廣1， -1, "3 _ _ 1 }、
(Wj,W2,"3… }、{ +1，"2 +1，W3 +1，』M +1 }。
得到若干組不相等的多徑信道延時估計{《}后由前面所述的4和《之間的關系4=g(《)，可以得出與構建的延時碼表中若干組不相等的多徑信道延時{cU對應的系數(shù)，得到若干組多徑信道模型參數(shù){4，《}，結合多徑信道的徑數(shù)M確定所述信道模型的若干組不同的沖激響應{/^)}。
2.基于匹配追蹤算法MP的信道參數(shù)的細估計
如圖3所示在細估計之前用偽隨機噪聲序列發(fā)生器產(chǎn)生多徑信道的輸入信號Aw)，由輸入信號Mw)與信道模型的若干組不同的沖激響應{/<")}卷積得到若干個輸出信號{>^)}(式(3))，從實際信道接收的信號為《n)為細化目標向量。
從若干個輸出信號{}中搜索 一組使多徑信道模型的輸出信號y(")與細化目標向量,(")的均方差五(式(4))最小的模型參數(shù){4。，",。},具體為
《0=argminZ
m—1
/=0m<20
(5)
4 = g(《0) ( 6 )
其中，《e力c"om/7表示多徑信道延時《屬于延時構建的延時碼
表中的多徑信道延時，M為信號數(shù)據(jù)的序號，式(6)中在求和符號下面標注"表示對相應的所有數(shù)據(jù)差值后的平方求和；
由所述多徑信道的徑數(shù)M與多徑信道參數(shù){4。, ^ }確定所述多《
經(jīng)
13信道的沖激響應A'(W),即
M—1
//(")= S4W(",。) (7)式(7)中M、 /與式(2)中含義相同；
根據(jù)模型參數(shù){4。,《。}對細化目標向量更新，更新后的細化目標向量為
)=《")-Xo(") (8)Xo(")= Z4)戶("—《o) (9)
^0=0M<20
即乂。(w)由輸入信號與信道參數(shù){4。，",。 }確定所述多徑信道的沖激響應W(")(式(7))的卷積得到。
用更新后的細化目標向量一(w)重新搜索一組使多徑信道模型的輸出信號少(")與細化目標向量 一(")的均方差￡最小的模型參數(shù){4,,^}，相應的由該組參數(shù)按式(7)、 (8)和(9)更新細化目標向量，再次用更新后的細化目標向量重新搜索一組使多徑信道模型的輸
出信號少W與細化目標向量的均方差E最小的模型參數(shù)，這樣循環(huán)執(zhí)行若干次，由最后一次搜索的模型參數(shù)與多徑信道的徑數(shù)M確定細化
后的信道模型。
本發(fā)明在利用現(xiàn)有技術對多徑信道延遲和幅值調整系數(shù)粗估計后，基于匹配追蹤算法Matching Pursuits (MP)的信道參數(shù)細估計可以更好的優(yōu)化信道參數(shù)，建立更精確的信道，提高多徑信道的抗干擾性和魯棒性。
雖然本發(fā)明是具體結合一個優(yōu)選實施例示出和說明的，但熟悉該技術領域的人員可以理解，其中無論在形式上還是在細節(jié)上都可以作出各種改變，這并不背離本發(fā)明的精神實質和專利保護范圍。
1權利要求
1、一種多徑信道估計方法，所述多徑信道的徑數(shù)為M，沖激響應為h(n)，沖激響應h(n)的參數(shù)為徑數(shù)M、多徑信道延時di和幅值調整系數(shù)Ai，i為整數(shù)，i的取值范圍為1～M，di表示多徑信道中第i個信道的延時，Ai為多徑信道中第i個信道沖激函數(shù)的幅值調整系數(shù)，其特征在于，該方法包括以下步驟(1)對多徑信道進行粗估計，得到多徑信道延時di的初始估計值；(2)由多徑信道延時di的初始估計求出到幅值調整系數(shù)Ai的初始估計值；(3)用匹配追蹤法Matching Pursuits細化多徑信道延時di和幅值調整系數(shù)Ai，得到細化后多徑信道延時di和幅值調整系數(shù)Ai的估計值；(4)由所述多徑信道的徑數(shù)M、細化后多徑信道延時di和幅值調整系數(shù)Ai的估計值確定所述多徑信道的沖激響應h(n)，得到多徑信道模型。
2、 如權利要求l所述的多徑信道估計方法，其特征在于，多徑信 道的沖激響應/K")用下式稀疏模型表示，<formula>formula see original document page 2</formula>其中M為多徑信道的徑數(shù)，所述徑數(shù)M小于或等于20, f為整數(shù)， /的取值范圍為1-M,《表示多徑信道中第/個信道的延時，^為沖激函數(shù)，4為多徑信道中第f個信道沖激函數(shù)的幅值調整系數(shù)，該方 法中，在步驟(2)中由多徑信道延時《的初始估計值得到幅值調整 系數(shù)4的初始估計值的方法包括(2A)用偽隨機噪聲序列發(fā)生器產(chǎn)生多徑信道的輸入信號p("), 從實際多徑信道接收的信號為，由多徑信道的輸入信號與多徑信道的沖激響應卷積，得到輸出信號;(2B )利用多徑信道的輸出信號與實際接收信號之間的均方差￡，由表達式得出4與《之間的關系式4二g(",)，將步驟(1)得到的多徑信道 延時《的初始估計值代入關系式4=g W)，得到多徑信道沖激函數(shù)的 幅值調整系數(shù)4，其中/為整數(shù)，/的取值范圍為1 M。
3、如權利要求2所述的其特征在于，在步驟(3)用匹配追蹤法 Matching Pursuits細化多徑信道延時《的初始估計值和多徑信道沖激函數(shù)的幅值調整系數(shù)4的方法包括以下步驟(3A)基于步驟(4)中得到的多徑信道延時估計《的初始估計值構建延時碼表，所述延時碼表中有若干組不相等的多徑信道延時(3B)由步驟(2B)中的關系式4^W)得出與步驟(3A)中W] 對應的若干組不相等的幅值調整系數(shù)，得到若干組多徑信道參數(shù) 結合多徑信道的徑數(shù)M確定所述多徑信道的若干組沖激響應{一)};(3C )用偽隨機噪聲序列發(fā)生器產(chǎn)生多徑信道的輸入信號， 由輸入信號^( )與多徑信道的若干組沖激響應{/^)}卷積得到若干個 輸出信號{><")},從實際接收多徑信道接收的信號為"n)為細化目標(3D)從若干個輸出信號b(w))中搜索一組使多徑信道的輸出信號與細化目標向量的均方差￡最小的多徑信道參數(shù){4。，《};(3E)由所述多徑信道的徑數(shù)M與多徑信道參數(shù)(4。,《J確定所 述多徑信道的沖激響應;(3F)根據(jù)多徑信道參數(shù){4。,《}對細化目標向量更新，更新后 的細化目標向量為"(")=,(")i,0(")，其中^。由輸入信號與步驟(3E)中沖激響應W(w)的巻積得到；(3G)循環(huán)執(zhí)行步驟(3D) ~ (3F)有限次，由最后一次在步 驟(3D )中搜索的多徑信道參數(shù)與多徑信道的徑數(shù)M確定細化后的多 徑信道模型。
4、如權利要求3所述多徑信道的估計方法，其特征在于，在步驟 (3A )中由多徑信道延時《的初始估計值構建延時碼表的方法為在 數(shù)軸上以多徑信道延時《的初始估計值為中心，在《左右兩側對稱地 選取若干個值，得到若干組不相等的多徑信道延時估計{《}。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種多徑信道估計方法，包括對多徑信道進行粗估計，得到多徑信道延時d_i的初始估計值；由多徑信道延時d_i的初始估計求出到幅值調整系數(shù)A_i的初始估計值；用匹配追蹤法細化多徑信道延時d_i和幅值調整系數(shù)A_i，得到細化后多徑信道延時d_i和幅值調整系數(shù)A_i的估計值；由所述多徑信道的徑數(shù)M、細化后多徑信道延時d_i和幅值調整系數(shù)A_i的估計值確定所述多徑信道的沖激響應h(n)，得到多徑信道模型。利用本發(fā)明可以更好的優(yōu)化信道參數(shù)，建立更精確的信道，提高多徑信道的抗干擾性和魯棒性。
文檔編號H04L25/02GK101471904SQ20071030441
公開日2009年7月1日 申請日期2007年12月27日 優(yōu)先權日2007年12月27日
發(fā)明者于燕斌, 李春艷, 林 楊 申請人:清華大學