專利名稱：一種單載波系統(tǒng)的自適應(yīng)均衡方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種通信技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種單載波系統(tǒng)的自適應(yīng)均衡方法。

背景技術(shù)：
單載波頻域均衡(single carrier frequency domain equalization，SC-FDE)是寬帶無線傳輸中一種很有效的對(duì)抗多徑干擾的方法。在無線通信系統(tǒng)中，除了受各種噪聲的干擾，發(fā)射信號(hào)的多徑傳播也影響著數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率，引起碼間干擾(inter symbol interference，ISI)。隨著接入和數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾实妮^大提高，越來越高的傳輸帶寬造成了嚴(yán)重的時(shí)間色散，接收信號(hào)中包含了經(jīng)歷衰減和時(shí)延的多徑波，引起頻率選擇性衰落，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的ISI。這個(gè)時(shí)候，如果單用時(shí)域均衡減輕ISI，需要較多濾波器抽頭才能得到可接受的均衡效果，這樣很難達(dá)到實(shí)時(shí)性要求，而且隨著多徑時(shí)延擴(kuò)展的增大，均衡復(fù)雜度甚至可能成指數(shù)增長。
第四代(4G)移動(dòng)通信系統(tǒng)速率可達(dá)幾10Mbps甚至100Mbps，在這樣高的系統(tǒng)傳輸速率下的時(shí)域均衡是不實(shí)際的。A.Peled和A.Ruiz最先提出了循環(huán)前綴(Cyclic Prefix，CP)，使接收端的頻域均衡變得簡單；20世紀(jì)80年代，隨著高速數(shù)字信號(hào)處理(Digital Signal Processing，DSP)芯片的快速發(fā)展，大規(guī)模集成電路使得快速傅立葉變換(FFT)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)不再是難以逾越的障礙，信號(hào)時(shí)頻變換的復(fù)雜度得到了大大的降低。這樣，傳統(tǒng)時(shí)域上的均衡變換到頻域上實(shí)現(xiàn)就成為了可能?；贑P的分塊傳輸?shù)闹饕夹g(shù)-正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)和SC-FDE正是在這樣的背景下被提出來的。CP最初用于OFDM系統(tǒng)，OFDM是一種高效的調(diào)制方式，具有高的頻譜效率和強(qiáng)的抗ISI的優(yōu)點(diǎn)。然而，在OFDM的實(shí)驗(yàn)室研究日漸成熟，其峰均比(Peak-to-Average Power Ratio，PAPR)過高的弱點(diǎn)逐漸成為系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和性能提高的瓶頸時(shí)，Sari于1994年首次發(fā)起重新討論SC-FDE技術(shù)。接著，各國的研究者就SC-FDE的原理和性能，以及該系統(tǒng)特殊的符號(hào)結(jié)構(gòu)和信號(hào)處理算法開始了研究。SC-FDE跟OFDM有差不多相同的復(fù)雜度、頻譜效率和抗干擾能力。相比OFDM，SC-FDE尚屬新興技術(shù)，但由于其性能上的優(yōu)勢(shì)，開始逐漸受到人們的重視。
SC-FDE采用頻域均衡消除頻率選擇性信道對(duì)信號(hào)的影響。頻域均衡技術(shù)一般也是采用傳統(tǒng)的時(shí)域均衡中的準(zhǔn)則和算法，與時(shí)域均衡不同的是頻域均衡的算法在頻域上處理，這樣簡化了抽頭個(gè)數(shù)，處理簡單。同時(shí)，由于無線信道的信道狀態(tài)是隨時(shí)間變化的，因此均衡器需要跟蹤這種變化。常用的自適應(yīng)跟蹤算法有最小均方(Least Mean Square，LMS)、遞歸最小二乘(RLS)算法等。
在現(xiàn)有的自適應(yīng)信道估計(jì)算法中，例如公開號(hào)為CN1463526A的專利申請(qǐng)“混合頻域-時(shí)域均衡器”，是根據(jù)均衡數(shù)據(jù)Zi及其判決數(shù)據(jù)之間的誤差信號(hào)，進(jìn)行自適應(yīng)信道估計(jì)。這樣做存在兩個(gè)問題(1)由于均衡數(shù)據(jù)中只有一部分序列長度的獨(dú)特字(UW段)是已知的，因此因錯(cuò)誤的判決將會(huì)使誤差計(jì)算部分噪聲變大；(2)整個(gè)數(shù)據(jù)段的FFT變換數(shù)據(jù)存在峰均比過大的問題，在幅值小的頻點(diǎn)，自適應(yīng)信道估計(jì)受噪聲的影響就相應(yīng)變大。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種單載波系統(tǒng)的自適應(yīng)均衡方法。
本發(fā)明涉及一種單載波系統(tǒng)的自適應(yīng)均衡方法，包括下列步驟 步驟A接收信號(hào)經(jīng)過傅立葉變換變?yōu)轭l域數(shù)據(jù)； 步驟B經(jīng)過頻域均衡、逆傅立葉變換之后得到時(shí)域均衡數(shù)據(jù)，其中，傳輸結(jié)構(gòu)中每個(gè)長度為N的數(shù)據(jù)段xi由長度為N-L的信息段si和作為循環(huán)前綴的已知固定長度為L的UW段u組成； 步驟C從時(shí)域均衡數(shù)據(jù)中分離出所述長度為L的UW段，將其均衡后的信號(hào)與自身的誤差信號(hào)作為自適應(yīng)信道估計(jì)的輸入變量。
其中，所述均衡算法包括線性均衡、判決反饋均衡算法。
其中，所述線性均衡包括最小均方誤差均衡、迫零均衡算法。
進(jìn)一步地，所述進(jìn)入頻域均衡的信號(hào)是預(yù)先經(jīng)過射頻濾波、匹配濾波、A/D采樣的前端處理，且已完成同步的復(fù)基帶信號(hào)，對(duì)應(yīng)第i個(gè)數(shù)據(jù)塊的接收信號(hào)表示為 其中，hi、xi、ni分別代表第i塊的信道沖激響應(yīng)、數(shù)據(jù)段信號(hào)和方差為σ2的高斯白噪聲；在信道沖激響應(yīng)hi在塊內(nèi)時(shí)不變，在塊與塊之間是慢時(shí)變時(shí)表示為 yi＝Hixi+ni yi經(jīng)過傅立葉變換變?yōu)轭l域數(shù)據(jù)為 其中，為對(duì)應(yīng)信號(hào)的傅立葉變換；由Hi為Toeplitz(托普利茲)矩陣可知為對(duì)角陣，其中

為信道頻域響應(yīng)在第k個(gè)離散頻點(diǎn)的值。
另外，在最小均方誤差均衡MMSE中，均衡器系數(shù)為 其中，其中

為信道頻域響應(yīng)在第k個(gè)離散頻點(diǎn)的值；σ2為噪聲估計(jì)；IN表示N×N單位陣。
進(jìn)一步地，可以根據(jù)遞歸最小二乘算法，在第i個(gè)傳輸塊時(shí)刻的信道估計(jì)使得下述代價(jià)函數(shù)最小
其中，0＜λ＜1為遺忘因子，然后計(jì)算得到
其中

為UW序列頻域變換數(shù)據(jù)，根據(jù)下述遞歸關(guān)系 計(jì)算得到噪聲估計(jì)σ2＝||ei||2。
本發(fā)明的有益效果是依照本發(fā)明的單載波系統(tǒng)的自適應(yīng)均衡方法，方法的著眼點(diǎn)在于考慮整個(gè)數(shù)據(jù)段中的已知的UW序列，從整個(gè)均衡數(shù)據(jù)段中分離出UW段，將其均衡后的信號(hào)與自身的誤差信號(hào)作為自適應(yīng)信道估計(jì)的輸入變量，因此將誤差度量局限在UW段，減小了噪聲的影響；另外，由于利用已知的UW序列進(jìn)行計(jì)算，使得本發(fā)明復(fù)雜度低、計(jì)算量小的優(yōu)點(diǎn)。



圖1為連續(xù)傳輸模式下單載波系統(tǒng)的幀結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為自適應(yīng)均衡器的結(jié)構(gòu)框圖； 圖3為本發(fā)明的算法對(duì)應(yīng)的電路示意圖。

具體實(shí)施例方式 以下，參考附圖1～3詳細(xì)描述本發(fā)明的單載波系統(tǒng)的自適應(yīng)均衡方法。
本發(fā)明的核心思想是利用單載波系統(tǒng)中用作循環(huán)前綴的數(shù)據(jù)是已知的UW序列的特點(diǎn)，從整個(gè)均衡數(shù)據(jù)段中分離出已知的UW序列，將其均衡后的信號(hào)與自身的誤差信號(hào)作為自適應(yīng)信道估計(jì)的輸入變量，從而有效地克服現(xiàn)有算法的缺點(diǎn)。
圖1為連續(xù)傳輸模式下單載波系統(tǒng)的幀結(jié)構(gòu)示意圖。傳輸結(jié)構(gòu)中的基本單位是塊，每個(gè)長度為N的數(shù)據(jù)段xi由長度為N-L的信息段si和作為循環(huán)前綴的已知固定長為L的UW段u組成。
下面，先將本發(fā)明中用到的符號(hào)進(jìn)行說明 (□)T矩陣轉(zhuǎn)置； (□)H矩陣共軛轉(zhuǎn)置；

循環(huán)卷積運(yùn)算符； NFFT塊長度； LUW段長度； ||x||2N維列向量x的范數(shù)，||x||2＝xHx； diag{x}以x中元素為對(duì)角元的對(duì)角矩陣； FN×N維DFT(離散傅立葉變換)矩陣，m，n＝0，...，N-1； hi第i個(gè)傳輸塊的時(shí)域信道沖激響應(yīng)，hi＝[hi(0)，...，hi(L-1)]；Hi對(duì)應(yīng)第i個(gè)傳輸塊的信道沖激響應(yīng)矩陣
xi第i個(gè)傳輸塊，si為數(shù)據(jù)段，u為UW段。
圖2為自適應(yīng)均衡器的結(jié)構(gòu)框圖，進(jìn)入均衡器的信號(hào)是經(jīng)過前端處理(射頻濾波、匹配濾波、A/D采樣)，并假定已完成同步的復(fù)基帶信號(hào)，對(duì)應(yīng)第i個(gè)數(shù)據(jù)塊的接收信號(hào)可表示為 其中，hi、xi、ni分別代表第i塊的信道沖激響應(yīng)、數(shù)據(jù)段信號(hào)和方差為σ2的高斯白噪聲。假設(shè)信道沖激響應(yīng)hi在塊內(nèi)時(shí)不變，在塊與塊之間是慢時(shí)變的。其中，公式(1)又可改寫為 yi＝Hixi+ni(2) yi首先經(jīng)過傅立葉變換變?yōu)轭l域數(shù)據(jù)，對(duì)(2)式做傅立葉變換得 為對(duì)應(yīng)信號(hào)的傅立葉變換。由Hi為Toeplitz矩陣可知為對(duì)角陣，其中

為信道頻域響應(yīng)在第k個(gè)離散頻點(diǎn)的值。


經(jīng)過頻域均衡、IFFT之后得到時(shí)域均衡數(shù)據(jù)，再從均衡數(shù)據(jù)中分離出數(shù)據(jù)段信號(hào)(N個(gè)數(shù)據(jù)中的前N-L個(gè))，均衡器工作即告完成。常用的均衡算法有線性均衡、判決反饋均衡。線性均衡又可分為最小均方誤差(Minimum MeanSquare Error，MMSE)均衡、迫零均衡等，這里以MMSE均衡為例，均衡器系數(shù)為 計(jì)算均衡器系數(shù)所需要的

由自適應(yīng)信道估計(jì)單元給出。
在傳統(tǒng)的基于遞歸最小二乘(RLS)的自適應(yīng)信道估計(jì)算法中，代價(jià)函數(shù)的自變量為整個(gè)數(shù)據(jù)段的均衡信號(hào)及其判決信號(hào)產(chǎn)生的誤差信號(hào)，因此錯(cuò)誤的判決將會(huì)使誤差計(jì)算部分噪聲變大。另一方面，數(shù)據(jù)段的FFT變換數(shù)據(jù)存在峰均比過大的問題，在幅值小的頻點(diǎn)，自適應(yīng)信道估計(jì)受噪聲的影響就相應(yīng)變大。
針對(duì)這個(gè)問題，考慮到單載波信號(hào)結(jié)構(gòu)中UW段數(shù)據(jù)是已知固定的這一特點(diǎn)，將誤差度量由原來的整個(gè)數(shù)據(jù)段縮減至UW段，既可以減少錯(cuò)誤判決帶來的影響，又可以預(yù)先設(shè)計(jì)好滿足一定特性的UW段使得頻域響應(yīng)平坦，克服原算法峰均比大的問題。
通過矩陣分塊運(yùn)算，將

表示為數(shù)據(jù)段及UW段兩部分傅立葉變換的和 則式(3)可寫為 在接收到第i個(gè)傳輸塊后，利用公式(4)進(jìn)行均衡、判決之后得到判決數(shù)據(jù)

及其頻域數(shù)據(jù)從接收信號(hào)中減去數(shù)據(jù)段得到 ei為誤差項(xiàng)。
根據(jù)RLS算法，在第i個(gè)傳輸塊時(shí)刻的信道估計(jì)應(yīng)使得下述代價(jià)函數(shù)最小
其中0＜λ＜1為遺忘因子。
簡單計(jì)算得到
其中計(jì)算P(i)及r(i)的遞歸關(guān)系為 假設(shè)理想的信道估計(jì)和數(shù)據(jù)判決，由式(6)、(7)，可以得到噪聲估計(jì) σ2＝||ei||2 (12) 其中，公式(10)～(12)為本發(fā)明的自適應(yīng)信道估計(jì)的算法公式。圖3為本算法對(duì)應(yīng)的電路圖。為已知的確定序列，可預(yù)先存儲(chǔ)起來。UW序列u的選取，應(yīng)滿足其頻域變換數(shù)據(jù)

在頻域上盡量平坦的特性，這樣更有助于提高信道估計(jì)的精度。由于UW序列是確定已知的，因此可以事先設(shè)計(jì)好具有平坦頻域特性的序列。由于

為對(duì)角陣，因此在公式(10)計(jì)算

時(shí)復(fù)雜度僅為O(N)。
綜上所述，依照本發(fā)明的單載波系統(tǒng)的自適應(yīng)均衡方法，根據(jù)UW序列在接收端是已知的這一特點(diǎn)，將誤差度量局限在UW段，從而減小了噪聲的影響；另外，由于UW序列u的選取，應(yīng)滿足其頻域變換數(shù)據(jù)

在頻域上盡量平坦的特性，可以事先設(shè)計(jì)好具有平坦頻域特性的序列，這樣更有助于提高信道估計(jì)的精度。再有，由于只需要計(jì)算已知的UW序列，因此，本發(fā)明還具有復(fù)雜度低、計(jì)算量小的優(yōu)點(diǎn)。
以上是為了使本領(lǐng)域普通技術(shù)人員理解本發(fā)明，而對(duì)本發(fā)明所進(jìn)行的詳細(xì)描述，但可以想到，在不脫離本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋的范圍內(nèi)還可以做出其它的變化和修改，這些變化和修改均在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種單載波系統(tǒng)的自適應(yīng)均衡方法，其特征在于，包括下列步驟
步驟A接收信號(hào)經(jīng)過傅立葉變換變?yōu)轭l域數(shù)據(jù)；
步驟B經(jīng)過頻域均衡、逆傅立葉變換之后得到時(shí)域均衡數(shù)據(jù)，其中，傳輸結(jié)構(gòu)中每個(gè)長度為N的數(shù)據(jù)段xi由長度為N-L的信息段si和作為循環(huán)前綴的已知固定長度為L的UW段u組成；
步驟C從時(shí)域均衡數(shù)據(jù)中分離出所述長度為L的UW段，將其均衡后的信號(hào)與自身的誤差信號(hào)作為自適應(yīng)信道估計(jì)的輸入變量。
2.如權(quán)利要求1所述的單載波系統(tǒng)的自適應(yīng)均衡方法，其特征在于，所述均衡算法包括線性均衡、判決反饋均衡算法。
3.如權(quán)利要求2所述的單載波系統(tǒng)的自適應(yīng)均衡方法，其特征在于，所述線性均衡包括最小均方誤差均衡、迫零均衡算法。
4.如權(quán)利要求3所述的單載波系統(tǒng)的自適應(yīng)均衡方法，其特征在于，所述進(jìn)入頻域均衡的信號(hào)是預(yù)先經(jīng)過射頻濾波、匹配濾波、A/D采樣的前端處理，且已完成同步的復(fù)基帶信號(hào)，對(duì)應(yīng)第i個(gè)數(shù)據(jù)塊的接收信號(hào)表示為
其中，hi、xi、ni分別代表第i塊的信道沖激響應(yīng)、數(shù)據(jù)段信號(hào)和方差為σ2的高斯白噪聲；在信道沖激響應(yīng)hi在塊內(nèi)時(shí)不變，在塊與塊之間是慢時(shí)變時(shí)表示為
yi＝Hixi+ni
yi經(jīng)過傅立葉變換變?yōu)轭l域數(shù)據(jù)為
其中，為對(duì)應(yīng)信號(hào)的傅立葉變換；由Hi為托普利茲矩陣可知為對(duì)角陣，其中
為信道頻域響應(yīng)在第k個(gè)離散頻點(diǎn)的值。
5.如權(quán)利要求4中任一項(xiàng)所述的單載波系統(tǒng)的自適應(yīng)均衡方法，其特征在于，在最小均方誤差均衡MMSE中，均衡器系數(shù)為
其中，其中
為信道頻域響應(yīng)在第k個(gè)離散頻點(diǎn)的值；σ2為噪聲估計(jì)；IN表示N×N單位陣。
6.如權(quán)利要求5所述的單載波系統(tǒng)的自適應(yīng)均衡方法，其特征在于，根據(jù)遞歸最小二乘算法，在第i個(gè)傳輸塊時(shí)刻的信道估計(jì)使得下述代價(jià)函數(shù)最小
其中，0＜λ＜1為遺忘因子，然后計(jì)算得到
其中
為UW序列頻域變換數(shù)據(jù)，根據(jù)下述遞歸關(guān)系
計(jì)算得到噪聲估計(jì)σ2＝||ei||2。
全文摘要
本發(fā)明提供一種單載波系統(tǒng)的自適應(yīng)均衡方法，包括下列步驟步驟A接收信號(hào)經(jīng)過傅立葉變換變?yōu)轭l域數(shù)據(jù)；步驟B經(jīng)過頻域均衡、逆傅立葉變換之后得到時(shí)域均衡數(shù)據(jù)，其中，傳輸結(jié)構(gòu)中每個(gè)長度為N的數(shù)據(jù)段xi由長度為N-L的信息段si和作為循環(huán)前綴的已知固定長度為L的UW段u組成；步驟C從時(shí)域均衡數(shù)據(jù)中分離出所述長度為L的UW段，將其均衡后的信號(hào)與自身的誤差信號(hào)作為自適應(yīng)信道估計(jì)的輸入變量。本發(fā)明能夠?qū)⒄`差度量局限在UW段，減小了噪聲的影響，且具有計(jì)算復(fù)雜度低、計(jì)算量小的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H04L27/26GK101404631SQ20081017739
公開日2009年4月8日 申請(qǐng)日期2008年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月19日
發(fā)明者昊 吳, 田金潔, 立 方 申請(qǐng)人:北京韋加航通科技有限責(zé)任公司