CN101330482B - Dtmb系统中利用fwt实现快速信道估计的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种DTMB系统中利用FWT实现快速信道估计的方法，利用FWT实现多径捕获，其中，PN序列的匹配相关步骤，将长度为N的循环卷接收信号列矢量序列r，转换为干扰抵消前的时域信道冲激响应序列

得到强径的数目S和相应的干扰抵消前的时域信道冲激响应序列

的分量

干扰抵消步骤，对于各强径冲激响应复值增益均通过加所有强径干扰分量

将干扰全部抵消，得到干扰抵消后的信道冲激响应序列h及其信道传输函数H(ω)。本发明能够有效降低计算的复杂度，硬件实现简单；适用于利用周期PN序列进行匹配相关的系统，例如：DTMB数字地面广播的接收系统。

Description

DTMB系统中利用FWT实现快速信道估计的方法

技术领域

本发明属于无线信号传输领域，特别是涉及一种DTMB系统中利用FWT(快速沃尔什变换)实现快速信道估计的方法，主要应用于DTMB数字地面广播的接收系统中。

背景技术

地面数字广播近几年来一直都是无线领域关注的热点。2006年8月1日，我国推出了数字电视地面广播传输系统强制标准——国标DTMB，并确定了过渡期为一年。国标采用了以PN序列时域填充来取代通常OFDM(正交频分复用)系统中保护间隔的时域同步正交频分复用(TDS-OFDM)技术，具有较强的抗多径干扰能力。在DTMB系统中，保护间隔中填充的PN序列发挥了重要作用：(1)用于快速系统同步，PN序列作为同步序列，被用于实现系统帧同步、频率同步、时间同步等；(2)作为OFDM调制的保护间隔，通过信道估计，可以消除一定范围内的多径干扰影响。PN序列在接收端是已知的，其对信息部分的干扰可以有效地被去除，因而理论上等同为零填充(Zero-padding)的保护间隔。

为了在接收机上去除干扰，恢复发端信息，必须进行信道估计，难点主要在于需要快速可靠地估计出多径信道。目前最常用的方法为滑窗相关法。接收机在进行多径搜索时，利用接收PN序列强自相关特性和接收信号部分的循环卷特性，将接收信号与本地PN码的各个循环版本共轭相乘后积分，将相关结果与门限检测器的某一门限值比较，判断是否已捕获到有用信号径，从而获取时域信道冲激响应，完成信道估计。滑窗相关器实现比较简单，但搜索计算量大，当PN序列码长为N时，其复杂度为N²次加减运算，相对来说硬件实现的复杂度很高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种DTMB系统中利用FWT实现快速道估计的方法，能够有效降低计算的复杂度，硬件实现简单。

为解决上述技术问题，本发明的DTMB系统中利用FWT实现快速信道估计的方法，利用FWT实现多径捕获，包括如下步骤：

1)PN序列的匹配相关

a)将长度为N的循环卷接收信号列矢量序列r，经过置换矩阵P1，FWT，置换矩阵P2作用后，转换为干扰抵消前的时域信道冲激响应序列

实现的公式如下：

$\tilde{h}=P2\·W_{2^n}\·P1\·r^{\′}$

其中，r′＝[0，r^T]^T，置换矩阵P1和P2均为固定的2ⁿ阶初等变换阵，是2ⁿ阶沃尔什变换矩阵，沃尔什变换矩阵所有矩阵元素都由1或-1组成，且N＝2ⁿ-1；置换矩阵P1由序号的对应关系决定；置换矩阵P2则由经过置换矩阵P1置换后的序列与沃尔什变换矩阵的对应关系决定；

b)根据设定的阈值Q，确定强径的数目S和相应的干扰抵消前的时域信道冲激响应序列

的分量

2)干扰抵消，计算各强径的干扰分量

各强径冲激响应复值增益均通过加各强径的干扰分量

将干扰全部抵消，得到干扰抵消后的信道冲激响应序列h及其信道传输函数H(ω)。

采用本发明的方法后，用FWT实现与滑窗相关等效的多径捕获方法具有很高的实用性，计算复杂度由滑窗相关法的N²降低至(N+1)log₂(N+1)。对于帧头模式PN420与PN945，相对于信息部分分别有约27dB和30dB的解扩增益。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1是本发明的实施方式利用FWT实现快速多径捕获方法的示意图；

图2是8点FWT的计算流程示意图；

图3是码长为255的PN序列生成器示意图；

图4是码长为511的PN序列生成器示意图。

具体实施方式

DTMB系统采用复帧结构来传输信号，其基本单元为信号帧。一个信号帧由帧头(循环扩展PN序列)和帧体(3780点数据块)组成。帧头信号有固定模式和变化模式两种，采用I路和Q路相同的4QAM调制。变化模式下，在超帧时长范围内，帧头含有被编码的唯一的帧地址，以实现多个节目流的识别。

为适应不同应用，共定义了三种帧头模式，分别为PN420、PN595、PN945。其中PN420与PN945用于多载波模式，发送功率比帧体信号功率增强了一倍，有助于提高信道估计的可靠性。其帧头结构具有相似性，均由前同步、码长为N的PN序列和后同步构成(参见表1)。

表1

其中PN序列定义为由n阶本原多项式生成长度为N＝2ⁿ-1的序列，可由一个LFSR(线性反馈移位寄存器)实现。LFSR的初始条件确定所产生的PN序列的相位。前同步和后同步定义为PN序列的循环扩展，具体结构如图3、4所示。其中，图3是码长为255的PN序列，用于PN420帧头模式中，图4是码长为511的PN序列，用于PN945帧头模式中。

假设传播信道中存在L径(多径最大时延扩展小于码长周期为N的PN序列的前同步与后同步总时长)：h＝[h₀，h₁...，h_N-1]^T。h_l为延迟l个码片的路径的复值增益，且{h_l＝0|L≤l≤N-1}。符号[]^T表示转置。则接收信号r为：

$r=h\⊗s+n=\underset{l=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{h}_l{s}_{k-l}+n_k$ (公式1)

其中，s为发送的PN序列信号，n为均值为零、方差为σ²的加性复高斯噪声。

假定传播信道在一个DTMB信号帧内为时不变信道。在本发明的实施方式中，利用周期PN序列可以转化为沃尔什码的特性，提出了通过FWT快速实现DTMB系统多径捕获的方法。利用FWT实现多径捕获，分为两个步骤来进行，分别为PN序列的匹配相关步骤和干扰抵消步骤(结合图1所示)。

PN序列的匹配相关步骤的结果与用滑窗相关法实现信道估计的方法完全等价，其实现的过程是：

粗同步后，将长度为N的循环卷接收信号列矢量序列r，经过置换矩阵P1，FWT，置换矩阵P2作用后，转换为干扰抵消前的时域信道冲激响应序列

$\tilde{h}=P2\·W_{2^n}\·P1\·r^{\′}$ (公式2)

其中，r′＝[0，r^T]^T，置换矩阵P1和P2均为固定的2ⁿ阶初等变换阵，

是2ⁿ阶沃尔什变换矩阵。PN序列参考位置由n阶本原多项式和初始相位决定，其周期N为2ⁿ-1，根据其循环特性，向左移位，生成N-1行新序列，形成大小为N×N的矩阵。在此基础上在第0行和第0列的位置添加新的一行和一列全零的数据，使其形成大小为(N+1)×(N+1)的变换矩阵。对每行的前n个比特进行倒序，生成新的序号，置换矩阵P1即由序号的对应关系决定，具体生成方式如图3和图4。置换矩阵P2则由经过置换矩阵P1置换后的序列与沃尔什变换矩阵的对应关系决定。

通过置换矩阵P1，对补0后的信号r′进行行变换，将伪随机序列转换为具有沃尔什码(Walsh Code)特性的序列x。

将置换后的序列x与2ⁿ阶沃尔什变换矩阵相乘，获得冲激响应h_I及其相对索引位置I_l。典型的FWT可以通过蝶形运算，非常高效地完成FWT，把复杂度降低到(N+1)log₂(N+1)次加减运算。以8点的FWT为例，其FWT的运算流程如图2所示，相应的，256和512点FWT依次类推。

置换矩阵P2，则是对h_I进行行变换，确定干扰抵消前的时域信道冲激响应序列

其中

的复值增益不变，只是相对索引位置变换I_l变换为多径信道相应的延时l。根据事先设定的阈值Q(对于PN序列周期较长情形，通常取比底噪高10～20dB)，可以判断出强径的数目S和相应的干扰抵消前的时域信道冲激响应序列

的分量

干扰抵消步骤将使信道估计的性能进一步得到提升，其实现的过程是：

在理想情形下，当仅存在一个增益为h的径时，由PN序列的循环自相关特性易知，最大相关值为Nh，最小值则为-h。当存在多径时，各径之间由于PN序列的非完全正交性，存在相互干扰。各强径的干扰分量

和干扰抵消后的信道冲激响应序列h的分量

可通过公式3、4得到：

$\underset{i=0}{\overset{S-1}{\mathrm{\Σ}}}{\tilde{h}}_{s_i}=(N-S+1)\underset{i=0}{\overset{S-1}{\mathrm{\Σ}}}{h}_{s_i}$ (公式3)

$h_{s_i}=\frac{{\tilde{h}}_{s_i}+\underset{j=0}{\overset{S-1}{\mathrm{\Σ}}}{h}_{s_j}}{N+1}$ (公式4)

将(公式3)代入(公式4)，有

$h_{s_i}=\frac{1}{N+1}({\tilde{h}}_{s_i}+\frac{\underset{j=0}{\overset{S-1}{\mathrm{\Σ}}}{\tilde{h}}_{s_j}}{N-S+1})$

其他各径冲激响应复值增益均可通过加各强径的干扰分量

将干扰全部抵消，得到干扰抵消后的信道冲激响应序列h及其信道传输函数H(ω)。

本发明所述方法，仅是以DTMB系统为例进行阐述，绝不用来限制本发明。只要是利用周期PN序列进行匹配相关的系统，都可使用该方法，当然也在保护范围之内，任何在不改变本发明精神前提下的变通、修改都应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种DTMB系统中利用快速沃尔什变换FWT实现快速信道估计的方法，其特征在于：利用FWT实现多径捕获，包括如下步骤：

1)PN序列的匹配相关

a)将长度为N的循环卷接收信号列矢量序列r，经过置换矩阵P1，FWT，置换矩阵P2作用后，转换为干扰抵消前的时域信道冲激响应序列

实现的公式如下：

$\tilde{h}=P2\·W_{2^n}\·P1\·r^{\′}$

其中，r′＝[0，r^T]^T，置换矩阵P1和P2均为固定的2ⁿ阶初等变换阵，

是2ⁿ阶沃尔什变换矩阵，沃尔什变换矩阵所有矩阵元素都由1或-1组成，且N＝2ⁿ-1；置换矩阵P1由序号的对应关系决定；置换矩阵P2则由经过置换矩阵P1置换后的序列与沃尔什变换矩阵的对应关系决定；

b)根据设定的阈值Q，确定强径的数目S和相应的干扰抵消前的时域信道冲激响应序列

的分量

2)干扰抵消

计算各强径的干扰分量

各强径冲激响应复值增益均通过加各强径的干扰分量将干扰全部抵消，得到干扰抵消后的信道冲激响应序列h及其信道传输函数H(ω)。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：置换矩阵P1对补0后的信号r′进行行变换，将伪随机序列转换为具有沃尔什码特性的序列x；将置换后的序列x与2ⁿ阶沃尔什变换矩阵相乘，获得冲激响应h_I及其相对索引位置I_l；

置换矩阵P2，则是对h_I进行行变换，确定干扰抵消前的时域时域信道冲激响应序列其中的复值增益不变。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述各强径的干扰分量

按如下公式计算：

$\underset{i=0}{\overset{S-1}{\mathrm{\Σ}}}{\tilde{h}}_{s_i}=(N-S+1)\underset{i=0}{\overset{S-1}{\mathrm{\Σ}}}{h}_{s_i}$

其中：N为PN序列的码长，S为强径的数目，

为干扰抵消后的信道冲激响应序列h的分量。

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