CN101345726B

CN101345726B - 减少存储空间的信道估计方法

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Publication number: CN101345726B
Application number: CN2007101305280A
Authority: CN
Inventors: 陈宇
Original assignee: Ali Corp
Current assignee: Ali Corp
Priority date: 2007-07-11
Filing date: 2007-07-11
Publication date: 2011-09-07
Anticipated expiration: 2027-07-11
Also published as: CN101345726A

Abstract

本发明公开了一种减少存储空间的信道估计方法，为克服一般技术中的正交频分复用(OFDM)系统因为信道的复杂性在信道估计算法使用了大量的存储空间的缺点，本发明主要应用于时不变信道(Time-Invariance Channel)和慢时变信道(Slow Time-Variance Channel)情况下的信道估计，让时域上的码元值使用前一个码元上的有效数据子载波的值，以此节省运算时的存储空间，除了能保有信道估计算法的性能，且同时减小算法的复杂性和降低接收机的成本。

Description

减少存储空间的信道估计方法

技术领域

本发明涉及一种减少存储空间的信道估计方法，特别是涉及一种将有效数据子载波的值复制为前一个码元导频位置上的值，以节省信道估计的运算时间，并能减少所使用的存储空间的信道估计方法。

背景技术

正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)是一种无线环境下的高速传输技术，适合在多径传播和都卜勒频移(DopplerShift)的无线移动信道中传输高速数据。它能有效对抗多径效应，消除码元间干扰，对抗频率选择性衰落(Frequency-Selection Fading)，而且信道利用率高。正交频分复用技术先后被欧洲数字音频广播(DAB)、欧洲数字视频广播(DVB)、IEEE802.11无线局域网等系统采用。

上述具有高效数据传输的正交频分复用技术原理上是在频域(frequencydomain)内将给定信道分成许多正交子信道(sub-channel)，在每个子信道上使用一个子载波进行调制(modulation)，并且各子载波并行传输。但是，整个信道并非是平坦的，故具有频率选择性，但是因为频带较窄，每个子信道是相对平坦的，在每个子信道上进行的是窄带传输，故信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子载波经过信道后就不会产生失真，这样整个信号经过信道后仍可保持原形。正交频分复用技术相对于一般的多载波传输的不同之处是它允许子载波频谱部分重叠，只要满足子载波间相互正交，则可以从混叠的子载波上分离(解调)出数据信号。由于正交频分复用技术允许子载波频谱混叠，其频谱效率大大提高，是一种高效的调制方式。

其中，当上述的调制信号通过无线信道到达接收端时，由于信道多径效应带来的码间串扰的作用(Inter-Symbol Interference，因信道频率特性不理想引起波形畸变，从而导致实际抽样判决值是本码元脉冲波形的值与其它所有脉冲波形拖尾的叠加，并在接收端造成判决困难的现象叫码间串扰)，此时，将使子载波之间不再保持良好的正交状态，因而在发送前需要在各码元间插入保护间隔，如果保护间隔大于最大时延扩展(time-delay extension)，则所有时延小于保护间隔的多径信号将不会延伸到下一个码元期间，从而有效的消除了码间串扰。

公知技术如图1所示的正交频分复用解调(demodulation)系统架构图，此架构包括模拟数字转换单元(ADC)101、正交检波单元(quadraturedetector)102、快速傅立叶转换模块(FFT)103、数据解调单元(datademodulator)104与码元时序同步单元(symbol timing synchronizer)111等。此系统运行时，有一正交频分复用信号传送进来，将由一调谐器(tuner，图中未示)接收，在天线接收该模拟的正交频分复用信号后，经此调谐器调频，由高频降为低中频等，由此产生的连续信号(serial)由模拟数字转换单元101取样后，转换为数字信号。

接着由正交检波单元102接收经转换的数字信号，将之执行正交化，将信号转换为基频(baseband)信号，若在一般用于数字电视接收器(DVB-T)的正交频分复用通信系统中，即利用在频带(band)内输入的数笔数据，将其分为数个正交(orthogonal)的正交频分复用信号。上述的基频信号同时转送到快速傅立叶转换模块(FFT)103与码元时序同步单元111，其中码元时序同步单元111检测基频信号的码元时序(symbol timing)，使快速傅立叶转换模块103依据其检测结果将有效的码元撷取出来，经快速傅立叶转换后，由时域(time domain)信号转换至频域(frequency domain)信号，并由数据解调单元104将基频信号解调(demodulate)为数个子载波(subcarriers)，以重制所传递的信号。

如上图所示的正交频分复用解调系统，当时域信号通过快速傅立叶转换模块103实现串行(serial)到平行(parallel)转换为频域信号之后，一般都是直接进行同步(synchronization)、相位噪声消除和信道估计(channelestimation)。

在信号传输时，每个子载波的幅度和相位都会由于载波频偏、定时偏移及频率选择性衰落等因素的影响而随机变化，在时域及频域引起衰落，由此产生码间干扰。因此，上述信道估计所要解决的问题是通过信道估计方法在接收端检测出信号在信道传输时所产生的多径衰落(multi-path fading)，以便更准确的进行信号的解调工作。

公知技术中，针对信道估计的方法是利用分散导频(scatter pilot)的已知性、功率提升特性和其特有的放置样式进行信道估计的，利用分散导频进行其相应位置上子信道的估计，然后在时域和频域两个方向分别进行插值滤波，最后得到最终的信道估计结果，请参考图2所示数字电视接收器系统中分散导频放置样式的示意图。

信道估计算法是在频域完成的，由于时域卷积(Convolution)频域相乘的特性，可以得到如公式一所示的信道估计模块的输入值Y(k)：

Y(k)＝H(k)·X(k)+I(k)+N(k) k＝0，1...N-1

-------------------------------公式一；

其中，X(k)表示发射端数据和导频，H(k)为要求得的信道估计值，I(k)与N(k)为干扰项，k为子载波位置，N表示子载波数，利用公式一可得到分散导频位置上的子信道估计结果，即：

{\hat{H}}_{p} = \frac{Y_{p}}{X_{p}} = H_{p} + \frac{I_{k}}{X_{p}} + \frac{N_{k}}{X_{k}}

由于信道的时域与频域的独立性，使得有效数据位置上的子信道估计可由时域、频域的二维插值滤波转为分别对时域和频域一维插值滤波而获得。在得到导频信号位置的信道估计值后，数据位置的信道响应(channel response)则能通过相邻导频信号的信道响应内插(Interpolation)获得。

首先是时域方向的插值滤波，由于时域方向上的插值滤波需要存储些许码元数据，所需的码元个数是由插值方法而定的，这里体现了信道估计算法的复杂性和成本，因为它需要大量的存储空间来存储码元数据。出于算法简单和性能上的考虑，目前的信道估计算法中，时域方向的插值滤波方法为线性插值，从图2所示的分散导频放置样式可以看到，至少需要存储4个完整的码元才能完成线性插值滤波。完成线性插值滤波后，再进行频域方向上的插值滤波，它一般是使用低通FIR(Finite Impulse Response)滤波器。

在现有的大部分正交频分复用系统中，一部分子载波上载有导频信息用来估计信道，由于信道的复杂性，公知的信道估计算法使用了大量的存储空间，虽然保证了信道估计算法的性能但同时它又增加了其算法的复杂性和接收机(receiver)的成本，因此，应在信道估计算法不失性能而又能降低其复杂性和接收机成本方面做出相应的处理。

发明内容

本发明的目的在于提供一种减少存储空间的信道估计方法，来克服公知的正交频分复用系统由于信道的复杂性在信道估计算法使用了大量的存储空间的缺点，其除了可减少存储空间的使用，更能在时不变信道(Time-InvarianceChannel)和慢时变信道(Slow Time-Variance Channel)情况下仍保有信道估计算法的性能，且同时减少算法的复杂性和接收机的成本。

为了实现上述目的，本发明提供了一种减少存储空间的信道估计方法，包括先由一正交频分复用通信系统通过接收器接收信息，接着再进行模拟数字转换，将接收信息转换为数字信息，在传输信道中，信息可区分为子载波(频域中)与特定的时隙(时域中)，因此每一个信息则可简单由码元表示，信号在时域与频域呈现为二维的架构，接着，检测此正交频分复用通信系统中各码元的开始样本，并通过正交频分复用通信系统中的傅利叶转换(FFT)模块对各码元数据进行傅利叶转换，再将输出的码元储存至存储媒体中。

特别在此存储步骤中将目前的码元的有效数据子载波的值复制为前一个码元的分散导频位置上的值，之后利用时域与频域的相关性执行信道估计，再根据估计的结果执行均衡运算，以补偿各信号失真的部分。

本发明所提出的减少存储空间的信道估计方法主要是应用于时不变信道和慢时变信道的情况下，此时，各码元的有效数据子载波的值可以使用前一个码元的相应位置上的值来代替，借以节省一个完整码元的存储空间，来克服公知的正交频分复用系统由于信道的复杂性在信道估计算法使用了大量的存储空间的缺点，同时减少算法的复杂性和接收机的成本。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1所示为公知技术的正交频分复用(OFDM)解调系统架构图；

图2所示为公知技术数字电视接收器(DVB-T)系统中分散导频放置样式的示意图；

图3所示为本发明所应用的数字电视接收器系统中分散导频放置样式的示意图；

图4显示为正交频分复用通信系统接收数据时在时域中分布的一段数据示意图；

图5为本发明信道估计方法的实施例的流程图；

图6为本发明信道估计方法的主要流程图。

其中，附图标记：

模拟数字转换单元 101

正交检波单元 102

快速傅立叶转换模块 103

数据调制单元 104

码元时序同步单元 111

间隔 d1，d2

码元 a，b，c，d

具体实施方式

本发明为一种减少存储空间的信道估计方法，其主要是应用于时不变信道(Time-Invariance Channel)和慢时变信道(Slow Time-Variance Channel)的情况下，此时，因为在时域上的各码元前后两个的码元(symbol)的信道特征是不变或变化很小，因此在各码元的有效数据子载波的值就可以使用前一个码元的导频位置上的值来代替，这样本发明可以节省一个完整码元的存储空间。

上述公知的线性插值滤波方法至少需要存储4个完整的码元，这样累积起来就需要大量的存储空间，但是本发明由图2或图3所示的数字电视接收器系统中分散导频放置样式得知，分散导频(图中黑点)规律的分布于图中二维的时域与频域位置上，且为系统中已知的位置。

在正交频分复用系统中，所输入的信号由调谐器(通过天线)进入系统，并经模拟数字转换(ADC)，之后在此系统中填入表达各子载波数据的码元，之后在各码元间插入导频码元(pilot symbol)进行信道估计，形成图3本发明所应用的数字电视接收器系统中分散导频的放置样式，各码元表达各子载波的数据，在频域所在的横轴上可知，以12个码元为周期规律的分布于此系统中(此例中如图中间隔d1)，每隔12个就有一个由导频(分散导频)信息调制的子载波。接着，此导频的位置将随时间位移，此例为位移跳过了三个位置，此系统则显示规律的以4为单位重复形成此样式，如图中所显示的间隔d2。

之后，各码元所表达的子载波数据将通过快速傅利叶转换(FFT)进行解调，将其中信息解调出来，期间本发明即将所撷取其中的分散导频进行信道估计，估计该输入信号的干扰量与信道特性，并接着进行均衡(equalize)运算以校正信号数据，并经译码后输出。

在上述进行信道估计的运算时，各码元需使用到存储空间，本发明即在时不变信道和慢时变信道的情况下进行信道估计，前后两个的码元的信道特征是不变或变化很小，故各码元间在时域上是不变化或是差异不大，本发明即利用此一特性，将图3中的码元(b)的有效数据子载波的值复制前一个码元(a)导频位置上的值，以此节省一次使用内插的方式进行码元(b)信道估计的运算时间，更能减少所使用的存储空间。尤其是在数字电视接收器系统中，每个码元承载有8K的数据量，故在时域上，每次将储存4个8K的数据量，如果借复制码元来进行估计时，则能减少一个8K的储存量。

接着，本发明在频域上的插值滤波则可通过一低通滤波器进行，而在时域上，则如上述利用码元间的复制产生线性插值滤波的效果，并能减少至少一次的插值运算时间。

一般标准信道估计的顺序是先分别存储目前码元的前三个码元的分散导频值(如图3所示的码元(a))和目前及其后三个码元(如图3所示的码元(b，c，d))的所有数据值，接着进行时域上的插值滤波(interpolation)，再进行频域上的插值滤波运算。如此步骤一共存储了3个码元的分散导频值和4个完整的码元值至存储媒体中。

图4显示为正交频分复用通信系统接收数据时在时域中分布的一段数据，例如在8K模式，每4笔数据则有1个分散导频，正交频分复用通信系统的接收机则根据此分散导频进行信道估计。其中一个码元共有(1+1/4)*8K的值。在图中的时间坐标上的时间t是指t时刻收到的码元，此为目前需要估计的码元(即为“估计目标”)，而时间t-3，t-2与t-1分别表示目前这码元前面第三个、第二个与第一个的码元，而时间t+1，t+2与t+3分别是目前这码元的后面第一个、第二个与第三个码元。在此例中，本发明的信道估计方法则通过复制码元的方式减少一个8K的储存量。比起前述存储了3个码元的分散导频值和4个完整的码元值至存储媒体的公知技术，即省掉了目前码元(时间t)的后面第三个码元(即为“省去的”)。

本发明所揭露的信道估计方法的一较佳实施例在时域上的插值运算流程如图5所示。

其中步骤中所提到的码元是分布在时域上的一段数据，目前要进行信道估计的码元显示如图4时间t的码元，开始时，应决定一个目前要进行估计的码元值(时间t)，将此时间t的码元的前三个码元的分散导频储存至存储媒体中，即储存时间(t-3，t-2，t-1)的码元的分散导频(步骤S501)，接着，储存目前要进行估计的码元值，与其之后两个码元的数据，即储存时间(t，t+1，t+2)的码元(步骤S503)。

接着，针对上述目前要进行估计的码元的前后第二个码元(即时间t-2，t+2的码元)的分散导频进行插值运算(步骤S505)，并对要估计的码元之前第三个码元与之后第一个码元(即时间t-3，t+1的码元)的分散导频进行插值运算(步骤S507)，之后将前第一个码元(时间t-1)的分散导频复制为目前要进行信道估计的码元(步骤S509)，如此可减少一个8K的储存量，与减少一次的插值运算时间。

图6所示为本发明的较佳实施例流程图，本发明有关在正交频分复用系统中的信道估计方法，如应用于移动通信系统与无线基地台之间的信息传递，在系统中将被转换与传递的信息回复为原来所接收的信息。开始时即由通信装置与基地台当中的正交频分复用通信系统通过接收器接收信息(步骤S601)，接着再进行模拟数字转换，将接收信息转换为数字信息(步骤S603)，在传输过程中，将全频宽的信息切割为数个载有信息的子载波，在传输信道中，信息可区分为子载波(频域中)与特定的时隙(timeslot，时域中)，因此每一个信息则可简单由码元表示，在此正交频分复用系统中，插入连续码元和分散导频，信号在时域与频域呈现为二维(时间—频率)的架构，每个码元承载不同子载波信息。

接着，步骤进行检测此正交频分复用通信系统中各码元的开始样本，在此检测步骤中，从模拟数字转换后的码元样本中进行检测，并将此开始样本(码元)输出至傅利叶转换模块中(步骤S605)。接着，通过正交频分复用通信系统中的傅利叶转换(FFT)模块对各码元数据进行傅利叶转换(步骤S607)，再将经过FFT转换后输出的码元储存至存储媒体中(步骤S609)。

本发明特别在此存储步骤中将目前的码元的有效数据子载波的值复制为前一个码元导频(或分散导频)位置上的值(步骤S611)，借此减少一次的运算与其演算复杂度，并且能减少存储空间。

接着，正交频分复用通信系统借储存于存储媒体中的各码元值同时利用信道的时域与频域的相关性执行信道估计(步骤S613)，信道估计时，将进行插值运算，先时间方向而后频域方向。最后，再传送到执行均衡运算的模块中，根据估计的结果执行均衡运算，以补偿各信号失真的部分(步骤S615)。

上述技术在一实验中，其性能在时不变信道下并无任何改变或是损失，而在慢时变信道情况下则相差0.1至0.2dB，并无太大的损失，而其存储空间比公知的算法下降了大约20％。

综上所述，本发明所揭露的减少存储空间的信道估计方法，在时不变信道和慢时变信道的实施状态下，利用各码元间不变或是变化很小的特征，通过码元的取代方式节省了进行信道估计时所使用的存储空间。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims

1.一种减少存储空间的信道估计方法，其特征在于，所述的方法包括有：

一正交频分复用通信系统通过一接收器接收信息；

将该信息进行模拟数字转换；

检测该正交频分复用通信系统中各码元的一开始样本；

将该开始样本进行傅利叶转换；

储存该经过该傅利叶转换后输出的码元；

将一目前进行信道估计的码元的有效数据复制为前一个分散导频位置上的值；以及

执行信道估计运算；

借上述复制的步骤减少一次信道估计的运算，并且能减少存储空间。

2.根据权利要求1所述的减少存储空间的信道估计方法，其特征在于，所述的方法应用于各码元承载有8K的数据量的数字电视接收器系统中。

3.根据权利要求1所述的减少存储空间的信道估计方法，其特征在于，在该正交频分复用通信系统中，插入连续码元和分散导频，该连续码元在时域与频域上呈现一二维的架构，并且各码元承载不同子载波信息。

4.根据权利要求3所述的减少存储空间的信道估计方法，其特征在于，其中利用该时域与频域的相关性，该正交频分复用通信系统借储存于一存储媒体中的各码元值对各信道的属性执行信道估计运算。

5.根据权利要求1所述的减少存储空间的信道估计方法，其特征在于，在执行信道估计运算步骤后，将各码元执行一均衡运算，以补偿各码元失真的部分。

6.根据权利要求1所述的减少存储空间的信道估计方法，其特征在于，所述的正交频分复用通信系统为一时不变信道的系统。

7.根据权利要求1所述的减少存储空间的信道估计方法，其特征在于，所述的正交频分复用通信系统为一慢时变信道的系统。

8.一种减少存储空间的信道估计方法，应用于正交频分复用通信系统中，其特征在于，所述的方法包括有：

决定一目前要进行估计的码元值；

将该目前要进行估计的码元的前三个码元的分散导频储存至一存储媒体中；

储存该目前要进行估计的码元值与之后两个码元的数据；

针对该目前要进行估计的码元之前后第二个码元的分散导频进行插值运算；

针对该目前要进行估计的码元之前第三个码元与之后第一个码元的分散导频进行插值运算；以及

将该目前要进行估计的码元之前第一个码元的分散导频复制为该目前要进行信道估计的码元；

借此可减少一个8K的储存量，与减少一次的插值运算时间。

9.根据权利要求8所述的减少存储空间的信道估计方法，其特征在于，所述的正交频分复用通信系统为一时不变信道的系统或为一慢时变信道的系统。

10.根据权利要求8所述的减少存储空间的信道估计方法，其特征在于，所述的方法应用于各码元承载有8K的数据量的数字电视接收器系统中。