CN103297362B - 一种基于误差更新的信道估计系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于误差更新的信道估计系统及方法，其将接收的时域信号变换到频域后得到频域信号，利用已经估计的频域信道响应，对该信号进行均衡，得到均衡后的数据；对均衡后的数据进行判决得到判决值，若均衡后的数据由已知数据经过信道构造，则判决值为已知数据；基于上述信号、已估计的信道响应以及判决值，得到该已估计的响应与真实信道响应的估计误差；将该估计误差经过环路滤波，环路累加，其输出作为下一次均衡所用的信道响应；本发明由于采用环路误差更新的方式进行信道估计，因此信道估计结果对噪声存在更大的冗余度；由于采用环路误差更新的方式进行信道估计，其可以更加准确地估计出信道响应，或者有更小的信道估计误差。

Description

一种基于误差更新的信道估计系统及方法

技术领域

本发明涉及无线或者有线通信中终端中均衡器的设计，尤其是指其中的信道估计系统。

背景技术

近年来，在现代无线通信系统中，为了应对一些复杂的多径信道对数据的影响，以及为了简化接收机芯片的设计，人们通常采用的信号模型常常是多载波-OFDM的模型，因为这样，复杂的时域均衡器就可以采用单抽头的频域均衡器来实现，大大简化了接收机的设计。

在这种情况下，对信道的精确估计就变得非常重要，它直接决定了每一个载波的均衡性能。

然而，现有的频域信道估计技术多集中于一次性估计，即通过接收的数据进行FFT变换；利用之前估计的信道响应，可以得到均衡后的数据，进而可以估计新的信道响应，然后用这个信道响应作为下一次数据的信道响应。

这种系统的最大问题是：算法对噪声的容忍度较差，由于每一次估计中引入的噪声直接成为信道估计的一部分。

综上所述，为了避免上述情形，提高对噪声的容忍度，一种新的基于误差更新的信道估计系统的发明是势在必行的。

发明内容

本发明的目的是解决如下技术问题：现有的信道估计技术对噪声的容忍度较差，由于每一次估计中引入的噪声直接成为信道估计的一部分。

针对上述技术问题，本发明提出了一种在无线或者有线中的信道估计系统，一种基于每次信道估计的误差来更新信道响应。

为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：

一种基于误差更新的信道估计方法，其包括：

将接收的时域信号变换到频域后得到频域信号，利用已经估计的频域信道响应，对该信号进行均衡，得到均衡后的数据；

对均衡后的数据进行判决得到判决值，若均衡后的数据由已知数据经过信道构造，则判决值为已知数据；

基于上述信号、已估计的信道响应以及判决值，得到该已估计的响应与真实信道响应的估计误差；

将该估计误差经过环路滤波，环路累加，其输出作为下一次信号均衡所用的信道响应。

其还包括：

对判决值选择性做时频变换处理,得到该判决值的时域或频域表示;得到该已估计的响应与真实信道响应的估计误差则基于所述信号、已估计的信道响应以及判决值的时域或频域表示；

对信道响应与上述对应的选择性做时频变换处理,得到频域信道响应。

一种基于误差更新的信道估计方法，其特征在于，其包括：

将接收的时域信号变换到频域得到频域信号，利用已经估计的频域信道响应，对该频域信号进行均衡，得到均衡后的数据；

对均衡后的数据变换到时域进行判决得到判决值，若均衡的时域信号由已知数据经过信道构造，则判决值为已知数据；

基于上述时域信号、已估计的时域信道响应以及判决值，得到该已估计的时域响应与真实时域信道响应的时域估计误差；

将时域估计误差经过环路滤波，环路累加，延时，其输出变换到频域，作为下一次频域信号均衡所用的频域信道响应。

一种基于误差更新的信道估计方法，其包括：

将接收的时域信号变换到频域得到频域信号，利用已经估计的频域信道响应，对该频域信号进行均衡，得到均衡后的数据；

对均衡后的数据进行判决得到判决值，若均衡的频域信号由已知数据经过信道构造，则判决值为已知数据；

基于上述频域信号、已估计的频域信道响应以及判决值，得到该已估计的频域响应与真实频域信道响应的频域估计误差；

将频域估计误差经过噪声处理，环路滤波，环路累加，延时，其输出作为下一次频域信号均衡所用的频域信道响应。

所述系统根据每次信道估计的频域估计误差来对已经估计的信道响应更新，作为新的信道响应。

每次的信道估计的频域估计误差通过以下方式实现：首先计算已估计的频域信道响应与判决值的积，然后计算频域信号与该积的差值，最后该差值与判决值进行运算，结果即是信道估计的频域估计误差。

差值与判决值的运算可以通过如下方式实现：差值与判决值进行共轭相乘或用差值除以判决值。

每次的信道估计的频域估计误差可以通过以下方式实现：首先计算频域信号除以判决值的值，然后减去已估计的频域信道响应，结果即是信道估计的频域估计误差。

所述的噪声处理通过如下方式实现：用低通滤波器对频域估计误差进行滤波或者首先对频域估计误差变换到时域，然后对其施加权值序列，最后变换到频域。

所述的权值序列根据时域信道响应与噪声门限的比值确定；或，该权值序列根据时域信道响应的能量与时域信道能量和噪声方差之和的比值确定。

所述环路滤波器是对用低通滤波器对频域估计误差进行滤波后的输出进行滤波；或者是对施加权值序列后的输出进行滤波；或者是对最后变换到频域的输出进行滤波。

所述环路累加是对环路滤后的输出被一个加权系数加权后的值进行累加，所述加权的系数由信道的变化确定。

一种基于误差更新的信道估计系统，其包括：

FFT模块：将接收的时域信号变换到频域得到频域信号，

单抽头均衡器：利用已经估计的频域信道响应，对该频域信号进行均衡，得到均衡后的数据；

判决器：对均衡后的数据进行判决得到判决值，若均衡的信号由已知数据经过信道构造，则判决值为已知数据；

误差计算模块：基于上述信号、已估计的信道响应以及判决值，得到该已估计的信道响应与真实信道响应的估计误差；

抽头更新模块：将估计误差经过噪声处理模块，环路滤波模块，环路累加模块以及延时器，其输出作为下一次均衡所用的信道响应。

所述系统根据每次信道估计的估计误差来对已经估计的信道响应更新，作为新的信道响应。

每次的信道估计的频域估计误差通过以下方式实现：首先计算已估计的频域信道响应与判决值的积，然后计算频域信号与该积的差值，最后该差值与判决值进行运算，结果即是信道估计的频域估计误差；或者，首先计算频域信号除以判决值的值，然后减去已估计的频域信道响应，结果即是信道估计的频域估计误差。

差值与判决值的运算通过如下方式实现：差值与判决值进行共轭相乘或用差值除以判决值。

所述噪声处理模块用低通滤波器对频域估计误差进行滤波或者首先对频域估计误差变换到时域，然后对其施加权值序列，最后变换到频域。

所述的权值序列根据时域信道响应与噪声门限的比值确定；或，该权值序列根据时域信道响应的能量与时域信道能量和噪声方差之和的比值确定。

所述环路滤波器是对用低通滤波器对频域估计误差进行滤波后的输出进行滤波；或者是对施加权值序列后的输出进行滤波；或者是对最后变换到频域的输出进行滤波。

所述环路累加是对环路滤后的输出被一个加权系数加权后的值进行累加，所述加权的系数由信道的变化确定。

与背景技术相比，本发明获得的有益效果：

1：由于采用环路误差更新的方式进行信道估计，因此信道估计结果对噪声存在更大的冗余度。

2：由于采用环路误差更新的方式进行信道估计，其可以更加准确地估计出信道响应，或者有更小的信道估计误差。

附图说明：

通过以下对本发明的实施例结合其附图的描述，可以进一步理解其发明的目的、具体结构特征和优点。其中，附图为：

图1是：本发明信道估计系统的整体架构示意图。

图2是：本发明信道估计系统的频域处理方式的整体架构示意图。

图3是：本发明误差计算模块方式1的示意图。

图4是：本发明误差计算模块方式2的示意图。

图5是：本发明误差计算模块方式3的示意图。

图6是：本发明载波间滤波器的架构示意图。

图7是：本发明信道估计系统的时域处理方式的整体架构示意图。

具体实施方式：

下面结合附图中的实例对本发明作进一步的描述。

本发明的原理是通过在最小化每次信道估计的误差来实现的。具体的措施就是估计每次信道估计偏差带来的误差，并用该误差的函数来更新信道响应。实现的方式是类似于锁相环，而关键的部分是提取每次信道估计的相关误差，并更新信道响应。

如图1-6所示，具体实施方式一的步骤如下：

首先假设系统已经通过某种方式获得了系统的某种初始信道响应的估计h⁰，通过FFT变换，可以获得其频域信道响应的初始估计：

${\tilde{H}}^0=\mathrm{FFT}\left\{{\tilde{h}}^0\right\}---\left(1\right)$

这里，用表示第0帧，第k个子载波。然后，假设接收的已经构造好的循环帧信号为r^l，其表示第l帧信号，l=[01L∞]，该信号是从接收数据中构造的循环帧结构信号。对该信号进行FFT变换，得到变换到频域的信号R^l

R^l=FFT{r^l} (2)

这里，用表示第l帧，第k个子载波。开始的时候通过初始的频域信道估计对第0帧频域信号进行单抽头均衡，获得了初始均衡后的信号

l=[01...∞]：

${\tilde{X}}_k^0=\frac{R_k^0}{{\tilde{H}}_k^0}---\left(3\right)$

然后，对该均衡后的信号通过判决器，可以获得判决后的频域信号

${\hat{X}}_k^0=\mathrm{slice}\left({\hat{X}}_k^0\right)---\left(4\right)$

假如，该频域信号是由已知训练数据通过信道响应构造的，例如ofdm系统的导频，WiMAX系统的前缀。这种情况下得判决后的频域信号就是已知的频域数据。在这种情况下，初始的信道估计是不需要的。

通过上述的频域信号，信道响应，判决值，可以获得以下频域估计误差的如下几种表达形式：

$\mathrm{\Δ}{\tilde{H}}_k^l=(R_k^l-{\tilde{H}}_k^l{\hat{X}}_k^l){\hat{X}}_k^{l,*}---\left(5\right)$

$\mathrm{\Δ}{\tilde{H}}_k^l=\frac{R_k^l-{\tilde{H}}_k^l{\hat{X}}_k^l}{{\hat{X}}_k^l}---\left(6\right)$

$\mathrm{\Δ}{\tilde{H}}_k^l=\frac{R_k^l}{{\hat{X}}_k^l}-{\tilde{H}}_k^l---\left(7\right)$

对表达式(5)而言，其估计的实际上是真实偏差经过频域的的加权。如果在频域去除此加权，即是(6)或者(7)的表达式。

由于是含有噪声的，为了获得更佳的性能，进一步提高估计的准确定，最好要对其进行抑制噪声处理，当然，在某些情况下，例如，对性能要求低、对估计的准确度要求不高的前提下，该步骤可以省略。具体的方法可以有以下两种方式：首先是对获得的信道估计误差进行频域滤波。所述频域滤波的方法根据实现复杂度可以有以下几种方法：

根据时域信道估计的形状确定滤波器的表达式f，然后用此f对进行滤波： $\mathrm{\Δ}{\hat{H}}_k^l=\mathrm{Filter}(f,\{\mathrm{\Δ}{\tilde{H}}_k^l\left\}\right)--\left(8\right)$

抑制噪声处理的另外一种方法可以在时域实现，这主要利用信道时域响应的稀疏性。首先对做IFFT变换：

$\mathrm{\Δ}{\tilde{h}}^l=\mathrm{IFFT}\left(\mathrm{\Δ}{\tilde{H}}^l\right)---\left(9\right)$

然后将矢量与另一个矢量点乘，即：

$\mathrm{\Δ}{\hat{h}}_n^l=\mathrm{\Δ}{\tilde{h}}_n^l{g}_n^l---\left(10\right)$

这里矢量可以通过如下方式构造，根据估计的噪声门限，确定时域信道响应的能量与噪声能量的比值，如果大于某一个设定的门限，则否则

除此之外可以直接确定的取值：

$g_n^l=\frac{{\tilde{h}}_n^l{\tilde{h}}_n^{l,*}}{{\tilde{h}}_n^l{\tilde{h}}_n^{l,*}+{\mathrm{\σ}}^2}---\left(11\right)$

这里σ²为估计的噪声方差。

然后对获取的做FFT变换，获得其频域估计误差的消噪形式。

$\mathrm{\Δ}{\hat{H}}^l=\mathrm{FFT}\left(\mathrm{\Δ}{\tilde{h}}^l\right).---\left(12\right)$

如上文所述，对表达式(5)而言，其估计的实际上是真实偏差经过频域的的加权。这个加权也可以在时域去除，具体做法就是首先获得序列的变换

$t^l=\mathrm{IFFT}{(\left[\begin{array}{cccc}{\hat{X}}_0^l{\hat{X}}_0^{l,*}& {\hat{X}}_0^l{\hat{X}}_0^{l,*}& ...& {\hat{X}}_0^l{\hat{X}}_0^{l,*}\end{array}\right]}^T)---\left(13\right)$

然后根据系统实现复杂度，取矢量t^l的几个主分量部分，构造一个时域归一化滤波器，以此构造其时域归一化逆滤波器，然后用此时域归一化逆滤波器对滤波即可。

为了更好的消除信道估计误差的噪声，这里构造了一个类似于锁相环的环路，通过一个环路滤波器的方式来抑制环路噪声。

环路滤波器可以通过设计低通滤波器或者积分衰落滤波器。环路滤波器可以放置在消噪后的之后，或者之后。

然后通过一个表示信道变换状况的参数对环路滤波器之后的结果进行加权运算，然后对加权之后的结果经过一个累加器。这里是因为为了提高该系统在信道变化快慢的时候，环路的跟踪的性能，环路滤波输出之后的加权是需要的。因此可以得到如下表达式：

$\hat{H}[k,l]=\tilde{H}[k,l-1]+{\mathrm{\μ}}_l\hat{E}[k,l]---\left(14\right)$

这里μ_l表征系统信道变化的参数。

累加器的输出即是经过本次更新之后的信道估计响应。该信道估计响应即可以作为下一次迭代所需要的信道估计响应。

上述的实施例是在多载波的情况下一种较优的利用频域处理的方式，当然，由于处理方式的多样性和灵活性，在单载波情况下的时域处理方式、频域处理方式，多载波的时域处理方式以及单/多载波的时频交叠的处理方式都是可行的，如图1所示的时频变换选择处理单元，其可根据上述的具体处理方式而选择配置或是不配置，以单抽头均衡器后的时频变换选择处理单元为例，该单元的输入信号已经为频域信号，因此，该时频变换选择处理单元只需做IFFT处理变换成时域信号，或者是让频域信号直通；至于误差计算，噪声处理，环路滤波，环路累加，都分别可以独立地选择在时域处理或者频域处理，只需配置相应的时频变换选择处理单元，即进行相应的IFFT，FFT或者直通。为了节省篇幅，如下的实施例将具体介绍时域为主的单载波情况下的一种较优的处理方式，而时频交叠的处理方式，普通技术人员可根据本文的两种情况灵活处理，在此不再赘述。

如图3-7所示，具体实施方式二的步骤如下：

首先假设系统已经通过某种方式获得了系统的某种初始信道响应的估计h⁰，通过FFT变换，可以获得其频域信道响应的初始估计：

${\tilde{H}}^0=\mathrm{FFT}\left\{{\tilde{h}}^0\right\}---\left(15\right)$

这里，用表示第0帧，第k个子载波。然后，假设接收的已经构造好的循环帧信号为r^l，其表示第l帧信号，l=[01...∞]，该信号是从接收数据中构造的循环帧结构信号。对该信号进行FFT变换，得到变换到频域的信号R^l

R^l=FFT{r^l} (16)

这里，用表示第l帧，第k个子载波。开始的时候通过初始的频域信道估计对第0帧频域信号进行单抽头均衡，获得了初始均衡后的信号

l=[01...∞]：

${\tilde{X}}_k^0=\frac{R_k^0}{{\tilde{H}}_k^0}---\left(17\right)$

然后，对该均衡后的信号做IFFT,再通过判决器，可以获得判决后的时域信号

${\tilde{x}}^0=\mathrm{IFFT}\left({\tilde{X}}^0\right)$

${\hat{x}}_n^0=\mathrm{slice}\left({\tilde{x}}_n^0\right)---\left(18\right)$

假如，该时域信号是由已知训练数据通过信道响应构造的，例如DTMB系统的前缀，WiMAX系统的前缀。这种情况下得判决后的时域信号就是已知的时域数据。

通过上述的信号，信道响应，判决值，可以获得以下时域估计误差的如下表达形式：

$e=(r-h\⊗\hat{x})\⊗\mathrm{conj}\left(\hat{x}\right)---\left(19\right)$

由于是含有噪声的，同样，为了提高估计准确定，因此要对其进行抑制噪声处理。

根据时域信道估计的形状确定滤波器的表达式f，然后用此f对进行滤波：

${\tilde{e}}^l=\mathrm{filter}(f,e^l)---\left(20\right)$

利用信道时域响应的稀疏性,抑制噪声处理的另外一种方法：

将矢量与另一个矢量点乘，即：

${\tilde{e}}_n^l=e_n^l*g_n^l---\left(21\right)$

这里矢量可以通过如下方式构造，根据估计的噪声门限，确定时域信道响应的能量与噪声能量的比值，如果大于某一个设定的门限，则否则

除此之外可以直接确定的取值：

$g_n^l=\frac{{\tilde{h}}_n^l{\tilde{h}}_n^{l,*}}{{\tilde{h}}_n^l{\tilde{h}}_n^{l,*}+{\mathrm{\σ}}^2}---\left(22\right)$

这里σ²为估计的噪声方差。

为了更好的消除信道估计误差的噪声，这里构造了一个类似于锁相环的环路，通过一个环路滤波器的方式来抑制环路噪声。

环路滤波器可以通过设计低通滤波器或者积分衰落滤波器。

然后通过一个表示信道变换状况的参数对环路滤波器之后的结果进行加权运算，然后对加权之后的结果经过一个累加器。这里是因为为了提高该系统在信道变化快慢的时候，环路的跟踪的性能，环路滤波输出之后的加权是需要的。

最后得到频域信道估计响应，如下表达式：

$\tilde{h}(k,l)=\tilde{h}(k,l-1)+{\mathrm{\μ}}_l\tilde{e}(k,l)---\left(23\right)$

这里μ_l表征系统信道变化的参数。

累加器的输出即是经过本次更新之后的信道估计响应。该信道估计响应做FFT，即可以作为下一次迭代所需要的信道估计响应。

${\tilde{H}}^l=\mathrm{FFT}\left({\tilde{h}}^l\right)---\left(24\right)$

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明的目的，而并非用作对本发明的限定，只要在本发明的实质范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求的范围内。

Claims (17)

1.一种基于误差更新的信道估计方法，其特征在于，其包括：

将接收的时域信号变换到频域得到频域信号，利用已经估计的频域信道响应，对该频域信号进行均衡，得到均衡后的数据；

对均衡后的数据变换到时域进行判决得到判决值，若均衡的时域信号由已知数据经过信道构造，则判决值为已知数据；

基于上述时域信号、已估计的时域信道响应以及判决值，得到该已估计的时域响应与真实时域信道响应的时域估计误差；

将时域估计误差经过环路滤波，环路累加，延时，其输出变换到频域，作为下一次频域信号均衡所用的频域信道响应。

2.一种基于误差更新的信道估计方法，其特征在于，其包括：

将接收的时域信号变换到频域得到频域信号，利用已经估计的频域信道响应，对该频域信号进行均衡，得到均衡后的数据；

对均衡后的数据进行判决得到判决值，若均衡的频域信号由已知数据经过信道构造，则判决值为已知数据；

基于上述频域信号、已估计的频域信道响应以及判决值，得到该已估计的频域响应与真实频域信道响应的频域估计误差；

将频域估计误差经过环路滤波，环路累加，延时，其输出作为下一次频域信号均衡所用的频域信道响应。

3.根据权利要求1-2任一所述的方法，其特征在于，根据每次信道估计的估计误差来对已经估计的信道响应更新，作为新的信道响应。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，每次的信道估计的频域估计误差通过以下方式实现：首先计算已估计的频域信道响应与判决值的积，然后计算频域信号与该积的差值，最后该差值与判决值进行运算，结果即是信道估计的频域估计误差，或者首先计算频域信号除以判决值的值，然后减去已估计的频域信道响应，结果即是信道估计的频域估计误差。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，差值与判决值的运算可以通过如下方式实现：差值与判决值进行共轭相乘或用差值除以判决值。

6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述频域估计误差还经过噪声处理，所述噪声处理通过如下方式实现：用低通滤波器对频域估计误差进行滤波；或者，首先对频域估计误差变换到时域，然后对其施加权值序列，最后变换到频域。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的权值序列根据时域信道响应与噪声门限的比值确定；或，该权值序列根据时域信道响应的能量与时域信道能量和噪声方差之和的比值确定。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述环路滤波是对用低通滤波器对频域估计误差进行滤波后的输出进行滤波；或者是，对施加权值序列后的输出进行滤波；或者是，对最后变换到频域的输出进行滤波。

9.根据权利要求2或8任一所述的方法，其特征在于，所述环路累加是对环路滤后的输出被一个加权系数加权后的值进行累加，所述加权系数由信道的变化确定。

10.一种基于误差更新的信道估计系统，其特征在于，其包括：

FFT模块：将接收的时域信号变换到频域得到频域信号，

单抽头均衡器：利用已经估计的频域信道响应，对上述频域信号进行均衡，得到均衡后的数据；

判决器：对均衡后的数据进行判决得到判决值，若均衡的信号由已知数据经过信道构造，则判决值为已知数据；

误差计算模块：基于上述信号、已估计的信道响应以及判决值，得到该已估计的信道响应与真实信道响应的估计误差；

抽头更新模块：将估计误差经过噪声处理模块，环路滤波模块，环路累加模块以及延时器，其输出作为下一次均衡所用的信道响应。

11.根据权利要求10所述的一种基于误差更新的信道估计系统，其特征在于，所述系统还包括时频变换选择处理单元，其根据具体处理方式选择性的配置或不配置；所述系统根据每次信道估计的估计误差来对已经估计的信道响应更新，作为新的信道响应。

12.根据权利要求10所述的一种基于误差更新的信道估计系统，其特征在于，每次的信道估计的频域估计误差通过以下方式实现：首先计算已估计的频域信道响应与判决值的积，然后计算频域信号与该积的差值，最后该差值与判决值进行运算，结果即是信道估计的频域估计误差；或者，首先计算频域信号除以判决值的值，然后减去已估计的频域信道响应，结果即是信道估计的频域估计误差。

13.根据权利要求12所述的一种基于误差更新的信道估计系统，其特征在于，差值与判决值的运算通过如下方式实现：差值与判决值进行共轭相乘或用差值除以判决值。

14.根据权利要求10所述的一种基于误差更新的信道估计系统，其特征在于，所述噪声处理模块用低通滤波器对频域估计误差进行滤波或者首先对频域估计误差变换到时域，然后对其施加权值序列，最后变换到频域。

15.根据权利要求14所述的一种基于误差更新的信道估计系统，其特征在于，所述的权值序列根据时域信道响应与噪声门限的比值确定；或，该权值序列根据时域信道响应的能量与时域信道能量和噪声方差之和的比值确定。

16.根据权利要求14所述的一种基于误差更新的信道估计系统，其特征在于，环路滤波模块是对用低通滤波器对频域估计误差进行滤波后的输出进行滤波；或者是对施加权值序列后的输出进行滤波；或者是对最后变换到频域的输出进行滤波。

17.根据权利要求10或16任一所述的一种基于误差更新的信道估计系统，其特征在于，环路累加是对环路滤后的输出被一个加权系数加权后的值进行累加，所述加权的系数由信道的变化确定。