SE503522C2 - Förfarande och anordning för kanalestimering - Google Patents

Description

15 20 25 30 505 522 2 Ett beslutsàterkopplade [4], där filtertap- [2]. utjämnare (DFE = Decision Feedback Equalizer) av kanalen annat exempel är parna i både fram- och backriktningen beräknas ur kanalestimatet.

När kanalen estimeras ur ett mottaget synkroniseringsord kommer estimatet att innehålla brus, eftersom mottagna data är brusiga och träningssekvensen har ändlig längd. Även ett kanalestimat som kontinuerligt uppdateras kommer att vara.brusigt. Kanalestimatets brusinnehàll kommer att variera starkt i t.ex. fädningsdippar, eftersom signalnivàn i detta fall är låg jämfört med brus- eller interferensnivàn, vilket ger upphov till ett làgt signal-till- brusförhàllande i mottagna data. Synkroniseringsprocessen störs också av mottagarbrus. En felaktig och instabil synkronisering ger ett felaktigt kanalestimat såsom en sekundäreffekt, vilket förorsakar en väsentlig mottagarprestandaförlust_ Det brusiga kanalestimatet ger felaktiga inställningar för filtertapparna i detektorn eller utjämnaren, t. kommer MLSE-detektorn att ha en felaktig FIR-kanalmodell. demodulationsprestanda pà liknande sätt som vid försämring pà EX.

Detta ger upphov till försämrade grund av brusiga mottagna sampel. Resultatet är att interferens eller brus i mottagna sampel har dubbel inverkan - först försämras kanalmodellen, sedan kommer den felaktigt inställda utjämnaren att behöva utjämna och demodulera brusiga sampel.

Ett gemensamt särdrag för den beskrivna kända tekniken är att kanalestimatet används direkt i detekteringen eller utjämnings- proceduren utan beaktande av estimatets brusinnehàll. För exempelvis MLSE är dock förfarandet optimerat i den meningen att det ger den mest sannolika demodulerade symbolsekvensen endast om mottagarbruset är additivt gaussiskt och kanalestimatet är exakt. Förfarandet är ej optimalt om brus förekommer i kanalesti- matet.

Ett förfarande för reducering av inverkan av brusiga tappar i kanalestimatet föreslås i det amerikanska patentet 5 251 233 (Labedz et al). ligger 'under ett visst tröskelvärde stryks, Där föreslås att tappar i kanalestimatet som varigenom brus- 10 15 20 25 30 503 522 3 bidraget från brusiga tappar med lågt innehåll av nyttosignal reduceras. Fullständig eliminering av vissa kanalestimattappar kan dock avlägsna väsentlig information, eftersom det är mycket svårt att särskilja mellan nyttosignalenergi och brusenergi i en tapp.

EP-A-0 535 403 beskriver ett förfarande i vilket ett kanalestimat för en aktuell skur kombineras med ett kanalestimat för en tidigare skur. Båda estimaten har samma antal tappar.

REDoGöRELsE FÖR UPPFINNINGEN Ett syftemàl för föreliggande uppfinning är därför erbjudande av ett förfarande och en anordning för bildande av ett förbättrat kanalestimat i ett digitalt radiokommunikationssystem_ Förfarandet enligt uppfinningen.kännetecknas av«dei_patentkravet l angivna särdragen.

Anordningen enligt uppfinningen kännetecknas av de i. krav 9 angivna särdragen.

Föreliggande uppfinning baseras på iakttagelsen att ett långt kanalestimat (ett estimat med många tappar) kommer att innehålla mera brus än ett kort estimat (med färre tappar). Detta visas i bifogade APPENDIX, där tappbruset ges av ekvation (9). ekvation representerar N antalet sampel som används vid be- I denna räkningen av kanalestimatet och representerar M antalet tappar i kanalestimatet. En ökning av antalet tappar M i kanalestimatet kommer därför även att öka tappbruset. Vidare är det totala brusbidraget i demodulationsprocessen i detektorn eller utjäm- naren också proportionellt mot antalet tappar i kanalestimatet.

Ur denna synpunkt är det därför önskvärt att ha ett kanalestimat som är så kort som möjligt. Å andra sidan kan ett kort kanalestimat i ett fall där det finns mycket tidsdispersion innebära att mottagaren exkluderar mottagen energi utanför estimatets spännvidd, varigenonxviktig information 10 15 20 25 503 522 4 som förekommer i signalen ignoreras. Det korta kanalestimatet innehåller dock den del av signalen som har det största energiin- nehàllet. uppfinningen, kombinera ett långt kanalestimat med åtminstone ett Lösningen på detta problem är att, i enlighet med kortare kanalestimat. Detta kombinerar egenskaperna för båda estimaten: 1. Det kombinerade estimatet innehåller tillförlitlig (ej så brusig) information om den del av den mottagna signalen som innehåller det mesta av energin. 2. Det kombinerade estimatet innehåller också information om den signalspridning som förorsakas av tidsdispersion över ett större tidsintervall.

FIGURFÖRTECKNING Uppfinningen, ytterligare syften samt med uppfinningen uppnådda bäst till i vilka: fördelar förstås genom hänvisning nedanstående beskrivning och de bifogade ritningarna, Fig. 1 är ett blockschema av en anordning i enlighet med föreliggande uppfinning; fig. 2 är ett flödesschema illustrerande förfarandet i enlighet med föreliggande uppfinning, fig. 3 illustrerar hur kanalestimat kombineras enligt en utföringsform av föreliggande uppfinning; fig. 4 illustrerar hur kanalestimat kombineras i enlighet med en annan utföringsform i enlighet med föreliggande uppfinning; fig. 5 illustrerar hur kanalestimat kombineras i enlighet med ytterligare en utföringsform i enlighet med före- liggande uppfinning, och 10 15 20 25 30 sus 522 5 fig. 6 illustrerar en förenklad beräkning av amplituden av ett komplext tal och som kan användas i enlighet med en föredragen utföringsform av uppfinningen.

FÖREDRAGNA UTFÖRINGSFORMER Anordningen.och förfarandet enligt föreliggande uppfinning kommer nu att beskrivas under hänvisning till fig. 1 och 2.

I fig. 1 mottager en A/D-omvandlare 10 analoga sampel b(nTS) och omvandlar dessa sampel till en sekvens av digitala sampel bw till vilken avger en sekvens av detekterade sampel bn en maximum likelihood Dessa digitala avges sekvensestimator 12, avges vidare till en lokalt som mottagits från en tränings- Den digitala sekvensen bn 16, genererad träningssekvens um symboler ün. korrelator som korrelerar sekvensen bn næd en sekvensgenerator 17. Korrelationsvärdena ci från korrelatorn 16 används för synkronisering av skuren (steg 110 i fig. 2). Detta synkroniseringssteg kommer att beskrivas ytterligare nedan.

Metoder för skursynkronisering kommer nedan att beskrivas under hänvisning till. det europeiska GSM-systemet. I detta system består ett synkroniseringsord av 26 bitar. De 16 centrala bitarna i detta ord har goda korreleringsegenskaper vid korrelering med hela synkroniseringsordet, dvs. en maximala korrelation = 16 i den centrala positionen och en korrelation = O i de återstående (c(k)=[0oooo16oooo0]). centrala bitar genereras som träningssekvens i 10 positionerna Dessa 16 en tränings- sekvensgenerator i mottagaren. Denna träningssekvens används för bildande av exempelvis 11 korrelationsvärden cimed den mottagna signalramen. Enligt en skursynkroniseringsmetod väljs den slutliga synkroniseringspositionen genom jämförelse av inbördes förskjutna fönster, vilka alla innehåller 5 korrelationsvärden, med avseende på energiinnehåll och val av tidspositionen för fönstret med den maximala energin såsom synkroniseringsposition.

En annan skursynkroniseringsmetod beskrivs i EP-A-O 551 803. 10 15 20 25 30 503 522 6 Eftersom två kanalestimat kommer att kombineras utförs skursyn- kronisering för både det korta och långa estimatet. Synkronise- 18 19. de synkronisera till samma skurposition). ringssteget utförs i synkroniserare resp. (Eftersom estimaten har olika längd kommer ej nödvändigtvis att 22 Dessa estimatorer Synkroniseringspositionerna avges till kanalestimatorer 20, för det långa resp. korta kanalestimatet. beräknar kanalestimat kring resp. synkroniseringsposition, såsom kommer att beskrivas närmare nedan.

I bifogade APPENDIX visas att tappbruset kan estimeras i enlighet (9). reduceras genom användande av så många sampel bn som möjligt med formel Denna formel indikerar att tappbruset kommer att (ökning av N). Av detta skäl omräknas det långa estimatet hfi genom användning av så många av de 26 samplen i träningssekvensen uk sonx möjligt och av' det mottagna synkroniseringsordet bw Kanalestimatorn 20 kommer sålunda att beräkna fem korrelation- (i GSM) ur N-M+l = alla 26 sampel eftersom 5 korrelationsvärden bildas, vilka alla svärden 26-5+1=22 sampel (i praktiken används baseras på 22 sampel och skiftas ett sampel). Dessa beräkningar utförs på samma sätt som i korrelatorn 16, men eftersom synkroni- seringspositionen nu är känd kan hela träningssekvensen användas för bildande av de fem tapparna i det långa kanalestimatet hf.

Den beskrivna proceduren svarar mot steg 120 i fig. 2.

Det korta kanalestimatet hf bildas på ett liknande sätt i kanalestimatorn 22. I detta fall behöver dock färre än fem tappar beräknas (M<5). I en föredragen utföringform enligt föreliggande uppfinning innehåller det korta kanalestimatet endast en tapp, vilket innebär att N-M+1=26-l+1=26 sampel kan användas för I detta fall används alltså hela tränings- vilket kanalestimering. sekvensen för bildande av ett enda korrelationsvärde, resulterar i ett väsentligt reducerat tappbrus. Den beskrivna proceduren svarar mot steg 130 i fig. 2. 10 15 20 25 30 503 522 7 De beräknade kanalestimaten Inb och Ing kombineras i. en med- elvärdesbildande krets 24 2). Ett exempel pà denna medelvärdesbildande process illustreras i fig. (svarar mot steg 150 i fig. 3 (för förenkling av illustrationen 'visas endast estimatens amplituder). I denna utföringsform kombineras estimaten med sin ursprungliga skursynkronisering (eftersom det illustrerade korta estimatet endast har en tapp antages det ha tappar med värdet noll i alla andra tidspositioner). Detta kan resultera i en situation när de maximala värdena för de två estimaten ej befinner sig i samma tidsposition, såsom illustreras i fig. 3.

Eftersom det korta och långa kanalestimatet separat har synkroni- serats med skuren är det att föredraga att först inbördes synkronisera de beräknade kanalestimaten. Detta indikeras av linjen 26 i fig. 1, där kanalestimatorn 20 informerar synkronise- raren 18 om den rätta synkroniseringsposition som skall användas för det korta kanalestimatet. Detta svarar mot steg 140 i fig. 2.

Det finns olika sätt att erhålla inbördes synkronisering mellan det korta och lánga kanalestimatet. En metod illustreras i fig. 4. Enligt denna metod synkroniseras den maximala tappen för det korta estimatet hf med positionen för den maximala tappen för det lánga estimatet hf. för det korta estimatet kan skiftas, Denna utföringsform innebär att tapparna såsom indikeras av den streckade tappen i fig. 4. Denna streckade tapp representerar det korta estimatets skursynkroniseringsposition. Tappen kommer att omräknas i estimatorn 22 och sedan skiftas till positionen för det heldragna tappestimatet hf i fig. 4. Denna estimatsyn- kronisering är rimlig, eftersom de maximala tapparna i det lánga att ha sammanfallande och korta estimatet vanligen kommer positioner.

En annan metod för inbördes synkronisering av kanalestimaten illustrerasi.fig. 5. Här indikeras skursynkroniseringspositionen för det korta estimatet (innehållande endast en tapp i exemplet) att hf av den streckade tappen. Denna tapp kommer dock ej 10 15 20 25 30 503 522 8 omräknas. I stället kommer den tapp som svarar mot positionen för den maximala tappen i det långa estimatet hf att omräknas och medelvärdesbildas med den maximala tappen i det långa estimatet.

Liksom i föregående utföringsform är denna estimatsynkronisering rimlig, eftersom de maximala tapparna i det långa och korta estimatet vanligen kommer att ha sammanfallande positioner.

Efter inbördes synkronisering av det korta kanalestimatet hf och det långa kanalestimatet hf' kombineras dessa estimat i en 24. I en föredragen utföringsform, utför denna medelvärdesbildande krets medelvärdesbildande krets enkel, för närvarande 24 enkel medelvärdesbildning av motsvarande tappar i det långa 4 och 5. viktat medelvärde bildas ur tillförlitlighetsmátt Det och korta estimatet, såsom illustreras i fig. 3, I en mera utvecklad utföringsform kan ett genom beräkning av viktningsfaktorer (brusmått) kombinerade kanalestimatet hf för vart och ett av de två kanalestimaten. avges till maximum likelihood sekvens estimatorn 12 för inställning av dess filterkoefficien- ter.

I det fall att det korta kanalestimatet innehåller endast en tapp kan den ovan beskrivna processen förenklas genom att det noteras att det maximala korrelationsvärdet cí kan användas direkt för att representera denna tapp. Om en reduktion av beräknings- komplexiteten är önskvärd, kan det därför vara tillräckligt att tillhandahålla (ingen omräkning av det korta estimatet). det maximala värdet av ci såsom det korta estimatet I en sådan utföringsfornxkarlskursynkroniseringspositionen för detta estimat användas såsom en referensposition för den största tappen i det långa estimatet.

I en mera utvecklad utföringsform jämförs energin för den maximala tappen av det långa estimatet med den totala energin för det långa estimatet. Om den maximala tappen är mycket dominerande indikerar detta att tidsdispersionen är mycket liten. I detta fall är en modell av kanalen innehållande endast en tapp en mycket god modell, och ett kort kanalestimat innehållande endast lO 15 20 25 30 so: s22 9 en tapp omräknas genom användande av hela träningssekvensen. Om à andra sidan tidsdispersionen är stor, kommer kanalestimatet att vara utspritt och kommer den maximala tappen. ej att vara dominerande. I detta fall är en modell innehållande endast en tapp ej lika god, och i detta fall kan ej mycket vinnas pá att omräkna denna tapp genom användning av hela träningssekvensen.

I detta fall används därför den enda tappen fràn skursynkronise- ringen såsom det korta estimatet.

En annan förenkling som kan utföras är att beakta endast amplituden av det korta estimatet och att bortse fràn dess fas (i det fall det korta estimatet innehåller endast en tapp). Denna icke koherenta kombination medför ingen väsentlig prestandaför- bàda lust, eftersom faserna för de tvä största tapparna i estimaten vanligen ligger nära varandra.

Ytterligare en förenkling kan utföras genom beräkning av amplituden av det korta estimatet genom addering av absolutvärde- na av dess real- resp. imaginärdel, såsom illustreras i fig. 6.

I denna approximation approximeras z med {x{+{y§, där x och y är real- resp. imaginärdelen.

I de illustrerade utföringsformerna har två kanalestimat kombinerats. Det är dock uppenbart att det är möjligt att kombinera fler än två estimat. En tänkbar utföringsform skulle därför utgöras av en kombination av tre kanalestimat med olika längd. Det inses också att föreliggande uppfinning kan tillämpas vid andra system än det beskrivna GSM-systemet.

De ovan beskrivna metoderna utgör enkla sätt att förbättra mottagarprestanda utan dramatisk ökning i komplexitet. För- bättringen i mottagarprestanda är ungefär 1 dB under vissa utbredningsförhàllanden i GSM-fallet.

Fackmannen inser att olika förändringar och modifieringar av uppfinningen är möjliga utan att dessa faller utanför upp- finningens ram, vilken definieras av de bifogade patentkraven. 10 503 522 [l] 10 REFERENSER G.D. Forney, Jr., "Maximum-Likelihood Sequence Estimation of Digital Sequences in the Presence of Intersymbol In- terference", Vol. IT-18, pp. 363-378, May 1972.

Gottfried Ungerboeck, "Adaptive Maximum-Likelihood Receiver for Carrier-Modulated Data-Transmission System", IEEE Trans. on Communications, Vol. COM-22. pp 624-636, May 1974.

Simon Haykin, "Adaptive Filter Theory", pp. 307-316 Prenti- ce-Hall, Englewood Cliffs, NJ 1986.

IEEE, Vol.

S.U.H. Quereshi, Proc. 73, pp. 1349-1387, "Adaptive Equalization", September 1985. 10 15 20 sus 522 ll APPENDIX Minsta kvadratestimering av kanalen Den modell som används för kanalen är ett FIR filter med filtertappar {hk} som modell av utbredningen och en källa el av (AWGN) regressionsmodell 1986, additiv vitt gausiskt brus som modell för bruset. Den (Simon Haykin, pp 307-316).

Uttrycket för de mottagna diskreta signalsamplen bi är: liknar Haykin's linjära "Adaptive Filter Theory", Prentice-Hall, 3 | H hkui_k + ei (1) O Ä' u där ui är insignalen till kanalen och M är längden av kanalesti- matet (filtertapparna {hk}). Radiokanalens impulssvar är sålunda begränsat till M sampel av hr I t.ex. GSM gäller M=5. Impulssva- ret är en okänd parameter som estimeras ur tråningssvekvensen.

I GSM-exemplet är träningssekvensen N=26 symboler lång. En minsta [3]) (5 tappar i. GSM). fönsterbehandlas genom användning av kovariansmetoden. Det finns därför N-M+l (22 i GSM) Insignalen arrangeras såsom en matris A, kvadratmetod (se Haykin används för estimering av M- tappmodellen Indata från träningssekvensen mottagna sampel som kan användas för estimering. och det mottagna samplen b, felet e och impulssvaret h arrangeras såsom vektorer enligt följande: UM uN_l A z uN_2 (2) lO 503 522 12 b = [bo bl bMf (a) e - [eo el eN_M]T (4) h = [ho hl hwf (s) där T representerar transponering. I vektorform kan kanalmodellen uttryckas (för träningssekvensen) enligt: b=Ah+e (6) Minsta kvadratestimatet É av h är (se Haykin) fi = (AHA) *lAflb = <1>~1AH1> <1) ê=AÉA är den deterministiska korrelationsmatrisen för träningssekvensen. Här representerar H Hermitsk transponering. där Variansen för varje element i kanalestimatet Hi kallas Ni och beror av brusvariansen 02 och av den använda träningssekvensen.

Ni definierade deterministiska korrelationsmatrisen. är det izte diagonalelementet av azifl, där är den ovan Om träningssekvensen är nära nog vit (vilket är fallet i t.ex.

GSM) kommer korrelationsmatrisen att vara: (8) 02 (s)

Claims (15)

10 15 20 25 30 13 P A T E N T K R A V

1. Förfarande för bildande av ett kanalestimat i ett digitalt radiokommunikationssystem, k ä n n e t e c k n a t av: ett ett bildande av första kanalestimat innehållande förutbestämt antal tappar; bildande av åtminstone ett tillkommande kanalestimat innehållande färre tappar än det första kanalestimatet; och första och nämnda tillkommande kombinering av nämnda kanalestimat, i och för bildande av ett kombinerat kanalestimat.

2. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av medelvärdesbildning av motsvarande tappar i det första och nämnda tillkommande kanalestimat, varvid nämnda tillkommande kanalesti- mat utfylls med nollvärden i tappositioner som svarar mot tappar i det första kanalestimatet som ej har någon motsvarighet i nämnda tillkommande kanalestimat.

3. Förfarande enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a t av att i.medelvärdesbildningennbeaktas endast tappamplituden och bortses fràn tappfasen för tappar i nämnda tillkommande kanalestimat.

4. Förfarande enligt krav 3, k ä n n e t e c k n a t av approximering av amplituden av varje tapp i nämnda tillkommande kanalestimat med. summan av amplituderna av' dess real- resp. imaginärdel.

5. Förfarande enligt krav 2, 3 eller 4, k ä n n e t e c k n a t av ett enda tillkommande kanalestimat innehållande en enda tapp.

6. Förfarande enligt krav 5, k ä n n e t e c k n a t av att nämnda enda tapp i nämnda tillkommande kanalestimat medelvärdes- bildas med en tapp med maximal amplitud i det första kanalestima- tet.

7. Förfarande enligt krav 5, k ä n n e t e c k n a t av medelvärdesbildning av en tapp med maximal amplitud i det första 10 15 20 25 30 503 522 14 kanalestimatet och den enda tappen i det tillkommande kanalesti- matet, vilken enda tapp estimeras i samma tidsposition. 6 eller 7, t e c k n a t av viktad.medelvärdesbildning av nämnda första och

8. Förfarande enligt krav 2, 3, 4, 5, k ä n n e - nämnda tillkommande kanalestimat.

9. Anordning för bildande av ett kanalestimat i ett digitalt radiokommunikationssystem, k ä n n e t e c k n a d av: (20) innehållande ett första förutbestämt antal tappar; första organ för bildande av ett första kanalestimat andra organ (22) för bildande av åtminstone ett tillkommande kanalestimat innehållande färre tappar än det första kanalestima- tet; och (24) tillkommande kanalestimat, organ för kombinering av nämnda första och nämnda i och för bildande av ett kombinerat kanalestimat.

10. Anordning enligt krav 9, k ä n n e t e c k n a d av medelvärdesbildningsorgan (24) för medelvärdesbildning av motsvarande tappar i det första och nämnda tillkommande kanales- timat, varvid nämnda tillkommande kanalestimat utfylls med nollvärden i tappositioner som svarar mot tappar i det första kanalestimatet som ej har någon motsvarighet i nämnda till- kommande kanalestimat.

11. av att nämnda medelsvärdesbildningsorgan (24) endast beaktar tappampli- Anordning enligt krav 10, k ä n n e t e c k n a d tud och bortser från tappfas för tappar i nämnda tillkommande kanalestimat vid medelvärdesbildningen.

12. av att nämnda medelvärdesbildningsorgan (24) approximerar amplituden av Anordning enligt krav ll, k ä n n e t e c k n a d varje tapp i. nämnda tillkommande kanalestimat med summan av amplituderna av dess real- resp. imaginärdel. 10 503 522' 15

13. Anordning enligt krav 10, 11 eller 12, k ä n n e t e c k - n a d av ett enda tillkommande kanalestimat innehållande en enda tapp.

14. Anordning enligt krav 13 k ä n n e t e c k n a d av att nämnda första organ (20) synkroniserar den enda tappen i det tillkommande kanalestimatet med en tapp med maximal amplitud i det första kanalestimatet.

15. Anordning enligt krav 13, k ä n n e t e c k n a d av att det första organet (20) synkroniserar en tapp med maximal amplitud i det första kanalestimatet med den enda tappen i det tillkommande kanalestimatet, vilken enda tapp estimeras i samma tidsposition.