TWI246263B - Method and apparatus for suppressing co-channel interference in a receiver - Google Patents

Description

1246263 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係屬於數位通訊接收器之領域。更確切地說， 本發明係關於消除該等接收器之干擾’例如’行動電話數 位接收器。 【先前技術】 一個眾所周知之行動電話及無線電話網路之主要限 制是所謂的同波道干擾（co-channel interference)。在分時 多工存取（time division multiple access (TDMS))網路中， 例如 GSM(Global System for Mobile communication’ 全球 行動通訊系統）/EDGE(Enhanced Data Rated For GSM Evolution，增強型全球行動通訊及分時多工存取系統資料 率），同波道干擾主要是由所謂之頻率再使用（frecluency reuse)造成，亦即，位於頻譜（spectrum)之相同頻率被使用 於不同之基地台（細胞塔，cells)，因此，依再使用係數而 定，行動電話接收之訊號將不祇包括一個要求之傳送頻 道，同時也包括來自其他基地台之頻道。 同波道干擾抑制之先前技術包括：π接收器”，國際局 公佈號WOO 1/93439，優先權日期2000年5月31日，發 明人 Ottersten，Kristensson，及 Astely ;以及’’使用時空 白化（spatio-temporal whitening)以消除接收系統同波道干 擾之方法與裝置”，美國專利申請號碼US 2003/0063596， 優先權曰期2001年9月19日，發明人Huseyin Arslan及 Ali S· Khayrallah。揭示於WO 01/93439之接收器是基於 1246263 一熟悉之知識，若（同波道）干擾是被視為色雜訊（colored noise)且其被白化（whitened)，則訊息接收可達成。W0 01/93439之新穎性在於提供一有效白化之濾波器，其藉由 分離接收訊號之真實與虛構元素，亦即同相位（in-phase) 與正交相位（quadrture-phase)元素，以開發額外自由度。 關於抑制同波道干擾，US.2003/0063 596之規則是與WO 01/93439類似的° 在WO 01/93439中，介面被模式化為具k階次之 IIR(Infinite impulse response，無限脈衝響應）程序，且（因 此）白化操作實行於（多向度（multidimensional))具k(或k+1) 個遽波器分波（filter taps)之 FIR(finite impulse response， 有限脈衝響應）濾波器。白化操作後，訊號之脈衝響應當 然被改變；尤其，因為白化慮波之捲積（convolution)，WO 01/93439之白化操作遭受到所謂的”增加之頻道長度問題 ”，亦即，訊號之脈衝響應變得更長，須要一個更複雜之 等化器（equalizer)或至少一個具有某些機制可將增加之頻 道長度納入考慮之修改等化器（否則，接收器將招致效果 損失）。若依據WO 01/93439之白化操作被實行於接收 器，則增加之頻道長度問題將要求修改接收器之等化器。 此外，使用WO 01/93439之白化操作所達之效果增益 決定於表示FIR濾波器支波數之模式參數K。大體上，K 值越大，增益越高，但若K值超過一定門檻（其決定於個 別被抑制之干擾，所以乃非已知之前提），則找尋FIR濾 波器係數之問題變得條件不足，亦即，無法獲得FIR濾波 1246263

因此所須要的是—個更健全、較不複雜之基於雜訊白 化=抑制同波道干擾方法，其可更容易土也合併於現存之接 收态内，例如GSM(全球行動通訊系統）/EDGE(增強型全 球行動通訊及分時多工存取系統資料率）接收器。 【發明内容】 本卷明之第一個特徵乃一種無線通訊系統接收器於 通Λ頻道接收若干各具_同相與_正交相元素之符號之 方法：該方法包括-無、線電傳送之接收與取樣步驟，以提 i、連、’只之樣本’同4還包括另—連續樣本之過遽步驟，該 方法之特徵在於：連續樣本之過渡步驟包括一基於逐一白 化各樣本之步驟’對連績樣本之每一個樣本評估雜訊加上 干擾相關矩陣（correlation matrix)，其包括樣本同相與正 交相元素之相關資訊。 依據本發明之第一個特徵，濾波步驟進一步包括：白 化樣本步驟之開或關之切換㈣，因為基於決定是否通訊 頻道為敏感受限之切換，所以出現之雜訊可表徵為實質上 白色的。 加之，依據本發明之第一個特徵，通訊頻道是否為敏 感受限的可基於-度量（metrie)及相應預定門檻之計算值 決定。此外，該度量可能是基於不同雜訊元素之相關值加 上干擾相關矩陣。更進-步地，該切換可基於—度量值， 其定義為：

Ron 7 1246263 ”中五likL^Λΐ/>=五。此外，該切換可基於 檢查雜訊加上與雜訊相關之干擾訊號加上干擾相關矩陣 之第一或更咼階次統計（order statistic)。 再者依據本發明之第一個特徵，該方法可進一步地 使用下式表示雜訊加上干擾相關矩陣：

Rii = E[ikik ]， 其中，ik是雜訊加上干擾訊號。此外，該方法進一步 之特徵在於每個代表符號之向量〜使用下式白化： yk = Wyk 其中，『的定義是雜訊加上干擾相關矩陣仏之平方根 倒數，因此： 、同時，依據本發明之第一個特徵，每一個符號可由一 或多個樣本指定，包括來自可能不同天線之樣本。 一，發明之第二個特徵乃提供一個成為無線通訊系統 之部份，或與無線通訊系統共同使用之接收器，豆之特 徵在於包括實行依據本發明之第一個特徵之方法之步、 驟、。再者，接收器可為行動站（m〇bilestati〇n)之一部份。 、乂接收器可為無線通訊系統之無線電存取網路 (radi〇 aCCeSS network)之基地站（base station)之一部份。 本發明之第三個特徵乃提供一個包括一行動站及一 基地站之系統，其用為無線通訊系統之一部份，或與無線 通訊系統共用；該行動站及基地站各包括一接收器，其之 Ϊ246263 特徵在於至少其中一個接收器包括實行依據本發明之第 一個特徵之方法之步驟。 本發明所解決之問題之一在於其不會造成增加頻道 長又門越亦即，於IQ白化濾波器之前或之後之頻道分 支數皆相同。 【實施方式】 本發明提供一於無線通訊系統之接收器内，藉著使用 所謂IQ白化之創新操作，抑制同波道干擾之方法，以及 提供一創新模擬干擾之方法。尤其是，白化操作完成於一 個符號内。使用上述WO 01/93439之程序，完成白化操作 於一個符號内是不可能的，因為如此將意指設定模型參數 K(表示FIR濾波器之分支數）等於〇， fir 成同-矩陣’其無法提供任何白化。 卜务月者已經觀察到白化干擾訊號（以抑制干擾） 會造成效果損失’當干擾（或雜訊）已實質上是白的時候， 亦即’於白化操作前。為避免造成如此之效果損失，本發 月匕括個基於干擾訊號之白程度所做開或關白化 換。 # 了揭示假叹實行本發明之接收器操作具有兩個樣 n >此疋車父可取之實行，但本發明也可應用於具 2樣本數之符號。若增加之樣本無法直接由位於接收器 A/D(類比至數位）轉換器獲得，每個符號之樣本數 綠1猎：插方法侍以增加。同時，以下之陳述假設單-天 、 °°此乃本發明最有效之狀況；然而，本發明可容 1246263 易地擴充至多於一個以上之接收器天線，且由不同天線接 收之樣本可被同等地視為片段樣本。例如，若每一符號兩 個樣本可由單一天線獲得，或每一符號一個樣本可由兩個 天線獲得，運算法將相同。並且依然地，縱使本發明之揭 示乃相關於二位元 PAM(Pulse Amplitude Modulation，脈 衝振幅調變），所以符號x受限於（-1，1)之區間，即 ，1)，可是清楚地，本發明並不會受限於此，且本 發明有可能應用於任何使用二位元調變或多階PAM之系 統，包括例如，BPSK(binary phase shift keying，雙相移鍵 控），MSK(minimum shift keying，最小移鍵控）。當然， 本發明也可應用於偏移正交振幅調變（offset-QAM)，例如 雙偏移正交振幅調變（binary offset QAM)及正交偏移正交 振幅調變（quaternary-offset QAM)，因為其可視為雙或正交 PAM訊號，藉由應用一適當旋轉於每個符號。尤其，本 發明適宜 GMSK(Gaussian minimum shift keying，Gaissian 最小移鍵控）調變，使用於例如GSM及藍芽（Bluetooth)， 因為GMSK非常近似於二位元調變。 參見圖1，接收器顯示於本發明可實行之型式，包括： 一具一或多個天線及調頻設備之前端，用以接收選擇通訊 頻道之訊號及訊號取樣，以提供取樣接收訊號y(nT)，其 中，T代表介於（傳送）連續符號之間的時間（亦及，符號率 之倒數），以及《 = 其中，k是所有傳遞符號之指標， 9是超取樣（〇乂6以3111^1丨1^)指標，其範圍是0至/，/是超 取樣因數，亦即，每個符號之樣本數，（或接收器天線數， 10 1246263 或超取樣目數X接收H天線數）；依據本發明之濾波器12 用以過濾取樣接收减，以移除同波道干擾及雜訊， 而產生過;f取樣訊心k(亦即，_連續之過濾訊號樣本）； 以及一偵測器，用以決定對應於過濾取樣訊號％之符號 X(亦即，每個X對應至一或多個接收訊號之樣本）。 圖1所不之前端11表示接收器操作所須之許多不同 功月b，6亥功旎與本發明所提供之功能分開，例如，頻道估 计裝置，冑率偏移估計裝i，Dc偏移補償裝i，訊號反 旋轉裝置（如果例如GMSK調變有須要時）。基本上，如圖 1所不，岫端11給予接收訊號之輸出基頻（baseband)樣本 y(nT) ’及估計離散頻道脈衝響應h(sT)，其中， 及mfe圍由〇至v,0swsv,v等於頻道脈衝響應長度 減一。 參見圖2，依據本發明之濾波器12包括一實行iq白 化之模組12c，但是如上所述，實行zq白化並非總是有 利的；在一濾波器12較有效之實施例中，一開關模組12a 包括一介於兩個濾波模組12b-c之間之切換，其之決定乃 於預设門檻與開關模組12a所計算之度量相比較，此將於 後做更詳盡說明。開關模組12a切換於執行IQ白化之渡 波模組12b(依據本發明或先前技術）與不執行白化之滤波 模組12c之間。 首先，揭示IQ濾波模組12c，接著將揭示開關模組 12a。 以下，假設一超取樣因數/ = 2之超取樣，接收訊號樣 1246263 本八於方塊11之輪出以頻道資料輸入Xk，及取樣 衝回應hm表示時等於： ^脈 (1) ws0 j=l m^o 其中，,v等於頻道脈衝響應長度減一。 標j表示選擇通訊頻道之每一個訊號之標示，當卜0上 表要求之訊號，而其他j值則代表同頻道干擾，及，代

Re Im y{{k· {ψ) T)

MhU\rnT)) h0) n, (mr))

Re^ft0) {{m + — ^ ~)Γ)^ ⑺((m + ~—^)T) 及 RQ(n(kT))

Tm{n(kT)) 以及T為連續符號（傳送）之 間的時間。我們 可定羲 12 1246263 ~接收樣本為·· ^ k+Ny—1 'KJ) ·· h(/> 0 .· 0 ' YU)- nk+N广' y k+Nf-2 0 hH.) ·* 0 ·· YU) ^k^Nf-2 + Hjfc+^-2 >〇 * • -- 0 ·· 0 h^'> h;)) ..h</\ k」 -Π* - 或更簡潔地： Μ ^k-¥N= 1：Jk_v j^k^Nj—\'Jc-v ^^k+Nf-YJc (2) 其中’包括要求的訊號及雜訊加上（同頻道） Μ 干擾訊號 k+Nf-l:k 為方便起見，我們定義雜訊 加上干擾訊號iK於標示（樣本計數诈之實例為4χΐ向量： >e{_ - Rej/ (免+(’- v :/ ) =Zth〇y) h\J1 ·. KJ)l ;a1 J (/t+(/~1})r }J y 1 祚） + n,. (3) 號樣本V如下： yk^1:k ^rlyk+Nf_l：k^ 其中’依據本發明， 我們定義-濾波運算L.,, «求得^接收訊 13 (4) (5) (5)1246263 R：1/2 Ο .· Ο Ο R：1/2 Ο : Ο ·. Ο R：1/2 其中，民,是4 χ 4雜訊加上干擾相關矩陣求得： 五[U:]， ⑹ 其中，E[..·]是總和平均之數學運算。因為干擾發生 於周期平穩隨機處理（cyclo stationary random process)，期 望運算（expectation operation)可由一時間平均取代，亦即： ^ = Σ[Μ:]。 （6·1) k 因此，每一個4x1向量％代表一個可被白化之符號： yk = Wyk (7) 其中，W是正定漢彌爾頓矩陣（positive definite Hermitian matrix)及"之平方根倒數，即： W = ^：1/2 (7.1) 在此有效實施例中，漢彌爾頓矩陣匕是雜訊加上干擾 相關矩陣，而白化矩陣W = g1/2乃是瓦之Choleski因式分解 之倒數。白化矩陣w可替代以任何瓦之因式分解求得，亦 即，任何因式分解如下： (膠，)-、瓦， (7.2) 或以任何瓦之因式分解求得如下·· mv' = Ru ， 14 1246263 例如由奇異值分解（Singular Value Decomposition (SVD))。在此情況，白化矩陣W可以由w = v;l-i/2求得。 依據本發明，白化脈衝響應兔也可由濾波器12提 供，此乃作用於脈衝響應H〇 ·· H〇=LlH〇 ，(〇) 0 h{0) 0 0

..hi0) 0 .· 0 h[0) ·· h^°> 0 .· 〇於> H (8) 因此’每個4x 1向量石m可計算如下： K (9) 當。因此，很清楚地，本發明揭示之干擾抑制 方法不會造成增加頻道長度之問題，亦即，由式（9)可知g 與hm有相同尺度。 m 參見圖3，濾波器模組12c(圖2)包括··第一模組， 用以建構連續樣本八，^7,···,/^，每個灸對應一個符號； 下一個模組32，用以決定雜訊加上干擾相關矩陣以 及第三模組33，用以計算過濾，白化樣本灭=办&， 免=7,…，A/y*。 仍參見圖3，某些實施例中，濾波器12可包括額外 模組跟隨於計算歹尸％(之模組33之後。該模組不會毀壞 訊號於微小空間等化器（fracti〇nally spaced equalizas ) 之凊況，但若疋付號間隔等化器（Symb〇i-Spaced equalizer)，模組將毀壞大部份訊號，而此之實行是藉使 15 1246263 用濾波等化器過濾訊號至決策回饋等化器（DFE equalizer) 之前饋濾波器（feed-forward filter)，或藉使用多相匹配濾 波器（polyphase matched filter)。 在可取之實施例中，偵測器13是一籬柵偵測器（trellis detector)，且籬柵偵測器之輸入是符號間隔的。此符號間 隔輸入藉著預濾波器（pre-filter)(為白雜訊而設計），其相 當於決策回饋等化器（DFE)之前饋濾波器（feed forward filter)，可經由後處理（post processing)白化濾波器W之輸 出而得到。藉逼近雜訊加上干擾相關矩陣民i如式（6)，祇 有相關係數（correlation)被移除。因此，一些殘差相關係 數（residual correlation)可被期望，且可能，例如，被計入 前饋濾波器其後之優化考慮中。在後處理之後，一 Forney 度量可被使用於籬栅Viterbi等化器。請閱ΠMLSE接收器 之統一及時間變化頻道之延伸’’（Unification of MLSE Receivers and Extensions to Time Varying Channels)；作 者：G.Bottomley，S.Chennakesku;IEEE 資訊傳送理論 (Trans. Inform. Theory);卷 46，464-472 頁，1998 年 4 月。 等化器可使用Ungerboeck度量為替代，此也陳述於 上述Bottomley之報告中，及其他地方。在此情況，不須 使用預濾波器，但白化濾波器W之輸出，藉使用多相四 配濾波器，可被消除至每一符號一個樣本，以配合白化要 求的脈衝響應。 以替代方式地，等化器可操作每一符號一個以上之樣 本，在此情況，尚有另一選擇之應用。若偵測器可操作每 16 1246263 一2號一個以上之樣本，則不使用預白化操作，同樣結果 可藉由修改等化器内之度量以考慮雜訊相關係數而得° 到。更明確地說，一修改分支度量如下： (10) 可用以取代Euclidean度量如下· 01) 沁如如么丫卜汾心 其可被使用於預白化操作之後。 ,6本發明也提供一啟動與停止IQ白化（以上述或其他技 術貝行）之機制。該切換機制是有用的，因為JQ白化之抑 制同頻道干擾是顯著有效的於二位元調變同頻道干擾限 制頻道，但是，造成某些效果損失於敏感（白雜訊）受限頻 道。本發明因此提供一切換操作，其可用以動態地切換IQ 白化及非白化錢收器中。在某些實施例，切換是基於檢 查雜訊加上干擾相關矩陣民i之不同元素之相關值，此解釋 於後。在某些實施例，切換是基於檢查不同乘積i*kik與i:ik+i 之期望值E[...]，此也解釋於後。本發明所提供之切換機 制的背後概念是決定雜訊是否為白雜訊（此時，關掉白 化），或非白雜訊（此時，開啟白化），亦即是否是時間上相 關的。 在基於檢查雜訊加上干擾相關矩陣t之不同元素之 17 1246263 相關值之實施例中，我們依循下列方式伯測雜訊是否為白 色的。如上述，IQ白化濾波器（具縮短自我相關性 (truncated aut〇correlation))須要來自雜訊樣本之4χ4(孓叩 分離，2-超取樣）相關矩陣民之計算。所以在較可取之實 施例中，切換開或關白化之度量被推導為&元素之函數。 在一位元調變共同頻道干擾之案例中，時間相關性 (介於因數樣本之間，亦即，在一個符號内之樣本）可以表 不為1Q相關矩陣艮“之元素之結合如下： (l,3)+ftK (2,4)+V^*(ftu (2,3) -g丨丨 d,4) ) · (12) 因此，對於二位元調變干擾訊號而言，時間相關性可 得自於IQ相關矩陣之元素’且樣本之真實與想像元素之 相關性不會成為零。 本叙明基於檢查雜訊加上相關矩陣沒“之不同元素之 相關值所提供之切換機制可如下所示。 定義 Μ — ρ 氓》(1，3) + (2,4)) + (2,3)—圮 Σ (Ru {2k,2k) + Ru (2* -1, 2A: -1))2 “1 (13) 即 量 值 ^ 一度量’其用以表示是否-頻道為時間相關的（亦 ，為敏感受限的，因此雜訊是白色的）。如所見的，度 乃=於雜:加上干擾相關矩陣心之不同元素之相： 。因此，若…"卜是某些預設之Η摄，則頻道歸 18 1246263 ··.如上述，在某些實施例中，切換是基於檢查不同乘 積叭與vk+，之期望值Ε[··.]。在該等實施例中，我們評估（數 字的）值， R〇ii=z E Likik. 以及（數字的）值， * Rin— E iikik+u (14) (15) 然後，作為度量用以決定是否白化定義如下之 Rlii Μα R〇ii (16) 當从"大於某預設門檻L(其有一可依應用而決定之 值）時，則切換至白化。 二^述之兩個切換實施例是基於干擾訊號之第二階次 、、’先汁里之觀察。其他實施例可能基於更複雜之度量。 =此/再次參照圖2,若非實質上時間相關的（亦即 譬如 )，則開關12a切換至模組12c，濾波不須白化： 反之，切換至模組12b，濾波須白化。 上述所揭示之配備僅為本發明原則之應用。無數修改 及替換之配備可經由專家設想而不偏離本發明之範圍；以 下之申請專利範圍將含蓋該等修改及配備。 19 1246263 【圖式簡單說明】 圖1接收器元件之方塊圖/流程圖，包括應用本發明 之濾波器。 圖2表示圖1濾波器細部之方塊圖/流程圖，特別顯 示實行IQ白化濾波器之模組。 圖3表示圖2之IQ白化濾波器模組之方塊圖/流程 圖0 【符號說明】 11 前端 12 遽波器 12a 開關 12b 具有IQ白化之濾波器 12c 不具白化之濾波器 13 偵測器（具有等化器） 31 構成八，免=7, ··.，/(每個灸對應一個符號） 32 決定民i 33a 計算歹k，灸=7, ..·，#/ 33b 計算£m，m = 0，…，ν 20

Claims (1)

1. 拾、申請專利範圍： 二 種使用於無線通訊系統之接收器之方法，其於通 Λ頻逼接收若干各具—同相位及—正交相位元素之符號 =二線包傳迗，·該方法包括一無線電傳送之接收與取樣之 二驟二提供一連續之樣本，且還包括一過濾連續樣本之 二驟，忒方法之特徵在於：過濾連續樣本之步驟（12)包括 一白化樣本步驟（12b)，其基於對於連續樣本之每個樣 ，，逐=評估包括樣本之同相位及正交相位元素之相關資 Λ之雜訊加上干擾相關矩陣d)。 取2·如申請專利範圍第1項所述之方法，其中過濾之步 驟（12)之進-步特徵是：一切換開與關白化樣本步驟⑽） 之^驟（12&)’该切換乃基於決定通訊頻道是否為敏感受 限的，使得出現之雜訊可表徵為實質上白色的。 3.如申請專利範圍第丨項所述之方法，其中決定通訊 頻道是否為敏感受限的乃基於度量（n)之計算值， 及一相應之預設門檻（\，。 4·如申請專利範圍帛3項所述之方法，其中該度量 (Mic)是基於雜訊加上干擾相關矩陣良之不同元素之相關 值。· 1 5·如申請專利範圍第2項所述之方法，其中該切換是 21

   修(粟)正替接頁; 基於比較度量（Λ/")值，其之定義為·· M tl η 汉，、“ 其中’ 及k%/」。 6·如申請專利第2項所述之方法， 基於檢查雜訊加上與雜訊加上干擾相關矩陣(沒：刀換是 干擾訊號⑹之第二階次或更高階次統計量。"目闕之 7·如申請專利範圍第！項所述之方法，進— 在於雜訊力=干擾相關矩陣⑹是使用下式來決^ i?/7 = E J , 其中，k是雜訊加上干擾訊號。 8.如申請專利範圍第7項所述之方法，進一步之特徵 在於每個代表符號之向量八使用下式白化： 、$ l:Wyk 其中W被定義作雜訊加上干擾相關矩陣（之平方 根倒數運算，因此： W = 〇 11 9.如申請專利範圍第1項所述之方法，其中每一個符 號由一或多個樣本所指定，包括來自可能不同天線之樣 22 本。 10.-種數位通信用接收器，係充當無線通訊系統之 -部分或與其共用，而透過通訊頻道接收數種各具—同相 位及一正交相位元素之符號之無線電傳送，該接收器包 括：用以接收及取樣無線電傳輸之—前端以連續提供樣 本’及用以過渡該連續的樣本之-濾波器，其中該渡波哭 含有—根據連續樣本之每—樣本逐—評估包括樣本之同 ° 相位及正父相位兀素之相關資訊之雜訊加上干擾相關矩 陣(U而實行白化樣本所用之—濾波模組。 u·如申請專㈣is第1G項所述之接收器 收器是行動站之一部分。 接 12.如申睛專利範圍第1〇項所述之接收器，其中該接 收器是無線通信_系統之無線電存取網路之基地站之 3.-種無線通信網路系統，包括行動站及作為無線 Li網：系統之一部分或與之共用之基地站，其各包括-收益，该系統之特徵在於該接收器之至少一個含有一 ^執行φ請專利_帛1及2項所述之步驟（12a, 12b) <裝置。 23