CN101562468B

CN101562468B - 基于迭代消除和最大比合并的均衡装置及其方法

Info

Publication number: CN101562468B
Application number: CN2009100521351A
Authority: CN
Inventors: 刘勃; 归琳; 熊箭; 宫良; 苗瑞琴
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2009-05-27
Filing date: 2009-05-27
Publication date: 2013-08-28
Anticipated expiration: 2029-05-27
Also published as: CN101562468A

Abstract

本发明涉及数字无线通信技术领域的一种基于迭代消除和最大比合并的均衡装置及方法。包括：信道状态信息模块，最大比合并模块，第一次迭代模块和第二次迭代模块。信道状态信息模块为最大比合并模块，第一次迭代模块，第二次迭代模块提供信道的初始状态信息。第一次迭代模块将输入信号判决并对输入信号和判决信号进行迭代消除；第二次迭代模块将第一次迭代后的信号循环迭代后判决并进行迭代消除。最大比合并模块对第一次迭代和第二次迭代后的信号以最大比准则进行合并，得到最终的输出信号。本发明可以充分利用通过不同路径到达接收机的信号的能量，能够有效的降低系统的信噪比门限，提高接收机灵敏度。

Description

基于迭代消除和最大比合并的均衡装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种无线通信技术领域的均衡装置及其方法，具体是一种基于迭代消除和最大比合并的均衡装置及其方法。

背景技术

无线信号在传输过程中，由于信道的衰落和多径造成了其频率选择特性。因此，为了保证在市内等存在多径环境下也能获得较好的性能，必须消除信道的影响。而传统的数字通信理论都是通过均衡器来对付上述的多径所产生的影响。

经对现有技术文献的检索发现：G.Proakis所著的《数字通信》一书中，对在数字通信中，对付多径的方法：判决反馈均衡器和CDMA系统中的RAKE接收技术进行了详细的阐述：

判决反馈均衡器(Decision Feedback Equalizer,DFE)的基本原理是首先确定信号能量最强的一条路径，然后将其他路径信号对该路径上信号的影响尽量消除，从而得到最初发送的信号，这种方法在有一条明显主径（该径上的信号能量明显高于其他径的信号能量）的情况下，效果很好，但是，未来数字无线通信的很多应用场景中，都会出现有两条或者是多条能量相近的多径情况，例如，在密集城市环境中，没有直视路径的情况下，经过不同路径反射的信号可能出现能量相近的情况，或者，在未来的单频网系统中，由于不同的发射机采用同样的频率，在接收机一端也很可能同时收到来自不同发射机的能量差不多的信号，在这些情况下，如果仍然采用原有的判决反馈均衡技术，就会大大浪费信号的能量，造成系统接收门限的上升；

CDMA系统中常常通过RAKE接收机来消除多径的影响，这种系统可以通过利用扩频信号的增益，并采用最大合并比方法，将能量比较强的几条多径的信号能量都利用起来，已有的这种最大合并比的RAKE接收机只能在扩频系统中使用，不能直接推广到普通的非扩频数字无线通信系统中。

综上所述，现有一些数字无线通信系统的均衡方法，或者无法充分利用多径信号的能量；或者只能应用于扩频系统。都不能很好的解决未来非扩频数字无线通信系统充分利用信号能量的要求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于迭代消除和最大比合并的均衡装置及方法，本发明对输入信号经过串行迭代的判决反馈均衡器、判决单元和前向信道冲激响应消除单元，并最终将各次迭代后的判决信号以信道状态信息为依据，通过最大比合并算法，得到最终的输出信号。解决了非扩频数字无线通信系统中充分利用各条多径上的信号能量的问题。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明所涉及的一种基于迭代消除和最大比合并的均衡装置，包括：信道状态信息模块、最大比合并模块、第一次迭代模块和第二次迭代模块。其中：

信道状态信息模块将信道初始状态信息分别输出到第一次迭代模块、第二次迭代模块和最大比合并模块。

第一次迭代模块将接收的输入信号及初始状态信息进行判决反馈均衡和判决处理并对输入信号和判决后的信号进行迭代消除，第一次迭代模块把处理后的信号输出到第二次迭代模块和最大比合并模块。

第二次迭代模块将第一次迭代后的信号经过循环迭代后进行判决反馈均衡和判决处理并对第一次迭代后的信号进行迭代消除，第二次迭代模块把处理后的信号输出到最大比合并模块。

最大比合并模块将接收的信道初始状态信息、第一次迭代和第二次迭代后的信号按照最大比准则进行合并处理，得到作为整个装置的最终的输出信号。

所述的第一次迭代模块由前向信道冲激响应消除单元、判决反馈均衡器、判决单元组成，其中：

前向信道冲激响应消除单元利用信道初始状态信息，从输入信号和判决后信号中消除部分多径信号的影响，输出到第二次迭代模块。

判决反馈均衡器，对输入信号及信道初始状态信息进行判决反馈，恢复原始发送信号输出到判决单元。

判决单元将判决反馈均衡器输出的值判决到与其欧式距离最小的星座点上，输出到前向信道冲激响应消除单元及最大比合并模块。

所述的第二次迭代模块包括第一循环移位器、前向信道冲激响应消除单元、判决反馈均衡器、判决单元和第二循环移位器，其中：

第一循环移位器，对输入的信道初始状态信息进行循环移位，输出到前向信道冲激响应消除单元和判决反馈均衡器。

前向信道冲激响应消除单元利用经过循环移位的信道初始状态信息将判决单元输出信号及第一次迭代模块中前向信道冲激响应消除单元输出信号中多径信号的影响消除。

判决反馈均衡器，对经过第一循环移位器和第二循环移位器的输入信号进行判决反馈，恢复原始发送信号，输出到判决单元。

第二循环移位器，对第一次迭代模块中前向信道冲击响应消除单元输出的信号进行循环移位，输出到判决反馈均衡器。

本发明还涉及一种基于迭代消除和最大比合并的均衡方法，包括如下步骤：

步骤一：将输入信号经过一个判决反馈均衡器进行均衡，并经过判决单元得到相应发射符号的估计值；

步骤二：将判决后的发射符号估计值，信道状态信息和输入信号输入到前向信道冲激响应消除单元，通过前向信道冲激响应消除单元将输入信号中前向信道冲激响应的影响消除，得到第一次迭代消除后的信号；

步骤三：将第一次迭代消除后的信号做循环移位，经过一个判决反馈均衡器进行均衡，并经过判决单元得到相应的发射符号的估计值；

步骤四：利用步骤三中发射符号的估计值和做了相应循环移位之后的信道状态信息，从第一次迭代消除后的信号中将此时前向信道冲激响应的影响消除，得到第二次迭代消除后的信号；

步骤五：将前一次迭代消除后的信号做循环移位，经过一个判决反馈均衡器进行均衡，并经过判决单元得到相应的发射符号的估计值；利用判决后的发射符号的估计值和做了相应循环移位之后的信道状态信息，从前一次迭代消除后的信号中将此时前向信道冲激响应的影响消除，得到本次迭代消除后的信号；

步骤六：判断迭代是否达到预设的迭代次数，如果达到，则进入下一步，否则返回步骤五；

步骤七：将经过各级判决单元得到的发射符号的估计值，按照信道状态信息，进行最大比合并算法，得到最后的输出信号；

其中步骤一，步骤二为第一次迭代消除过程，步骤三、步骤四、步骤五、步骤六为第二次迭代消除到最后一次迭代消除过程，步骤七为最大比合并过程。

其中预设的迭代次数由信道状态信息中能量超过当前期望值的多径的数量决定。从第二次迭代消除到最后一次迭代消除过程中，循环移位的位数由多径能量超过当前期望值的相邻两条多径之间的距离决定。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明可以充分利用通过不同路径到达接收机的信号的能量，能够有效的降低系统的信噪比门限，提高接收机灵敏度，例如，在有两根能量相同多径的情况下，理想状态下接收机灵敏度可以提高3dB，相应系统信噪比门限降低了3dB。更好的满足各种非扩频数字无线通信系统在多径环境下的应用。

附图说明

图1为本发明提出的基于迭代消除和最大比合并的均衡装置的示意图；

图2为本发明实施例对应的基于迭代消除和最大比合并的均衡方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例涉及一种基于迭代消除和最大比合并的均衡装置，包括：信道状态信息模块，最大比合并模块，第一次迭代模块和第二次迭代模块，其中：

所述的信道状态信息模块1，将信道初始状态信息输出到第一次迭代模块中的前向信道冲激响应消除单元2、判决反馈均衡器3和第二次迭代模块中的第一循环移位器4以及最大比合并模块10。

所述的最大比合并模块10，其输入为第一次迭代模块中判决单元4、第二次迭代模块中判决单元9及信道状态信息模块1的输出，输出均衡后的信号。

所述的第一次迭代模块包括前向信道冲激响应消除单元2，判决反馈均衡器3和判决单元4，第一次迭代模块对输入原始信号进行一次判决反馈均衡，对均衡输出进行判决，然后利用前向信道冲激响应消除单元对多径信号进行第一次消除。其中：

前向信道冲激响应消除单元2利用信道状态信息，从该单元的输入信号中消除部分多径信号的影响。输入为原始的输入信号、信道状态信息模块1的输出和判决单元4的输出，输出为第二次迭代模块中的第二循环移位器6和前向信道冲激响应消除单元7的输入。

判决反馈均衡器3，对输入的信号进行判决反馈，恢复原始发送信号。输入为原始的输入信号和信道状态信息模块1的输出，其输出为判决单元4的输入。

判决单元4将判决反馈均衡器3输出的值判决到与其欧式距离最小的星座点上。其输入为判决反馈均衡器3的输出，其输出为前向信道冲激响应消除单元2及最大比合并模块10的输入。

所述的第二次迭代模块由第一循环移位器5，前向信道冲激响应消除单元7，判决反馈均衡器8，判决单元9，第二循环移位器6组成，第二次迭代模块对第一次迭代后的信号进行循环移位后，再利用同样经过循环移位的信道状态信息进行判决反馈均衡，对均衡输出进行判决，然后利用前向信道冲激响应消除单元对多径信号进行第二次消除。其中：

第一循环移位器5，对信道状态信息模块1输出的信道状态信息进行循环移位，输出到前向信道冲激响应消除单元7和判决反馈均衡器8。

第二循环移位器6，对第一次迭代模块的输出信号进行循环移位。其输入为第一次迭代模块中前向信道冲激响应消除单元2的输出，输出为判决反馈均衡器8的输入。

前向信道冲激响应消除单元7利用信道状态信息，从该单元的输入信号中消除部分多径信号的影响。输入为第一次迭代模块中的前向信道冲激响应消除单元2、第一循环移位器5及判决单元9的输出，输出为下一个第二次迭代模块中的前向信道冲激响应消除单元和第二循环移位器的输入。

判决反馈均衡器8，对输入的信号进行判决反馈，恢复原始发送信号。其输入为第一循环移位器5和第二循环移位器6的输出，其输出为判决单元9的输入。

判决单元9将判决反馈均衡器8输出的值判决到与其欧式距离最小的星座点上。其输入为判决反馈均衡器8的输出，其输出为前向信道冲激响应消除单元7及最大比合并模块10的输入。

如图2所示，本实施例的基于迭代消除和最大比合并的均衡方法的流程中，步骤S101到步骤S103为第一次迭代消除，步骤S201到S205的五个步骤，为第二次迭代消除到最后一次迭代消除过程，步骤S300，为最大比合并过程。

首先，S101：判决反馈均衡，即将输入信号经过一个判决反馈均衡器进行均衡，具体过程为：

x_soft ⁽¹⁾=DFE(y⁽¹⁾,h⁽¹⁾)

其中，h⁽¹⁾=h为信道的初始状态信息，y(1)为接收到的信号。DFE(y(1),h(1))指对接收信号y(1)使用h(1)作为信道状态信息进行判决反馈均衡。

S102：信号判决，即完成信号判决，将信号恢复到预期的星座点上，从而得到相应发射符号的估计值，具体过程为：x_d⁽¹⁾=decision(x_soft ⁽¹⁾)，decision为将软信息x_soft ⁽¹⁾判决为与其欧式距离最短的星座点的值。

S103：前向冲激响应消除，即利用判决后的发射符号估计值x_d(1)和信道状态信息h(1)，从输入信号y(1)中将前向信道冲激响应的影响消除，得到第一次迭代消除后的信号。其具体消除过程为：

y_temp⁽¹⁾=y⁽¹⁾-h₁·x_d⁽¹⁾

其中：y_temp⁽¹⁾是输入信号y(1)经过第一次迭代消除之后的信号，h₁为信道向量h⁽¹⁾中的第一个元素。

然后，S201：对信号和信道状态信息移位，即将前一次迭代消除后的信号做循环移位，通常是循环向左移位；记为y⁽²⁾=circshift(y_temp⁽¹⁾)，同时将信道向量h中的第一个元素置为0后做相应的循环移位得到h⁽²⁾；S202：判决反馈均衡,将信号y⁽²⁾通过一个判决反馈均衡器进行均衡,即计算x_soft ⁽²⁾=DFE(y⁽²⁾,h⁽²⁾)；

S203：信号判决，就是将信号判决到与其欧氏距离最近的星座点上，得到相应的发射符号的估计值x_d⁽²⁾；

S204：前项冲激响应消除，即从前一次迭代消除后的信号中将此时前向信道冲激响应的影响消除，得到第二次迭代消除后的信号。具体过程为：

y_temp⁽²⁾=y⁽²⁾-h₂·x_d⁽²⁾

其中：y_temp⁽²⁾为y⁽²⁾经过第二次迭代消除之后的信号，h₂为信道向量h⁽²⁾中的第一个元素。

S205：是否达到迭代次数，即判断是否达到预设的迭代次数，如果达到，则转到S300，否则，将转回到S201开始下一次的迭代。

其中：预设的迭代次数，由信道状态信息中能量超过当前期望值的多径的数量决定。即：如果说信道冲激响应含有L个信道抽头系数h=[h₁，…,h_L,0,…,0]^T，其中大于某个期望值Threshold（如果该L个值中最大的为1，那么Threshold可以设置为0.5）的有L_h个，那么迭代次数就是L_h，对于本发明装置来说，根据迭代次数的不同，可以在原有装置的基础上增加L_h-2个和第二次迭代模块相同的模块。从第二次迭代消除到最后一次迭代消除过程中，循环移位（通常是循环左移位）的位数由多径能量超过当前期望值的相邻两条多径之间的距离决定。即：如果说h中大于期望值Threshold的值包括[h₁，h₅,…,h_L]^T，那么第一迭代后循环移位的位数就是4。

在实际系统中，预设的迭代次数可以通过如下方法得到：首先预设一个期望值，表示希望在均衡中利用的来自某一条多径的信号能量的最小值。然后，检查当前信道状态信息，计算出其中能量超过当前期望值的多径的数量。该多径的数量就是迭代的次数。

最后，S300：最大比合并，即将各级判决单元得到的发射符号的估计值，根据信道状态信息进行最大比合并，最后得到输出信号。

Claims

1.一种基于迭代消除和最大比合并的均衡装置，其特征在于，包括：信道状态信息模块、最大比合并模块、第一次迭代模块和第二次迭代模块，其中：

信道状态信息模块将信道初始状态信息分别输出到第一次迭代模块、多个第二次迭代模块、以及最大比合并模块；

第一次迭代模块包括前向信道冲激响应消除单元、判决反馈均衡器、和判决单元，其中：前向信道冲激响应消除单元利用信道初始状态信息，从输入信号和判决后信号中消除部分多径信号的影响，输出到第二次迭代模块；判决反馈均衡器，对输入信号及信道初始状态信息进行判决反馈，恢复原始发送信号输出到判决单元；判决单元将判决反馈均衡器输出的值判决到与其欧式距离最小的星座点上，输出到前向信道冲激响应消除单元及最大比合并模块；

第二次迭代模块包括第一循环移位器、前向信道冲激响应消除单元、判决反馈均衡器、判决单元和第二循环移位器，其中：第一循环移位器，对输入的信道初始状态信息进行循环移位，输出到前向信道冲激响应消除单元和判决反馈均衡器；前向信道冲激响应消除单元利用经过循环移位的信道初始状态信息将判决单元输出信号及第一次迭代模块中前向信道冲激响应消除单元输出的信号中多径信号的影响消除，并作为下一个第二次迭代模块中的前向信道冲激响应消除单元和第二循环移位器的输入；判决反馈均衡器，对经过第一循环移位器和第二循环移位器的输入信号进行判决反馈，恢复原始发送信号，输出到判决单元；判决单元将判决反馈均衡器输出的值判决到与其欧式距离最小的星座点上，输出到前向信道冲激响应消除单元及最大比合并模块；第二循环移位器，对第一次迭代模块中前向信道冲激响应消除单元输出的信号进行循环移位，输出到判决反馈均衡器；

最大比合并模块将接收的信道初始状态信息、第一次迭代模块和第二次迭代模块输出的信号按照最大比准则进行合并处理，得到作为整个装置的最终的输出信号。

2.根据权利要求1所述的基于迭代消除和最大比合并的均衡装置，其特征是，第二次迭代模块的个数由迭代次数决定。

3.一种根据权利要求1所述的基于迭代消除和最大比合并的均衡装置的均衡方法，其特征在于，包含如下步骤：

步骤一：将输入信号经过第一次迭代模块中的判决反馈均衡器进行均衡，并经过第一次迭代模块中的判决单元得到相应发射符号的估计值；

步骤二：将判决后的发射符号估计值，信道状态信息和输入信号输入到第一次迭代模块中的前向信道冲激响应消除单元，通过第一次迭代模块中的前向信道冲激响应消除单元将输入信号中前向信道冲激响应的影响消除，得到第一次迭代消除后的信号；

步骤三：将第一次迭代消除后的信号做循环移位，经过第二次迭代模块中的判决反馈均衡器进行均衡，并经过第二次迭代模块中的判决单元得到相应的发射符号的估计值；

步骤五：将步骤四或前一次步骤五迭代消除后的信号做循环移位，经过一个判决反馈均衡器进行均衡，并经过判决单元得到相应的发射符号的估计值；利用判决后的发射符号的估计值和做了相应循环移位之后的信道状态信息，从步骤四或前一次步骤五迭代消除后的信号中将此时前向信道冲激响应的影响消除，得到本次执行步骤五迭代消除后的信号；

步骤七：将经过各级判决单元得到的发射符号的估计值，按照信道状态信息，进行最大比合并算法，得到最后的输出信号。

4.根据权利要求3所述的基于迭代消除和最大比合并的均衡装置的均衡方法，其特征是，迭代次数由信道状态信息中能量超过当前期望值的多径的数量决定。

5.根据权利要求3所述的基于迭代消除和最大比合并的均衡装置的均衡方法，其特征是，从第二次迭代消除到最后一次迭代消除过程中，循环移位的位数由多径能量超过当前期望值的相邻两条多径之间的距离决定。