專利名稱：利用引示符號補償多路干擾的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般地涉及最大限度地減小多路和同時廣播對無線電信號的干擾影響的設備和方法。更具體地涉及利用引示符號確定傳播對所接收無線電信號的影響的設備和方法。
無線電信號易受若干傳播現象的支配，而極大地影響接收機的信號強度。若無線電信號從建筑物或其它人造或自然表面反射，則反射后的信號沿著與直接傳播信號不同而較長的路徑可以不同于直接信號的相位到達接收機;由此引起的兩個或多個信號間的干擾降低了接收機的信號強度。這是多路干擾現象。
一種相關型干擾產生于從多個發(fā)射機廣播同一信號的同時廣播的尋呼系統(tǒng)中。置于由兩個或多個發(fā)射臺發(fā)射的相同信號所復蓋的一個區(qū)域中的接收機可能遭遇因破壞性干擾引起的總體接收信號強度的降低，這種干擾在從不同發(fā)射機接收到的無線電信號被相加在一起時，由于傳播距離，因而引起信號相位可能完全不同。故同時廣播干擾在其影響方面是類似的，但與多路干擾不同點在于前者是指信號與不同發(fā)射機間的干擾，而后者是指來自同一發(fā)射機的經過不同傳播路徑的信號之間的干擾。此外，由于精確地設定重疊傳輸的發(fā)射中心RF載頻實際上是不可能的，故在同時廣播尋呼系統(tǒng)中接收機迂到附加失真問題，而在信號由一個發(fā)射機發(fā)出的多路干擾中這一問題并不顯著。在平坦衰落過程中，所接收信號的頻率響應是平坦的只是增益和相位是波動的。
平坦衰落還表現出另一種現象，被接收信號強度可因這種現象而被削弱，然而，當出現平坦衰落現象時，僅涉及來自一個發(fā)射機的信號而且該信號在無反射情況下直接傳播到接收機。
為減弱接收機的多路干擾的影響，有時運用多級電平低波特率傳輸。該技術試圖通過使所接收的多路信號中相對時間/相位差與數據波特率相比之下較小而最大限度地減小多路失真影響。這種方法的最顯著的缺陷是其對數據率的限制從而使系統(tǒng)性能很差。再者被接收信號甚至在可用較強接收信號時也有位誤差率(BER)而且在多電平下信號的調制是復雜的，必須將其分為不同的副帶，從而增加了處理器的負荷。多電平低波特率調制技術的應用論述于1991年11月12日給FCC的一篇呈文中，其題目為“為全國無線網絡業(yè)務指配頻率規(guī)則的MTEL呈文”。
為降低多路干擾影響所用的另一種技術是利用均衡器，包括用于快速跟蹤和收斂動態(tài)變化狀態(tài)的快速卡爾曼(Kalmam)均衡器。不過，這一技術以前還未被提出用于同時廣播的系統(tǒng)中。傳統(tǒng)均衡器適應畸變方面相當慢，造成在該均衡器正確收斂前有相當高的BER。盡管較快的卡爾曼均衡器可減小該問題，但該裝置所用算法計算極為復雜而需要大量額外處理開銷。另外，卡爾曼均衡器中所用算法有點不穩(wěn)定、事實上，當由于多路畸變而出現快速衰落時，均衡器會變得不穩(wěn)定并有可能失效。題為“數字通信”的(J.Proakis)著，McGrawHill1989年出版第二版)的教科書中，在519頁到693頁的第6章中，描述了為此目的使用均衡器。
使用引示符號輔助調制(PSAM)在使平滑衰落影響最小的現有技術中已是眾所周知的技術，而且對移動接收機使用特別有效。有若干參考文獻說明了如何使用引示符號來有效減小由平滑衰落引起的BER，例如，發(fā)表在1991年11月第40卷，第4期有關車輛技術的IEEE匯刊上由J.K.Cavers所著的“雷利(Rayleigh)衰落信道的引示符號輔助調制的分析”，以及1989年12月發(fā)表在IEEE的《SelectedAreasofCommunications》雜志第7卷PP1347-1355上的由L.Moher和J.H.Lodge所作的“TCMP-Rician衰落信道的一種調制和編碼策略”。該技術在每個發(fā)送的幀中使用單個引示符號。這些參考文獻僅僅討論就減少始自單個發(fā)射機地點的直接路徑的單個射線的衰減而使用引示符號，而沒有教導或指出如何使用引示符號處理多個路徑或同時廣播的干擾問題。
N.Lo，D.Falconer和A.Sheikh在題為“移動無線電信道的自適應均衡和異樣組合”的論文(1990年12月，IEEEGlobecom90會刊)公開了一種數字蜂窩式無線電系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用一種結合的自適應判定反饋均衡器和異樣組合器來緩和多普勒(Doppler)衰減頻率達到100Hz。如該參考文獻中所披露，插入了信道脈沖響應的電流估值，而插入的數值加到數據塊中后繼數據符號中，以隨時補償信道脈沖響應的變化。該技術規(guī)定在每一數據塊之前發(fā)送多個預定義的引示符號并在每個數據塊之前和之后插入所接收符號的估值信道脈沖響應。該插入用于使較快多普勒衰減對數據影響最小。但是，這種方法只能達到適中的性能增益，原因是它未能考慮信道條件，例如接收信號的相對信號強度，多普勒衰減頻率，干擾信號之間傳播延遲差，干擾信號之間的頻率偏移，以及執(zhí)行插入過程時的接收信號的信噪比。因此，該論文公開的方法并不能在信道極端信號衰減條件下提供最優(yōu)補償。
因此，顯然需要對多路和同時廣播干擾的補償，以進行高速數據傳送。現有技術系統(tǒng)要么受限于低的數據速率而BER過高，需太多的處理開銷，要么就是不能提供衰減問題的最優(yōu)減輕。
按照本發(fā)明，定義一種無線電系統(tǒng)，用于就從至少一個發(fā)射器到接收器的數據幀形式的信號傳播的衰減對接收機進行補償。該無線電系統(tǒng)包含耦合到該無線電系統(tǒng)發(fā)射機、用于在每個發(fā)送給接收機的數據幀中提供預定的多個引示符號的引示符號發(fā)生裝置。耦合到用于輸入接收到信號的接收機的分離裝置，該裝置從每個數據幀的多個數據符號中分離出多個引示符號，產生一個引示符號信號該信號包含多個引示符號和由多個數據符號構成的一個數據信號。耦合的延遲裝置，接收數據信號將來自當前幀的數據信號延遲到接收到來自至少一個后繼幀的引示符號信號之后，產生一個經延遲的數據信號。設置為接收引示符號信號耦合的引示信號處理裝置，用以對接收到信號中每個幀中多個引示符號確定估值信道脈沖響應。插入濾波裝置耦合以接收每個數據幀的估值信道脈沖響應，該裝置包括存儲裝置以存儲來自至少一個前面幀的估值信道脈沖響應。該插入濾波裝置將估值信道脈沖響應的數據插在當前和前面的幀之間，以按預定的信道功能特性確定幀中每個數據符號的插入的信道脈沖響應。譯碼裝置，耦合以接收插入的信道脈沖響應及延遲的數據信號，按插入的信道脈沖響應和延遲的數據信號的功能將發(fā)送的數據恢復給該接收機，從而基本上補償所接收信號中的任何衰減和干擾。
分離裝置最好包含時序裝置，用于對引示符號信號抽取每一幀的一部分，作為每個幀中多個引示符號在所接收信號臨時出現的預定時間間隔的函數，然后抽取數據信號的每個幀的接收信號的時間余量。再者，該分離裝置，延遲裝置、引示信號處理裝置，插入濾波裝置和譯碼裝置最好包含數字信號處理器。
譯碼裝置通過判定表達式D([S])的最小值，在對一組中每一數據矢量作了該表達式估值后從該組數據矢量[S]的可能值中選出每個數據符號的數據矢量。該表達式定義為D([S])=Σi=L+1M-L-1|r(i)-[S(i)][W(i)]|2]]>
其中r(i)是第i個接收到的數據符號，[W(i)]是第i個接收到數據符號的插入信道脈沖響應，M是每個幀中數據符號和引示符號的總數，而L是所接收信號的信道脈沖響應的間隔。注意在本說明書和權利要求書中，記號“[X]”用于表示X為一矢量或矩陣。
在衰減是由于至少兩個經過不同傳播路徑到達接收機的信號之間的干擾所引起的場合下，插入濾波裝置包含矩陣算符裝置，用于判定插入的信道脈沖響應為表示預定信道特性的矢量和從所接收引示符號導出的信道估值的矢量的矢量積的函數。譯碼器裝置最好包含Viterbi譯碼器，并最好執(zhí)行降低復雜度的譯碼器算法。
同樣在最佳實施例中，插入濾波裝置使用預定的信道特征，包括，多普勒衰減頻率，接收機干擾信號的相對信號強度，干擾信號之間的傳播延遲差，干擾信號間的頻率偏移，以及所接收信號的信噪比。這些預定的信道特性是根據衰減及所接收信號間干擾的最壞情況下選擇的。
本發(fā)明的另一方面是一種用于對從至少一個發(fā)射機到接收機傳播數據幀形式的信號衰減的接收機進行補償的方法。該方法包含通常與構成上述電路板的單元的功能一致的步驟。
本發(fā)明的前述方面及許多附帶優(yōu)點通過參考以下結合附圖的詳細說明將更容易理解，附圖中

圖1是無線電系統(tǒng)的原理圖，其中，接收機接收造成多路干擾及衰減的直接及反射的信號;
圖2是簡化的同時廣播無線電系統(tǒng)的原理圖，其中，接收機接收來自不同發(fā)射機的同時廣播傳輸，并受到由于累加了已傳過不同長度路徑并有少許不同頻率的信號而引起的同時廣播干擾及衰減;
圖3是結合到本發(fā)明中用于在接收機側補償所接收無線電信號間的干擾及衰減的無線電系統(tǒng)中的無線電發(fā)射機及接收機的簡略方框圖;
圖4是說明傳送的無線電信號中的干擾及衰減的功能圖;
圖5是調制系統(tǒng)的離散時間模型圖，表明以時間T間隔采樣的接收信號(數據矢量[S(K)]及信道狀態(tài)矢量[H(K)];
圖6是表明每個接收信號幀中引示符號與數據符號間的關系圖;
圖7是表明由發(fā)射機執(zhí)行的步驟流程圖，這些步驟用于將帶數據符號的多個引示符號包括在調制和發(fā)送的每一幀中;
圖8是表明接收機執(zhí)行的用于從受衰減和干擾的接收信號中恢復數據的邏輯步驟的流程圖;
圖9是現有系統(tǒng)中也是用引示符號對衰減和干擾進行補償時不同均方根延遲下的BER與信噪比(SNR)的關系圖;
圖10是本發(fā)明的不同均方根延遲下的BER與SNR的關系圖。
如在前面所述，無線電接收機受到若干種類型的衰減和干擾。當直接信號淡入淡出接收機時便出現平滑衰減。兩種其它類型的衰減是由多個信號干擾所引起，這些干擾包括分別如圖1和圖2中框圖20和32所示的多路和同時廣播干擾。在原理性框圖20中，發(fā)射機22通過天線24發(fā)射RF信號，該信號沿路徑td直接傳播到天線28，再耦合到接收機30。此外，來自發(fā)射機22的信號也沿路徑tr傳播，并受諸如建筑物的人造物體或諸如大山26的自然物體反射。該反射后信號沿路徑tr′傳送到接收機30的天線28。沿路徑tr′傳播的信號和沿路徑td傳播的直接信號可隨著天線28處的信號間的相位關系而發(fā)生干擾。由于反射的和直接的無線電信號經過不同的路徑長度，在兩個信號之間會出現相位偏移和增益變化。如果這些反射的和直接的信號有180°相位差，則由接收機30解調的信號中出現最大衰減。
同樣地，如圖2中原理性框圖32所示，供有同樣輸入信號的第一同時廣播發(fā)射機22a和第二同時廣播發(fā)射機22b分別沿路徑tda和tdb發(fā)射相應的線性調制的RF信號到接收機30的天線28。這些標稱值相同的RF信號每一個所經距離和兩個信號頻率的少許差異會造成天線28上的相位差，使接收機30解調出的信號發(fā)生衰落，這非常類似于圖1所示多路實例中信號的干擾和衰減。再者，平滑衰落和多路干擾會與同時廣播干擾結合，雖然沒有具體示出，但它們進一步惡化了接收機30的衰落問題。
本發(fā)明的最佳實施例公開了在用于恢復接收機處受上述三種衰減的同時廣播傳呼數據的一種應用。該方法特別適用于線性調制，例如16線正交幅度調制(16QAM)系統(tǒng)中。在說明實現本發(fā)明的裝置和方法時，采用每一線中帶獨立塞利衰減的兩線模型，因為該信道模型由電信業(yè)協(xié)會(TIA)為評估北美數字蜂窩式系統(tǒng)性能而設。根據該信道模型，如果S(t)為發(fā)射的復雜包絡，相應的接收到的基帶信號r(t)可由以下表達式定義r(t)＝f(t)s(t)+g(t)g(t-d)+w(t)(1)其中，f(t)、g(t)和w(t)是全部獨立的復雜高斯過程，而d是兩個傳播路徑之間的相對延遲。具體地說，如圖4所示，f(t)和g(t)一表示衰減，而w(t)表示信道附加白高斯噪聲(AWGN)。在該圖中，由線120表示的復雜包絡s(t)沿分離路徑122和124發(fā)送，其中每一個分別受乘法方框126和128的衰減過程f(t)和g(t)。受衰減并沿路徑130發(fā)送的信號加到接收機天線的其它信號上(用加法器140的信號累加表示)，包括通過受延遲d的路徑132的信號，如方框134所示。產生的延遲信號通過路徑136并在加法器140中與通過路徑130的信號和用w(t)表示的AWGN累加，該AWGN表示為線路138上傳送的輸入信號。加法器140組合這些信號，將接收到的復雜包絡r(t)提供給接收機30進行解調，如線142所示。本發(fā)明提供處理接收到信號r(t)，以恢復原始傳送數據的電路和方法，不處理的話會由于衰減和/或接收信號間的干擾而遭受嚴重BER和傳輸信息的損失。
現參照圖3，按照本發(fā)明的用于對衰減及干擾作補償的無線電系統(tǒng)總的用標號38示出。無線電系統(tǒng)38包括接收機40和一個或多個發(fā)射機42，(圖3中僅示出一個發(fā)射機42)。發(fā)射機42包含產生發(fā)送到接收機40的多個數據符號的數據源44。此外，引示符號發(fā)生器46在由數據源44產生的多個數據符號之前產生多個組合成一塊的引示符號。后面跟隨多個數據符號的該引示符號塊包含一幀發(fā)送信號。
圖6示出M(總數)個符號的示例性幀170它包括(2L+1)個引示符號174，范圍從P(-L)到P(L)以及(M-(2L-1))個數據符號172。每個后繼幀178(圖6僅示出后繼幀中的一部分)同樣包括一塊(2L+1)引示符號174和多組(M-2L-1)個數據符號172。
數據源44的波特率同樣加到數據源44和引示符號發(fā)生器46，使得M符號連續(xù)幀的發(fā)射總波特率基本恒定。數據源44通過線48耦合到受控于計時器(或計數器)52的邏輯開關54。作為每一幀中符號M的總數、每一幀中引示符號174與數據符號172的相對數的函數，計時器52改變邏輯開關54的狀態(tài)，即在數據源44和引示符號發(fā)生器46之間選擇以確定在連續(xù)幀部分期間所發(fā)射符號類型。所選符號從邏輯開關54送到組幀塊56，對將發(fā)送的M個符號的幀進行編輯。每個相繼幀178在線路58上順序傳送到發(fā)射機42的調制器60。調制器60以數據和標引符號調制載波信號，由此產生的調制信號通過線路62傳送到與發(fā)射天線66耦合的發(fā)射機功率放大器64。
包含引示符號和數據符號的調制幀從發(fā)射天線66幅射出去。在圖3中以“閃電線(lightningbolt)68”圖形標示的雷利(Rayleigh)衰減信道1表示由接收天線72最終接收信號所受衰減的作用。同樣，同時廣播的雷利衰減信道2(用“雷電70標示)表示從另一發(fā)射機發(fā)射的信號和/或從發(fā)射天線66發(fā)射后經人造或自然物體反射的信號所經過的衰減。兩個雷利衰減信道間的干擾能引起顯著衰減，使得難以用常規(guī)接收機恢復傳送的數據符號。然而，接收機40包括利用由引示符號發(fā)生器46和發(fā)射機42所產生的引示符號來恢復受衰減和干擾影響的數據符號的電路，從而基本補償這些不希望的效應。
接收天線72耦合到接收機解調器74，該解調器解調信號r(t)，產生一個解調信號rk。該解調信號rk通過線路76輸入到電路36。在該最佳實施例中，電路36包含數字信號處理器。線路76上的解調信號送到邏輯開關80，該開關80受控于與各發(fā)射機42中計時器52同步的計時器(或計數器)78(至少就確定分別包含引示符號和數據符號的每個幀及其部分的時間長度而論)。計時器78使邏輯開關80使接收到的解調信號的引示符號部分偏向到與信道估值器96耦合的線路86，將每一幀的數據符號部分轉換到與延遲塊84耦合的線路82。這樣，邏輯開關80從每個接收幀的數據符號中分離出引示符號。
在該最佳實施例中，延遲塊84將數據符號的連續(xù)幀延遲K/2個數據幀。該延遲允許加到每個幀中連續(xù)數據符號估值的信道脈沖響應的插入，以對補償快速衰減(快速衰減定義為以出現速率超過100Hz的衰減)以及為同時廣播信號提供大于80μs的均衡，正如從以下說明中可顯見的。
在連續(xù)幀中數據符號被延遲塊84延遲的同時，信道估值塊96處理當前引示符號從而為當前2L+1個引示符號導出信道脈沖響應估值，并且當前2L+1個引示符號將為相繼和前面幀中的對應2L+1個引示符號的信道脈沖響應估值所利用。當前幀的信道脈沖響應估值通過線路98傳送到緩沖器100以在其內暫存。緩沖器100存儲通過線路102輸入到內插器92的K個信道脈沖響應估值。插入的信道脈沖響應估值用K個信道脈沖響應估值來確定，后者包括來自前面幀的K/2個信道脈沖響應估值和來自當前和后繼幀的K/2個信道脈沖響應估值。然后以插入的信道脈沖響應估值對來自延遲塊84的延遲數據符號進行處理以恢復受衰減的數據符號。
插入器92執(zhí)行相當直接的插入操作以便在恢復數據符號中獲得較大精度。在最優(yōu)條件下，接收到的信號受相當慢衰減。慢速衰減條件意味著加到幀中每一個數據符號的信道脈沖響應估值在該幀的時間區(qū)間里基本不變。然而，高達100Hz以上衰減速率是經常的，這會造成顯著不同的信道脈沖響應估值與應加到幀中較后數據符號相比，加到該幀中早先的數據符號上。為適應快速改變信道估值以及使快衰減期間從接收到信號恢復的數據的BER最小，重要的是在每個幀期間將信道脈沖響應估值的插入應用到數據符號上。在最簡單情形下，可應用正好在待處理數據之前和之后的幀中的引示符號的信道脈沖響應估值以對該幀每個數據符號插入一信道脈沖估值。然而，可通過使用待處理數據符號幀之前和之后的兩或三個幀的信道脈沖響應估值獲得顯著較低的BER。
本發(fā)明中的插入器92，不同于以前討論的現有技術的系統(tǒng)，而是使用預定的信道特性來產生適當的插入信道脈沖響應估值，并加到待處理幀中每個數據符號中。這些預定義的信道特性包括信道多普勒衰減頻率，接收機40干擾信號的相對信號強度，彼此相互影響的接收信號之間的傳播延遲差。干擾信號間的頻率偏移(在同時廣播的傳呼系統(tǒng)中最有可能出現，因為每個同時廣播發(fā)射機的頻率與該系統(tǒng)其它同時廣播發(fā)射機的頻率有些微差別)以及接收信號的信噪比。理論上，最好實時確定或測量這些信道特性的每一個，以使所涉及具體特性的當前值可為插入器92所用。利用目前技術，這種實時確認信道特性在經濟上并不可行。但是，如果不管成本，可用比本最佳實施例設計所用的更快更昂貴的處理器來實時對信道特性作估算。因此，目前最佳實施例對所用的這些信道特性的每一個使用預定的最壞狀況值來確定為待處理幀中每個數據符號所用的插入的信道脈沖響應估值。
插入器92通過線路104耦合到譯碼器106。譯碼器106將由插入器92確定的插入值加到待處理幀的延遲數據值，從而通過對衰減或干擾的補償恢復原始發(fā)送數據。如果原始發(fā)送數據是模擬數據，則不將譯碼器106的輸出耦合到數據塊110，而是耦合到數/模變換器(DAC)112，以接收已譯碼數據。DAC112將數據變換為模擬信號，如框116所指示，通過線路114輸出。
衰減處理是信道特性的函數。因此在確定插入信道脈沖響應估值加到數據符號(如上述)時，本發(fā)明考慮信道特性。以下文字說明這些信道特性如何進入該過程。參考圖4，兩個衰減過程f(t)和g(t)的自相關函數用以下兩個等式表示R_ff_(t′)＝P_ffJ(2πFdt′)exp(j2πFlt′) (2)R_gg_(t′)＝P_ggJ(2πFdt′)exp(j2πF2t′) (3)其中P-ff和P-gg是兩個隨機衰減過程的差異(variances)(對應于功率)，Fd是最大或最壞情況下的多普勒頻率，J(2πFdt′)是零階Bessel函數，t′是自相關函數的變量，F1和F2是兩個接收信號的頻率偏移(相對于接收機)。
與兩線衰減模型關聯的標稱化均方根延遲傳播用下式給出S =ba1 + a( 4 )]]>
其中a是功率分離比率，可用下式定義a＝ (P_ff)/(P_gg) (5)等式(4)中數值b可用下式定義，并相對傳播延遲規(guī)范化b＝ (d)/(T) (6)其中T是符號間隔(即1除以該波特率)。
按照數字蜂窩式系統(tǒng)的TIA規(guī)格，一種調制方案應能處理至少20ms的均方根延遲傳播。假設這種系統(tǒng)的波特率近似為25000波特，則用等式(4)定義的傳播因子S應為0.5。如在衰減信道間有相等的功率分割(最壞情形)，那么該調制方案應能處理長達兩個符號間隔的傳播延遲差異2T(對應于在同時廣播傳呼系統(tǒng)中提出的需求，其中延遲100μS是可能的)。
在最佳實施例中，由接收機40以信號發(fā)送的相同波特率采樣接收信號r(t)。然而，應注意到，也可選擇使用其他采樣頻率(例如，發(fā)送波特率的整數倍)。由于在每個信道中發(fā)生頻率選擇性衰減，因此，所接收樣本r(k)可寫成以下形式r(k)＝[S(k)][H(k)]+n(k)(7)其中＝[s(k)，s(k-1)，…，s(k-L)](8)是第K個數據矢量，s(k)是第K個數據符號，[H(k)]＝[h(k，0)，h(k，1)，…，h(k，L)](9)是第K個信道狀態(tài)矢量，n(k)是第K個濾波噪聲項，而L是該信道的存儲器。
在等式(9)中，[h(k，)]′值是一組相關的，零均值的、復式高斯變量，其相關函數由3個參數確定，這些參數包括等式(2)和(3)中給出的信道衰減過程的自相關函數，由發(fā)射機42發(fā)送的脈沖形狀以及采樣時刻。
圖5描繪了數學上由等式(7)定義的衰減模型。圖5中，用于一串數據符號s(k)到s(k-L)的調制系統(tǒng)和衰減過程的離散時間模型由線156標識，它如框158指出的樣本時間T為間隔出現。每個數據符號被相應的信道狀態(tài)矢量單元h(k，0)到h(k，L)相乘，用乘法器154表示，所產生的數值在加法器162中累加在一起，由線160所表示，噪聲項由線164表示，形成在線166上傳遞的接收信號r(K)。
發(fā)送預定義引示符號組的目的是為每個引示符號塊作出信道狀態(tài)或脈沖響應估值。由于發(fā)射機在每個幀中發(fā)射預定義的引示符號組或塊，因此衰減效應很容易由相對于期望(預定義的)引示符號的所接收引示符號的性質指示。
如果我們假設信道衰減足夠慢，以致信道狀態(tài)矢量[H(K)]在相繼時間間隔(0，LT)內基本不變，并且，如果忽略噪聲項n(k)，則顯然可在同樣時間區(qū)間內將接收到樣值矩陣被相應數據矢量[S(K)]的逆相乘來獲得信道狀態(tài)矢量的估值。然而，由于確定矢量[S(K)]的所接收數據樣本在該區(qū)間是未知的，因此必須依賴已知的預定義引示符號。在該最佳實施例中，對總數為M個符號的每幀發(fā)送總數為2L+1的引示符號。對帶有相當慢衰減的信道，數值M可以相當大。作為一相當粗略的說法，M應小于1/(2FdT)。在最佳實施例中，已經實驗判定對值(FdT)等于0.01時M的合理選擇大約為35。然而，以這種衰減速率，在一個幀的時間區(qū)間內，信道響應顯著變化，即我們不再處理慢速衰減。結果，幀起始處的數據符號可受到顯然不同于幀末尾處的信道脈沖響應。所以，將從K個周圍引示符號塊獲得的信道脈沖響應估值的插入用于獲得加到每一幀內不同時刻處的相繼數據符號的精確插入的信道脈沖響應估值是必不可少的，(如下面就要說明)。
盡管認識到慢速衰減情形并不代表典型的實際世界衰減條件，但首先在慢速衰減環(huán)境下考慮該問題仍是有幫助的。對慢速衰減，顯然可在信道L的存儲中將引示符號矩陣[P]定義如下P(O)P(-1)...P(-L)P(1)P(0)...P(-L-1)[P]=............(10)P(L)P(L-1)...P(0)[P]的逆變換由下式表示[Q]＝[P]-1(11)這樣，對低速衰減，在時間區(qū)間(0，L)上的信道脈沖響應估值定義為＝[Q][r](12)其中[r]＝[r(0)，r(1)，...r(L)]′，其中r(K)為第K個接收樣本。
直觀地看，在每個幀中發(fā)送的預定義引示符號序列應這樣來選擇以使信道脈沖響應估值錯誤為最小。對等于1或3的信道存儲器L，存在“完全”的引示符號序列，使信道脈沖響應估值中的均方根誤差最小。然而，如果選擇其它非完美的引示符號序列，則可通過適當選擇引示符號序列來使該誤差最小。
在表格1中，示出用于存儲器長度L等于1到6的兩種線性調制類型的引系符號序列。在下表中示出的示例性引示符號序列的兩種類型的線性調制包括π/4正交相移鍵控(QPSK)和160QAM。
在以上表格1中，列出的最優(yōu)引示符號序列是基于這樣一種假設，即同一塊內的所有引示符號具有相同的相位角。為避免光譜峰值，引示符號的相位角應以偽隨機方式逐幀變化。在表格1中以星號指示最優(yōu)序列(誤差最小)。
在判定表格1所示引示符號序列時，大于6的信道存儲器不作考慮，這是因為接收機40吞吐量的限制。如果我們考慮多普勒頻率為發(fā)信頻率的0.5%的場合，最大幀尺寸大約為100個符號(M)。當L等于6，每個幀所需引示符號個數等于13，導出大約為容量87%的最大流通量。雖然，理想的信道存儲器L至少應和無線電系統(tǒng)中所用的截斷的奈魁斯特脈沖間隔一樣長，該數字太大以至不能在不形成整體低效率時使用。因此，實際上L應限制為6或應用本引示符號技術的較少符號。由于未使用引示符號的最優(yōu)數，使用該技術對衰減補償中的些微降級導致該無線電系統(tǒng)SNR的成比例下降。
由于大多數無線電系統(tǒng)，尤其是同時廣播傳呼系統(tǒng)，受到接近甚至超過100Hz的快速衰減速率，本技術使用插入來確定加到幀中每個數據符號的插入信道脈沖響應估值。更重要的是，如上所說明，插入器在執(zhí)行插入時考慮預定義最壞場合的信道特性，從而產生顯著改進的插入信道脈沖響應估值，與現有技術相比該估值被加到正在處理的幀中的每個數據符號上。這些最差信道特性通過信道建模來確定。
假設一種離散的多路傳播模型，[H(K)]的協(xié)方差矩陣定義成RHH(k，k)＝ 1/2 [H(k)][H(k)] (13)其中等式(13)中的橫杠表示統(tǒng)計均值，而[H(K)]′是[H(K)]的共軛轉置。該協(xié)方差矩陣RHH(K，K)是4個信道參數的函數，這4個參數包括最大多普勒頻率(也稱為衰減速率)，不同傳播路經(多路經傳播)的接收信號強度，不同路徑的傳播延遲差異，而在同時廣播信號情形下，從不同發(fā)射機42發(fā)射的信號之間的頻率偏移。此外，等式(13)定義的函數也取決于該無線電系統(tǒng)中所用脈沖形狀。不同時間的信道狀態(tài)矢量是相關的，例如可用[H(m)]的共軛轉置替代等式(13)中[H(K)]的共軛轉置來獲得[H(K)]和[H(m)]之間的關聯。
從接收到的引示信號的每一幀中，導出該幀中影響引示符號塊的信道狀態(tài)矢量的估值。一幀中任何給定數據符號的信道狀態(tài)矢量是通過插入該K(或2N)信道脈沖響應估值來獲得，它們可從接收到的引示符號塊，從包圍待處理幀的幀中導出。對給定信道參數組以及一個幀內給定的數據符號位置，存在一個最優(yōu)的插入信道脈沖響應估值，該估值如下所述加以確定。
給出如上所述的條件，其中每個幀中有M個符號，2L+1是引示符號，假設第一引示符號起始于時間-L，從第K個引示符號塊中導出的信道脈沖響應估值[V(K)]可由以下等式確定[V(k)]=[E(k)]+Σi=oL[M(i)][H((k-N)M+i)]---(14)]]>其中矩陣[M(i)]，i＝0，1，...L是等式(11)中的[Q]和以0來代替[P]中的除了第i行的每一行所得到的矩陣的乘積。而且，矩陣[E(k)]是該估值的噪聲分量。兩個信道脈沖響應估值[V(k)]和[V(m)]之間的相關性定義為
其中，δ(k-m)是k＝m時的單位，[R(ee)]是噪聲矢量[E]的協(xié)方差矩陣，而RHH是兩個信道狀態(tài)矢量之間的相關性。
如果我們定義[U]等于[H(n)]，其中[H(n)]是時刻n的信道狀態(tài)矢量，則[U]和[V(K)]之間的相關性定義為
而[U]和信道狀態(tài)矢量
之間的相關性由下式給定 的協(xié)方差矩陣定義為
相關矩陣(R(VU)]和協(xié)方差矩陣[R(VV)]唯一地確定限定插入的信道脈沖響應估值的最優(yōu)插入器[F(opt)]如以下等式所指出＝[R(uv)][R(vv)]-1(19)在等式(19)中，[R(uv)]是[R(vu)]的共軛轉置，[R(VV)]-1是[R(VV)]的逆向。該最優(yōu)插入器的大小是L+1行和K(L+1)列。此外，最優(yōu)插入器矩陣的每一行是信道狀態(tài)矢量各個分量的插入值。而且，該最優(yōu)插入器特別依賴于數據符號位置n，因為[R(uv)]是n的函數。
從以矩陣乘法形式獲得一幀的該數據部分的信道脈沖響應[W]＝[F(opt)][V](20)其中，[F(opt)]是來自等式(19)的最優(yōu)插入器而[V]是信道狀態(tài)矢量。每個數據符號有一個這樣的操作，如果1.[W(i)]是第i個數據符號的信道估值;
2.r(i)是第i個數據符號的接收信號;和3.[S(i)]＝[S(i)，...S(i-L)]是等式8定義的數據矢量，那么，該最優(yōu)譯碼器可選擇數據矢量[S]＝[S(L+1)，...S(M-L-1)]使以下表達式最小D([S])=Σi=L+1M-L-1|r(i)-[S(i)][W(i)]|2---(21)]]>其中r(i)是第i個接收到的數據符號，[W(i)]是第i個接收數據符號的插入信道脈沖響應，M是每個幀中數據符號和引示符號的總個數，L是該接收信號的信道脈沖響應的時間長度。執(zhí)行該功能的最優(yōu)譯碼器最好是Viterbi譯碼器，但降低復雜型，例如執(zhí)行M算法(如下文所討論)的一種可用在該最佳實施例中以減小處理開銷。
根據以上理論上的推導，顯然，兩個不同時刻RHH(K，m)的信道狀態(tài)矢量之間的相關取決于多普勒頻率或衰減率，兩個衰減過程中每一個的功率(或SNR)、所接收信號之間規(guī)范化傳播延遲差、以及兩種傳播路徑(在同時廣播的傳呼應用中)之間的頻率偏移。由于等式(19)中的最優(yōu)插入器[F(opt)]取決于相關度RHH(K，m)，顯然，本發(fā)明所用的最優(yōu)插入器也取決于這些預定義的信道參數。
總的來說，在本申請中所使用的用以插入信道脈沖響應加到被處理幀的數據符號的最優(yōu)插入器是通過考慮信道特性而確定的，其確定包含6個步驟(1)根據發(fā)送/接收脈沖形狀以及多路信道期望的最大延遲差(限定為考慮處理效率和時間)來確定離散時間信道L的存儲器;(2)根據為L所選的值，例如使用表格1所示序列之一確定一個最優(yōu)引示符號序列;(3)使用所選引示符號序列，如上所說明確定矩陣[P]、[Q]、[R(ee)]和[M(i)];(4)根據L的數值，確定傳輸中使用的脈沖形狀，無線電信道中信號傳播的期望(或最差)路徑數，信道狀態(tài)矢量的每一個分量的精確表達式;(5)根據期望(或最差)多普勒頻率，到達接收機不同線中期望(或最差)的信號強度分布以及從上述步驟獲得的結果來確定任意兩個信道狀態(tài)矢量之間的相關，如等式13所指示;以及(6)使用在前面步驟計算出的。相關矩陣和第三步驟計算出的矩陣，確定給定數據符號的最優(yōu)插入器。
為確定在前面確定最優(yōu)插入器過程中使用的信道特性，可為預定義條件建立信道模型，或根據基于已知信號傳播因子的模型來確定最差條件。一旦定義了用于確定最優(yōu)插入器的限制條件或預定義信道參數，這些限制便存儲到DSP36現成存儲器中以便被插入器塊92所使用，確定加到每個連續(xù)數據符號的適當的插入信道脈沖響應估值作為這些信道脈沖響應估值的函數和前面的及后面的引示符號塊的函數。
除了等式20定義的最優(yōu)插入器，多項式插入器也可用于信道估值。這些多項式插入器的階數簡單地就是初始信道估值處理中所用的引示符號塊K的個數。由于K取決于衰減頻譜的模型和最大多普勒頻率fd，該多項式插入器也是信道特性的函數。當使用這些多項式插入器時，可獨立插入信道脈沖響應的不同分量。
譯碼器106通過判定以上等式(21)定義的表達式D([s])的最小值從一組可能的數據矢量[S]值中選擇每個數據符號的數據矢量。為求出D([S])表達式的最小值，通常使用傳統(tǒng)的Viterbi譯碼算法。該Viterbi譯碼器的復雜程度可能很高。例如，在以上表達式中，若S(i)為4線，(即對QPSK調制)以及如果信道存儲量為6個符號(L＝6)則Vterbi譯碼器中狀態(tài)數為4096(46)，對Viterbi譯碼器每個數據符號需要16384(4×46)個平方距離計算。在20000波特的數據速率下，每秒需作327百萬次平方距離的計算。顯然，實時計算這許多參數是不可行的。然而，已開發(fā)出好幾種算法來降低該Viterbi算法的復雜度。M算法便是這樣一種降低復雜度的算法，該算法使表達式最小只保留集合[S]的M個狀態(tài)。如保留128個狀態(tài)，對QPSK需要每個數據符號最大數為512(4×128)個平方距離的計算。20000波特數據速率每秒需最大為10.24百萬個平方距離計算，這對目前可用的處理器是更為實際可得到的處理負荷。減少保持的狀態(tài)數可進一步減少所需計算數，這樣該算法的處理需求可適合于處理器能力。
該Viterbi算法理論上是最優(yōu)因它始終選擇具有最小二乘方誤差的集合[S]。相反，M算法是次最優(yōu)的，因為它不能始終選擇是最小二乘方誤差的集合[S]，然而，M算法的性能接近于Viterbi算法，而只需很小的處理功率。由于這些原因，該最佳實施例使用降低復雜度的M算法來實現Viterbi譯碼器。
作為一種可供選擇的方案，譯碼器106可包含后接判定裝置的均衡器。在本發(fā)明的一種最佳可選形式中，使用判定反饋均衡器。也可考慮采用基準符號均衡器取代或與該判定反饋均衡器組合來實現譯碼功能。
與使用引示符號來補償衰減的現有技術相比較，本發(fā)明的優(yōu)點通過比較圖9和圖10是明顯的。在圖9中，本發(fā)明背景部分所述現有技術系統(tǒng)用于對衰減和干擾進行補償。在該現有系統(tǒng)中，并無為根據期望的或最差條件信道特性進行信道脈沖響應估值的插入配置。結果，對兩個25μs衰減信號間的均方根延遲傳播以及30dB的SNR比而言期望的BER大約為1×10-1。在比較中，如圖10所示，本發(fā)明提供大約為10-5的BER。同樣顯然的是，至少在所示的有限范圍的均方根延遲傳播中，BER隨均方根延遲的增加而減小，這與現有技術相反，在現有技術中，BER隨均方根延遲傳播增大而增大。
在圖7的流程圖190中表明為對相繼幀中帶多個引示符號的發(fā)送信號進行編碼，發(fā)射機42所執(zhí)行的邏輯步驟。流程圖190起始于開始框192，進到框194，從輸入信號中獲得數據的附加塊。在框196中，將一組引示符號附加到數據符號以形成一幀。然后在框198中由發(fā)射機42對該幀進行調制。判定框200判定有無更多數據，即，是否還存在輸入數據來采樣和調制，如是，測返回到框194，輸入附加數據。如否，則邏輯進到停止框202。
在圖8中，流程圖210表明接收機40處理所接收信號時所執(zhí)行的步驟，所述接收信號受到可能由于或者多路經干擾和/或同時廣播干擾而簡單衰減或衰落的影響。從開始框212，邏輯進到框214，對接收到信號解調。此后，框216將每一幀中的所接收引示符號從數據符號中分離出來產生相應引示信號和數據信號。
在框218中，將數據信號延遲K/2幀。然后引示信號在框220中被處理以確定信道脈沖響應估值?？?22緩沖信道脈沖響應估值，提供暫時存貯，允許使用來自正處理的數據符號當前幀之前和之后幀的引示符號插入引示信號。
然后框224如上所述插入信道脈沖響應估值，以便確定適當的插入信道脈沖響應估值，加到正處理幀的每個數據符號上。在框226中，通過用插入信道脈沖響應估值對延遲數據的處理來對數據譯碼，所述估值應適當地加到該幀每個連續(xù)數據符號上。判定框228判定是否還有數據要處理，如果否，進至框236，中止處理。否則，邏輯進到框230，用下一幀的數據符號刷新該延遲的數據信號?？?32則對該幀刷新信道脈沖響應估值，而框234從框216開始處理的接收信號中獲得一個新幀。
盡管已示出并描述了本發(fā)明最佳實施例，但應理解在不偏離本發(fā)明精神和范圍情況下可能作出各種各樣修改。未包含在本發(fā)明上述實施例中的性能由所附權利要求書確定。
權利要求
1.一種無線電系統(tǒng)中用于接收機對來自至少一個發(fā)射機的傳播信號的衰減進行補償的電路，所述信號以數據幀傳送到該接收機，所述電路包含(a)引示符號發(fā)生裝置，耦合到該無線電系統(tǒng)中的發(fā)射機，用于產生發(fā)送到無線電系統(tǒng)中接收機的每個數據幀中的預定義的多個引示符號；(b)分離裝置，耦合到用于接收信號輸入的接收機，用于從每個數據幀中多個數據符號中分離多個引示符號，產生包含所述多個引示符號的引示符號信號和包含所述多個數據符號的數據信號，所述引示信號和所述數據信號彼此分開；(c)延遲裝置，耦合以接收數據信號，用于將來自當前幀的數據信號延遲到接收到來自至少一個后繼幀的引示符號信號之后，從而所述延遲裝置產生延遲數據信號；(d)引示信號處理裝置，耦合以接收引示符號信號，用于對所接收信號每幀中多個引示符號判定估算的信道脈沖響應；(e)插入濾波裝置，為接收每個數據幀的估算的信道脈沖響應而耦合，包括用于存儲來自至少一個前面幀的估算信道脈沖響應，所述插入濾波裝置將估算信道脈沖響應值插入在當前和前一個幀之間，作為信道特性的函數，確定一幀中每個數據符號的插入的信道脈沖響應；以及(f)譯碼器裝置，為接收插入的信道脈沖響應和延遲的數據信號而耦合，用于恢復發(fā)送到接收機的作為插入的信道脈沖響應和延遲數據信號函數的數據，從而基本補償所接收信號中的衰減和干擾。
2.如權利要求1所述電路，其特征在于，所述分離裝置包含用于抽取每幀的一部分用于引示符號信號的時序裝置，作為每幀中多個引示符號在接收信號中暫時出現期間的一個預定時間區(qū)間的函數，然后抽取接收信號每一幀的時間余量以產生該數據信號。
3.如權利要求1所述電路，其特征在于，分離裝置、延遲裝置、引示信號處理裝置、插入濾波裝置和譯碼裝置包含數字信號處理器。
4.如權利要求1所述電路，其特征在于，譯碼器裝置為每個數據符號從數據矢量[S]的一組可能值中，通過在對該組中每個數據矢量表達式估算后判定表達式D([S])的最小值，選出一個數據矢量，該表達式定義為D([S])=Σi=L+1M-L-1|r(i)-[S(i)][W(i)]|2]]>其中r(i)為第i個接收數據符號;[W(i)]是第i個數據符號的插入的信道脈沖響應;M是每個幀中數據符號和引示符號的總數;和L是所接收信號的信道脈沖響應的時間區(qū)間。
5.如權利要求4所述電路，其特征在于，所述譯碼裝置包含Viterbi譯碼器，用于最優(yōu)選擇集合[S]。
6.如權利要求4所述電路，其特征在于，譯碼裝置包含通過執(zhí)行具有次最優(yōu)性能的降低復雜度形式Viterbi算法來確定集合[S]的Viterbi譯碼器。
7.如權利要求1所述電路，其特征在于，衰減是由于通過不同傳播路徑到接收機的至少兩個信號的干擾;插入濾波裝置包含矩陣運算器，用于確定作為表示信道特性矢量和從接收引示符號導出的信道脈沖響應估值矢量的矢積的函數的插入的信道脈沖響應。
8.如權利要求1所述電路，其特征在于，譯碼裝置包括均衡器和判定裝置。
9.如權利要求1所述電路，其特征在于所述插入濾波裝置使用從一組中選出的信道特性，該組包括(a)多普勒衰減頻率;(b)接收機干擾信號的相對信號強度;(c)干擾信號之間的傳播延遲差異;(d)干擾信號之間的頻率偏移;以及(e)接收信號的信噪比。
10.如權利要求9所述電路，其特征在于，根據接收信號間衰減和干擾最壞情況下來選擇信道特性。
11.一種接收機用于對來自至少一個發(fā)射機的傳播信號的衰減進行補償的方法，所述信號作為數據幀傳送到接收機，所述方法的特征在于包含以下步驟(a)在每個發(fā)送到無線電系統(tǒng)中接收機的數據幀中產生預定的多個引示符號，每一幀還包括多個數據符號;(b)從每個數據幀的多個數據符號中分離多個引示符號，產生彼此分離的引示符號信號和數據信號;(c)將當前幀的數據信號延遲到接收到來自至少一個后繼幀的引示符號信號之后，從而產生一個延遲的數據信號;(d)從接收信號每一幀中多個引示符號判定估算的信道脈沖響應;(e)存儲來自至少一個先前幀的估算的信道脈沖響應;(f)將估值信道脈沖響應的值插入在當前的和前面的幀之間，以確定作為信道特性函數的幀中每一數據符號的插入的信道脈沖響應;以及(g)恢復發(fā)送到接收機的作為插入的信道脈沖響應和延遲的數據信號函數的數據。
12.如權利要求11所述方法，其特征在于，從每個數據幀分離多個引示符號的步驟包含為引示符號信號抽取每一幀作為每個幀多個引示符號在所接收信號中暫時出現的預定時間區(qū)間函數的一部分，然后抽取數據信號的接收信號每一幀的時間余項的步驟。
13.如權利要求11所述方法，其特征在于，衰減是由于通過不同傳播路徑到接收機的至少兩個信號的干擾，插入步驟包括確定作為表示信道特性矢量和從接收到引示符號導出的信道脈沖響應估值矢量的矢量積的一個函數的估值信道脈沖響應的步驟。
14.如權利要求11所述方法，其特征在于，插入步驟包含對幀中每個數據符號判定相應插入信道脈沖響應[W]，它定義為[W]＝[F(opt)][V]其中[F(opt)]是作為信道特性函數判定的最優(yōu)插入器矩陣，以及[V]是包含從多個幀中多個引示符號導出的估算的信道脈沖響應值的矢量。
15.如權利要求11所述方法，其特征在于，插入步驟使用從以下組中選出的預定信道特性(a)多普勒衰減頻率;(b)接收機干擾信號的相對信號強度;(c)干擾信號之間的傳播延遲差異;(d)干擾信號之間的頻率偏移;以及(e)接收信號的信噪比。
16.如權利要求11所述方法，其特征在于，根據接收機接收的信號間衰減和干擾的最壞情況下來預定義和選擇信道特性的數值。
17.如權利要求11所述方法，其特征在于，恢復數據的步驟包括為每個數據符號從數據矢量[S]的一組可能值中通過在對組中每一數據矢量估算表達式之后確定表達式D([S])的最小值選擇一個數據矢量的步驟，所述表達式定義為D([S])=Σi=L+1M-L-1|r(i)-[S(i)][W(i)]|2]]>其中r(i)為第i個接收數據符號;[W(i)]是第i個數據符號的插入的信道脈沖響應;M是每個幀中數據符號和引示符號的總數;以及L+1是所接收信號的信道脈沖響應的時間區(qū)間。
18.如權利要求17所述方法，其特征在于，[W(i)]等于最優(yōu)插入矩陣[F(opt)]和估算信道脈沖響應矢量[V]的矢量積，而[F(opt)]定義為[F(opt)]＝[R(uv)][R(vv)]-1其中[R(UV)]是相關矩陣，[R(VV)]是協(xié)方差矩陣，V是包含從多個幀的多個引示符號導出的估算的信道脈沖響應值的矢量，以及U是實際的信道脈沖響應。
19.如權利要求18所述方法，其特征在于，最優(yōu)插入矩陣[F(opt)]包括L+1個插入器，所述矩陣的每一行包括不同插入器，所述插入步驟包含將估算信道脈沖響應被所述L+1個插入器中每一個相乘的步驟。
20.如權利要求18所述方法，其特征在于，多個數據符號組合在一起，相同最優(yōu)插入器矩陣[F(opt)]對一組中每一數據符號運算，從而減少插入器系數的存儲。
21.如權利要求11所述方法，其特征在于，恢復步驟包含對其在預定范圍內發(fā)射的位出錯率隨接收機接收的干擾信號之間的差分延遲增加而降低的數據進行譯碼的步驟。
22.如權利要求11所述方法，其特征在于，所接收信號傳送基本同時來自不同發(fā)射機的相同數據，所述插入步驟對由于所述信號間干擾所引起的衰減進行補償。
全文摘要
補償無線電信號的衰減和干擾的方法和裝置。將引示符號加到數據符號以形成在發(fā)射機調制的連續(xù)幀。該調制信號由于簡單衰減和多路及同時廣播干擾而遭受數據損失。接收機對接收到信號進行解調和處理，以提供包含數據符合和含引示符號的引示信號的數據信號。將該數據信號延遲足夠時間以便信道脈沖響應估值由引示符號的連續(xù)塊構成通過內插實現衰減和干擾的補償，以改善恢復數據的位出錯率。
文檔編號H04B7/005GK1093847SQ94100280
公開日1994年10月19日 申請日期1994年1月5日 優(yōu)先權日1993年1月6日
發(fā)明者R·F·馬切托, T·A·施圖爾特, P·K·-M·何 申請人:格倫內勒電子有限公司