專利名稱：正交頻分復用系統中的信道解碼裝置和方法
背景技術：
1、發明領域本發明涉及一種OFDM(正交頻分復用)通信系統，特別涉及一種使用MAP(Maximum A Posterior，最大后驗)算法的信道解碼裝置和方法。
2、相關技術描述近來被使用在有線和無線信道中高速數據傳輸的OFDM是一種將串行碼元序列轉換成并行碼元序列、并在傳輸前使用多個正交子載波(或子信道)進行調制的MCM(多載波調制)調制。
第一個使用MCM的系統是五十年代后期和六十年代早期的軍用HF(高頻)無線電鏈路。在七十年代，作為一種MCM的特殊形式的具有緊密空間和重疊頻譜的調制信號的子載波的OFDM技術被發展，但是，在多個載波之間獲得正交調制的挑戰性任務使OFDM系統的實施很困難。然而，在1971年，Weinstein和Ebert采用DFT(離散傅立葉變換)到并行數據傳輸系統中，作為調制和解調處理過程的部分，這大大地推動了OFDM的發展。通過由周期性的前導碼表示的插入保護間隔的引入，進一步減少了多徑衰落和延遲的影響在OFDM系統中蔓延。因而，OFDM在象DAB(數字音頻音廣播)、數字電視廣播和WATM(無線異步傳輸模式)這樣的數字傳輸中越來越被應用。由于硬件復雜，OFDM還沒有被廣泛應用，現在，它普遍地與包括FFT(快速傅立葉變換)和IFFT(逆快速傅立葉變換)的先進數字信號處理技術一起使用。OFDM與FDM(頻分復用)類似，它確保了在傳輸過程中多個子載波的正交性。因而，由于頻譜疊加，頻率使用效率高，抑制頻率選擇性衰落和多徑衰落，使得在高速數據傳輸中達到最好的傳輸效率。而且，由于使用保護間隔，OFDM系統減少了碼元間干擾(ISI)，簡化了硬件中的均衡器，對脈沖噪聲表現出健壯性。因而，OFDM被廣泛地用在通信系統中。
圖1是典型的OFDM通信系統中發送機的方塊圖。參考圖1，當輸入信息數據時，編碼器(沒有畫出)使用一種預定的編碼方法對信息數據編碼。交織器在一個交織器中交織編碼的數據防止突發錯誤。被交織過的信息數據I(1，k)是串行數據。串并轉換器(S/P)111通過把串行信息數據I(l，k)按并行方式放置生成多個子信道。導頻插入器113生成預置的導頻碼元并把它們插入子信道，也就是，為在接收器的信道估計，從S/P111接收數據碼元。導頻碼元，也就是說，導頻子信道被安排在預定的傳輸位置上。導頻碼元插入將參考圖2說明。
圖2描述了一個在圖1中說明的導頻插入器113導頻碼元插入的一個例子，參考圖2，標號l表示突發索引，代表一個OFDM幀，標號k表示載波索引，其代表在OFDM幀中的子信道，即子載波索引。一個OFDM幀包括預定個數的碼元。例如，如果有16個子信道，一個OFDM幀包括16個碼元。如圖2，每Mt個OFDM幀，導頻碼元被插入。在一個OFDM幀中，導頻碼元的間隔是Mf個子信道。如果Mf＝8，Mf＝4，導頻碼元插入第一、第九、第十七OFDM幀，在每個OFDM幀，導頻碼元被插入第一、第五、第九子信道。
回到圖1，IFFT(逆快速傅立葉變換器)115是K點IFFT，其頻分復用導頻插入器113的輸出，并把結果信號il，n送給保護間隔插入器117。在子信道上傳輸的碼元的逆快速傅立葉變換碼元表示成il,n=EsNΣk=0N-1I(l,k)ej2πknN,0≤n≤N-1......(1)]]>這里，I(i，k)表示在第1個OFDM幀中的第k個子信道上傳輸的數據，il，n表示在逆快速傅立葉變換后的一個序列。
保護間隔插入器117插入一個保護間隔到信號中，即，從IFFT115接收的子信道，以減小ISI和IFI(幀間干擾)的影響。每個保護間隔包括預定個數的采樣，例如，NG個采樣。并串轉換器(P/S)119將從保護間隔插入器117接收的并行子信道信號轉換成串行序列，可以表達成 從P/S119的OFDM幀輸出由RF處理和發送。
OFDM幀的接收將在下面描述。圖3是典型的OFDM通信系統的接收機的方框圖。
假設信道傳輸如圖1所描述的發送機的輸出數據有由h(n)=Σi=0L-ihi.-δ(n-i)......(3)]]>
計算的脈沖響應。
這里，h(n)是信道特性。
參考圖3，經一個有這樣脈沖響應的信道接收的信號被施加作為S/P311的輸入。這個S/P311將串行輸入信號，也就是說，OFDM幀轉換成預定個數的并行OFDM碼元。這里，假設接收機以幀為單位接收OFDM信號。然后，保護間隔去除器313將保護間隔從并行OFDM碼元ri，n除去。ri,n=Σi=0L-ihi·il,n-i+wl,n.....0≤n≤N-1......(4)]]>這里，Wl，n是在信道傳輸過程中產生的噪聲分量。
FFT(快速傅立葉變換器)315將從保護間隔驅除器接收的OFDM碼元ri，n通過快速傅立葉變換轉換成多個子信道信號R(l，k)。R(l,k)=I(l.k)Σi=0L-1hie-j2πikN+1EsΣn=0N-1wl,nc-j2πikN-I(l,k),H(l,k)+W(l,k)Es......(5)]]>這里L應當小于保護間隔內的采樣個數NG，H(l，k)是信道增益。H(l,k)=Σi=0L-1hie-j2πikN........(6)]]>信道增益H(l，k)可通過對一個信道的L個脈沖響應做N點快速傅立葉變換得到。例如，L＝10，N＝64，前10個輸入使用脈沖響應，剩下的54個用零代替，對此執行快速傅立葉變換得到信道增益H(l，k).
為了從自FFT315輸出的信號R(l，k)檢測發送機發送的信息數據，接收機在信道估計器317使用導頻碼元估計信道增益H(l，k)。信號補償器/判決器319使用信道增益H(l，k)補償FFT315的輸出信號，然后用P/S312把信號轉換成串行數據。信道增益估計值H(l，k)和信息數據I(l，k)有下面的關系。H^*(l,k)R(l,k)=H^*(l,k)H(l,k)I(l,k)+H^*(l,k)W(l,k).....(7)]]>在公式(7)中，如果是PSK(移相鍵控)信號，可以得到信息數據I(l，k)。如果信息數據I(l，k)是MQAM(M相正交幅度調制)信號，它可以估計為|H(l，k)|2。
根據信道增益H(l，k)是子載波索引和突發索引之差的函數的概念，信道增益H(l，k)用導頻碼元來估計。也就是說，它根據公式p(m，q)＝E{H(l，k)H*(l-m，k-q)}，使用以預定間隔傳輸的導頻碼元，對數字碼元的信道增益估計。
在無線信道環境中，在典型的OFDM通信系統中的接收機使用有導頻碼元的導頻子信道來對信道增益估計，并通過使用信道增益估計值進行信道解碼來恢復原先的信息數據。如果信道增益估計值不正確，數據解碼的性能會嚴重惡化。信道估計值的準確度隨著導頻子信道的個數增加而提高。然而，由于導頻子信道只傳輸導頻，增加導頻子信道的個數會降低信息數據的傳輸效率。
因此，接收機使用有限的導頻子信道來對信道估計。這就意味著信道增益只能以有限準確度被估計，由于信道增益的有限準確度，信道估計性能被降低。特別地，在象與其它類型系統共享ISM(Industrial Science Medical，工業、科技、醫學)帶寬的無線區域網和未來的下一代微微小區(pico-cell)系統的信道環境下，由于鄰近系統的干擾，SINR(信干與干擾加噪聲功率比)會非常低，即使在惡劣的信道環境下，信道估計也應當準確。因為導頻子信道不可避免會受到信道環境的影響，導頻子信道的SINR將降低信道估計性能。
本發明的又一個目的是提供一種由MAP算法使用軟判決值改善信道估計性能的信道解碼裝置和方法。
本發明的進一步目的同時使用導頻碼元和數據碼元來改善信道估計性能的信道解碼裝置和方法。
為了實現上述目的，提供一種OFDM通信系統中的解碼裝置和方法。在OFDM系統中，一個給定頻率帶寬的信道以預定間隔分成彼此間隔開的許多子信道，導頻碼元在預定的子信道上傳輸，數據碼元在其它子信道上傳輸。信道估計器使用導頻碼元為每個數據碼元產生第一信道估計值，對數似然比計算器根據第一信道估計值計算出數據碼元的每一個信息比特的接收概率值。解碼器根據數據碼元的每一個信息比特的接收概率值，生成信息比特的估計概率值，然后，信道估計器根據數據碼元中信息比特的估計概率值為數據碼元生成第二信道估計值，并用第二信道估計值更新第一信道估計值。
在信道解碼方法中，使用導頻碼元為每個數據碼元生成第一信道估計值，每個數據碼元中的每個信息比特的接收概率值根據第一信道估計值計算，通過根據在信息比特接收概率值產生數據碼元信息比特的估計概率值并且軟判決信息比特，數據碼元被解碼，根據信息比特的估計概率值，為數據碼元產生第二信道估計值。用第二信道估計值代替第一信道估計值。
優選實施例詳細描述以下，參照附圖來詳細說明本發明的實施例。
圖4是按照本發明實施例的OFDM通信系統中的發送機方框圖。參考圖4，對于輸入信息比特{bt}411，卷積編碼器413通過以預定的編碼速率1/R進行卷積編碼對它們進行編碼，輸出卷積編碼信息比特{Dti}(i∈{0，1，2，…，R-1})到比特碼元轉換器415。例如，如果信息比特{bt}411是“aa”，編碼速率l/R等于1/4，卷積編碼信息比特{dti}是“aaaaaaaa”。盡管在本發明實施例中采用卷積編碼，其它的編碼方法也可以使用，例如turbo coding(快速編碼)和Reed-Solomon(里德-索羅門)編碼。
比特碼元轉換器415將每R比特的卷積編碼信息比特{dti}轉換成一個MQAM碼元Xt。顯然，PSK或其它的調制方式可以替代MQAM。
為了避免突發錯誤，交織器417交織MQAM碼元{Xt}。幀生成器419將交織的傳輸碼元按照子信道的個數分組。也就是，幀生成器419把連續的交織碼元分成MK碼元單元，生成M個連續的幀，每個幀包括K個子信道。這M個幀由要實際發送的信息比特得到，每幀中的K個子信道是信息比特的數據子信道。包括K個連續碼元的一幀在幀生成器419中被生成并輸出到OFDM調制器421。
OFDM調制器421通過S/P將從幀生成器419接收的串行幀信號調制成預定個數的并行信號，即子信道信號。為了初始信道估計值，導頻子信道被插入子信道。導頻子信道的插入位置是預置的，在OFDM通信系統中，發送機和接收機都知道。對數據子信道和插入的導頻子信道進行逆快速傅立葉變換，保護間隔被插入IFFT子信道之間，，其得到的串行OFDM幀{Xl，k}輸出。這樣的M個OFDM幀被連續地發送。Xl，k是第1個OFDM幀中的第k個子信道。
OFDM通信系統中的接收機使用從圖4描述的發送機接收到的傳輸信號進行信道估計和數據解碼。這將通過參考圖5來描述。
圖5是按照本發明實施例的OFDM通信系統中的接收機方框圖；聯系圖4的描述，M個連續的OFDM幀從發送機發送，從多個路徑通過預定個數例如A個天線(從天線#0到天線#(A-1))到達接收機。接收的OFDM幀加到OFDM解調器511的輸入端。盡管接收機接收到M個連續的幀，但是為了更清楚描述，描述以一個幀為基礎的信道估計和解碼。
OFDM解調器511輸出OFDM幀到S/P(沒有畫出)。S/P轉換器將串行的OFDM碼元轉換成預定個數的并行信號。保護間隔去除器(沒有畫出)從并行信號中去除保護間隔。FFT(沒有畫出)對從保護間隔去除器接收的并行信號作快速傅立葉變換，并把結果子信道信號送給延時器512和LLR(LogLikelihood Ratio，對數似然比)計算器515。延時器512將子信道信號延時預定時間，以和信道估計時間同步。這里，OFDM解調器511從A個天線的每一個上輸出k個子信道信號，用{Yl，ka}表示。{Yl，ka}是一個第k個子載波從第a天線傳輸的第1個碼元，也就是第1幀中的第k個子信道。
信道估計器513以圖3描述的方式僅僅使用幀信號中的導頻子信道，估計來自第a個天線的幀信號{Yl，ka}的信道增益{Hl，ka}，信道增益{Hl，ka}估計值是一個初始信道增益估計值。
LLR計算器515使用初始信道增益估計{Hl，ka}和信號{Yl，ka}計算在第k個子信道中的第1個碼元中的傳輸比特的LLR。LLR是第1個碼元的編碼比特的近似值。如果發送機發送信號X，接收機接收到信號Y，LLR就是X與Y比值的對數。LLR定義為L(Yl,k|dl,ki)=logPr(Yl,k|dl,ki=+1)Pr(Yl,k|dl,ki=-1).....(8)]]>這里Yl,k=[Yl,k0,Yl,k1,···,Yl,kA-1],]]>dl，ki是由發送機的第k個子載波發送的第1個碼元的第i個傳輸信息比特，Pr是傳輸信息比特{dl,ki}的APP(后驗概率值)。MAP解碼器519使用從LLR計算器515的接收的LLR判決信息比特{dl,ki}的值。也就是，MAP解碼器519使用LLR判定每個傳輸比特dl,ki是+1還是-1。
在LLR計算器515使用初始信道增益估計{Hl,ka)計算出信號Yl,ka的LLR之后，信號{Yl,ka}送給去交織器517。去交織器517通過使用在發送機中的交織的反操作，將信號{Yl,ka)去交織。MAP解碼器519使用從LLR計算器515接收的LLR將去交織信號解碼。也就是，MAP解碼器519根據LLR判決從發送機發送的信息比特的值。
只要使用LLR，MAP解碼器519可以用其它的解碼器替代，例如維特比解碼器。比特碼元轉換器521將從MAP解碼器519接收的信息比特中的每R個比特轉換成單一的MQAM碼元 這是從發送機發送的碼元Xl,k的估計碼元。這里，估計傳輸碼元 是傳輸碼元Xl,k的軟判決值E{Xl,k}，表示成E{Xl,k}=ΣCi∈ΩcCiPr[Xl,k=Ci]]]>這里，Ωc是幀內的所有傳輸碼元系列。
在交織器523中，對軟判決值E{Xl,k}通過發送機中使用的交織方法進行交織。
信道估計器513由交織的軟判決值E{Xl,k}乘以從延時器512接收的延時信號Yl,ka，初始信道增益估計 用圖3描的方式述由Yl,ka.E{Xl,k)代替。信道估計器513將更新后的信道增益估計值 送給LLR計算器515。同時初始信道增益估計值 只使用導頻子信道計算，更新信道增益估計值 使用發送機發送的信息比特的軟判決值，也就是，使用數據信道碼元和導頻碼元獲得。因而，由于使用了更多的碼元了計算．更新的信道增益估計值更加準確。
LLR計算器515由公式8使用更新的信道增益估計值 來計算信號{Yj,ka}的LLR。去交織器518將從LLR計算器515輸出的信號去交織。MAP解碼器519使用從LLR計算器515接收的更新LLR將去交織信號解碼。也就是，MAP解碼器519使用更新LLR判決由發送機發送的信息比特的值。比特碼元轉換器521把從MAP解碼器519接收的信息比特中的每R個比特生成單一的MQAM碼元 如上所述，初始信道增益估計值只由導頻碼元來計算，并采用數據碼元和導頻碼元來更新。使用更新信道增益估計值，傳輸信息比特的LLR也被更新了。
信道增益估計或LLR計算重復預定的次數或直到LLR之間的最大差值L(dl，ki)小于預定門限，即max{Lp+1(dl,ki)-Lp(dl,ki)}]]>＜門限。這里，Lp(dl，ki)是第p次迭代的L(dl，ki)。如果LLR之間的最大差值小于門限，這表明信息比特的解碼精確度到達了沒有錯誤產生的程度。門限值是與OFDM系統環境相適應地預先設定的。
如果上面環境得到滿足，MAP解碼器519最終將信號{Yl，ka}解碼，也就是，通過L(bl=logPr{bl=+1}Pr{bl=-1}]]>恢復信號{Yl，ka}的信息比特。
根據上述本發明，數據碼元和導頻碼元在OFDM通信系統中被用來信道估計，其結果是改善了估計性能，導致信息數據解碼更加精確。數據碼元的額外應用使在沒有增加導頻碼元的數量的情況下保持數據傳輸的效率成為可能。
盡管本發明是參照其中的某個優選實施例展示和描述的，但應理解的是，本領域內的普通技術人員能夠在不脫離所附權利要求中限定的本發明宗旨和范圍的前提下進行形式和細節方面的各種改變。
權利要求
1.一種OFDM(正交頻分復用)通信系統中的解碼裝置，其中，所述OFDM通信系統具有一信道，其具有被分成多個由預定間隔隔開的子信道的給定頻率帶寬，導頻碼元在預定子信道傳輸，數據碼元在其它信道傳輸。所述解碼裝置包括信道估計器，使用導頻碼元為每個數據碼元生成第一信道估計值，根據每個數據碼元中的信息比特的估計概率值生成用于每個數據碼元的第二信道估計值，并使用第二信道估計值更新第一信道估計值；對數似然比計算器，根據第一信道估計值計算數據碼元中的每個信息比特的接收概率值；和解碼器，根據每個數據碼元的信息比特的接收概率值生成信息比特的估計概率值。
2.如權利要求1所述的解碼裝置，解碼器是MAP(最大后驗)解碼器。
3.如權利要求1所述的解碼裝置，還包括比特碼元轉換器，根據信息比特的接收概率值通過正交幅度調制將信息比特轉換成碼元。
4.如權利要求1所述的解碼裝置，接收概率值可由下面公式計算L(Yl,k|dl,ki)=logPr(Yl,k|dl,ki=+1)Pr(Yl,k|dl,ki=-1)]]>這里Yl，k是一個包括輸入給解碼裝置的導頻碼元和數據碼元的信號，dl，ki是在第k個子信道發送的第1個碼元的第i個信息比特。
5.如權利要求1所述的解碼裝置，第一信道估計被重復更新預定次數。
6.如權利要求1所述的解碼裝置，第一信道估計值被重復更新直到接收概率值之間的距離小于預定門限。
7.如權利要求6所述的解碼裝置，接收概率值是連續的。
8.一種OFDM(正交頻分復用)通信系統中的解碼裝置，其中，所述OFDM通信系統具有一信道，其具有被分成多個由預定間隔隔開的子信道的給定頻率帶寬，導頻碼元在預定子信道傳輸，數據碼元在其它信道傳輸。所述解碼裝置包括信道估計器，使用導頻碼元為每個數據碼元生成第一信道估計值，根據每個數據碼元中的信息比特的估計概率值生成用于每個數據碼元的第二信道估計值，使用第二信道估計值更新第一信道估計值；對數似然比計算器，根據第一信道估計值計算數據碼元中的每個信息比特的接收概率值；去交織器，對數據碼元和導頻碼元去交織；解碼器，根據數據碼元的信息比特的接收概率值生成每個去交織數據碼元中信息比特的估計概率值；比特碼元轉換器，使用信息比特的接收概率值將信息比特轉換成碼元；和交織器，交織碼元。
9.如權利要求8所述的解碼裝置，解碼器是MAP(最大后驗)解碼器。
10.如權利要求8所述的解碼裝置，其中比特碼元轉換器根據信息比特的接收概率值通過正交幅度調制將信息比特轉換成碼元。
11.如權利要求8所述的解碼裝置，接收概率值可由下面公式計算L(Yl,k|dl,ki)=logPr(Yl,k|dl,ki=+1)Pr(Yl,k|dl,ki=-1)]]>這里Yl，k是一個包括輸入給解碼裝置的導頻碼元和數據碼元的信號，dl，ki是在第k個子信道發送的第1個碼元的第i個信息比特。
12.如權利要求8所述的解碼裝置，第一信道估計被重復更新預定次數。
13.如權利要求8所述的解碼裝置，第一信道估計值被重復更新直到接收概率值之間的距離小于預定門限。
14.如權利要求13所述的解碼裝置，接收概率值是連續的。
15.一種OFDM(正交頻分復用)通信系統的解碼方法，其中，所述OFDM通信系統具有一信道，其具有被分成多個由預定間隔隔開的子信道的給定頻率帶寬，導頻碼元在預定子信道傳輸，數據碼元在其它信道傳輸。所述方法包括以下步驟使用導頻碼元為每個數據碼元生成第一信道估計值，根據每個數據碼元中的信息比特的估計概率值生成用于每個數據碼元的第二信道估計值，使用第二信道估計值更新第一信道估計值；根據第一信道估計值計算數據碼元中的每個信息比特的接收概率值；和根據每個數據碼元的信息比特的接收概率值生成信息比特的估計概率值。
16.如權利要求15所述的解碼方法，使用MAP(最大后驗)算法生成估計概率值。
17.如權利要求15所述的解碼方法，還包括根據信息比特的接收概率值通過正交幅度調制將信息比特轉換成碼元的步驟。
18.如權利要求15所述的解碼方法，接收概率值可由下面公式計算L(Yl,k|dl,ki)=logPr(Yl,k|dl,ki=+1)Pr(Yl,k|dl,ki=-1)]]>這里Yl，k是一個包括輸入給解碼裝置的導頻碼元和數據碼元的信號，dl，ki是在第k個子信道發送的第1個碼元的第i個信息比特。
19.如權利要求15所述的解碼方法，第一信道估計被重復更新預定次數。
20.如權利要求15所述的解碼方法，第一信道估計值被重復更新直到接收概率值之間的距離小于預定門限。
21.如權利要求20所述的解碼方法，接收概率值是連續的。
22.一種OFDM(正交頻分復用)通信系統中的解碼方法，其中，所述OFDM通信系統具有一信道，其具有被分成多個由預定間隔隔開的子信道的給定頻率帶寬，導頻碼元在預定子信道傳輸，數據碼元在其它信道傳輸。所述方法包括以下步驟使用導頻碼元為每個數據碼元生成第一信道估計值；根據第一信道估計值計算每個數據碼元中的每個信息比特的接收概率值；對數據碼元和導頻碼元去交織；根據信息比特的接收概率值計算每個去交織數據碼元的信息比特的估計概率值，并且軟判決信息比特；使用信息比特的接收概率值將信息比特轉換成碼元；交織碼元；和根據信息比特的估計概率值生成用于數據碼元的第二信道估計值，并使用第二信道估計值更新第一信道估計值。
23.如權利要求22所述的解碼方法，使用MAP(最大后驗)算法執行軟判決。
24.如權利要求22所述的解碼方法，還包括根據信息比特的接收概率值通過正交幅度調制將信息比特轉換成碼元的步驟。
25.如權利要求22所述的解碼方法，接收概率值可由下面公式計算L(Yl,k|dl,ki)=logPr(Yl,k|dl,ki=+1)Pr(Yl,k|dl,ki=-1)]]>這里Yl，k是一個包括輸入給解碼裝置的導頻碼元和數據碼元的信號，dl，ki是在第k個子信道發送的第1個碼元的第i個信息比特。
26.如權利要求22所述的解碼方法，初始信道估計被重復更新預定次數。
27.如權利要求22所述的解碼方法，第一信道估計值被重復更新直到接收概率值之間的距離小于預定門限。
28.如權利要求27所述的解碼方法，接收概率值是連續的。
全文摘要
一種OFDM通信系統中的解碼裝置和方法。具有給定頻率帶寬的信道被分成多個由預定間隔隔開的子信道，導頻碼元在預定子信道傳輸，數據碼元在其它信道傳輸。信道估計器使用導頻碼元為每個數據碼元產生第一信道估計值，根據第一信道估計值，對數似然比計算器計算出數據碼元中的每個信息比特的接收概率值，根據數據碼元中的信息比特的接收概率值，解碼器生成信息比特的估計概率值。然后，根據數據碼元中信息比特的估計概率值，信道估計器生成用于數據碼元的第二信道估計值，并用第二信道估計值更新第一信道估計值。
文檔編號H04L27/26GK1462533SQ02801567
公開日2003年12月17日 申請日期2002年5月11日 優先權日2001年5月11日
發明者姜忠求, 樸乘塋, 徐潽錫, 孫仲濟 申請人:三星電子株式會社