專利名稱：基于cdma擴頻序列的自適應信道估計裝置及其方法
技術領域：
本發明屬于移動通信的信號處理領域。
背景技術：
移動通信技術和業務的快速增長直接推動了PCS(PersonalCommunication Service，個人通信服務)，Wireless LAN(無限局域網)，Bluetooth(藍牙)等新一代無線通信系統的發展。這類新的無線通信平臺普遍采用微小區結構，即微蜂窩和微微蜂窩以便減小小區半徑，提高頻譜復用率，增加信道容量。其無線覆蓋的基本特點是(1)信道傳播距離短，移動終端距基站一般為數十米至數百米之間；(2)基站天線低，一般幾米至幾十米；(3)發射功率低，基站發射功率典型值為數十毫瓦(4)高層建筑或具有大縱深的建筑物內信道環境復雜，室內覆蓋模型不易建立。
移動通信的這種微小區體系加上建筑物內部的復雜結構，構成了無線信道特有的低功率傳播環境，其信道特性與宏小區相比有較大差異。由于微小區和中基站配置一般較低，周圍環境對場強分布影響較大，因此基于統計和修正因子的傳播預測模型已不適用。而射線蹤跡法要求考慮多重散射的影響，通常只能分析幾何形狀簡單的道路和建筑物，且與實測值存在4-8dB的誤差。其它常用的信道測試方法有直接射頻脈沖法，頻域信道測試法等，它們均需復雜、昂貴的測試設備且操作復雜。近距離信道估計方法則主要針對多載波系統，有基于IS-95下行導頻信道和基于多載波系統導頻符號的估計方法，這兩種方法均需在發送端信號中的某些固定位置插入已知符號或序列，在接收端提取導頻符號或序列估計信道的脈沖響應，缺點是占用信道帶寬。該發明用于微小區內將獲得更好的性能。
通信系統的一般模型如圖1所示。圖中，信源即原始電信號的來源，它的作用是將原始消息轉換為相應的電信號。為了傳輸基帶信號，發送設備對基帶信號進行各種處理和變換，以使它適合在信道中傳輸。在發送設備和接收設備之間用于傳輸信號的媒質稱為信道。噪聲源，是信道中的噪聲以及分散在通信系統其他各處的噪聲的集中表示。在接收端，接收設備的功能與發送設備的相反，其作用是對接收的信號進行必要的處理和變換，以便恢復出相應的基帶信號。收信者的作用將恢復出來的原始電信號轉換成相應的消息，提供給最終的消息接收對象。本發明主要是采用自適應的方法，對通信系統中的信道做出估計。
時變信道可以用一抽頭延遲線濾波器描述，抽頭權系數是 ，且延遲是時變的。當不相關的傳播路徑數足夠大，信道沖激響應的二次分量成為高斯廣義平穩非相關散射，如果輸入信號為|f|≤W/2的帶限信號，則(5)式就能用一具有固定延遲的抽頭延遲線濾波器實現，其抽頭權系數為高斯過程，且由散射函數確定。
假設多徑傳輸信道是線性和時變的，圖2表示采用一個離散時間自適應(FIR)濾波器作為待辨識信道的一個近似模型，在相同的采樣輸入作用下對信道進行逼近。自適應近似模型根據系統誤差信號自動調整濾波器權系數以產生一個采樣輸出，使系統均方誤差為最小，則可認為該自適應沖激響應就是信道沖激響應的一個最佳近似。
發明內容
本發明針對微小區無線覆蓋多徑信道的參數辨識問題，研究不依賴待辨識信道的模型結構，通過引入離散時間系統有限沖激響應(FIR)函數模型及自適應信號處理技術，提出一種新的，基于CDMA擴頻信號激勵的多徑信道參數自動識別算法。該算法能夠在很小的樣本數及極低的信噪比條件下得到多徑信道的一個較好的近似，不占用額外的信道帶寬并且對系統沒有附加干擾。
發明原理如圖2中所示，設未知信道的傳輸函數為C(z)，離散時間加性噪聲nk表示信道的擾動。自適應近似模型達到穩態，即收斂后的傳輸函數是H(z)，它的沖激響應以向量形式記為h(k)，其輸出pk是信道輸出yk的一個估計。根據假設條件，可知自適應模型傳輸函數H(z)的無約束Wiener解是H(z)=Φsd(z)Φss(z)---(6)]]>式中Φsd(z)和Φss(z)分別是信號的互功率譜和自功率譜。它們是信號的互相關函數φsd(k)＝E[sjdj+k]和自相關函數φss(k)＝E[sjsj+k]的z變換，即Φsd(z)=Σk=-∞∞φsd(k)z-k---(7)]]>和Φss(z)=Σk=-∞∞φss(k)z-k---(8)]]>如果系統擾動nk、系統輸入sk和信道輸出yk不相關，則φsd(k)＝φsy(k)(9)或Φsd(z)＝Φsy(z)(10)將上式代入(6)式，得到H(z)=Φsy(z)Φss(z)---(11)]]>信道的傳輸函數亦為C(z)=Φsy(z)Φss(z)---(12)]]>所以H(z)＝C(z) (13)上式說明在系統擾動與對象輸入信號不相關時，自適應近似模型收斂時的傳輸函數就等于信道的傳輸函數。
事實上，線性對象C(z)一般都具有指數型的動態特征，因此具有無限長沖激響應(IIR)。由于圖2采用的自適應濾波器是有限長沖激響應的(FIR)，故存在建模誤差Δk＝Hk(z)-C(z) (14)
式中Hk(z)是第k次迭代的FIR濾波器的傳輸函數，但根據自適應模型的Wiener解，可得h(k)的估計 為[h~(0)h~(1)...h~(n-1)]T=Rss-1·φsy(0)φsy(1)...φsy(n-1)T---(15)]]>式中 是輸入的n×n維對稱、正定(或半正定)相關矩陣。
現設直接序列擴頻信號是由偽隨機m序列與信息序列的模2加構成。bi表示m序列的第i個比特，ci表示信息序列的第i個比特，則它們的模2加可由兩個連續波形的乘積描述。若設信息編碼序列{ci}和m序列{bi}的元素分別被映射成一BPSK信號，即ci(t)＝(2ci-1)g(t～iTc)(17)和pi(t)＝(2bi-1)g(t-iTc)(18)式中g(t)是一寬度等于Tc的矩形脈沖。于是，與第i個編碼比特對應的等效低通發射信號為si(t))＝pi(t)ci(t)＝(2bi-(2ci-1)g(t-iTc)(19)A.J.Viterbi指出，序列{si(t)}事實上等價于雙邊密度為Ec/TcW/Hz的白噪聲信號，這里Ec是每個碼片的能量，因此有φss(n)=φss(0)n=00n≠0---(20)]]>將上式代入(16)式，得到輸入相關矩陣為 或
由(15)、(22)式可知，參數向量FIR模型的參數估計式為[h~(0)h~(1)...h~(n-1)]T=1φss(0)·φsy(0)φsy(1)...φsy(n-1)T---(23)]]>上式就是FIR模型參數在采用周期為Np、幅度為a的擴頻等效低通發射信號作為信道辨識輸入信號時的相關估計。
技術方案本發明提供了一種基于CDMA擴頻序列的自適應信道估計裝置，其特征包括兩部分，一部分依次為直接序列擴頻信號發生器，待辨識信道接口模塊，噪聲發生器；另一部分依次為由直接序列擴頻信號發生器，自適應濾波器，以及將信道輸出信號與自適應濾波器的輸出信號求誤差并取均方值的計算機。
本發明提供了一種基于CDMA擴頻序列的自適應信道估計方法，其特征包括以下步驟由直接序列擴頻信號發生器生成二進制(0、1)隨機數據信息序列，該輸入信號序列經過待辨識信道并加入由高斯白噪聲發生器產生的噪聲，給出真實信道的模擬輸出信號；第二個直接序列擴頻信號發生器需與第一個直接序列擴頻信號發生器保持同步，以便生成和上述待辨識信道輸入端相同的二進制數字信號，將其輸入到RLS或者LMS自適應濾波器中，將信道輸出信號與RLS或者LMS自適應濾波器的輸出信號進行求差運算，其輸出作為誤差信號；取其均方值，在達到最小均方誤差準則時，RLS或者LMS自適應濾波器的抽頭權系數輸出信號即為待辨識信道的抽頭權系數估計值，也即沖激響應的估計值。
RLS或者LMS自適應濾波器的抽頭權系數的輸出即為待辨識信道的估計值。
示波器顯示均方誤差曲線，作為最小均方誤差準則的閾值參考。
本發明提出的自適應信道建模方法是基于CDMA擴頻信號激勵的。為了方便表征，信道采用多徑信道。但本領域技術人員可以根據本發明的原理容易應用到其他信道，所以其他信道也應該不脫離本發明的范圍。
信道建模誤差可由式(14)給出，通過假設有限沖激響應(FIR)自適應模型有足夠多的權系數個數，若對權系數作適當的設定，信道和信道模型在單位沖激響應上的(均方)誤差就可以忽略不計。如果再限定濾波器的權系數是由自適應最小二乘算法確定，則權系數在均方誤差意義上必收斂到一個Wiener解。由于已假設自適應模型的權系數足夠大，我們可以認為這個Wiener解就足夠逼近信道的沖激響應，因此當自適應過程收斂時，建模誤差的期望就是E[Δk]＝0(27)該算法能夠在很小的樣本數及極低的信噪比條件下得到多徑信道的一個較好的近似，和傳統的信道估計算法相比，優點是不依賴待辨識信道的模型結構，不占用額外的信道帶寬且無需復雜、昂貴的測試設備并且對系統沒有附加干擾，是一種有效的無線信道參數自動識別的方案。
圖1通信系統的一般模型圖2多徑衰落信道的自適應辨識原理3CDMA擴頻信號作為多徑信道辨識信號時的自適應辨識模型圖4多徑信道與自適應辨識信道沖激響應的比較
具體實施例方式為驗證采用CDMA擴頻信號作為多徑信道辨識信號時的FIR模型參數估計方法的有效性，圖3給出一個多徑信道的自適應辨識仿真模型。假定多徑信道的傳輸函數是由下式定義的9階全零點系統C(z)＝1-0.5z-1+0.25z-2+0.4z-7-0.2z-8+0.12z-9(24)其沖激響應序列為
c(k)＝[c(0)c(1)c(2)…]T(25)自適應FIR濾波器的抽頭權系數由RLS(遞歸最小二乘法)算法控制。圖3中，自適應FIR濾波器作為信道估計器收斂以確定一個對C(z)逼近的傳輸函數H(z)。H(z)的沖激響應序列由下式給出h(k)＝[h(0)h(1)…h(N-1)]T(26)式中N是權系數個數。當自適應模型的權系數是由某種自適應算法確定時，這些權系數在均方誤差意義上收斂到一個Wiener解，由于可取足夠大的模型權系數，該Wiener解就近似等于信道的沖激響應。
現取FIR濾波器階次N≥9。擴頻信號序列{sk}作為輸入信號施加在待辨識信道的輸入端，同時該信號的等效模擬信號施加于自適應濾波器。另外假定擴頻信號sk與噪聲信號nk不相關，nk由隨機信號發生器生成，sk則由擴頻信號發生器模擬，自適應濾波器選用RLS算法。濾波器長度32，則均方誤差E[εk]達到最小值時，自適應濾波器在其抽頭系數的可調整范圍內可視為多徑信道的一個最佳逼近。
如圖3所示，本發明由直接序列擴頻信號發生器生成二進制(0、1)隨機數據信息序列作為仿真試驗信號。該輸入信號經過多徑信道模塊，本方法模擬了來自6條不同路徑的信號在接收端疊加的情況。由高斯白噪聲發生器產生數字通信系統中經常遇到的加性噪聲，如果需要模擬電路或者器件的熱噪聲，則它應滿足零均值的高斯分布。此時的輸出信號與RLS自適應濾波器的輸出信號之差，作為誤差信號e(n)。用自適應RLS(遞推最小二乘)濾波器實現自適應均衡，其抽頭權系數為{h(k)，0≤k≤N～1}。由直接序列擴頻信號發生器生成和多徑信道輸入端相同的二進制數字信號，將其輸入到RLS自適應濾波器中，自適應濾波器的系數受誤差信號e(n)的控制，隨e(n)的值而自動調整，使之滿足在RLS準則下的最優濾波。將達到最優濾波時的誤差取均方值，并在示波器中顯示出來。此時所得到的自適應信道模型的沖激響應非常接近于實際多徑信道的沖激響應，即達到了對實際多徑信道的估計。圖4中，(a)是由式(23)描述的多徑未知信道的沖激響應；(b)是N＝32時，自適應濾波器在第50次迭代的抽頭權系數；(c)是N＝32時，自適應濾波器在第500次迭代的抽頭權系數；(d)為N＝32時，自適應濾波器在建模進程中均方誤差隨迭代次數的變化。由圖(b)和(c)可見，自適應建模誤差隨迭代進程很快變小，所得到的自適應信道模型的沖激響應非常接近于實際信道(a)的理想沖激響應。
權利要求
1.一種基于CDMA擴頻序列的自適應信道估計裝置，其特征在于，包括兩部分，一部分依次為直接序列擴頻信號發生器，待辨識信道接口模塊，噪聲發生器；另一部分依次為由直接序列擴頻信號發生器，自適應濾波器，以及將信道輸出信號與自適應濾波器的輸出信號求誤差并和取均方值的計算機。
2.一種基于CDMA擴頻序列的自適應信道估計方法，其特征包括以下步驟由直接序列擴頻信號發生器生成二進制(0、1)隨機數據信息序列，該輸入信號序列經過待辨識信道并加入由高斯白噪聲發生器產生的噪聲，給出真實信道的模擬輸出信號；第二個直接序列擴頻信號發生器需與第一個直接序列擴頻信號發生器保持同步，以便生成和上述待辨識信道輸入端相同的二進制數字信號，將其輸入到RLS或者LMS自適應濾波器中，將信道輸出信號與RLS或者LMS自適應濾波器的輸出信號進行求差運算，其輸出作為誤差信號；取其均方值，在達到最小均方誤差準則時，RLS或者LMS自適應濾波器的抽頭權系數輸出信號即為待辨識信道的抽頭權系數估計值，也即沖激響應的估計值。
全文摘要
基于CDMA擴頻序列的自適應信道估計裝置及其方法屬移動通信信號處理領域。現有信道測試技術需要復雜、昂貴的測試設備，操作復雜且占用信道帶寬。本發明由直接序列擴頻信號發生器生成二進制偽隨機數據序列，該偽隨機數據序列作為輸入測試信號，經待辨識信道傳輸，給出信道的輸出信號；第二個直接序列擴頻信號發生器生成和第一個直接序列擴頻信號發生器相同的偽隨機數字信號，將其輸入到自適應濾波器中，將信道輸出信號與自適應濾波器的輸出信號進行求差運算，其輸出作為誤差信號；取其均方值，在達到最小均方誤差準則時，自適應濾波器的抽頭權系數輸出信號即為待辨識信道的估計值。該發明用于微小區內將獲得更好的效果。
文檔編號H04B1/69GK1996974SQ20061016525
公開日2007年7月11日 申請日期2006年12月15日 優先權日2006年12月15日
發明者張延華, 朱杰, 劉志偉 申請人:北京工業大學