專利名稱：移動式接收機中的信道跟蹤的制作方法
技術領域：
本發明涉及信號檢測，更具體些，本發明涉及適應于接收調相信號的移動式接收機中的信道跟蹤技術。
一個熟知的傳送信息到移動式接收機中的技術是，把信號轉換成數字符號，再把這些符號變換到二維空間，用變換的符號調制一個載波，以及把調制的載波傳送到接收機。通過用一個載波信號調幅此符號的x分量，用相移90°的載波信號調幅此符號的y分量，以及把這兩個調制結果相加，就形成變換到二維空間(有x和y座標)上的符號調制。在某些應用中，變換限定于一個圓，這就有效地產生載波的相位調制。
移動單元接收的信號是被符號間干擾(ISI)和熱噪聲搞壞的信號，難點是檢測這種失真的符號。當移動單元在運動時，ISI是一個非穩定過程。就是說，信道的特性是基于移動單元相對于發射機的位置，當位置變化時，信道特性也發生變化。現有技術系統考慮到接收機的響應適應于信道的特性，但是這種適應需要處理過程，而處理過程需要時間，只要信道特性變化緩慢，就沒有問題。當信道特性變化迅速時，例如，當移動單元快速改變其位置時(例如，移動單元在汽車或飛機上)，當前采用的適應過程在理想條件下能夠跟上這種變化。
難點是跟蹤變化的信道特性因以下事實變得復雜化，這個事實是，移動單元不知道符號加到發射機調制器上的精確時間，所以也就不精確地知道何時對接收到的信號抽樣。而且，雖然接收機名義上知道發射機的載波頻率，而實際的載波頻率可能偏移，不管怎樣，由于正常的制造公差、溫度變化，等等問題，接收機的本振頻率可以偏離其規定的數值。
當接收機的本機振蕩器不同于發射機的振蕩器時，就說存在頻率偏移。在沒有頻率偏移時，對接收到的信號抽樣，把它轉換成數字形式，應用檢測算法。檢測算法必須去除由信道引入的ISI，也必須補償因移動單元運動(例如，在以每小時60英里運動的汽車中，信道特性的變化相當迅速)引起變化的信道特性。一種完成信道跟蹤的技術是最小均方(LMS)算法。然而，LMS算法并不能夠處理存在很大頻率偏移時變化的信道特性。
當接收機的頻率確實有很大偏移時，可以使用普通的差分檢測器來計算頻率偏移并給以補償。例如，差分檢測器在Proakis的“數字通信”，McGraw Hill,1989，第4.2.6第一書中有描述。然而，當信道特性變化迅速時，差分檢測器就失效。
為了克服頻率偏移和快速變化信道帶來的問題，專業人員把一個訓練字包括在符號序列中，一旦檢測到此訓練字，確定其位置，就能夠提取出頻率偏移。完成這一任務的算法是很復雜的，例如，在Bahai和Sarraf“非穩定信道的頻率偏移估算”，Proc of ICASSP 97,PP.3897-3900,April,1997一文中給出。
按照此處披露的原理，切實可用的一個較簡單的解決方法是一個給定的算法，例如，LMS算法，計算頻率偏移的估算值，還利用相同的算法估算信道的特性。若利用LMS算法，則可以根據執行算法過程中導出的信號得到頻率偏移估算值。于是產生一個頻率補償因子，并把它加到輸入信號中以建立一個沒有明顯頻率偏移的信號。然后，把此信號加到也是利用LMS算法的過程中，結構檢測算法，例如，維特比算法，從輸入信號中恢復已編碼成輸入信號的信息信號。除了在訓練時間間隔內執行所述的過程以外，還可以在正常的數據傳輸期間執行此過程。
所以，在本發明至少一個實施例中，利用相當簡單的算法估算頻率偏移。此外，用于估算信道特性的算法是與用于補償頻率偏移完全相同的算法。這就簡化接收機的結構且降低其成本。
圖1表示移動式接收機的一些主要元件；圖2是按照本發明原理的預處理模塊的方框圖；圖3描繪處理器231內部一種跟蹤方法的處理過程；和圖4描繪處理器231內部另一種跟蹤方法的處理過程。
圖1表示含信道100的接收過程中各種元件的方框圖，調制在載波上的符號加到此信道。信道100引入附加的噪聲，合成的信號加到采用本機振蕩器210的解調器200中。在方框220中，解調的輸出被采樣，并轉換成數字形式，此數字信號加到數字處理器230中。所示的處理器230包括預處理模塊231,LMS算法模塊232，維特比算法模塊233，和后處理模塊234。在訓練期間，處理器230一般采用LMS算法(模塊232)估算信道特性；在數據傳輸期間，符號檢測算法利用得到的信息恢復傳輸的數據。符號檢測算法的一個實例是維特比算法，在圖1中用模塊233表示。
如上所指出的，在有頻率偏移的情況下，沒有附加的和相當復雜的算法LMS算法不能補償快速變化的信道特性。例如，參閱上述Bahai等人一文中所報導的方法。然而，按照此處披露的原理，采用相當簡單的算法估算頻率偏移，而且，此算法與用于估算信道的算法相同。這就簡化接收機的結構且降低其成本。
按照此處披露的原理，發射機/接收機裝置執行的過程是這樣一個過程，其中接收機已知的訓練序列是由發射機送出，在此期間LMS算法按照以下討論的方法計算頻率偏移的估算值。這是在處理模塊231中完成的。此后，輸入信號(數據信號和訓練序列信號)被頻率偏移的估算值補償(也在處理模塊231中)，并加到模塊232和233。圖2概略地畫出模塊231的細節部分。此模塊包括一個LMS算法模塊235與處理模塊236共同作用產生一個頻率偏移的估算值。在元件237內那個信號從輸入信號中被減去，加到模塊232和233。
以下研究所利用的信號特性，采用LMS算法估算頻率偏移。
在時刻k由元件200接收到的信號d(k)相當于傳輸的符號序列(我們現在假設這是訓練序列)uk，首先被載波調制(形成ukejωk)，然后與信道wo卷積變成ukwoejωk，最后添加附加噪聲v′(k)。當從其載波信號中提取時，即，被元件210解調時，且當接收機的本機振蕩器偏離載波為頻率Ω時，則在時刻k接收到的信號為d(k)=ukwoejΩk+v(k)(1)wo的時間響應是時間受限的，當按照時間量化時，即，被抽樣時，信道響應wo用M階矢量表示。相應地，uk是一個M階矢量，包含傳輸到移動式接收機M個最新的符號。其中v(k)=v′(k)ejΩk,ukwo是兩個分矢量的點積。公式(1)的第一項也可以看成是傳輸的符號矢量與周期性變化信道矢量的點積，或者看成是信道與序列uk的點積，序列uk包括調制偏移頻率ejΩk。
于是，難點是估算信道和估算頻率偏移。估算不隨時間變化信道的一個已知方法是，與新到來的數據結合，即被改變，根據緊接著的上一次信道估算值，用遞歸方式導出改進的當前信道估算值。以下公式表示基于時刻k的信息得到時刻k+1的估算值，這個公式通常稱之為LMS算法wk+1=wk+μ(d(k)-ukwk)uk*(2)在公式(2)中，wk是時刻k的信道估算值uk是移動式接收機處的M階矢量，在訓練期間，此矢量是訓練序列中第k個成員。
時刻k的信道估算值wk可以不同于同一時刻實際的信道響應woejΩk，得出一個誤差矢量w~k,]]>即，w~k=woejΩk-wk---(3)]]>將公式(2)與(3)結合，把時刻k+1的誤差矢量用時刻k的值表示，取其期望值得到E[w~k+1]=(I-μR)E[w~k]-woejΩk(1-ejΩ)---(4)]]>其中矩陣R是矢量uk*與uk的外點積期望值，即，R=E[uk*uk](5)這個遞歸公式的E[w~k]=aejΩk]]>形式解為E[w~k]=(I-μ1-ejΩR)-1woejΩk,---(6)]]>和E[wk]=(I-(I-μ1-ejΩR)-1)woejΩk---(7)]]>把信道的兩個相繼估算值組成點積得到E[wk*]E[wk+1]=|wo|2|1-1-ejΩ1-μ-ejΩ|2ejΩ---(8)]]>
根據公式(8)，把兩個相繼信道估算值的點積除其幅度得到ejΩ。
圖3是一方框圖，揭示與以上分析一致的處理模塊235和236中執行的過程。在圖3中，接收到的樣本加到減法器301，其中點積信號ukwk被減去。差值信號加到乘法器302，其中此信號乘以步長μ。然后加到乘法器304，其中信號乘以由ROM303輸出的訓練序列復共軛uk*。這個結果與信號wk在加法器306中相加，得到在時刻k+1的信道估算值，即wk+1。計算出的wk+1加到一單元延遲元件307中。在wk+1插入到延遲元件307的時刻，延遲元件輸出信號wk，這個信號加到加法器306和點積乘法器305中。另一個輸入到點積乘法器305的信號是來自ROM303，此輸入含訓練序列，乘法器305輸出的乘積信號是ukwk，把它加到減法器301中。這就完成LMS算法所包括的內容。
為了按照公式(8)獲得頻率估算值，把分別為延遲元件307輸出處和輸入處的信號wk和wk+1加到處理模塊236，其中兩個信號在點積乘法器308中組合，再加到處理模塊309中。模塊309把其輸入信號除以信號幅度得到相量e-jΩ，此相量被指數k旋轉后加到元件237，其中輸入信號乘以頻率偏移補償因子e-jΩk。乘法器237的輸出加到模塊232和233。
第二個過程，也是更簡單的過程，是計算以下的幅角估算值d*(k)(ukwk)(11)其中d*(k)是接收到信號的復共軛。d*(k)(ukwk)的期望值是E[d*(k)(ukwk)]=|wouk|2(1-1-ejΩ1-μ-ejΩ),---(12)]]>對于很小的Ω值和不太小的μ值，這個期望值的幅角可以近似地寫成Ωμ---(13)]]>一旦Ω已知，就可以計算ejΩ，乘上指數k得出偏移頻率補償因子e-jΩk。這在圖4中表示，圖4中的模塊235與圖3中模塊完全相同，但是從模塊235提取的輸出信號是輸入信號d(k)和乘法器305的點積信號ukwk。這兩個信號加到處理模塊236，其中復共軛信號d*(k)由處理模塊311計算。模塊236的輸出與處理模塊312中的ukwk進行組合得出e-jΩk(把d*(k)與ukwk的積乘以步長μ和指數k，最后，用這個乘積結果旋轉相量e-j)。
應當明白，上述過程是與披露的本發明密切相關的過程，與此處所述原理相結合的接收機可以有以上未描述的其他控制和過程。例如，接收機有一個確定何時正在接收訓練序列的過程。這個過程可以在處理模塊231中發生，或者在圖1中未畫出的某些其他處理模塊中發生(因為它不構成此處披露技術的先進部分)。
此外，上述過程是結合訓練序列期間的操作給以描述的，但是這不是本發明的局限性。以上描述中利用訓練序列應視為適合于使算法更清楚，因為在訓練序列期間接收機知道預期的結果。然而，應當理解，上述過程同樣適用于實數據信號。取代利用來自ROM303的信號uk和uk*，我們可以利用模塊233和234輸出的信號。利用這些非訓練信號的理由是，因為大部分估算的信號是正確的，所以這些非訓練序列與訓練符號是同樣適用。事實上，存在著比訓練信號多得多的估算數據信號，所以，利用實數據符號和訓練序列在較短的時間內給出一個更準確的估算值。
最后，上述過程一般是在處理器230中執行，這個處理器可以是一個特殊目的硬件設施組成部分，或者可以在存儲程序的控制下利用普通的微處理器來實現。在此處給出的功能描述中，需要建立的特殊軟件是非常直截了當的，所以就不詳細描述了。當然，利用特殊目的集成IC實現的處理器很可能是利用了這樣一個事實，頻率偏移估算和信道特性估算是藉助一個給定的算法(在上述情況下是LMS算法)執行的。即，很可能是，制造商有LMS IC，使用這個IC一次用于頻率偏移估算，另一次用于信道特性估算。或者，可以設計單個IC分時用于兩個目的。
應當明白，以上披露了本發明的原理，在不偏離本發明精神和范圍的條件下，可以有各種其他的實施例以及對此處說明的實施例作多種改動。
權利要求
1．一個從變壞信道中恢復輸入信號的方法，該輸入信號包括一個用信息信號調相的載波，此方法包括以下步驟在接收機內用本機振蕩器解調所述輸入信號，本機振蕩器的頻率接近于載波信號頻率，從而產生一個有偏移頻率的信號，偏移頻率相當于所述載波頻率與所述本機振蕩器頻率之差；對所述輸入信號執行一個特定的算法以估算所述偏移頻率，從而獲得偏移頻率估算值；利用所述特定的算法估算所述信道的特性，從而獲得信道估算值；和利用所述偏移頻率估算值和所述信道估算值處理所述輸入信號，恢復所述信息信號。
2．按照權利要求1的方法，其中所述特定算法是LMS算法。
3．按照權利要求1的方法，其中估算所述信道特性的所述步驟是對被偏移頻率估算值改變的所述輸入信號執行所述特定算法而實現的。
4．按照權利要求3的方法，其中所述恢復步驟是作用在被所述偏移頻率改變的所述輸入信號上。
5．按照權利要求3的方法，其中所述估算信道特性步驟和所述恢復步驟是作用在被所述偏移頻率改變的所述輸入信號上。
6．按照權利要求5的方法，其中被所述偏移頻率改變的所述輸入信號相當于所述輸入信號乘以一個相量，此相量的位相與所述偏移頻率估算值有關。
7．按照權利要求5的方法，其中被所述偏移頻率改變的輸入信號相當于用偏移頻率估算值解調的所述輸入信號。
8．按照權利要求1的方法，其中估算所述偏移頻率的所述步驟包括后處理由所選算法獲得的輸出信號以得出所述頻率估算值。
9．按照權利要求8的方法，其中響應于一個輸入信號序列{d(0),d(1),d(3),…d(k)}，所述特定算法獲得信道估算值wk和wk+1，后處理利用所述wk和wk+1信道估算值，其中wk是在時刻k估算信道的M階矢量，M是整數。
10．按照權利要求9的方法，其中所述后處理包括形成所述wk和wk+1信道估算值的點積。
11．按照權利要求10的方法，其中所述后處理步驟還包括把所述wk和wk+1信道估算值的點積被其幅值除，從而得到一個相量ejΩ。
12．按照權利要求9的方法，其中所述wk和wk+1信道估算值是通過公式wk+1=wk+μ(d(k)-ukwk)uk*獲得的，其中μ為所選常數，uk相當于所述接收機已知的訓練序列(矢量)({u(0),u(1),u(2),…u(k)}),uk*是uk的復共軛，ukwk，表示分矢量的點積。
13．按照權利要求9的方法，其中所述wk和wk+1信道估算值是通過公式wk+1=wk+μ(d(k)-ukwk)uk*獲得的，其中μ是所選常數，uk相當于先前解碼的符號序列(矢量)({u(0),u(1),u(2),…u(k)}),uk*是uk的復共軛，ukwk表示分矢量的點積。
14．按照權利要求9的方法，其中所述wk和wk+1信道估算值是通過公式wk+1=wk+μ(d(k)-ukwk)uk*獲得的，其中μ是所選常數，uk相當于先前解碼的符號序列(矢量)和已知訓練序列({u(0),u(1),u(2),…u(k)})的集合，uk*是uk的復共軛，ukwk表示分矢量的點積。
15．按照權利要求9的方法，其中所述后處理包括生成乘積d*(k)(ukwk)，其中d*(k)是d(k)的復共軛，確定上述乘積的相位，設置此確定的相位為Ω/μ，其中μ是所選常數，并形成相量ejΩ。
16．按照權利要求1的方法，其中所述估算步驟是在所述輸入信號中包含訓練序列時執行的。
17．按照權利要求16的方法，其中所述訓練序列是所述接收機事前已知的。
18．按照權利要求1的方法，其中所述估算步驟是在所述輸入信號中包含接收機事前已知的訓練序列以及所述輸入信號數據用符號表示時執行的。
19．在接收機中執行的方法中，其中輸入信號被本機振蕩器解調，本機振蕩器的頻率接近于載波信號的頻率，其中信道特性估算值是按照給定的算法響應于解調器輸出信號而獲得的，且其中檢測器響應于按照所述信道特性改變的解調器的輸出信號，改進部分包括以下步驟通過對所述輸入信號執行所述給定算法獲得偏移頻率估算值；利用所述偏移頻率估算值改變所述解調器的所述輸出信號；和從根據所述改變步驟改變的解調器的輸出信號獲得所述信道特性估算值。
20．按照權利要求19的方法，其中所述輸入信號中包含一個訓練序列。
21．按照權利要求19的方法是在所述輸入信號中包含訓練序列時執行的。
22．一個在接收機中執行的方法，用于從變壞的信道中恢復輸入信號，此輸入信號包括用信息信號調相的一個載波，此輸入信號用本機振蕩器解調，本機振蕩器的頻率接近于載波頻率，從而生成一個相當于所述載波頻率與所述本機振蕩器頻率之差的頻率調制信號，所述方法包括以下步驟通過對所述輸入信號執行一個特定的算法獲得偏移頻率估算值；利用所述特定的算法獲得信道特性估算值；和利用所述偏移頻率估算值和所述信道估算值處理所述輸入信號以恢復所述信息信號。
23．按照權利要求22的方法，其中信息信號是事前已知的。
24．按照權利要求22的方法，其中信息信號相當于訓練序列。
25．按照權利要求22的方法，其中信息信號包括訓練序列信號和非訓練信號。
26．一個適用于移動式環境的接收機，它包括接收機前端，用于接收調相載波信號；解調器，響應于接收到的信號，此解調器采用一個與載波信號頻率有頻率偏移的本機振蕩器；和處理器，響應于所述解調器的輸出信號，用于估算信道特性，加到所述接收機前端的信號已經通過此信道，該處理器利用一個給定的算法，所述接收機中的改進部分包括頻率偏移處理器，插入在所述解調器與用于估算所述接收機中所述信道特性的所述處理器之間，所述頻率偏移處理器利用所述給定的算法以修正所述頻率偏移；和檢測器，連接到所述頻率偏移處理器和用于估算所述信道特性的所述處理器。
27．按照權利要求26的接收機，其中檢測器包括一個維特比算法模塊。
28．按照權利要求26的接收機，其中所述給定算法是LMS算法。
29．按照權利要求26的接收機，其中用于估算信道特性的所述處理器和用于估算所述頻率偏移的所述處理器是分時的相同處理器，作為估算所述信道特性的所述處理器和估算所述頻率偏移的所述處理器。
30．按照權利要求29的接收機，其中所述給定算法是LMS算法，所述分時處理器包括一個執行LMS算法的集成電路。
31．按照權利要求26的接收機，其中估算信道特性的所述處理器和估算所述頻率偏移的所述處理器各自采用一個執行所述給定算法的集成電路。
32．一種適用于移動式環境的接收機，它包括接收機前端，用于接收調相載波信號；解調器，響應于接收到的信號，此解調器采用一個與載波信號頻率有頻率偏移的本機振蕩器；和處理器，響應于所述解調器的輸出信號，用于估算信道特性，加到所述接收機前端的信號已經通過此信道，該處理器利用一個給定的算法，所述接收機中的改進部分包括第一裝置，插入在所述解調器與所述處理器之間，通過對所述解調器的輸出信號執行給定的算法獲得所述頻率偏移的量度，且基于所述獲得的量度得到一個頻率補償信號；和第二裝置，響應于所述第一裝置和所述處理器，用于檢測調制所述調相信號的信號。
33．一種適用于移動式環境下的接收機，它包括接收機前端，用于接收調相載波信號；解調器，響應于接收到的信號，此解調器采用一個與載波信號頻率有頻率偏移的本機振蕩器；處理器，響應于所述解調器的輸出信號，用于估算信道特性，加到所述接收機前端的信號已經通過此信道，該處理器利用一個給定的算法；和檢測器，響應于所述處理器和所述解調器的所述輸出信號，所述接收機中的改進部分包括一個裝置，插入在所述解調器與所述處理器之間，通過對所述解調器的輸出信號執行所述給定的算法獲得所述頻率偏移的量度，且基于所述獲得的量度得到一個頻率補償信號。
全文摘要
在接收機是運動的,也許以相對高的速度在運動,且接收機的內部解調振蕩器產生一個頻率偏移的情況下,通過一個共用的算法對頻率偏移估算和信道特性估算的處理得到一個有效的接收機。獲得一個頻率補償因子,并把它加到輸入信號中以產生一個沒有明顯頻率偏移的信號。然后,把此信號加到一個還是采用LMS算法的過程中,并結合檢測算法,例如維特比算法,從輸入信號中恢復已編碼成輸入信號的信息信號。
文檔編號H04L27/01GK1232334SQ99102439
公開日1999年10月20日 申請日期1999年2月26日 優先權日1998年2月27日
發明者馬庫斯·魯浦 申請人:朗迅科技公司