專利名稱：在時分多址系統中計算噪聲能量的方法
技術領域：
本發明涉及一種用于對經由傳輸信道傳送的信號進行噪聲能量計算和/或偏差計算的方法和相應設備。具體地說，本發明涉及在無線遠程通信系統中使用的這種方法和設備。
背景技術：
近來，移動無線遠程通信系統應用地已非常廣泛。這種移動無線遠程通信系統例如根據一種公認的標準，如GSM標準來操作。根據GSM標準，依據時分多址(TDMA)的方法執行數據傳送。TDMA傳輸規則規定，僅在各個指定的時隙幀期間從發射機向接收機傳送數據，反之亦然。
這種遠程通信系統中的數據傳輸基本上是依靠數字數據傳送。然而，在作為一個用戶終端的移動無線接收機(以下稱為移動站MS)和一個作為業務無線網絡元素的固定無線發射機設備(以下稱為基站BS)之間，數據必需作為模擬數據經由空中接口Um(代表感興趣的傳輸信道)傳送。
結果，由移動站MS傳送的數據經由基站BS接收設備的基站天線裝置作為模擬數據接收。在利用所述接收設備對這樣得到的數據進行進一步處理的過程中，對所述模擬數據進行模數轉換，即將此數據通過一個A/D轉換器裝置。在下一階段的處理中，把得到的數字數據提供給一個均衡器裝置進行均衡處理。然后把這樣得到的輸出數據提供給一個信道編解碼裝置以對該數據進行編碼/解碼。在接收側執行解碼以從相關信號數據中分離出已接收到的語音數據。
要特別注意這種處理過程中對已接收數據的均衡，因為在接收側所述均衡要求從已接收信號的混合體中重構已傳輸信號。
例如，假定一種情況，其中在無線遠程通信網絡中有一個基站BS和在該基站無線覆蓋區中僅有的一個單獨的移動站MS。于是，從移動站MS傳送出的信號s可通過直線經時間s(t)直接到達基站BS。但是，同樣的信號s可能被周圍環境中的例如建筑物，山脈或類似物體反射。這樣，該同樣的信號可能在一個較遲的時間點s(t+T)到達基站BS，并被疊加到所述信號s(t)上。由于時延T的存在，所接收到的兩個信號不再彼此同相。而且，因為經過更長的傳送路徑，被延遲了的信號s(t+T)甚至可能比信號s(t)衰減得更嚴重。于是，由基站BS接收到的從移動站MS發出的信號就失真了。現在，假設又提供另一個移動站MS′，則基站BS另外還接收到信號s′(t′)和s′(t′+T′)，這些信號在各個已傳送的數據符號之間引起干擾(符號間干擾)。
因此，必須由一個均衡器裝置重構(檢測)初始傳送的信號s(t)和/或從已接收信號s(t)，s(t+T)，s′(t′)，s′(t′+T′)的混合中得到的信號s′(t′)。
這樣被重構(或檢測)的信號需要盡可能地與初始傳送的信號相似。因此當設計均衡器，例如用在基站BS的接收設備(接收機)中的均衡器時，這種重構是一個主要的關注點。
至于在這種情況下所采用的信道模型，上述每個延遲信號都構成一種信道脈沖響應函數相應的FIR(有限脈沖響應)模型，并代表一個所謂的分接頭(tap)。根據所述分接頭的值就能夠計算出傳輸函數的極點和零點。
在接收機側，有必要了解所接收信號的品質。用已接收信號的噪聲能量(偏差)來代表該已接收信號的品質。把用噪聲能量代表的對信號品質的了解(例如與均衡一起)運用到相應的接收機中。
在移動通信系統中，必須從已接收到的數據流來計算已接收信號的噪聲能量。
根據現有的技術方案，從已接收信號減去訓練序列(trainingsequence)(對接收機為已知并也經由傳輸信道傳送，因此包含在該已接收信號中)的卷積處理結果及一個已計算出的信道脈沖響應所得之差來計算噪聲能量。文獻EP-B1-0 428 199中描述了這種方法的一個實例。
然而，執行卷積處理需要在接收機側提供一個具有大容量數據存儲器的大功率數字處理器設備，以便臨時存儲卷積處理的結果。而且，由于卷積處理的復雜性，這種處理也非常耗時。
此外，在特別適合于接收和重構已傳送語音數據的接收機中，根據Viterbi(維特比)算法計算噪聲能量。在以前的申請人所提交的文件WO 97/08841中描述了這種方法的一個實例。
但是，執行Viterbi算法也需要在接收機側提供具有大容量數據存儲器的大功率數字信號處理器設備以臨時存儲卷積處理的結果。
發明內容
因此，本發明的一個目的是提供一種用于計算經由傳輸信道傳送的已接收信號的信號偏差的方法和相應的設備，這種方法和設備沒有已知的現有技術所提供的技術方案的上述內在缺陷。
根據本發明，這個目的通過一種用于計算經由傳輸信道傳送的已接收信號的信號偏差的方法實現，所述方法包括以下步驟計算已接收信號的能量，計算信道脈沖分接頭的能量，以及用所述已計算出的所述已接收的信號的能量減去所述已計算出的信道脈沖響應分接頭的能量計算所述已接收信號的所述信號偏差，以便從公式VAR＝RSSI-Emax得到所述信號偏差。
此外，根據本發明，這一目的通過用于計算經由傳輸信道傳送的已接收信號的信號偏差的設備實現，所述設備包括適合于計算已接收信號能量的第一計算部件，適合于計算信道脈沖響應分接頭能量的第二計算部件，和適合于計算所述已接收信號的信號偏差的第三計算部件，還包括一個適合于從所述已計算出的所述已接收信號的能量中減去所述已計算出的信道脈沖響應的能量的減法單元，從而可從公式VAR＝RSSI-Emax中得到所述信號偏差。
本發明的有利改進在各項從屬權利要求中說明。
于是，本發明的優點在于提供一種計算噪聲能量，即已接收信號的偏差的非常簡單的方法。特別地，這種計算方法比基于卷積的偏差計算簡單得多。
另外，因為本發明需要比現有技術更小容量的存儲器來計算噪聲能量，所以本發明用在上述的接收機中是很有益的，該接收機中所用數字信號處理器設備的數據存儲器的容量有限。這也給相應的接收機設備增加了更多的靈活性并能執行新的和改進的接收機算法。
而且，在這些接收機中所需計算結果即時可得，而僅需對現有的接收機做較小的改變。
此外，本發明能在任何適合于根據TDMA傳輸規則操作的接收機設備中實現，并因此可用于所有符合GSM規范的基站。
另外，本申請中提出的用于計算偏差的方法和設備可結合在先提出的專利申請PCT/EP 98/04562(1998年7月21日提交，尚未出版)用在接收機設備中以改善接收機的靈敏性，該在先申請利用已接收信號的偏差來處理信道脈沖響應計算。
下面將參照附圖通過實例詳細地說明本發明的優選實施例。
圖1圖解說明了根據本發明的設備的一個基本實現方式的示意電路方框圖；和圖2示出了圖1所示的基本實現方式的一種改進形式。
優選實施例詳細說明根據本發明，已接收信號的噪聲能量和/或偏差不再像已有技術所做的那樣通過已接收信號、訓練序列的卷積處理結果和已計算出的傳輸信道的脈沖響應之差來計算。
取而代之，本發明基于這樣一種思想，即已接收信號是原始信號加上一個噪聲分量。因此，噪聲分量就等于已接收信號減去原始信號。而且，噪聲能量代表已接收信號的偏差。于是這種偏差就可基于已接收信號的能量和脈沖響應分接頭的能量進行計算。更準確地說，根據本發明，通過已接收信號的能量和脈沖響應分接頭的能量之差計算所述偏差，正如隨后將通過根據本發明的方法和設備進行說明的那樣。
應當注意，在對本發明的說明中“能量”是相應信號的平均能量，且該能量將被一段信號符號序列劃分以獲得每個符號的平均信號能量。該符號序列由包含在該序列中符號個數的數字N代表。同時，“信號能量”這一表述意指每個符號的信號能量。
通常，已接收信號y也包含一個訓練序列X。該訓練序列對于系統是預知的并也作為在一個TDMA幀的某一時隙期間傳輸的數據的一部分被傳送，所述數據稱為數據短脈沖串(data burst)。
在下面的描述中，首先要特別注意對作為根據本發明的方法之基礎的規則的說明。
為此，假設已接收信號由下面的公式表示y＝Xh+w (1)其中y代表經由傳輸信道傳送的已接收信號，X代表訓練序列，h代表已計算出的信道脈沖響應，w代表包含在已接收信號中的噪聲。注意在此的和以后的公式中黑體字表明相應的數量/變量為矢量和/或矩陣表示。
如果對上述的公式(1)進行轉換使得該公式兩邊都用相應的能量E表示，就將得到下面的公式E(yHy)＝E((Xh+w)H(Xh+w)) (2)在上述假設的條件下，數據，即已接收信號y和噪聲w是不相關的，可重寫公式(2)的右邊并得到下面的公式E(yHy)＝E(hHXHXh+w)+E(wHw) (3)很明顯，在公式(3)中，E(wHw)項代表噪聲的能量，而E(hHXHXh+w)項代表信號能量，E(yHy)代表已接收信號的能量。
所以，現在就能近似認為(XHX)，即訓練序列的共軛復數轉置矩陣XH和該訓練序列矩陣X(用復數符號表示)的乘積為“1”，或代表僅在其對角線上有數值“1”的單位矩陣。這取決于所選擇的訓練序列的性能或特征。
根據這種近似，信號/符號的能量可重寫為E(hHXHXh)/N=E(hHh)/N=(Σi(Re{hi}2+Im{hi}2))/N]]>＝Emax(4)其中，Re{hi}代表以矢量表示的所述信道脈沖響應h的第i個分矢量的實部，Im{hi}代表以矢量表示的所述信道脈沖響應h的第i個分矢量的虛部，h代表信道脈沖響應矢量，hH代表所述信道脈沖響應矢量的共軛復數轉置，和X代表用矢量表示的訓練序列，該訓練序列與它的共軛復數轉置XH的乘積為“1”，以及N代表上述公式(3)中的序列y的長度。
同理，已接收信號/符號的能量E也可表示為E(yHy)/N=(Σi(Re{yi}2+Im{yi}2))/N=RSSI---(5)]]>其中，Re{yi}代表以矢量表示的已接收信號y的第i個分矢量的實部，Im{yi}代表以矢量表示的已接收信號y的第i個分矢量的虛部，y代表已接收信號矢量，yH代表所述已接收信號矢量的共軛復數轉置，且RSSI代表已接收信號強度指示器，以及N代表上述公式(3)中的序列y的長度。
考慮到上述情況，噪聲能量或偏差VAR就可通過已接收信號/符號的能量RSSI和近似由所述信道脈沖響應h的脈沖響應分接頭的能量所表示的信號/符號的能量之差得到，即VAR＝RSSI-Emax (6)上述公式(6)是推導該公式時進行近似所得到的結果。但是，這一關系在幾乎所有的情況下提供了足夠可靠的結果。
然而，下面可得到公式(6)的一種改進。特別地，脈沖響應分接頭的能量分別由第一和第二預定系數(加權系數)a和b加權。
然后，就得到經改進的公式(6)VAR＝RSSI-a*Emax (7)和ACT_VAR＝MAX(VAR，b*Emax) (8)其中ACT_VAR作為執行本發明的(改進的)方法的結果代表將用在接收機中的實際偏差。具體地說，選擇根據公式(7)得到的所述偏差VAR和用第二預定系數b進行加權的脈沖響應分接頭的能量Emax中的最大值作為實際偏差。
所述預定的系數a和b分別是對使用者特定的常數。應注意當選擇加權系數a，b分別等于1和0時，所述改進的方法就可簡化為上述的基本方法。
這些分量的設定依賴接收機所使用的環境，也依賴于所使用的設備的特性(例如，設備的熱電噪聲特性)。
本發明人通過實驗證明a和b的合適數值為a＝0.5，b＝1/32。用數值b設定偏差VAR的最小可能值。也就是說，對于公式(8)，如果VAR的值(公式(7)的結果)小于b*VAR，則b*VAR的值較大并選其作為ACT_VAR，因為它是這兩個值中最大的。通過把VAR或ACT_VAR的值限制到最小，Emax/VAR(或相應的Emax/ACT_VAR)的商被限制到最大可能值。再從該商數可得到S/N(信噪比)的值。
于是，根據本發明的方法，在適合于執行根據公式(6)的函數關系的計算步驟中計算已接收信號的信號偏差。在進行這一步驟之前，先執行計算已接收信號的能量/符號RSSI的步驟和計算信道脈沖響應分接頭的能量/符號Emax的步驟。這些步驟的優點在于其也適合于分別實現根據公式(5)和(4)的函數關系。
根據上述改進，在一個相應的改進計算步驟中計算所述已接收信號的實際信號偏差ACT_VAR，所述改進步驟適合于實現根據公式(7)和(8)的函數關系。
接下來將參照附圖詳細說明根據本發明的相應設備。
圖1示出了根據本發明的設備的基本實現方式的示意電路方框圖。
如圖所示，一個已接收信號y經由一條傳輸通路(未示出)被提供給構成接收機設備一部分的裝置。
該已接收信號y被分流并分別提供給第一計算部件1和第二計算部件2。
所述第一計算部件適合于計算已接收信號y的能量/符號，這個比值也可用RSSI(已接收信號強度指示器)表示。所述能量可表示為∑｜y｜2(y是假設以復數形式表示的信號所代表的已接收信號)。特別地，所述第一計算部件1適合于執行如上述公式(5)表示的以輸入/輸出特性來表達的處理。
所述第二計算部件適合于計算信道脈沖響應h分接頭的能量/符號Emax。所以，該第二計算部件2包括一個信道脈沖響應(CIR)計算單元2a和一個處理單元2b。
所述CIR計算單元2a基于所提供的已接收信號y和一個輸入訓練序列X得到信道脈沖響應，所述訓練序列包含在已接收信號的數據中且對于所述設備是已知的。該已知的訓練序列例如從一個用于存儲各個訓練序列的存儲單元(未示出)輸入CIR計算單元2a。
這種信道脈沖響應計算單元2a的設計對本發明來說并不重要，其可以是常規的已知單元，所以對此不再贅述。
作為CIR計算單元2a的處理結果，一個代表信道脈沖響應函數和/或信道脈沖響應分接頭的信號h輸出并被提供給再處理單元2b，該再處理單元適合于根據所述單元2a的預處理結果輸出信道脈沖響應分接頭的能量/符號Emax。所述能量/符號Emax可表示為∑｜h2｜。特別地，所述再處理單元適合于執行如上述公式(4)表達的以輸入/輸出形式表示的處理。應時刻牢記，所指定的每個信號都由i個分矢量組成，其中i依賴于由信道脈沖響應函數h所表達的FIR信道模型。
分別由第一和第二計算部件輸出的信號RSSI和Emax被提供給第三計算部件3。
所述第三計算部件3適合于根據提供給它的兩個信號得到信號偏差或噪聲能量。更準確地說，所述信號RSSI和Emax分別加到所述第三計算部件3的減法單元3a的正(+)和負(-)輸入端子。
在圖解說明的本發明設備的基本實現形式中的減法單元3a(和/或第三計算部件)適合于執行如上述公式(6)表示的以輸入/輸出特性形式表達的處理。隨后，該減法單元輸出作為信號偏差或噪聲能量的信號VAR并將其提供給所述接收機設備以做下一步使用。
下面將參照圖2說明如圖1所示的基本實現方式的改進方式。
由于所述改進僅與第三計算部件有關，因此不必重復描述第一和第二計算部件。
如圖2所示，所述改進的第三計算部件包括一個減法單元33a并且還包括一個加權單元33b。該加權單元執行加權，即分別用預先確定的系數a和b乘以所提供的信號Emax。加權單元33b的輸出a*Emax加到所述減法單元的負(-)端子上，而信號RSSI仍然加到減法單元的另一個，即正(+)端子上。所述減法單元適合于輸出如上述公式(7)所表示的信號VAR。該信號VAR作為所述設備還提供的一個選擇部件44的兩個輸入信號中的一個輸出到該選擇部件。所述改進的第三計算部件33的加權單元33b的輸出b*Emax作為所述選擇部件44的兩個輸入信號中的第二個。
所述選擇部件44適合于輸出兩個輸入信號中較大的一個作為將進一步用在所述接收機中的實際偏差ACT_VAR。
預定加權系數a，b可利用設定部件(未示出)分別設定為對使用者特定的常數。特別是當設定a＝1，b＝0時，所述改進的第三計算部件的結構簡化為上述第三計算部件的基本結構。如上所述，對這些分量的具體設定取決于接收機所使用的環境以及所使用的設備的特性(例如該設備的熱電噪聲特性)。本發明人通過實驗證明，a和b適當的值為a＝0.5，b＝1/32。用數值b設定偏差VAR的最小可能值。也就是說，在公式(8)中，如果VAR的值(公式(7)的結果)小于b*VAR，則b*VAR是較大的值并選擇其作為ACT_VAR，因為該值是兩個值中最大的一個。通過限制VAR或ACT_VAR的值到最小，Emax/VAR(或相應的Emax/ACT_VAR)的商被限制為最大可能值。再從該商數中得到S/N(信噪比)的值。
因此，如上所述，本發明提出了一種計算經由傳輸信道傳送的已接收信號y的信號偏差的方法，所述方法包括以下步驟計算已接收信號y的能量RSSI，計算信道脈沖響應h分接頭的能量Emax，以及通過從所述已計算出的所述已接收信號的能量RSSI中減去所述已計算出的信道脈沖響應分接頭的能量Emax計算所述已接收信號的所述信號偏差VAR，由此從公式VAR＝RSSI-Emax中得到所述信號偏差；此外本發明還提供一種適合實現這種方法的設備。
應當理解上述描述和附圖僅僅是為了通過舉例的方式說明本發明。本發明的優選實施例可在附后的權利要求書的范圍內變化。
權利要求
1.一種用于計算經由傳輸信道傳送的已接收信號(y)的信號偏差的方法，所述方法包括以下步驟計算已接收信號(y)的能量(RSSI)；計算信道脈沖響應(h)分接頭的能量(Emax)；和通過從所述已計算出的所述已接收信號的能量(RSSI)中減去所述已計算出的信道脈沖響應分接頭的能量(Emax)計算所述已接收信號的所述信號偏差(VAR)，以便所述信號偏差由下述公式得到VAR＝RSSI-Emax。
2.如權利要求1所述的方法，其中所述已計算出的已接收信號(y)的能量(RSSI)根據下述關系式由已接收信號(y)的所有分矢量的和表示RSSI=Σi(Re{yi}2+Im{yi}2)=E(yHy)]]>其中，Re{yi}代表以矢量表示的已接收信號y的第i個分矢量的實部，Im{yi}代表以矢量表示的已接收信號y的第i個分矢量的虛部，y代表已接收信號矢量，和yH代表所述已接收信號矢量的共軛復數轉置。
3.如權利要求1所述的方法，其中所述已計算出的所述信道脈沖響應(h)分接頭的能量(Emax)根據下述關系式由信道脈沖響應(h)的所有分矢量的和表示Emax=(Σi(Re{hi}2+Im{hi}2)=E(hHXHhX)]]>其中，Re{hi}代表以矢量表示的所述信道脈沖響應h的第i個分矢量的實部，Im{hi}代表以矢量表示的所述信道脈沖響應h的第i個分矢量的虛部，h代表信道脈沖響應矢量，hH代表所述信道脈沖響應的矢量的共軛復數轉置，和X代表用矢量表示的訓練序列，該訓練序列與它的共軛復數轉置XH的乘積為“1”。
4.如權利要求1所述的方法，其中所述的計算所述已接收信號的所述信號偏差(VAR)的步驟進一步包括以下步驟利用相應的第一和第二預定系數(a，b)對所述已計算出的信道脈沖響應分接頭的能量(Emax)進行加權，和其中，通過從所述已計算出的所述已接收信號的能量(RSSI)中減去所述已計算出的用所述第一預定系數(a)加權的信道脈沖響應分接頭的能量(Emax)得到所述已計算出的信號偏差(VAR)，以便所述信號偏差由下述公式得到VAR＝RSSI-a*Emax，所述方法還包括選擇步驟，用于選擇實際計算偏差(ACT_VAR)為所述已計算出的信號偏差(VAR)和所述已計算出的用所述第二預定系數(b)加權的信道脈沖響應分接頭(Emax)的能量中的最大值，以便所述實際計算偏差(ACT_VAR)由下述公式得到ACT_VAR＝MAX(VAR，b*VAR)。
5.如權利要求4所述的方法，其中所述預定系數是對使用者特定的常數。
6.一種用于計算經由傳輸信道(1)傳送的已接收信號(y)的信號偏差的設備，所述設備包括適合于計算已接收信號(y)的能量(RSSI)的第一計算部件(1)；適合于計算信道脈沖響應(h)分接頭的能量(Emax)的第二計算部件(2，2a，2b)；和適合于計算所述已接收信號的所述信號偏差(VAR)的第三計算部件(3，3a；33，33a)，且該部件包括一個減法單元(3a；33a)，適合于從所述已計算出的所述已接收信號的能量(RSSI)中減去所述已計算出的信道脈沖響應分接頭的能量(Emax)，以便所述信號偏差從下述公式中得到VAR＝RSSI-Emax。
7.如權利要求6所述的設備，其中所述已計算出的所述已接收信號(y)的能量(RSSI)根據下述關系式由已接收信號(y)的所有分矢量之和表示RSSI=Σi(Re{yi}2+Im{yi}2)=E(yHy)]]>其中，Re{yi}代表以矢量表示的已接收信號y的第i個分矢量的實部，Im{yi}代表以矢量表示的已接收信號y的第i個分矢量的虛部，y代表已接收信號矢量，和yH代表所述已接收信號矢量的共軛復數轉置。
8.如權利要求6所述的設備，其中所述已計算出的所述信道脈沖響應(h)分接頭的能量(Emax)根據下述關系式由信道脈沖響應(h)的所有分矢量的和表示Emax=Σi(Re{hi}2+Im{hi}2)=E(hHXHhX)]]>其中，Re{hi}代表以矢量表示的所述信道脈沖響應h的第i個分矢量的實部，Im{hi}代表以矢量表示的所述信道脈沖響應h的第i個分矢量的虛部，h代表信道脈沖響應矢量，hH代表所述信道脈沖響應的矢量的共軛復數轉置，和X代表用矢量表示的訓練序列，該訓練序列與它的共軛復數轉置XH的乘積為“1”。
9.如權利要求6所述的設備，其中所述適合于計算所述已接收信號的所述信號偏差(VAR)的第三計算部件(33，33a)還包括一個適合于用相應的第一和第二預定系數(a，b)加權所述已計算出的信道脈沖響應分接頭能量(Emax)的加權單元(33b)，和一個減法單元(33a)，該減法單元輸出所述已計算出的信號偏差(VAR)作為從所述已計算出的所述已接收信號的能量(RSSI)中減去用所述第一預定系數(a)加權的所述已計算出的信道脈沖響應分接頭的能量(Emax)的結果，以便所述信號偏差由下述公式得到VAR＝RSSI-a*Emax，所述設備還包括一個選擇部件(44)，適合于選擇實際計算偏差(ACT_VAR)為所述已計算出的信號偏差(VAR)和所述已計算出的用所述第二預定系數(b)加權的信道脈沖響應分接頭的能量(Emax)中的最大值，以便所述實際計算偏差(ACT_VAR)由下述公式得到ACT_VAR＝MAX(VAR，b*VAR)。
10.如權利要求9所述的設備，其中所述預定系數是對于使用者特定的常數。
全文摘要
本發明提出了一種用于計算經由傳輸信道傳送的已接收信號(y)的信號偏差的方法,所述方法包括以下步驟:計算已接收信號(y)的能量(RSSI),計算信道脈沖響應(h)分接頭的能量(Emax),以及通過從所述已計算出的所述已接收信號的能量(RSSI)中減去所述已計算出的信道脈沖響應分接頭的能量(Emax)得到所述已接收信號的所述信號偏差(VAR),以便所述信號偏差可由公式VAR=RSSI－Emax得到。本發明還提供了一種與上述方法相適應的設備。
文檔編號H04B17/00GK1350734SQ99816648
公開日2002年5月22日 申請日期1999年5月17日 優先權日1999年5月17日
發明者阿吉·哈蓬恩, 奧利·皮雷恩 申請人:諾基亞公司