Ofdm系統中的非線性時域信道估計的制作方法
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技術領域
[0003] 本發明涉及用于對通信信號進行處理以更加高效地實現信道估計的系統和方法， 具體來說，在正交頻分復用（OFDM)接收機中提供信道估計。
【背景技術】
[0004] 為了增加數據速率以及抑制多徑，包括如WiMX和LTE(長期演進）等的所謂4G 無線網絡的高級網絡針對它們的PHY層采用了正交頻分復用（OFDM)波形的變形。PHY層是 物理、電磁模塊，通過該模塊在空中或有線地傳輸和接收信息的比特。OFDM利用對城市環境 中的無線信道的多徑的內置抑制提供了很受歡迎的帶寬效率。OFDM傳輸的靈敏度是很容易 理解的。針對PHY層的"比特栗"方案已經證明在數字用戶線（DSL，有線的）OFDM應用中是 成功的。另一方面，移動無線OFDM應用仍然面臨要實現OFDM的設計的容量的挑戰。
[0005] OFDM的實踐和理論優勢的核心是快速傅里葉變換（FFT)的使用。OFDM中實現的 FFT可以被視為類似于針對N。個同時工作的無線電站的調諧器庫，因為可以將由FFT生成 的音調中的每一個音調獨立地分配給用戶。OFDM PHY在較短的時間段上利用給給定用戶 的載波分配的全部或部分來提供或接收每一個載波頻率（音調）上的同時發生的比特流 (blast)。在不同的用戶之間進行載波的部分分配以及將許多用戶聚合在一個周期之內是 用于OFDM的一種多址方案。在IOMHz帶寬信道的情況下，用戶可以在很短的時長（如0. 1 毫秒）上接收多達N。= 840 (WiMAX)或600 (LTE)個同時的音調。每時間段的這N。個音調 組成一個OFDM符號。許多用戶在一個符號中的分配被稱為0FDMA。
[0006] 無線標準通常包括由可用帶寬和信息的時間靈敏度定義的三個重要的時間片段。 連結多個符號以定義幀，幀是最長的相關時間單元，以及例如，幀可能是一毫秒。如果標準 向幀分配十個符號，那么符號時長為[0. 5]0. 1毫秒。最后，FFT的大小和循環前綴（CP)時 長定義了采樣之間的時間間隔，因此1024點的FFT和128點的CP定義了 11微秒的采樣 間隔。雖然FFT計算可以是比較高效的，但示例性OFDM系統的FFT大小足夠大（例如，在 IOMHz帶寬的情況下有1024個采樣），因此計算要求仍然很高，并且功耗仍然是設計針對用 戶手持設備的接收機時的重要約束。
[0007] OFDM系統與基于碼分多址（CDMA)的3G系統相比更加靈敏并且具有較不穩健的信 號采集。OFDM系統的靈敏度來自其使用快速傅里葉變換（FFT)將進入的信號從時域變換到 頻域。在非常普通的真實世界情況以及接收機實現方式的情況下，OFDM系統中的FFT會偏 離理想假設。如果構成FFT算法基礎的假設失敗，那么在所傳輸的所有的N。個信道（N。個 子載波上的）之間會發生串擾。載波之間的串擾使性能下降，這進而導致了誤比特率（BER) 增加。
[0008] 由于來自結構體或大型水面的反射，無線OFDM手持設備可以接收來自發射塔 ("基站"）的相同信號的多個路徑（具有不同延遲的副本）。這種非視距接收或多徑導致 信號相對于由發射機輸出的平坦頻域"形狀"有所失真。接收機必須計算濾波器以將信號 恢復成其原始的平坦頻譜形狀；該濾波器被稱為對信號進行均衡。OFDM接收機針對所傳輸 的每一個OFDM符號進行關鍵的均衡計算。
[0009] 不像通常用在通信系統中的大多數其他調制策略，OFDM可以包括兩種均衡器以改 善信號質量：時間均衡器（TEQ)和頻率均衡器（FEQ)。諸如DSL之類的一些OFDM應用包括 時間均衡器，而諸如實現當前無線標準的系統之類的其他系統不需要時間均衡器。所有實 際的OFDM接收機都具有頻率均衡器。無論接收機包括時間均衡器還是僅包括頻率均衡器， 接收機都需要進行信道估計以在均衡器可以用于改善信號質量之前至少初步地確定均衡 器系數的值。確定頻率均衡器的系數通常是在頻域中執行的。
[0010] OFDM通信系統通常包括生成無線信號的OFDM發射機，這些無線信號以信息（如 由計算機網絡生成的數據或語音數據）進行調制。無線信號在信道上行進至接收機，該信 道以各種方式使無線信號失真（包括通過在具有不同長度的多個路徑上傳輸），從而在被 稱為多徑的機制中引入具有不同偏移和幅值的無線信號的多個副本。接收機電路將所接收 的信號下轉換到基帶，并且然后對該信號進行模數轉換以產生經歷OFDM處理的信息信號。 在時間上將無線電信號進行對準。在對準之后，對信號進行處理以從信號中去除循環前綴 (CP)。循環前綴是存在的，因為OFDM發射機向長度為N的信息信號波形添加由最后N cp個 采樣組成的具有長度Nep的CP，從而使得發射機轉換為模擬的并且進行發送的數字信號具 有長度Ν+Ν εΡ。然后，接收機的逆轉換過程的初始步驟是去除并丟棄所添加的Nep個循環前 綴采樣。在該步驟之后，串并轉換元件組織并將串行信號轉換成并行信號用于進一步處理。 循環前綴可以在串并轉換之前或之后去除。
[0011] 在CP去除之后，將并行數據提供給快速傅里葉變換（FFT)處理器，該快速傅里葉 變換處理器將時域采樣s(n)轉換成頻域采樣的集合民00用于處理。假定所接收到的OFDM 符號被信道破壞，其針對OFDM假定對來自OFDM系統中使用的載波頻率中的每一個載波頻 率的采樣引入了幅值和相位失真。頻率均衡器（FEQ)將特定于在OFDM系統中使用的每個 頻率的幅值和相位校正應用到在不同頻率上所傳輸的各種采樣。FEQ需要在每個頻率處對 信道相比于理想情況下的幅值和相位偏差進行估計以確定應用什么校正。
[0012] 典型的OFDM信道估計器基于導頻音調位置的集合和所接收的導頻信號在頻域中 對信道進行接收和估計。這被稱為頻域信道估計或FDCE。導頻音調（或者只是導頻）通 常是相關標準所指示的一個或兩個位符號，從而使得接收機事先知道所期望的導頻位置和 值。所有的FDCE實現方式對FFT輸出的OFDM符號作出反應以提取所接收的導頻信號。可 以將每一個導頻處的信道估計確定為相對于每一個導頻的理想情況下期望的解調后的值 "+1"的幅值和相位旋轉。相對于此"+1"值的任何偏離組成了來自那個頻率的帶寬處的信 道的失真。數據載波頻率處的信道的值可以通過對在導頻載波頻率處所獲得的值進行內插 來進行估計。對簡單信道估計方案的各種改善是已知的，并且傳統上是在頻域中實現的。頻 率均衡器接收來自快速傅里葉變換處理器的信號和來自估計器的信道估計，并且對信號進 行均衡。通常將均衡器的輸出提供給將均衡器的并行輸出轉換成串行輸出用戶信號的并串 元件。
[0013] 通過根據將要"裝載"到OFDM符號中的比特的數量將活動數據載波的值設置為 來自規定的值集合的非零值來構建那個OFDM符號。然后對這些值進行快速傅里葉逆變換 (IFFT)以獲得時域采樣。通過從符號的時域采樣序列的末尾取走規定數量的采樣來將循環 前綴附加到符號的開頭。IFFT可能例如產生1024個采樣。某些標準選擇CP具有128的長 度。這意味著發射機從1024個采樣的序列中選擇最后的128個采樣，并且將那些采樣附加 在前面，從而使得它們變成所傳輸的OFDM符號中的前128個采樣，所發送的OFDM符號具有 總數為1152的采樣。因為這種構造，從OFDM符號的1152個采樣中選出任何1024個采樣 產生在原始的1024個OFDM時域采樣上的循環移位。
[0014] 在WiMAX標準的情況下，可以在60個子信道上發送OFDM符號，其中，每個子信道 有14個活動載波，對于總共840個活動載波來說，每個子信道有4個導頻。導頻在任何給 定符號以及因此的子信道中的位置是由標準規定的。用于高吞吐量網絡的OFDM方案尋求 將開銷最小化，并且這包括了在符號內的訓練載波的數量。減少導頻的數量或密度可以限 制接收機高效地恢復來自信號的信息的能力。
[0015] OFDM的一個理論上的優勢是：可以在FFT之后通過非常簡單的算法針對每一個接 收的音調單獨地執行均衡。啟動OFDM接收機的另一個優勢是僅需要針對與用戶相關的每 一個子載波來估計均衡器系數，量小于FFT的大小。與每一個音調相對應的每一個均衡器 系數的值將取決于信道系數的估計-被稱為信道估計。與OFDM接收機中的許多操作一樣， 典型的OFDM接收機在FFT之后進行信道估計，因為此時的信道估計是基于用戶的音調分配 來簡單且高效地執行的。因為信道估計在FFT之后進行的，因此音調將受到FFT和FFT后 失真的影響，這被稱為載波間干擾（ICI)。ICI通常通過三種情況來展現：1)頻率調諧中的 誤差；2)來自移動性的多普勒；以及3)來自其他小區站點的干擾。OFDM系統通過在符號之 間提供時間間隔來適應符號間干擾，從而使得與其他無線方案相比，符號間干擾對于OFDM 來說通常是較小的問題。
[0016] 任何給定的信道具有公知的對其容量的限制。在當前的OFDM實現方式中，在期望 的速率以下存在額外的容量上的損耗。信道估計誤差是罪魁禍首。因為在典型實現方式中 ICI影響FFT后的信道估計算法，因此糟糕的信道估計導致不準確的均衡器系數。由于種種 情況（例如，要求苛刻的信道和糟糕的信道估計）而導致的增加的誤比特率（BER)可以通 過