Ofdm系统中的非线性时域信道估计的制作方法
【专利说明】
[0001] 版权声明/许可
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技术领域
[0003] 本发明涉及用于对通信信号进行处理以更加高效地实现信道估计的系统和方法， 具体来说，在正交频分复用（OFDM)接收机中提供信道估计。
【背景技术】
[0004] 为了增加数据速率以及抑制多径，包括如WiMX和LTE(长期演进）等的所谓4G 无线网络的高级网络针对它们的PHY层采用了正交频分复用（OFDM)波形的变形。PHY层是 物理、电磁模块，通过该模块在空中或有线地传输和接收信息的比特。OFDM利用对城市环境 中的无线信道的多径的内置抑制提供了很受欢迎的带宽效率。OFDM传输的灵敏度是很容易 理解的。针对PHY层的"比特栗"方案已经证明在数字用户线（DSL，有线的）OFDM应用中是 成功的。另一方面，移动无线OFDM应用仍然面临要实现OFDM的设计的容量的挑战。
[0005] OFDM的实践和理论优势的核心是快速傅里叶变换（FFT)的使用。OFDM中实现的 FFT可以被视为类似于针对N。个同时工作的无线电站的调谐器库，因为可以将由FFT生成 的音调中的每一个音调独立地分配给用户。OFDM PHY在较短的时间段上利用给给定用户 的载波分配的全部或部分来提供或接收每一个载波频率（音调）上的同时发生的比特流 (blast)。在不同的用户之间进行载波的部分分配以及将许多用户聚合在一个周期之内是 用于OFDM的一种多址方案。在IOMHz带宽信道的情况下，用户可以在很短的时长（如0. 1 毫秒）上接收多达N。= 840 (WiMAX)或600 (LTE)个同时的音调。每时间段的这N。个音调 组成一个OFDM符号。许多用户在一个符号中的分配被称为0FDMA。
[0006] 无线标准通常包括由可用带宽和信息的时间灵敏度定义的三个重要的时间片段。 连结多个符号以定义帧，帧是最长的相关时间单元，以及例如，帧可能是一毫秒。如果标准 向帧分配十个符号，那么符号时长为[0. 5]0. 1毫秒。最后，FFT的大小和循环前缀（CP)时 长定义了采样之间的时间间隔，因此1024点的FFT和128点的CP定义了 11微秒的采样 间隔。虽然FFT计算可以是比较高效的，但示例性OFDM系统的FFT大小足够大（例如，在 IOMHz带宽的情况下有1024个采样），因此计算要求仍然很高，并且功耗仍然是设计针对用 户手持设备的接收机时的重要约束。
[0007] OFDM系统与基于码分多址（CDMA)的3G系统相比更加灵敏并且具有较不稳健的信 号采集。OFDM系统的灵敏度来自其使用快速傅里叶变换（FFT)将进入的信号从时域变换到 频域。在非常普通的真实世界情况以及接收机实现方式的情况下，OFDM系统中的FFT会偏 离理想假设。如果构成FFT算法基础的假设失败，那么在所传输的所有的N。个信道（N。个 子载波上的）之间会发生串扰。载波之间的串扰使性能下降，这进而导致了误比特率（BER) 增加。
[0008] 由于来自结构体或大型水面的反射，无线OFDM手持设备可以接收来自发射塔 ("基站"）的相同信号的多个路径（具有不同延迟的副本）。这种非视距接收或多径导致 信号相对于由发射机输出的平坦频域"形状"有所失真。接收机必须计算滤波器以将信号 恢复成其原始的平坦频谱形状；该滤波器被称为对信号进行均衡。OFDM接收机针对所传输 的每一个OFDM符号进行关键的均衡计算。
[0009] 不像通常用在通信系统中的大多数其他调制策略，OFDM可以包括两种均衡器以改 善信号质量：时间均衡器（TEQ)和频率均衡器（FEQ)。诸如DSL之类的一些OFDM应用包括 时间均衡器，而诸如实现当前无线标准的系统之类的其他系统不需要时间均衡器。所有实 际的OFDM接收机都具有频率均衡器。无论接收机包括时间均衡器还是仅包括频率均衡器， 接收机都需要进行信道估计以在均衡器可以用于改善信号质量之前至少初步地确定均衡 器系数的值。确定频率均衡器的系数通常是在频域中执行的。
[0010] OFDM通信系统通常包括生成无线信号的OFDM发射机，这些无线信号以信息（如 由计算机网络生成的数据或语音数据）进行调制。无线信号在信道上行进至接收机，该信 道以各种方式使无线信号失真（包括通过在具有不同长度的多个路径上传输），从而在被 称为多径的机制中引入具有不同偏移和幅值的无线信号的多个副本。接收机电路将所接收 的信号下转换到基带，并且然后对该信号进行模数转换以产生经历OFDM处理的信息信号。 在时间上将无线电信号进行对准。在对准之后，对信号进行处理以从信号中去除循环前缀 (CP)。循环前缀是存在的，因为OFDM发射机向长度为N的信息信号波形添加由最后N cp个 采样组成的具有长度Nep的CP，从而使得发射机转换为模拟的并且进行发送的数字信号具 有长度Ν+Ν εΡ。然后，接收机的逆转换过程的初始步骤是去除并丢弃所添加的Nep个循环前 缀采样。在该步骤之后，串并转换元件组织并将串行信号转换成并行信号用于进一步处理。 循环前缀可以在串并转换之前或之后去除。
[0011] 在CP去除之后，将并行数据提供给快速傅里叶变换（FFT)处理器，该快速傅里叶 变换处理器将时域采样s(n)转换成频域采样的集合民00用于处理。假定所接收到的OFDM 符号被信道破坏，其针对OFDM假定对来自OFDM系统中使用的载波频率中的每一个载波频 率的采样引入了幅值和相位失真。频率均衡器（FEQ)将特定于在OFDM系统中使用的每个 频率的幅值和相位校正应用到在不同频率上所传输的各种采样。FEQ需要在每个频率处对 信道相比于理想情况下的幅值和相位偏差进行估计以确定应用什么校正。
[0012] 典型的OFDM信道估计器基于导频音调位置的集合和所接收的导频信号在频域中 对信道进行接收和估计。这被称为频域信道估计或FDCE。导频音调（或者只是导频）通 常是相关标准所指示的一个或两个位符号，从而使得接收机事先知道所期望的导频位置和 值。所有的FDCE实现方式对FFT输出的OFDM符号作出反应以提取所接收的导频信号。可 以将每一个导频处的信道估计确定为相对于每一个导频的理想情况下期望的解调后的值 "+1"的幅值和相位旋转。相对于此"+1"值的任何偏离组成了来自那个频率的带宽处的信 道的失真。数据载波频率处的信道的值可以通过对在导频载波频率处所获得的值进行内插 来进行估计。对简单信道估计方案的各种改善是已知的，并且传统上是在频域中实现的。频 率均衡器接收来自快速傅里叶变换处理器的信号和来自估计器的信道估计，并且对信号进 行均衡。通常将均衡器的输出提供给将均衡器的并行输出转换成串行输出用户信号的并串 元件。
[0013] 通过根据将要"装载"到OFDM符号中的比特的数量将活动数据载波的值设置为 来自规定的值集合的非零值来构建那个OFDM符号。然后对这些值进行快速傅里叶逆变换 (IFFT)以获得时域采样。通过从符号的时域采样序列的末尾取走规定数量的采样来将循环 前缀附加到符号的开头。IFFT可能例如产生1024个采样。某些标准选择CP具有128的长 度。这意味着发射机从1024个采样的序列中选择最后的128个采样，并且将那些采样附加 在前面，从而使得它们变成所传输的OFDM符号中的前128个采样，所发送的OFDM符号具有 总数为1152的采样。因为这种构造，从OFDM符号的1152个采样中选出任何1024个采样 产生在原始的1024个OFDM时域采样上的循环移位。
[0014] 在WiMAX标准的情况下，可以在60个子信道上发送OFDM符号，其中，每个子信道 有14个活动载波，对于总共840个活动载波来说，每个子信道有4个导频。导频在任何给 定符号以及因此的子信道中的位置是由标准规定的。用于高吞吐量网络的OFDM方案寻求 将开销最小化，并且这包括了在符号内的训练载波的数量。减少导频的数量或密度可以限 制接收机高效地恢复来自信号的信息的能力。
[0015] OFDM的一个理论上的优势是：可以在FFT之后通过非常简单的算法针对每一个接 收的音调单独地执行均衡。启动OFDM接收机的另一个优势是仅需要针对与用户相关的每 一个子载波来估计均衡器系数，量小于FFT的大小。与每一个音调相对应的每一个均衡器 系数的值将取决于信道系数的估计-被称为信道估计。与OFDM接收机中的许多操作一样， 典型的OFDM接收机在FFT之后进行信道估计，因为此时的信道估计是基于用户的音调分配 来简单且高效地执行的。因为信道估计在FFT之后进行的，因此音调将受到FFT和FFT后 失真的影响，这被称为载波间干扰（ICI)。ICI通常通过三种情况来展现：1)频率调谐中的 误差；2)来自移动性的多普勒；以及3)来自其他小区站点的干扰。OFDM系统通过在符号之 间提供时间间隔来适应符号间干扰，从而使得与其他无线方案相比，符号间干扰对于OFDM 来说通常是较小的问题。
[0016] 任何给定的信道具有公知的对其容量的限制。在当前的OFDM实现方式中，在期望 的速率以下存在额外的容量上的损耗。信道估计误差是罪魁祸首。因为在典型实现方式中 ICI影响FFT后的信道估计算法，因此糟糕的信道估计导致不准确的均衡器系数。由于种种 情况（例如，要求苛刻的信道和糟糕的信道估计）而导致的增加的误比特率（BER)可以通 过