TWI274481B - Adaptive channel estimation using decision feedback - Google Patents

Description

1274481 - 九、發明說明： . 發明所屬之技術領域 - 本發明係有關於一種適用於無線通信系統中的通道估測與等化方法， 特別係有關一種利用決策回饋(deciSi〇n 的通道估測方法。 先前技術 泛歐數位式行動電話系統(Global System for Mobile ; GSM)以及整體封 包無線電服務(General Packet Radio System ; GPRS)等通信網路中使用的調 Φ ’欠技術為咼斯連續相移鍵送(Gaussian Minimum Shift Keying ; GMSK)，此種 調變方法會使接收信號於一定速率抽樣(sample)時引起符號間干擾 CinteMymbol inteiference ; ISI)。在對符號進行解碼時，Μ係其他鄰近符號 引發的殘留影響，而此殘留影響可_為抽樣前與抽樣後之符號的脈波， 影響目丽所欲抽樣得到之符號的脈波。系統中無法避免的ISI會使接收端輪 出的判斷裝置做出錯誤的判斷。因此，GS]y^GpRS接收端與傳送端中的 ;慮波的會4寸別设计而降低is〗的影響，讓終端接收到的數位資料可以維持 _ 最小的誤差率。等化器(equalizer)係-種普遍用來補償或降低ISI影響的解 決方法。 無線通信系統中一個傳輸模型的範例顯示於第1圖中。從傳輸端22傳 來的化说21首先會被低通濾波器(L〇w Pass Filter ; LPF)221過濾，之後於 Hu 222乘上載波而轉換為射頻(Ra(ji〇 丨处），最後於傳送到通 道24之前傳遞給處理單元223。處理單元223將信號中真實部分(reai 操取出來。通道24的特質可由通道頻率響應方塊241以及通道雜訊23模 擬通道雜訊23通常被假設為可加性高斯白雜訊(AdditiveGaussian 5

〇535-A20301TWF(N2)；A03623；YENS 1274481 N刪；AWGN)。接收器26的乘法器261會藉由乘上舆载頻相同的頻率， 將接收信號的頻率轉換回來。低通渡波器262接收被降頻的信號，並輸出 -接收信號25。等化器加於是將接收信號的ISI作補償，並將估計信號 27輸出。接收信號r(t) 25可以由公式[1]表示。 r{t)^aM-nT) + n{t) 公式⑴ _)代表系統的通道響應(也3111^11^1)〇11记），可藉由對傳輸端22的脈衝 響應(impulse response) ft(f)、接收端26的脈衝響應fr(t)、以及通道模型響應 g(t)執行迴旋(convolution)運算得到，即邮)=乂⑺*冰。 通道雜訊n(t)23在此假設係平均㈣㈣為零，變異數(variance：^ Ν。的 靜態高斯雜訊。設{an}(即第1圖中的訊號21)為時間週期I之中傳輸脈波振 幅的假設序列。等化器263假設係一個ML等化器，判斷{an}的最佳估計值 為估計序列(即第1圖的信號27)。估計序列係將如公式[2]所 示之可能函數(likelihood function)的最大化(maximize)所導出的。 P[r(tltel\{an}] 公式[2] 假設傳輸序列中0與1的機率相同，公式[2]可因此被重寫為： p[{an}\r(t)]=： 公式[3] P{r{t)) MK}k(0]也被稱作事後驗證(posteriori)機率。估計序列的機率pKaj] 與接收信號r(t)都被假設為常數(constant)。ML等化器的目的係將如公式[2] 所示之可能函數最大化，所以事後驗證機率因此也必須被最大化。如果序 列{〇n}為時間週期I之中脈波振幅的真正序列，雜訊n(t)的功率密度(p0wer density)函數可由公式[4]表示： 0535-A20301TWF(N2)；A03623；YENS 6 1274481 公式[4] n{t I K }) = r(t)~ ^αη1τ{ΐ -nT\t el nTel 公式[2]的ML函數因此變成： P(r{t)\{an})^ p[n(t)\{an}} 2πΝ. exp

2N Σι^-Σ^αι2 公式[5] ML函數的機率與狀·』的對數(1〇gad_成比例，因此: -[y(t)-YaM-nT)Ut 公式[6] 少⑺丨^樣屯《: (卜《叫-Σς>Χ) jv(卜邪(卜心城 n m 的 公式[6]的第一項為常數，因此可以在計算權值的時候被捨去。相對權值 (correlationmetric ; MC)可如公式[7]所示透過先前所述之步驟而被推導出。 CM({a7}) = 2Re 5>X) - Σ Σ nTel iTelkTel 其中 Z« = (0 * KO Uw = [ an~lSl + Wn 公式[7] ~ = L/Γ = 4 以及 gMF(t) = h* (-1)

Si在此為通道響應的自我相關值(autocorrelation)。 最大可能序列估計(Maximum Likelihood Sequence Estimation ; MLSE) 透過最大化公式[5]顯示的可能函數，或是相同的，計算公式[8]顯示的權值 之最大化，以估計原本傳輸的序列{〇n}之最有可能的序列。 人({a,}) = 2Re Ε(αΧ) - Σ 公式[81

nTel iTelkTel J 上述的MLSE演算法為一種熟知的維特比(Viterbi)演算法的改良版本。 Viterbi演算法係由反覆的計算遞歸關係(recursive relation)而得。 人(…，〜，公式[9] k<n-\ 0535-A20301TWF(N2)；A03623；YENS 7 1274481 弟2圖顯示Viterbi等化 被估計 器的結構，其中接收信號r(t)係根據公式以]而 ^ = 34估_通道脈波響應必須日嫩新，蝴跑計的準碟度。 二、，、、回饋電路估#出更準確之通道脈波響應的-些著名技術，包括最 ^ (寧财，LS⑽及最小均方誤差(心麵1 mean square eiroi·; 如第3圖所不，將訓練序列⑽_等_)提供給通道估測哭 7，以取得最初的通道估測。當等鋪32將-筆資料等化過後，其輪岭 ^^m^(adapt^ 34 ^ 32 值^種估測與等化步驟必須反覆進行，才能適應變化多端的傳輸通道狀 况。等化态32根據硬式輸出維特比演算法(Hard〇_ %罐; 〇VA)輸出硬式決策㈣如細〇·㈣德es)，或是根據軟式輪出維特比 演算法(Sofl 0啊 Vlterbl Algorithm; values)至通道估測器34與解碼器％。 通道連接才全_的數目假設為L，並且接收信號r包括N個抽樣樣本。 接收信號可以公式[10]表示： r=Bh+n 、、 公式[10] 其中B為包括傳輸位元的矩陣’ h為通道，而n為通道雜訊。矩陣乘 積Bh代表bk與hk之間的迴旋運算。透過LS演算法，通道可以被估測為· 卜，H辑 公式[U] 其中〇H代表共尼轉置(Hermltian transpose)。 0535-A20301 TWF(N2) ；A03623； YENS 8 1274481 利用hova演算法估計的通道為： N~\ ㈣-名H±1 而利用S〇VA'演算法估計的通道為 其中

)〜LS 公式[12] k=L-} 公式[13] ^ I r} = 2P{bk = +11 r} -1 = L(K I r) ^ l〇gil^LC±ll^ Ργ(6^ = -11 r) el(bk\r) 1 + eL(bklr)

Prd +11 r): L十β … Z编技卿细鶴_較料崎 姆這响—謝，峨㈣物丨嶋 核明亚不是《通道脈波钱測方法，a此其他 在此作說明。本發明的重.认生s , 貝·!技術亚不 U主要在於為觀伽彳 饋，使等化器能得到更精準的通道估· 回 發明内容 本發明的目的在於判斷是否需要決策回饋以得到更好的通 饋，因而改進系統效能。 波口 2=提供-種方法與隸，絲觸何時提供_給通道估_ 為適备。本發躲端料紐_合，或是轉化轉 : 位元錯誤率_E腑Rate ; BER)判斷回饋的時機。等化器的生的 輸出維特比演算法(S0ft0u_ vi癒Alg〇rithm，· s〇_

0535-A20301 TWF(N2)；A03623；YENS 1274481 演算法_*d Output VMi Algo曲η ; HWa)實蘭。麟A #化器輪出硬 式決策值(hard valUeS>x及麟麟信_度值㈣iabi%)，又稱紐式決策 值(softvalues)，而HOVA等化器僅輸出硬式決策值。 在SOVA結構中’最初的通道脈波響應係利用將接收信號與已知訓練 ^^(traming sequence)^ ^Relation)〇

計接收信號，减生秋絲值鱗應的軟式決驗。軟式總合為所有軟 式決策值_加總合，會與第—定限侃較。如果軟式總合比第—定限值 大，硬式決策值會被執行解交錯(de4n她avmg)與解碼。否則，通道脈波響 應會根躲錢紐被姨’使得料㈣舰畴歧輯。本方歧 包括設定-個計數器，用作計算軟式總合祕第—定限值的次 數，並當此 計數器大於第二定限值，認定通道有太多干擾而過於摊，所以無法藉由 更多次的反覆通道估計得到改善。 在HOVA與SOVA的結構很類似，只不過Η〇γΑ尸、會產生硬式決策值， 且訓練序列的位元錯誤率(BER)會被計算出來，作為通道估計準確度的指 •標。越小的祖值代表通道估計得越好。如果計算的卿值掉到比第三定 限值更小之駄數轉過第四定驗，猶脈波_韻如饋硬式決策 值而付到更新’因此改善通道估計的精準度。腿係根據已知訓練序列與 計算的硬式決策值之間的比較結果計算出的。 本發明提供的系統包括通道估·、等化器、回饋絲產生器、解交 錯器,、以及解碼器。通道估測器計算接收錢的通道脈波響應，並將之傳 、等⑽等化„。利用最大可能序列估計(尬以_瓜级碰〇〇d %

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Est腿tl〇n，· MLSE)維特比(Vi祕)演算法估測接收信號，如果係實施 SOVA，產生硬式決策值舆其對應軟式決策值，否則於實施時，、^ 生硬式決策值。回饋決策產生器連 s〇VA等化器，並累加敕化^值 得到軟化總合，再根據此軟化總合判斷提供回饋給通道估测器是否為合 適。NOVA結射’鳴_生_至_ _，料計算爾 序列的BER ’並根據此計算出來的脈判斷是否需要回饋。回镇決策產生 器利用已知訓練相與等化輯算出麵硬式決策值之峨結果計算 BER。解_對硬式_進行解交錯，雕收解交錯^ 出，並對其輸出進行解碼。 m輸 為了讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文 特舉-較錄酬，並配合所_示，作詳細說明如下。 實施方式 適用於無線通信系統中的最大可能序列估测(Mlse)等化器的效能與估 計的通道脈波響射直接_。反·通道估測回舰紳⑽· feedback)為-種顧的方法，為要獲得更準麵通道制。本發明提供一 種方法與系統’判斷什麼時候將決策回饋才是最適合的，目的在於同時兼 顧運算複雜度與效能。 在嶋結構中，根據觀測模擬的結果，發現軟式決策值的相加總合 與估計通碰波響劇辦駐比。#财中贼變辦，軟式決策值的 總合就會變小’而服_大。第4 _示軟式_總合與臓之間 的關係。物改伽效能，通常是___刺道驗響應給

0535-A20301TWF(N2)；A03623；YENS 11 1274481 MLSE等化器，增加軟式 & 、值的總合或是減少BER。在SOVA系統中， 專人式總合” SoftSum”為判斷县 將軟式決策值回饋給通道估測器的指標。相 同的，在HOVA系統中，訓绫 、 、s 勺BER為判斷是否將硬式決策值回饋給 通道估測器的指標。 #圖’打本月之系統，為等化器％判斷回饋的決策。通道估測器 -^ 53 ^ 〇 通道脈波響應於是傳送至等化哭 口口 54。荨化态54利用msle Viterbi演算法 估測接收L號53 ’亚輸出所估測的硬式決策值。如果s〇VA等化器被使用 技_，_輸_的細料，被稱域式決 朿值。回饋決朿產生器56按照等化器54的種類(S⑽或獅A)，決定應 根據軟式決紐K卿值,斷贿％是否為適㈣。如果通道 估測器52估測的通道脈波響應為適當的，_決策產生器％就會將硬式 決策值提供執行解交錯並彻解碼器％復原接收信號。 根據核明之可w骑性通道估測方法的詳細說明如下。按照本發明實 施的SOVA與NOVA系、統流程圖分別顯示於第6圖與第7圖中。 SOVA系統最初會將計數器歸零㈣，然後將接收信號與已知序列做相 互關連(correlation)比較，以得到最初通道脈波響應邱）。估計的通道脈波響 應於是被傳給等化器。接收錢仙MLSE Viteiti演算法估計，其輸出為 硬式決策值以及其對應的信賴程度值，”軟式決策值，，。軟式決策值將被累加 而得到軟式總合S。軟式總合S會與一個先前定義的定限值 Threshold—SoftSum比較，如果S比Threshold一SoftSum大，將所估計的硬 0535-A20301TWF(N2)；A03623；YENS 12 1274481 ' 式’絲值執仃解讀，錢侧Vitei*bi解碼赌碼，侧增加計數器的計

，· ThresholdJterationA 、相比。如果N小於Thresh〇ki」terati〇nA，將軟式決策值回饋給通道估測器， 使通運估測為可再次估測，得到更精準的通道脈波響應h，⑴，然後再將新 估。十的通道脈波響應傳遞給等化器。如果N的值超過了定限值 Threshold—IterationA ’系、统會對估計的硬式決策值執行解交錯，再透過 Viterbi解碼器對此訊號解碼。 • 上述的兩個參數丁keshold—SoftSum與Threshold—IterativeA係用來判斷 終止反覆性通賴_時機。如絲錢合s超過了伽⑶祕―％肪脆， 可將硬式決f值傳遞給相目處理單元執行解交錯與解碼的動作。可是如果 軟式決策_總合 S 制比 ThreshGld_SGftSum _卩 S<ThreSlK)ldJum)多 達所限定的次數(即Threshold_Iterati〇nA次)，估計的通道便會被認定為太吵 雜且不此罪更夕_人的反覆通道估測加以改善，因而終止該反覆程序。 同樣地，HOVA系統也會先將計數器歸零，N=〇，並且將接收信號與已 鲁知訓練序列相比得到最初通道脈波響應h⑴。估言十的通道脈波響應於是被傳 至等化态，接收信號在HOVA系統中也是利用MLSE Viterbi演算法而估測 的，只是這裡只會輸出硬式決策值。訓練序列的BER也會與硬式決策值一 起被計异出來，且BER被用來與一個先前定義的定限值Th^sh〇id—ber相 比。如果BER比Threshold—BER小，代表通道還清晰，於是讓估計的硬式 決策值執行解交碼，以及透過Viterbi解碼器解碼。如果BER超過 ’ 計數器,與另一個先前定 0535-A20301TWF(N2);A03623;YENS 13 1274481 ..義的定限值T^shold—IterationB也會被比較。如果N小於 ._ Threshold—ItemtumB ’系統將硬式決策值回饋給通道估測器，以估测更精準 - 的通适脈波響應h’ ’織再次將估測的通道脈波響應傳遞給等化器。如 . 果N超過T^esholdJtemtionB ’代表放棄這樣反覆的通道估測，於是將估 計的硬式決策值執行解交碼，並透過Viterbi解碼器解碼。 這些上述的定限值被用作控制運算的複雜度以及系統效能之間的利益 交換，例如，比較嚴格的Threshold—SoftSum(將此定限值設定為較高的值) φ 或Threshold-BER(將此定限值設定為較低的值)准許系統執行較多次的通道 脈波響應估測動作，以提升系統效能，另一方面，這樣的設定也同時择力 運算的複雜度。 雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，往 何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍内，當可作些許之更動與 潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

0535-A20301TWF(N2)；A03623；YENS 1274481 【圖式簡單說明】 =1圖顯示無線通信系統中傳輸模型的方塊圖。 :2圖顯示viterbi等化㈣結構方塊圖。 ^3圖顯示反覆性通道估測與等化的結構方塊圖。 ^圖顯示軟式總合與位元錯誤率(B碑之間關係的模擬圖。 第5圖顯根據本發明實施例的系統方塊圖。 第 6B圖顯示根據本發明實施例之s〇VA系統，利用回饋決策的 反復性通道估測之流程圖。 弟7A、7B圖顯示根據本發明實施例之NOVA糸統，利用回饋決策的 反復性通遒估測之流程圖。 【主要元件符號說明】 21〜信號； 22〜輸端； 23〜通道雜訊； 24〜通道； 25、53〜接收信號； %〜接收端； 27〜估計信號； 32、54〜等化器； 34、52〜通道估測； 36〜解碼器； 0535-A20301TWF(N2)；A03623；YENS 15 1274481 55〜回饋； 56〜回饋決策產生器； 5 8〜解交錯&解碼。

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Claims (1)

1274481 第 94110269 號 1 修正日期.·95·8·21 十、申請專利範圍： 1·一種可調適性通道估測方法，利用決策回饋來等化一接 收信號，該方法包括下列步驟： 取得一通道脈波響應並初始化一計數器； 根據該通這脈波響應估計該接收信號的複數硬式決策值 與其對應信㈣度值，稱做軟錢冑值； 累加該寺軟式決策值，獲得一軟式總合； 將該教式總合與一第-定限值比較； 數 當該軟式總合不超過該第一定限值時，增加該計數哭料 並將該計數器與H限值比較1及 ϋ 如不該叶數器沒有趙讲 又有π過该弟二定限值時，根據該數 值更新該通道脈波響應，兮 、朿 策值。 轉硬式決策值與軟式決 2·如申請專利範圍苐 国弟1項所逑之可調適性通道估 中該逋這脈波響應最 法，其 訓練序列 一 取初係知：知該接收信號與一已 執行相關比較而得之。 3.如申請專利範 圍第 中該接收信號係利用最大 1項所奴可調適性通道估測方法， 的 可能序列估測之維特 其 比演算法估測 包括項所―道_方法，更 0535-A20301TWF(N2)；A03623；YENS 17 1274481

解交錯（de-interleaving)該等硬式決策值；以及 — 將該等被解交錯的硬式決策值解碼。 5·—種可調適性通道估測方法，利用決策回饋來等化一 收^號’該方法包括下列步驟： 取得一通道脈波響應並初始化一計數器； 根據該通道脈波響應估計該接收信號，以運算出硬式決策 值; “ 計算該接收信號之位元錯誤率（bit err〇rme ; BEr) · 將該BER與一第三定限值做比較； 如不該BER超過該第三定限值，增加該計數器的計數，並 將該計數器與一第四定限值比較； 如果該計數器沒有超過該第四定限值時，根據該等硬式決 朿值更新該通道脈波響應’並返回運算硬式決策值的步驟；以 及 ， 解交錯該等硬式決策值。 6, 如申請專利範圍第5項所述之可調適性通道估測方法，其 中該通賴波響應最初係按照該接收信號與_已知訓練序列 執行相關比較而得之。 7. 如申請專利範圍第6項所述之可調適性通道估測方法，其 中，BEH的值㈣比㈣已知麟相與計算得到的該等硬式 決萊值之結果而計算出來的。 0535-A20301 TWF(N2) ；A03623； YENS 18 1274481 Π :‘轉· S.如申請專利範圍第5項所述之可調適性通道估測方法，其 中該接收信號係利用最大可能序列估測之維特比演嘗法估則 9·如申請專利範圍第5項所述之可調適性通道估測方法，更 包括將該等被解交錯的硬式決策值解碼。 1〇·-種可調適性通道估測系統，處理—接收信號，包括： —通道估測器，估測該接收信號的一通道脈波響應； -等化器’從該通道估測器接收該通道脈波響應以估計該 稱 接收信號，於是計算複數硬式決策值與其對應信賴程度值， 做軟式決策值；以及 -回饋決策產生器’館存兩個定限值，破匕，並連接於該 等化器，以接收該等硬式決策值與軟式決策值，累加該等μ 決策值以得到-軟式總合，用來與定限私比較，如果該蚊式 總合沒超敎限邮的次數少於h次，提供決策回鎮至該通道估 測器，否則輸出該等硬式決策值。 &如申請專_圍㈣項所述之可調適性通道估測李 統，其中該通道估測器推導最初的通道脈波響應，係按照該接 收信號與一已知訓練序列執行相關比較而得之。 12.如申請專利範圍第1〇項所 哨 <」.凋適性通道估測系 統，其中該等化器利用最大可能序 八 ^ ]^測之維特比演算法估測 該接收信號。 0535-Α20301 TWF(N2) ；A03623；YENS 19

1274481 13.如申請專利範圍第10項所述之可調適性通道估測系 統，更包括： 一解交錯器（de-interleaver)，連接至該回饋決策產生器， 按照該等硬式決策值被交錯的順序執行解交錯；以及 一解碼器，連接至該解交錯器，用來將該等被解交錯的硬 式決策值解碼。 、 14.如申請專利範圍第10項所述之可調適性通道估測系 • 統，其中該等化器係由軟式輸出維特比演算法（Soft Output Viterbi Algofithm ; S0VA)實施的。 15.—種可調適性通道估測系統，處理一接收信號，包括： 一通道估測器，估測該接收信號的一通道脈波響應； 一等化器，從該通道估測器接收該通道脈波響應以估計該 接收信號，於是計算硬式決策值； 一回饋決策產生器，儲存兩個定限值，t3與t4,連接於該等 ® 化器以接收該等硬式決策值，根據該等硬式決策值計算位元錯 誤率（bit error rate ; BER)，將該BER與定限值t3比較，如果該 BER超過定限值t3的次數少於t4次，提供決策回饋至該通道估測 器，否則輸出該等硬式決策值；以及 一解交錯器（de-interleaver)，連接至該回饋決策產生器， 按照該等硬式決策值被交錯的順序執行解交錯。. 0535-A20301TWF(N2)；A03623；YENS 20 1274481

16·如申請專利範圍第15 只所遠之可調適性 統，其中該通道估測器推導最 估測糸 取仞的通道脈波響應，係 收信號與—已知訓練序列執行相闕比較而得之。 17·如申請專利範圍第16 3尸V迷之可調適性 統，其中該回饋決策產生器利用 、估別尔 化 _ ^ ^ ^ 、 車乂5亥已知訓練序列與誃算 為汁异的該等硬式決策值，計算該Ber " 18·如申請專利範圍第15 統，其中該等化器利用最大可能序斤=之可調適性通道估測系 該接收信號。 1 _之維#比演算法估測 19.如申請專利範圍第15 貝所迷之可調適 統，更包括一解碼器，連接至該 II估 錯的硬式決策值解碼。 用；舲該牙被解父 20·如申請專利範圍第15項 、 处之可調適性通道估：則系 統’其中該等化器係由硬式輪出維特比、” - ’、'、 Viterbi Algorithm ；Η〇νΑ)^^^〇 〜异法（版 d 0，t 0535-A20301TWF(N2)；A03623；YENS 21