使用空间分集和波束形成接收数字电视信号的方法和装置

摘要

一种接收无线电信号的接收机，以及接收无线电信号的方法。所述无线电信号可以由多个天线接收并随后被各个转换器解调，估计的信道器件估计至少一个天线的信道，至少一个波束形成器对从所解调的多个入射数据信号中选择的主径信号执行波束形成。合并来自至少一个波束形成器的多个输出信号。用于接收入射数据信号的方法可以通过使用空间分集来实现。

说明书

本申请要求于2003年7月30日向韩国知识产权局提交的申请号为2003-52617的韩国专利的优先权，其内容在此全文引用作为参考。

技术领域

本发明涉及一种无线电接收机，尤其涉及一种使用空间分集和至少一种波束形成器来接收数字TV信号的方法和装置。

背景技术

传统的数字TV信号常常由于建筑物、墙壁和云而经受多径信令事件。当接收数字TV信号时，多径效应可能导致相同的接收的数字TV信号的回波。在数字TV接收机中，那样的回波显现为信号噪声。多径效应引起的这些噪声对所接收的数字TV信号的质量具有极大的影响。高级电视系统委员会(ATSC)标准A53是一种用于传统数字TV接收机的标准。

发明内容

本发明的示例性实施例提供一种用于接收入射无线电信号的接收机，所述接收机包括至少一个用于波束形成所选择的主径信号的波束形成器以及用来估计用于所述接收机的至少一个天线的信道的信道估计装置。

本发明的示例性实施例提供一种用于接收数字TV信号的方法，所述方法包括：在多个天线接收多个入射数据信号；解调由多个天线中的每一个接收的入射数据信号；响应于所解调的多个入射数据信号，估计至少一个天线的信道；从所解调的多个入射数据信号中选择主径信号，并且对所选择的主径信号执行波束形成；以及将波束形成的所选择的主径信号与所解调的多个入射数据信号进行合并，以形成输出信号。

在示例性实施例中，用于接收多个入射数据信号的方法包括：消除在所合并的输出信号中包含的至少一个多径信号。

在示例性实施例中，用于接收多个入射数据信号的方法包括：基于至少一个波束形成器的输出信号来估计信道。

在示例性实施例中，用于接收多个入射数据信号的方法包括：基于在所选择的主径信号中包含的数据帧的字段同步信号并使用训练序列来执行波束形成。

本发明的另一个示例性实施例提供一种方法，用于使用空间分集接收多个入射数据信号；解调多个入射数据信号；使用所解调的多个入射数据信号和多个波束形成器的输出信号来估计所述多个波束形成器中的每一个的信道；从所解调的多个入射数据信号中选择主径信号，提供权重，并且对所选择的主径信号执行波束形成；以及将所述多个波束形成器的多个输出信号中的每一个延迟一段延迟时间，并且合并所延迟的多个输出信号。

本发明的另一个示例性实施例提供一种包括多个波束形成器的接收机，所述接收机包括：多个转换器，用于将所接收的无线电信号转换成基带信号；信道估计器，用于接收转换器的输出和波束形成器的输出，并且估计相应的多个天线中的每一个的信道；和至少一个控制器，用于接收波束形成器的输出，并且响应于控制信号将输出信号延迟一段延迟时间；和加法器，用于合并至少一个控制器的输出信号。

在示例性实施例中，所述信道估计器使用在所述多个波束形成器的输出信号和多个转换器的输出信号的每一个中包含的数据帧的字段同步信号来估计信道。

在示例性实施例中，所述接收机还包括均衡器，用于接收所述加法器的输出信号并且消除多径信号以便形成无线电信号。

本发明的另一个示例性实施例提供一种存储电路，用于存储权重；加法器，用于对所述存储电路的输出求和；存储器，用于存储训练序列；减法器，用于计算训练序列与加法器的输出之间的差；自适应权重控制器，向应于所述减法器的输出独立地控制权重。

本发明的另一个示例性实施例提供了一种用于接收无线电信号的接收机，所述接收机包括：转换器，用于将所接收到无线电信号转换成基带信号；多个波束形成器，用于接收转换器的基带信号；信道估计器，用于接收所述转换器的基带信号和所述多个波束形成器的输出信号，并估计每个无线电信号的信道；控制电路，用于接收所述多个波束形成器中的输出信号，并且基于所述信道估计器的信道估计结果独立地控制所述波束形成器的每一个输出信号的延迟时间；和加法器，用于合并所述控制电路的输出信号。

在示例性实施例中，所述接收机包括均衡器，用于接收所述加法器的输出信号并且消除多径信号以便形成无线电信号。

本发明的另一个示例性实施例提供一种接收机，包括：多个波束形成器，用于响应于所选择的主径信号的数据帧的字段同步信号而对所选择的主径信号执行波束形成，所述主径信号是从通过估计的信道接收和发送的多个解调的入射信号中选择的；和均衡器，用于从所接收的入射信号中消除多径信号。

本发明的另一个示例性实施例提供至少一个波束形成器，被配置用来接收多个解调的入射数据信号，并且从所述多个解调的入射数据信号中选择具有较好信道特性的主径信号，并且对所选择的主径信号执行波束形成。

本发明的另一个示例性实施例提供信道估计器，被配置用来接收由多个天线接收的多个入射数据信号，和从至少一个波束形成器接收至少一个输出信号，并且估计多个天线中的至少一个的信道，并将控制信号发送至所述至少一个波束形成器的控制电路，其中所述控制信号包括定时和/或增益信息。

本发明的另一个示例性实施例提供信道估计器，被配置用来接收由多个天线接收的多个入射数据信号，和从至少一个波束形成器接收至少一个输出信号，并且估计多个天线中的至少一个的信道，并将控制信号发送至所述至少一个波束形成器的控制电路，其中所述控制信号包括定时和/或增益信息；和至少一个波束形成器，被配置用来接收所述多个解调的入射信号，并且从所述多个解调的入射数据信号中选择具有较好信道特性的主径信号，并且对所选择的主径信号执行波束形成。

附图说明

参考附图，通过对下面示例性实施例的描述，本发明的各种特征将变得容易理解，其中：

图1是根据本发明示例性实施例的数字TV接收机的框图；

图2图解说明了用于控制根据本发明示例性实施例的数字TV接收机的操作的数据帧；

图3A-3D包括当使用传统波束形成时的Brazil C信道的示例性特性；

图4A-4F包括当根据本发明示例性实施例使用空间分集时的Brazil C信道的示例性特性；

图5A包括均衡器的示例性的、相对于输入信噪比的输出信噪比；以及

图5B是相对于均衡器中的输入信噪比的示例性符号差错率。

具体实施方式

现在将参考在其中示出了本发明的示例性实施例的附图来更全面地描述本发明的示例性实施例。

图1是根据本发明示例性实施例的数字TV接收机的框图。参考图1，接收机100包括天线阵列10，多个转换器12-1、12-2、...、12-M(M是自然数)，信道估计器13，多个波束形成器14-1、14-2、...14-N(N是自然数)，多个控制电路22-1、22-2、...22-N，多个存储器24-1、24-2、...24-N，加法器26，以及均衡器28。

天线阵列10包括多个天线元件10-1、10-2、...10-M，用于通过使用空间分集来接收入射数据信号。天线元件10-1、10-2、...10-M中的每一个接收N(变量)个入射数据信号，例如无线电TV信号。

转换器12-1、12-2、...、12-M中的每一个接收从相应的天线元件10-1、10-2、...10-M输出的无线电信号。然后转换器将所接收的无线电信号转换成解调的入射数据信号，即基带信号。转换器12-1、12-2、...、12-M中的每一个具有调谐和解调功能。

所得到的入射数据信号可以由天线阵列10的所接收到的无线电信号矢量x(k)来表示，所述矢量x(k)表达如下：    

x(k)＝[x₁(k)，x₂(k)，...，x_m(k)]^T    (1)

其中x_m(k)表示第m个天线元件的所接收到的无线电信号，m的范围从1到M，并且上标T表示矩阵的转置。

为了简化根据本发明示例性实施例的接收机100的信道模型，假设将L个无线电信号输入到天线元件10-1、10-2、...10-M中的每一个(L是自然数)。L个无线信号中的每一个包括一个主径信号和多个多径信号。假设主径信号为s(k-τ₁)，并且假设多径信号中的每一个为s(k-τ₁)，其中2≤l≤L则所接收到的天线阵列10的无线电信号矢量x(k)表达如下：

$>>x>>(>k>)>>=>>\Sigma >>l>=>1>>L>>>a>l>>>(>>\theta >l>>)>>s>>(>k>->>\tau >1>>)>>+>n>>(>k>)>>->->->>(>2>)>>>s>$

其中θ_l表示第l个多径信号s(k-τ₁)的入射角度，a_l(θ_l)表示天线阵列10的响应矢量。响应矢量a_l(θ_l)是一个参数，其指示有关天线元件10-1、10-2、...10-M中的相位差的信息，其中那样的信息通过由天线元件10-1、10-2、...10-M接收的入射信号的入射角度来确定。

例如，如果由天线元件10-1、10-2、...10-M接收的入射信号的波长为λ，并且天线元件10-1、10-2、...10-M以间隔D放置，则响应矢量a_l(θ_l)表达如下：

$>>>a>1>>>\theta >1>>=>>>[>exp>>(>j>>>2>\pi >D>sin>>\theta >1>>>\lambda >>)>>.>.>.>exp>>(>j>>>2>\pi >>(>M>->1>)>>sin>>\theta >1>>>\lambda >>)>>]>>T>>.>.>.>>(>3>)>>>s>$

信道估计器13接收多个转换器12-1、12-2、...、12-M的输出信号x₁(k)，x₂(k)，...，x_M(k)和/或多个波束形成器14-1、14-2、...14-N的输出信号y₁(k)，y₂(k)，...，y_N(k)，使用所接收的信号的数据帧的字段同步信号来估计用于天线元件10-1、10-2、...10-M中的每一个的信道，并且输出控制信号以独立地控制控制电路22-1、22-2、...22-N和存储器24-1、24-2、...24-N。

下面是信道估计器13的信道估计方法以及根据信道估计方法的接收机100的操作的简单说明。

首先，信道估计器13使用多个转换器12-1、12-2、...、12-M的输出信号x₁(k)，x₂(k)，...，x_M(k)中的一个来估计全向入射信号的信道。天线元件10-1、10-2、...10-M中的每一个不具有方向性并且是全向天线。为了从波束形成器14-1、14-2、...14-N的输出信号当中选择具有最佳信道特性的波束形成器的输出信号，当对于特定的定向方向能够获得优良的信道特性时，信道估计器13将相应的控制信号输出给控制电路22-1、22-2、...22-N，该控制电路22-1、22-2、...22-N响应于相应的控制信号来控制延迟时间τ₁、τ₂、...、τ_N和/或权重，例如增益g₁、g₂、...、g_N。例如，当期望仅将第一波束形成器14-1的输出信号y₁(k)输出至加法器26时，响应于控制电路22-1的相应的控制信号，而将控制电路22-1的增益g₁设定为1，响应于其他控制电路22-2、...22-N的控制信号，而将增益g₂、...、g_N设定为0。

其次，信道估计器13使用多个波束形成器14-1、14-2、...14-N的输出信号y₁(k)，y₂(k)，...，y_N(k)来估计用于天线元件10-1、10-2、...10-M的信道，并且输出相应的控制信号用于控制控制电路22-1、22-2、...22-N和存储器24-1、24-2、...24-N。信道估计器13可以估计特定定向方向的信道特性。在这种情况下，信道估计是使用多个波束形成器14-1、14-2、...14-N的输出信号y₁(k)，y₂(k)，...，y_N(k)的数据帧的字段同步信号来执行的。例如，信道估计器13从多个波束形成器14-1、14-2、...14-N的输出信号y₁(k)，y₂(k)，...，y_N(k)当中选择至少一个具有优良信道特性的波束形成器的输出信号，并且将相应的控制信号输出至控制电路，用以控制至少一个波束形成器的所选择的输出信号的延迟时间和增益。至少一个波束形成器的所选择的输出信号被相应的延迟元件延迟一段相应的延迟时间τ₁、τ₂、...、或τ_N。响应于控制信号来控制延迟元件的延迟时间τ₁、τ₂、...、τ_N，假设控制电路22-1、22-2、...22-N的输出信号保持为同相。

再次，信道估计器13使用多个转换器12-1、12-2、...、12-M的全部输出信号x₁(k)，x₂(k)，...，x_M(k)来同时估计用于相应的天线元件10-1、10-2、...10-M的信道。在这种情况下，信道估计器13可以使用诸如MUSIC、ESPRIT、Delay和Sum或Capon的算法来估计输入到每个天线元件10-1、10-2...10-M的N个无线电信号的入射角度和功率。如果在所估计的信道的延迟简档特性中出现了其数目多于预定阈值的多个多径信号，则每个波束形成器14-1、14-2、...14-N将对每个多径信号独立地执行波束形成。响应于相应的控制信号，控制电路22-1、22-2、...22-N中的每一个接收响应于相应的控制信号而独立地执行波束形成的波束形成器14-1、14-2、...14-N的输出信号，控制所接收的信号的延迟时间和/或增益，并且将所得到的信号输出至加法器26。

波束形成器14-1、14-2、...14-N中的每一个接收转换器12-1、12-2、...、12-N的输出信号，并包括用于存储权重的存储电路，加法器16-1、16-2、...、或16-N，减法器18-1、18-2、...、或18-N，以及自适应权重控制器20-1、20-2...、或20-N。波束形成器14-1、14-2、...14-N中的每一个从通过所估计的信道发送的基带信号当中选择主径信号，并对所选择的主径信号执行波束形成。

作为信道估计操作的结果，如果具有大于预定阈值的功率的多径信号数目大于L，则波束形成器14-1、14-2、...14-N中的每一个的操作如下。

第一波束形成器14-1对波束形成器14-1、14-2、...14-N的输出信号当中具有最大功率的多径信号s(k-τ₁)执行波束形成，并且对波束形成器14-1、14-2、...14-N的剩余输出信号执行空间滤波。

权重矢量w₁(k)表达如下：

w₁(k)＝[w_1，1(k)，w_1，2(k)，...，w_1，M(k)]^T    (4)

通过合并等式1的所接收的无线电信号的矢量x(k)和权重矢量w₁(K)而获得的波束形成器14-1的输出信号表达如下：

$>>>y>1>>>(>k>)>>=sup>>w>1>Hsup>>>(>k>)>>x>>(>k>)>>=>>\Sigma >>m>=>0>>M>sup>>w>>1>,>m>>*sup>>>(>k>)>>>x>m>>>(>k>)>>->->->>(>5>)>>>s>$

其中H表示厄密共轭(Hermitian)，^*表示共轭复数。

波束形成器14-1、14-2、...14-N中的每一个使用如图2所示的数据帧的字段同步信号(Field Sync.#N)和段同步信号(Segment Sync)来执行波束形成。波束形成器14-1、14-2、...14-N中的每一个仅当接收符合ATSC标准A53的已知数据时才使用最小均方(LMS)算法来执行波束形成，但是在实际的有效载荷数据周期期间不执行波束形成，这就防止了由于信道估计误差引起的波束形成。

假设训练序列信号由d(k)表示，则从加法器18-1输出的误差信号e(k)表达如下：

e₁(k)＝d(k-τ₁)-y₁(k)    (6)

其中τ₁表示使用信道估计获得的多径信号(s(k-τ₁))的延迟时间，y₁(k)表示波束形成器14-1的输出信号。

自适应权重控制器20-1接收从加法器18-1输出的误差信号e(k)，并且输出用于更新在存储电路中存储的权重的控制信号。存储电路响应于控制信号来更新所存储的权重。权重矢量w₁(k+1)表达如下：

$>>>w>1>>>(>k>+>1>)>>=>>w>1>>>(>k>)>>->>\beta >1>sup>>e>1>*sup>>>(>k>)>>x>>(>k>)>>->->->>(>7>)>>>s>$

其中β₁表示步长，它是确定收敛速度的因子。随着步长增加，收敛速度，即信道估计误差最小化时的速度增加。相反，随着步长减小，收敛速度减小。然而，当步长太大时，LMS算法可能发散，并且当步长太小时，LMS算法不会完全收敛。因此，需要设定适当的步长。

其他波束形成器14-2到14-N以与波束形成器14-1相同的方式执行波束形成。因此，第n个波束形成器的输出信号表达如下：

$>>>y>n>>>(>k>)>>=sup>>w>n>Hsup>>>(>k>)>>x>>(>k>)>>=>>\Sigma >>m>=>1>>M>sup>>w>>n>,>m>>*sup>>>(>k>)>>>x>m>>>(>k>)>>,>n>=>1,2>,>.>.>.>,>N>->->->>(>8>)>>>s>$

其中w_n表示第n个波束形成器的权重矢量。通过自适应权重控制器20-1、20-2、...、20-N更新的每个波束形成器的权重矢量w_n(k+1)表达如下：

$>>>w>n>>>(>k>+>1>)>>=>>w>n>>>(>k>)>>->>\beta >n>sup>>e>n>*sup>>>(>k>)>>x>>(>k>)>>,>n>=>1,2>,>.>.>.>,>N>->->->>(>9>)>>>s>$

第n个波束形成器的误差信号表达如下：

e_n(k)＝d(k-τ_n)-y_n(k)    (10)

其中τ_n表示第n个波束形成器期望接收的信号的延迟时间。

控制电路22-1、22-2、...22-N中的每一个接收相应的波束形成器的输出信号，并且响应于相应的控制信号来控制输出信号的延迟时间和/或增益。因此，控制电路22-1、22-2、...22-N的输出信号可以是同相的。

存储器24-1、24-2、...24-N中的每一个存储相应的训练序列，响应于从信道估计器13输出的控制信号而检测多径信号的每个幅度、位置、和数目，并且输出相应的训练序列d(k-τ_N)，所述训练序列d(k-τ_N)具有对应于减法器18-1、18-2、...18-N的检测结果的延迟时间。

加法器26接收控制电路22-1、22-2、...22-N的输出信号并且如下对它们进行合并：

$>>z>>(>k>)>>=>>\Sigma >>n>=>1>>N>>>g>n>>>y>n>>>(>k>+>>\tau >n>>)>>->->->>(>11>)>>>s>$

其中g_n表示空间分集合并的权重。加法器26使用选择性合并、最大比率合并、相等增益合并、或反馈合并来合并控制电路22-1、22-2、...22-N的输出信号。

均衡器28接收加法器26的输出信号，消除多径信号，并且将结果输出至前向纠错(FEC)解码器(未示出)。

图2图解说明了用于控制根据本发明实施例的接收机100的操作的数据帧。根据ATSC标准A53，图2所示的每个数据帧由两个数据字段组成。这两个数据字段的每一个包括313个数据段。每个数据字段的第一数据段是唯一同步信号(字段同步信号(Field Sync.#1))并且包括在图1所示的接收机100的均衡器28中使用的训练序列。每个数据段由832个符号组成(828个用于主段部分，4个用于段sync.Portion)。波束形成器14-1、14-2、...14-N中的每一个响应于字段同步信号(Field Sync.#1或Field Sync.#2)而打开，而均衡器28仅在数据段的有效载荷数据部分的周期期间才打开。

图3A-3D示出了当使用传统波束形成时的Brazil C的特性。图3A图解说明了在波束形成之前和之后的信道特性。参考图3A，实线表示波束形成之后的信道特性，虚线表示波束形成之前的信道特性。图3B图解说明了波束形成器的波束图案。参考图3B，实线表示自适应波束图案，而虚线表示导引(steering)图案。图3C示出了收敛之后均衡器28的抽头系数与增益之间的关系。图3D通过绘制信号电平与迭代的关系曲线示出了传统均衡器的输出属性。

图4A至4F示出了当根据本发明示例性实施例使用空间分集时Brazil C信道的特性。图4A图解说明了第一波束形成器14-1的波束图案。给出根据本发明的自适应波束图案，第一波束形成器14-1的波束图案定向为(-15°)的方位角，如粗箭头所示。图4B图解说明了第二波束形成器14-2的波束图案。给出根据本发明的自适应波束图案，第二波束形成器14-2的波束图案定向为(20°)的方位角，如粗箭头所示。图4C示出了第一波束形成器14-1的响应特性。参考图4C，波束形成之后的幅度(由实线表示)小于波束形成之前的幅度(由虚线表示)。图4D示出了第二波束形成器14-2的响应特性。参考图4C和4D，在执行波束形成之后，主径信号的幅度减小，并且所有的多径信号都没有消除。如果将主径信号和多径信号合并，则主径信号的幅度将增加，并且多径信号的数目增加。然而，由于主径信号的幅度增加并且剩余的多径信号的幅度较小，所以均衡器28能够容易地消除多径信号。图4E示出了收敛之后均衡器28的抽头系数与增益之间的关系。图4F通过绘制信号电平与迭代的关系曲线示出了均衡器28的输出属性。参考图4F，接收机100的均衡器28的收敛速度近似为300,000个符号。比较图3D和4F，由图4F所示的根据本发明的接收机100的均衡器28的收敛时间比由图3D所示的传统接收机的收敛时间小得多。

图5A示出了均衡器中相对于输入信噪比(SNR)的输出SNR，图5B示出了均衡器中相对于输入SNR的符号差错率。参考图5A和5B，当根据本发明的示例性实施例使用空间分集时，Brazil C信道中的SNR非常高。

当使用Brazil C信道时，由于在被天线阵列10接收时多径信号具有与主径信号相似的幅度，在较短的延迟时间内，总体上减小主波束幅度来消除多径信号。结果，主径信号的幅度也减小了许多。这里，根据本发明示例性实施例的接收机100的均衡器28可以通过使用空间分集来补偿主径信号的减少的幅度，从而快速补偿信道失真。

因此，如上所述，在提供快速收敛速度和信道补偿负担的减小的接收机处接收数字TV信号将导致较快的信号接收。

虽然已经参考本发明的示例性实施例具体示出和描述了本发明，但是本领域的技术人员应当理解，在不背离由所附权利要求定义的本发明的精神和范畴的情况下，可以对其做出各种形式和细节上的修改。