均衡技术和联合检测技术相结合的接收机和接收方法

摘要

一种均衡技术和联合检测技术相结合的接收机包括：均衡接收器，当接收数据的扩频因子为1时被激活，通过均衡技术处理输出消除符号间干扰的信号；联合检测接收器，当接收数据的扩频因子大于1时被激活，通过联合检测技术处理输出消除多址干扰和部分符号间干扰的信号；选择器，从所述均衡接收器或所述联合检测接收器中选择输出；控制器，根据高层传送的扩频因子激活所述均衡接收器或所述联合检测接收器，并且控制所述选择器选择所述均衡接收器或所述联合检测接收器的输出。本发明有效地保证接收机对不同扩频因子的接收数据都可以达到优良的接收性能。

说明书

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，特别是第三代移动通信系统TD-SCDMA(时分同步码分多址)系统的接收机和接收方法。

背景技术

随着未来多媒体业务对高速数据传输日益增长的需求，无线数据业务将急剧增加，这就要求第三代移动通信系统必须具有适合传输数据业务的一些特点，如高数据量、高突发性、高可靠性等。对于第三代移动通信标准之一的TD-SCDMA系统，可以针对不同通信需求的各类用户，既提供高质量的低速语音业务，还提供高质量的高速数据传输业务。通常的TD-SCDMA系统支持可变扩频因子，当扩频因子大于1时，系统干扰主要是不同用户间的多址干扰，由多径传播引起的符号间干扰占次要地位，此时在TD-SCDMA系统中得到广泛应用的联合检测算法可以获得比较好的接收效果。当扩频因子为1的高速数据传输业务时，接收机受到的干扰主要是由多径传播引起的符号间干扰，如果仍然单纯应用联合检测技术接收，接收性能就很不理想并将会引起严重的误符号率。

发明内容

为了克服上述问题，本发明提出一种均衡技术和联合检测技术相结合的接收方法，以消除多址干扰和部分符号间干扰提高接收机的整体性能。

本发明的目的是提供一种新型的接收方法和装置，以实现TD-SCDMA接收机对高低不同的扩频因子都达到高质量的接收，从而满足未来互联网和多媒体应用对3G无线高速数据业务需求的急剧增加。

本发明提供一种均衡技术和联合检测技术相结合的接收机，其特征在于包括：

均衡接收器，当接收数据的扩频因子为1时被激活，对输入的信号进行均衡技术处理并输出消除符号间干扰的信号；

联合检测接收器，当接收数据的扩频因子大于1时被激活，对输入的信号进行联合检测技术处理并输出消除多址干扰和部分符号间干扰的信号；

选择器，从所述均衡接收器或所述联合检测接收器中选择输出；

控制器，根据高层传送的扩频因子激活所述均衡接收器或所述联合检测接收器，并且控制所述选择器选择所述均衡接收器或所述联合检测接收器的输出。

所述均衡接收器是采用线性均衡的或非线性均衡的接收器。所述联合检测接收器是采用线性联合检测和非线性联合检测的接收器。

本发明提供一种均衡技术和联合检测技术相结合的接收机，其特征在于包括：

多网格维特比算法的均衡接收器，当接收数据的扩频因子为1时被激活，对输入的信号进行多网格维特比算法的处理并输出消除符号间干扰的信号；

最小均方误差分块线性的联合检测接收器，当接收数据的扩频因子大于1时被激活，对输入的信号进行最小均方误差分块线性的联合检测处理并输出消除干扰的信号；

选择器，从所述均衡接收器或所述联合检测接收器中选择输出；

控制器，根据高层传送的扩频因子激活所述均衡接收器或所述联合检测接收器，并且控制所述选择器选择所述均衡接收器或所述联合检测接收器的输出。

该均衡技术和联合检测技术相结合的接收机还包括：

数据分离器，用于将接收的数据信号分离为数据符号和训练序列；

数据缓冲器，用于存储所述数据符号；

训练序列缓冲器，用于存储所述训练序列；以及

解调器，用于解调所述选择器输出的信号。

所述多网格维特比算法的均衡接收器包括：

信道估计器，将本地训练序列数据与接收到的训练序列数据进行信道冲激响应的估计；

信道冲激响应处理器，在控制器的控制下工作，如果接收数据的扩频因子为1，则产生估计的理想信道响应，作为所述多网格维特比算法模块的输入；

多网格维特比算法模块，对来自所述数据缓冲器的所述数据符号进行多网格维特比算法处理，实现最大似然序列估计；和

解扰器，对所述多网格维特比算法模块的输出进行解扰处理。

所述联合检测接收器包括：

所述信道估计器，将本地训练序列数据与接收到的训练序列数据进行信道冲激响应的估计；

所述信道冲激响应处理器，在控制器的控制下工作，如果接收数据的扩频因子大于1，则对信道估计作去噪声处理，并产生估计噪声功率作为最小均方误差块线性均衡模块的输入；

最小均方误差块线性算法模块，在接收数据的扩频因子大于1时工作，根据估计的信道冲激响应和用户的扩频码产生系统矩阵，从接收的数据和估计的噪声功率以及发送数据对所述信道估计器输出的数据进行解扰处理，对解扰后的数据与不同的扩频码求相关并输出。

所述多网格维特比算法模块包括：

网格初始化单元，在接收到一个时隙数据的开始，根据信道冲激处理器输出的信道冲激理想响应产生多网格维特比算法的初始化信息；

控制单元，根据初始化信息来控制调度其他单元的开始以及信息的存取；

分支度量单元，用于分支度量的计算和更新；

路径比较选择单元，执行状态转移路径的选择和符号的硬判决并且输出可靠性信息测试单元需要的竞争路径累积度量值和竞争路径上的第一个硬判决符号；

可靠性信息测量单元，执行为提高信道解码性能而采用的接收机软判决输出算法。

所述最小均方误差块线性算法模块包括：

训练序列干扰消除模块，用来消除接收数据中训练序列的码片对第一个数据块的前导干扰和对第二个数据块的拖尾干扰，输出消除干扰的数据；

系统矩阵生成模块，输出系统矩阵；

匹配滤波器模块，用来运算所述系统矩阵生成模块生成的系统矩阵的共轭转置与消除干扰的数据之积并输出该结果；

协方差矩阵生成模块，根据所述系统矩阵生成模块输出的系统矩阵计算协方差矩阵；

矩阵求解模块，对匹配滤波器模块的输出、协方差矩阵生成模块的输出和噪声功率估计进行处理，得到发送序列的估计。

所述矩阵求解模块包括：

Cholesky分解模块，把共轭对称的对称矩阵分解为下三角矩阵和它的共轭对称矩阵之积；

矩阵求逆单元，对Cholesky分解模块分解的结果进行矩阵求逆；

矩阵相乘单元，对所述矩阵求逆单元的输出矩阵进行相乘并输出。

本发明还提供一种均衡技术和联合检测技术相结合的接收方法，其特征在于包括以下步骤：

接收的数据信号分离为数据符号和训练序列；

在数据缓冲器中存储所述数据符号和在训练序列缓冲器中存储所述训练序列；

如果所述数据的扩频因子等于1，激活均衡接收器，对输入的信号进行均衡技术处理并输出消除符号间干扰的信号；

如果所述数据的扩频因子大于1，激活联合检测接收器，对输入的信号进行联合检测技术处理并输出消除多址干扰和部分符号间干扰的信号；

根据扩频因子选择联合检测接收器的输出信号或均衡接收器的输出信号。

所述联合检测技术处理的步骤包括：

将本地训练序列数据与接收到的训练序列数据进行信道冲激响应的估计；

如果接收数据的扩频因子为1，则产生估计的理想的信道响应，作为所述多网格维特比算法模块的输入；如果接收数据的扩频因子大于1，则对信道估计作去噪声处理，并产生估计噪声功率作为最小均方误差块线性均衡模块的输入；

根据估计的信道冲激响应和用户的扩频码产生系统矩阵，从接收的数据和估计的噪声功率以及发送数据对所述信道估计器输出的数据进行解扰处理，对解扰后的数据与不同的扩频码求相关并输出。

所述进行均衡技术处理的步骤包括：

采用多网格维特比算法实现最大似然序列估计；和

对所述多网格维特比算法的输出进行解扰处理。

本发明的均衡技术和联合检测技术相结合的接收机采用联合检测和均衡技术能够消除多址干扰和符号间干扰，有效地保证接收机对不同扩频因子都可以达到优良的接收性能，提高接收机的整体性能。

附图说明

图1是均衡和联合检测相结合的接收机结构示意图；

图2是根据本发明的一个实施例的接收机的方框图；

图3是TD-SCDMA系统的时隙结构图；

图4是MVA模块的一个实施例的方框图；

图5是MMSE_BLE模块的一个实施例的方框图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明进行详细的说明。

根据本发明组建的均衡和联合检测相结合的接收机结构的一个实施例如图1所示。该接收机包括分别接收输入信号的联合检测接收器和均衡接收器，控制联合检测接收器和均衡接收器工作以及控制选择器进行选择的控制器，用于解调选择器输出信号的解调器。当扩频因子为1时均衡接收器激活，通过均衡处理输出消除符号间干扰的信号；当扩频因子大于1时联合检测接收器激活，通过联合检测处理输出消除干扰的信号；选择器从所述均衡接收器或所述联合检测接收器中选择输出；控制器根据扩频因子激活所述均衡接收器或所述联合检测接收器，并且控制所述选择器选择所述均衡接收器或所述联合检测接收器的输出。所述选择器输出的信号经解调器解调后输出。

以下说明本发明应用在TD-SCDMA终端接收机的实施例。该接收机的均衡技术采用多网格维特比算法(MVA)实现的最大似然序列估计(MLSE)，联合检测技术采用最小均方误差块线性均衡(MMSE_BLE)，数据调制方式采用QPSK。

图2表示均衡技术为多网格维特比算法的均衡器和联合检测技术为最小均方误差分块线性的联合检测接收器相结合的TD-SCDMA终端接收机结构。该接收机的中MVA模块和MMSE_BLE模块分别实现MVA算法和MMSE_BLE算法功能。另外，还包括控制器及其他外围器件如信道估计器、信道激活检测器、CIR(信道冲激响应)处理器、解扰器、选择器和解调器。

在TD-SCDMA系统中，信道估计模块用本地Midamble数据与接收到的Midamble数据来进行信道冲激响应的估计。假设用户使用的训练序列在发射前经过旋转变换为Midamble的复值数据B_Midamble，接收到的数据为R_Midamble，另设h为信道冲激响应，n为白噪声。则可以得到如下公式：

R_Midamble＝Gh+n

G是由基本的Midamble码构成的转换矩阵。由于选用的训练序列Midamble码的抗噪声性能较好，噪声的影响可以忽略，因此可以得到以下表达式：

R_Midamble＝Gh

采用如下的公式计算信道冲激响应

$>ver>>h>^>>=>IFFT>>(>FFT>>(>>R>Midamble>>)>>·>/>FFT>>(>>B>Midamble>>)>>)>>>s>$

信道估计模块输出该信道冲激响应式中FFT是快速傅立叶变换，IFFT是快速傅立叶反变换。

信道激活检测模块只在接收数据的扩频因子大于1时才正常工作，它是基于接收数据在进入信道之前，不但经过QPSK调制，还经过扩频和加扰的处理，并且同一时刻接收到的数据采用了不同的正交扩频码和相同的扰码。因而信道激活检测模块首先对接收数据进行解扰处理，然后对解扰后的数据与不同的扩频码求相关，如果某一信道窗被特定的Walsh(沃尔什)码扩频，则相关结果较大，因而可以被检测出来，对应的信道窗为激活信道窗，对应的Walsh码则为有效扩频码。

CIR处理模块在控制模块的控制下工作，如果扩频因子为1，CIR处理模块产生估计的DIR(理想的信道响应)，作为MVA模块的输入；如果扩频因子大于1，则CIR处理模块对信道估计作去噪声处理，并产生估计噪声功率作为MMSE_BLE模块的输入。

解扰模块实现发送端对发送数据加扰的逆处理。由于MVA算法在最大似然路径的搜索中没考虑到扰码信息，因此需要通过解扰模块对输出数据作解扰处理；而对MMSE_BLE算法，其扰码信息已经包含在系统矩阵中，所以相应的解扰也在矩阵求逆中隐式实现。

解调模块完成QPSK调制的逆过程，即按照0→+1，1→-1的对应关系，将复用器MUX的输出数据旋转45°。解调模块的输出将作为接收机最终的软输出信息送入终端的其他处理模块进行处理，如解交织、信道解码等。

图3是TD-SCDMA系统的时隙结构图。该时隙包括数据符号、训练序列(Midamble)和GP。训练序列为144码片，在其前后分别为第一和第二数据块，分别为352码片的数据符号，最后是16个码片的保护间隔(GP)，总长度为864码片。

当接收机接收到一个时隙的数据后，数据分离器首先根据图3所示的时隙结构将数据符号部分R_data和训练序列部分R_Midamble分别存入数据缓冲器和Midamble缓冲器(训练序列缓冲器)，信道估计器则根据接收的训练序列R_Midamble和本地的训练序列进行信道冲激响应(CIR)的估计控制器根据高层传送的扩频因子SF来选择采用联合检测接收还是均衡接收。如果扩频因子大于1，接收机采用联合检测器MMSE_BLE接收，此时信道激活检测器正常工作，即根据接收数据R_data和本地已知的扩频码及扰码信息检测激活窗，从而得到有效信道估计CIR处理器将进行去噪声处理，得到最终的信道估计结果作为联合检测算法MMSE_BLE模块的输入。如果扩频因子为1，接收机采用均衡接收器MVA，信道激活检测器将不被激活，信道估计的输出直接作为CIR处理器的输入，此时CIR处理器完成理想信道冲激响应(DIR)的估计，其输出作为均衡器MVA模块的输入。MVA模块的输出d′_mva经过解扰器处理得到解扰后的输出d_mva。而联合检测器的MMSE_BLE模块由于其扰码信息已经包含在系统矩阵中，相应的解扰处理也已经在MMSE_BLE模块中隐式实现，因而不再需要解扰器的处理。控制器同样对选择器进行控制，当扩频因子为1时，选择MVA模块的解扰输出d_mva，当扩频因子大于1时，选择MMSE_BLE模块的输出d_mmse。最后解调器对选择器的输出d_sel作解调处理，从而得到接收机的最终输出d_dem。

MVA模块采用MVA算法，它是从MLSE接收机通常所采用的VA算法(维特比算法)演变而来。对于CIR(信道冲激响应)的主要抽头系数较少而延伸较长的多径信道，MVA算法能够克服传统VA算法计算量过大的缺点，而同时又保持了MLSE接收机最佳均衡的性能。

图4是MVA模块的一个实施例的方框图。MVA模块包括：控制单元，网格初始化单元，分支度量单元，路径比较选择单元，可靠性信息测量单元。其中，该控制单元根据初始化信息控制调度其他单元的开始以及信息的存取。网格初始化单元是在接收到一个时隙数据的开始，根据DIR产生MVA网格初始化信息，包括根据输入的DIR确定非零抽头的个数，非零抽头的位置，符号的判决时刻、确定每个判决步需要存储的状态和判决深度以及根据每个判决步存储的状态确定状态转移关系，以及每个存储状态与分支度量的对应关系。该控制单元将根据这一初始化信息对分支度量单元、路径比较选择单元和可靠性信息测量单元进行控制调度。

分支度量单元用于分支度量的计算和更新。与传统VA的区别是，传统的VA在搜索一定长度的网格后，找出一条累计度量值最小的幸存路径，并输出该路径上的所有符号，即某一分支度量只在对应的判决时刻使用一次，而MVA是在搜索相应长度较短的网格后，只输出幸存路径上的第一个符号，然后再从第二个符号开始新的网格搜索，即MVA存在分支度量的重复使用。

路径比较选择单元执行状态转移路径的选择和符号的硬判决，每个状态的路径比较选择由四部分构成，即瞬间判决，累加，比较和选择。其中，瞬间判决部分根据控制单元的信息对每条竞争路径对应的分支度量进行比较，并选择最小的分支度量值。如果当前竞争路径只对应一个分支度量，则无需瞬间判决过程，直接进行竞争路径的累积度量值与对应分支度量的累加。最后比较累加结果，选择累加度量值最小的路径为幸存路径，并输出该幸存路径上的第一个硬判决符号和幸存路径的累加度量值。另外，该单元还输出可靠性信息测试单元需要的竞争路径累积度量值和竞争路径上的第一个硬判决符号。

可靠性信息测量单元执行为提高信道解码性能而采用的接收机软判决输出算法。QPSK调制系统的MVA软判决方法是基于二进制传输系统的SOVA(软输出维特比算法)推导而来，并通过采用近似计算，避免了在硬件不易实现的log(·)和exp(·)运算。

图5是MMSE_BLE模块的一个实施例的方框图。MMSE_BLE模块只有当扩频因子大于1时才被控制模块激活，用于实现扩频因子大于1时对多个用户信号的联合检测功能。基于MMSE_BLE算法，根据估计的信道冲激响应和用户扩频码产生系统矩阵，根据以下公式从接收的数据和估计的噪声功率以及系统矩阵解出用户的发送数据：

$>>ver>>d>^>>>MMSE>->BLE>>>=>>>(>>A>H>>A>+>>\sigma >2>>I>)>>>->1>>>>A>H>>e>>s>$

Midamble干扰消除模块用来消除接收数据中Midamble的前W-1个码片对第一个数据块的前导干扰和后W-1个码片对第二个数据块的拖尾干扰(W最大为16)，输出消除干扰的数据e。匹配滤波器模块用来完成系统矩阵生成模块生成的系统矩阵的共轭转置A^H与消除干扰的数据之积A^H·e并输出该结果；协方差矩阵(R矩阵)生成模块根据系统矩阵生成模块输出的系统矩阵A计算A的协方差矩阵，即R＝A^H·A；矩阵求解模块对匹配滤波器模块的输出A^H·e、R矩阵生成模块的输出R＝A^H·A和噪声功率估计σ²进行Cholesky分解(乔式分解)，矩阵求逆，矩阵相乘，最终得到发送序列的估计(R+σ²I)^-1A^He，式中I为单位矩阵。其中Cholesky分解模块完成R+σ²I矩阵的分解，把共轭对称的对称矩阵R+σ²I分解为下三角矩阵L和L的共轭对称矩阵之积L·L^H。矩阵求逆单元对Cholesky分解的结果进行矩阵求逆，最后由矩阵相乘单元进行矩阵相乘并输出。

本发明中的联合检测接收器可以采用多种不同的联合检测算法实现，例如线性联合检测算法中的迫零分块线性均衡器(ZF-BLE)和最小均方误差分块线性均衡器(MMSE-BLE)以及非线性联合检测算法中的迫零分块判决反馈均衡(ZF_BDFE)和最小均方误差分块判决反馈均衡(MMSE_BDFE)等。同样，本发明中的均衡接收器也可以采用多种不同的均衡算法实现，例如线性均衡中基于最陡下降递推算法的自适应迫零算法，基于均方误差准则的最小二乘(LMS)算法以及在此基础上发展的递归最小二乘算法(RLS)等，非线性均衡中的各种判决反馈算法，最佳均衡算法中基于最大似然序列估计(MLSE)的序列检测算法和基于最大后验概率(MAP)的逐个符号检测算法等，以及在以上基本均衡算法基础上演变而来的其他改进均衡算法。鉴于本发明中联合检测接收器和均衡接收器的相对独立性，不同的联合检测算法和均衡算法可以任意组合实现该接收机，例如维特比算法(VA)实现的MLSE均衡接收器组合MMSE-BLE算法实现的联合检测接收器，判决反馈算法实现的均衡接收器组合ZF-BLE算法实现的联合检测接收器等等。

以上以具体的实施例说明了本发明，但是这些实施例是示例性的，本发明不限于具体的实施例。本领域的普通技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明进行修改、变化或替代。