CN1169310C - 多普勒扩展估计系统 - Google Patents

Abstract

一种接收设备多普勒扩展估计器包括接收机，用于通过因衰落而随时间变化的传输信道来接收信号，并将信号转换成数字抽样用于处理。可操作地与接收机相关联的第三处理装置稳定数字抽样。第一处理装置可操作地与第三处理装置相关联，用于估计被稳定数字抽样的频谱密度。第二处理装置可操作地连接到第一处理装置，用于将频谱密度估计与同多个多普勒扩展值的假定对应的函数相关，以便选择多普勒扩展值的一个作为实际多普勒扩展的估计。

Description

多普勒扩展估计系统

技术领域

本发明涉及无线通信系统，更具体地说，涉及无线通信系统中多普勒扩展估计的方法和设备。

背景技术

在无线移动通信系统中，传输信道会随时间而变化。这是由发射机和/或接收机的移动性所致。传输信道中的变化的特征在于多普勒频谱。多普勒频谱是信道时间脉冲响应的自相关函数的傅里叶变换。在“微波移动通信”(W.C.Jakes，Jr.，ed.，New York：Wiley，1974，IEEE Press，1994)和“无线通信”(Theodore S.Rappaport，Prentice HallPTR，1996)中，多普勒频谱的宽度被称作多普勒扩展。多普勒扩展通常被用作信道变化率或衰落率的量度。

经常需要对多普勒扩展进行估计。例如，为了自适应地优化接收机中的相干检测器，自适应算法的参数被处理为估计多普勒扩展的函数。而且在蜂窝式移动电话系统中，如果对多普勒扩展的估计可用，便可以增强越区切换处理。这就避免了快速移动用户对微小区的越区切换。

美国专利No.4723303和5016017讨论了多普勒扩展估计的使用。这两个专利说明了从接收信号本身来估计多普勒扩展。但是，对于不稳定接收信号，这些方法无法获得良好的估计。“衰落移动无线电信道的自适应均衡”(Lars Lindbom，Tchn.Lic.Thesis No.UPTEC92124R，November 1992，Department of Technology，Uppsala University，Uppsala，Sweden)一文公开了一种从信道估计序列来估计多普勒扩展的方法。这种方法利用信道估计的差别(differential)，所述差别包括两个时间点间差值。但是，差别本身通常就有干扰并且需要求平均。结果，所述平均产生多普勒扩展的偏离估计。

另外一种建议通过最终多普勒扩展估计所控制的自适应滤波器来改善多普勒估计。但是，这增加了接收机的复杂度，同时估计还是有偏离。EP 0 822 668 A2也公开了一个用于接收设备的建议，它包括因衰落而预测多普勒频率的部分。

发明内容

本发明以简单新颖的方式来解决上述一个或多个问题。

按照本发明，提供一种接收机多普勒扩展估计器，它利用对非稳定接收信号的稳定化。

概括来说，按照本发明的一个方面，公开了一种多普勒扩展估计器，它包括接收装置，所述接收装置用于通过因衰落而随时间变化的传输信道来接收信号，并将所述信号转换成数字抽样用于处理，所述多普勒扩展估计器的特征在于：第一处理装置，它可操作地与所述接收装置相关联，并适合于对所述数字抽样的频谱密度进行估计；以及第二处理装置，它可操作地连接到所述第一处理装置，并适合于将所述频谱密度估计与同多个多普勒扩展值的假定对应的函数相关，以便选择所述多普勒扩展值的一个作为实际多普勒扩展的估计。

第三处理装置可操作地与接收装置相关联，用于稳定数字抽样。第一处理装置可操作地与第三处理装置相关联，用于估计被稳定数字抽样的频谱密度。第二处理装置可操作地连接到第一处理装置，用于将频谱密度估计与同多个多普勒扩展值的假定对应的函数相关联，以便选择一个多普勒扩展值作为实际多普勒扩展的估计。

本发明的一个特征是接收装置适合于接收码分多址(CDMA)信号。

本发明的另一个特征是直接从CDMA信号获取信道系数。

本发明的另一个特征是接收装置适合于接收包含有已知CDMA扩频码扩频的导频符号的信号。

本发明的另一个特征是接收信号表示发送符号的序列，并且第三处理装置包括混频器，用于将数字抽样与发送符号的复共轭进行混合。发送符号的复共轭是从信道估计器得到的。

本发明的另一个特征是第三处理装置包括低通滤波器。

本发明的另一个特征是第一处理装置产生表示频谱成份的矢量数据。

本发明的另一个特征是第二处理装置包括多信道相关器。相关器计算估计频谱密度和与多个多普勒扩展值的假定对应的加权函数之间的相关性。第二处理装置包括选择器，用于选择产生最高相关值的假定。

按照本发明的另一个方面，公开了一种接收设备多普勒扩展估计器，它包括接收机，所述接收机适合于通过因衰落而随时间变化的传输信道来接收信号，并将所述信号转换成数字抽样用于处理，所述接收设备多普勒扩展估计器的特征在于：第一处理装置，它可操作地与所述接收机相关联，并适合于估计所述数字抽样的频谱密度；以及第二处理装置，它可操作地连接到所述第一处理装置，并适合于将所述频谱密度估计与同多个多普勒扩展值的假定对应的函数相关，以便选择所述多普勒扩展值的一个作为实际多普勒扩展的估计。

按照本发明的又一个方面，公开了一种估计接收信号的多普勒扩展的方法，它包括以下步骤：通过因衰落而随时间变化的传输信道来接收所述信号，并将所述信号转换成数字抽样用于处理；估计所述数字抽样的频谱密度；以及将所述频谱密度估计与同多个多普勒扩展值的假定对应的函数相关，以便选择所述多普勒扩展值的一个作为实际多普勒扩展的估计。

更具体地说，本发明涉及无线通信系统中多普勒扩展估计的方法和设备。多普勒扩展信息可用来优化通信系统的性能。应用包括基站和移动台接收机，其中相干检测器是最佳检测器类型。

通过以下说明及附图，本发明的其它特点和优点将会明显。

附图说明

图1-3是按照本发明的、包含多普勒扩展估计器的接收设备的方框图。

图4是按照本发明的多普勒扩展估计器的方框图。

具体实施方式

参照图1，图中示出按照本发明的接收设备10。接收设备10适合供已知导频符号使用。接收设备10包括用于接收14所示无线电信号的天线12。天线12连接到无线电接收机和变频器16。无线电接收机和变频器16对放大信号进行滤波并将其转换成适合形式用于处理，诸如复数抽样值。这些信号具有用于处理的数字抽样的性质。无线电接收机和变频器16与信道估计器18相连接。信道估计器18与多普勒扩展估计器20相连接，并从已知符号单元24接收已知符号。这些已知符号包括导频或参考符号，其中导频或参考符号也包含在用于确定信道估计的接收信号中。已知符号储存在存储器中或在码生成器中本地产生。信道估计器18将接收数字抽样与已知符号相关联，以便将信道估计提供给多普勒扩展估计器20。多普勒扩展估计器20对送往信号处理单元22的多普勒扩展进行估计。信号处理单元22处理抽样信号以提取信息。信号处理单元22还连接到信道估计器18，以便在多普勒估计后可以改善信道估计。

参照图2，图中示出接收设备10′的方框图。接收设备10′通常与图1的接收设备10相似。为了简便起见，相同的部件采用同样的数字表示，而修改了的部件则用加撇号的数字来表示。具体地说，接收设备10′的不同之处在于用符号估计器24′来代替单元24的已知符号。这种接收设备用于符号是未知的应用中。信道估计器18试图对符号进行估计，这些符号随后被储存在符号估计器24′中。估计的符号随后由信道估计器18用于确定信道估计，如上所述。

在美国称为IS-95的码分多址(CDMA)蜂窝式系统中，发射机发送称作导频码的已知符号流。在同一信道上，在与使用不同扩频码承载符号的其它信息相同时间发送导频码。图3说明一种用于这样的CDMA系统的接收设备10″。对于CDMA系统，可以直接对信道进行估计以用于多普勒扩展。在这种情况下，图1的已知符号单元24被省略。信道估计器18将包含加性叠加的导频码和其它码的接收信号与已知导频码相关联，并对结果复相关进行低通滤波，以便得到信道估计。接收信号还与要解码的其它信息承载码相关联。与信息承载码相关联的结果与相同时延的导频码相关的共轭相乘，并且结果被相加，以便相干地结合多径信号。

在宽带CDMA(WBCDMA)系统中，调制符号间隔很短。这样使多传播路径可以以很细的时间分辨率来分解。

在移动通信系统中，平瑞利信道(flat Rayleigh channel)中的接收信号可以由以下基带模型来描述：

          r(t)＝s(t)·c(t)+n(t)，                     (1)

其中

$s\left(t\right)=\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{d}_{n}p(t-\mathrm{n\Δt}),---\left(2\right)$

d_n是第n个发送符号，p(t)是发送脉冲，c(t)是复高斯过程，具有零均值，并且包络相关函数

$K_c\left(\mathrm{\τ}\right)={\mathrm{\σ}}_c^2{J}_0\left({\mathrm{\ω}}_d\mathrm{\τ}\right),---\left(3\right)$

σ_c ²是过程c(t)的方差，J₀(X)是一类及零阶贝塞尔函数，

ω_d＝ω₀υ/c₀，ω₀是载频，υ是移动速率，c₀是光速，以及n(t)是具有频谱密度g的白噪声。

有两种传统的方法用于基本多普勒扩展估计解决方案。这些方法是接收信号的频谱分析或接收信号的相关分析。对于接收信号的频谱分析：

$\hat{S}\left(k\right)=\frac{1}{Q}\underset{q=0}{\overset{Q-1}{\mathrm{\Σ}}}|\underset{i=\mathrm{qN}}{\overset{(q+1)N-1}{\mathrm{\Σ}}}{r}_i\exp (-j2\mathrm{\π}\frac{\mathrm{ki}}{N}){|}^2,---\left(4\right)$

其中

          r_i＝d_i·c_i+n_i，                    (5)

r_i、c_i和n_i分别是过程r(t)、c(t)以及n(t)的第i个抽样。对于这种算法，多普勒扩展的估计可以用FFT系数来表示：

${\hat{f}}_d=\frac{f_q}{N}\arg \[\max \hat{S}\left(k\right)\]---\left(6\right)$

其中，f_q是抽样频率。

对于接收信号的相关分析：

$\hat{K}\left(m\right)=\frac{1}{\mathrm{NQ}}\underset{i=1}{\overset{\mathrm{NQ}}{\mathrm{\Σ}}}{r}_i\·r_{i+m}^{*}---\left(7\right)$

多普勒扩展的估计可以用相关函数 来表示，对于某个值m₀，计算如下：

${\hat{f}}_d=\frac{f_q}{2\mathrm{\π}{m}_0}{K}_c^{-1}\[\hat{K}\left(m_0\right)\]---\left(8\right)$

其中，k_c ^-1(τ)是函数k_c(τ)的反函数。

但是，矢量r＝(r₁，_，r_N)是随时间而变的、非稳定的随机离散过程。对于非稳定过程，传统的频谱分析不能奏效。为了解决这个问题，本发明考虑到d_i＝exp(jφ_i)。于是，算法

${\hat{r}}_i={\left({\hat{d}}_i\right)}^{*}\·r_i,---\left(9\right)$

其中，

是符号d_i的估计，将非稳定矢量r转换成稳定矢量

$\hat{r}=({\hat{r}}_1,...,{\hat{r}}_N).$

实际上，对于非色散信道， ${\hat{d}}_i\≈d_i.$ 另外，噪声n_i及 ${\hat{n}}_i={\hat{d}}_i\·n_i$ 的统计特征值是相同，因为 ${\left|{\hat{d}}_i\right|}^2=1.$ 所以，

${\hat{r}}_i\≈c_i+{\hat{n}}_i---\left(10\right)$

通过使用移动平均可以改进算法(9)：

${\hat{r}}_i=\frac{1}{N_0}\underset{n=\mathrm{iM}}{\overset{\mathrm{iM}+N0-1}{\mathrm{\Σ}}}({\hat{d}}_n{)}^{*}{r}_n,---\left(11\right)$

在这种情况下，错误 $\mathrm{\Δ}{d}_n=\hat{d}-d_n$ 被减少，并且公式(10)便为精确。对于CDMA系统，信道系数(更准确地说，信道系数估计

)直接被获得。在这种情况下，可以处理信道系数估计而不是

按照本发明，非稳定矢量r被转换，以便将问题减为对稳定矢量

的分析。随后，本发明采用最佳方法来估计多普勒扩展。这种方法采用最大似然比的准则。最佳估计算法通过以下公式来获得：

$\{\frac{\∂\mathrm{\Λ}\left(\hat{r}\right|f_d)}{\∂f_d}{\}}_{f_d={\hat{f}}_d}=0,---\left(12\right)$

其中，

是根据矢量 所形成的似然比。

因为矢量 具有高斯分布，其精确度为无关紧要的常数，所以，对于对数似然比，可以写出以下公式：

$\mathrm{\Λ}\left(\hat{r}\right|f_d)=\underset{k=0}{\overset{n/2-1}{\mathrm{\Σ}}}{G}_H\left(k\right|f_d)\·\hat{S}\left(k\right)---\left(13\right)$

其中，G_H(k|f_d)是与多普勒扩展f_d的某个值对应的加权函数。

按照本发明对多普勒扩展进行估计的方法利用接收信号的稳定化、稳定矢量的频谱分析以及频谱估计的相关性。具体地说，对于接收信号的稳定化：

${\hat{r}}_i=\frac{1}{N_0}\underset{n=\mathrm{iM}}{\overset{\mathrm{iM}+N0-1}{\mathrm{\Σ}}}({\hat{d}}_n{)}^{*}{r}_n,---\left(14\right)$

稳定矢量 $\hat{r}=({\hat{r}}_1,...,{\hat{r}}_N)$ 的频谱分析采用快速傅里叶变换(FFT)：

$\hat{S}\left(k\right)=\frac{1}{Q}\underset{q=0}{\overset{Q-1}{\mathrm{\Σ}}}|\underset{i=\mathrm{qN}}{\overset{(q+1)N-1}{\mathrm{\Σ}}}{\hat{r}}_i\exp (-j2\mathrm{\π}\frac{\mathrm{ki}}{N}){|}^2---\left(15\right)$

采用与多普勒扩展f_d的L值对应的L加权函数G_H(k|f_d)在频谱估计 的频域进行相关：

$\mathrm{\Λ}\left(\hat{r}\right|f_d)=\underset{k=0}{\overset{N/2-1}{\mathrm{\Σ}}}{G}_H\left(k\right|f_d)\·\hat{S}\left(k\right),---\left(16\right)$

其中，f_d＝{f_d(1)，_，f_d(L)}是多普勒扩展假定的矢量。如果以下公式成立，则选择一个多普勒扩展假定f_d(m)：

$\mathrm{\Λ}\left(\hat{r}\right|f_d\left(m\right))>\mathrm{\Λ}\left(\hat{r}\right|f_d\left(p\right))---\left(17\right)$

图4说明图1的多普勒扩展估计20的方框图。采用乘法器26和低通滤波器28组成的第三处理装置来进行接收信号的稳定化。乘法器26接收抽样的接收信号r_n，将信号r_n与发送符号 的复共轭相乘。无线电接收机和变频器单元16(参见图1)是接收信号r_n的源。发送符号的复共轭的源可以是信道估计器18或已知符号24。乘法器26的输出通过低通滤波器28，低通滤波器28减少发送符号估计的统计错误 $\mathrm{\Δ}{d}_n={\hat{d}}_n-d_n$ 及带外噪声。

滤波器28的输出端连接到第一处理装置30的输入端。第一处理装置30采用公式(15)的算法对输入信号

的频谱密度进行估计。粗体线所示的输出表示输出数据是矢量数据形式，它是频谱成份

$\hat{S}=\[\hat{S}\left(1\right),...,\hat{S}(N/2)\].$

第一处理装置30的输出被馈送给第二处理装置32的输入，其中第二处理装置32为采用公式(16)来产生似然比量度的多信道相关器形式。相关器的各信道在频域对频谱估计 和等待函数G_H(k|f_d)之间的相关性进行计算。第m信道的等待函数G_H(k|f_d(m))对应于多普勒扩展的某个选择值f_d(m)。具体地说，它们包括多个多普勒扩展值的假定。似然比量度采用公式(16)进行相互比较。输出施加到最大值函数单元34。根据L个多普勒扩展假定的似然比量度之间的比较，多信道相关器32作出判定：如果第m信道具有最大输出值，则多普勒扩展为f_d(m)。

用于估计多普勒扩展的所述方法可用于WCDMA或IS-95系统，因为在这些系统中，已知符号或导频符号在每个时隙被周期性地插入数据流中。

本领域普通技术人员将会认识到，本发明可以作为方法或装置来实施。因此，本发明可以采取全硬件实施例的形式、全软件实施例的形式或结合软件及硬件的实施例形式。本发明对图1至4的方框图示例部分进行了说明。应该知道，示例的各个单元以及单元的组合可以由计算机程序指令来实现。这些表示步骤的程序指令可以提供给制造者来生产机器。

因此，方框图的单元支持一些装置的组合，用于以执行特定功能的步骤组合来执行特定功能。应该知道，示例中的各个单元以及单元的组合可以由基于专用硬件的系统来实现，所述系统执行指定功能或步骤，或者专用硬件和计算机指令的结合。

这样，按照本发明，多普勒扩展估计器利用非稳定接收信号的稳定化并且计算相关函数，其中相关函数与假定进行比较来确定精确可靠的多普勒扩展估计。

Claims (36)

1.一种多普勒扩展估计器，它包括接收装置，所述接收装置用于通过因衰落而随时间变化的传输信道来接收信号，并将所述信号转换成数字抽样用于处理，所述多普勒扩展估计器的特征在于：

第一处理装置(30)，它可操作地与所述接收装置相关联，并适合于对所述数字抽样的频谱密度进行估计；以及

第二处理装置(32)，它可操作地连接到所述第一处理装置，并适合于将所述频谱密度估计与同多个多普勒扩展值的假定对应的函数相关，以便选择所述多普勒扩展值的一个作为实际多普勒扩展的估计。

2.权利要求1的多普勒扩展估计器，其特征在于所述接收装置适合于接收码分多址(CDMA)信号。

3.权利要求2的多普勒扩展估计器，其特征在于直接从所述CDMA信号获取信道系数。

4.权利要求1的多普勒扩展估计器，其特征在于所述接收装置适合于接收包含有已知CDMA扩频码扩频的导频符号的信号。

5.权利要求1的多普勒扩展估计器，其特征在于还包括第三处理装置(26，28)，它可操作地与所述接收装置相关联，并适合于在估计所述数字抽样的频谱密度之前稳定所述数字抽样。

6.权利要求5的多普勒扩展估计器，其特征在于所述接收信号表示发送符号的序列，并且所述第三处理装置(26，28)包括乘法器(26)，所述乘法器(26)适合于将所述数字抽样和所述发送符号的复共轭进行混合。

7.权利要求6的多普勒扩展估计器，其特征在于所述发送符号的所述复共轭是从符号估计器(24′)得到的。

8.权利要求5的多普勒扩展估计器，其特征在于所述第三处理装置(26，28)还包括低通滤波器(28)。

9.权利要求1的多普勒扩展估计器，其特征在于所述第一处理装置(30)适合于产生表示频谱成份的矢量数据。

10.权利要求1的多普勒扩展估计器，其特征在于所述第二处理装置(32)包括多信道相关器。

11.权利要求10的多普勒扩展估计器，其特征在于所述多信道相关器适合于对估计频谱密度与同所述多个多普勒扩展值的假定对应的加权函数之间的相关性进行计算。

12.权利要求11的多普勒扩展估计器，其特征在于第二处理装置(32)包括选择器，所述选择器适合于选择产生最高相关值的假定。

13.一种接收设备多普勒扩展估计器，它包括接收机，所述接收机适合于通过因衰落而随时间变化的传输信道来接收信号，并将所述信号转换成数字抽样用于处理，所述接收设备多普勒扩展估计器的特征在于：

第一处理装置(30)，它可操作地与所述接收机相关联，并适合于估计所述数字抽样的频谱密度；以及

第二处理装置(32)，它可操作地连接到所述第一处理装置(30)，并适合于将所述频谱密度估计与同多个多普勒扩展值的假定对应的函数相关，以便选择所述多普勒扩展值的一个作为实际多普勒扩展的估计。

14.权利要求13的接收设备多普勒扩展估计器，其特征在于所述接收机适合于接收码分多址(CDMA)信号。

15.权利要求14的多普勒扩展估计器，其特征在于直接从所述CDMA信号中获取信道系数。

16.权利要求13的接收设备多普勒扩展估计器，其特征在于所述接收机适合于接收包含有已知CDMA扩频码扩频的导频符号的信号。

17.权利要求13的多普勒扩展估计器，其特征在于还包括第三处理装置(26，28)，它可操作地与所述接收机和第一处理装置(30)相关联，并适合于在估计所述数字抽样的频谱密度之前稳定所述数字抽样。

18.权利要求17的接收设备多普勒扩展估计器，其特征在于所述接收信号表示发送符号的序列，并且所述第三处理装置(26，28)包括乘法器(26)，所述乘法器(26)适合于将所述数字抽样与所述发送符号的复共轭进行混合。

19.权利要求18的接收设备多普勒扩展估计器，其特征在于所述发送符号的所述复共轭是从符号估计器得到的。

20.权利要求18的接收设备多普勒扩展估计器，其特征在于所述第三处理装置(26，28)还包括低通滤波器(28)。

21.权利要求13的接收设备多普勒扩展估计器，其特征在于所述第一处理装置(30)适合于产生表示频谱成份的矢量数据。

22.权利要求13的接收设备多普勒扩展估计器，其特征在于所述第二处理装置(32)包括多信道相关器。

23.权利要求22的接收设备多普勒扩展估计器，其特征在于所述多信道相关器适合于对估计频谱密度与同所述多个所述多普勒扩展值的假定对应的加权函数之间的相关性进行计算。

24.权利要求23的接收设备多普勒扩展估计器，其特征在于所述多信道相关器包括选择器，所述选择器适合于选择产生最高相关值的假定。

25.估计接收信号的多普勒扩展的方法，它包括以下步骤：

通过因衰落而随时间变化的传输信道来接收所述信号，并将所述信号转换成数字抽样用于处理；

估计所述数字抽样的频谱密度；以及

将所述频谱密度估计与同多个多普勒扩展值的假定对应的函数相关，以便选择所述多普勒扩展值的一个作为实际多普勒扩展的估计。

26.权利要求25的估计接收信号的多普勒扩展的方法，其特征在于所述接收步骤接收码分多址信号。

27.权利要求26的估计接收信号的多普勒扩展的方法，其特征在于直接从所述CDMA信号获取信道系数。

28.权利要求25的估计接收信号的多普勒扩展的方法，其特征在于所述接收步骤接收包含有已知CDMA扩频码扩频的导频符号的信号。

29.权利要求25的估计接收信号的多普勒扩展的方法，其特征在于还包括在估计所述数字抽样的频谱密度之前稳定所述数字抽样。

30.权利要求29的估计接收信号的多普勒扩展的方法，其特征在于所述接收信号表示发送符号的序列，并且所述稳定步骤包括将所述数字抽样与所述发送符号的复共轭相乘。

31.权利要求30的估计接收信号的多普勒扩展的方法，其特征在于所述发送符号的所述复共轭是从符号估计器得到的。

32.权利要求30的估计接收信号的多普勒扩展的方法，其特征在于所述稳定步骤包括对所述混合抽样进行低通滤波。

33.权利要求25的估计接收信号的多普勒扩展的方法，其特征在于所述估计步骤产生表示频谱成份的矢量数据。

34.权利要求25的估计接收信号的多普勒扩展的方法，其特征在于所述相关步骤包括使用多信道相关器。

35.权利要求34的估计接收信号的多普勒扩展的方法，其特征在于所述相关步骤对估计频谱密度与同所述多个所述多普勒扩展值假定对应的加权函数之间的相关性进行计算。

36.权利要求35的估计接收信号的多普勒扩展的方法，其特征在于所述相关步骤包括选择产生最高相关值的所述假定。

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