专利名称：最大似然序列均衡器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种适用于通信系统中的均衡器(equalizer)，特别是涉及一种简化最大似然序列估计(Maximum Likelihood Sequence Estimation；MLSE)中计算权值(metric)的方法与装置。
背景技术：
泛欧数字式移动电话系统(Global System for Mobile；GSM)以及整体封包无线电服务(General Packet Radio System；GPRS)等通信网路中使用的调制技术为高斯连续相移键送(Gaussian Minimum Shift Keying；GMSK)，此种调制方法会使接收信号在一定速率抽样(sample)时引起符号间干扰(inter-symbol interference；ISI)。在对符号进行译码时，ISI是其它邻近符号引发的残留影响，而此残留影响可解释为抽样前与抽样后的符号的脉冲，影响目前所欲抽样得到的符号的脉冲。系统中无法避免的ISI会使接收端输出的判断装置做出错误的判断。因此，GSM或GPRS接收端与传送端中的滤波器，会特别设计而降低ISI的影响，让终端接收到的数字数据可以维持最小的误差率。均衡器(equalizer)是一种普遍用来补偿或降低ISI影响的解决方法。
均衡器通常可被分为三种最大似然(maximum likelihood；ML)均衡器、线性(linear)均衡器、以及决策反馈(decision feedback)均衡器。ML均衡器主要根据最大似然序列检测条件，而线性均衡器是利用一种可调整系数的线性滤波器而进行等化动作的。决策反馈均衡器根据之前检测的符号，压抑目前检测符号中产生的ISI。这三种均衡器的效能与复杂度在图1的表格中有做比较。ML均衡器的效能是三种均衡器中最佳的，不过ML均衡器也是其中最复杂的一种均衡器。图1中复杂度的多寡是以L的倍数表示，而L在此代表ISI的长度。
无线通信系统中一个传输模型的范例显示在图2中。从传输端22传来的信号21首先会被低通滤波器(Low Pass Filter；LPF)221过滤，之后在乘法器222乘上载波而转换为射频(Radio Frequency；RF)，最后在传送到信道24之前传递给处理单元223。处理单元223将信号中真实部分(real part)撷取出来。信道24的特质可由信道频率响应方块241以及信道噪声23仿真。信道噪声23通常被假设为可加性高斯白噪声(Additive White GaussianNoise；AWGN)。接收器26的乘法器261会藉由乘上与载频相同的频率，将接收信号的频率转换回来。低通滤波器262接收被降频的信号，并输出一接收信号25。均衡器263于是将接收信号的ISI作补偿，并将估计信号27输出。接收信号r(t)25可以由公式[1]表示。
r(t)=Σnanh(t-nT)+n(t)]]>公式[1]h(t)代表系统的信道响应(channel response)，可藉由对传输端的脉冲响应(impulse response)ft(f)、接收端的脉冲响应fr(t)、以及信道模型响应g(t)执行回旋运算得到，即h(t)＝ft(t)*g(t)*fr(t)。
信道噪声n(t)23在此假设是平均(mean)为零，变异数(variance)为No的静态高斯噪声。设(an}(即图2中的信号21)为时间周期I之中传输脉冲振幅的假设序列。均衡器263假设是一个ML均衡器，判断(an}的最佳估计值为估计序列(n}(即图2的信号27)。估计序列{αn}＝{n}是将如公式[2]所示的可能函数(likelihood function)的最大化(maximize)所导出的。
p[r(t)，t∈I|{αn}] 公式[2]假设传输序列中0与1的机率相同，公式[2]可因此被重写为p[{αn}|r(t)]=p(r(t)|{αn})p({αn})p(r(t))]]>公式[3]p[{αn}|r(t)]也被称作事后验证(posteriori)机率。估计序列的机率p[{αn}]与接收信号r(t)都被假设为常数(constant)。ML均衡器的目的是将如公式[2]所示的可能函数最大化，所以事后验证机率因此也必须被最大化。如果序列(αn}为时间周期工之中脉冲振幅的真正序列，噪声n(t)的功率密度函数可由公式[4]表示n(t|{αn})=r(t)-ΣnT∈Iαnh(t-nT),t∈I]]>公式[4]公式[2]的ML函数因此变成p(r(t)|{αn})＝p[n(t)|{αn}]=(12πNo)Nexp(-12NoΣk=1N|rk-Σnαnhkn|2)]]>公式[5]ML函数，p[r(t)|{αn}]的机率与p[r(t)|{αn}]的对数成比例，因此
-∫-∞∞|r(t)-Σnαnh(t-nT)|2dt]]>=-∫-∞∞|r|(t)|2dt+2ReΣn[αn*∫-∞∞r(t)h*(t-nT)dt]-ΣnΣmαn*αm∫-∞∞h*(t-nT)h(t-mT)dt]]>公式[6]公式[6]的第一项为常数，因此可以在计算权值的时候被舍去。相对权值(correlation metric；MC)可如公式[7]所示通过先前所述的步骤而被推导出。
CM({αI})=2ReΣnT∈I(αn*Zn)-ΣiT∈IΣkT∈Iαn*αksi-k]]>公式[7]其中zn=gMF(t)*r(t)|t=nT=Σlan-lsl+wn]]>sl=gMF(t)*h(t)|t=lT=s-l*]]>以及gMF(t)＝h*(-t)s1在此为信道响应的自我相关值(autocorrelation)。
最大似然序列估计(Maximum Likelihood Sequence Estimation；MLSE)通过最大化公式[5]显示的可能函数，或是相同的，计算公式[8]显示的权值的最大化，以估计原本传输的序列{αn}的最有可能的序列。
Jn({αI})=2ReΣnT∈I(αn*Zn)-ΣiT∈IΣkT∈Iαi*si-kαk]]>公式[8]上述的MLSE算法为一种熟知的维特比(Viterbi)算法的改良版本。Viterbi算法是由反复的计算递归关系(recursive relation)而得。
Jn(...,αn=1,αn)=Jn-1(...,αn-1)+Re[αn*(2Zn-s0αn-2Σk≤n-1sn-kαk)]]]>公式[9]图3显示Viterbi均衡器的结构，其中接收信号r(t)是根据公式[1]而被估计。
发明内容
本发明的一目的在于降低GSM或GPRS通信网路中最大似然序列估计(MLSE)的权值计算的复杂度。均衡器的路径运算(path computation)造成最多的运算量，因此简化路径运算可以加速处理速度。也因此大幅降低移动设备(Mobile Station；MS)的电源耗损率。
本发明提供一种用来估计最大似然序列的路径权值运算法，其中各抽样采样的存留路径(survival path)是根据路径权值运算中N个抽样信道脉冲响应而判断的。与n抽样采样(n的范围为0-N-1)相关的信道脉冲响应的自我相关值S(n)会先被计算出来，之后，各个自我相关值S(n)通过除以S(0)被正规化(normalize)，而得到正规化值NS(n)。如果对应的正规化值NS(n)比一个限定值大，S(n)会被判断为有效的自我相关值，否则，S(n)会被判断为无效的自我相关值。而无效的自我相关值因为对判断存留路径的主要路径权值的影响太小，在计算时被舍弃而不列入考虑。存留路径因此只会根据有效的自我相关值而被判断。
本发明揭露的路径权值计算是实施在一均衡器中。在GSM或GPRS通信网路中，本发明的路径权值计算通常是实施在最大似然序列估计(MLSE)维特比(Viterbi)均衡器。存留路径会被纪录，直到N个连续抽样采样通过均衡器，并且会根据跟踪被纪录的存留路径，推导最大似然序列。
本发明更提供一种路径权值计算装置，包括一自我相关运算单元、一比较单元、一路径权值运算单元。自我相关运算单元计算自我相关值S(n)，并将S(n)传送给比较单元。比较单元只将比一限定值还大的自我相关值S(n)输出至路径权值运算单元。路径权值运算单元计算路径权值，并根据最大路径权值得到存留路径。
为了让本发明的上述和其它目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。
图1的比较表比较三种均衡器的效能与复杂度。
图2显示无线通信系统中传输模型的方块图。
图3显示Viterbi均衡器的结构方块图。
图4显示Viterbi均衡器的格构图(trellis diagram)。
图5显示减少路径计算量的Viterbi均衡器的格构图。
图6显示根据本发明实施例的路径权值计算方法的流程图。
图7显示根据本发明实施利的路径权值计算装置的简易方块图。
附图符号说明21-信号；22-传输端；23-信道噪声；24-信道；25-接收信号；26-接收端；27-估计信号；221、262-低通滤波器；222、261-乘法器；223-处理单元；241-信道频率响应方块；242-加法器；263-均衡器；602-610-路径权值计算方法的步骤；72-自我相关运算单元；74-正规化单元；76-比较单元；78-路径权值运算单元。
具体实施例方式
本发明的实施例假设信道脉冲响应h(t)的长度等于五个符号(symbol)的持续时间(L＝5)，即各抽样采样假设会有五个邻近抽样采样的符号间干扰(inter-symbol interference；ISI)影响。由于信道脉冲响应h(t)的自我相关值S1为对称的，必须满足显示在公式[10]的关系。
Sl=gMF(t)*h(t)|t-lT=S-1*,|l|<4]]>S1＝0，|l|≥5公式[10]公式[9]中显示的路径权值算式也可以公式[11]表示。
Jn(...,αn=1,αn)=Jn-1(...,αn-1)+Re[αn*(2Zn-s0αn-2Σl=14Slαn-1)]]]>公式[11]公式[11]的路径权值算式对应的草图(sketch map)可用来显示状态改变与L＝5的路径权值计算。图4显示Viterbi均衡器L＝5的格构图(trellisdiagram)。如图4所示，共有2L-1＝25-1＝16个状态。各状态Jn包括四个位，代表一个目前的抽样采样以及三个先前的抽样采样(αn，αn-1，αn-2，αn-3)，且每个状态Jn是由两个先前状态合并得到的Jn-1(αn-1，αn-2，αn-3，αn-4)。这两个先前状态被称作竞争路径(competing path)，而其中最大的路径权值才能成为目前状态的存留路径。
假设有N个抽样采样通过Viterbi均衡器，且各个状态为各抽样采样计算并比较竞争路径的路径权值，以判断其存留路径。各个状态的存留路径会被纪录下来，直到N个抽样采样都通过Viterbi均衡器了，最后从状态权值最大的状态开始，跟踪被纪录下来的存留路径历史。通过跟踪存留路径而得到的最有可能序列将满足先前所描述的最大似然(Maximum Likelihood；ML)函数。
从先前的叙述中可得知，均衡器的路径计算造成最多的运算量。因此，藉由减少路径权值计算的复杂度，均衡器的处理速度可以更快，如此一来，移动设备的电池使用时间就可以因此延长。
本发明提供的路径权值计算方法与装置简化了Viterbi均衡器的运算量。公式[11]的第二项，Re[αn*(2Zn-s0αn-2Σl=14Slαn-1)]]]>为路径权值的增加量，其中Zn为通过匹配滤波器(match filter)的接收信号的输出，因此这个项目可从权值计算中被移除。S1代表信道脉冲响应的自我相关值。在各种衰弱(fading)信道的仿真中，某些S1观查到的数值与其于S1相比非常微小。这些微小(或被归为无效)的S1所贡献的路径权值增加量也比其它S1贡献的少很多。也就是说这些微小S1在判断存留路径时，并不会影响主要路径权值增加量，因此为了减少运算量，这些微小S1可被舍弃而不被考虑在计算中。本发明揭露的减少路径权值计算法的格构图显示在图5中。S3被假设为比其它的自我相关值S小很多，因此在做路径权值计算时，S3αn-3的项目会被忽视而不被计算。这样一来，总状态数目就可由16减少到8个状态。
图6的流程图显示根据本发明的路径权值计算方法，用来判断计算权值时自我相关值S(n)是否为有效。信道响应的自我相关值S(n)首先在步骤602中被计算，步骤604中各S(n)会藉由除以S(0)被正规化，得到正规化值NS(n)。步骤606中，各个正规化值NS(n)会与一个限定值相比(NS(n)＞限定值？)，如果NS(n)比限定值大，对应的S(n)将会被保留下来给将来路径权值的计算(步骤608)，否则，对应的S(n)将会被舍弃不考虑于路径权值计算(步骤610)。
图7显示根据本发明中路径权值计算装置的实施例的方块图。自我相关运算单元72执行如图6步骤602的计算，并将计算出来的自我相关值S(n)传给正规化单元(normalizer)74。正规化单元74将各S(n)除以S(0)，以得到正规化值NS(n)。比较单元76接收这些正规化值NS(n)，并判断每个NS(n)是否大于预先设定的限定值。只有当NS(n)比限定值大时，比较单元76才将其对应的S(n)传送至路径权值运算单元78，所以路径权值运算单元78在估计最大似然序列时，不会考虑到太小的S(n)对估计最大似然序列造成的影响。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。
权利要求
1.一种适用于一无线通信网路中，估计一最大似然序列的路径权值计算方法，其中各抽样采样的一存留路径是由N个抽样采样的信道脉冲响应判断的，该计算方法包括下列步骤计算对应N个抽样采样的信道脉冲响应的自我相关值S(n)，n的范围为0-N-1；将每个自我相关值S(n)与一限定值作比较；如果该自我相关值比该限定值大，判断对应的自我相关值S(n)为一有效自我相关值，否则判断该自我相关值为无效的；舍弃该无效自我相关值；以及计算路径权值时，只考虑这些有效自我相关值，依据最大路径权值来判断该存留路径。
2.如权利要求1所述的路径权值的计算方法，更包括与该限定值比较之前，将这些自我相关值S(n)除以S(0)，计算出多个正规化自我相关值NS(n)；以及将这些正规化自我相关值NS(n)代替这些自我相关值S(n)与该限定值比较，并根据比较结果判断各自我相关值为有效或无效的。
3.如权利要求1所述的路径权值的计算方法，其中，该无线通信网路为泛欧数字式移动电话系统，或整体封包无线电服务。
4.如权利要求1所述的路径权值的计算方法，其中，该路径权值计算方法是实施在一均衡器中，纪录该存留路径直到N个连续抽样采样通过该均衡器，并根据跟踪该被纪录的存留路径，推导该最大似然序列。
5.如权利要求4所述的路径权值的计算方法，其中，该均衡器为一最大似然序列估计维特比均衡器。
6.如权利要求1所述的路径权值的计算方法，其中，各抽样采样的该存留路径是根据5个抽样采样的信道脉冲响应所判断的(N＝5)。
7.一种适用于一无线通信网路中的装置，在估计一最大似然序列时计算路径权值，其中，各抽样采样的一存留路径是由N个抽样采样的信道脉冲响应判断的，该装置包括一自我相关运算单元，计算对应N个抽样采样的信道脉冲响应的自我相关值S(n)，n的范围为0-N-1；一比较单元，将每个自我相关值S(n)与一限定值作比较，如果该自我相关值比该限定值大，判断对应的自我相关值S(n)为一有效自我相关值，否则判断该自我相关值为无效的；以及一路径权值运算单元，从该比较单元接收这些有效自我相关值，并在计算路径权值时，只考虑这些有效自我相关值，最后依据最大的路径权值来判断该存留路径。
8.如权利要求7所述的路径权值计算装置，更包括一正规化单元，从该自我相关运算单元接收这些自我相关值S(n)，将这些自我相关值S(n)除以S(0)，以计算出多个正规化自我相关值NS(n)，并且输出这些正规化自我相关值NS(n)至该比较单元，其中，该比较单元将这些正规化自我相关值NS(n)代替这些自我相关值S(n)与该限定值比较，并仅输出比该限定值大的这些正规化自我相关值NS(n)对应的这些自我相关值S(n)。
9.如权利要求7所述的路径权值计算装置，其中，该无线通信网路为泛欧数字式移动电话系统，或整体封包无线电服务。
10.如权利要求7所述的路径权值计算装置，其中，该路径权值计算装置是实施在一均衡器中，纪录该存留路径直到N个连续抽样采样通过该均衡器，并根据跟踪该被纪录的存留路径，推导该最大似然序列。
11.如权利要求10所述的路径权值计算装置，其中，该均衡器为一最大似然序列估计维特比均衡器。
12.如权利要求7所述的路径权值计算装置，其中，各抽样采样的该存留路径是根据5个抽样采样的信道脉冲响应所判断的(N＝5)。
全文摘要
一种适用于无线通信网路中，估计最大似然序列的路径权值计算方法与装置。本发明利用估计信道脉冲响应的统计特性简化运算量。设定一限定值来检验各个自我相关值在计算路径权值增加值时，是否构成有效的影响。在路径权值算式中，被判断为无效的自我相关值所对应的算式项会被舍弃而不被计算，因此而简化路径权值计算的复杂度。
文档编号H03M13/39GK1700687SQ200510073708
公开日2005年11月23日 申请日期2005年5月20日 优先权日2004年5月21日
发明者陈胜杰 申请人:明基电通股份有限公司