最大可能性检测器与方法及无线信号接收器与流程

本发明是关于无线信号接收，尤其是关于采用最大可能性检测的无线信号接收。

背景技术：

在无线通讯的应用中，使用者对于高数据传输率的需求日渐攀升，如何在有限的系统频宽内有效提升频宽使用效率、进而提升系统吞吐量(throughput,tp)，一直是各业内者钻研的议题。在市场趋势下，多输入多输出技术(multiple-inputmultiple-output；mimo)下的空间多路复用(spatialmultiplexing)传输方式可以在不增加频宽的前提下大幅增加系统吞吐量，因此该传输方式在近年来相当受到瞩目。

空间多路复用的传输方式主要是利用发射端的多个天线在同个时间同个频带上传送相互独立的信号，接收端也采用多个天线以接收并检测这些信号。为了达到较佳的解调效能，接收端可采用最大似然法(maximum-likelihoodalgorithm；mlalgorithm)。最大似然法可以理解成一追求最佳化的算法，其以穷举搜索(exhaustivesearch)的方式依据接收信号来估测出在所有可能的解法中传送信号的最佳解。然而，穷举搜索并非有效率的搜索方法，因其将所有可能解都加以运算，需耗费较长计算时间延迟(processinglatency)、复杂度(complexity)以及运算功率(computationpower)。

更多先前技术可见于下列文献：公开号cn101582748a的中国专利申请；以及ieee的文献massimilianositi,michaelp.fitz,“anovelsoft-outputlayeredorthogonallatticedetectorformultipleantennacommunications”,ieeeinternationalconferenceoncommunications(icc),2006。

技术实现要素：

鉴于先前技术的不足，本发明的一目的在于提供一种最大可能性检测器与检测方法，以及一种采用最大可能性检测的无线信号接收器，以改善先前技术。

本发明公开一种最大可能性检测器，其一实施例包含一搜寻值选择电路以及一最大可能性检测电路。该搜寻值选择电路用来依据下列方式的其中之一选择一搜寻值：依据一通讯指标以及一调变方式来选择该搜寻值，其中该通讯指标是一接收信号或其衍生信号的通讯指标；以及依据一默认值决定该搜寻值。该最大可能性检测电路用来依据该接收信号及其衍生信号的其中之一以及依据该搜寻值执行一最大可能性运算，以计算一搜寻范围内的每一候选信号值所关联的对数概似比。上述搜寻范围对应该搜寻值，该搜寻范围内的候选信号值的数目不大于该调变方式的所有候选信号值的数目。

本发明还公开一种最大可能性检测方法，其一实施例包含下列步骤：依据一通讯指标与一调变方式选择一搜寻值或依据一默认值决定该搜寻值，其中该通讯指标是一接收信号或其衍生信号的通讯指标，该搜寻值对应一搜寻范围，该搜寻范围内的候选信号值的数目不大于该调变方式的所有候选信号值的数目；以及依据该接收信号及其衍生信号的其中之一以及依据该搜寻值执行一最大可能性运算。

本发明还公开一种采用最大可能性检测的无线信号接收器，其一实施例包含：一离散傅立叶转换电路，用来将一时域信号转换为一频域信号；一参考信号提取电路，用来依据该频域信号产生一提取参考信号；一信道估测电路，用来依据该提取参考信号产生一估测信号；一数据信号提取电路，用来依据该频域信号产生一提取数据信号；一信号检测电路，用来依据该估测信号与该提取数据信号产生一检测信号；以及一译码电路，用来依据该检测信号产生一译码信号。上述信号检测电路的一实施例包含一最大可能性检测器，其用来依据一通讯指标以及依据一调变方式来选择一搜寻值、或依据一默认值决定该搜寻值，并用来依据该频域信号及其衍生信号的其中之一以及依据该搜寻值执行一最大可能性运算以产生该检测信号，其中该搜寻值对应一搜寻范围，该搜寻范围内的候选信号值的数目不大于该调变方式的所有候选信号值的数目。

有关本发明的特征、实施方式以及效果将配合图式作较佳实施例详细说明如下。

附图说明

〔图1〕为本发明的采用最大可能性检测的无线信号接收器的一实施例的示意图；

〔图2〕为穷举搜索的树形图；

〔图3〕为阶层式正交晶格检测器的架构下的树形图；

〔图4a〕为本发明的最大可能性检测器的一实施例的示意图；

〔图4b〕为图4a的实施细节的示意图；

〔图5〕为图4a的最大可能性检测器的一实作所对应的星座图；

〔图6〕为对应图5的树形图；以及

〔图7〕为本发明的最大可能性检测方法的一实施例的示意图。

具体实施方式

以下说明内容的用语是参照本技术领域的习惯用语，如本说明书对部分用语有加以说明或定义，该部分用语的解释以本说明书的说明或定义为准。

本发明的公开内容包含最大可能性检测器与检测方法、以及采用最大可能性检测的无线信号接收器，是以位(bit)为单位并以软判决(softdecision)方式来输出对应的对数概似比(loglikelihoodratio,llr)当作译码电路的输入值，以进行错误更正。这些检测器与接收器的部分组件单独而言可能为已知组件，在不影响发明的充分公开及可实施性的前提下，以下说明对于个别已知组件的细节将予以节略；另外，该方法可以是软件和/或固件的形式，可藉由本发明的硬件装置或其等效电路来执行。本发明适用于多维(multiple-dimension)或多层(multiple-layer)的信号接收，例如多输入多输出(multiple-inputmultipleoutput；mimo)通讯系统的信号接收。采用mimo的通讯技术，例如长程演进(long-termevolution；lte)技术、无线局域网络(wirelesslocal-areanetwork；wlan)技术、全球互通微波存取(worldwideinteroperabilityformicrowaveaccess；wimax)等。为便于了解，以下将以lte通讯系统的应用为例进行说明，但本发明的应用不以此为限。

请参阅图1，其是本发明的采用最大可能性检测的无线信号接收器的一实施例的示意图。如图1所示，无线信号接收器100包含：一离散傅立叶转换(discretefouriertransform,dft)电路110，用来将一时域信号转换为一频域信号；一参考信号提取(extraction)电路120，用来依据该频域信号产生一提取参考信号；一信道估测(channelestimation)电路130，用来依据该提取参考信号产生一估测信号；一数据信号提取电路140，用来依据该频域信号产生一提取数据信号；一信号检测电路150，用来依据该估测信号与该提取数据信号产生一检测信号；以及一译码电路160，用来依据该检测信号产生一译码信号。所述信号检测电路150包含：一最大可能性(maximumlikelihood,ml)检测器152，用来依据一通讯指标以及依据一调变方式来选择一搜寻值、或依据一默认值决定该搜寻值，并依据该频域信号或其衍生信号以及依据该搜寻值执行一最大可能性运算以产生该检测信号，其中该搜寻值对应一搜寻范围，该搜寻范围内的候选信号值的数目不大于该调变方式的所有候选信号值的数目。所述译码电路160的一实施例包含一解扰器(descrambler)与一涡轮译码器(turbodecoder)，该解扰器用来依据该检测信号产生一解扰信号，该涡轮译码器用来依据该解扰信号产生该译码信号。所述离散傅立叶转换电路110、参考信号提取电路120、信道估测电路130、数据信号提取电路140与译码电路160的任一单独而言为一习知或自行开发的电路。

承上所述，时域信号在经过离散傅立叶转换后，于频域第n个子载波的信号yn可以表示为一nr×1的向量，如下所示：

yn＝hnxn+wn(公式一)

其中hn为第n个子载波所视的nr×nt的信道矩阵，xn为第n个子载波上nt×1的传送信号，wn为第n个子载波的噪声，nr是接收天线个数，而nt为传送天线的个数。本实施例以一个子载波的信号为处理单位，为了方便表示，在之后的说明中，下标n被省略掉；此外，本实施例是应用于二输入二输出空间多路复用传送，亦即传送端的独立空间流(spatialstream)的数目与接收端的独立空间流的数目均为2(此时nr与nt均至少为2)，因此公式一可以简化成：

y＝hx+w(公式二)

在lte系统中，因为参考信号(referencesignal；rs)与数据信号(datasignal)载于不同的子载波上，故信道估测电路130会依据参考信号所做的信道估测经由内插或外插方式来求得所需数据信号的信道响应矩阵信号检测电路150再对矩阵执行qr分解或其等效运算如下所示：

其中q为酉矩阵(unitarymatrix)，r为上三角矩阵(uppertriangularmatrix)。进行qr分解或其等效运算后，信号检测电路150将接收信号y(即前述提取数据信号)乘上q^h(矩阵q的hermitian矩阵)或执行等效运算以得到信号z如下所示：

z≡q^hy＝q^h(hx+w)＝q^h(qrx+w)＝rx+w'(公式四)

其中w'≡q^hw。接下来，最大可能性检测器152依据利用公式四所得到的信号z以位为单位来计算对数概似比(loglikelihoodratio,llr)，计算方式如下：

其中bi为第i个位，为所有传送信号在第i个位等于0的集合，为所有传送信号在第i个位等于1的集合，代表运算过程中的候选信号值，符号「～」用于与真实信号x相区分。

公式五可视为一追求最佳化的算式，可通过穷举搜索(exhaustivesearch)的方式求解如先前技术所述。若传送信号的调变技术属于m-qam(信号集的大小(或说该调变技术所对应的星座图(constellationdiagram)上星座点的数目)为m的正交振幅调变(quadratureamplitudemodulation))，以二输入二输出的两层独立数据流而言，公式五的解(或说候选信号值)的可能性共有m²种，可以树形图来表示，如图2所示。

进一步而言，因为r为上三角矩阵，搜寻的操作可以被简化。首先可被拆解如下：

由于绝对值平方必不小于零，因此在择定的情况下，的最小值必发生于当符合下述关系：

其中γ[]为量化器(quantizer)。换句话说，在择定的后，是可通过公式七得到的唯一解。公式六与公式七所代表的架构称为阶层式正交晶格检测器(layerorthogonallatticedetector(lord))，在此架构下，搜寻的树形图可以大幅简化如图3所示。在图3所对应的lord架构中，第一层展开所有的可能性(m个)，第二层则是以公式七直接对应求得并不需要如图2般再次展开的所有可能性，因此，整体的运算复杂度是操控在第一层展开的个数。

利用图3所对应的lord架构进行公式五的求解，可得到每个位的对数概似比，之后再将所求得的对数概似比传送至译码器，便可进行错误更正以完成接收。然而，以m-qam为例，lord架构下解的可能性仍有m种(或者图3中第一层展开的个数仍有m个)，其中部分可能的解较不可能为正确解，应可被排除以进一步简化运算。因此，图1的最大可能性检测器152并非直接计算m种可能性下的对数概似比，而是如前所述般先选择一搜寻值，再依据该频域信号或其衍生信号(例如前述提取数据信号)以及依据该搜寻值执行一最大可能性运算以产生该检测信号包含对数概似比，其中该搜寻值所对应的搜寻范围内的候选信号值(或说该调变方式所对应的星座图中对应该搜寻范围的星座点)的数目不大于该调变方式的所有候选信号值(或说该调变方式所对应的星座图中的所有星座点)的数目。换言之，图1的最大可能性检测器152在第一层展开(或)的可能性时只展开k个可能解(其中k≦m)，从而在不实质减损效能的前提下实现较低的运算复杂度及功耗。值得注意的是最大可能性检测器152可先展开(于第一层)再展开(于第二层)，这视需求而定。

详言之，该最大可能性检测器152的一实施例如图4a所示，包含一搜寻值选择电路410与一最大可能性检测电路420。搜寻值选择电路410用来依下列方式的其中之一选择一搜寻值：依据一通讯指标以及一调变方式来选择该搜寻值，其中该通讯指标是一接收信号(例如前述的频域信号)的通讯指标或是该接收信号的衍生信号(例如前述的提取参考信号)的通讯指标；以及依据一默认值决定该搜寻值。上述搜寻值对应一搜寻范围，该搜寻范围内的候选信号值的数目不大于该调变方式的所有候选信号值的数目。最大可能性检测电路420用来依据该接收信号(例如前述频域信号)或其衍生信号(例如前述提取数据信号)以及依据该搜寻值执行一最大可能性运算，以计算该搜寻范围内的每一候选信号值所关联的对数概似比，其中该最大可能性运算包含对应前述公式五的运算、前述公式七的运算、后述公式八的运算以及后述查表操作或其等效操作。

图4a的信号检测电路150的细节如图4b所示，包含：一qr分解单元430，用来依据前述估测信号(对应信道响应矩阵)执行公式三的运算或其等效；一信号产生单元440，用来依据前述提取数据信号(对应前述信号y)执行公式四的运算或其等效；该搜寻值选择电路410；以及该最大可能性运算电路420。图4b中，最大可能性运算电路420包含：一候选信号值决定单元422，用来依据该提取数据信号执行公式八的运算或其等效运算以产生一运算结果，并依据该运算结果与该搜寻值执行后述查表操作或其等效操作以产生一操作结果；一对应值计算单元424，用来依据该操作结果执行公式七的运算或其等效运算以产生一计算结果；以及一对数概似比计算单元426，用来依据该计算结果执行公式五的运算或其等效运算。所述qr分解单元430与信号产生单元440的任一单独而言为习知或自行开发的单元。

最大可能性检测电路420选择该搜寻值所对应的搜寻范围的方式是通过接收信号在该调变方式所对应的星座图上的落点来决定。基于公式六，最大可能性检测电路420可包含一迫零(zero-forcing；zf)均衡器(equalizer)(包含于候选信号值决定单元422)以执行一迫零运算来得到在星座图上的落点如下所示：

利用星座图的特性，各星座点与该落点的远近关系可被事先得知。

以lte的64-qam为例，依照落点的位置(亦即落点所对应的参考值)与星座点的关系可定义出14个区间如表一所示，在各区间下，表1中由左至右的顺序代表星座点与落点的距离由近至远；藉由图5的星座图，在星座图上的落点更清楚地被显示，其中数值标示「1x1x1x」、「x0x1x1」等等中的符号「x」可为0或1。在图5的例子中，的实部(real-part)落在区间2≦s≦3，由近至远的星座点的实部依序为3、1、5、-1、7、-3、-5、-7，共8种可能性；同理，的虚部(imaginary-part)落在区间-3≦s≦-2，由近至远的星座点的虚部依序为-3、-1、-5、1、-7、3、5、7，共8种可能性。假设搜寻值选择电路410所决定的搜寻值为25(亦即最大可能性检测电路420在第一层展开(或)的可能性时只展开25个可能解)，那么最大可能性检测电路420会依序取出离落点最近的实部、虚部各5个以搭配出5×5＝25种可能性(或说25种候选信号值)，其所表示的物理意义即是在图5中以落点为中心所框出的搜寻区域(例如矩形区域或其它形状的区域)，落在该区域内的星座点便是最大可能性检测电路420在第一层展开时所计算的星座点(例如离落点最近的星座点)，其余不在该区域的内的均不予考虑，藉此本实施例可达到降低运算复杂度的目的，如图6的树形图所示。值得注意的是本实施例可藉由查表操作来查询预建的内容(例如表1的内容)以得到前述实部与虚部的组合，藉此让最大可能性检测电路420更有效率地依据公式五计算对数概似比。

表1

由图5可知，该搜寻区域的大小决定运算复杂度的高低，当此区域大到包含所有的星座点(例如图5中的64个星座点)，则本实施例的运算复杂度会与前述lord架构的运算复杂度相当，换言之，本实施例的运算复杂度可低于lord架构的运算复杂度。当然，该搜寻区域的大小可以是预先决定，也可以依据通讯状况而有因应调整。当该区域大小为预先决定时，该搜寻值是搜寻值选择电路410依据前述默认值来决定(例如该搜寻值等于该默认值)。当该区域大小为依据通讯状况而决定时，该通讯状况的指标(即前述通讯指标)可以是信噪比、子载波接收信号能量强度、信道能量强度，信道相关性、信道估测准确度、干扰能量强度等的至少其中之一。当调变方式为m-qam时，该搜寻值的一非限制性的例子为大于m/4的整数，或者该搜寻值的又一非限制性的例子为整数且4≦搜寻值≦(m-1)²。

承前所述，当该搜寻区域大小为依据通讯状况而决定时，该搜寻区域的大小例如是取决于最大可能性检测电路420在进行迫零运算以求出于星座图上的落点时的信噪比(signal-to-noiseratio；snr)，此信噪比可定义为γ，并可表示如下：

其中为噪声能量，其估测方法为本领域的习知技术，而r11为前述上三角矩阵r的元素之一。当γ愈大，最大可能性检测电路420的迫零运算的结果愈可靠，因此搜寻值选择电路410可选择较小的搜寻值(或说较小的搜寻区域)；反之，当γ愈小，则搜寻值选择电路410可选择较大的搜寻值(或说较大搜寻区域)。根据上述概念，本实施例可定义若干阈值tg(g＝1,2,…,g)，其中tg<tg+1，当γ的值大过某个阈值tg，搜寻值选择电路410可采用较小的搜寻值如表二所示，其中kg+1<kg<…<k2<k1。

表2

除了以信噪比(如公式九所示)做为通讯指标外，如前所述，搜寻值选择电路410可根据其它通讯指标来选择该搜寻值(或说搜寻区域的大小)。举例而言，搜寻值选择电路410可根据信道相关性ρ来选择搜寻值，其中ρ可表示为：

公式十中，h1是信道响应矩阵的第一行(column)，h2是的第二行。当ρ愈大(即1/ρ愈小)，最大可能性检测电路420对于的迫零运算的结果愈不可靠，因此搜寻值选择电路410会选择较大搜寻值(或说较大的搜寻区域)；反之，当ρ愈小(即1/ρ愈大)，搜寻值选择电路410会选择较小的搜寻值(或说较小的搜寻区域)。综言之，当该通讯指标(可为γ、1/ρ或其它指标)高于一第一阈值时，该搜寻值为一第一搜寻值，当该通讯指标低于该第一阈值时，该搜寻值为一第二搜寻值，该第一搜寻值小于该第二搜寻值，且高于该第一阈值的该通讯指标所代表的通讯状态优于低于该第一阈值的该通讯指标所代表的通讯状态。

除前述电路外，本发明还公开一种最大可能性检测方法如图7所示，可由前述最大可能性检测电路152或其等效电路来执行，包含下列步骤：

步骤s710：依据一接收信号或其衍生信号的一通讯指标以及依据一调变方式来选择一搜寻值，或依据一默认值来选择该搜寻值，其中该搜寻值对应一搜寻范围，该搜寻范围内的候选信号值的数目不大于该接收信号的调变方式的所有候选信号值的数目。

步骤s720：依据该接收信号或其衍生信号以及依据该搜寻值执行一最大可能性运算，以计算该搜寻范围内的每一候选信号值所关联的对数概似比。

由于本领域具有通常知识者能够藉由前述电路实施例的公开来推知本方法实施例的细节与变化，更明确地说，前述电路实施例的技术特征均可合理应用于本方法实施例中，因此，在不影响本方法实施例的公开要求与可实施性的前提下，重复及冗余的说明在此予以节略。

综上所述，本发明的最大可能性检测器与检测方法以及采用最大可能性检测的无线信号接收器可达到低运算延迟、低运算复杂度以及低运算功耗，且能达到与先前技术相仿的低错误率。

虽然本发明的实施例如上所述，然而这些实施例并非用来限定本发明，本技术领域具有通常知识者可依据本发明的明示或隐含的内容对本发明的技术特征施以变化，凡此种种变化均可能属于本发明所寻求的专利保护范畴，换言的，本发明的专利保护范围须视本说明书的申请专利范围所界定者为准。

符号说明

100无线信号接收器

110离散傅立叶转换

120参考信号提取

130信道估测

140数据信号提取电路

150信号检测电路

152最大可能性检测器

160译码电路

410搜寻值选择电路

420最大可能性检测电路

422候选信号值决定单元

424对应值计算单元

426对数概似比计算单元

430qr分解单元

440信号产生单元

于星座图上的落点

s710～s720步骤