短波信道中的單載波頻域均衡技術研究*

周英波 李含輝 李丁山

(武漢船舶通信研究所 武漢 430079)

1 引言

短波通信中,信號傳輸受電離層影響較大,多徑效應比較嚴重。多徑傳播造成頻率選擇性衰落,使接收信號的波形展寬,產生碼間干擾[1],從而限制了數字通信的傳輸速率?，F有的單載波時域均衡技術(SC-TDE)和多載波正交頻分復用技術(OFDM)在對抗多徑衰落信道方面都有很好的性能,但單載波時域均衡存在計算量大、復雜度高的缺點,而OFDM存在峰均比高、頻率偏移敏感的缺點。

針對以上特點,本文研究單載波頻域均衡技術對短波信道進行均衡。單載波頻域均衡系統基于FFT和IFFT實現,在接收端采用頻域均衡,降低了信號處理的復雜度,能夠有效地對抗多徑,達到較高的數據率;另外,SC-FDE系統采用單載波傳輸,系統對頻移不太敏感,其峰均比也好于OFDM系統[2]。

2 SC-FDE原理

單載波頻域均衡系統在每幀發送數據中加入循環前綴,通過短波信道后,接收端去掉接收數據中的循環前綴,然后通過FFT變換將信號轉換到頻域,在頻域進行均衡后,再將信號做IFFT變換回時域進行判決。

本文設計的短波信道下的單載波頻域均衡系統結構如圖1所示。

設M為FFT的點數,xn為M個映射后碼元組成的一個傳輸數據塊,h(n)為短波信道的沖擊響應,則每個接收到的數據符號rn可以如下表示:

圖1 短波信道下單載波頻域均衡系統框圖

Hl為信道的頻率響應,假設系統的同步和信道估計都是理想的,進行頻域均衡后的接收信號S表示為:

Wl為頻域濾波器的系數,判決前的信號為:

若采用迫零(ZF)均衡,系數為Wl=1/Hl,則

3 短波信道均衡

本文采用基于UW序列作為循環前綴的幀結構。在數據中周期性的插入循環前綴(CP)以便于用FFT實現循環卷積,SC-FDE中UW的另一功能是吸收來自數據段的幀間干擾。在圖2中,兩個同樣長度的UW背靠背相連。數據塊前面的UW作為循環前綴,另一個UW 與負載數據組成一個數據塊,UW序列的插入使得數據塊具有理想的周期自相關特性。由于 UW用作循環前綴,要求UW的長度必須大于信道的最大時延。UW序列的產生方法參見文獻[3]。

圖2 基于UW的幀結構

SC-FDE頻域均衡主要有線性均衡(LE)和判決反饋均衡(DFE)兩種。頻域線性均衡處理比較簡單,將去除前綴的接收信號進行FFT變換后,與信道估計得到的均衡系數在頻域相乘,再通過IFFT變換回時域即完成了線性均衡。由式(5)可知,頻域線性均衡在短波信道的頻率深衰落點(Hl很小)處,使用迫零均衡算法會放大信道頻率零點處的噪聲,從而導致系統性能的大幅度下降;MMSE均衡算法不會過分放大短波信道頻率零點處的噪聲,因而對信道具有頻率深衰落點時的均衡性能要優于迫零均衡[4],但MMSE均衡后仍殘留部分碼間干擾,制約了系統性能的進一步提高。

判決反饋均衡在減小ISI的同時不會放大噪聲,因而在短波信道上比線性均衡有更好的性能。文獻[5～6]提出了FD-DFE及FDE-NP兩種判決反饋均衡方法,可以進一步消除MMSE均衡后的殘留碼間干擾,但均衡的性能依賴于判決反饋濾波器的階數,階數越高,性能越好,但同時計算復雜度也越高。文獻[7]中介紹了一種新型的判決反饋均衡器,直接對線性MMSE均衡后的殘留碼間干擾進行估計和消除,該方法比文獻[5～6]中的計算量小,復雜度也低。圖3給出了該判決反饋均衡器的基本框圖。

圖3 判決反饋均衡器結構

圖3中,前面是一個采用MMSE均衡算法的線性均衡器,后面的判決反饋部分能估計出MMSE均衡后的殘留碼間干擾,從而優化頻域均衡的效果。下面分析可以消去殘留碼間干擾的判決反饋均衡算法。

首先分析線性MMSE均衡算法的殘留碼間干擾,設經過線性MMSE均衡后的信號為Sl,由式(2)和式(6),以及線性均衡器的均衡原理可得:

假定通過訓練序列獲得信道的精確估計以及信噪比參數,d的估計與消除的算法如下:

1)對MMSE均衡后的信號s判決可得

進而得到

4 仿真分析

為了驗證短波信道上SC-FDE系統的性能,采用線性均衡和判決反饋均衡進行了MATLAB仿真。仿真采用基于UW前綴的幀格式,每個UW長度為64,FFT/IFFT點數為512,調制方式為 QPSK,仿真假定系統的同步與信道估計均為理想狀態。仿真所用的短波信道[8]包括兩徑,第1條徑的延遲為0ms,幅度為0dB;第2條徑的延遲為0.5ms,幅度為0dB,該信道是頻率深衰落信道,如圖4所示。噪聲為加性高斯白噪聲。仿真結果如圖5所示。

從圖5中可以看出,當信噪比較小時,由于噪聲對信號判決的影響遠遠大于線性MMSE均衡后的殘留碼間干擾,線性均衡器與判決反饋均衡器在短波信道上具有幾乎相同的性能;當信噪比較大時,噪聲對信號判決的影響不大,線性MMSE均衡后的殘留碼間干擾是對信號判決造成誤差的主要因素,判決反饋均衡消除了殘留的碼間干擾,因而系統性能得到了很大的提高。在誤碼率10-4時,判決反饋均衡器的性能比線性均衡器提高了3～4dB。

5 結語

本文介紹了應用于短波信道的單載波頻域均衡系統的結構和處理流程,分析了產生殘留碼間干擾的線性MMSE均衡和消除殘留碼間干擾的判決反饋均衡。通過對短波信道下線性均衡和判決反饋均衡的MATLAB仿真表明,單載波頻域均衡能夠有效地對抗短波信道中由多徑效應引發的頻率選擇性衰落,消除短波通信中的碼間干擾。可以預見,單載波頻域均衡將成為未來短波通信中一個極具競爭力的解決方案。

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