單載波頻域均衡系統研究

摘 要： 為了對抗無線信道傳輸的多徑效應和碼間干擾（ISI），采用了SC?FDE（單載波頻域均衡）技術。在系統仿真中，發送端發送連續的基于UW 的數據幀結構，通過多徑瑞利信道和高斯白噪聲信道，在接收端采用滑動窗原理先進行幀同步檢測，后采用最小二乘（LS）算法進行頻域均衡，獲得系統的誤碼率曲線圖，驗證了單載波頻域均衡技術具有對抗多徑效應和碼間干擾的特點。

關鍵詞： SC?FDE系統； 瑞利衰落信道； 幀同步； 頻域均衡； 最小二乘算法

中圖分類號： TN913.6?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）07?0019?04

0 引 言

無線通信中各種多媒體業務的出現對接入技術以及數據傳輸速率都提出了更高的要求。傳輸速率的增高不僅造成了嚴重的時間色散，而且使接收信號經歷了不同時延和衰減，引起頻率選擇性衰落，從而導致接收信號產生嚴重的（Inter?Symbol Interference，ISI）碼間干擾，進而使傳輸性能降低。如果采用時域均衡減輕ISI，需要更高階的濾波器抽頭階數，才能達到較好的均衡效果，但是隨著多徑時延擴展的增大，時域均衡復雜度呈指數增長，系統的硬件實現具有較大難度。

針對上述單載波時域均衡技術抗頻率選擇性衰落能力不足的缺陷，Sari于1994年首次發起重新討論單載波頻域均衡（SC?FDE）技術[1]，本文主要討論單載波頻域均衡系統抗多徑效應的性能。

1 SC?FDE系統構成

SC?FDE仿真系統框圖如圖1所示。具體的仿真流程如下，首先由隨機整數生成器（Random Integer Generator）產生發送數據，由QPSK調制模塊（QPSK Modulator Baseband）進行數據映射，再經過矢量拼接模塊（Vector Concatenate）與獨特字UW序列進行拼接形成完整的幀結構，后經過幀轉換模塊（Frame Conversion）形成連續的多幀數據流，數據流經過無線信道（channel）傳輸到達接收端，在接收端對數據先進行幀同步和頻域均衡（Equalization Subsystem），后進行解映射，最后與發送端數據進行誤碼率比較。

2 發送端的信號構成

2.1 SC?FDE的幀結構[2]

SC?FDE系統幀格式如圖2所示。

每個數據塊前面的UW序列一方面可以克服前一符號幀對該幀的干擾，另一方面可以用作同步和信道估計中的導頻。UW序列用作循環前綴時要求其長度必須大于信道最大時延的長度，用作信道估計時要求UW序列有很好的相關性和平穩的頻率響應。

2.2 UW設計

IEEE 802.16a標準規定單載波頻域UW序列是Frank?Zadoff或Chu序列，長度為64點的UW序列的I路（同相）和Q路[3]（正交）信號分別為：

[In=cosθ（n）] （1）

[Qn=sinθ（n）] （2）

式中：[n]為[1～U]內的任意整數，[U=64]，其中[θ（n）]的Chu和Frank?Zadoff序列表達式如下：

[θChu（n）=πn2U] （3）

[θFrankn=p+qU=2πpqU]（4） 式中：[p=0，1，…，U-1；q=0，1，…，U-1]。仿真時，I路和Q路序列經過復數轉換模塊（Real?Imag to Complex）轉換為復UW序列。圖3為Frank?Zadoff和Chu序列的功率譜。

3 信道模型

在仿真中，采用的信道模型為三徑瑞利衰落[4]信道和高斯白噪聲信道的合成信道。其中三徑瑞利衰落信道模型描述信號經過不同的路徑和時延到達接收端形成多徑波。多徑波在接收端經過頻域均衡來消除碼間干擾。圖4所示為仿真瑞利信道的多徑時延特性。

4 接收端的設計

4.1 幀到達檢測

在系統仿真中，受到滑動窗口算法的啟發，結合IEEE 802.lla幀結構[5]的設計，對于基于訓練符號UW的單載波信號的到達檢測，構建一個具有重復較短數據塊結構的符號，用接收信號和參考訓練字進行相關并檢測峰值，其判決度量為：

[M（n）=m=0Ltrain-1Yn+mUW*] （5）

式中：UW序列為64點的Frank?Zadoff序列；[Yn+m]為發送的256點偽隨機序列；[Ltrain]為訓練數據塊的長度，其具體算法如下：

[M（1）M（2）?M（64）=Y1Y2…Y64Y2Y3…Y65????Y2560…0UW1UW2?UW64] （6）

由發送端的幀結構可以得到：

[UW1UW2?UW64=Y1Y2?Y64=Y321Y322?Y384] （7）

因此在幀數據到達接收端時，可以根據[M（n）]的變化來確定數據的起始時刻。

中可以看出，在每幀數據中[M（n）]都有兩個峰值，其中第一個峰值為每幀數據即前面UW序列的起始點，第二峰值為每幀數據后面UW序列的起點，根據峰值的位置可以檢測到數據即[Yn]的位置。

4.2 LS頻域均衡

LS算法的基本思想是對頻域的每個子信道的頻率響應[Hl]做出估計，然后在每個子信道乘以均衡器系數[Wl]來補償信道影響。在具體仿真參數設計時，LS算法就是根據有限符號序列來近似估計噪聲的方差[σ2n]和信號的功率P。LS頻域均衡器的系數為：

[Wk=H*kUk] （8）

式中：[Uk=EYkY*kXk2，Hk=EYkXk]，[Xk]為發送序列，[Yk]為接收端未均衡前的信號序列，[E[?]]表示求期望值。

4.2.1 LS算法的的仿真模型

在仿真中，所設計的LS仿真模型如圖6所示，其中仿真參數設計如下：64 點Frank?Zadoff信號構成UW數據， 發送端一幀的數據點數為131 136，FFT運算點數為131 072點，采用QPSK符號映射，仿真信道為三徑瑞利信道，采用LS頻域均衡算法。

其中Subsystem的仿真模型如圖7所示。

4.2.2 LS算法的的仿真結果及分析

仿真結果所示，由系統仿真數據可以看出，在三徑瑞利衰落信道下，接收端采用最小二乘算法時，系統具有較好的系統性能，當信噪比為20 dB時，系統的誤碼率可以達到0.6%。

5 結 語

本文對基于最小二乘算法（LS算法）的單載波頻域均衡（SC?FDE）系統進行了建模和仿真，由仿真結果分析得到，經過無線信道傳輸的數據在經過基于最小二乘算法的頻域均衡模塊后可以得到較好的回復，頻域均衡技術在抗多徑效應方面具有較理想的性能，整個系統具有較低的誤碼率。

參考文獻

[1] JAKES W C. Microwave mobile communication [M]. New York： IEEE Perss， 1974.

[2] 江舟.單載波頻域均衡系統中關鍵技術的研究與實現[D].上海：同濟大學，2007.

[3] PELED A， RUIZ A. Frequency domain data transmission using reduced computational complexity algorithms [C]// 1980 IEEE International Conference on Acoustics， Speech and Signal Processing. Denver： IEEE， 1980， 5： 964?967.

[4] 王競.SC?FDE系統的仿真實現及其與OFDM系統的性能比較[D].上海：同濟大學，2007.

[5] IEEE， IEEE Std 802.11a?1999 LAN medium access control （MAC） and physical layer （PHY） specifications： high?speed physical layer in the 5GHz band [S]. [S.I.]：IEEE， 1999.

[6] 崔玲，曹燕.基于MIMO通信的OFDM/SC～FDE碼分多址接人技術研究[J].現代電子技術，2010，33（5）：5?8.