基于PSP均衡技術的CPM檢測算法

楊李萍,周治中

(西南通信研究所,四川成都610041)

基于PSP均衡技術的CPM檢測算法

楊李萍,周治中

(西南通信研究所,四川成都610041)

針對時變頻率選擇性衰落信道,研究了連續相位調制(CPM)信號的逐幸存檢測算法。該算法在未知信道狀態的條件下,利用訓練序列對信道參數進行初始估計。在對CPM信號進行Viterbi解調過程中,采用PSP技術實現信道的無延時跟蹤。基于頻域均衡的CPM檢測算法雖然可以有效抗多徑干擾且計算復雜度較低,但不能對時變信道進行跟蹤。仿真結果表明,在時變多徑信道下,基于PSP均衡的CPM檢測算法能有效地進行信道參數估計,比頻域均衡算法具有更好的誤碼性能。

無線通信 連續相位調制 逐幸存處理 Viterbi譯碼

0 引 言

隨著近年來無線通信中的移動電話、數據、圖像、多媒體等業務的不斷發展,要求無線通信系統能在復雜環境下提供更高的傳輸速率和可靠性。高速率的寬帶通信也受著幾個方面因素的制約。首先,無線通信的發展受到頻率資源緊缺的限制,因而需要探索具有高頻帶效率的傳輸方案。連續相位調制(CPM,Continuous Phase Modulation)由于良好的恒包絡特性,頻譜利用率高及功率效率高,使得它在衛星通信、移動通信、軍用電臺以及數據鏈通信中有著很廣泛的應用。這種調制方式非常適合應用于發射功率和信道帶寬都受限的無線通信環境中[1]。高速無線傳輸系統遇到的另一個重要問題是信道的多徑傳輸,引起頻率選擇性衰落,從而在接收信號中造成嚴重的符號間干擾(ISI,Inter-symbol Interference),對系統性能產生嚴重的影響。因此,抗多徑衰落一直是經久不衰的研究熱點。

在衰落信道下,尤其是在惡劣的頻率選擇性衰落信道下,均衡器的設計十分困難,CPM信號最佳時域均衡器可以看作是使用Viterbi算法搜索的最大似然序列估計(MLSE)器。運算量較低的頻域均衡(FDE,Frequency Domain Equalization)技術近年來與CPM解調相結合,提供了一種能夠較好地消除ISI影響,計算量較低易于工程實現的方法。但是由于CPM信號的相位連續性和非線性,使得FDE應用于CPM不是非常直觀,且信道的時變特性也會影響頻域均衡的性能。基于網格搜索的逐幸存路徑(PSP,Per-surviving Processing)[2-3]自適應均衡器可以認為是嵌入了信道實時估計器的最大似然序列均衡算法,能實現對信道參數的實時估計,適用于時變的無線信道。

文中提出了一種適用于無線時變信道的采用PSP技術的CPM檢測算法。用每條幸存路徑的假定判決結果估計Viterbi算法中影響分支度量計算的信道參數,消除碼間干擾的影響,在此基礎上,對FDE和PSP算法進行仿真比較。

1 CPM信號模型

M進制CPM調制信號的波形表示為:

式中,Es為傳輸符號信息能量,T為符號持續時間碼元周期),fc為載波頻率,φ0為初始相位,φ(t,α)為載波相位,并且有如下定義:

式中,α={αi}是M進制符號信息序列,可能的取值有{±1,±3,…,±(M-1)}。{hi}為調制指數,q(t)為相位響應函數,其值是脈沖成型函數g(t)的積分。g(t)是在[0,LT]內具有非零值的有限持續時間函數。當L為1時,調制信號稱為全響應CPM信號;當L大于1時,則稱為部分響應CPM信號。在發送的載波調制信號中符號之間的載波相位是連續過渡的且有記憶性。當L大于1時,脈沖g(t)給CPM信號引入了附加狀態。

2 通信系統及信道模型

未編碼的CPM檢測系統框圖如圖1所示。

圖1 發射機和接收機系統框Fig.1 System model of receiver and transmitter

發射端,由于信道信息未知,信息序列需要添加訓練序列用于信道估計,針對頻域均衡技術,為了避免ISI,還需在信號序列前添加循環前綴(CP,Cyclic Prefix),處理后的信號再進行CPM調制,得到發送波形s(t)。在添加訓練序列和CP的同時需要保證CPM信號回到某一狀態及相位的連續性。發送波形s(t)通過時延擴展的多徑衰落信道,信道采用抽頭延時線模型:

式中,Lc表示信道的最大時延,hl(t)為第l條路徑的幅度,T表示符號時間間隔。加上均值為0,方差為N0的高斯白噪聲n(t),接收信號表示為:

當信號經過頻率選擇性衰落信道時,由于多徑傳輸從而產生碼間干擾,這時接收端使用任何解調技術都會給系統帶來嚴重的誤碼。為了消除干擾、降低系統誤碼率需要對信道進行均衡。因而,在接收端,接收信號需通過匹配濾波,然后進行均衡處理,再對均衡后的CPM信號進行Viterbi譯碼得到輸出信號。在實際情況下,信道信息是未知的,進行信道均衡的首要一步就是初始信道估計。初始估計信道采用在發送端發送訓練序列的方式,由于訓練序列收發雙方都是已知的,可以利用最小均方(LMS,Least Mean-square)算法對信道參數進行估計[4-5]。目前,針對CPM信號的均衡技術的研究主要集中在頻域均衡和PSP均衡技術。

3 CPM頻域均衡技術

在高速移動環境中進行高速率的數據傳輸是當前無線通信系統研究關注的焦點之一,解決嚴重的色散信道的多徑干擾主要技術有單載波頻域均衡。將CPM調制技術與頻域均衡相結合能提供一種復雜度較低,誤碼率性能較好的消除ISI方案。基于Laurent分解的CPM頻域均衡算法能夠進一步降低方案的復雜度[6]。

CPM頻域均衡技術接收機結構框圖如圖2所示。接收到的信號與Laurent分解的部分響應脈沖信號c0(t)做匹配后,去除循環前綴,得到接收序列rn。

式中,?表示循環卷積,a={an}為加載有用信息的序列,h={hn},對上式兩邊同時進行DFT運算可得:

Rk=AkCkHk+Zk(6)

在頻域進行噪聲白化濾波器后得到:

R′k=RkWk=AkCkHkWk+ZkWk(7)

頻域噪聲白化濾波器系數Wk=1/,白化后的噪聲方差為N0。接著對R′k做頻域均衡,采用MMSE均衡準則得到均衡器系數為

圖2 CPM頻域均衡接收機結構Fig.2 Block diagram of CPM receiver with FDE

頻域均衡的方法是基于信道在一幀內不變的準靜態假設而提出的。然而在存在多普勒頻偏的時變信道中,信道在一幀的不同符號之間有不同的變化。當信道變化很快時,頻域均衡技術會使均衡輸出產生嚴重失真和串擾,導致系統性能下降,并出現誤碼平臺。此時,PSP均衡技術的優勢得以體現,在時變信道下,逐幸存處理能對信道參數進行實時更新,從而保證了系統的穩定性和有效性。

4 PSP均衡技術

基于PSP均衡的CPM檢測器采用Viterbi譯碼算法,通過最小化路徑度量來獲得發送數據[7],其接收機結構如圖3所示。

圖3 基于PSP均衡的CPM接收機結構Fig.3 Block diagram of CPM receiver based on PSP

在接收端,利用訓練序列進行初始信道估計,信道初始估計完成后,進行Viterbi譯碼。利用估計的信道參數進行分支度量的計算,在網格搜索的過程中,對應的每一條幸存路徑都維持一組各自的信道估計值,然后根據分支度量將每一個狀態對應的幸存路徑延伸一級,并根據歷史幸存序列對各自的信道估計值進行更新,實現了對信道參數進行無延時自適應跟蹤。

圖4給出了一個在網格搜索中進行逐幸存處理進行信道跟蹤的示例,它是一個簡單的2狀態網格圖,即蝶形單元。其中實線為幸存狀態轉移路徑,每個幸存路徑上方都標明了與其相對應的信道狀態的估計量。

圖4 PSP Viterbi譯碼器的蝶形單元Fig.4 Butterfly unit of Viterbi decoder with PSP

PSP均衡算法可以認為是嵌入了信道實時估計器的最大似然序列均衡算法[8],網格圖中最大似然路徑等效于最小歐氏距離,Viterbi算法是尋找網格中有最小路徑度量的有效算法,較大程度地減少了計算量和復雜度。因而該均衡檢測算法的關鍵在于Viterbi譯碼的網格搜索和確定幸存路徑后信道狀態的更新。

在未知信道狀態的情況下,假設在k時刻,狀態為μk的信道參數的估計向量為:

則基于逐幸存未知參數估計的無噪聲信號表示如下:

式中,α(μk→μk+1)表示第k-Lc到第k個歷史幸存路徑的符號序列。

PSP算法按以下過程進行:在k時刻,對于所有可能的狀態轉移路徑μk→μk+1,計算誤差值:

式中,yk為接收到的離散信號,Viterbi譯碼算法分支度量可由式(12)得到:

在匯聚到網格某狀態節點的所有路徑中,只存儲一條有著最小分支度量的路徑,即幸存路徑。在搜索幸存路徑選擇幸存分支的過程中需要用到的信道參數從前一時刻獲得即(μk)。在確定本時刻的幸存路徑之后,對于每個狀態轉移μk→μk+1,信道狀態估計值^f(μk)可以利用歷史幸存路徑α(μk→μk+1),采用經典的LMS算法進行實時更新:

式中,β為LMS算法的步長因子。

以上過程完成了幸存路徑的搜索和信道更新的迭代進行,保證了網格搜索的實現和信道參數的實時跟蹤。

5 仿真結果及分析

為了驗證文中提出的基于PSP均衡的CPM檢測算法,采用無編碼的CPM波形,調制指數h=1/2,記憶長度L=1,選用矩形脈沖成形濾波器。在恒參信道和時變信道下均假設載波同步和碼元同步已經準確建立,本次仿真總幀數為500,每幀符號數為256,訓練序列長度為48個符號,信號的采樣時間間隔Ts為0.2 μs,采樣率為8,符號塊持續時間為Tm。該CPM波形含有總功率99%的帶寬為1.2 MHz。

恒參信道采用3徑的proakis C,信道歸一化參數為[0.407,0.815,0.407],時延為[0,TsNs,2TsNs]仿真結果如圖5所示。

圖5 CPM在恒參多徑信道下的性能Fig.5 BER performance of CPM receiver over the static channel

由圖5可以看出,在多徑信道下采用PSP均衡進行信道狀態更新和檢測性能與已知信道信息進行檢測性能相差不大,該算法性能優于頻域均衡算法,能夠有效地抵抗多徑影響。

在時變信道條件下,離散信道模型的抽頭系數會隨著時間發生變化,使得在一幀內各個符號對應的信道參數不同。對于頻域均衡,采用訓練序列最后時刻的信道參數進行均衡,而PSP均衡算法能對信道進行實時跟蹤。采用經典的Jakes模型對時變瑞利衰落信道進行仿真,仍然采用3徑信道,衰落參數與時延參數仍為[0.407,0.815,0.407]和[0, TsNs,2TsNs],當歸一化多普勒頻偏分別滿足fDTm= 0.1及fDTm=0.2條件下,仿真結果如圖6所示。

圖6 CPM在時變多徑信道下的性能Fig.6 BER performance of CPM receiver over the time-varying channel

由圖6可知,對于時變信道,基于PSP的檢測算法能有效的跟蹤信道變化,有較好的性能。在誤碼率為10-3時,在相同的信道條件下,PSP均衡算法比FDE有7 dB以上的信噪比增益。

6 結 語

文中基于PSP技術,提出了采用PSP均衡的CPM信號的Viterbi解調算法。仿真結果表明該算法在時變多徑衰落信道下,能有效進行信道狀態跟蹤,比頻域均衡有更好的誤碼性能。但是該算法計算量較大,下一步工作可以考慮降低復雜度,利于工程實現。同時文中的仿真是在未編碼CPM通信系統的條件下進行,可以考慮將編碼與CPM調制結合,進一步提高系統性能。

[1]AULIN T,SUNDBERG C.Continuous Phase Modulation-Part I and II:Full Response Signaling[J].IEEE Transactions on Communications,1981,29(03):196-225.

[2]RICCARDO R,POLYDOROS A,TZOU Ching-Kae.Per -survivor Processing:A General Approach to MLSE inUncertain Environments[J].Communications,IEEE Transactions,1995,43(234):354-364.

[3]ALEXANDRE A G,NOUR A C,DOUILLARD C.Serially Concatenated Continuous Phase Modulation for Satellite Communications[J].Wireless Communications, IEEE Transactions,2009,8(06):3260-3269.

[4]張輝,吳玉成.一種用于IEEE802.16的聯合信道估計算法[J].通信技術,2010,43(02):222-224.

ZHANG Hui,WU Yu-cheng,An Algorithm of Joint Channel Estimation for IEEE 802.16d[J].Communications Technology,2010,43(02):222-224.

[5]賈儒鵬,周軍,李強.基于CPM的部分帶干擾抑制技術[J].信息安全與通信保密,2011(07):33-36.

JIA Ru-peng,ZHOU Jun,LI Qiang,A New Technique for Suppressing Partial Band Noise Jamming in Continuous Phase Modulation Systems[J].Information Security and Communications Privacy,2011(07):33-36.

[6]李強,嚴慶,羅勝.基于符號頻域均衡的CPM迭代檢測算法[J],電子與信息學報,2011,33(07):1151-1555.

LI Qiang,YAN Qing,LUO Sheng.Iterative Detection Algorithm based on Symbol[J].Journal of Electronics& Information Technology,2011,33(07):1151-1555.

[7]ARNE S,SUNDBERG C E.Optimum MSK-type Receivers for CPM on Gaussian and Rayleigh Fading Channels [J].Communications,Radar and Signal Processing, IEE Proceedings F,1984,131(05):480-490.

[8]茹國寶,張永強,楊浩,等.一種用于無線信道的逐幸存處理據衡器[J].信息與電子工程,2005,3(01):6-9.

RU Guo-bao,ZHANG Yang-qiang,YANG Hao,et al. Equalizer based on Per-survivor Processing for Wireless Channel[J].Information and Electronic Engineering, 2005,3(01):6-9.

楊李萍(1989—),女,碩士研究生,主要研究方向為無線數據傳輸;

YANG Li-ping(1989-),female,South-West graduate student in Research Institute of Communication,majoring in wireless transmission.

周治中(1965—),男,研究員,副總工程師,主要研究方向為通信信號處理和短波通信。

ZHOU Zhi-zhong(1965-),male,research fellow,Deputy Chief Engineer,mainly engaged in communication signal processing and HF communication.

CPM Detection Algorithm based on PSP Equaliation

YANG Li-ping,ZHOU Zhi-zhong
(Southwest Research Institute of Communication,Chengdu Sichuan 610041,China)

A detection algorithm based on PSP(per-survivor processing)equalization for continuous phase modulation over time-varying frequency-selective fading channels is proposed.In the proposed receiver, initial channel impulse(CIR)is estimated with a training sequence.PSP provides a general framework for the detection of CPM signal whenever the presence of unknown parameters prevents the precise use of classical Viterbi algorithm.FDE has a very wide range of application because it provides a solution to multipath interference with low complexity.However the algorithm couldn't be used in tracking time-varying channels.It is found that the bit-error-rate performance of PSP decoder without channel state information (CSI)is better than that of the frequency domain equalization algorithm in multipath fading channels.

wireless communication;continuous phase modulation;PSP(per-survivor processing);Viterbi decoder

TN919.6

A

1002-0802(2014)01-0024-05

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.01.005