E波段微波傳輸系統中頻域交疊均衡技術*

曾建明，周志剛，王麗云，盧佳欣，陳圣吉

（中國科學院上海微系統與信息技術研究所，上海 200050）

0 引言

E波段微波傳輸系統是超大容量點到點的無線傳輸系統，工作在 71～76 GHz和 81～86 GHz頻段，能夠提供Gb/s以上的數據傳輸速率，是未來無線回傳網絡的解決方案[1-2]。

微波傳輸以視距傳播為主，無線信道特性相對較好，但是難以避免會受到大氣、地面、高大建筑物的折射和反射等影響，并且收發機的非理想特性也會導致信號的衰落和失真。多徑信道的影響須在接收機中進行均衡予以消除，其中頻域均衡因復雜度低得到較多應用[3]。傳統的頻域均衡需要在數據塊之間插入循環前綴，保證循環前綴的長度大于多徑信道的最大時延，以避免數據塊之間的混疊干擾，卻會帶來傳輸效率上的損失[4]。

為了提高傳輸效率，E波段微波傳輸系統采用不插入循環前綴的單載波塊傳輸方式，利用塊間干擾只會影響數據塊邊緣的性質[5-7]，設計了頻域交疊均衡技術方案，以抑制塊間干擾的影響。本文第1節首先對塊間干擾分布進行分析，在此基礎上詳細設計頻域交疊均衡算法的流程，并對算法復雜度進行分析，在第2節將進行系統仿真測試和性能評估。

1 頻域交疊均衡技術方案設計

E波段微波傳輸系統的幀結構如圖1所示。每幀信號由前導序列、頭信息以及若干個數據塊組成。其中，前導序列用于定時同步和信道估計；頭信息包含了鏈路質量、調制類型以及糾錯編碼等信息；數據塊中周期性地插入導頻符號，主要用于矯正相位噪聲、采樣偏差以及載波頻偏。

圖1 幀結構

圖2 塊間干擾

由于數據塊之間沒有插入循環前綴，這樣會產生塊間干擾[8-9]。如圖2所示，數據塊的前端數據受到前一個數據塊的尾部數據的干擾，數據塊的尾部數據會對下一個數據塊的前端數據產生干擾。分析發現，塊間干擾只存在于數據塊邊緣，而不會延伸到整個數據塊中[10]。利用這種性質，可以通過從交疊的FFT數據塊中抽取中間未被塊間干擾影響的部分，將其合并為接收數據來抑制塊間干擾。

根據上述思想，可以設計頻域交疊均衡的技術方案，如圖3所示。具體算法流程為：

(1)首先，對接收信號進行長度為N的滑動FFT加窗，FFT窗之間相互交疊，交疊區域中符號的個數為2×D。其中，D表示數據塊邊緣受到塊間干擾影響的符號個數，由多徑信道的頻率選擇性衰落決定；

(2)分別對交疊的FFT數據塊進行頻域均衡和IFFT運算，得到時域數據；

(3)抽取中間未被塊間干擾影響的M=N-2×D個符號；

(4)最后，將每次抽取得到的M個符號進行組合，就可以得到未被塊間干擾影響的接收數據。

圖3 頻域交疊均衡技術方案

相較于傳統的頻域均衡技術（插入循環前綴的頻域均衡技術），頻域交疊均衡技術實際上是以犧牲一定量的系統復雜度來換取傳輸效率的提升。表1對這兩種均衡技術的算法復雜度和傳輸效率進行了分析。其中，N為FFT點數；Lcp為需要插入的循環前綴的長度；η為采用頻域交疊均衡技術的系統傳輸效率；i=N-Lcp-M M 表征了FFT窗的交疊程度，它隨著M值的增大而不斷減小。在傳統的頻域均衡技術中，需要插入的循環前綴的長度一般要求大于多徑信道的最大時延，并且小于1/8倍的數據塊長度，因此采用頻域交疊均衡技術最大可以提高25%的傳輸效率。

表1 算法復雜度及效率分析

2 仿真實驗與性能評估

為了驗證本文所提出的頻域交疊均衡技術的可行性與有效性，以下將通過MATLAB軟件對塊間干擾分布以及誤碼率性能進行仿真測試。

E波段微波傳輸系統的系統框圖如圖4所示，發送端包括編碼、調制、濾波和上變頻模塊，多徑信道采用頻率選擇性衰落的萊斯信道，加入加性高斯白噪聲，接收端包括下變頻、濾波、均衡以及解調和解碼模塊。仿真參數如表2所示。

圖4 系統仿真框圖

表2 仿真參數

根據圖4所示的系統框圖和表2中的仿真參數，對不同FFT點數下的塊間干擾分布進行仿真，如圖5～圖7所示。其中，橫坐標為數據塊中各符號的標示，縱坐標為接收數據塊與發送數據塊的誤差向量幅度（EVM）。從仿真結果來看，EVM曲線在數據塊邊緣均出現明顯上升(N=128時上升的幅度為 15 dB左右，N=256時為20 dB左右，N=512時為30 dB左右)，由此可見，數據塊邊緣的序列受到的塊間干擾比較大，而中間部分受到的塊間干擾比較小，仿真結果與設計思想一致。對比3種情況下的EVM曲線發現，隨著FFT點數N的增大，EVM值不斷減小，殘留的塊間干擾和符號間干擾較小，均衡效果更好。

圖5 FFT點數N=128的塊間干擾分布

圖6 FFT點數N=256的塊間干擾分布

圖7 FFT點數N=512的塊間干擾分布

圖8描述了不同的M取值情況下的系統誤碼率性能，仿真時FFT點數N取256。從仿真結果來看，抽取的中間序列長度M分別為64、128、192和240時，誤碼率曲線幾乎重合。當信噪比為16 dB時，系統誤碼率可達10-3左右，表明此時的塊間干擾已基本得到消除，為了減少計算復雜度，可以選取比較大的M值。當抽取的中間序列長度M為256時，由于沒有去除兩端受到塊間干擾影響比較大的序列，誤碼率曲線隨著信噪比的升高出現了平臺。所以，在實際系統應用時，M的取值不宜過大，這樣可能導致塊間干擾得不到消除；同時M也不宜過小，這樣會導致系統復雜度的增加。

圖8 抽取不同中間序列情況下的誤碼率性能

3 結論

在高速率寬帶無線通信系統中，為了提高系統吞吐量，需要盡可能減小鏈路傳輸的冗余開銷。本文針對E波段微波傳輸系統設計了頻域交疊均衡技術方案，并詳述了算法流程。該方案不需要插入循環前綴，能夠有效消除塊間干擾影響，當信噪比為16 dB時，系統誤碼率可達10-3左右，滿足無線傳輸的可靠性要求。

[1]李超，周志剛，鐘文斌，等.E-Band通信系統中高速 RS編譯碼設計與驗證[J].電子技術應用，2013，39(12)：107-110.

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