高速寬帶通信平臺(tái)中單載波頻域均衡設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

衛(wèi)一然 朱鐵林 趙國(guó)柄

摘要：介紹了高速寬帶通信平臺(tái)中，單載波頻域均衡的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。主要是對(duì)幀同步、定時(shí)同步、載波同步、信道估計(jì)、均衡這幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行闡述。該技術(shù)結(jié)合了單載波時(shí)域均衡和多載波調(diào)制技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，能有效對(duì)抗多徑信道。在以FPGA為核心的高速寬帶通信平臺(tái)上，驗(yàn)證了單載波頻域均衡對(duì)對(duì)抗多徑和抵消線信道方面的作用。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)屋d波;頻域均衡;高速;寬帶;通信平臺(tái)

0引言

在無(wú)線通信中由于反射徑的存在，會(huì)引起接收信號(hào)的多徑衰落。當(dāng)信號(hào)傳輸速率較小，多徑產(chǎn)生的碼間干擾并不突出，一般用信噪比余量來(lái)對(duì)抗隨機(jī)噪聲干擾;但數(shù)據(jù)速率較高時(shí)，反射徑會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的碼間干擾，在頻域上等效呈現(xiàn)頻率選擇性衰落，如不做均衡補(bǔ)償則無(wú)法恢復(fù)發(fā)送信號(hào)和數(shù)據(jù)。目前最常用的解決方法是以正交頻分復(fù)用（OFDM）為代表的多載波調(diào)制技術(shù)，以及采用單載波頻域均衡（sC-FDE）和時(shí)域均衡的單載波調(diào)制技術(shù)。單載波時(shí)域均衡技術(shù)通常使用復(fù)雜的多階時(shí)域均衡器對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，復(fù)雜程度與多徑時(shí)延階數(shù)成正比;相比之下，OFDM多載波調(diào)制和SC-FDE通過(guò)離散傅里葉變換（DFT）和逆離散傅里葉變換（IDFT），在頻域?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行一階均衡，復(fù)雜度與多徑時(shí)延階數(shù)的對(duì)數(shù)成正比，且離散傅里葉變換和反變換都有快速算法FFT和IFFT，因此更適合多徑時(shí)延較寬的情況。

SC-FDE與OFDM處理方式類似，具有天然的兼容性。但SC-FDE沒有采用多載波并行傳輸，故不存在OFDM系統(tǒng)難以解決的峰均功率比（PAPR）和子載波同步敏感等問題，對(duì)射頻和載波同步的要求更低。因此對(duì)于多徑信道的數(shù)據(jù)傳輸，單載波頻域均衡技術(shù)是一個(gè)復(fù)雜度適中、性能優(yōu)良的方案，并且該技術(shù)在已有的有線和無(wú)線通信中得到了廣泛的應(yīng)用。

1模型

在信號(hào)同步的基礎(chǔ)上，為補(bǔ)償多徑效應(yīng)帶來(lái)的信號(hào)畸變，需要根據(jù)信道特性進(jìn)一步對(duì)基帶信號(hào)做均衡處理，以減小碼間干擾的影響。本設(shè)計(jì)采用的均衡方式為SC-FDE。頻域均衡FFT點(diǎn)數(shù)2 048，采用MMSE均衡算法。SC-FDE的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2關(guān)鍵技術(shù)

2.1信號(hào)同步

接收端的基帶信號(hào)與發(fā)射端存在傳播延時(shí)，為了對(duì)解調(diào)器輸出同步抽樣，必須從接收信號(hào)導(dǎo)出采樣值定時(shí)。而且發(fā)射機(jī)或本地載波頻率非理想也會(huì)導(dǎo)致載波偏移，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的IQ正交性，從而導(dǎo)致系統(tǒng)性能惡化。信號(hào)同步的過(guò)程就是特征參數(shù)的估值過(guò)程。在本設(shè)計(jì)中，信號(hào)同步包括載波同步、定時(shí)同步和幀同步。所有這些特征值的推導(dǎo)估計(jì)都是基于特征字（UW）進(jìn)行的。

常用的UW字有Newman序列、Frank-Zadoff序列等。本設(shè)計(jì)使用的是Newman序列，Newman序列是一個(gè)復(fù)數(shù)序列，可用下式表示：

UW是加在傳輸信號(hào)兩端的固定數(shù)據(jù)，幀結(jié)構(gòu)采用UW-2的形式，如圖2。UW一方面作為訓(xùn)J練序列用于信號(hào)同步，另一方面可作為數(shù)據(jù)的循環(huán)前綴，保證在多徑下數(shù)據(jù)的頻域信號(hào)是連續(xù)的，用于信道估計(jì)和均衡。Newman序列作為UW字，一方面可利用其相關(guān)特性以很低的代價(jià)實(shí)現(xiàn)接收信號(hào)的同步解調(diào)，另一方面可利用時(shí)、頻域平坦的UW字估計(jì)信道的沖激響應(yīng)，以及在頻域完成對(duì)信號(hào)幀的均衡。

通過(guò)搜索和跟蹤相關(guān)值共軛乘積序列ci（n）的相關(guān)峰，可獲得并跟蹤每個(gè)發(fā)射幀的起始位置，完成幀同步。

定時(shí)同步同樣利用相關(guān)值共軛乘積來(lái)完成。通過(guò)ci（n）序列相關(guān)峰前后兩個(gè)相關(guān)值的大小關(guān)系獲得定時(shí)偏差：如果靠前相關(guān)峰大于靠后相關(guān)峰，則向前調(diào)整：反之，則向后調(diào)整。產(chǎn)生相應(yīng)的定時(shí)調(diào)整控制信息輸出給降采樣模塊，降采樣模塊根據(jù)該控制信息調(diào)整降采樣抽取的位置，兩模塊構(gòu)成定時(shí)同步環(huán)路。

2.1.2載波同步

載波同步也是依靠UW字進(jìn)行的。根據(jù)圖2的幀結(jié)構(gòu)，連續(xù)的信號(hào)幀中會(huì)周期性地出現(xiàn)UW字，假如存在Air的載波殘差，那么相距P個(gè)符號(hào)的兩個(gè)UW字可表示為

由式（3）可知，間隔為P的相關(guān)值間存在相位差exp（2n△fcPT），根據(jù)該原理可估計(jì)出頻率偏差△fc。因此，可利用幀頭UW字位置的相關(guān)峰估計(jì)頻率偏差，完成載波捕獲和跟蹤。

2.2信道估計(jì)和均衡

2.2.1信道估計(jì)

當(dāng)一個(gè)信號(hào)序列在存在多徑干擾的信道中傳輸時(shí)，接收信號(hào)可以表示為發(fā)送信號(hào)和信道沖激響應(yīng)的線性卷積，即

2.2.2均衡

實(shí)際中，由于設(shè)備的熱噪聲以及傳播環(huán)境中的隨機(jī)干擾，接收信號(hào)疊加了一定能量的噪聲。在根據(jù)式（6）估計(jì)出頻域信道沖激響應(yīng)，并利用式（7）進(jìn)行信號(hào)幀均衡時(shí)，常見的有迫零（zF）均衡和最小均方誤差（MMSE）均衡兩種方式。迫零均衡是最簡(jiǎn)單而且直觀的一種均衡方式，其處理函數(shù)可以表示為：

迫零均衡雖然算法簡(jiǎn)單，但在信號(hào)存在深頻率選擇性衰落的情況下，在深衰落點(diǎn)的噪聲會(huì)嚴(yán)重放大，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的性能惡化，使均衡達(dá)不到預(yù)期目的。為了緩解在深衰落點(diǎn)噪聲對(duì)系統(tǒng)性能的影響，這里采用最小均方誤差（MMSE）均衡的算法，其處理函數(shù)可以表示為：

MMSE均衡與迫零均衡相比，相當(dāng)于抬高了沖激響應(yīng)在深衰落點(diǎn)處的值，從而減小了噪聲的放大倍數(shù)，降低了系統(tǒng)性能的惡化程度。

3測(cè)試

在單位園區(qū)有多徑干擾的場(chǎng)景下搭建一個(gè)以Xilinx的XC7K325T為核心的高速寬帶無(wú)線通信平臺(tái)，來(lái)測(cè)試單載波頻域均衡的可行性。該通信平臺(tái)的載波頻率為1.2 GHz，符號(hào)速率為200 Mbit/s，采用QPSK調(diào)制。通過(guò)chipscope觀察均衡前后接收信號(hào)的星座圖（如圖3和4），可以明顯看出，均衡后信號(hào)的星座匯聚成了4個(gè)點(diǎn)。

4結(jié)語(yǔ)

本文首先介紹了高速寬帶通信平臺(tái)上設(shè)計(jì)使用的單載波頻域均衡的系統(tǒng)模型，之后，針對(duì)實(shí)現(xiàn)中的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)作了介紹，最后通過(guò)測(cè)試表明，該方法對(duì)于寬帶高速通信平臺(tái)是可行的。