短波信道中的单载波频域均衡技术研究*

周英波 李含辉 李丁山

(武汉船舶通信研究所 武汉 430079)

1 引言

短波通信中,信号传输受电离层影响较大,多径效应比较严重。多径传播造成频率选择性衰落,使接收信号的波形展宽,产生码间干扰[1],从而限制了数字通信的传输速率。现有的单载波时域均衡技术(SC-TDE)和多载波正交频分复用技术(OFDM)在对抗多径衰落信道方面都有很好的性能,但单载波时域均衡存在计算量大、复杂度高的缺点,而OFDM存在峰均比高、频率偏移敏感的缺点。

针对以上特点,本文研究单载波频域均衡技术对短波信道进行均衡。单载波频域均衡系统基于FFT和IFFT实现,在接收端采用频域均衡,降低了信号处理的复杂度,能够有效地对抗多径,达到较高的数据率;另外,SC-FDE系统采用单载波传输,系统对频移不太敏感,其峰均比也好于OFDM系统[2]。

2 SC-FDE原理

单载波频域均衡系统在每帧发送数据中加入循环前缀,通过短波信道后,接收端去掉接收数据中的循环前缀,然后通过FFT变换将信号转换到频域,在频域进行均衡后,再将信号做IFFT变换回时域进行判决。

本文设计的短波信道下的单载波频域均衡系统结构如图1所示。

设M为FFT的点数,xn为M个映射后码元组成的一个传输数据块,h(n)为短波信道的冲击响应,则每个接收到的数据符号rn可以如下表示:

图1 短波信道下单载波频域均衡系统框图

Hl为信道的频率响应,假设系统的同步和信道估计都是理想的,进行频域均衡后的接收信号S表示为:

Wl为频域滤波器的系数,判决前的信号为:

若采用迫零(ZF)均衡,系数为Wl=1/Hl,则

3 短波信道均衡

本文采用基于UW序列作为循环前缀的帧结构。在数据中周期性的插入循环前缀(CP)以便于用FFT实现循环卷积,SC-FDE中UW的另一功能是吸收来自数据段的帧间干扰。在图2中,两个同样长度的UW背靠背相连。数据块前面的UW作为循环前缀,另一个UW 与负载数据组成一个数据块,UW序列的插入使得数据块具有理想的周期自相关特性。由于 UW用作循环前缀,要求UW的长度必须大于信道的最大时延。UW序列的产生方法参见文献[3]。

图2 基于UW的帧结构

SC-FDE频域均衡主要有线性均衡(LE)和判决反馈均衡(DFE)两种。频域线性均衡处理比较简单,将去除前缀的接收信号进行FFT变换后,与信道估计得到的均衡系数在频域相乘,再通过IFFT变换回时域即完成了线性均衡。由式(5)可知,频域线性均衡在短波信道的频率深衰落点(Hl很小)处,使用迫零均衡算法会放大信道频率零点处的噪声,从而导致系统性能的大幅度下降;MMSE均衡算法不会过分放大短波信道频率零点处的噪声,因而对信道具有频率深衰落点时的均衡性能要优于迫零均衡[4],但MMSE均衡后仍残留部分码间干扰,制约了系统性能的进一步提高。

判决反馈均衡在减小ISI的同时不会放大噪声,因而在短波信道上比线性均衡有更好的性能。文献[5～6]提出了FD-DFE及FDE-NP两种判决反馈均衡方法,可以进一步消除MMSE均衡后的残留码间干扰,但均衡的性能依赖于判决反馈滤波器的阶数,阶数越高,性能越好,但同时计算复杂度也越高。文献[7]中介绍了一种新型的判决反馈均衡器,直接对线性MMSE均衡后的残留码间干扰进行估计和消除,该方法比文献[5～6]中的计算量小,复杂度也低。图3给出了该判决反馈均衡器的基本框图。

图3 判决反馈均衡器结构

图3中,前面是一个采用MMSE均衡算法的线性均衡器,后面的判决反馈部分能估计出MMSE均衡后的残留码间干扰,从而优化频域均衡的效果。下面分析可以消去残留码间干扰的判决反馈均衡算法。

首先分析线性MMSE均衡算法的残留码间干扰,设经过线性MMSE均衡后的信号为Sl,由式(2)和式(6),以及线性均衡器的均衡原理可得:

假定通过训练序列获得信道的精确估计以及信噪比参数,d的估计与消除的算法如下:

1)对MMSE均衡后的信号s判决可得

进而得到

4 仿真分析

为了验证短波信道上SC-FDE系统的性能,采用线性均衡和判决反馈均衡进行了MATLAB仿真。仿真采用基于UW前缀的帧格式,每个UW长度为64,FFT/IFFT点数为512,调制方式为 QPSK,仿真假定系统的同步与信道估计均为理想状态。仿真所用的短波信道[8]包括两径,第1条径的延迟为0ms,幅度为0dB;第2条径的延迟为0.5ms,幅度为0dB,该信道是频率深衰落信道,如图4所示。噪声为加性高斯白噪声。仿真结果如图5所示。

从图5中可以看出,当信噪比较小时,由于噪声对信号判决的影响远远大于线性MMSE均衡后的残留码间干扰,线性均衡器与判决反馈均衡器在短波信道上具有几乎相同的性能;当信噪比较大时,噪声对信号判决的影响不大,线性MMSE均衡后的残留码间干扰是对信号判决造成误差的主要因素,判决反馈均衡消除了残留的码间干扰,因而系统性能得到了很大的提高。在误码率10-4时,判决反馈均衡器的性能比线性均衡器提高了3～4dB。

5 结语

本文介绍了应用于短波信道的单载波频域均衡系统的结构和处理流程,分析了产生残留码间干扰的线性MMSE均衡和消除残留码间干扰的判决反馈均衡。通过对短波信道下线性均衡和判决反馈均衡的MATLAB仿真表明,单载波频域均衡能够有效地对抗短波信道中由多径效应引发的频率选择性衰落,消除短波通信中的码间干扰。可以预见,单载波频域均衡将成为未来短波通信中一个极具竞争力的解决方案。

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