E波段微波传输系统中频域交叠均衡技术*

曾建明，周志刚，王丽云，卢佳欣，陈圣吉

（中国科学院上海微系统与信息技术研究所，上海 200050）

0 引言

E波段微波传输系统是超大容量点到点的无线传输系统，工作在 71～76 GHz和 81～86 GHz频段，能够提供Gb/s以上的数据传输速率，是未来无线回传网络的解决方案[1-2]。

微波传输以视距传播为主，无线信道特性相对较好，但是难以避免会受到大气、地面、高大建筑物的折射和反射等影响，并且收发机的非理想特性也会导致信号的衰落和失真。多径信道的影响须在接收机中进行均衡予以消除，其中频域均衡因复杂度低得到较多应用[3]。传统的频域均衡需要在数据块之间插入循环前缀，保证循环前缀的长度大于多径信道的最大时延，以避免数据块之间的混叠干扰，却会带来传输效率上的损失[4]。

为了提高传输效率，E波段微波传输系统采用不插入循环前缀的单载波块传输方式，利用块间干扰只会影响数据块边缘的性质[5-7]，设计了频域交叠均衡技术方案，以抑制块间干扰的影响。本文第1节首先对块间干扰分布进行分析，在此基础上详细设计频域交叠均衡算法的流程，并对算法复杂度进行分析，在第2节将进行系统仿真测试和性能评估。

1 频域交叠均衡技术方案设计

E波段微波传输系统的帧结构如图1所示。每帧信号由前导序列、头信息以及若干个数据块组成。其中，前导序列用于定时同步和信道估计；头信息包含了链路质量、调制类型以及纠错编码等信息；数据块中周期性地插入导频符号，主要用于矫正相位噪声、采样偏差以及载波频偏。

图1 帧结构

图2 块间干扰

由于数据块之间没有插入循环前缀，这样会产生块间干扰[8-9]。如图2所示，数据块的前端数据受到前一个数据块的尾部数据的干扰，数据块的尾部数据会对下一个数据块的前端数据产生干扰。分析发现，块间干扰只存在于数据块边缘，而不会延伸到整个数据块中[10]。利用这种性质，可以通过从交叠的FFT数据块中抽取中间未被块间干扰影响的部分，将其合并为接收数据来抑制块间干扰。

根据上述思想，可以设计频域交叠均衡的技术方案，如图3所示。具体算法流程为：

(1)首先，对接收信号进行长度为N的滑动FFT加窗，FFT窗之间相互交叠，交叠区域中符号的个数为2×D。其中，D表示数据块边缘受到块间干扰影响的符号个数，由多径信道的频率选择性衰落决定；

(2)分别对交叠的FFT数据块进行频域均衡和IFFT运算，得到时域数据；

(3)抽取中间未被块间干扰影响的M=N-2×D个符号；

(4)最后，将每次抽取得到的M个符号进行组合，就可以得到未被块间干扰影响的接收数据。

图3 频域交叠均衡技术方案

相较于传统的频域均衡技术（插入循环前缀的频域均衡技术），频域交叠均衡技术实际上是以牺牲一定量的系统复杂度来换取传输效率的提升。表1对这两种均衡技术的算法复杂度和传输效率进行了分析。其中，N为FFT点数；Lcp为需要插入的循环前缀的长度；η为采用频域交叠均衡技术的系统传输效率；i=N-Lcp-M M 表征了FFT窗的交叠程度，它随着M值的增大而不断减小。在传统的频域均衡技术中，需要插入的循环前缀的长度一般要求大于多径信道的最大时延，并且小于1/8倍的数据块长度，因此采用频域交叠均衡技术最大可以提高25%的传输效率。

表1 算法复杂度及效率分析

2 仿真实验与性能评估

为了验证本文所提出的频域交叠均衡技术的可行性与有效性，以下将通过MATLAB软件对块间干扰分布以及误码率性能进行仿真测试。

E波段微波传输系统的系统框图如图4所示，发送端包括编码、调制、滤波和上变频模块，多径信道采用频率选择性衰落的莱斯信道，加入加性高斯白噪声，接收端包括下变频、滤波、均衡以及解调和解码模块。仿真参数如表2所示。

图4 系统仿真框图

表2 仿真参数

根据图4所示的系统框图和表2中的仿真参数，对不同FFT点数下的块间干扰分布进行仿真，如图5～图7所示。其中，横坐标为数据块中各符号的标示，纵坐标为接收数据块与发送数据块的误差向量幅度（EVM）。从仿真结果来看，EVM曲线在数据块边缘均出现明显上升(N=128时上升的幅度为 15 dB左右，N=256时为20 dB左右，N=512时为30 dB左右)，由此可见，数据块边缘的序列受到的块间干扰比较大，而中间部分受到的块间干扰比较小，仿真结果与设计思想一致。对比3种情况下的EVM曲线发现，随着FFT点数N的增大，EVM值不断减小，残留的块间干扰和符号间干扰较小，均衡效果更好。

图5 FFT点数N=128的块间干扰分布

图6 FFT点数N=256的块间干扰分布

图7 FFT点数N=512的块间干扰分布

图8描述了不同的M取值情况下的系统误码率性能，仿真时FFT点数N取256。从仿真结果来看，抽取的中间序列长度M分别为64、128、192和240时，误码率曲线几乎重合。当信噪比为16 dB时，系统误码率可达10-3左右，表明此时的块间干扰已基本得到消除，为了减少计算复杂度，可以选取比较大的M值。当抽取的中间序列长度M为256时，由于没有去除两端受到块间干扰影响比较大的序列，误码率曲线随着信噪比的升高出现了平台。所以，在实际系统应用时，M的取值不宜过大，这样可能导致块间干扰得不到消除；同时M也不宜过小，这样会导致系统复杂度的增加。

图8 抽取不同中间序列情况下的误码率性能

3 结论

在高速率宽带无线通信系统中，为了提高系统吞吐量，需要尽可能减小链路传输的冗余开销。本文针对E波段微波传输系统设计了频域交叠均衡技术方案，并详述了算法流程。该方案不需要插入循环前缀，能够有效消除块间干扰影响，当信噪比为16 dB时，系统误码率可达10-3左右，满足无线传输的可靠性要求。

[1]李超，周志刚，钟文斌，等.E-Band通信系统中高速 RS编译码设计与验证[J].电子技术应用，2013，39(12)：107-110.

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