一种新型单载波频域均衡系统设计及实现

陈 涛

（北京市1711 信箱2 号信息中心，北京 100017）

0 引言

随着移动无线视频传输的发展，用户对传输速率的要求越来越高。带宽的增加必然引起无线传播过程中的多径问题，来自各个不同反射径的信号干扰正常信号的接收。研究结果表明，传输的带宽越大，符号周期越小，无线传播过程中的多径问题越严重。

目前，解决多径问题的技术主要有正交频分复用（OFDM）技术和单载波频域均衡均衡技术（SC-FDE）。其中，OFDM 技术本质上隶属于多载波技术，它利用正交子载波并行传输技术将每一路传输速率降低以解决多径问题，但其多载波的本质导致其在发射时会发生多载波幅度叠加，导致瞬时发射功率的巨大波动，引起发射信号峰均比（信号最大功率和平均功率的比值）过大，这将大大降低功放效率，增加功耗。而单载波频域均衡技术在调制前对调制符号序列进行线性处理，有效降低了发射信号的峰均比，逐渐得到业界的重视和青睐。但其也存在着信道时变能力弱（抗多普勒效应），即信道移动性的问题。

针对上述的信道移动性问题，本文提出了一种改进的单载波频域均衡系统，可解决信道移动性问题，保证信道跟踪速度和跟踪精度。

1 单载波频域均衡技术

单载波频域均衡系统原理如图1所示。在发送端通过将数据映射后形成帧结构，并在每个帧之间插入循环前缀的方法来最大限度地消除符号之间的干扰，进入数模变换模块将数字信号转化为模拟信号，进入无线信道传输。在接收端，利用模数变换模块将接收的模拟信号转化为数字信号，移除循环前缀，通过执行快速傅里叶变换（FFT）和快速傅里叶逆变换（IFFT）运算后，完成逆映射后，解析出原始数据完成信号接收。

图1 单载波频域均衡系统原理图

单载波频域均衡技术作为离散傅里叶变换扩展正交频分复用（DFTS-OFDM）的一种特殊情况，与传统的OFDM 技术相比，具有相同的多径解决能力，但其有效的降低了发射信号的峰均比，如图2所示。与OFDM 相比，SC-FDE 的峰均比明显低。在16QAM 调制时，SC-FDE 的峰均比也只是稍微增加，而在OFDM 情况下，峰均比基本与调制方式无关，这是因为OFDM信号是大量的独立调制子载波的和，瞬时功率近似于指数分布，而与每个子载波的调制方式无关。

2 新型单载波频域均衡系统设计

单载波频域均衡系统包含信道估计模块，信道均衡模块，信道跟踪模块，结构框图如图3所示。

图2 SC-FDE与OFDM峰均比对比结果图

图3 单载波频域均衡系统结构框图

本系统中信道估计模块的帧结构由前导块和数据块组成，其中前导块为频域平坦的已知序列，非常有利于初始信道估计。数据块由负载和UW 块组成，数据块（即帧结构中的DB 块）大小可变，大小可取（256，512，1024，2048），但每个数据块中负载和UW 的比例固定（224 ∶32）。为了提高均衡性能，信道均衡模块采用基于噪声预测的判决反馈均衡。如图4所示，利用噪声预测信号z_np 与判决信号d 之间的误差信号e1去更新反馈系数。相对于传统的判决反馈均衡，由于预测信号数据结构中存在一段已知数据，可有效降低传统判决反馈均衡在低信噪比条件下误码传播的问题。同时为了解决移动性问题，保证跟踪速度和跟踪精度，信道跟踪模块采用递归最小二乘（RLS）跟踪算法，利用前馈滤波信号z 与判决信号d 之间的误差信号e 去更新反馈系统W。

图4 基于噪声预测的判决反馈均衡框图

3 实验结果及分析

3.1 初始信道预估

合理的帧结构设计有助于保证系统的抗多径能力，还有助于完成信道时变跟踪。当射频带宽为8M 时，数据块大小取256，512，1024，2048时，其最大的抗多径延迟为4μs，8μs，16μs，32μs，对应最大传播延迟距离为1.2km，2.4km，4.8km，9.6km。同时保证有效的带宽利用率，不因数据块大小改变而改变。图5为前导数据大小不同情况下，初始信号信道预估仿真结果。如图5可见，合理的前导数据设计及最小均方误差（MMSE）保证了初始信道估计的准确性。

图5 初始信道估计仿真结果

3.2 接收信道预估

为了解决接收信道移动性问题，保证信道跟踪速度和跟踪精度，采用递归最小二乘（RLS）跟踪算法对接收信道进行预测，图6为多普勒fd=40Hz 条件下的仿真结构（对应移动速度160km/h）。如图6可见，采用递归最小二乘（RLS）跟踪算法保证了接收信道估计的准确性。

图6 接收信道跟踪仿真结果

4 结束语

本文提出了一种新型的单载波频域均衡系统，其通过前导块完成系统的快速同步与信道估计，基于递归最小二乘跟踪算法跟踪信道变化，可实现了时分双工方式下的视频、语音和数据传输功能，显著提升了机动通信能力。