陳金倫，郝學坤，王力男

衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)中Turbo均衡性能研究

陳金倫，郝學坤，王力男

(中國電子科技集團公司 第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

針對我國天通衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的傳輸特點，提出利用Turbo均衡以達到消除衰落信道下碼間干擾的目的，針對Turbo均衡Log-MAP算法對信噪比的估計值具有敏感性，提出一種新的信噪比估計方法。根據(jù)天通系統(tǒng)特點，利用線性調(diào)頻（Chirp）信號估計出信噪比值，從而為Turbo均衡器提供準確的信噪比參數(shù)，保證均衡器良好的性能。仿真結(jié)果表明：利用Chirp信號估計的信噪比誤差能保證在0.2 dB范圍內(nèi)，系統(tǒng)在3 dB時誤碼率可以達到10-3。

衛(wèi)星移動通信；萊斯信道；Turbo均衡；信噪比估計

在萊斯信道環(huán)境下，信號經(jīng)歷各種衰落，存在碼間干擾（ISI），接收性能惡化等情況。均衡技術(shù)是解決ISI關鍵技術(shù)，是接收機中不可缺少的功能。在國外相對成熟的衛(wèi)星移動系統(tǒng)中（如美國的Thuraya系統(tǒng)）采用的是均衡措施為LS信道估計[1]，這種方法比較簡單，但其性能較差，在Eb/N0為3 dB時BER還不到10-2，在國內(nèi)，衛(wèi)星移動產(chǎn)業(yè)剛剛興起，有人提出了二次均衡的方法[2]。1995 年Douillard等人將Turbo原理推廣應用到信道均衡領域[3]，基于Log-MAP算法的Turbo對信噪比的估計值有一定的敏感性，文獻[4]通過固定信噪比偏差分析了算法對信噪比的敏感度，但并沒有解決如何獲得準確信噪比值的問題，后來，李強等人提出了基于SMLM算法的估計信道SNR的方法[5]。在此，我們對該算法在衛(wèi)星移動信道下對信噪比的敏感度做出了分析，并針對天通衛(wèi)星的體制提出了一種利用頻率校正信道（Frequency Control Channel，F(xiàn)CCH）信號估計信噪比的方法。

1 Turbo均衡原理

假設發(fā)送端信號為x(k)=[x0，x1，...xk-1]，經(jīng)過萊斯信道傳輸后，接收信號可以表示為

其中，ak是衰落因子；ωk是K時刻的加性噪聲。

Turbo均衡的基本思想就是將Turbo譯碼原理和均衡技術(shù)相結(jié)合，迭代交換外信息，充分利用編碼冗余。最開始，均衡模塊并沒有任何比特的先驗信息，均衡器的先驗初始值LpriE(xk)為零；均衡模塊通過輸入信息和均衡算法得到編碼比特的后驗信息LposE(xk)，扣掉先驗信息得到均衡模塊的外部信息值LextE(xk)后，經(jīng)過解交織作為解碼模塊的先驗信息LpriD(xn)；在解碼模塊進行Turbo碼的譯碼，把得到的比特外部信息LextD(xn)交織后送到均衡。這樣，經(jīng)過一次迭代后，均衡模塊的先驗信息不再為零，已經(jīng)獲得了一些信道的信息，經(jīng)過多次迭代后，若達到停止迭代的條件，進行判決，輸出信息值(圖1)。

圖1 Turbo均衡接收端模型Fig.1 Receiver model of Turbo equalization

2 Turbo均衡算法

Turbo均衡最優(yōu)的算法是最大后驗概率（MAP）算法， MAP算法試圖在得到觀測序列y的前提下，尋找每一時刻最有可能的發(fā)送消息，表示為后驗對數(shù)似然比函數(shù)，即

其中α、β、γ分別代表前向狀態(tài)測度、后向狀態(tài)測度和分支測度。

在MAP算法中涉及到大量的對數(shù)、指數(shù)和乘法運算，實現(xiàn)復雜度高，因此，在實際接收機系統(tǒng)中，常在對數(shù)域進行計算，即Log-MAP算法，大大降低了復雜度， 將分支測度取自然對數(shù)：

上式中，信息比特的內(nèi)部信息是第一項和第三項，第二項為校驗比特的信息，是外部信息，常數(shù)項K可以舍去。

對于前向狀態(tài)測度和后向狀態(tài)測度也分別取自然對數(shù)：

其近似后的對數(shù)似然函數(shù)表達式變?yōu)?/p>

由于Es/N0在式(3)中參與了運算，因此在式(4)、(5)、(6)中也會受到影響。在文獻[6]中從理論上近似分析了Log-MAP算法對信噪比的敏感度，由于Turbo迭代譯碼過程是較復雜的非線性過程，很難通過數(shù)學模型來分析Log-MAP算法對信噪比的敏感程度，有人提出了很多的研究方法和工具，最常見的是基于蒙特卡羅仿真的方法，通過固定信噪比偏差來計算BER性能，從而得到該算法對信噪比敏感度。下面將通過仿真分析Log-MAP算法在萊斯信道下對信噪比的敏感度。

仿真條件：幀長1 024 bit；以多項式(1+D2)/(1+D+D2)生成編碼；編碼率為1/2；調(diào)制方式為BPSK調(diào)制；均衡算法采用Log-MAP，迭代次數(shù)為6次；信道模型為上述K因子為7的萊斯信道。

仿真結(jié)果：由圖2可以看出在萊斯信道下算法的性能受信噪比估計偏差影響還是很大的，當估計誤差絕對值達到2 db時，均衡性能急劇惡化，相對高估信噪比來說，低估的信噪比對Log-MAP性能影響更大。因此，為了保證算法的優(yōu)異性能，必須要有一個準確的估計器為算法提供信噪比估計參數(shù)。

圖2 不同信噪比估計偏差下的誤碼率曲線Fig.2 BER performance in different SNR offset

3 信噪比估計單元的設計

信噪比估計對于無線通信的可靠穩(wěn)定有著很重要的作用，文獻[7]分析了各種估計算法的性能，但這些方法對不同的調(diào)制方式、采樣倍數(shù)適應性不一，同時受頻偏影響較大。因此，我們提出基于Chirp信號的信噪比估計方法， FCCH承載頻率校正信息，每隔固定幀數(shù)循環(huán)一次，對頻偏、噪聲不是很敏感，使移動終端能獲取準確的頻率信息，其表達式為

其中，f0為信號的初始頻率；μ是調(diào)頻斜率；T為信號區(qū)間。

Chirp信號在通信信號之前，并且是隔幾幀就會重復，相隔時間很短，這數(shù)幀信號之間信噪比的變化很小，或者是不變的，將這段間隔的Chirp信號作為導頻信號來估計信噪比值，作為這段時間間隔內(nèi)信號的信噪比值，這樣可以利用Chirp信號良好的估計性提供準確的信噪比值，而且極大地降低了復雜度。

圖3 Chirp信號估計信噪比的流程圖Fig.3 Flow diagram of SNR estimation by Chirp signal

在接收端，信噪比估計器處理框圖如圖3示。

在接收端，通過兩個相關器和相關信號進行處理，上、下掃頻信號，分別定義為與接收信號作相關，然后做N點FFT變換，求得所有頻率分量的幅值，其能量和為

假設接收信號沒有頻偏和延時，經(jīng)過上、下掃頻、N點FFT變換之后，接收信號的能量主要集中在最大相關值附近，取最大相關值附近M個點的和，求得信號主瓣的能量：

然后用總能量之和減去主瓣能量，便得到其他點的噪聲能量和，以此取均值得到噪聲能量的平均分布。

主瓣的能量減去主瓣區(qū)間內(nèi)噪聲的能量就是信號本身的能量值，即

這樣，就得到了信噪比的計算公式：

圖4 不同K值下的信噪比估計性能Fig.4 Performance of SNR estimation under under different K factors

圖4通過仿真說明了本文的信噪比估計方法在不同的萊斯因子K下信噪比的估計性能，由此可以看出，該方法可以保證信噪比估計誤差在±0.2 dB范圍內(nèi)，即使是在瑞利信道低信噪比的條件下，該方法依然可以保證準確的信噪比估計值，這樣，Log-MAP算法就能獲得可靠的信道置信度。圖5說明了該方法提供噪比估計值后Log-MAP算法在K=9萊斯信道下的性能曲線，可以看出在3 dB信噪比時，誤碼率就可以達到10-3，保證了Turbo均衡的性能。

圖5 Log-MAP算法在萊斯信道下的性能(K=9)Fig.5 Performance of Log-MAP arithmetic Rician channel(K=9)

4 結(jié)論

我國自主研發(fā)的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)中，在萊斯信道條件下，基于Log-MAP算法的Turbo均衡器的性能，證明了該算法的性能依賴于信噪比估計值的準確度，高估或者低估信噪比值都會影響算法的性能，信噪比估計參數(shù)對算法的影響主要體現(xiàn)在γ的計算上，在α、β的遞推過程中進而受到影響并最終影響后驗概率值。為了保證Log-MAP算法的性能，本文設計了基于Chirp信號的低復雜度信噪比估計器，能夠保證估計值誤差能在±0.2 dB范圍內(nèi)，為算法提供精確的信噪比估計參數(shù)，可以保證算法的性能，為Turbo均衡在衛(wèi)星移動系統(tǒng)中的實現(xiàn)提供了理論依據(jù)。

[1]MOE Ralnema.Channel estimation in a fading channel：US，6182251B1[P]. 2001-01-30.

[2]劉解華，劉斌彬，敬 軍.用于衛(wèi)星移動通信終端的信道估計和均衡的方法及裝置：中國， 201310714440.9[P].2014-03-19.

[3]DOUILLARD C.Iterative correction of intersymbol interference： Turbo equalization[J]. Eur. Trans.Telecom，1995(6)：507-511.

[4]許 可. Turbo解碼與Turbo均衡關鍵技術(shù)研究[D].長沙：國防科技大學，2011.

[5]李 強.迭代均衡系統(tǒng)中的一種SNR估計方法[J].電子與信息學報，2008，30(4)：836-839.

[6]萬 科.MAP譯碼算法對信道估計偏差敏感度分析[J].通信學報，2006，27(1)：41-44.

[7]楊曉梅.無線通信信噪比估計算法研究與實現(xiàn)[D].成都：電子科技大學，2014.

聲 明

為適應我國信息化建設的需要、提高本刊的學術(shù)影響力、擴大作者知識信息交流渠道，本刊已許可中國學術(shù)期刊（光盤版）電子雜志社、萬方數(shù)據(jù)庫等以數(shù)字化方式通過信息網(wǎng)絡傳播本刊全文。作者向本刊提交文章發(fā)表的行為即視為同意我刊上述聲明。

Performance analysis of Turbo equalization under satellite mobile communication system

CHEN Jinlun，HAO Xuekun，WANG Linan
(THE 54TH RESEARSH INSTITUTE OF CETC，Shijiazhuang Hebei，050081，China)

Fthe Tiantong mobile satellite communication， we propose a turbo equalization to remove ISI.However， the Log-MAP algorithm is sensitive to SNR estimation. Aiming at this problem， we propose a method of SNR estimation based on Chirp signal in FCCH of Tiantong system to ensure the performance of turbo equalizer. The simulation results show： SNR estimation error range of 0.2 dB can be ensured and BER can reach 10-3under condition of 3 dB Eb/N0.

mobile satellite ； Rician channel； Turbo equalization； SNR eatimation.

TN927

A

1673-9469（2017）03-0105-04

10.3969/j.issn.1673-9469.2017.03.023

2017-05-23

國家科技重大專項（2013ZX03006004）

陳金倫（1991-），男，山東青州人，碩士，主要從事信號信息處理方向的研究。