司璐，余心樂

(中國傳媒大學廣播電視數(shù)字化教育部工程研究中心，北京 100024)

1 引言

短波通信是實現(xiàn)全球無中繼通信的唯一手段，廣泛應用于航空軍事領域，然而短波信道環(huán)境惡劣，多徑效應較為突出，其頻率選擇性衰落嚴重影響通信的可靠性。多徑衰落嚴重影響了信號的傳輸質(zhì)量，必須采用抗衰落技術(shù)來降低其對系統(tǒng)的影響，因此，對于抗多徑衰落技術(shù)的研究就顯得尤為重要。目前短波數(shù)據(jù)傳輸中對抗多徑的方法主要有多載波和單載波兩種。其中，多載波方法以正交頻分復用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)為代表，它將高速串行數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為多個具有較低速率的并行正交子載波，這樣做可以把多徑效應引起的頻率選擇性衰落轉(zhuǎn)化為多個平坦子信道，從而有效地克服了多徑衰落，使符號間干擾得到了很大抑制。

盡管OFDM系統(tǒng)可以有效的對抗信道多徑特性，但是它存在峰均比高和對頻偏極其敏感的缺點，在此背景下，單載波頻域均衡(Single Carrier Frequency Domain Equalization，SC-FDE)系統(tǒng)受到越來越廣泛的關(guān)注。與傳統(tǒng)的時域均衡相對應，頻域均衡的概念包括分別在頻域上補償幅度和相位。盡管SC-FDE系統(tǒng)也是類似于OFDM在頻域上進行均衡，但是它的數(shù)據(jù)是分布在時域上的，也就是說相應的符號映射及數(shù)據(jù)判決都是在時域上進行的，所以可以回避OFDM系統(tǒng)峰均比大及對頻偏敏感的缺點[1]。目前，SC-FDE技術(shù)入選IEEE802.16無線局域網(wǎng)標準，作為小企業(yè)辦公家庭辦公的應用方案之一，此外SC-FDE對應的多址技術(shù)被3GPP確定為LTE物理層上行的傳輸技術(shù)之一，以避免OFDM終端發(fā)射功率大的缺點。

2 SC-FDE系統(tǒng)原理

采用單載波體制的短波通信系統(tǒng)，能夠避免OFDM系統(tǒng)較高的峰均比帶來的發(fā)射功率受限的問題，其基于數(shù)據(jù)塊的傳輸方式，將待串行的數(shù)據(jù)劃分成一系列等大小的數(shù)據(jù)塊，并且在數(shù)據(jù)塊之間插入獨特字(Unique Word，UW)[2][3]來對抗多徑傳輸，實現(xiàn)接收端的頻域均衡。基于數(shù)據(jù)塊的單載波傳輸方案和典型的編碼正交頻分復用(COFDM)傳輸方案的系統(tǒng)框圖對比如圖1所示。

圖1 基于數(shù)據(jù)塊的單載波傳輸方案及COFDM傳輸方案系統(tǒng)框圖

從圖1可以看出，基于數(shù)據(jù)塊的單載波傳輸方案的功能模塊和采用COFDM傳輸方案的系統(tǒng)的功能模塊幾乎完全一樣，主要區(qū)別是將COFDM傳輸系統(tǒng)中的IFFT模塊從發(fā)射機移到了接收機中，用UW替代COFDM中的CP。由于信道均衡是在頻域進行的，所以理論上講，許多針對COFDM傳輸方案的信道估計和均衡技術(shù)都可以直接應用于基于數(shù)據(jù)塊的單載波傳輸系統(tǒng)中。

發(fā)送數(shù)據(jù)的幀格式采用基于單UW的幀結(jié)構(gòu)，由于每幀的第一個UW在吸收了前一個數(shù)據(jù)塊的多徑干擾后再去用于信道估計，會一定程度降低信道估計精確度，因此在每幀的第一個數(shù)據(jù)塊前再插一個UW，對抗多徑干擾對信道估計的影響，每幀的第二個UW用于信道估計。傳輸幀格式如圖2所示。

圖2 傳輸幀格式

3 SC-FDE系統(tǒng)中的頻域均衡技術(shù)

SC-FDE系統(tǒng)最初采用的均衡算法大多為線性的迫零(Zero Forcing，ZF)均衡和最小均方誤差(Minimum Mean Square Error，MMSE)均衡。我們可以認為事實上迫零均衡的均衡系數(shù)就是信道系數(shù)的倒置濾波，理論上可以完全消除符號間干擾。但是考慮到噪聲的影響，在信道深衰落處ZF算法會將噪聲放大很多，影響通信系統(tǒng)性能。當采用MMSE算法進行信道均衡時，均衡系數(shù)同時考慮了噪聲和信道的影響所以不會存在ZF算法中對噪聲放大的問題，即使在信道深衰落處也不會有放大噪聲的影響，但是運算相對復雜計算量大。

對于頻域選擇性信道，判決反饋均衡(Decision Feedback Equalization，DFE)比線性均衡有更好的性能。文獻[4][5]提出時頻混合結(jié)構(gòu)的混合判決反饋(H-DFE)均衡算法。在這種均衡結(jié)構(gòu)中，接收信號先經(jīng)過一個前置的線性頻域均衡器，然后在時域進行反饋濾波并逐符號判決。但是這種算法涉及到矩陣求逆運算，增加了實現(xiàn)復雜性。H-DFE在下文中簡稱DFE算法。文獻[7]提出一種完全頻域的均衡器結(jié)構(gòu)，并引入迭代機制，即塊迭代頻域判決反饋均衡算法(Iterative Block Decision Feedback Equalization，IBDFE)，這種結(jié)構(gòu)采用頻域均衡加頻域反饋并進行迭代的方法，以較小的計算量取得了相比DFE較好的性能。IBDFE的基本思想是通過多次迭代來消除由于無線信道衰落造成的幅度和相位的影響，每一次通過對上次判決的序列與發(fā)送序列的相關(guān)因子進行估計，并重新計算濾波器的系數(shù)，從而進行下一次迭代。IBDFE結(jié)構(gòu)圖如圖3、圖4所示。

圖3 塊迭代判決反饋均衡器結(jié)構(gòu)(前饋部分)

圖4 塊迭代判決反饋均衡器結(jié)構(gòu)(反饋部分)

4 均衡算法仿真

對SC-FDE進行系統(tǒng)仿真，信道模型參照數(shù)字調(diào)幅廣播(DRM)標準中的信道3設定多徑參數(shù)，其為典型的短波信道。假設信道非時變，且系統(tǒng)已經(jīng)精確同步。信道參數(shù)如表1所示。假設符號速率為8KSps，UW采用具有恒包絡特性的Chu序列[9]，每個數(shù)據(jù)符號內(nèi)的數(shù)據(jù)樣點數(shù)為256，數(shù)據(jù)符號總長度為320，一幀內(nèi)包含15個數(shù)據(jù)符號。調(diào)制方式可選擇為QPSK或者16QAM，信道編碼采用卷積編碼。發(fā)送端的主要參數(shù)如表2所示。

表1 仿真所采用的多徑信道參數(shù)

表2 發(fā)送端參數(shù)

基于LS準則，利用每幀的第二個UW得到64點的信道頻域響應，再通過5倍維納插值濾波得到320點的信道頻域響應。由于信道設定為非時變，認為每幀內(nèi)的信道頻響是不變的。本文對ZF、MMSE、DFE和IBDFE四種經(jīng)典的均衡算法進行仿真。綜合考量算法復雜度和性能表現(xiàn)，DFE的反饋濾波器系數(shù)數(shù)目NFB=16，IBDFE的迭代次數(shù)NI=3。圖5和圖6分別給出采用兩種調(diào)制方法時，接收信號通過各種均衡器后的星座圖。從左到右，從上至下分別對應ZF、MMSE、DFE和IBDFE算法?？梢钥闯?，ZF的性能最差，DFE和IBDFE的性能較好。

圖5 QPSK調(diào)制接收星座圖(SNR=10dB)

圖6 16QAM調(diào)制接收星座圖(SNR=18dB)

4.1 性能分析比較

對四種均衡算法進行仿真，圖7和圖8分別給出QPSK和16QAM調(diào)制時，四種均衡算法的誤比特率(BER)曲線。

圖7 QPSK調(diào)制BER曲線

圖8 16QAM調(diào)制BER曲線

可以看出，ZF算法由于對噪聲和頻域深衰落非常敏感，很容易將噪聲放大，誤碼性能最差；MMSE均衡對符號間干擾和噪聲作了綜合考量，使得符號間干擾和噪聲同時得以抑制，提高了誤碼性能；DFE和IBDFE由于采用前饋和反饋聯(lián)合濾波，大幅減小了符號間干擾和噪聲的影響，相比MMSE均衡性能又有了較大的提升，其中IBDFE性能表現(xiàn)最好。

采用QPSK調(diào)制時，在低信噪比條件下，DFE算法不如MMSE算法性能表現(xiàn)好，但是IBDFE算法相比MMSE性能有明顯提升，在誤比特率BER=10-5時，IBDFE帶來約1.2dB的信噪比增益。采用16QAM調(diào)制，在BER=10-4時，相比MMSE均衡，DFE和IBDFE帶來信噪比增益為0.8dB和1.8dB；在BER=10-5時，DFE信噪比增益為1.3dB，IBDFE信噪比增益為1.7dB。

4.2 算法復雜度評估

復數(shù)乘法(Complex Multiplilcations，CMULs)的次數(shù)為影響計算量的主要因素，故按照復數(shù)乘法的數(shù)量來評估各種均衡算法的復雜度，每判決一個符號的輸出，所需CMULs的數(shù)量如表3所示(向上取整)，濾波器參數(shù)設計(更新)的計算復雜度如表4 所示[10]。

從表中看出，ZF和MMSE由于結(jié)構(gòu)簡單，復雜度最低，DFE的計算復雜度隨著反饋濾波器系數(shù)數(shù)目的增長呈二次方增長，IBDFE的復雜度隨著迭代次數(shù)的增加呈倍數(shù)增長。

表3 每判決符號輸出的計算復雜度

表4 濾波器系數(shù)設計(更新)復雜度

5 結(jié)論

單載波頻域均衡技術(shù)采用類似OFDM的信號處理方式，但是在回避了OFDM系統(tǒng)缺點的同時以其良好的抗多徑能力和結(jié)構(gòu)復雜度低收到廣泛關(guān)注。本論文主要圍繞短波信道條件下單載波頻域均衡技術(shù)展開。先后闡述SC-FDE系統(tǒng)的原理及實現(xiàn)方案，詳細的介紹了各種均衡算法并進行系統(tǒng)仿真，給出性能仿真曲線，并且評估了算法復雜度。在實際工程應用中，可根據(jù)具體信道環(huán)境和通信要求選擇合適的均衡算法。