無(wú)線通用串行總線的信道狀態(tài)信息提取和處理*

楊潤(rùn)豐，李銘釗，張智聰

（1.東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程系，廣東東莞523808；2.中國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司，北京100846；3.東莞理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，廣東東莞523808）

無(wú)線通用串行總線的信道狀態(tài)信息提取和處理*

楊潤(rùn)豐1，李銘釗2，張智聰3

（1.東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程系，廣東東莞523808；2.中國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司，北京100846；3.東莞理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，廣東東莞523808）

無(wú)線通用串行總線（W-USB）是基于超寬帶（UWB）無(wú)線電平臺(tái)的多頻帶正交頻分復(fù)用（MB-OFDM）技術(shù)的系統(tǒng)應(yīng)用。在接收機(jī)進(jìn)行基帶信號(hào)處理過(guò)程中，利用最小二乘估計(jì)均衡方法從系統(tǒng)的信道估計(jì)序列中快速地提取有效的信道狀態(tài)信息，并把提取的信道狀態(tài)信息按比例調(diào)節(jié)雙載波解調(diào)器輸出的軟比特值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，利用信道狀態(tài)信息調(diào)節(jié)解調(diào)輸出的軟比特值能提高接收端的解碼糾錯(cuò)能力，從而提高系統(tǒng)性能。

無(wú)線通用串行總線；多頻帶正交頻分復(fù)用；信道狀態(tài)信息

0 引言

基于多頻帶正交頻分復(fù)用（MB-OFDM）技術(shù)的超寬帶（UWB）無(wú)線電平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)速率高達(dá)600 Mb/s的高速無(wú)線通用串行總線系統(tǒng)[1]。此系統(tǒng)物理層工作頻段分為2個(gè)頻帶組：4.2 GHz～4.8 GHz和6.0 GHz～9.0 GHz，并劃分為12個(gè)帶寬為264 MHz的子頻帶。OFDM符號(hào)幀是多頻帶正交頻分復(fù)用無(wú)線電信號(hào)的基本組成單元，每個(gè)OFDM符號(hào)幀由128個(gè)子載波組成。發(fā)射端信號(hào)以相同的功率發(fā)送到多個(gè)子載波上，子載波在多徑衰落、隨機(jī)時(shí)變的信道傳輸過(guò)程中通常受到不同影響，如信號(hào)散射、回波、深度衰落等。這些反映通信鏈路的信道屬性稱為信道狀態(tài)信息。信號(hào)在接收端經(jīng)過(guò)頻域均衡處理后，不同載波在解調(diào)端有不同的信噪比，變化的無(wú)線信道使得各個(gè)子載波上的數(shù)據(jù)受到噪聲的影響，信道狀態(tài)信息可作為判斷和驗(yàn)證數(shù)據(jù)可信度的先驗(yàn)性信息。

有不少通信系統(tǒng)利用信道狀態(tài)信息來(lái)提高解碼器糾錯(cuò)率性能。參考文獻(xiàn)[2]提出在超寬帶系統(tǒng)中利用信道狀態(tài)信息對(duì)維特比譯碼的歐氏距離加權(quán)，系統(tǒng)性能提高了3 dB~5 dB。參考文獻(xiàn)[3]提出在5 GHz WLAN系統(tǒng)中根據(jù)子載波數(shù)據(jù)的可靠性進(jìn)行信道狀態(tài)信息加權(quán)，從而實(shí)現(xiàn)最大似然維特比譯碼，提高糾錯(cuò)率。參考文獻(xiàn)[4]提出基于協(xié)同OFDM技術(shù)在地面無(wú)線數(shù)字視頻廣播系統(tǒng)應(yīng)用中將解調(diào)的軟判斷值直接與信道狀態(tài)信息相乘，使對(duì)應(yīng)子載波上數(shù)據(jù)的可靠性提高，并大量減少了實(shí)現(xiàn)基帶的電路。本文從無(wú)線通用串行總線系統(tǒng)的信道估計(jì)序列中提取信道狀態(tài)信息，并在接收端按信道狀態(tài)信息比例值提高雙載波[5]的軟解調(diào)效果，從而提高系統(tǒng)解碼的糾錯(cuò)能力。

1系統(tǒng)模型介紹

無(wú)線通用串行總線系統(tǒng)的多個(gè)傳輸模式應(yīng)用了不同層次的編碼和不同類型的復(fù)用，以最大600 Mb/s的多模式速率進(jìn)行傳送，圖1是系統(tǒng)物理層的發(fā)送模型。比特流經(jīng)過(guò)擾碼后按傳輸模式進(jìn)行編碼、交織，接著把這些二進(jìn)制數(shù)據(jù)序列映射到復(fù)數(shù)值星座圖上。所產(chǎn)生的復(fù)數(shù)調(diào)制到由快速傅里葉逆變換（IFFT）生成OFDM符號(hào)的數(shù)據(jù)子載波上。信道模型采用了IEEE802.15.3a標(biāo)準(zhǔn)制定的標(biāo)準(zhǔn)超寬帶測(cè)試信道模型[6]，每個(gè)信道模型具有不同的到達(dá)率和衰減因素。每個(gè)信道模型中有100個(gè)現(xiàn)實(shí)通信信道，具有相同的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差的對(duì)數(shù)遮蔽效應(yīng)項(xiàng)，并針對(duì)超寬帶傳輸信道的模擬準(zhǔn)確性提供了不同功率、時(shí)間和脈沖響應(yīng)參數(shù)。圖2是系統(tǒng)物理層的接收模型。在接收端按信道狀態(tài)信息比例值調(diào)節(jié)軟解調(diào)的輸出。

圖2 無(wú)線通用串行總線物理層接收模型

2 信道狀態(tài)信息提取和處理

2.1 信道均衡

在無(wú)線通用串行總線系統(tǒng)物理層匯聚協(xié)議所定義的機(jī)制中，物理層匯聚協(xié)議數(shù)據(jù)單元以恰當(dāng)?shù)膸Y(jié)構(gòu)分為物理層匯聚協(xié)議前導(dǎo)符、物理層匯聚協(xié)議包頭、物理層服務(wù)數(shù)據(jù)單元。前導(dǎo)符分解成1個(gè)包/幀同步序列和1個(gè)信道估計(jì)序列，如圖3所示。信道估計(jì)序列用于信道頻率響應(yīng)的估計(jì)、精確的載波頻率估計(jì)、精確的符號(hào)定時(shí)。協(xié)議所定義的時(shí)域和頻域信道估計(jì)序列均作歸一化處理以確保包頭和數(shù)據(jù)有相同的平均功率。1個(gè)基帶信道估計(jì)序列由頻域序列通過(guò)離散傅里葉逆變換產(chǎn)生，并且在最后的時(shí)域輸出中添加1個(gè)0后綴。整個(gè)前導(dǎo)符的信道估計(jì)序列部分是通過(guò)在基帶信道估計(jì)序列前連續(xù)添加4個(gè)周期構(gòu)成，或者通過(guò)序列[1 1 1 1]對(duì)基帶信道估計(jì)序列進(jìn)行擴(kuò)展得到。因此，信道估計(jì)序列由4個(gè)OFDM符號(hào)幀組成。發(fā)射端和接收機(jī)在信道估計(jì)序列中預(yù)儲(chǔ)存時(shí)域數(shù)據(jù)，接收機(jī)將實(shí)際接收的信道估計(jì)序列與預(yù)儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)作比較，由此得到信道的頻率響應(yīng)。

圖3 物理層匯聚協(xié)議前導(dǎo)符結(jié)構(gòu)

關(guān)于OFDM系統(tǒng)的信道均衡方案較多，可以歸納為基于最小二乘法或最優(yōu)合并準(zhǔn)則這兩種均衡方法。最小二乘均衡方法不需要任何信道信息的統(tǒng)計(jì)，是處理OFDM系統(tǒng)信號(hào)均衡的常用方法，并且算法的實(shí)現(xiàn)也相對(duì)簡(jiǎn)單。假設(shè)A?m（k）、Rm（k）、Hm（k）分別表示k個(gè)OFDM符號(hào)幀中第m個(gè)子載波的估算發(fā)送信號(hào)、接收信號(hào)和信道頻率響應(yīng)。由最小二乘法可得均衡信號(hào)為：

最優(yōu)合并準(zhǔn)則均衡方法有較強(qiáng)的抗噪性能，但需要統(tǒng)計(jì)信道信息，算法復(fù)雜，并且耗費(fèi)大量電路。由最優(yōu)合并準(zhǔn)則法可得均衡信號(hào)為：

式中，（·）□表示共軛運(yùn)算，N0=2σ2為噪聲方差。

有文獻(xiàn)提出使用最小二乘法或最優(yōu)合并準(zhǔn)則均衡法有相近的處理效果，甚至在一些實(shí)際應(yīng)用中有相同效果[2]。此外，為了能讓無(wú)線通用串行總線系統(tǒng)的基帶高速編解碼在并行基帶處理架構(gòu)中實(shí)現(xiàn)[7]，使時(shí)鐘頻率和芯片硅晶體使用的數(shù)量降低，選擇了最小二乘均衡快速算法。通過(guò)計(jì)算信道頻率響應(yīng)的相反數(shù)，利用接收的數(shù)據(jù)與信道頻率響應(yīng)相反數(shù)進(jìn)行相乘，從而在一個(gè)復(fù)數(shù)乘法器中快速地產(chǎn)生均衡信號(hào)。為了保持每個(gè)接收信道估計(jì)序列值的極性，把接收所得的數(shù)據(jù)和預(yù)存在接收機(jī)里的信道估計(jì)序列值相除，這些預(yù)存值共有四種形式：1+ j，1-j，-1+j，-1-j。每個(gè)除法的計(jì)算可分為兩個(gè)步驟：變換信道估計(jì)序列極性和兩個(gè)只可讀數(shù)的相加，如式（3）所示。

由于信道線性條件的設(shè)定，對(duì)接收的數(shù)據(jù)以時(shí)間參數(shù)不變形式進(jìn)行處理。那么，在跳頻模式中，相隔的2個(gè)信道估計(jì)序列使用相同子載波頻率，接收機(jī)可以對(duì)子載波頻率相同的信道估計(jì)序列采用平均值處理，從而進(jìn)一步減小高斯噪聲的影響。根據(jù)時(shí)頻碼的操作要求，對(duì)每個(gè)信道估計(jì)序列數(shù)據(jù)需要與相同子載波頻率的信道估計(jì)序列數(shù)據(jù)進(jìn)行平均取值，并最后進(jìn)行倒數(shù)處理來(lái)還原數(shù)據(jù)的初始形式，如圖4所示。

圖4 均衡處理的信道估計(jì)序列

2.2 信道狀態(tài)信息

信道狀態(tài)信息反映信號(hào)功率隨信道衰落的變化情況，通常通過(guò)估計(jì)載波位置上的信號(hào)功率和噪聲功率來(lái)獲得。本方案是在最小二乘均衡算法的基礎(chǔ)上把均衡處理后的信道估計(jì)序列CEm（k）r與預(yù)儲(chǔ)存的序列CEm（k）s的比值取模作為信道狀態(tài)信息，并與信道頻率響應(yīng)Hm（k）量值成正比，如式（4）所示。這樣，信道狀態(tài)信息的計(jì)算就變得比較簡(jiǎn)單，減少了大量電路的消耗。

接收符號(hào)的可靠性與對(duì)應(yīng)的解調(diào)器輸出的軟判斷相關(guān)聯(lián)，如式（5）所示。利用解調(diào)器輸出的軟比特M（·）與信道狀態(tài)信息的乘積來(lái)增強(qiáng)軟判斷的可靠性，如式（6）所示，并把此乘積作為接收端解碼的輸入。此方法可減少維特比解碼器計(jì)算每條路徑相應(yīng)的輸出與輸入之間的路徑度量，從而節(jié)省大量?jī)?chǔ)存器的使用。

結(jié)合最小二乘均衡算法可推導(dǎo)軟判斷值，如式（7）所示，這使得復(fù)數(shù)乘法取代其除法運(yùn)算，也簡(jiǎn)化了相應(yīng)的歸一化運(yùn)算。

無(wú)線通用串行總線系統(tǒng)使用4個(gè)OFDM符號(hào)幀在不同頻帶之間進(jìn)行跳頻和時(shí)域擴(kuò)展，每個(gè)數(shù)據(jù)的載波在不同頻帶傳輸時(shí)有不同的信道狀態(tài)信息。收集與該數(shù)據(jù)子載波相關(guān)的可靠信道狀態(tài)信息，利用這些反映信道衰落慢變化的時(shí)不變信道狀態(tài)信息幀能更好地提高接收端的解碼效果。此外，系統(tǒng)還把調(diào)制產(chǎn)生的2個(gè)雙載波調(diào)制符號(hào)分配到2個(gè)獨(dú)立的OFDM符號(hào)數(shù)據(jù)子載波中。這2個(gè)數(shù)據(jù)子載波相隔50個(gè)子載波，從而實(shí)現(xiàn)頻率分集。頻率分集能有效地解決信息受深衰落的影響。系統(tǒng)總共使用100個(gè)雙載波調(diào)制符號(hào)分配到128點(diǎn)的IFFT模塊產(chǎn)生1個(gè)OFDM符號(hào)幀。每個(gè)子載波在OFDM符號(hào)幀中所占帶寬約4 MHz。則與雙載波調(diào)制符號(hào)相關(guān)的2個(gè)獨(dú)立OFDM符號(hào)數(shù)據(jù)子載波相隔的帶寬為200 MHz。因此，在不同的OFDM符號(hào)幀和OFDM符號(hào)幀里兩個(gè)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)子載波中選擇合適的信道狀態(tài)信息以獲得更可靠的軟判斷值，如式（8）所示。

式中，m為在1個(gè)OFDM符號(hào)中100個(gè)數(shù)據(jù)子載波的檢索值，k是不同的調(diào)制方案中軟比特值的檢索值。

3 系統(tǒng)性能測(cè)量

系統(tǒng)在MATLAB平臺(tái)進(jìn)行仿真測(cè)試，總共使用了20臺(tái)四核CPU（I3-3240）計(jì)算機(jī)。系統(tǒng)仿真測(cè)試的設(shè)置如下：每個(gè)物理層服務(wù)數(shù)據(jù)單元含有500個(gè)數(shù)據(jù)包，并使用1 024個(gè)字節(jié)，天線的噪聲參數(shù)為6.6 dB，系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)損耗為2.5 dB，使用UWB信道模型1（CM1）作為測(cè)試信道，對(duì)OFDM符號(hào)內(nèi)部導(dǎo)頻不作跟蹤處理。對(duì)識(shí)包率的測(cè)量水平設(shè)定為8%。系統(tǒng)使用定點(diǎn)運(yùn)算模式進(jìn)行仿真，嚴(yán)格控制測(cè)定時(shí)間。使用定點(diǎn)運(yùn)算有以下設(shè)置要求：時(shí)頻碼等于1（TFC=1），5位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，14位FFT；8位信道估計(jì)器，8位均衡器，8位CSI，7位用于比特交織還原器和維特比解碼器的輸入軟判斷位。運(yùn)用兩個(gè)系統(tǒng)模式進(jìn)行測(cè)試，一個(gè)模式使用雙載波調(diào)制（DCM）[5]，傳輸速率達(dá)480 Mb/s，另一模式使用雙載波32QAM調(diào)制（DC-32QAM）[1]，傳輸速率達(dá)600 Mb/s。在使用CSI輔助解碼的情況下，兩個(gè)模式的傳輸距離分別達(dá)到4.2 m、3.3m，相對(duì)不使用CSI輔助解碼的情況，系統(tǒng)在480 Mb/s和600 Mb/s兩個(gè)傳輸模式下傳輸距離分別提高了0.5 m和0.3m，如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)傳輸性能測(cè)試

4 結(jié)論

針對(duì)無(wú)線串行總線系統(tǒng)在多徑衰落、隨機(jī)時(shí)變的信道中以最大600 Mb/s高速傳輸?shù)奶匦裕么讼到y(tǒng)中導(dǎo)頻符號(hào)對(duì)信道進(jìn)行最小二乘估計(jì)法快速獲取信道狀態(tài)，并利用信道狀態(tài)信息調(diào)節(jié)解調(diào)軟比特值，使得在維特比譯碼計(jì)算時(shí)獲得更可靠的軟判決，從而提高接收端的解碼性能，為系統(tǒng)的高可靠性和高速率通信提供了保障。

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Channel state information extraction and processing for w ireless USB

Yang Runfeng1，Li Mingzhao2，Zhang Zhicong3
（1.Depertment of Electronic Engineering，Dongguan Polytechnic，Dongguan 523808，China；2.China Electronics Corporation，Beijing 100846，China；3.School of Mechanical Engineering，Dongguan University of Technology，Dongguan 523808，China）

Wireless universal serial bus（W-USB）system application is based on ultra wideband（UWB）radio platform exploiting multiband orthogonal frequency division multiplexing（MB-OFDM）technology.When baseband singal is processed in receiver，least squares estimation method is used to efficiently obtained channel state information（CSI）from channel estimation sequence.The CSI is applied to scale the dual carrier modulation demapper output to obtain more reliable soft bit value.Experimental results show that using CSI aided decoding techniques can improve decoding error correction for the receiver and achieve better system performance.

wireless USB；MB-OFDM；CSI

TN92

A

1674-7720（2015）13-0084-03

2015-03-08）

楊潤(rùn)豐（1979-），男，博士，講師，教研室主任，主要研究方向：數(shù)字信號(hào)處理、無(wú)線通信、超寬帶。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（71201026）；東莞市高等院校、科研機(jī)構(gòu)科技計(jì)劃項(xiàng)目（2011108102061）

李銘釗（1980-），男，碩士，工程師，主要研究方向：系統(tǒng)工程。

張智聰（1980-），男，博士，教授，主要研究方向：系統(tǒng)工程。