一種新型單載波頻域均衡系統設計及實現

陳 濤

（北京市1711 信箱2 號信息中心，北京 100017）

0 引言

隨著移動無線視頻傳輸的發展，用戶對傳輸速率的要求越來越高。帶寬的增加必然引起無線傳播過程中的多徑問題，來自各個不同反射徑的信號干擾正常信號的接收。研究結果表明，傳輸的帶寬越大，符號周期越小，無線傳播過程中的多徑問題越嚴重。

目前，解決多徑問題的技術主要有正交頻分復用（OFDM）技術和單載波頻域均衡均衡技術（SC-FDE）。其中，OFDM 技術本質上隸屬于多載波技術，它利用正交子載波并行傳輸技術將每一路傳輸速率降低以解決多徑問題，但其多載波的本質導致其在發射時會發生多載波幅度疊加，導致瞬時發射功率的巨大波動，引起發射信號峰均比（信號最大功率和平均功率的比值）過大，這將大大降低功放效率，增加功耗。而單載波頻域均衡技術在調制前對調制符號序列進行線性處理，有效降低了發射信號的峰均比，逐漸得到業界的重視和青睞。但其也存在著信道時變能力弱（抗多普勒效應），即信道移動性的問題。

針對上述的信道移動性問題，本文提出了一種改進的單載波頻域均衡系統，可解決信道移動性問題，保證信道跟蹤速度和跟蹤精度。

1 單載波頻域均衡技術

單載波頻域均衡系統原理如圖1所示。在發送端通過將數據映射后形成幀結構，并在每個幀之間插入循環前綴的方法來最大限度地消除符號之間的干擾，進入數模變換模塊將數字信號轉化為模擬信號，進入無線信道傳輸。在接收端，利用模數變換模塊將接收的模擬信號轉化為數字信號，移除循環前綴，通過執行快速傅里葉變換（FFT）和快速傅里葉逆變換（IFFT）運算后，完成逆映射后，解析出原始數據完成信號接收。

圖1 單載波頻域均衡系統原理圖

單載波頻域均衡技術作為離散傅里葉變換擴展正交頻分復用（DFTS-OFDM）的一種特殊情況，與傳統的OFDM 技術相比，具有相同的多徑解決能力，但其有效的降低了發射信號的峰均比，如圖2所示。與OFDM 相比，SC-FDE 的峰均比明顯低。在16QAM 調制時，SC-FDE 的峰均比也只是稍微增加，而在OFDM 情況下，峰均比基本與調制方式無關，這是因為OFDM信號是大量的獨立調制子載波的和，瞬時功率近似于指數分布，而與每個子載波的調制方式無關。

2 新型單載波頻域均衡系統設計

單載波頻域均衡系統包含信道估計模塊，信道均衡模塊，信道跟蹤模塊，結構框圖如圖3所示。

圖2 SC-FDE與OFDM峰均比對比結果圖

圖3 單載波頻域均衡系統結構框圖

本系統中信道估計模塊的幀結構由前導塊和數據塊組成，其中前導塊為頻域平坦的已知序列，非常有利于初始信道估計。數據塊由負載和UW 塊組成，數據塊（即幀結構中的DB 塊）大小可變，大小可取（256，512，1024，2048），但每個數據塊中負載和UW 的比例固定（224 ∶32）。為了提高均衡性能，信道均衡模塊采用基于噪聲預測的判決反饋均衡。如圖4所示，利用噪聲預測信號z_np 與判決信號d 之間的誤差信號e1去更新反饋系數。相對于傳統的判決反饋均衡，由于預測信號數據結構中存在一段已知數據，可有效降低傳統判決反饋均衡在低信噪比條件下誤碼傳播的問題。同時為了解決移動性問題，保證跟蹤速度和跟蹤精度，信道跟蹤模塊采用遞歸最小二乘（RLS）跟蹤算法，利用前饋濾波信號z 與判決信號d 之間的誤差信號e 去更新反饋系統W。

圖4 基于噪聲預測的判決反饋均衡框圖

3 實驗結果及分析

3.1 初始信道預估

合理的幀結構設計有助于保證系統的抗多徑能力，還有助于完成信道時變跟蹤。當射頻帶寬為8M 時，數據塊大小取256，512，1024，2048時，其最大的抗多徑延遲為4μs，8μs，16μs，32μs，對應最大傳播延遲距離為1.2km，2.4km，4.8km，9.6km。同時保證有效的帶寬利用率，不因數據塊大小改變而改變。圖5為前導數據大小不同情況下，初始信號信道預估仿真結果。如圖5可見，合理的前導數據設計及最小均方誤差（MMSE）保證了初始信道估計的準確性。

圖5 初始信道估計仿真結果

3.2 接收信道預估

為了解決接收信道移動性問題，保證信道跟蹤速度和跟蹤精度，采用遞歸最小二乘（RLS）跟蹤算法對接收信道進行預測，圖6為多普勒fd=40Hz 條件下的仿真結構（對應移動速度160km/h）。如圖6可見，采用遞歸最小二乘（RLS）跟蹤算法保證了接收信道估計的準確性。

圖6 接收信道跟蹤仿真結果

4 結束語

本文提出了一種新型的單載波頻域均衡系統，其通過前導塊完成系統的快速同步與信道估計，基于遞歸最小二乘跟蹤算法跟蹤信道變化，可實現了時分雙工方式下的視頻、語音和數據傳輸功能，顯著提升了機動通信能力。