（通信与信息系统专业论文）频选信道scstc编码cm频域半盲估计与均衡.pdf

摘要 在高速无线数据的传输系统中，一个基本的挑战是克服多径传播的影响。多径弥散 效应导致符号间干扰i s i ( i n t e rs y m b o li n t e r f e r e n c e ) 。i s i 的存在会严重影响通信系 统的可靠性，甚至会导致系统无法工作，所以必须设法减小或消除。人们已经提出了很 多种降低i s i 干扰程度的方法，并且在实际的通信领域得到了广泛的应用，如分集与均 衡。 信息理论的发展指出，通过采用多根发射天线和多根接收天线可以有效地增加无线 通信系统的容量，从而提高无线频谱的效率。发射分集技术是多发射多接收天线系统的 一种实现方式，它通过在多根发射天线上发送信号而引入分集以实现可靠通信。空时编 码是实现发射分集的关键技术，它在发射端引入空间和时间相关，使得接收端获得分集 的同时也可以获得编码增益。空时分组码( s t b c ) 是一种典型的空时编码。 均衡是减少或消除i s i 的有效方法。由于无线通信等领域的信道通常是时变的，于 是人们广泛研究自适应均衡算法。这类方法一般是定期在系统的发射端发送一定量的确 知信号，以此信号作为参考信号在接收端与输出信号对比形成误差信号，再去调整均衡 器系数，输出一个信号样本，这叫做系统“训练”一次，这种确知信号叫训练序列。但 训练序列的引入增加了系统的额外开销，降低了通信系统的效率，同时在低信噪比或强 干扰的信道环境下，仅仅靠训练序列并不能得到可靠的信道估计，因此迫切需要一种不 完全需要训练序列又能适应于无线信道条件的均衡方法。常模算法( c m a ) 就是在这种背 景下提出的。常模算法利用源信号自身的统计特性( 如模值恒定的特性) 等形成类似的 “误差信号 进行自适应迭代，动态地调整均衡器系数。但是，一般的c m a 盲均衡算法 存在局部收敛、收敛时间长等缺点。因此便产生了半盲的思想。所谓半盲就是已知发送 信号的某些特征或者通过发送少量的训练序列来确定均衡器的初始权值，而后采用盲的 自适应均衡技术跟踪信道的变化，自适应调整均衡器系数，恢复发送信号。 本文主要研究了三个方面： ( 1 ) 空时编码的引入对单载波频域均衡系统性能的改善； ( 2 ) 单载波频域均衡系统中半盲均衡技术的研究； ( 3 ) 半盲常模( c m ) 均衡在单载波频域均衡系统中的应用。 i i i a b s t r a c t i nah i g hs p e e dd i g i t a lw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，ae s s e n t i a lc h a l l e n g ei st o c o n q u e rt h ee f f e c to fm u l t i - p a t h t h em a i ne f f e c tp r o d u c e db ym u l t i - p a t hw i l l r e s u l ti n i s i ( i n t e rs y m b o li n t e r f e r e n c e ) u n d e rs o m ec h a n n e lc o n d i t i o n si s lw i l lb a d l ya f f e c t t h e s t a b i l i t yo fc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，a n de v e nc a u s e t h es y s t e mu n a b l et ow o r k s oi s im u s tb e r e d u c e da n de l i m i n a t e d m a n yt e c h n i q u e sf o rr e d u c i n go re l i m i n a t i n gi s is u c ha sd i v e r s i t y a n de q u a l i z a t i o nh a v eb e e ni n t r o d u c e da n da p p l i e d f r e q u e n c yr e s o u r c ei sb e c o m i n gp o o rw i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s op e o p l ea r es t r u g g l i n gt op u r s u ee f f i c i e n tc o d i n g ，m o d u l a t i o na n ds i g n a lp r o c e s s i n g t e c h n o l o g yf o ri m p r o v i n gf r e q u e n c ye f f i c i e n c y i n f o r m a t i o nt h e o r yi n v e s t i g a t i o n sh a v es h o w n t h a tt h es y s t e mu s i n gm u l t i p l ea n t e n n a si nb o t hb a s ea n dm o b i l es t a t i o nc a na c h i e v ev e r yh i g h c a p a c i t ya n di m p r o v et h ef r e q u e n c ye f f i c i e n c y a n dt r a n s m i td i v e r s i t yi s o n eo ft h ee f f e c t i v e i m p l e m e n t a t i o n t h et r a n s m i td i v e r s i t y i si n t r o d u c e dw i t hm u l t i p l et r a n s m i ta n t e n n a sa n d a c h i e v e sr e l i a b l et r a n s m i s s i o n s p a c et i m ec o d e ( s t c ) i st h ek e yt e c h n o l o g yo ft r a n s m i t t i n g d i v e r s i t y a n dt h e s ec o d i n gs c h e m e sa r ei n t r o d u c e dw i t hc o r r e l a t i o nb e t w e e ns p a c ea n d t i m e i nt r a n s m i t t i n gs i d ea n dc a ng e tb o t hc o d i n ga d v a n t a g e sa n dd i v e r s i t yg a i n si nr e c e i v i n gs i d e s p a c et i m eb l o c kc o d e ( s t b c ) i sat y p i c a ls p a c e t i m ec o d e e q u a l i z a t i o nc a ne l i m i n a t et h ee f f e c to fl s ia v a i l a b l y b e c a u s et h ec h a n n e lc o n d i t i o n si n w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nv a r yc o n s t a n t l y ，a d a p t i v ee q u a l i z a t i o n sa r es t u d i e dw i d e l y i tu s e s s o m ek i n do fk n o w ns e q u e n c e sf r o mt i m et ot i m e ，a n di nt h er e c e i v e rt h eo u t p u ts i g n a l sw o u l d b ec o m p a r e dt ot h ek n o w ns e q u e n c e sa n dy i e l d st h ee r r o rs i g n a l s ，t h e na d j u s t st h ec o e f f i c i e n t s o ft h ee q u a l i z e ru s i n gt h ee r r o rs e q u e n c e t h e t r a i n i n g i sr e a l - t i m ea n dd y n a m i c o nt h e o t h e rh a n d ，h o w e v e r ，t h et r a i n i n gs e q u e n c ei sr e d u n d a n ti n f o r m a t i o nw h i c hw o u l dr e d u c et h e s y s t e me f f i c i e n c ye s p e c i a l l yi nm o b i l ec o m m u n i c a t i o nf i e l d ，s ot h eo t h e rk i n do fa l g o r i t h m w i t h o u tt r a i n i n gs e q u e n c eh a sb e e ni n t r o d u c e d t h ee q u a l i z a t i o na l g o r i t h m sw i t h o u tt r a i n i n g s e q u e n c ea r ec a l l e da d a p t i v eb l i n de q u a l i z a t i o n ，w h i c hu s u a l l yu s e st h es t a t i s t i cp r o p e r t i e so f t h es o u r c es i g n a l s c o n s t a n tm o d u l u sa l g o r i t h m ( c m a ) u s e st h ec o n s t a n tm o d u l u sp r o p e r t y o ft h es o u r c es i g n a lt ot r a i nt h ec o e f f i c i e n t so ft h ee q u a l i z e r u s u a l l y ，t h ec m ab l i n d e q u a l i z a t i o na l g o r i t h m sa r es l o w l yc o n v e r g e n t ，s ot h es e m i - b l i n dm e t h o d sa r ep r e f e r r e di n r e a l i s t i cc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s t h e “s e m i - b l i n d ”i m p l i e st h ec o m b i n a t i o no fb o t ht h e i v m e m o d sb a s e dt r a i n i n gs e q u e n c ea n db l i n dm e t h o d s t h es e m i b l i n da l g o r i t h mo b t a i n st h e i 】血i a lc o e f f i c i e n t so ft h ee q u a l i z e rb yt r a n s m i t t i n gt r i v i a lt r a i n i n gs y m b o l sa n da d j u s t st h e c o e f f i c i e n t so ft h ee q u a l i z e rt o t r a c et h ec h a n n e lb yt h eb l i n da l g o r i t h m s t h em a i nc o n t e n to ft h ed i s s e r t a t i o nc o n t a i n st h r e ep a r t s ： ( 1 ) t h e c o m b i n a t i o no fs p a c et i m ec o d i n ga n ds c - f d ei m p r o v e st h ep e r f o r m a n c e o f t h em o b i l es y s t e m ( 2 ) t h e r e s e a r c ho nt i l es e m i 。b l i n de q u a l i z a t i o na l g o r i t h mi ns c - f d e ( 3 ) t h ea p p l i c a t i o no f t h ec o n s t a n tm o d u l es e m i - b l i n da l g o r i t h mi ns c - f d e v 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：呈邀盘日期：边：兰! 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名： 呈邀拉 导师签名： 南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工学通信与信息系统 研究方向： 移动通信与无线技术 作 题 2 0 0 4 级研究生吴淑花指导教师酆广增 日：频选信道s c s t c 编码c m 频域半盲估计与均衡 英文题目：s i n g l e - c a r r i e rf r e q u e n c yd o m a i ns e m i b l i n dc o n s t a n tm o d u l u s e s t i m a t i o na n de q u a l i z a t i o nf o rs p a c e - t i m ec o d e dt r a n s m i s s i o n so v e rf r e q u e n c ys e l e c t i v ec h a n n e l s 主题词：单载波频域均衡空时码半盲均衡 常模算法( c m a ) k e y w o r d s ：s i n g l e c a r r i e rf r e q u e n c yd o m a i ne q u a l i z a t i o n ( s c f d e ) s p a c et i m ec o d e ( s t c ) s e m i b l i n de q u a l i z a t i o n c o n s t a n tm o d u l u sh l g o r i t h m ( c m a ) 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 1 1 论文背景 第一章绪论 近年来，通信需求的不断增长要求无线通信系统能以高质量提供高速数据及多媒体 业务，这已经体现在下一代移动通信系统和下一代宽带无线接入系统的目标中。数据速 率的提高面临的直接问题是由多径衰落引起的符号间干扰大大增加。当传输数m b p s 至 数十m b p s 的数据业务时，信道时延扩展可以达到几十个甚至上百个符号周期。因此需 要有效的抗衰落技术来保证无线链路的可靠传输。 当信号带宽超过了无线信道的相干带宽，就会产生码间干扰( i s i ) ，这是影响无线 通信质量的主要因素。如何在无线衰落信道下可靠的传输高速话音、数据等多媒体数据， 这对无线传输链路技术提出了很大的挑战。我们知道可以采用分集、均衡和多载波传输 等技术来削弱多径衰落的影响或者补偿多径衰落 1 2 3 。分集技术可以用来减小信号多 径衰落的深度和持续时间。分集的基本思想是：在无线信道中，如果信号的多个副本经 过独立衰落的链路或分支时，这些信号同时处于衰落的概率非常小，在接收端按一定的 规则将这些信号合并，提高了无线链路的可靠性 2 。分集的主要形式有：时间分集、 频率分集、空间分集、极化分集等。近年来，提出了发射分集的思想，其出发点是将信 号处理的复杂度集中在基站端，从而降低用户终端的成本。 均衡是在认可i s i 存在的情况下通过对接收信号滤波来补偿信号的幅度和相位畸 变。均衡可以分为频域均衡和时域均衡。所谓频域均衡，是从校正系统的频率特性出发， 使包括均衡器在内的系统的总特性满足无失真传输条件；所谓时域均衡，是利用均衡器 产生的时间波形去直接校正已畸变的波形，使包括均衡器在内的整个系统的冲击响应满 足无码间串扰条件。理论上，理想时域均衡的单载波系统和多载波系统性能是相当的， 但是当数据率提高时，无论是增加符号率还是使用更复杂的信号调制方式，都必须使用 复杂的均衡器以保持系统性能不变，受硬件资源的限制，实际的时域均衡器通常达不到 最佳性能。不管是线性还是非线性均衡，传统的时域均衡器复杂度都与信道的最大时延 扩展成正比，而多载波的频域均衡复杂度与信道最大时延扩展的对数成正比。均衡器成 了制约单载波时域系统性能提高的“瓶颈”。2 0 世纪7 0 年代后，出现了频域均衡技术。 所谓频域均衡就是在接收端将接收信号进行f f t 变换，变换到频域，然后采用适当的均 衡方法，补偿信道噪声及多径效应。均衡后再通过i f f t 变换将信号恢复为时域信号。 1 塞壅坚皇奎堂堡主堡塑生堂垡丝奎 堑二里丝堕 多载波传输的基本思想是通过歪交变换将信号加载到彼此正交的多个并行子载波 上，相当于降低了符号速率从而展宽了信号带宽。目前多载波研究的热点是o f d m 技术。 o f d m 技术也是通过i f f t 变换来实现多载波调制。与时域均衡相比，o f d m 具有复杂度低、 信道补偿特性好的优点，但是o f d m 也有一些缺点：如具有很高的峰均比、对功放的线 性范围要求很大、对系统的同步要求高、对信道的时变性比较敏感等缺点。 对于大多数采用均衡器的数字通信系统，信道特性往往是未知且时变的，因此为了 设计相应的自适应均衡器，遥常需要在发送端将基知的训练序列包含在数据帧中一起发 送到接收端。其目的在于，对均衡器系数进行初始调整，以保证其在大范围内快速收敛。 然焉，这种基于训练序列的均衡器会带来如下问题： 首先，在发送数据中包含训练序列会增加传输开销，从而降低通信系统效率。更严 垂的是，即使已经收敛并转入到工作模式的均衡器，在经过一定时间以惹，也很有可能 由于信道的时变特性而使检测器产生突发错误 3 。因此，几乎所有的通信系统都采用 周期性的发送训练序列的方法，以不断重新训练，但这会更加严重地降低通信系统的容 量。比如，在g s m 系统中，每1 4 8 个符号的突发( b u r s t ) 中就有2 6 个供训练的符号，这 导致了近1 8 的容量损失 4 3 。在高频( h i g hf r e q u e n c y ，h f ) 透信系统中，用于传输训 练序列的时间甚至会占去总传输容量5 0 的开销。 其次，在某些应用中，根本就不可能期望在发送端提供训练信号。眈如，在军事侦 听过程中，要得到敌人确定的训练信号显然是不现实的：在地震解卷积和图像重建等信 号处理应用中，发送端是自然乔，这也不可麓得到人为提供的训练信号；在多点通信网 络中，也需要接收机与接收信号同步，然后，在没有训练序列的情况下完成自适应均衡 器的调整。因为，在这种系统中，不可能每增加一个不可预测的客户机，都要求服务器 再发送一次训练序列 3 。 基于上述原因，很有必要研究不需要发送端发送己知的训练序列，而只根据系统的 输出值来完成自适应均衡的技术，人们把这种技术称为“盲均衡”技术。在盲均衡算法 中，一种利用发送信号常模特性的常模算法( e 凇) 受到了越来越多的关注，很快发展成 为一类重要的盲算法，因为这种算法相对其它盲算法来说收敛速度较快、计算复杂度低 且易于实现。但是常模算法也有一些缺点，如容易收敛到局部最小点等。因此近年来， 半盲算法的研究越来越受到重视。 所谓半盲就是已知发送信号的某些统计特征或者通过发送一定的训练序列来确定 均衡器的初始值，在得到一个比较准确的均衡器初始值之后，采用盲的自适应均衡技术 跟踪信道的变化，自动调整均衡器系数，恢复发送信号。 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 i 。2 本文的主要工作及章节安排 本文的课题来源于国家自然科学基金资助项目( 项目号：6 1 4 7 2 1 0 4 ) 快速常模算 法及其在m i m 0 信道盲估计与均衡中的应用，同时还得到了江苏省高校自然科学研究计 划项目( 0 4 k j b 5 10 0 9 4 ) 和江苏省高校研究生创颏计划( x m 0 4 - 3 2 ) 的资助。 本文的第一章为绪论。 第二章介绍了8 0 2 1 6 d 采用的单载波频域均循系统。介绍了单载波频域均衡系统的 产生背景、原理、发送过程以及单载波频域均衡系统的演进和应用，包括双模系统的介 绍。 第三章介绍了信道均衡的一些基础理论知识，重点介绍了自适应均衡特别是盲均 衡、半盲均衡的基本原理。这些，是本文后面展开深入研究的理论基础。在此基础上， ： 提出了一种半育l m s 、r l s 、d d 判决引导单载波频域均衡算法，且在m 1 2 2 5 信道下进行 仿真，并与基予训练序列的单载波频域均衡比较了性能。最后的仿真结果表明了改进方 案的优势，即以较小的性能损失换取了较高的传输效率。 第四章首先余绍了空时编码，然后着重介绍了空时分组码中的a l a m o u t i 结构及其在 单载波频域均衡中的应用，并在m 1 2 2 5 信道下仿真检验了其性能。并作了基于m m s e 的1 发l 收、2 发l 收、2 发2 收酶系统性能比较。仿真结果表骥，在误码率为圭酽时使用2 发i 收 的a l a m o u t i 结构编码比单天线未编码系统有约5 d b 的增益；2 发2 收的编码结构比单天线 未编码系统有约1 0 d b 的增益。 第五章首先介绍y c m 算法及两类常模算法：最陡下降常模算法和最小二乘常模算 法。并介绍了常模算法在盲均衡、多用户检测、波束戒形等领域的疲黑。 第六章首先介绍了仿真的信道环境及信道参数，然后介绍了一种特殊序列 c a z a c ( c o n s t a n ta m p l i t u d ez e r op e r i o d i ca u t o c o r r e l a t i o ns e q u e n c e ) 序列，并根据该序列 的特殊性质，提出了一种基于c a z a c 序列的单载波频域c m 半盲均衡方案。仿真结果表 骧，该算法巧妙的将罐算法应用子单载波频域均衡系统，计算篱单，在性能上也有优 势。 1 3 论文完成的工作和主要成果 论文完成的工作和主要成果有三方面： i 研究了单载波频域均衡系统中引入空时编码技术对系统性能的改善，发送分集 南京邮电大攀硕士研究生学位论文第一章绪论 采用a l a m o u t i 结构，采用燃s e 均衡方法，比较了l 发王收，2 发l 收和2 发2 收的误 码率性能。 2 磷究了s c - f d e 系统中的半盲均衡算法。完成了半盲l i d s 、半膏r l s 和半盲 算法的性能比较。 3 。研究了半誊常模均衡方法在单载波频域均衡系统的应用。用c a z a c 序列作为调 练序列，利用该序列f f t 变换后仍是常模的性质，在频域运用c m a 算法进行均衡，确定 均衡器的襁始权值。确定均衡器初始权值之焉，在接收端运用时域c m a 算法进行均衡。 构造了一种单载波频域均衡系统半盲常模的信道均衡方案。 4 南京邮电大学壤士研究夔学霞论文 第二章革载波菝域坶簿系统 2 1 引言 第二章单载波频域均衡系统 高速无线数据的传输系统中，一个基本的挑战是克服多径传播的影响。多径弥散效 应导致符号阗于扰i s i 。克 疑i s i 的传统的方法是采用时域均衡技术，比如采用有限长度 冲激响应f i r 滤波器，然而它的复杂度随羞弥散符号数的平方线性地增加，甚至随着弥 散符号数指数增加；比如采用最大似然序列估计m l s e 均衡技术。为了克服滤波器系数太 多的问题，可以采用无限长度冲激响应i i r 滤波器，但是它将带来算法不稳定和收敛速 度慢等问题。于是有专家提出利用快速傅立叶变换f f t 的频域均衡f d e 方案e 5 1 。把单载 波系统下基予最小均方误差准则蒯s e 的频域均衡方案和分集结合起来的首先是文献 e 6 。针对无线多径衰落信遒，文献e t 提出了在单载波( s c ) 系统下，基予最小均方误差 准则的接收分集的频域均衡方案，该方案因采用f f t 运算把接收到的信号首先变换到频 域，然后再用传统的r l s 或l m s 算法进行均衡，再变换到时域，从而其运算复杂度与时域 均衡技术相比有较大的降低 8 。 2 2s c - f d e 系统原理 2 。2 1s c - f d e 系统模型 s c - f d e 系统是宽带无线传输中一种很有效的抗多径干扰的方法，但隧前研究得较 少。s c 系统发送的是调制骺的高速率单载波信号，接收端通过f f t 和王f 鼹变换来实现 频域均衡，实际上是对接收信号的频域分析。s c 系统的结构如图2 。1 所示，使用n 点 f f t 变换和有n 个抽头系数的频域均衡器。 塑塑匦麴丑还匾匾卜 噩亟卜一髓 图2 1s c f d e 系统原理 在发射端，数据符号x ( 纷) 经过串并交换分成长度为n 的帧，将每帧的最后缱个符号 拷贝到帧头作为循环前缀( c p ) ，形成长度为十m 的数据块。然后经过并串交换通过多 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章单载波频域均衡系统 径衰落信i y ih ( n ) 和嗓声方差为吒2 的麟g n 信道到达接收端。 在接收端，对接收到的数据块j ，( 功进行删除循环前缀的操作，然后使用n 点f f r 将信 号变换到频域中，在频域经过均衡处理后，再通过i f f f f 操作变换回时域进行判决，得到 重建的数据符号d ( 功。 设多径衰落信道冲激响应长度为，即h ( n ) = 【办( o ) ，办( 1 ) ，h ( l 一1 ) 】。由于循环前缀 的添加使得x ( n ) 具有周期性，因而在e p 长度以大于等于乙的情况下，接收端删除循环前 缀后，有 y ( 聊) = 办( 肛) o x ( 功+ v ( 栉) ( 2 1 ) 其中0 嚣n 一1 ，表示循环卷积。 ( 2 - 1 ) 式可以改写为矩阵的形式： y = h x + v ( 2 2 ) 其中： y = 【y ( o ) ，y ( 1 ) ，y ( n i ) r x = 墨( ，x ( 1 ) , - - - x ( n 一熏澎 1 ，= 【v ( 0 ) ，v o ) , - - v ( n 1 ) 】7 信道矩阵h 是一个n x n 的循环阵，并且它的第一列等于信道的冲激响应( c i r ) 补上 ( n l i ) 个零。 频域均衡可以采用多种均衡器设计方案，包括线性均衡( 迫零均衡、m m s e 均衡) 以 及非线性均衡( 判决反馈均衡) 等。详细的均衡原理我们将在第3 章中介绍。 2 2 2s c - f d e 信号发送过程 8 0 2 1 6 d 标准建议了s c 系统发送信号的过程，如图2 。2 所示。首先对数据源进行 隧机化，然后进行前向纠错编码( f e c ) 和嫩鹾映射。下一步是按照协议规定的帧格式 将q a m 符号变换为突发帧( b u r s tf r a m i n g ) 的形式，并加入突发前缀、保护间隔等数 据符号。然后突发符号被复用为包含两路突发的双路帧( d u p l e xf r a m e ) 。下一步i 路 和q 路符号分别经过突发成形滤波器，然后正交调制到载波频率上，最后经过功率控制， 使用合适的输出功率发射出去。突发特征( b u r s tp r o f i l e ) 参数规定了发送过程中的 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章单载波频域均衡系统 参数。 源 黻谮 正交功率 编码、 叫突发帧 双路帧 调制 一 控制 q a m 映射 橱 信号 图2 2s c f d e 系统信号发射过程 为了避免多个0 符号或1 符号连续出现，信息比特进行编码之前，先进行随机化。 如图2 。3 所示，源比特的随税化透过线性反馈移位寄存器( l 黔装) 进行模2 加运算( x 鼹) 来实现，寄存器的关系表达式为1 + x 1 4 + x 婚。l f s r 在每一帧开始的时刻设定初值 1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 ，时钟的时刻变一次执行一次运算，l f s r 在帧之内不再重新设置初 值。 眷雕l l 舞瞎曩l 婶囊群羹掇麓瞄咎 未蛐。鑫 1o1。1ooo垂。ol 墨 m s b l 石u 篷2 3 随机交织器 级联f e c 基于外部编码和内部编鹦的级联，外部编码和内部编码之间采用随机的比 特交织，如图2 4 所示。外部编码采用g f ( 2 8 ) 上的系统r s 码( r e e ds o l o m o nc o d e ) ， 编码长度n 为2 5 5 ，信息码元长度k 为2 3 9 。内部编码是和码率相匹配的格栅码( t 铡) ， 编码方式是码率为1 2 、约束长度k 为7 的二进制卷积码。编码器输出的码率为1 2 的 卷积码经过删余盾得到码率为2 3 、3 4 、5 6 和7 8 的二进制码。然后得到的编码比特 被映射为星座符号，可以采用的调制方式有b p s k 、q p s k 、1 6 q a m 、6 4 一q a m 及2 5 6 一q a m 。 内部编码 辨帮编码 嚣：特交织( 与礴率褶莲琵豹貉掇编 r s ( n ，k ，t ) ( 随机交织)码，从码率为1 2 约束长 度为7 的卷积码中获取) 图2 。级联的前向纠错编码 7 鬻募邮电大学硕士研冤搬学位论文 第二苹单载波频域均衡系统 在s c 系统中嚼的选取很重要，因为它既要用作频域均餐的循环前缀，又要用于信 道估计。用作循环前缀时要求u w 的长度必须大于信道最大时延的长度。用于信道估计 时要求有好的相关性和宽带的、平稳静频率响应。8 0 2 1 6 d 标准规定墉是 f r a n k - z a d o f f 序列 1 0 或c h u 序列 1 1 。速率在1 2 5 m 符号秒到2 0 m 符号秒范围内 时，支持长度u = 6 4 的潆，并将6 4 设为长度的缺省值。表2 。王列出了潞的类型、长度 和支持方式。 表2 1u w 的类型、长度和支持方式 长度u 序列类型支持方式 ( 符号数) o可选 8 c h u 可选 可选( 速率 1 6f r a n k - z a d o f f在1 2 5 m 符号s 以下时必选) 3 2 c h u 可选 6 4 f r a n k - z a d o f f可选( 缺省傻) 1 2 8c h u可选 可选( 速率 2 5 6f r a n k - z a d o f f在2 0 m 符号s 以上时必选) 5 1 2c h u 可选 长度为u 的u w 序夕 j 的i 蹯和q 路信号刚以由式( 2 3 ) 严生： 砌宁c o s 够啪( 2 - 3 ) q n 】= s i n ( o n ) 其中n 为羔到u 范围内的任意整数，当产生c h u 序列时移( ，l 】= 。i n 1 2 ，产生 f r a n k z a d o f f 序歹g 时毹露】一i n 薹2 。如。嗍和【嚣】由式( 2 4 ) ( 2 5 ) 得到： 瓯阐= 等 ( 2 哪 【n = p + q f u = 面2 z p q ( 2 5 ) 奠中 南瘃郏毫大学矮研嚣釜学穰论文第二零萃载渡频域海鬟系统 p = 0 ，l ，4 u - 1 、 q = 0 , 1 ，4 v 一1 s c 系统的导频字与o f d m 系统的c p 的不同之处在于，在s c 系统中，导频字是参与 f f t 运算的。i e e e8 0 2 1 6 标准的建议方案i e e e8 0 9 1 6 3 建议了s c 系统与o f d m 系统 发送的数据块的结构，如图2 5 所示。s c 系统每一个数据块的长度是f f l i 运算的点数n ， 每一个数据块由p 个负载数据和u 个导频字符号组成；而篮谜系统每一个数据块的长 度是f 辨运算的点数挺加土c p 的长度c ，c p 由受载数据的最蜃c 个符号复制得到。 鬟硼；， l pb莹、v ，雾， 嚣l 妖壤警醐廿驻 币完夔豹s c - - l t i e 数镪鹱 图2 5s c 系统与o f d m 系统数据块结构对比 2 2 。3s c - f d e 频域均衡原理 均衡可以分为频域均衡和时域均衡。所谓频域均衡，是从校正系统的频率特性出发， 使包括均衡器在内的系统的总特性满足无失真传输条件；所谓时域均衡，是利用均衡器 产生的时间波形去壹接校正已畸变的波形，使包括均衡器在内的整个系统的冲激响应满 足无码间串扰条件。 理论上，理想时域均衡的单载波系统和多载波系统性能是相当的，但是当数据率提 高时，无论是增加符号率还是使用更复杂的信号调制方式，都必须使用复杂的均衡器以 保持系统性能不变，受硬件资源的限制，实际的时域均衡器通常达不到最佳性能。不管 是线性还是非线性均衡，传统的时域均衡器复杂度都与信道的最大时延扩展成正比，而 多载波的频域均衡复杂度与信道最大时延扩震的对数成正比。均衡器成了制约单载波时 域系统性能提高的“瓶颈。在美国的数字电视地面传输系统a t s c ( 8 v s b ) 中，郎使接 收枧的均衡器抽头阶数已做到了几百阶，也只能对付几十微秒的静态多径，对强回波和 快速变化的动态多径仍然无能为力。因此下面我们详细介绍一下频域均衡的原理。 9 妻室坚皇奎堂堡主堕壅生堂垡笙茎墨三兰兰塾垫塑苎望箜墨竺 事实上，h 是一个循环阵，因此可以进行特征值分解，得到： h = q a q ( 2 6 ) 其中q 为d f t 变换矩阵，其第( 1 ，k ) 个元素为q u ，k ) = 1 e x p ( - j 2 7 r l k n ) ，a 为对角 阵，其主对角线元素a ( k ，k ) 为h ( n ) 经过n 点d f t 得到的矢量的第k 个系数，( ) 表 示共轭转置。 在接收端串并转换、去处循环前缀后，进行n 点f f t 变换，可以这样表示： y = q 少= a o x + q v = 从+ 矿 ( 2 7 ) 均衡后的频域数据矢量z = w y ，其中w 是一个n x n 的对角阵，w 的第( k ，k ) 个元素 为均衡器的第k 个系数。对频域数据矢量进行n 点i f f t 变换，得时域数据 z = q z = o w y = q + 形人 + q 呦 ( 2 8 ) 最后再并串转换，解调则可得原发送序列。 要完成均衡的最重要的任务是如何求得均衡器的系数，换句话说，在这里要求得对 角阵w ，也即w 主对角线上的n 个元素。 m m s e 均衡时，w 的第( k ，k ) 个元素可以通过下式求得： 阮助= k 媾，轴 砩1 q 啕 其中人为对角阵，其主对角线元素人( k ，k ) 为h ( n ) 经过n 点d f t 得到的矢量的第k 个系数，s n r = 。 当多径衰落信道特性已知时，可由信道冲击响应h ( n ) 进行n 点d f t 变换求得人进 而求得w ，实现均衡。 当信道特性未知或信道时变时，则通常采用的方法是先利用每一帧数据前的导频信 号进行信道估计求得h ( n ) ，然后再用上面的方法进行均衡。 假定发送每一帧数据时信道的频率响应不变，导频信号 ) 的长度为m ，且m n ， 接收到的导频信号为 ，分别对 ) 和 y m ) 进行m 点f f ，r 变换，得到序列 五) 和 z 。 则m 点频率响应估计值 且 ( 1 z m ) 可由下式求得： a ：旦l l m( 2 1 0 ) l x l 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章单载波频域均衡系统 接下来通过频域内插求n 点频响特性。对 马 进行m 点i f f ，r 运算，在得到的长度 为m 的序列的尾部补零至长度为n ，然后进行n 点f f t 运算，就得到n 点频响估计值 马) ( 1 ，n ) 9 。 为提高系统性能，可以使导频信号包含多个训练序列，对信道进行多次估计，然后 取平均值得到子信道的频响特性，最后进行频域内插得到全部子信道的频响。在发送端 连续发送p 个同样的已知的训练数据块，对n 次估计值取平均值： 丘： 壹娶 1，n(2-11) 1 p 铬x t 估计出 ) ( 1 ，n ) 后，从本节前面的内容我们看出，对角阵人的主对角线上 的n 个元素对应的就是 q ( 1 ，n ) 。则可用前面所述的m m s e 或迫零法求得对角 阵w 进而完成均衡。 2 3s c - f d e 系统的演进和应用 s c f d e 系统发送的是调制后的高速率单载波信号，接收端通过f f t 和i f f t 变换来 实现频域均衡，实际上是对接收信号的频域分析。在多径频率选择性衰落信道中进行高 速数据传输时，通常的时域均衡器抽头系数太多，复杂度较高。而s c 系统由于接收端 使用f f t 变换对数据块进行处理，大大降低了接收端的复杂性，提高了系统效率。在使 用线性均衡的s c 系统中，若f f t 运算点数为m ，则每个数据块乘法次数为1 0 9 琴，与0 f d m 系统的复杂度相同。 s c 系统有以下几个主要特征： o s c 系统降低了p a p r ，所以不需要使用昂贵的线性功率放大器； 在存在时延甚至严重的时延扩散时，使用频域均衡的s c 系统能够获得与0 f d m 系统 近似的性能； o s c 系统的复杂度与多径扩散的对数成正比，降低了接收端信号处理的复杂度； 与非自适应0 f d m 系统不同，s c 系统不需要使用编码技术克服频率选择性干扰； 单载波技术已经在现有的有线和无线通信中得到广泛应用，它的射频系统的线性要 求也是为大家熟知的。 在系统功能模块上，0 f d m 和s c 系统的主要差别在于i f f t 模块的位置不同， i e e e 8 0 2 1 6 3 建议了一种双模式系统，这种系统仅仅通过改变i f f t 模块在发送端和接 1 1 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章单载波频域均衡系统 收端的位置，就可以同时支持o f d m 和s c 系统，这样可以灵活高效地发挥两种技术的优 势。 2 4 双模系统 o f d m 和s c 系统的主要硬件差别在于发送方的i f f t 模块移到接收端，因此两种系 统的复杂度是相同的。双模式系统仅仅改变i f f t 模块在发送端和接收端的位置就可以 同时支持两种系统传输。两种系统都可以通过编码、自适应调制和空间分集提高性能。 而且，o f d m 系统可以把降低p a p r 的过程和减轻对功率放大器非线性的高敏感度的过程 部分地结合在一起。s c 系统可以通过增加判决反馈均衡或最大似然估计来提高系统性 能。 基站端用户端 ： 信道t 亘h 堕h 乎 下行链路采用o f d m 发送 下行链路采用o f d m 接收 母七丑吨圃母 信道 上行链路采用s c 接收 上行链路采用s c 发送 图2 6 双模式系统结构 为了更好地发挥双模式系统的优势，建议方案i e e e8 0 2 1 6 3 建议了一种同时支持 s c 技术和o f d m 技术的双模式系统，可以在上行链路使用s c 系统，下行链路使用o f d m 系统，结构如图2 6 所示。基站使用o f d m 发送和s c 接收，用户端采用s c 发送和o f d m 接收。这样设计的优势在于： 基站端有两个i f f t 模块和一个f f t 模块，用户端只有一个f f t 模块，从而把信 号处理复杂的部分集中在基站端。 因为在单载波模式下对发射功率的大小要求较低，射频部分的复杂度较低，所以 从功率消费的角度考虑，用户发送单载波信号可以减少用户的功率发射。 2 5 本章小结 i e e e8 0 2 1 6 d 、e 标准规定了s c - f d e 系统和o f d m 系统两种传输模式。o f d m 系统 1 2 堕室坚皇奎堂堡主堡塞竺堂垡笙壅墨三兰兰望鎏塑垫塑煎墨竺 具有较好的克服多径信道