SC_FDE系统的频域均衡器设计

1、( )Journal of Zhejiang liiiversity( Science Edition)http y/ www. journals, zju. edu. cn/sci第34卷第6期2007年11月Vol. 34 Z、Nov. 2007SGFDE唐金花-陈 晨二陈文正陈偕雄(I.金华职业技术学院信息工程学院浙江金华321017:2.浙江大学信息与电子工程杀浙江杭州310028):在介绍了频域均衡单栽波(SGFDE)杀统的特点和工作原理基础上提出了几种适合于SGFDE系统的频 域均衡器结构:迫零均衡器、最小均方谋差均衡器、最小二乘均衡器、最小均方诛差判决反愦均衡器、频域自适应均 衡

2、器以及釆用OFDM信号处理方式的自适应均衡器分别在SUM和SUM信道条件下通过Matlab平台上的性 能仿直对提出的几种均衡器进行了比较.得出了一些有实际意义的结论.:SCFDE;均衡器：B3G4G:TN914. 3: A:1008 9497(2007)06 640 04TANG Jiirhua1 . CHEN Chen? , CHEN Weirzheng2 , CHEN Xi(r xiong2 ( 1. Inf ormation Engineering College. J inhua College of Profession and Technology , J inhua 321017

3、 China： 2 Department of Inf ormation and Ele(r tronic Engineering , Zhejiang University 9 Hangzhou 310028, China)Equalizer design in frequency domain of SCFDE system. Journal of Zhejiang University (Science Edition) . 2007 .34 (6):640643Abstract : Having introduced the distinguishing feature and mec

4、hanism of single-carrier with frequency domain equalizer (SC-FDE) system, several kinds of equalizer structure in frequency domain which are suitable for SCFDE system are proposed such as zero forcing equalizer . minimum mean square error equalizer least square equalizer , minimum mean square errord

5、evision feedback equalizer adaptive frequency domain equalizer and adaptive equalizer with the signal processing method by OFDM. Furthermore by using performance simulations on Matlab platform under SU卜3 and SUF5 channels respectively, those equalizers are compared and some meaningful conclusions ha

6、ve been made.6 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. AU rights “served. hltp:/( )Journal of Zhejiang liiiversity( Science Edition)http y/ www. journals, zju. edu. cn/sci第34卷第6期2007年11月Vol. 34 Z、Nov. 20076 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. AU rights

7、 “served. hltp:/( )Journal of Zhejiang liiiversity( Science Edition)http y/ www. journals, zju. edu. cn/sci第34卷第6期2007年11月Vol. 34 Z、Nov. 20072006-07-05.浙江省自然科学基金资助巩目(No. Y104008).唐金花(1966)女教授主要从事通信与信息系统研究.Key words: SOFDE; equalizer: B3GMG下一代移动通信系统(B3CV4G)主要有以下性 能特点(：(!)传输速率在低速移动和固定情况下达 20 Mbps，在高速移

8、动情况下达2 Mbps;容量达 到3G系统的510倍.传输质量相当于或优于3G 系统；(3)小区覆盖范围等于或大于3G系统；(4)在 不同速率间能够自动切换，以保证通信质量；(5)网 络的比特成本低干3G系统.由此可见B3GMG的 传输速率相比于3G将大幅度提高.而传输速率的 提高意味着多径衰落引起的码间干扰ISI加剧.目 前的移动通信系统采用时域均衡来克服ISI.但是时 域均衡的复杂度随着传输速率的提高而快速递増， 所以普遍认为时域均衡单载波调制技术不能满足下 一代移动通信的需要多栽波调制正交频分复用 (OFDM)技术将取而代之.OFDM技术由于采用了 特殊的信号处理方式山，对抗多径衰落的能

9、力无与 伦比，而大规模集成电路技术又保证了其硬件的可 实现性其复杂度基本上随着传输速率的提高而线 性增长但是OFDM也有两大缺点：(1)由于要保证 各个子载波间的严格正交对相位噪声和频偏特别 敏感，仅1帰的频偏就会导致系统性能下降30 dB: (2)峰平比PAPR大.导致了射频放大器的功率效 率降低限制了系统的动态范围或者要增加系统的 成本.因此又有学者重新提起频域均衡单载波调制 6 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. AU rights “served. hltp:/第6期唐金花等SCFDE不统的贡域均衡

10、器设计642(SOFDE:Single Carrier Modulation with Frequency Doinain Equalization)技术.SC-FDE 采用 OFDM 中的信号处理方式大大降低了均衡的复杂度(与 OFDM系统相当)又保留了单载波调制的优势具 有3个特点宀7 : (1)与OFDM相比.降低了对相 位噪声、频偏的敏感性和PAPR.从而降低了接收端 调谐器的精度要求.也降低了功率放大器等模拟器 件的成本,可以利用单载波成融的射频技术；(2)与 时域均衡单载波系统相比抗多径能力増强而均衡 器复杂度大大降低；(3)与OFDM在系统结构上相 近.可与OFDM共存.可以说S

11、C-FDE融合了 OFDM调制和单栽波调制的优点又克服了两者的 不足具有很好的应用前景.所以被IEEE802. 16标 准收录2,. SC-FDE的优势也正是B3G4G所希望 的有人预言它将与OFDM取长补短、互相融合在 下一代移动通信系统中占有一席之地.本文主要研究适合于SC-FDE系统的频域均衡 器的设计.1 SCFDE本节首先简述一下SC-FDE的原理和数学模 型以方便下文的讨论.SOFDE的系统组成如图1所示，为了方便讨 论图中省略了符号映射、成形滤波、FFT和IFFT前 后的串/并及并/串变换、信号编解码信号流程为: 将输入信号分成长度为M)的数据块块之间插入 长度为Z的酬缀，形成长

12、度为N的数据块送入信 道.接收端同步后去掉前缀对每个传输符号变换 到频域.进行均衡后再恢复回到时域就得到接收 信息.这里的频域均衡器是单抽头滤波器.吨站媲血=翻;a牛丽口均編白IFFT円判决口图1 SCFDE茶统框图Fig. 1 The block diagram of SQFDE system设每N个映射后的码元宀组成一个传输数据 块(符号丿信道冲激响应为加，令符号的码元数 小于倍道冲激响应的长度.则每个接收到的数据符 号可以表示为yn = ht, x” + vn =0.1 .N 1. (1) 式中片为加性的高斯白噪声(AWGN)其方差为 :噪声的特征变量相互独立.Q为卷积符号FFT 将信号

13、变换到频域可表示为Yk = XkHk + Vi9 k = 0 J , 1(2丿 式中.HW分别是信道的频率响应和噪声的傅立 叶变换，假设同步和信道估计都是理想的，进行频域 均衡以后Zi = Wk YkHk + WkVk .Wa为频域滤波器的系数判决前的信号;土 * n h的 + 土 刀m3：（4）N k .N QSC-FDE系统一般有同步需要的前导开销，而 前导符号正好可以用来进行初始的信道估计这样 更有利于均衡器系数的确定下文讨论的均衡器设 计部是针对有前导序列的SC-FDE系统.频域均衡器的设计准则与时域均衡器的一样. 有峰值畸变准则、均方误差准则、等等，下面分别 根据这些准则设计出适合于

14、SC-FDE系统的频域均 衡器.2. 1 (ZF)迫零的含义是均衡的目标实现码间干扰为零, 此准则下得到的均衡器结构如图2所示.图2 ZF均衡器的结构根图Fig. 2 The structure block diagram of ZF equalizer 图中均衡器的系数为=十.这种方法对频谱凹陷点的补偿量大补偿直接 放大时也放大了噪声容易产生误差.2.2 (MMSB该准则要求到虫值忍期望值的均五差最小二MMSE均衡器的系数为H；I /i I 2 + / PWk式中汕是弘的共純，,是噪声的方差.尸是信号 的功率该准则的补偿加入了信噪比的修正项比 ZF的均衡效果好.2.3 (LS)MMSE需要信

15、号和噪声的统计特性一般很难 得到丄S就是根据有限符号序列来近似估计，和 P.LS均衡器的系数为Wk =Uk 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights resen ed. hltp:/A643浙辽大学学报(理学版)第34卷 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserx ed. Iitlp:/644浙辽大学学报(理学版)第34卷其中UiL HYk YkE _l I Di ICl)统处

16、理方式得到启发还可以用另一种方法进行均 衡器系数的调整如图5所示./. /表示求期望值.2.4(MMSE-DFE)这种均衡器是一种跨时、频域的反馈结构(见图 3八可以消除严重的频率选择性衰落.图中判决前的信号为z = yv* - yy虑“点.理论上带判决反馈的均衡器比无反馈的能达到 更好的效果但是实际上由于误差扩散的作用.均衡 器对于误码率的贡献又被误差扩散抵消.2. 5自适应均衡一般有最小均方(LMS)、最小二乘 (LS)和递归最小二乘(RLS丿等方法.信道响应估计1FFT1厂环路滤波UW期望响应1 FFT |1 州妙1均術器系数询整国5采用OFDM信号处理方式的自适应均衡器结构桩图Rg.

17、5 The block diagram of adaptive equalizer with the same signal processing as OFDM均衝器系数比汁算I时域反馈滤波妝训练一Lfft丄T fft 卜H h： I ifftI-yi/t 判决S3 判决反愦均衡器结构權图Fig. 3 The structure block diagram of MMSE-DFE 由于SC-FDE系统中数字是分成符号(数据块丿 来处理的，所以梯度函数可以用数据块及其期望响 应来表示，每符号的均衡器系数调整方法为丿=IV1 - 2 1(,式中上标(表示符号的序号.是误差的频域 表示频域自适应均

18、衡可以获得更加精确的梯度向 量估计，因为均衡器的抽头系数以符号为单位梯度 向量估计在一个符号长度内取了时间平均.对于SC-FDE系统，循环前缀可以采用UW (Unique Word)结构.如果采用UW做保护间隔，由 于UW接收端是已知的可以有准确的期望值，自 适应均衡也变得相对简单采用LMS准则的自适 应均衡器如图4所示.3对前文提出的几种均衡器结构在Matlab平台 上进行仿真以比较它们的均衡效果.3. 1本文仿真时帧结构采用以UW作为前导和循 环前缀加数据符号.数据块的长度为256 .其中U W 长度为32 .帧长为1 000符号.为了均衡的需要及兼 顾发送放大器U W选择具有平稳幅度响应

19、和仅在 零点相关的序列其它仿真参数为：信道带宽为2. 5 MHz:采样间隔0.4ms:数据率10 Mbps:FFT点数 为256;净比特率 7. 875 MHz:映射方式选择 QPSK 和 16QAM.信道选择SUI模型EEE802. 16协议推荐了 SU1模型的6种适用环境，分别对应6种衰落模型 SUF1SUI-6.本文选择SU卜3和SUF5,然后加 AWGN噪声.T FFT崛 1眉!亠提取uwl判决11(7)1rFFF|-eUW期 辺响应S4 LMS准则下自适应均衡器结构框图Fig. 4 The block diagram of adaptive equalizer with LMS cr

20、iterion自适应均衡器除了 LMS准则外由OFDM系对前文介绍的几种均衡器分别进行仿真以比较 其性能结果见图6和图7.比较图6和图7可以发现信道的状况对均衡的 效果影响很显菩.SUM信道比SU卜3信道性能要 恶化近5 dB.而均衡方法的性能比较理论上.LS 均衡效果应该比ZF好但是仿真结果表明这个改 善并不明显，原因是本文的仿真中只用了两个序列 的前导字:判决反馈均衡DFE因为只用了单抽头的 反馈滤波器和近似的统计值所以效果提升也不明 显总的来说性能从优到劣的排序为：DFE ?LS XZF 这与从理论上得出的结论是一致的. 1994-2010 China Academic Journal

21、Electronic Publishing House. All rights reserx ed. Iitlp:/第6期唐金花等SCFDE不统的贡域均衡器设计6456 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserx ed. htlp:/第6期唐金花等SCFDE不统的贡域均衡器设计646aaAaiaa&siitxaia:.tsistaeaaaaaxi QPSK 16QAM10“ ZF! - MMSE :十LSo DFE反馈的均衡器f自适应均衡器而复杂度也是按照 这个顺序递増的所以在实

22、际应用时应折中考虑.(References):(11 FALCONER D Beyond 3G Challenge/OL . 2004- 01ll online available at: http :/ www. see carlc ton.ca/bcws.ppt.|2| FALCONER D. ARIYAVISITAKUL SL Frequency domain equalization for 2-11 GHz broadband wireless systems!J/OL . 2001-01-18 IEEE802 16. Document Number: IEEE80216t-01/0

23、1 t online available at http :/ wirelessman. org/ tg3/cont rib/ 80216t-01/01 pdf.3 NEE R V. PRASAD R OFDM for Wireless Multinir dh Conunuiikations M | London: Ar tech House . 2000.4 FALCONER D. ARIYAVISITA KUL S L . BEN V AMIN A , et al. Frequency domain equalization for single-carrier broadband wir

24、eless systems. White Pa- perJ/ OL |. 2002*02-15.online available at: http :/ www. sce.carleto n.ca/ bbw/papers/ Falconer .pdf 5 HU EM ER M . KOPPLER A , WEIGEL R et al. A review of cyclically extended single carrier transmission with frequency domain equalization for broadband wireless transmission J Euro Irans leleconmis, 2003, (14) : 329-341.|