基于信道估計(jì)的改進(jìn)單載波頻域塊LMS算法研究
1 引言
在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，由于多徑效應(yīng)引起碼間干擾，多徑時(shí)延擴(kuò)展到數(shù)十到數(shù)百個(gè)符號(hào)，從而導(dǎo)致接收信號(hào)的波形失真引起誤碼。均衡是現(xiàn)代通信中廣泛采用的消除碼間干擾，減小系統(tǒng)的誤碼率的一種常用技術(shù)。它是將接收機(jī)的均衡器產(chǎn)生與信道相反的特性，用來抵消由信道時(shí)變多徑傳播特性引起的碼間干擾(ISI)。在對(duì)抗多徑衰落信道方面，基本的傳輸技術(shù)可以分為單載波和多載波兩大類。
在多載波技術(shù)中，典型代表是正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)，它通過IFFT(快速傅立葉反變換)變換將原始的數(shù)據(jù)符號(hào)調(diào)制到正交的子載波上，頻譜利用率高，系統(tǒng)復(fù)雜度較低。
但對(duì)定時(shí)誤差和載波同步比較敏感，峰均功率比(PAPR)較大。
單載波系統(tǒng)時(shí)域均衡的方式是利用波形補(bǔ)償?shù)姆椒▽⑹д娴牟ㄐ沃苯蛹右孕Ｕ?如線性均衡(LE)和判決反饋均衡(DFE)。單載波時(shí)域均衡技術(shù)已經(jīng)在有線和無線通信中得到廣泛的應(yīng)用，但是時(shí)域均衡器復(fù)雜度與信道最大時(shí)延擴(kuò)展成正比，時(shí)延擴(kuò)展越大，需要的抽頭階數(shù)越高，因此增加了實(shí)現(xiàn)難度[1].
單載波頻域均衡(SC-FDE,Single Carrier Frequency -Domain Equalization)是解決寬帶無線通信系統(tǒng)中多徑衰落問題的一個(gè)比較新的方案，近年來對(duì)單載波頻域均衡的研究逐漸增多，并且在IEEE 802.16 無線城域網(wǎng)中，將OFDM 技術(shù)和基于單載波頻域均衡的傳輸方案納入標(biāo)準(zhǔn)[2].單載波頻域均衡技術(shù)綜合了單載波調(diào)制和OFDM 的優(yōu)點(diǎn)，是一種很有競(jìng)爭(zhēng)力的對(duì)抗多徑衰落信道的技術(shù)。
單載波頻域均衡在接收端使用FFT(快速傅立葉變換)變換對(duì)數(shù)據(jù)塊進(jìn)行處理，大大降低了接收端的復(fù)雜性，提高了系統(tǒng)效率，常見的有線性均衡，頻時(shí)混合的判決反饋均衡，頻域塊最小均方等算法。由于SC-FDE 在系統(tǒng)的初始化啟動(dòng)過程中收斂速度較慢，因此本文將通過引入基于滑動(dòng)相關(guān)的信道估計(jì)的算法的改進(jìn)來提高收斂速度，來使系統(tǒng)更快達(dá)到穩(wěn)定性，使用仿真分析和實(shí)際應(yīng)用來驗(yàn)證改進(jìn)算法的特性。
2 單載波頻域均衡算法原理
單載波頻域系統(tǒng)如圖1 所示。在發(fā)射端，輸入數(shù)據(jù)經(jīng)過映射(4QAM 或16QAM 等方式)后，加上幀頭(PN 序列)組成幀，然后經(jīng)過信道發(fā)出。在接收端，去掉幀頭，通過FFT 和IFFT變換來實(shí)現(xiàn)頻域均衡，再通過對(duì)信號(hào)進(jìn)行解映射，最后輸出數(shù)據(jù)。
單載波頻域均衡是基于把接收的數(shù)字信號(hào)按塊在頻域進(jìn)行處理，運(yùn)用信號(hào)處理中時(shí)域卷積等價(jià)于頻域相乘的原理，并充分利用成熟的(快速傅立葉變換)FFT 算法，降低系統(tǒng)的復(fù)雜度，提高均衡器的收斂速度。這里頻域均衡部分采用頻域塊最小均方(FBLMS)算法[3].
由于 FBLMS 算法中已經(jīng)使用LMS 作為自適應(yīng)更新的方式，傳統(tǒng)方法一般是將抽頭系數(shù)的初始值一般設(shè)為1,再用盲均衡算法如啟停算法(SAG)，恒模算法(CMA)[4]的方法來進(jìn)行啟動(dòng)。盲均衡算法是作為訓(xùn)練模式和判決模式的補(bǔ)充手段，利用數(shù)據(jù)本身的特性來恢復(fù)發(fā)送的原始數(shù)據(jù)。但是存在啟動(dòng)速度慢，在某些惡劣的信道條件下甚至無法很好的正常工作的缺點(diǎn)。因此提出引入信道估計(jì)的改進(jìn)算法來改善這一情況。
3 信道估計(jì)算法
利用發(fā)送數(shù)據(jù)的已知幀頭數(shù)據(jù)，用信道估計(jì)的方法求得一個(gè)初始值賦值給均衡器的抽頭系數(shù)。由于信道估計(jì)值已經(jīng)包含了一部分正確的信道信息，均衡器用這部分正確的抽頭系數(shù)進(jìn)行更新，在初始引導(dǎo)正確后再進(jìn)行信道跟蹤就較為容易。因此可以加快系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)的速度，優(yōu)化了傳統(tǒng)的FBLMS 的算法。在系統(tǒng)中只用信道估計(jì)的算法做初值的賦值，數(shù)據(jù)的均衡算法仍采用頻域塊最小均方算法自適應(yīng)收斂。考慮相關(guān)信道估計(jì)算法實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單，十分適合用來做初步的信道估計(jì)。
相關(guān)信道估計(jì)算法[5]工作原理如圖3 所示，這里以3 徑的情況為例進(jìn)行說明。發(fā)送偽隨機(jī)序列(PN 序列)長(zhǎng)度為N,在經(jīng)過多徑信道之后，發(fā)送PN 序列變成了分別經(jīng)歷了不同延時(shí)和衰落的3 徑PN 信號(hào)。接收PN 信號(hào)正是這3 徑的混合。從接收PN 信號(hào)的起始時(shí)刻開始，本地PN 序列滑動(dòng)移位與接收PN 信號(hào)作滑動(dòng)相關(guān)。在本地PN 序列滑動(dòng)到與3 徑信號(hào)吻合的3 個(gè)時(shí)刻，相關(guān)器分別輸出3 個(gè)相關(guān)峰，而其它時(shí)刻則輸出幅度較小的相關(guān)值。整個(gè)相關(guān)過程中相關(guān)器的輸出作為信道沖擊響應(yīng)的估值h.
用相關(guān)方法的具體步驟如下：
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