王杰令，劉祖軍，楊 宏,2，易克初

(1. 西安電子科技大學(xué)綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安 710071; 2. 中國(guó)空間技術(shù)研究院總體部 北京 海淀區(qū) 100094)

信道的頻率選擇性衰落會(huì)使發(fā)送信號(hào)產(chǎn)生符號(hào)間干擾(inter-symbol interference，ISI)，使接收機(jī)產(chǎn)生高的差錯(cuò)率，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的傳輸性能。均衡技術(shù)是補(bǔ)償或消除ISI的一種有效方法，最大似然序列估計(jì)(maximal likelihood sequence estimate，MLSE)被認(rèn)為是無線信道中消除ISI的最佳均衡技術(shù)，然而其維特比(Viterbi)算法的復(fù)雜度以LM呈指數(shù)型增長(zhǎng)，其中M為調(diào)制星座點(diǎn)數(shù)，L為信道響應(yīng)長(zhǎng)度[1-2]。針對(duì)Viterbi算法的計(jì)算復(fù)雜度過高，提出了一些簡(jiǎn)化或替代算法，如線性均衡器和簡(jiǎn)化的Viterbi算法。當(dāng)信道引起的信號(hào)變化比較微弱時(shí)，廣泛采用的均衡方法是自適應(yīng)線性均衡技術(shù)，但線性均衡算法在消除ISI的過程中往往會(huì)增強(qiáng)背景噪聲，當(dāng)信道深衰落時(shí)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的性能惡化[3]。通過降低Viterbi算法的狀態(tài)數(shù)目，只保留柵格中可能性比較大的幾條路徑，就可以大幅度降低算法復(fù)雜度，達(dá)到接近于最大似然算法的性能[4]。與線性均衡技術(shù)結(jié)合的判決反饋(decision feedback，DF)均衡器采用一種最常用的非線性均衡技術(shù)，其復(fù)雜度隨濾波器長(zhǎng)度線性增長(zhǎng)，被廣泛認(rèn)為可以比線性均衡器提供更優(yōu)的穩(wěn)態(tài)性能[5]。

無限沖激響應(yīng)(infinite impulse response，IIR)均衡器可通過迭代的方式以很低的算法復(fù)雜度逐符號(hào)完全消除ISI，與有限沖激響應(yīng)(finite impulse response，F(xiàn)IR)均衡器相比，在相同的頻率響應(yīng)時(shí)IIR均衡器只需更低的階數(shù)、更小的存儲(chǔ)容量以及更小的群延時(shí)[6]。但是IIR均衡器在迭代過程中會(huì)產(chǎn)生背景噪聲累積，與DF技術(shù)相結(jié)合的IIR均衡器可以消除噪聲累積現(xiàn)象，但系統(tǒng)性能受到誤差傳播的影響，即如果一個(gè)符號(hào)檢測(cè)存在錯(cuò)誤，那么DFE對(duì)下一個(gè)符號(hào)的檢測(cè)會(huì)受到影響，因此誤差傳播成為DF-IIR均衡器需要解決的問題[7]。

本文通過一種零后綴(zero postfix，ZP)的幀結(jié)構(gòu)保留信號(hào)通過信道后的多徑分量[8]，將每幀接收信號(hào)通過DF-IIR均衡器得到對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)塊的估計(jì)，并根據(jù)該初始估計(jì)與信道沖激響應(yīng)(channel impulse response，CIR)重構(gòu)通過信道所有路徑的信號(hào)，然后提出一種多徑分離結(jié)構(gòu)，將接收信號(hào)中的主徑和各條多徑分量區(qū)分開，再將各徑分量按照最大比的方式合并(maximal ratio combining，MRC)[9]之后再解調(diào)判決，從而在非擴(kuò)頻系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)RAKE接收[10]。通過多徑合并，信噪比可以顯著提高，有效抑制判決反饋均衡器中的誤差傳播問題，提高檢測(cè)性能。

1 信道模型以及均衡器原理

圖1 IIR均衡系統(tǒng)的等效基帶模型

發(fā)送信號(hào)通過多徑信道后到達(dá)接收機(jī)，接收信號(hào)可表示為：

可見，IIR均衡器可以完全消除ISI，但是在迭代檢測(cè)過程中會(huì)出現(xiàn)背景噪聲的累積，從而影響檢測(cè)性能，而判決反饋技術(shù)可以改善該現(xiàn)象。

2 多徑合并算法

本文通過長(zhǎng)度不小于L的ZP保留通過信道的各多徑分量，當(dāng)通過DF-IIR均衡器達(dá)到初始估計(jì)并進(jìn)行多徑信號(hào)的重構(gòu)后，便可從接收信號(hào)中分離出各多徑分量，從而進(jìn)行MRC合并。

2.1 DF-IIR均衡器

DF-IIR均衡器的傳遞函數(shù)與迭代公式分別為：

式中表示對(duì)A解調(diào)判決。從式(6)中可以看出，DF-IIR均衡器是在對(duì)符號(hào)逐個(gè)解調(diào)判決后再進(jìn)行迭代濾波，因此消除了噪聲累積的問題，可取得比IIR均衡器更優(yōu)的檢測(cè)性能。然而DFE同時(shí)也會(huì)帶來誤差傳播(error propagation，EP)現(xiàn)象，即當(dāng)某個(gè)符號(hào)的判決存在錯(cuò)誤時(shí)，DFE對(duì)下一個(gè)符號(hào)的檢測(cè)會(huì)受到影響并也可能出現(xiàn)檢測(cè)誤差，因此DFE也很難達(dá)到理想MLSE算法的檢測(cè)效果。

2.2 合并算法及其性能分析

本文提出的合并算法模型如圖2所示。

圖2 合并算法模型

最后，將從接收信號(hào)中提取出的各多徑分量同步后，再以MRC的方式合并，其輸出為：

3 仿真結(jié)果與分析

圖3 誤碼率特性曲線

從圖3可以看出，SUI-5信道嚴(yán)重的頻率選擇性衰落使“直接判決”出現(xiàn)很高的誤碼率平臺(tái)效應(yīng)；而IIR均衡器由于存在噪聲累積現(xiàn)象，誤碼率也很高；結(jié)合判決反饋的DF-IIR算法可以消除噪聲累積現(xiàn)象，明顯地降低了IIR算法的誤碼率；合并算法在DF-IIR的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步改善檢測(cè)性能，當(dāng)誤碼率為10?4時(shí)，新算法比DF-IIR可以改進(jìn)1 dB左右。而在SUI-5信道條件下，根據(jù)前邊的分析公式不難得到，理想的MRC合并也僅可以比理想的IIR均衡器帶來約1.5 dB的信噪比增益。

4 結(jié) 束 語

本文在非擴(kuò)頻的單載波傳輸系統(tǒng)中提出了實(shí)用的RAKE合并接收方案，該方案是在基于逐符號(hào)檢測(cè)的DF-IIR均衡器基礎(chǔ)上提出的，多徑分量的分離與合并過程只需要一些加減運(yùn)算即可完成，計(jì)算復(fù)雜度不高。由于RAKE接收機(jī)需要各支路的輸出分量相互獨(dú)立，因此只能應(yīng)用于擴(kuò)頻系統(tǒng)以及超寬帶(ultra-wide band，UWB)等系統(tǒng)[10]。本文通過一種新穎的多徑分離結(jié)構(gòu)，將各多徑分量相對(duì)獨(dú)立地分離開，從而使RAKE接收的MRC算法能夠?qū)崿F(xiàn)。然而，由于初始檢測(cè)存在誤差，合并算法仍然難于達(dá)到MLSE的性能。另外，本文選擇DF-IIR均衡作為初始檢測(cè)算法，MMSE或者自適應(yīng)等算法也可以采用，甚至合并算法的輸出結(jié)果也可以用于進(jìn)行多徑信號(hào)的重構(gòu)和分解，初始檢測(cè)算法的可靠性越高，合并后的性能就越接近于MLSE算法。

[1] PROAKIS J G. Digital communications[M]. New York:McGraw-Hill, 1989.

[2] 謝勝琳, 唐友喜, 邵士海, 等. 衰落信道中二維擴(kuò)頻系統(tǒng)的抗單音干擾性能[J]. 電子科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2007, 36(2):167-169.XIE Sheng-lin, TANG You-xi, SHAO Shi-hai, et al.Performance of two dimensional spread spectrum system with single-tone jamming environment in rayleigh channels[J]. Journal of Electronic Science and Technology of China,2007, 36(2): 167-169.

[3] CLARK A P. Adaptive detectors for digital modems[M].London: Pentech, 1989.

[4] BENVENUTO N, BETTELLA L, MARCHESANI R.Performance of the Viterbi algorithm for interleaved convolutional codes[J]. IEEE Trans Vehicular Technology,1998, 47(3): 919-922.

[5] VALCARCE R L. Realizable linear and decision feedback equalizers: properties and connections[J]. IEEE Trans Signal Processing, 2004, 52(3): 757-773.

[6] RADER C M, JACKSON L B. Approximating noncausal IIR digital filters having arbitrary poles, including new Hilbert transformer designs, via forward/backward block recursion[J]. IEEE Trans Circuits and Systems—I: Regular Papers, 2006, 53(12): 2779-2787.

[7] LOPES R R, BARRY J R. The soft-feedback equalizer for turbo equalization of highly dispersive channels[J]. IEEE Trans Communications, 2006, 54(4): 783-788.

[8] OHNO S. Performance of single-carrier block transmissions over multipath fading channels with linear equalization[J].IEEE Trans Signal Processing, 2006, 54(10): 3678-3687.

[9] CHOI W, ANDREWS J G. Improved performance analysis for maximal ratio combining in asynchronous CDMA channels[J]. IEEE Trans Wireless Communications, 2007,6(9): 3297-3305.

[10] MA Yao, JIN Jing-hua. Unified performance analysis of hybrid-selection/equal-gain combining[J]. IEEE Trans Vehicular Technology, 2007, 56(4): 1866-1873.

[11] FALUJAH I A, PRABHU V K. Performance analysis of PSK systems in the presence of slow fading, imperfect carrier phase recovery, and AWGN[J]. IEEE Proceedings Communications, 2005, 152(6): 903-911.

[12] ZHANG Ji-sheng, LI Yong-qian, ZHANG Shao, et al.Performance analysis of temperature and strain simultaneous measurement system based on heterodyne detection of brillouin scattering[J]. Journal of Electronic Science and Technology of China, 2008, 6(4): 381-386.