項(xiàng) 菲，王勤果

（1.四川理工學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院，四川自貢643000;2.中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036）

應(yīng)用于窄脈沖超寬帶通信的均衡算法及其實(shí)現(xiàn)*

項(xiàng) 菲1，王勤果2，＊＊

（1.四川理工學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院，四川自貢643000;2.中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036）

由于高傳輸速率及多徑效應(yīng)的影響，在窄脈沖超寬帶（IR－UWB）通信系統(tǒng)中，基于傳統(tǒng)橫向?yàn)V波器的時(shí)域均衡技術(shù)已無法對(duì)抗嚴(yán)重的碼間干擾。通過收發(fā)兩端聯(lián)合設(shè)計(jì)，提出了一種以數(shù)據(jù)塊為基礎(chǔ)的基于碼元的頻域均衡技術(shù)，同時(shí)介紹了其應(yīng)用前提和算法實(shí)現(xiàn)。仿真結(jié)果表明，所提方法能有效對(duì)抗超寬帶通信系統(tǒng)中存在的碼間干擾，是窄脈沖超寬帶通信系統(tǒng)中更為現(xiàn)實(shí)的技術(shù)選擇。

窄脈沖;超寬帶;時(shí)延擴(kuò)展;頻域均衡;循環(huán)卷積

1 引言

在基于窄脈沖的超寬帶（IR－UWB）通信系統(tǒng)中，信道時(shí)延擴(kuò)展較大，多徑效應(yīng)明顯。在低占空比情況下，碼間干擾（ISI）往往可以忽略不計(jì)，但是隨著傳輸速率的提升，信號(hào)占空比明顯增加，已無法避免前后波形之間的重疊，從而帶來嚴(yán)重的碼間干擾［1］。因此，在超寬帶通信系統(tǒng)中必須采用有效的均衡技術(shù)對(duì)抗這種干擾。

常用的時(shí)域均衡技術(shù)以橫向?yàn)V波器為核心［2］，這種濾波器具有多個(gè)延時(shí)抽頭。但是，在具有較長通信距離的超寬帶應(yīng)用中，當(dāng)碼元速率達(dá)到100 Msymbol/s時(shí)，1’s的多徑時(shí)延會(huì)干擾上百個(gè)碼元，很難想象上百個(gè)抽頭反饋系數(shù)計(jì)算的復(fù)雜程度。實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)延時(shí)抽頭超過10個(gè)，其收斂時(shí)間及運(yùn)算復(fù)雜度通常已難以接受［3］。因此，尋求一種結(jié)構(gòu)更簡單、收斂時(shí)間更快、運(yùn)算量更低的均衡技術(shù)是超寬帶通信技術(shù)面臨的重要課題。

2 基于數(shù)據(jù)塊的頻域均衡技術(shù)

2.1 構(gòu)造插入循環(huán)前綴的塊傳輸結(jié)構(gòu)

根據(jù)數(shù)學(xué)推導(dǎo)，信號(hào)和傳輸信道在時(shí)域的卷積變換到頻域就成了簡單的乘積關(guān)系。利用這一特性，可以在頻域?qū)崿F(xiàn)單抽頭（One－Tap）均衡，有效降低實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度。

由于時(shí)域的循環(huán)卷積通過FFT變換可以轉(zhuǎn)變?yōu)轭l域乘積，但信號(hào)經(jīng)過傳輸信道是線性卷積，因此通過在每個(gè)傳輸塊前加入循環(huán)前綴（CP），可以將線性卷積轉(zhuǎn)化為循環(huán)卷積［4］。因此，就需要在時(shí)域構(gòu)造發(fā)射信號(hào)與多徑信道循環(huán)卷積的結(jié)果，其原理如圖1所示。

圖1 插入循環(huán)間隔的塊傳輸方式Fig.1 Data block transmission by inserting intercycle

首先在發(fā)射端將待傳輸?shù)亩鄠€(gè)基本數(shù)據(jù)劃分成若干數(shù)據(jù)塊，然后在數(shù)據(jù)塊之間插入具有多徑時(shí)延擴(kuò)展長度保護(hù)間隔，即循環(huán)前綴（CP）。在接收端則對(duì)接收數(shù)據(jù)分塊，將每塊信號(hào)在多徑保護(hù)間隔內(nèi)擴(kuò)展的信號(hào)疊加到該數(shù)據(jù)塊的頭部，這樣就構(gòu)造出頻域做均衡計(jì)算的前提條件，均衡后再變回時(shí)域即可。

應(yīng)該注意到，由于循環(huán)前綴是發(fā)射數(shù)據(jù)的重復(fù)，不攜帶其他信息，因此傳輸CP意味著系統(tǒng)發(fā)射功率中部分能量的浪費(fèi)。為了減少能量損失，可以留出一段空閑時(shí)刻（ZP），接收端將多徑在每個(gè)傳輸塊ZP中產(chǎn)生的信號(hào)補(bǔ)到該碼元的開始位置，同樣可以將線性卷積轉(zhuǎn)化為循環(huán)卷積。圖2給出了塊傳輸中分別加CP和ZP的傳輸信號(hào)形式。

圖2 塊傳輸數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Fig.2 Data structure of block transmission

循環(huán)前綴長度取決于信道多徑時(shí)延，同時(shí)需要兼顧傳輸效率。在某系統(tǒng)中，最大多徑時(shí)延約為1 μs，因此將保護(hù)間隔長度設(shè)計(jì)為1 μs。權(quán)衡傳輸效率和接收端的處理復(fù)雜度一般可以將保護(hù)間隔和數(shù)據(jù)塊的比例定為1∶4，即每個(gè)數(shù)據(jù)塊的長度為4 μs。在本文所述目標(biāo)系統(tǒng)中，分塊長度為2 048個(gè)碼片周期（4.096 μs），塊與塊之間的保護(hù)間隔是512個(gè)碼片周期（1.024 μs）。因此，每個(gè)塊為2 048個(gè)采樣點(diǎn)，后續(xù)算法將采用上述參數(shù)。

2.2 算法實(shí)現(xiàn)

通過上述在發(fā)射端采用插入保護(hù)間隔分塊數(shù)據(jù)傳輸方式，從而為接收端進(jìn)行低復(fù)雜度的頻域均衡創(chuàng)造了可行條件。

在復(fù)雜地形環(huán)境下，尤其需要考慮在有限的擴(kuò)頻增益下提高分集增益和抑制多徑干擾的能力。對(duì)接收信號(hào)先進(jìn)行分集和解擴(kuò)，得到分集接收（Rake）合并后的碼元信號(hào)，再在碼元級(jí)別上進(jìn)行均衡，其性能要優(yōu)于直接對(duì)接收碼片均衡再解擴(kuò)。因此，本文采用一種碼元級(jí)的頻域均衡方案，其處理方案如圖3所示。

圖3 基于碼元級(jí)的頻域均衡Fig.3 Frequency domain equalization based on symbol

可以看到，插入循環(huán)前綴后，基于碼元級(jí)別的頻域均衡通過兩個(gè)部分實(shí)現(xiàn):頻域的分集接收和頻域判決，即將碼元當(dāng)作期望信號(hào)，先做Rake，得到碼元級(jí)別的信號(hào)，再做均衡和判決，下面分別介紹。

2.2.1 頻域 Rake 處理

3 仿真與分析

為檢驗(yàn)文中算法在超寬帶通信中的應(yīng)用情況，分別在3種工作環(huán)境下對(duì)誤包率（PER）達(dá)到1%所需的信噪比（Eb/N0）進(jìn)行仿真。不同工作環(huán)境的描述如表1所示。

表1 仿真信道環(huán)境描述Table1 Channel condition for emluator

其中信道模型選用 IEEE802.15.4a［6］提供的第6類UWB信道（室外傳輸無直視路徑），分別以20 Mb/s和100 Mb/s數(shù)據(jù)傳輸速率為前提考慮了兩種多徑情況:短多徑情況，最大多徑時(shí)延擴(kuò)展100 ns，可分辨多徑50條;長多徑情況，最大多徑時(shí)延擴(kuò)展1 μs，可分辨多徑500條。仿真結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 數(shù)據(jù)速率100 Mb/s、多徑時(shí)延分別為100 ns和1μs時(shí)的PER～Eb/N0Fig.4 PER ～ Eb/N0 at multipath delay=100 ns and 1 μs with 100 Mb/s rate

圖5 數(shù)據(jù)速率20 Mb/s、多徑時(shí)延分別為100 ns和1 μs時(shí) PER ～Eb/N0Fig.5 PER ～ Eb/N0 at multipath delay=1 μs with 20 Mb/s rate

從仿真結(jié)果可以看到，在相同數(shù)據(jù)速率下，在多徑時(shí)延為1’s和100 ns時(shí)，前者所需要的信噪比比后者高，其原因在于多徑時(shí)延擴(kuò)展越大，信道估計(jì)的參數(shù)越多，估計(jì)的性能就越差。相應(yīng)地，在相同時(shí)延擴(kuò)展條件下，數(shù)據(jù)率越低，碼間干擾影響越小，因此傳輸速率為20 Mb/s時(shí)與AWGN性能的差距就比傳輸速率為100 Mb/s時(shí)與AWGN的差距小。同時(shí)，在不同數(shù)據(jù)率和多徑延遲下，通過頻域均衡處理后，系統(tǒng)所達(dá)到的性能與在AWGN的性能差距不超過3 dB。仿真結(jié)果表明，在不同時(shí)延擴(kuò)展環(huán)境條件下，采用本文所述均衡算法一定程度上克服了碼間干擾，證明了文中算法的可行性。

4 結(jié)束語

本文針對(duì)窄脈沖超寬帶通信系統(tǒng)中存在嚴(yán)重多徑這一特點(diǎn)，通過在發(fā)射端插入循環(huán)前綴，以數(shù)據(jù)塊傳輸方式為基礎(chǔ)，提出了一種基于碼元級(jí)別的頻域均衡技術(shù)，并對(duì)其算法實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)介紹。仿真證明，該方法有效降低了超寬帶通信中存在的碼間干擾，可應(yīng)用于密集多徑、大時(shí)延擴(kuò)展等復(fù)雜環(huán)境下（如城市巷戰(zhàn)、山區(qū)密林等）的超寬帶高速數(shù)據(jù)通信。同時(shí)應(yīng)該看到，均衡算法需要引入信道估計(jì)，而如何獲得準(zhǔn)確的信道估計(jì)是窄脈沖超寬帶通信系統(tǒng)一個(gè)難點(diǎn)，后續(xù)將針對(duì)這一課題繼續(xù)深入研究?；诿}沖體制的超寬帶通信技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景，本文僅根據(jù)筆者研究經(jīng)歷提出了一種思路和方法，權(quán)作拋磚引玉，歡迎同行專家不吝指正。

［1］ 王金龍，王呈貴，闞春榮，等.無線超寬帶（UWB）通信原理與應(yīng)用［M］.北京:人民郵電出版社，2005.

WANG Jin － long，WANG Cheng － gui，KAN Chun － rong，et al.Wireless UWB communication theory and application［M］.Beijing:People's Posts＆Telecom Press，2005.（in Chinese）

［2］ 郭梯云，楊家瑋，李建東.數(shù)字移動(dòng)通信［M］.北京:人民郵電出版社，2010.

GUO Ti－ yun，YANG Jia － wei，LI Jian － dong.Digital Mobil communication［M］. Beijing:People's Posts＆Telecom Press，2010.（in Chinese）

［3］IEEE P802.15 － 02/368r5 － SG3a，Channel Modeling Sub － committee Report Final［S］.

［4］ 趙樹杰，史林.數(shù)字信號(hào)處理［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，1997.

ZHAO Shu －jie，SHI Lin.Digital Signal Processing Technology［M］.Xi'an:Xidian University Press，1997.（in Chinese）

［5］王勤果.基于多個(gè)引導(dǎo)序列實(shí)現(xiàn)超寬帶系統(tǒng)脈沖同步的方法研究［J］.電訊技術(shù)，2010，50（9）:33 －35..

WANG Qin － guo.A Pulse Synchronization Method based on multi－guide Sequence for Ultra Wideband System［J］.Telecommnunication Engineering，2010，50（9）:33－35.（in Chinese）

［6］Molisch A F，Balakrishnan K，Cassioli D，et al.IEEE 802.15.4a channel model－ final report［EB/OL］.［2014－04 －05］.http://www.ieee802.org/15/pub/TG4a.html.

An Equalization Algorithm for IR－UWB Communication and its Imp lementation

XIANG Fei1，WANG Qin － guo2
（1.School of Computer Science，Sichuan University of Science ＆ Engineering，Zigong 643000，China;2.Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

Due to high transmission rate and multipath effect in narrow－pulse ultra－wideband（UWB）communication system，the time domain equalization technology based on traditional transversal filter is unable to deal with sever inter symbol interference（ISI）.By joint design of receiver and transmitter，a frequency domain equalization algorithm based on data block transmission is proposed and its application precondition and implementation are introduced.The simulation result shows that the proposed algorithm can effectively resist inter symbol interference（ICI）in UWB communication system and it is a more realistic alternative for IR －UWB systems.

narrow－pulse;ultra－wideband;delay spread;frequency domain equalization;cyclic convolution

TN911

A

1001－893X（2014）05－0611－04

10.3969/j.issn.1001 －893x.2014.05.016

項(xiàng)菲，王勤果.應(yīng)用于窄脈沖超寬帶通信的均衡算法及其實(shí)現(xiàn)［J］.電訊技術(shù)，2014，54（5）:611－614.［XIANG Fei，WANG Qin－guo.An Equalization Algorithm for IR － UWB Communication and its Implementation［J］.Telecommunication Engineering，2014，54（5）:611 －614.］

2014－04－09;

2014－05－13

date:2014－04－09;Revised date:2014－05－13

＊＊

gaochui@yeah.net Corresponding author:gaochui@yeah.net

項(xiàng) 菲（1973—），女，四川自貢人，碩士，實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向?yàn)樾畔踩c智能計(jì)算信息處理;

XIANG Fei was born in Zigong，Sichuan Province，in 1973.She is now an experimentalist with the M.S.degree.Her research concerns information satety and intelligent computation pro-cessing.

王勤果（1976—），男，四川內(nèi)江人，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榫C合電子信息系統(tǒng)。

WANG Qin － guo was born in Neijiang，Sichuan Province，in 1976.He is now a senior engineer.His research concerns integrated electronic information system.

Email:gaochui@yeah.net