高速宽带通信平台中单载波频域均衡设计与实现
卫一然 朱铁林 赵国柄（天津航天中为数据系统科技有限公司，天津 300475）
摘 要：介绍了高速宽带通信平台中，单载波频域均衡的设计实现。主要是对帧同步、定时同步、载波同步、信道估计、均衡这几个关键点进行阐述。该技术结合了单载波时域均衡和多载波调制技术的优点，能有效对抗多径信道。在以FPGA为核心的高速宽带通信平台上，验证了单载波频域均衡对对抗多径和抵消线信道方面的作用。
关键词：单载波；频域均衡；高速；宽带；通信平台
0 引言
在无线通信中由于反射径的存在，会引起接收信号的多径衰落。当信号传输速率较小，多径产生的码间干扰并不突出，一般用信噪比余量来对抗随机噪声干扰；但数据速率较高时，反射径会产生严重的码间干扰，在频域上等效呈现频率选择性衰落，如不做均衡补偿则无法恢复发送信号和数据。目前最常用的解决方法是以正交频分复用（OFDM）为代表的多载波调制技术，以及采用单载波频域均衡（SC-FDE）和时域均衡的单载波调制技术。单载波时域均衡技术通常使用复杂的多阶时域均衡器对接收信号进行补偿，复杂程度与多径时延阶数成正比；相比之下，OFDM多载波调制和SCFDE通过离散傅里叶变换（DFT）和逆离散傅里叶变换（IDFT），在频域对数据进行一阶均衡，复杂度与多径时延阶数的对数成正比，且离散傅里叶变换和反变换都有快速算法FFT和IFFT，因此更适合多径时延较宽的情况[1]。
SC-FDE与OFDM处理方式类似，具有天然的兼容性。但SC-FDE没有采用多载波并行传输，故不存在OFDM系统难以解决的峰均功率比（PAPR）和子载波同步敏感等问题，对射频和载波同步的要求更低[2-3]。因此对于多径信道的数据传输，单载波频域均衡技术是一个复杂度适中、性能优良的方案，并且该技术在已有的有线和无线通信中得到了广泛的应用。
1 模型
在信号同步的基础上，为补偿多径效应带来的信号畸变，需要根据信道特性进一步对基带信号做均衡处理，以减小码间干扰的影响。本设计采用的均衡方式为SC-FDE。频域均衡FFT点数2 048，采用MMSE均衡算法。SC-FDE的结构框图如图1所示[4]。
2 关键技术
2.1 信号同步
接收端的基带信号与发射端存在传播延时，为了对解调器输出同步抽样，必须从接收信号导出采样值定时。而且发射机或本地载波频率非理想也会导致载波偏移，严重影响系统的IQ正交性，从而导致系统性能恶化。信号同步的过程就是特征参数的估值过程。在本设计中，信号同步包括载波同步、定时同步和帧同步。所有这些特征值的推导估计都是基于特征字（UW）进行的。
常用的UW字有Newman序列、Frank-Zadoff序列等。本设计使用的是Newman序列，Newman序列是一个复数序列，可用下式表示：
UW是加在传输信号两端的固定数据，帧结构采用UW-2的形式，如图2。UW一方面作为训练序列用于信号同步，另一方面可作为数据的循环前缀，保证在多径下数据的频域信号是连续的，用于信道估计和均衡[5-6]。Newman序列作为UW字，一方面可利用其相关特性以很低的代价实现接收信号的同步解调，另一方面可利用时、频域平坦的UW字估计信道的冲激响应，以及在频域完成对信号帧的均衡。
2.1.1 定时同步和帧同步
在本设计中 ， 降采样后的基带信号采样序列与本地Newman序列进行共轭相关，输出相关序 列 ci(n) 。 计算间隔 1 个 U W 字 ， 即 2⋅ L 个索引的两个关值 ci(n) 和 ci(n+2⋅L ) 的共轭乘积 ， 即 Ci(n)=Ci(n)⋅Ci(n+2⋅L)*。
通过搜索和跟踪相关值共轭乘积序列 ci(n) 的相关峰，可获得并跟踪每个发射帧的起始位置，完成帧同步。
定时同步同样利用相关值共轭乘积来完成。通过ci(n) 序列相关峰前后两个相关值的大小关系获得定时偏差：如果靠前相关峰大于靠后相关峰，则向前调整；反之，则向后调整。产生相应的定时调整控制信息输出给降采样模块，降采样模块根据该控制信息调整降采样抽取的位置，两模块构成定时同步环路。
2.1.2 载波同步
载波同步也是依靠UW字进行的。根据图2的帧结构，连续的信号帧中会周期性地出现UW字，假如存在∆fc 的载波残差，那么相距P个符号的两个UW字可表示为
其中，T为符号间隔时间。
2个UW字序列与本地UW字的共轭相关值 c1 和 c2 分别为
由式（3）可知，间隔为P的相关值间存在相位差 ，根据该原理可估计出频率偏差 ∆fc 。因 此，可利用帧头UW字位置的相关峰估计频率偏差，完成载波捕获和跟踪。
2.2 信道估计和均衡
2.2.1 信道估计当一个信号序列在存在多径干扰的信道中传输时，接收信号可以表示为发送信号和信道冲激响应的线性卷积，即
式中， h i(n), n=1, 2,..., M 表示信道的时域冲激响应， v i(n), n=1, 2,..., N 表示发送信号序列， wi(n) 表示信道加性噪声[7-8]。
对应到频域可以表示为[7-8]：
因此，如果已知接收信号频域表示 Ri(k) 以及发送信号序列的频域表示 Vi(k) 时，那么信道频域冲激响应可以估计为：
同样，如果已知接收信号频域表示 Ri(k) 以及信道频域冲激响应 Hi(k) 时，发射信号序列的频域表示可以估计为：
为进一步提高噪声条件下信道估计的准确度，本设计采用频域信道估计结合时域滤波处理的方法。首先将由式（6）得到的频域信道估计矢量进行逆傅立叶变换，得到时域冲激响应：
再将得到的 h(k) 送入时域滤波器中进行去噪处理得到 h'(k) 。去噪处理实际是去除较小的多径分量的过程，由于噪声的作用，时域信道冲激响应 h(k) 有若干较小的毛刺，并不是实际的多径，滤波去除这些毛刺，以获得更准确的时域信道冲激响应估计：
其中， hT 为滤波门限。
最后将滤波后时域信道冲激响应进行傅立叶变化，得到频域信道冲激响应 H'(k) ，完成整个信道估计过程。
2.2.2 均衡
实际中，由于设备的热噪声以及传播环境中的随机干扰，接收信号叠加了一定能量的噪声。在根据式（6）估计出频域信道冲激响应，并利用式（7）进行信号帧均衡时，常见的有迫零（ZF）均衡和最小均方误差（MMSE）均衡两种方式。迫零均衡是最简单而且直观的一种均衡方式，其处理函数可以表示为：
迫零均衡虽然算法简单，但在信号存在深频率选择性衰落的情况下，在深衰落点的噪声会严重放大，从而导致系统的性能恶化，使均衡达不到预期目的。为了缓解在深衰落点噪声对系统性能的影响，这里采用最小均方误差（MMSE）均衡的算法，其处理函数可以表示为[9-10]：
MMSE均衡与迫零均衡相比，相当于抬高了冲激响应在深衰落点处的值，从而减小了噪声的放大倍数，降低了系统性能的恶化程度。
3 测试
在单位园区有多径干扰的场景下搭建一个以Xilinx的XC7K325T为核心的高速宽带无线通信平台，来测试单载波频域均衡的可行性。该通信平台的载波频率为1.2 GHz，符号速率为200 Mbit/s，采用QPSK调制。通过chipscope观察均衡前后接收信号的星座图（如图3 和4），可以明显看出，均衡后信号的星座汇聚成了4个点。
4 结语
本文首先介绍了高速宽带通信平台上设计使用的单载波频域均衡的系统模型，之后，针对实现中的几个关键技术作了介绍，最后通过测试表明，该方法对于宽带高速通信平台是可行的。
参考文献
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[2] POLLET T, et al . BER Sensitivity of OFDM systems toCarrier Frequency Offset and Wiener Phase Noise. IEEE Trans.Commun, 1995, 43(2-4): 191~193.
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[4] 李朝辉.单载波频域均衡技术研究[D].西安:西安电子科技大学,2012.
[5] KIM D, KWON U K, IM G H. Pilot position selectionand detection for channel estimation of SC-FDE [J]. IEEECommunications Letters, 2008, 12(5):350-352.
[6] GUSMÃO A, TORRES P, DINIS R, et al. A reduced -CPapproach to SC/FDE block transmission for broadband wirelesscommunications[J]. IEEE Trans Comm, 2007, 55(4): 801-809.
[7] 杨刚,李莹,张小飞,等.宽带单载波频域均衡系统设计与FPGA实 现[J].太赫兹科学与电子信息学报,2015(7):226-232.
[8] 陈欣,邱少华.基于现场可编程门阵列的单载波频域均衡系统[J].太赫兹科学与电子信息学报, 2012,10(4):416-420.
[9] 张建伟,向敏,卢泳兵.单载波频域均衡(SC-FDE)技术浅析[J].信息传输与接入技术,2010(1):29-31.
[10] 卢建春.单载波频域均衡多天线系统关键技术研究[D]. 成都：电子科技大学,2015.
本文来源于科技期刊必威娱乐平台 2020年第02期第84页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。
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