基于單載波頻域均衡系統(tǒng)的寬帶通信系統(tǒng)設(shè)計
摘 要:單載波頻域均衡(SC-FDE)是數(shù)字通信中克服多徑衰落的有效技術(shù)。寬帶通信系統(tǒng)中應(yīng)用單載波頻域均衡系統(tǒng)設(shè)計,實現(xiàn)137.5 MHz 載波下27.5 Mbps 的碼元傳輸速率。同時在系統(tǒng)中添加1/2 碼率卷積碼與(239,223)里德-所羅門(RS)碼的級聯(lián)信道糾錯編碼,提高系統(tǒng)的可靠性。完成單載波頻域均衡系統(tǒng)設(shè)計,分析設(shè)計系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù),最終在現(xiàn)場可編程門陣列硬件平臺上進行系統(tǒng)實現(xiàn)、調(diào)試和驗證,完成系統(tǒng)實際誤碼率的測試。
在現(xiàn)代無線數(shù)字通信系統(tǒng)中,信號的傳輸從窄帶變?yōu)閷拵?,而寬帶無線通信的信道是頻率選擇性衰落的多徑信道。多徑效應(yīng)引起的時延擴展導致嚴重的符號間干擾(Inter Symbol Interference,ISI),嚴重影響通信的可靠性,因此需要采用一種有效的方法抵抗信道的影響[1]。目前提出的方法主要有:單載波時域均衡(Single Carrier TIme Domain EqualizaTIon,SC-TDE)、單載波頻域均衡(Single Carrier Frequency Domain EqualizaTIon,SC-FDE)和正交頻分復用(Orthogonal Frequency Division MulTIplexing,OFDM)技術(shù)。SC-TDE 在接收端采用一個自適應(yīng)均衡器來補償符號間干擾[2]。它的主要部件就是一個或多個橫向濾波器,而橫向濾波器抽頭系數(shù)的數(shù)目由多徑時延來確定。在高速無線通信系統(tǒng)中較大的時延會導致復雜度很高。3GPP(3rd Generation Partnership Project)的長期演進計劃中,提出了上行采用單載波技術(shù),下行采用OFDM 技術(shù)的方案。
OFDM 系統(tǒng)在發(fā)射端通過快速傅里葉逆變換(Inverse Fast Fourier Transform,IFFT)將數(shù)據(jù)符號并行調(diào)制到正交的子載波上,克服了頻率選擇性衰落造成的影響,在頻域?qū)崿F(xiàn)均衡。其頻譜利用率高,系統(tǒng)復雜度較低(與信道最大時延擴展的對數(shù)成正比),但是它對定時誤差和載波同步敏感,且每個OFDM 符號的多路子載波在時域疊加會產(chǎn)生很大的峰值平均功率比,因而對射頻前端的要求較高。SC-FDE 技術(shù)綜合了OFDM 技術(shù)和單載波傳輸?shù)膬?yōu)點[3-5],同時文獻[6]分析指出對于一般的SC-FDE 和OFDM 系統(tǒng),在低信噪比下OFDM 系統(tǒng)的誤碼性能略優(yōu)于SC-FDE 系統(tǒng),而在高信噪比下,SC-FDE 系統(tǒng)要優(yōu)于OFDM 系統(tǒng)。本文設(shè)計的系統(tǒng)可以實現(xiàn)137.5 MHz 載波下的27.5 Mbps 碼元傳輸速率,實現(xiàn)了寬帶SC-FDE 系統(tǒng)。
1 系統(tǒng)設(shè)計 1.1 SC-FDE 系統(tǒng)模型在傳統(tǒng)的單載波系統(tǒng)中,接收機主要由A/D 變換、混頻濾波、信道估計、信道均衡等模塊組成[7-8]。本文在單載波頻域均衡傳輸系統(tǒng)中添加了信道編譯碼模塊,以獲得更好的誤碼率性能。系統(tǒng)采用的是1/2 碼率的卷積碼和RS 碼級聯(lián)的方案。為提高系統(tǒng)的傳輸速率,使用了正交相移鍵控(Quadrature Phase Shift Keying,QPSK)的調(diào)制方式,系統(tǒng)框圖見圖1。
圖1 SC-FDE 系統(tǒng)框圖
1.2 系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)單載波頻域均衡系統(tǒng)中使用的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)是基于獨特字(Unique Word,UW)的幀結(jié)構(gòu),接收端使用UW 完成幀同步、信道估計、循環(huán)前綴的功能。而作為UW 的序列應(yīng)該滿足在時域上和頻域上均具有較小的起伏。常用的UW 字有Newsman 序列、Frank-Zadoff 序列等。本文使用的是偽疊加序列(Zadoff-Chu)序列,其定義為:
式中:N 表示序列長度;r 是與N 互質(zhì)的正整數(shù);q 取任意值。
Zadoff-Chu 序列的算法在各種信道環(huán)境下的性能都很優(yōu)越,Zadoff-Chu 序列具有良好的周期自相關(guān)和互相關(guān)特性,其幅值恒定,并且具有傅里葉變換保持特性。
系統(tǒng)傳輸幀由2 個完全相同的64 位Zadoff-Chu 序列和1 920 個數(shù)據(jù)位構(gòu)成,見圖2。每一幀起始位置的2 段Zadoff-Chu序列用來充當循環(huán)前綴,完成幀同步、信道估計、噪聲估計等功能。數(shù)據(jù)幀連續(xù)傳輸[9]。
圖2 系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)
圖3 三態(tài)同步圖示
2 寬帶單載波頻域均衡系統(tǒng)中關(guān)鍵技術(shù) 2.1 幀同步與頻偏估計本設(shè)計利用UW 完成幀同步,對接收到的每一幀頭部的2 段64 位Zadoff-Chu 序列與本地的Zadoff-Chu 序列做相關(guān)運算,由于序列自相關(guān)特性,會得到一對相關(guān)峰(理想情況)或一對主峰和若干對副峰(存在多徑)。根據(jù)相關(guān)峰完成峰值搜索,最終完成信號幀同步[10]。
幀同步采用有限狀態(tài)機設(shè)計完成。狀態(tài)機的實現(xiàn)采用了基于搜索態(tài)-同步態(tài)-保護態(tài)的三態(tài)同步機制,見圖3。