基于單載波頻域均衡系統(tǒng)的寬帶通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：?jiǎn)屋d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(jì)，實(shí)現(xiàn)137.5 MHz 載波下27.5 Mbps 的碼元傳輸速率。同時(shí)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(jí)聯(lián)信道糾錯(cuò)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(jì)，分析設(shè)計(jì)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，最終在現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列硬件平臺(tái)上進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)、調(diào)試和驗(yàn)證，完成系統(tǒng)實(shí)際誤碼率的測(cè)試。
 

在現(xiàn)代無線數(shù)字通信系統(tǒng)中，信號(hào)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(shí)延擴(kuò)展導(dǎo)致嚴(yán)重的符號(hào)間干擾(Inter Symbol Interference，ISI)，嚴(yán)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：?jiǎn)屋d波時(shí)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(fù)用(Orthogonal Frequency Division MulTIplexing，OFDM)技術(shù)。SC-TDE 在接收端采用一個(gè)自適應(yīng)均衡器來補(bǔ)償符號(hào)間干擾[2]。它的主要部件就是一個(gè)或多個(gè)橫向?yàn)V波器，而橫向?yàn)V波器抽頭系數(shù)的數(shù)目由多徑時(shí)延來確定。在高速無線通信系統(tǒng)中較大的時(shí)延會(huì)導(dǎo)致復(fù)雜度很高。3GPP(3rd Generation Partnership Project)的長(zhǎng)期演進(jìn)計(jì)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(hào)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(fù)雜度較低(與信道最大時(shí)延擴(kuò)展的對(duì)數(shù)成正比)，但是它對(duì)定時(shí)誤差和載波同步敏感，且每個(gè)OFDM 符號(hào)的多路子載波在時(shí)域疊加會(huì)產(chǎn)生很大的峰值平均功率比，因而對(duì)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(diǎn)[3-5]，同時(shí)文獻(xiàn)[6]分析指出對(duì)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(jì)的系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)137.5 MHz 載波下的27.5 Mbps 碼元傳輸速率，實(shí)現(xiàn)了寬帶SC-FDE 系統(tǒng)。

在傳統(tǒng)的單載波系統(tǒng)中，接收機(jī)主要由A/D 變換、混頻濾波、信道估計(jì)、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(jí)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

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(dú)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(jì)、循環(huán)前綴的功能。而作為UW 的序列應(yīng)該滿足在時(shí)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(zhǎng)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(gè)完全相同的64 位Zadoff-Chu 序列和1 920 個(gè)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(dāng)循環(huán)前綴，完成幀同步、信道估計(jì)、噪聲估計(jì)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

本設(shè)計(jì)利用UW 完成幀同步，對(duì)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(yùn)算，由于序列自相關(guān)特性，會(huì)得到一對(duì)相關(guān)峰(理想情況)或一對(duì)主峰和若干對(duì)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(hào)幀同步[10]。

幀同步采用有限狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)完成。狀態(tài)機(jī)的實(shí)現(xiàn)采用了基于搜索態(tài)-同步態(tài)-保護(hù)態(tài)的三態(tài)同步機(jī)制，見圖3。