基于Rimoldi分解的連續(xù)相位調(diào)制信號(hào)Turbo頻域均衡算法

鐘 凱 彭 華 葛臨東

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基于Rimoldi分解的連續(xù)相位調(diào)制信號(hào)Turbo頻域均衡算法

鐘 凱*彭 華 葛臨東

(解放軍信息工程大學(xué)信息系統(tǒng)工程學(xué)院 鄭州 450002)

針對(duì)高階部分響應(yīng)連續(xù)相位調(diào)制(CPM)信號(hào)均衡中存在的復(fù)雜度高和性能較差等問題，該文從Rimoldi分解的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種新的適用于傾斜相位CPM信號(hào)的發(fā)射幀結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合單載波頻域均衡(FDE)和Turbo均衡的思想，提出了一種適用于高階CPM信號(hào)的Turbo頻域均衡算法。該算法通過將信號(hào)均衡轉(zhuǎn)化到頻域進(jìn)行處理，避免了時(shí)域均衡算法在計(jì)算均衡器系數(shù)時(shí)存在的大矩陣求逆問題，同時(shí)使用Turbo均衡的軟信息迭代處理來改善系統(tǒng)的性能。理論分析和仿真結(jié)果表明，對(duì)于四階部分響應(yīng)CPM信號(hào)，在存在嚴(yán)重符號(hào)間干擾的多徑衰落信道的條件下，該算法與現(xiàn)有的基于符號(hào)的頻域均衡算法相比，在保持較低復(fù)雜度的同時(shí)，具有大約1.5 dB的性能增益。

無線通信；連續(xù)相位調(diào)制；多徑衰落信道；Rimoldi分解；單載波頻域均衡；Turbo均衡

1 引言

連續(xù)相位調(diào)制(Continuous Phase Modulation, CPM)是一種具有恒定包絡(luò)的先進(jìn)調(diào)制技術(shù)[1]。在高斯白噪聲(AWGN)信道下，編碼CPM具有恒包絡(luò)、高功率和帶寬利用率等一系列優(yōu)異性能。但是在60 GHz毫米波通信系統(tǒng)中，CPM信號(hào)在多徑衰落信道下傳輸，由于編碼CPM系統(tǒng)的迭代檢測依賴于CPM符號(hào)間的記憶特性，使得碼間干擾對(duì)系統(tǒng)性能的影響非常嚴(yán)重，因此采取有效的均衡措施來減少符號(hào)間干擾顯得尤為重要。

文獻(xiàn)[2]提出將單載波頻域均衡思想運(yùn)用于CPM信號(hào)處理，提出了基于Gram-Schmidt正交分解法和Laurent分解法的兩種頻域均衡算法。文獻(xiàn)[3]在此基礎(chǔ)上引入判決反饋，前饋濾波在頻域?qū)崿F(xiàn)，反饋濾波則在時(shí)域?qū)崿F(xiàn)，有效改善了均衡算法的性能。文獻(xiàn)[4]進(jìn)一步給出了MMSE均衡器的簡化方法，針對(duì)均衡算法中出現(xiàn)的大矩陣求逆問題進(jìn)行簡化處理，可以有效降低均衡器的復(fù)雜度。文獻(xiàn)[5]研究了一種差分預(yù)編碼CPM信號(hào)，與非預(yù)編碼相比，在相同環(huán)境下對(duì)預(yù)編碼信號(hào)進(jìn)行頻域均衡解調(diào)，其誤碼率減半。文獻(xiàn)[6]針對(duì)二階部分響應(yīng)連續(xù)相位調(diào)制信號(hào)的頻域均衡技術(shù)，提出了一種基于Laurent分解的CPM迭代檢測算法，有效降低了頻域均衡算法的復(fù)雜度，但是對(duì)于嚴(yán)重的多徑衰落信道，算法性能有著較大的損失。文獻(xiàn)[7]和文獻(xiàn)[8]分別研究了單載波和多載波頻域均衡系統(tǒng)的CPM混沌迭代方案，通過改變發(fā)送采樣序列的順序，降低了采樣點(diǎn)之間的相關(guān)性，獲得較好的性能改善。文獻(xiàn)[9]對(duì)CPM頻域均衡的數(shù)據(jù)塊結(jié)構(gòu)中需要插入的內(nèi)綴長度給出了具體的定義，并從CPM信號(hào)相位狀態(tài)星座圖的角度，給出了形象的解釋。文獻(xiàn)[10]對(duì)多指數(shù)CPM信號(hào)基于頻域均衡接收機(jī)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了一種適用于多指數(shù)CPM信號(hào)的幀結(jié)構(gòu)。

本文研究了基于Rimoldi分解[11]的CPM信號(hào)均衡技術(shù)，針對(duì)高階CPM信號(hào)的頻域均衡，設(shè)計(jì)了一種新的適用于傾斜相位網(wǎng)格的發(fā)射信號(hào)幀結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上運(yùn)用Turbo均衡[12,13]思想，提出了一種新的基于Turbo頻域均衡的高階CPM信號(hào)均衡算法，與基于符號(hào)的頻域均衡算法[6]相比，對(duì)于嚴(yán)重的多徑衰落信道，在保持相對(duì)較低復(fù)雜度的情況下，有效地提高了系統(tǒng)性能，并且對(duì)于高階CPM信號(hào)系統(tǒng)性能的改善更明顯。

2 系統(tǒng)模型

2.1 CPM信號(hào)模型

連續(xù)相位調(diào)制等效復(fù)基帶信號(hào)表達(dá)式為

2.2 M階CPM信號(hào)的Rimoldi分解

根據(jù)文獻(xiàn)[10]中提出的Rimoldi分解表述，CPM調(diào)制器可以表示為連續(xù)相位編碼器(Continuous Phase Encoder, CPE)和無記憶調(diào)制器(Memoryless Modulator, MM)的組合，CPE使用CPM信號(hào)的傾斜相位描述

由式(1)，式(3)和式(5)可以得到基帶實(shí)際CPM信號(hào)與基帶傾斜相位CPM信號(hào)之間的關(guān)系為

2.3 系統(tǒng)及信道模型

基于Rimoldi分解進(jìn)行Turbo頻域均衡的CPM迭代檢測系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的系統(tǒng)框圖

CPM信號(hào)經(jīng)過有限長度符號(hào)間隔的多徑衰落符號(hào)間干擾(ISI)信道，接收信號(hào)可以表示為

接收信號(hào)經(jīng)過刪除循環(huán)保護(hù)間隔、低通濾波以及采樣，式(7)變?yōu)?/p>

由式(10)可以進(jìn)一步得到

3 傾斜相位CPM信號(hào)幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2 傾斜相位CPM信號(hào)的發(fā)射幀結(jié)構(gòu)

4 CPM 信號(hào)Turbo頻域均衡

4.1 SISO均衡

文獻(xiàn)[12]中提出了一種修正軟干擾抵消(Soft Interference Canceller, SIC) Turbo均衡器，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

4.2 SISO映射

4.3 SISO解映射

從而可以得到SISO解映射輸出的CPM碼字符號(hào)先驗(yàn)信息的歸一化表達(dá)式為

5 復(fù)雜度分析

表1本文算法與基于符號(hào)頻域均衡算法的復(fù)雜度比較

算法 本文Turbo頻域均衡算法 基于符號(hào)頻域均衡算法[6] 復(fù)雜度匹配濾波器無 0 3234 白化濾波器無 0 2816 DFT/IDFT 20480 4608 頻域均衡器 1024 512 SISO解調(diào)器163840 131072 SISO譯碼器 194688 259584 總復(fù)雜度380032401826 M=4

6 仿真實(shí)驗(yàn)

圖4給出了在Tu-6信道條件下對(duì)2RC4CPM信號(hào)進(jìn)行仿真得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。設(shè)定均衡迭代次數(shù)分別為1, 2和3，每次均衡迭代后進(jìn)行3次解調(diào)譯碼迭代。從圖4中可以看出，當(dāng)均衡迭代次數(shù)達(dá)到2次時(shí)，已經(jīng)可以取得較好的性能，迭代次數(shù)為3次時(shí)，性能有小幅提升，但系統(tǒng)復(fù)雜度增加較大，因此實(shí)際應(yīng)用中通常選擇均衡迭代次數(shù)為2。

7 結(jié)束語

本文從Rimoldi分解的角度出發(fā)，結(jié)合單載波頻域均衡技術(shù)和Turbo均衡思想，提出了一種適用于高階CPM信號(hào)的Turbo頻域均衡算法。仿真結(jié)果表明，該算法在存在嚴(yán)重符號(hào)間干擾的多徑衰落信道下，保持較低復(fù)雜度的同時(shí)，具有良好的性能。下一步的工作將考慮研究信道條件未知情況下的盲均衡算法。

圖4 不同均衡迭代次數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響

圖5 不同調(diào)制階數(shù)CPM信號(hào)兩種算法的性能比較

圖6 Proakis’A信道下兩種算法的性能比較

圖7 Tu-6信道下兩種算法的性能比較

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鐘 凱： 男，1987年生，博士生，研究方向?yàn)橥ㄐ判盘?hào)處理、編碼調(diào)制.

彭 華： 男，1973年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橥ㄐ判盘?hào)處理、軟件無線電.

葛臨東： 男，1946年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橥ㄐ判盘?hào)處理、軟件無線電.

Turbo Frequency Domain Equalization Algorithm Based on Rimoldi Decomposition for Continuous Phase Modulation Signals

Zhong Kai Peng Hua Ge Lin-dong

(,,450002,)

To solve the issues of the high complexity and poor performance in the equalization of high order and partial response Continuous Phase Modulation (CPM) signals, a new framework of tilted phase CPM transmitted signals is designed from the perspective of Rimoldi decomposition. A novel frequency domain equalization algorithm for high order CPM signals is proposed based on the combination of single-carrier Frequency Domain Equalization (FDE) and Turbo equalization. This algorithm avoids the large matrix inversions in computation of the equalizer coefficients in time domain by transforming the signal equalization to frequency domain. Simultaneously, it improves the system performance by soft information iterative process. The analysis and simulation results show that in multipath fading channels with serious inter-symbol interference the proposed algorithm provides a relatively lower computational complexity and a performance gain of about 1.5 dB in signal-noise ratio compared with the previously proposed FDE algorithm based on symbol for fourth-order and partial response CPM signals.

Wirelesscommunication;Continuous Phase Modulation (CPM); Multi-path fading channel; Rimoldi decomposition; Single-carrier Frequency Domain Equalization (FDE); Turbo equalization

TN92

A

1009-5896(2014)05-1190-06

10.3724/SP.J.1146.2013.00990

鐘凱 zhongkai8686@163.com

2013-07-08收到，2013-10-22改回

國家自然科學(xué)基金(61072046)和河南省基礎(chǔ)與前沿項(xiàng)目(102300410008)資助課題