短波寬帶波形迭代均衡技術(shù)*

謝 梟，胡 飛，周 軍，康弘俊

(西南通信研究所,四川 成都 610041)

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短波寬帶波形迭代均衡技術(shù)*

謝 梟，胡 飛，周 軍，康弘俊

(西南通信研究所,四川 成都 610041)

短波寬帶波形是現(xiàn)代短波通信的最新研究成果，短波信道時變多徑傳播效應(yīng)會產(chǎn)生嚴重的碼間干擾(ISI)，必須采用均衡技術(shù)消除ISI。迭代均衡技術(shù)(Turbo均衡)將信號檢測技術(shù)和譯碼技術(shù)結(jié)合起來，比傳統(tǒng)判決反饋均衡(DFE)技術(shù)具有更強抗ISI能力。研究了短波寬帶波形Turbo均衡技術(shù)，提出了一種低復(fù)雜度的迭代檢測方法用于短波寬帶波形，仿真結(jié)果表明，在短波差信道條件下，Turbo均衡比DFE均衡的性能增益超過1.5 dB。

短波寬帶波形；Turbo均衡；軟輸入軟輸出；對數(shù)似然比

0 引 言

短波(HF)通信是實現(xiàn)遠距離、超視距軍事通信和遠洋運輸通信的重要手段之一，在國際通信、防汛救災(zāi)、海難救援以及軍事通信等方面具有重要作用。傳統(tǒng)短波通信的信道帶寬只有3 kHz，短波波形的典型代表是美國短波通信軍事標準MIL-STD-188-110B[1]。110B采用相位調(diào)制(PSK)和最高64階的幅度相位調(diào)制(QAM)等線性調(diào)制技術(shù)，以及卷積編碼技術(shù)在3 kHz信號帶寬內(nèi)實現(xiàn)了有編碼傳輸速率9 600 bit/s和無編碼12 800 bit/s的短波通信，但110B波形對信道質(zhì)量要求很高，在實際應(yīng)用中難以達到2.4 kb/s穩(wěn)定傳輸，其典型傳輸速率一般為600 b/s。因此，傳統(tǒng)窄帶短波通信只能用于傳輸話音和低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。隨著現(xiàn)代社會信息化的發(fā)展，人們要求現(xiàn)代短波通信具有更高傳輸速率、更高傳輸可靠性、更強業(yè)務(wù)適應(yīng)能力。為解決短波高速可靠通信問題，擴展短波通信信號帶寬成為現(xiàn)代短波通信發(fā)展的一種必然趨勢，美國在2011年提出了最大信號帶寬為24 kHz的短波寬帶波形標準規(guī)范110C[2]。

短波信道在時域和頻域都是隨時間變化的多徑信道[3]，存在時域展寬、頻域彌散、時變衰落和各種嚴重干擾。短波信道典型多徑延遲為2 ms，極端情況下多徑延遲可達到10 ms以上。因此，短波通信存在嚴重的符號間干擾(ISI)，必須采用有效的均衡技術(shù)克服ISI影響實現(xiàn)信號檢測。判決反饋均衡器(DFE)[4]由于其實現(xiàn)復(fù)雜度低而且具有較好性能，在短波通信中得到廣泛應(yīng)用，但其信號接收均衡器和信道譯碼器是相互獨立的。1995年Douillard等基于Turbo碼的迭代譯碼思想，首次提出了用于信號檢測的Turbo接收機[5]，Turbo接收機通過在信號檢測器和信道譯碼器之間多次迭代獲得了額外的迭代處理增益。

Turbo均衡器的常見算法包括：基于MAP算法Turbo均衡器，其性能最優(yōu)但計算復(fù)雜度高，難以在多徑延遲大的短波通信中得到應(yīng)用?；贚ISS算法Turbo均衡器利用有限狀態(tài)機樹查找機制來查找最佳路徑[6]，其計算復(fù)雜度比MAP算法小，但仍不易于工程實現(xiàn)。Tuchler等提出了基于線性濾波和軟干擾消除的Turbo均衡算法[7]，文獻[8]提出了軟判決反饋Turbo均衡算法。文獻[9]則研究了采用高階調(diào)制的軟判決反饋Turbo均衡算法。前述Turbo均衡算法主要采用逐符號方式進行信號檢測。文獻[10]則提出了基于接收信號塊處理的塊判決反饋Turbo均衡算法。需要指出的是：上述Turbo均衡技術(shù)重點在于研究均衡算法本身，部分文獻研究了Turbo接收機中信道估計和跟蹤算法。

文獻[11]則研究了短波窄帶波形的線性濾波Turbo接收機技術(shù)，其研究表明Turbo接收機技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)更好傳輸性能。基于單載波體制的短波寬帶波形只是對窄帶波形信號的帶寬進行了擴展[2]，其它方面均一致，可將窄帶波形的結(jié)論向?qū)拵茝V。

本文圍繞短波寬帶波形接收機設(shè)計需求，研究了短波寬帶波形Turbo接收機設(shè)計，提出了一種便于工程實現(xiàn)的低復(fù)雜度、基于濾波器Turbo均衡算法，對比分析了Turbo接收機和判決反饋均衡接收機的性能。仿真結(jié)果表明：在短波差信道條件下， Turbo接收機比DFE接收機有超過1.5 dB的性能增益。

1 系統(tǒng)信號建模

本文采用的編碼輔助Turbo均衡接收機的短波寬帶通信系統(tǒng)模型如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)信號框圖

如圖1所示，短波寬帶波形將數(shù)據(jù)比特信息bn經(jīng)過信道編碼、交織和星座映射后調(diào)制符號sn，然后進行信號組幀，組幀信號通過成型濾波得到波形發(fā)射信號。波形信號經(jīng)過短波信道傳輸后達到接收方，其離散基帶采樣信號z(n)在經(jīng)過單音解調(diào)和時頻同步處理后得到接收信號y(n)。接收信號y(n)經(jīng)過編碼輔助的軟輸入軟輸出(SISO)均衡器采用相干檢測原理還原數(shù)據(jù)信息比特，其中：信道估計和跟蹤采用波形同步頭信號完成初始估計、利用波形訓(xùn)練信號以及數(shù)據(jù)硬解調(diào)和/或譯碼軟信息來完成傳輸信道的時變性跟蹤。

波形的基帶信號參數(shù)如表1所示。信號帶寬為12 kHz，其符號率為9 600 baud/s，其基帶調(diào)制頻率為6.3 kHz，波形接收采樣率為76.8 kHz。

表1 信號基帶參數(shù)

波形編碼采用LDPC編碼，對于不同傳輸速率所設(shè)計的編碼碼率和調(diào)制方式如表2所示。

表2 編碼和調(diào)制參數(shù)

波形離散基帶信號可由下列數(shù)學(xué)公式(1)進行建模：

(1)

其中,x(n)表示發(fā)射信號；y(n)表示接收信號；w(n)表示均值為0、方差為σ2的加性高斯白噪聲；{h0,h1,…,hL-1}表征了短波信道的離散等效多徑傳播效應(yīng)，其多徑長度為L。

短波信道是時變多徑衰落信道，國際電信聯(lián)盟無線通信組(ITU-R)推薦Watterson模型[12]作為短波通信測試信道建模，典型多徑數(shù)目為兩條延遲路徑，每條路徑的抽頭分別獨立地服從幅度的Rayleigh分布和相同的高斯衰減譜，其多徑延遲時間和每條多徑時變參數(shù)如表3所示。

表3 短波信道典型參數(shù)

(2)

其中,Pr指的是當接收符號為yn時，編碼比特為+1或-1的概率。

2 短波寬帶波形迭代均衡技術(shù)

2.1 線性Turbo均衡算法

圖2 Turbo-LE均衡器

(3)

軟信息與符號估計有映射與反映射的關(guān)系[7]，其中，根據(jù)軟信息的定義，其映射成符號的方法只與調(diào)制方式有關(guān)。根據(jù)公式(3)，可以推導(dǎo)出具體轉(zhuǎn)換算法見表4。

表4 軟信息映射方法

(4)

(5)

(6)

(7)

對于不同的調(diào)制方式，根據(jù)線性濾波均衡器的算法與結(jié)構(gòu)，將符號估計計算成軟信息的具體轉(zhuǎn)換算法見表5。

表5 軟信息計算方法

2.2 短波寬帶波形Turbo均衡算法

短波寬帶波形的符號率都是9 600 baud/s，波形數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)中每個數(shù)據(jù)塊長度固定為360個符號，可以計算出數(shù)據(jù)塊的持續(xù)時間只有37.5 ms。而短波信道的多普勒擴展典型值為1 Hz,對應(yīng)相干時間為1 s，遠大于37.5 ms，為慢衰落信道，即在單個數(shù)據(jù)塊傳輸時，信道條件變化不大。

因此，為了降低寬帶波形接收機復(fù)雜度，可近似認為：數(shù)據(jù)塊內(nèi)每個符號不需要更新濾波器系數(shù)，即近似認為信道條件H在較短數(shù)據(jù)塊(數(shù)據(jù)塊長度K=360)內(nèi)是固定不變的。因此，公式(6)可以改寫為：

(8)

(9)

(10)

經(jīng)上述處理，可以得到簡化Turbo均衡算法LC(Low Complexity)-Turbo-LE。在同一個數(shù)據(jù)塊內(nèi)，濾波器的系數(shù)只需要更新一次，將運算量降為1/K。式(5)可改寫為：

(11)

經(jīng)過以上簡化處理后，均衡器符號軟信息計算方法如表6所示。

表6 簡化后的軟信息計算方法

設(shè)R=HHH，乘積矩陣R的第i行第j列元素R(i,j)(i,j=0,1,…,N-1) 可表示為：

(12)

矩陣R為Hermite-Toeplitz矩陣，因此，只需要計算出矩陣R第一行的前L個元素，其他元素都可以不用計算，根據(jù)矩陣特征推出求出。此時矩陣乘法運算量由O(N*(N+L-1)3)降為O(L*(L+1)/2)。

上述簡化算法降低了波形均衡器運算量，可達到12 kHz帶寬下短波寬帶波形采用QPSK調(diào)制時的Turbo接收機工程實現(xiàn)需求。當波形帶寬更大、傳輸速率更高時，由于波形采用64QAM、128QAM，甚至256QAM調(diào)制實現(xiàn)高速傳輸，此時Turbo接收機中均衡軟信息的計算復(fù)雜度更高，還需要進一步簡化上述Turbo接收機的計算復(fù)雜度。

3 性能仿真

對上述短波寬帶波形Turbo接收機的性能進行了仿真對比分析，波形接收機分別采用了判決反饋均衡器和Turbo均衡器。波形信號為12 kHz帶寬下傳輸速率為9 600 b/s，其調(diào)制方式為QPSK、編碼碼率為2/3。傳輸信道考慮無衰落的加性AWGN和多徑衰落為2 ms、多普勒擴展為1 Hz的短波“差”信道。在短波“差”信道條件下，采用最小均方誤差(LMS)算法對同步頭信號進行初始信道估計，而短波信道時變性則采用LMS算法對每個數(shù)據(jù)塊硬判決和訓(xùn)練信號進行信道跟蹤。

圖3給出了DFE均衡和Turbo均衡在AWGN信道下的性能對比圖，可以看出：Turbo接收機和DFE接收機性能接近，而且不同迭代次數(shù)的Turbo接收機性能基本相同。

圖3 AWGN信道下性能對比

圖4給出了短波“差”信道(CCIR-Poor)下的DFE接收機和Turbo接收機的性能對比，本次測試只驗證了DFE和迭代0-4次的性能。從結(jié)果中可以看出無迭代Turbo接收機性能比DFE性能差，這是因為無迭代Turbo接收機采用了線性均衡器；經(jīng)過譯碼器反饋的一次迭代后，Turbo接收機性能超過了DFE接收機，而且隨著迭代次數(shù)增加，其性能改善更明顯，在10-3誤碼率條件下，4次迭代Turbo接收機性能比DFE接收機性能改善了1.5 dB。

圖4 CCIR-Poor信道下性能對比

綜合以上仿真結(jié)果可以看出，在AWGN信道條件下，Turbo接收機能夠?qū)崿F(xiàn)DFE接收機相同性能；但是在短波“差”信道條件下，Turbo接收機在4次迭代后得到了1.5 dB的性能增益。

4 結(jié) 語

短波寬帶波形需要一種性能優(yōu)良信號檢測方法來解決信號接收問題，采用編碼輔助迭代均衡技術(shù)的Turbo接收機是一種可行方案。但Turbo接收機一個主要缺陷是其計算復(fù)雜度較高，工程實施難度較大。本文對此問題進行了研究，提出了一種實用化的短波寬帶波形LDPC碼基Turbo接收機方案，有效提升了短波寬帶波形的性能。

需要指出的是：本文提出的Turbo接收機性能增益優(yōu)勢還不明顯。在短波“差”信道條件下，信道存在時變性和實際接收機存在同步誤差，準確跟蹤信道變化對波形性能有著重要的影響，預(yù)期在后續(xù)通過優(yōu)化信道估計和跟蹤算法，進一步提升短波寬帶波形Turbo接收機的性能。

[1] DoD. MIL-STD-188-110B, Interoperability and Performance Standards for Data Modems[S].USA: Department of Defense, 2000.

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Turbo Equalization for Wideband HF Waveforms

XIE Xiao, HU Fei, ZHOU Jun, KANG Hong-jun

(Southwest China Institute of Communications, Chengdu Sichuan 610041, China)

Wideband HF (High-Frequency) waveform is the latest research achievement of modern HF communication. Time-varying multi-path propagation of HF channel would result in high ISI (Inter-Symbol Interference), and this ISI must be eliminated by equalization technique. Iterative equalization technique (turbo equalization), in combination of signal detecting technique and decoding technique, enjoys a stronger ability of resisting ISI than traditional DFE (Decision Feedback Equalization) technique. This paper discusses the equalization technique for wideband HF waveform, proposes a low-complexity iterative detection method for wideband HF waveform. Simulation results show that the performance gain of turbo equalization is 1.5dB over that of DFE equalization in CCIR-Poor channel.

wideband HF waveform；turbo equalization；soft input soft output；log-likelihood ratio

10.3969/j.issn.1002-0802.2015.05.004

2015-01-06；

2015-04-11 Received date:2015-01-06；Revised date：2015-04-11

國防科技重點實驗室基金項目(No.9140C02010814C02006)

Foundation Item:Science and Technology Foundation of State Key Laboratory(No.9140C02010814C02006)

TN911

A

1002-0802(2015)05-0524-06

謝 梟(1987—)，男，碩士研究生，主要研究方向為通信信號處理、短波通信；

胡 飛(1970—)，男，博士，高級工程師，主要研究方向為糾錯編碼、通信信號處理、短波通信；

周 軍(1984—)，男，碩士，助理工程師，主要研究方向為無線通信中的數(shù)字信號處理；

康弘俊(1977—)，男，碩士，高級工程師，主要研究方向為短波通信、通信信號處理、通信系統(tǒng)設(shè)計。