基于交替線性輸出均衡器的單天線干擾消除和自適應(yīng)技術(shù)

許 翰, 陳皓瑜, 周小林

(1.復(fù)旦大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院,上海 200433; 2.聯(lián)芯科技有限公司 運(yùn)營(yíng)管理部,上海,201206)

基于交替線性輸出均衡器的單天線干擾消除和自適應(yīng)技術(shù)

許 翰1, 陳皓瑜2, 周小林1

(1.復(fù)旦大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院,上海 200433; 2.聯(lián)芯科技有限公司 運(yùn)營(yíng)管理部,上海,201206)

在全球移動(dòng)通信系統(tǒng)(GSM)下行鏈路中引入一種新型的單天線干擾消除(SAIC)算法,插入交替線性輸出均衡器(ALOE)濾波模塊,無(wú)需變動(dòng)傳統(tǒng)接收機(jī)鏈路結(jié)構(gòu)即可實(shí)現(xiàn)良好的同頻干擾消除.同時(shí)針對(duì)鄰頻干擾和復(fù)雜干擾環(huán)境,引入一種基于功率譜估計(jì)的鄰頻自適應(yīng)檢測(cè)方法.相比傳統(tǒng)的能量噪聲估計(jì)方法,該方法結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單,復(fù)雜度更低,能有效提升接收機(jī)面對(duì)各種場(chǎng)景的適應(yīng)能力.仿真結(jié)果表明,該技術(shù)能夠在多模芯片中,以較低的復(fù)雜度、較好地提升系統(tǒng)的抗同頻干擾和鄰頻干擾的能力,從而提高2G網(wǎng)絡(luò)話音通信的質(zhì)量.

全球移動(dòng)通信系統(tǒng); 單天線干擾消除; 同頻干擾; 鄰頻干擾; 交替線性輸出均衡器

0 引 言

當(dāng)前,面向五模十頻的芯片正在緊密的研究當(dāng)中,使得單個(gè)手持終端能同時(shí)支持不同運(yùn)營(yíng)商提供的多種通訊模式和多個(gè)網(wǎng)絡(luò)頻段.伴隨移動(dòng)通信的快速發(fā)展,為適應(yīng)日趨緊張的頻譜資源,如何提高頻譜利用率成為當(dāng)前移動(dòng)通信面臨的一個(gè)重大挑戰(zhàn).

傳統(tǒng)的全球移動(dòng)通信系統(tǒng)(GSM)中,可通過(guò)降低頻率復(fù)用因子來(lái)提升頻譜效率,從而增加單小區(qū)用戶容量.但這會(huì)引入更多的同頻干擾,導(dǎo)致諸如通話質(zhì)量下降、數(shù)據(jù)丟包和掉話等問(wèn)題的出現(xiàn),這是影響2G網(wǎng)絡(luò)的下行鏈路接收性能的主要因素.與此同時(shí),由于頻率規(guī)劃,在相鄰的小區(qū)之間,可能會(huì)使用相鄰信道,導(dǎo)致存在鄰頻干擾的情況.而傳統(tǒng)接收機(jī)的性能已逐漸不能滿足需求,因此在這類芯片的研發(fā)中,如何利用較低復(fù)雜度和資源開(kāi)銷提升終端下行鏈路接收性能是多模芯片中2G網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的目標(biāo)之一.

本文作者將基于交替線性輸出均衡器(ALOE)技術(shù)[1],在傳統(tǒng)接收機(jī)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,考慮高斯最小頻移鍵控(GMSK)信號(hào)的實(shí)值特性,設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度低的單天線干擾消除(SAIC)算法以及改進(jìn)算法:基于功率譜估計(jì)[2]的鄰頻檢測(cè)和濾波器自適應(yīng)選擇判決的方法.

1 ALOE的設(shè)計(jì)

1.1 基本方案設(shè)計(jì)

一個(gè)突發(fā)序列中置的26位是訓(xùn)練序列,由勞倫特分解式可知,接收信號(hào)可表達(dá)為一種準(zhǔn)線性近似模型:

(1)

式中Ik∈(-1,1),C(·) 是時(shí)限幅度脈沖,jk因子對(duì)信號(hào)的第k個(gè)接收符號(hào)Ik起到了jk的相位旋轉(zhuǎn)作用,n(t)則是加性高斯白噪聲.

在接收端信號(hào)的準(zhǔn)線性表達(dá)中,序列前后兩位之間的相位差為90°,接收信號(hào)的每一個(gè)符號(hào)要么是純實(shí)數(shù)要么是純虛數(shù).基于該特性設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)便的估計(jì)最優(yōu)準(zhǔn)線性濾波器的方法.通過(guò)限制符號(hào)在一個(gè)約束的相位關(guān)系,就能降低計(jì)算接收信號(hào)線性均衡的復(fù)雜度.因此,可設(shè)計(jì)一種交替線性輸出均衡器框圖,如圖1所示.其中y表示輸入均衡器的接收信號(hào)序列,W0,W1,…,W5是濾波器抽頭,Z-1是延時(shí)器,RE{.}表示取實(shí)數(shù)部分,IM{.}表示取虛數(shù)部分.

圖1 均衡器框圖結(jié)構(gòu)

在k時(shí)刻,目標(biāo)用戶的傳輸數(shù)據(jù)序列為

(2)

由于存在同頻、自身或者鄰道的干擾,所需的序列中可能包含誤差,用接收信號(hào)通過(guò)濾波器來(lái)最小化這個(gè)誤差.目標(biāo)序列b(k)的一種復(fù)線性估計(jì)可定義為

(3)

式中(·)H表示共軛轉(zhuǎn)置矩陣,w=[w(0),w(1),…,w(L-1)]T是復(fù)值濾波器抽頭向量,(·)T為轉(zhuǎn)置矩陣,y(k)=[y(k),y(k+1),…,y(k+L-1)]T是接收信號(hào)采樣的滑動(dòng)向量,L是濾波器的抽頭數(shù)量.在實(shí)際信號(hào)處理中,訓(xùn)練序列在整個(gè)突發(fā)序列的中置,為第62～87位.則誤差函數(shù)可以用平方和誤差定義:

(4)

(5)

在交替選路之前,濾波器在k時(shí)刻的輸出為

(6)

式中yr(k),wr(k),br(k)和yi(k),wi(k),bi(k)分別表示y(k),w(k),b(k)的實(shí)部和虛部.

將接收信號(hào)y(k)的實(shí)部和虛部以交替的方式送入濾波器,輪流和濾波器抽頭w的實(shí)數(shù)部分或者虛數(shù)部分相乘.換言之,如果數(shù)據(jù)向量在k時(shí)刻加載到濾波器wr和wi中的數(shù)據(jù)分別是yr和yi,那么在k+1時(shí)刻,加載到濾波器wr和wi中的分別是yi和-yr.

采用最小二乘法原理,可得到最佳的濾波器系數(shù):

(7)

式中(·)-1表示逆矩陣,w是一個(gè)長(zhǎng)度為2L的純實(shí)數(shù)向量(對(duì)于符號(hào)空間操作的特殊情況,該方法已經(jīng)做好了分級(jí)過(guò)濾),包括L個(gè)實(shí)數(shù)值和L個(gè)虛數(shù)值,t是包括非零實(shí)數(shù)和虛數(shù)部分的訓(xùn)練序列向量,Z是接收信號(hào)值的觀測(cè)矩陣.下面的例子中,濾波器抽頭系數(shù)L均取5.因此觀測(cè)矩陣Z的每一行都包括了接收信號(hào)y的5個(gè)虛數(shù)和5個(gè)實(shí)數(shù).w的最佳準(zhǔn)線性估計(jì)又可由下式表示:

(8)

式中R=ZTZ為自相關(guān)矩陣,p=ZTt為互相關(guān)向量,不難得到觀測(cè)矩陣Z,濾波器系數(shù)向量w,訓(xùn)練序列向量t表達(dá)式如下:

(9)

1.2 延長(zhǎng)訓(xùn)練序列(EXTS)迭代方案

為進(jìn)一步提升性能,另一種有效的改進(jìn)方法是將第一次濾波之后數(shù)據(jù)段中可靠的軟值增廣,接收觀測(cè)矩陣Z,同時(shí)將硬判決值用于延長(zhǎng)訓(xùn)練序列,然后進(jìn)行二次迭代.這就構(gòu)成了一種多模塊的均衡方案,修改之后的模塊框圖,如圖2所示.

圖2 兩次迭代的方案框圖

在該方案中,考慮在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn).首先,對(duì)下變頻之后的基帶信號(hào)進(jìn)行兩倍數(shù)據(jù)過(guò)采樣,再將過(guò)采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行奇偶分路,分路后的數(shù)據(jù)均擁有burst全部的信息.分路后的兩路數(shù)據(jù)分別通過(guò)ALOE,將輸出的軟值相加,疊加之后的結(jié)果在理論上可以增加過(guò)零判決的準(zhǔn)確性.

圖3 可靠軟值與訓(xùn)練序列構(gòu)成的延長(zhǎng)序列

同時(shí),將對(duì)應(yīng)可靠軟值的接收樣本數(shù)據(jù)值加入接收觀測(cè)矩陣,使矩陣增廣:

(10)

式中對(duì)于接收觀測(cè)矩陣ZM和ZN-M中某一行Zk(k為對(duì)應(yīng)突發(fā)序列中的第k位),有以下規(guī)則:

(11)

這樣將t′和Zaug代入(7)式求解第二次迭代的濾波器抽頭系數(shù),便可實(shí)現(xiàn)第二次的迭代均衡.

2 基于功率譜估計(jì)的自適應(yīng)場(chǎng)景判決

僅采用ALOE或者其優(yōu)化方案不能同時(shí)對(duì)同頻干擾(CCI)和鄰頻干擾(ACI)產(chǎn)生最佳的抑制效果,主要有兩方面的原因:1) 對(duì)于同頻干擾和鄰頻干擾場(chǎng)景,需要采用不同的接收濾波器;2)存在均衡優(yōu)化方案和原始最大似然序列估計(jì)(MLSE)方案的交點(diǎn)問(wèn)題.在實(shí)際通信環(huán)境中,不存在單一干擾的情況,這就需要采取適當(dāng)?shù)淖赃m應(yīng)場(chǎng)景判決,來(lái)區(qū)干擾類型以及干擾強(qiáng)度的大小.

因此,在GMSK下行接收鏈路中,要使所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠隨著干擾類型和接收信干比的變化,自適應(yīng)地采取相應(yīng)的措施,一是需要選擇接收濾波器的類型,二是需要判斷是否開(kāi)啟線性均衡濾波器.通過(guò)自適應(yīng)場(chǎng)景判決,可以提升高信干比條件下的接收性能,優(yōu)化一些復(fù)雜場(chǎng)景(如:3rdGenerationPartnershipProject中規(guī)定的下行鏈路接收機(jī)性能(DARP)測(cè)試場(chǎng)景)的接收性能,并改善無(wú)干擾情況下的性能,使方案更具可行性.

作者提出一種主要采取了快速傅里葉變換(FFT)求出接收信號(hào)的功率譜密度(PSD),通過(guò)計(jì)算上、下鄰頻干擾與信號(hào)之間的比值,估計(jì)上、下2個(gè)信干比(SIR),通過(guò)2個(gè)SIR的聯(lián)合計(jì)算,判決當(dāng)前干擾環(huán)境.相比一般的噪聲能量估計(jì)的方案,復(fù)雜度更低,準(zhǔn)確性更高.

2.1 鄰頻接收濾波器設(shè)計(jì)

GSM系統(tǒng)在加性高斯白噪聲(AWGN)下有用信號(hào)頻譜在-100～100 kHz范圍內(nèi),在鄰頻場(chǎng)景下,相較AWGN下,接收信號(hào)的頻譜在過(guò)渡帶附近有較大的提升.

可根據(jù)這一性質(zhì)來(lái)設(shè)計(jì)不同的接收濾波器,以區(qū)分3種鄰頻干擾(上鄰頻干擾、下鄰頻干擾及雙邊鄰頻干擾)和AWGN(包括同頻干擾)場(chǎng)景,如圖4～7所示.

圖4 79 kHz窄帶濾波器(對(duì)稱)

圖5 98 kHz濾波器 (對(duì)稱)

圖6 98 kHz左移濾波器 (非對(duì)稱)

圖7 98 kHz右移濾波器 (非對(duì)稱)

上述的4種濾波器,窄帶濾波器和非對(duì)稱的左移及右移濾波器都能濾除一部分鄰頻干擾.圖4窄帶濾波器在79 kHz的為-3 dB.圖5濾波器的3 dB帶寬為98 kHz,將該濾波器左移12 kHz得到圖6左移濾波器,將濾波器右移12 kHz得到圖7右移濾波器.這里的左移濾波器和右移濾波器是共軛對(duì)稱的.其中窄帶濾波器主要針對(duì)雙邊鄰頻干擾,左移濾波器針對(duì)上鄰頻干擾,右移濾波器針對(duì)下鄰頻干擾.

2.2 基于功率譜估計(jì)的鄰頻判決方案

圖8為基于功率譜估計(jì)的鄰頻干擾檢測(cè)的裝置結(jié)構(gòu),包括:功率譜估計(jì)、鄰頻干擾判決、濾波器選擇、CCI和AWGN場(chǎng)景判決、ALOE濾波器開(kāi)關(guān)判斷.

圖8 基于功率譜估計(jì)的場(chǎng)景判決框圖

接收的信號(hào)先進(jìn)行基于Welch法的功率譜估計(jì),得到接收信號(hào)的功率譜估計(jì)值,然后取信號(hào)主瓣和干擾主瓣的相應(yīng)的面積比,得到當(dāng)前接收信號(hào)的上鄰頻和下鄰頻的信干比,最后通過(guò)信干比綜合判斷當(dāng)前干擾環(huán)境,選擇相應(yīng)的鄰頻濾波器,并根據(jù)信干比和同頻干擾判決情況,選擇是否開(kāi)啟ALOE濾波器.鄰頻干擾檢測(cè)過(guò)程如下:

1)通過(guò)Welch法對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行功率譜估計(jì).基本原理是把數(shù)據(jù)進(jìn)行分段,使得每段數(shù)據(jù)都有部分重疊的數(shù)據(jù).接著將每段數(shù)據(jù)采用適合的窗函數(shù)平滑,最后計(jì)算各段譜的平均值.得到功率譜為

(12)

這里利用64點(diǎn)FFT的Welch法估計(jì)PSD,進(jìn)而計(jì)算上鄰頻干擾的信干比(SIR_H)和下領(lǐng)頻干擾的信干比(SIR_L).MIDDLE_X為得到的估計(jì)功率譜上左右鄰頻干擾以及信號(hào)的中心位置,WIDTH是計(jì)算SIR_H和SIR_L時(shí),估計(jì)的干擾和信號(hào)的主瓣寬度.實(shí)際鏈路中,接收機(jī)接收的數(shù)據(jù)為2倍數(shù)據(jù),共2×156bits,通過(guò)計(jì)算得到一種能覆蓋全部數(shù)據(jù)的一個(gè)參數(shù)設(shè)定為:交疊長(zhǎng)度為33,分段數(shù)量為9.選取漢明窗優(yōu)化加窗.

2)圖9為64點(diǎn)功率譜估計(jì)得到的3種典型單干擾場(chǎng)景,從左到右分別為同頻干擾或加性高斯白噪聲場(chǎng)景CCI(AWGN)、上鄰頻干擾場(chǎng)景(ACI_H)和下領(lǐng)頻干擾場(chǎng)景(ACI_L).取信號(hào)主瓣和干擾主瓣的相應(yīng)的面積比,可估計(jì)出當(dāng)前接收到的突發(fā)序列的SIR_H和SIR_L.若同時(shí)出現(xiàn)明顯的左右兩個(gè)干擾峰時(shí),則判決成雙鄰頻干擾場(chǎng)景(DoubleACI).

圖9 典型的功率譜估計(jì)結(jié)果.(a) 同頻干擾或加性高斯白噪聲場(chǎng)景CCI(AWGN);(b)上鄰頻干擾場(chǎng)景(ACI_H);(c) 下領(lǐng)頻干擾場(chǎng)景(ACI_L)

進(jìn)而判斷當(dāng)前的干擾類型,區(qū)分出4種場(chǎng)景,選取不同的濾波器進(jìn)行接收,如表1所示.其中TH表示判決閾值.

表1 場(chǎng)景判決條件

3)在SIR高的時(shí)候,未采用線性均衡的鏈路性能更好,因此可以在鏈路實(shí)現(xiàn)中得到2個(gè)閾值TH_CCI和TH_ACI,即在特定場(chǎng)景下,將SIR與閾值進(jìn)行比較,當(dāng)大于該閾值時(shí),關(guān)閉ALOE模塊,這樣可以進(jìn)一步提高性能.有鄰頻干擾時(shí),將功率譜估計(jì)中的SIR與TH_ACI比較,進(jìn)行線性均衡的開(kāi)關(guān);無(wú)鄰頻干擾時(shí),做同頻干擾檢測(cè),若得到CCI場(chǎng)景,利用信道估計(jì)中的載干比(CIR)進(jìn)一步做線性均衡的開(kāi)關(guān).開(kāi)關(guān)線性均衡的條件如表2所示.

表2 開(kāi)關(guān)ALOE的條件

2 仿真結(jié)果與分析

場(chǎng)景1:TU50,無(wú)干擾,SNR為-6～20 dB,得到的誤碼率(BER)性能,如圖10所示.

在無(wú)干擾的情況下,從圖9可以看出,ALOE對(duì)于無(wú)干擾的情況有一定的惡化現(xiàn)象.通過(guò)自適應(yīng)判決后有一定的提升,基本接近MLSE原接收鏈路的性能,說(shuō)明大部分的自適應(yīng)判決是準(zhǔn)確的,但仍有0.5 dB左右的惡化.惡化的原因?yàn)榻邮盏降男盘?hào)經(jīng)過(guò)衰落及信號(hào)周期性的變化,在某些時(shí)刻,使數(shù)據(jù)會(huì)由于信號(hào)強(qiáng)度不夠、噪聲較強(qiáng)等原因,導(dǎo)致接收到的小部分信號(hào)的功率譜估計(jì)不準(zhǔn),被判決為有干擾存在,通過(guò)了鄰頻濾波器,同時(shí)開(kāi)啟了ALOE.

場(chǎng)景2:TU50,CCI單干擾,SIR為-40～40 dB,得到的BER性能,如圖11所示.

圖10 無(wú)干擾場(chǎng)景的仿真結(jié)果

圖11 CCI單干擾的仿真結(jié)果

CCI單干擾的情況下,從圖10可以看出,ALOE的方案相對(duì)原MLSE鏈路增益非常明顯,通過(guò)自適應(yīng)判決之后,相對(duì)延長(zhǎng)序列方案有2 dB左右的惡化,整體趨勢(shì)在兩倍和延長(zhǎng)序列之間.這惡化原因主要也是由于信道衰落導(dǎo)致判決不準(zhǔn)確的問(wèn)題,使得部分信號(hào)可能被判決成鄰頻干擾,通過(guò)了鄰頻濾波器,導(dǎo)致了一部分用于估計(jì)原序列的有效信息損失(鄰頻濾波器選擇窄帶濾波器最多會(huì)損失5 dB左右).但因?yàn)槟軌蜃赃m應(yīng)地選擇鄰頻濾波器,確保了存在CCI時(shí),大部分情況下通過(guò)98 kHz濾波器,解決了在CCI場(chǎng)景下窄帶濾波器保持開(kāi)啟狀態(tài)所導(dǎo)致的性能損失過(guò)多的問(wèn)題.

圖12 ACI單干擾的仿真結(jié)果

場(chǎng)景3:TU50,ACI單干擾,SIR為-40～40 dB,得到的BER性能如圖12所示.

在ACI單干擾的情況下,取上鄰頻干擾,未采用自適應(yīng)ALOE兩倍數(shù)據(jù)和延長(zhǎng)序列的方案中,均通過(guò)98 kHz左偏鄰頻濾波器.圖11可以看出,相較于傳統(tǒng)MLSE方案,ALOE方案對(duì)于ACI的消除也有較明顯的效果.自適應(yīng)判決的方案相比延長(zhǎng)序列方案,有一定的增益,而且隨著SIR增大,增益更加明顯,在高SIR下更加趨近原MLSE鏈路,確保了接收機(jī)的性能.

3 結(jié) 論

針對(duì)五模十頻芯片中GGE系統(tǒng)日益突出的同頻干擾和鄰頻干擾問(wèn)題,提出了一種基于ALOE技術(shù)的單天線干擾消除和自適應(yīng)方案.該方案針對(duì)同頻干擾提出了一種新型的交替線性輸出均衡方案和兩種改進(jìn)方案(多時(shí)延和延長(zhǎng)序列).這種線性均衡的方案可以在無(wú)需變動(dòng)傳統(tǒng)接收機(jī)鏈路中,直接插入使用,實(shí)現(xiàn)較好的濾波性能,具有較強(qiáng)的可操作性;同時(shí),針對(duì)鄰頻干擾,再進(jìn)行自適應(yīng)改進(jìn),提出了一種新型的經(jīng)典功率譜估計(jì)自適應(yīng)場(chǎng)景判決方案,對(duì)于不同的場(chǎng)景選擇不同鄰頻接收濾波器,同時(shí)綜合分析干擾強(qiáng)度,決定是否打開(kāi)ALOE,確保了CCI場(chǎng)景中,ALOE濾波器對(duì)于CCI的增益,同時(shí)提升了系統(tǒng)抗ACI的性能.最終確定基于兩倍數(shù)據(jù)的自適應(yīng)ALOE方案能夠用于具體實(shí)現(xiàn),并最終在實(shí)際產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中獲得較好的優(yōu)化效果.

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[2] 宋寧,關(guān)華.經(jīng)典功率譜估計(jì)及其仿真 [J].現(xiàn)代電子技術(shù),2008,11:159-161,164.

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Xu PF.Research on single antenna interference cancellation technology[D].Xian:University of Electronic Science and Technology of China,2010.

(責(zé)任編輯：包震宇,顧浩然)

A single antenna interference cancellation andadaptive technique based on ALOE

Xu Han1, Chen Haoyu2, Zhou Xiaolin1

(1.School of Information Science and Technology,FUDAN University,Shanghai 2004332.Department of Operations Management,Leadcore Technology CO.,LTD,Shanghai 201206)

A new type of single antenna interference cancellation (SAIC) algorithm based on ALOE filtering module is introduced for co-channel interference cancellation in GSM/GPRS/EDGE downlink without changing the link structure of traditional receiver.Meanwhile,an adjacent frequency adaptive detection based on power spectrum estimation method is introduced to solve adjacent frequency interference and complex interference.Compared with traditional energy noise estimation method,the new method has simpler structure,less complexity,and can effectively improve the adaptability for various scenarios.The simulation results show that it can raise the resistance to co-channel frequency interference and adjacent frequency interference in multimode chips with low complexity,which improves the quality of 2G voice communication.

GSM; SAIC; co-channel and adjacent frequency interference; ALOE

10.3969/J.ISSN.1000-5137.2017.01.023

2016-11-27

國(guó)家科技支撐課題項(xiàng)目(2015BAD17B04)

許 翰(1990-),男,碩士研究生,主要從事無(wú)線通信方面的研究.E-mail:12210720113@fudan.edu.cn

導(dǎo)師簡(jiǎn)介: 周小林(1973-),男,副教授,主要從事無(wú)線通信,移動(dòng)通信,信號(hào)處理等方面的研究.E-mail:zhouxiaolin@fudan.edu.cn (通信聯(lián)系人)

TN 929.5

A

1000-5137(2017)01-0134-08