SC-FDE散射通信系統(tǒng)MMSE-HDFE-RISIC均衡

劉 剛，龐翔云，陳鎮(zhèn)濤，郭 漪

(西安電子科技大學(xué) 綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)理論及關(guān)鍵技術(shù)國家重點實驗室，陜西 西安 710071)

對流層散射通信作為一種超視距的通信方式，因為保密性強、抗干擾強等特點，在軍事通信領(lǐng)域中占據(jù)著重要地位[1]。然而散射通信系統(tǒng)中存在多徑效應(yīng)和多普勒效應(yīng)，會造成接收信號在時間域和頻率域上的彌散失真，往往對傳輸信號造成不可忽視的影響。SC-FDE技術(shù)具有峰均比低、頻域均衡實現(xiàn)簡單等優(yōu)點[2-5]，能夠較好地解決功放發(fā)射峰值功率受限與動態(tài)多徑時延擴(kuò)展帶來的影響，在對流層散射通信系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用[6-7]。

針對SC-FDE對流層散射通信系統(tǒng)的頻域均衡，文獻(xiàn)[8-10]提出了一種基于MMSE的HDFE均衡算法，它包括頻域前饋均衡和時域反饋濾波，利用符號選擇判決消除已檢測符號的碼間干擾，從而提高均衡算法性能。文獻(xiàn)[11]將HDFE均衡算法和信道編碼結(jié)合使用，提高了反饋數(shù)據(jù)的判決準(zhǔn)確性，但結(jié)果仍存在較多殘留的碼間干擾，影響了系統(tǒng)性能。文獻(xiàn)[12]提出了一種MMSE-RISIC均衡算法，通過判決數(shù)據(jù)估計殘留干擾，并予以消除文獻(xiàn)[13]中存在的問題而對其進(jìn)行改進(jìn)，取得更好的誤碼性能，但是它們受噪聲干擾以及殘留碼間干擾估計誤差的影響嚴(yán)重，系統(tǒng)性能提升有限。

基于HDFE均衡，筆者提出了一種MMSE-HDFE-RISIC均衡算法，通過消除殘留碼間干擾，進(jìn)一步提升均衡算法性能。仿真結(jié)果表明，文中算法有效提升了系統(tǒng)性能。在QPSK調(diào)制下，相比于MMSE頻域均衡算法性能提升了2.9 dB，相比于傳統(tǒng)混合判決反饋均衡算法性能提高了約1 dB。在16QAM調(diào)制下，相比于MMSE頻域均衡算法性能提升了1.3 dB，相比于傳統(tǒng)混合判決反饋均衡算法性能提高了約0.6 dB。

1 系統(tǒng)模型

系統(tǒng)模型如圖1所示，輸入數(shù)據(jù)碼流經(jīng)過擾碼器(隨機(jī)化)、前向糾錯編碼(FEC)，然后進(jìn)行比特交織以及從比特流到符號流的星座映射形成基本數(shù)據(jù)塊?；緮?shù)據(jù)塊、導(dǎo)頻序列和系統(tǒng)信令符號序列復(fù)接為信號幀(組幀)，經(jīng)過成型濾波處理轉(zhuǎn)換為基帶輸出信號。信號再經(jīng)過數(shù)字上變頻、DA轉(zhuǎn)換后至射頻處理單元發(fā)射出去。

圖1 SC-FDE系統(tǒng)模型

傳輸數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖中，數(shù)據(jù)長度為N，ZP長度為L(L≥Lh)，有效數(shù)據(jù)長度為M=N-L，Lh為信道單位沖激響應(yīng)(Channel Impulse Response，CIR)階數(shù)。

圖2 傳輸數(shù)據(jù)塊結(jié)構(gòu)

令發(fā)送數(shù)據(jù)為x，添加ZP后發(fā)送數(shù)據(jù)塊可以表示為

(1)

經(jīng)過多徑信道h后，得到接收信號為

(2)

其中，w為噪聲向量。進(jìn)一步，式(2)可表示為矩陣形式，即

r=Λs+w，

(3)

其中，Λ為特普利茨矩陣：

(4)

對式(3)進(jìn)行FFT(快速傅里葉變換)計算，可得到

R=HS+W，

(5)

(6)

于是，式(5)進(jìn)一步簡化為

Rk=HkSk+Wk=HkXk+Wk，k=0，1，…，N-1 。

(7)

2 MMSE-HDFE-RISIC均衡算法

圖3給出了MMSE-HDFE-RISIC均衡算法原理。接收信號rn經(jīng)過FFT變化后得到頻域數(shù)據(jù)，隨后經(jīng)過均衡系數(shù)為GFF的前饋頻域濾波器得到

圖3 MMSE-HDFE-RISIC均衡算法原理圖

Yk=RkGFF，k，k=0，1，…N-1 。

(8)

之后通過IFFT變換轉(zhuǎn)到時域上，截取長度為M的有效信號yn。

(9)

(10)

根據(jù)最小均方誤差準(zhǔn)則，定義代價函數(shù)為

(11)

對上式進(jìn)行FFT，在頻域進(jìn)行梯度運算，可以得到

(12)

(13)

(14)

(15)

綜上，頻域前饋濾波器輸出為

(16)

于是，對頻域均衡結(jié)果進(jìn)行N點IFFT(快速傅里葉逆變換)，并對M長度的有效數(shù)據(jù)進(jìn)行截取后得到：

(17)

(18)

針對式(17)的殘余碼間干擾δn，需要進(jìn)行殘余干擾估計并消除，如圖3中虛線框圖所示。

首先對均衡后數(shù)據(jù)yn進(jìn)行判決，得到長度為M的有效傳輸數(shù)據(jù)，然后添加ZP序列，進(jìn)行FFT計算。利用式(16)估計頻域殘留碼間干擾，即

(19)

(20)

3 仿真結(jié)果

通過Matlab搭建SC-FDE散射通信系統(tǒng)，對文中均衡算法進(jìn)行仿真分析。信道模型如表1所示，數(shù)據(jù)幀長設(shè)為5 ms，包含50 000個采樣點，并包括1個系統(tǒng)信令符號塊、4個導(dǎo)頻序列和40個數(shù)據(jù)符號塊。導(dǎo)頻序列每個長度為1 056，均勻插在數(shù)據(jù)符號塊之間，均衡數(shù)據(jù)塊長度N=1 024，保護(hù)間隔長度L=32，并且使用編碼速率為2/3的LDPC信道編碼，調(diào)制方式為QPSK調(diào)制或16 QAM調(diào)制。

表1 散射通信仿真信道模型

圖4給出了信噪比Eb/N0=9 dB時，MMSE均衡算法、基于MMSE的HDFE均衡算法和筆者提出的MMSE-HDFE-RISIC均衡算法在QPSK調(diào)制下的星座圖對比；圖5中給出了信噪比Eb/N0=13 dB時，16QAM調(diào)制下的星座圖對比?？梢悦黠@看出，改進(jìn)均衡算法通過進(jìn)一步的消除殘余碼間干擾，提高了均衡效果。

圖4 QPSK調(diào)制下均衡后星座圖對比

圖5 16QAM調(diào)制下均衡后星座圖對比

進(jìn)一步，對MMSE均衡算法、基于MMSE的HDFE均衡算法和MMSE-HDFE-RISIC均衡算法在散射通信下的誤碼性能進(jìn)行了仿真比較。圖6給出了QPSK調(diào)制下的算法性能，圖7給出了QPSK調(diào)制下的算法性能。這里判決反饋均衡濾波器系數(shù)長度均為Lg=12。

圖6 QPSK誤碼性能對比

圖7 16QAM誤碼性能對比

可以看出，無論是QPSK調(diào)制還是16QAM調(diào)制，筆者提出的算法明顯提升了系統(tǒng)性能。當(dāng)誤碼率為10-5時，在QPSK調(diào)制下，筆者提出的算法相較于HDFE均衡算法，有1 dB左右的誤碼性能提升；相較于MMSE均衡算法，有大概2.9 dB的性能提升。16QAM調(diào)制模式下，文中算法相較于HDFE均衡算法，有0.6 dB左右的性能提升；相較于MMSE均衡算法，有大概1.3 dB的性能提升。

4 結(jié)束語

SC-FDE技術(shù)具有峰均比低、頻域均衡實現(xiàn)簡單等優(yōu)點，在散射通信系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。針對SC-FDE散射通信系統(tǒng)中存在的殘留碼間干擾問題，筆者提出了一種MMSE-HDFE-RISIC均衡算法。該算法基于HDFE均衡算法，在頻域估計殘留碼間干擾，再時域求和補償，進(jìn)一步減少了殘留碼間干擾對系統(tǒng)性能的影響。仿真結(jié)果表明，該均衡算法能夠獲得更好的誤碼性能。