无线信道中的单载波频域均衡技术

３ ６ 今日电子 2003 年第 3 期
ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＆ ＭＡＲＫＥＴ
技术和市场
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
频域均衡的单载波系统
为了克服单载波和多载波 ＯＦＤＭ 系 统的缺点，近年来出现了一种频域均衡 单载波方案。基本的频域均衡单载波系 统如图 ２ 所示。
创造了条件。通过“软切换”ＩＦＦＴ 模块 的位置，同一套系统可以发射接收单载 波和多载波 Ｏ Ｆ Ｄ Ｍ 信号。再考虑到频域 均衡单载波系统收发两端实现复杂度的 非对称性，可以设计图４所示的无线宽带 双向传输系统。
结论
本文介绍了一种频域均衡的单载波 系统。在与现有的时域均衡单载波和多 载波 Ｏ Ｆ Ｄ Ｍ 系统比较的基础上，指出其 复杂度和性能与多载波等效，并可与多 载波 Ｏ Ｆ Ｄ Ｍ 系统共存，仿真结果表明其 性能良好。频域均衡单载波系统与多载 波 ＯＦＤＭ 一起已被 ８０２．１６ａ 标准采用作 为新一代宽带无线接入网的候选标准， 今后必将受到越来越广泛的重视。
理论上，理想时域均衡的单载波系 统和下面将要介绍的多载波系统性能是 一样的，但是受硬件资源的限制，实际的 时域均衡器通常达不到最佳性能。不管 是线性还是非线性均衡，传统的时域均 衡器复杂度都与信道的最大时延扩展成 正比，而多载波的频域均衡复杂度与信 道最大时延扩展的对数成正比。均衡器 成了制约单载波系统性能提高的“瓶 颈”。在美国的数字电视地面传输系统 Ａ Ｔ Ｓ Ｃ （ ８ Ｖ Ｓ Ｂ ） 中，即使接收机的均衡器 抽头阶数已做到了几百阶，也只能对付 几十微秒的静态多径，对强回波和快速 变化的动态多径仍然无能为力。
是否被用于反馈控制，均衡技术通常可 分为线性均衡和非线性均衡两类。线性 均衡器相对简单，信道衰落不严重时可 以较好的消除信道影响，常用的算法有 迫零（ＺＦ）算法和最小均方误差（ＭＭＳＥ）算 法。当无线信道多径衰落严重时，信道频 域响应中会出现很深的“凹槽”。为了补 偿“凹槽”附近的幅度衰落，线性均衡器 必须对该段频谱进行放大，从而也使该 频段的噪声增强。而非线性均衡器在这 种恶劣的信道下会有较好的效果，判决 反馈均衡器（ＤＦＥ）是非线性均衡器中常见 的一种，在实际系统中得到广泛应用。近 年来更复杂的最大似然序列均衡技术 （ＭＬＳＥ）也逐渐应用于移动无线信道的均 衡器中。
图 １ 多载波 ＯＦＤＭ系统框图
在多径信道下，接收信号在时域上 是发送信号和信道脉冲响应的卷积，而 在频域上则是发送信号和信道频域响应 的乘积。信道的频域响应可通过在各个 符号中插入的基准电平信号（导频）直接获 得，从而使多载波信号的均衡可通过简 单的单点均衡器来完成，这也是 Ｏ Ｆ Ｄ Ｍ 系统的一大优点。相对单载波系统，多载 波 Ｏ Ｆ Ｄ Ｍ 系统存在着峰平比高和对相位 噪声敏感等缺点，这要求发射机的功率 放大器具有更宽的线性范围，同时要求 接收机采用相位噪声系数更小的调谐器 和其他模拟器件，从而增加了系统成本。
在图 ４ 中，基站由一个多载波 ＯＦＤＭ
图 ５ 仿真性能曲线比较
图 ２ 频域均衡单载波系统框图
从图 １ 和图 ２ 可见，多载波 ＯＦＤＭ 系 统和频域均衡的单载波系统都是靠保护 间隔来消除ＩＳＩ，信道估计和均衡也都是 在频域上进行的，两者的区别仅仅在于 ＩＦＦＴ 模块是在发射端还是接收端。在多 载波 Ｏ Ｆ Ｄ Ｍ 系统中，该模块在发射端把 频域映射后的数据转换成时域信号，而 单载波系统则利用ＩＦＦＴ把频域上均衡完 的信号变回时域。对于同样大小的 ＦＦＴ 模块，两个系统的复杂度是一样的。
无线信道特性
相对于有线和卫星信道，无线信道 的信道特性是非常恶劣的，主要表现为 多径衰落和多普勒衰落。多径衰落会使 信号产生码间干扰，接收端必须采用均 衡技术来消除信道的影响。
时域均衡的单载波系统
单载波系统是一种很成熟的传输系 统，当今大部分通信系统都属于单载波 传输体系。单载波系统一般通过训练序 列对信道响应进行估计，并通过某种自 适应算法不断更新均衡器的系数以跟踪 信道的变化。根据自适应均衡器的输出
仿真比较
为了测试频域均衡单载波系统的性 能，比较仿真了其在多径信道下的误比特 率（ＢＥＲ），结果如图 ５ 所示。所选的信道 为ＳＵＩ－５［１］，是被ＩＥＥＥ ８０２．１６采用的测 试宽带无线系统的６ 种信道之一。该信道 中最大的时延扩展是１０μｓ，共有三条径， 延时分别为０、５ μ ｓ 和 １０ μ ｓ，三条径的 幅值分别为０ｄＢ、－５ｄＢ 和 －１０ｄＢ。假设该 信道是慢衰落的。图 ５ 所示分别是 ＱＰＳＫ 和 １６ＱＡＭ 单载波频域均衡和 ＯＦＤＭ 性能 曲线。数据进行了码率为１／２、约束长度 为 ７ 的卷积编码，编码后经比特交织映射 到 Ｑ Ａ Ｍ 星座上。每个 ＦＦＴ 和 ＩＦＦＴ 包括 了 ５１２个点，单载波的训练序列长度为６４ 点，Ｏ Ｆ Ｄ Ｍ 的导频也是 ６４ 点。译码采用 软判决维特比译码。
多载波系统
多载波正交频分复用（ＯＦＤＭ）是一种 并行传输技术，它在指定频带上设置 Ｋ 个等间隔的子载波，每个子载波被单独 调制，符号周期是同速率单载波系统的 Ｋ 倍，对符号间串扰的敏感性较单载波 系统大大降低，从而能够更有效的对抗 多径干扰。同时，Ｏ Ｆ Ｄ Ｍ 系统可在各个 符号间插入保护间隔来消除符号间干扰 （ＩＳＩ）。ＯＦＤＭ 信号的调制和解调可采用 ＩＦＦＴ 和 ＦＦＴ 实现，见图 １。
参考文献：
１ Ｖ．Ｅｒｃｅｇ， Ｋ．Ｖ．Ｓ．Ｈａｒｉ， Ｍ．Ｓ． Ｓｍｉｔｈ， ＂Ｃｈａｎｎｅｌ Ｍｏｄｅｌｓ ｆｏｒ Ｆｉｘｅｄ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ＂， ＩＥＥＥ ８０２．１６．３ｃ－０１／２９ｒｌ Ｆｅｂ． ２３， ２００１
２ Ｄ． Ｆａｌｃｏｎｅｒ， Ｄ． Ｓｈａｎｉ， Ｍ． Ｒａｎ， Ｖ． Ａｒａｔ， ＂Ｄｒａｆｔ Ｄｏｃｕｍｅｎｔ ｆｏｒ ＳＣ－ＤＦＥ ＰＨＹ Ｌａｙｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｓｕｂ １１ ＧＨｚ ＢＷＡ＂， ＩＥＥＥ ８０２．１６．３ｃ－０１－５８ｒ２， Ｍａｙ． １７， ２００１
对于采用线性均衡方法的单载波频 域均衡系统，为了进一步提高系统性能， 还可以对上述频域均衡后的信号再进行 带判决反馈的时域均衡，如图 ３ 所示。
图 ３ 一种时频混合单载波均衡结构
频域均衡单载波系统的应用
频域均衡单载波和多载波 ＯＦＤＭ 系 统在系统结构上的相近为两种系统共存
图 ４ 单载波多载波共存的双向传输系统
４ Ｊｏｈｎ Ｇ． Ｐｒｏａｋｉｓ． 数字通信（第三版）． 电子工业出版社，１９９８ ＥＰＣ
ELECTRONIC PRODUCTS CHINA MARCH 2003 ３ ７
图 ５ 中，Ｓ Ｃ － Ｌ Ｉ Ｎ Ｅ Ａ Ｒ 、Ｓ Ｃ － Ｍ Ｕ Ｘ
和 Ｏ Ｆ Ｄ Ｍ 分别是频域线性均衡的单载波 系统、频域线性时域一阶反馈混合均衡 的单载波系统和信道估计采用线性插值 的多载波系统的误码率曲线。可以看出， 由于多径衰落信道下判决反馈均衡优于 线性均衡，故 Ｓ Ｃ － Ｍ Ｕ Ｘ 性能优于 Ｓ Ｃ － Ｌ Ｉ Ｎ Ｅ Ａ Ｒ 。这里 Ｏ Ｆ Ｄ Ｍ 信道估计采用了 简单的线性插值，而未采用更复杂的维 纳插值，故性能稍逊于 Ｓ Ｃ － Ｍ Ｕ Ｘ 。
关 键 词 ： 单载波；频域均衡；多载波
引言
宽带无线通信是现代通信技术发展 的一个热点，可实现通信网络的“无缝” 链接，让人们的通信联系不再受时间和 地点的约束。无线通信从早期的模拟蜂 窝网、当代的数字蜂窝网逐步过渡到未 来的 ３Ｇ 和 ４Ｇ 系统，为人们提供高速可 靠的无线接入，宽带通信已经成为无线 通信技术发展的必然趋势。ＩＥＥＥ ８０２．１１ 为宽带无线局域网（ Ｗ Ｌ Ａ Ｎ ） 制定了标准， 而最近正在制定中的８０２．１６则为更广范 围的城域网（ Ｍ Ａ Ｎ ） 提供了宽带无线接入 （ＢＷＡ）标准，本文介绍的正是被８０２．１６ａ 采用的单载波频域均衡技术。
发射机和一个单载波接收机组成，包括 两个 ＩＦＦＴ 和一个 Ｆ Ｆ Ｔ 模块，而客户端 则为一个多载波 Ｏ Ｆ Ｄ Ｍ 接收机和一个单 载波发射机，只包含有一个 ＦＦＴ 模块。这 样的系统结构把 Ｉ Ｆ Ｆ Ｔ 、Ｆ Ｆ Ｔ 等复杂度 高、功耗大的模块尽量放在了基站，降低 了客户端的硬件复杂度和功耗。另一方 面，由于客户端是单载波发射的，发射信 号峰平比小，从而可以采用低成本功率 放大器。
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无线信道中的单载波频域均衡技术
西安电子科技大学 胡飞将
摘 要 ： 本文介绍了时域均衡的单载波系统、多载波正交频分复用系统和频域均衡的单载波系统。频域均 衡单载波系统复杂度和性能与多载波系统相当，可以与多载波系统共存，已被ＩＥＥＥ ８０２．１６建议在宽带无线接入 中采用。
３ Ａ． Ｍｉｌｅｗｓｋｉ， ＂Ｐｅｒｉｏｄｉｃ Ｓｅｑｕｅｎｃｅｓ ｗｉｔｈ Ｏｐｔｉｍａｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｆｏｒ Ｃｈａｎｎｅｌ Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｆａｓｔ Ｓｔａｒｔ－ｕｐ Ｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ＂， ＩＢＭ Ｊ． Ｒｅｓ． Ａｎｄ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ， Ｓｅｐｔ． １９８３， ｐｐ． ４２６－４３１．
频域均衡的单载波系统结合了多载 波 Ｏ Ｆ Ｄ Ｍ 系统和常见单载波系统的优 点，其特点可归结如下：
（１）与多载波系统相比，降低了峰平 比和对相位噪声的敏感性，降低了功率 放大器等模拟器件的成本，可以利用单 载波成熟的射频技术。
（２）与单载波系统相比，抗多径能力 增强（与多载波性能相当），而均衡器复杂 度大大降低。