(1.裝備指揮技術(shù)學(xué)院 研究生管理大隊(duì)，北京 101416；2.裝備指揮技術(shù)學(xué)院 光電裝備系，北京 101416)

1 引 言

在寬帶無線通信系統(tǒng)中，隨著通信速率不斷提高，由多徑傳播引起的頻率選擇性衰落對(duì)通信的可靠性造成了嚴(yán)重影響，所以采用頻譜效率高的抗多徑衰落技術(shù)來提高系統(tǒng)性能成為解決寬帶無線通信的一個(gè)關(guān)鍵問題。單載波頻域均衡(SC-FDE)和正交頻分復(fù)用技術(shù)(OFDM)是兩種頻率效率較高且具有抗頻率選擇性衰落信道的優(yōu)勢(shì)，還具有較低的復(fù)雜度[1-2]。但OFDM存在對(duì)定時(shí)誤差、載頻同步誤差比較敏感，而且具有較大的峰均功率比(PAPR)等問題，直接影響了OFDM技術(shù)更大規(guī)模的應(yīng)用前景。而基于頻域均衡技術(shù)的SC-FDE有效地結(jié)合了OFDM和單載波傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)，具有較強(qiáng)的克服頻率選擇性衰落的能力，并克服了OFDM系統(tǒng)的不足[2]。Turbo碼巧妙地將卷積碼和隨機(jī)交織器結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)隨機(jī)編碼的思想，并采用軟輸出迭代譯碼來逼近最大似然譯碼，因此它是一種編碼增益及糾錯(cuò)能力很強(qiáng)的差錯(cuò)控制編碼方法。由此，本文設(shè)計(jì)了一種基于軟輸出的SC-FDE和Turbo碼的抗頻率選擇性衰落的寬帶傳輸方案。一方面，利用SC-FDE來均衡頻率選擇性信道多徑傳播引起的符號(hào)間干擾(ISI)；另一方面，利用Turbo碼的強(qiáng)大糾錯(cuò)能力降低信噪比門限，從而提高系統(tǒng)的整體性能。

2 Turbo碼編譯碼

Turbo碼[3]是在1993年國(guó)際通信會(huì)議(ICC)上首次被提出的，其編碼結(jié)構(gòu)如圖1所示。它充分體現(xiàn)了Shannon信息論中的隨機(jī)編碼思想，隨機(jī)打亂信息序列后，用不同的分量編碼器來編碼。編碼器由兩個(gè)反饋的系統(tǒng)遞歸卷積碼編碼器(RSC)通過一個(gè)隨機(jī)交織器并行級(jí)聯(lián)而成，再通過刪余的方式得到不同碼率的碼字[3-4]。

圖1 Turbo碼編碼結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The encoding structure of Turbo codes

圖2 Turbo碼譯碼結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The decoding structure of Turbo codes

3 SC-FDE基本結(jié)構(gòu)及均衡方案

SC-FDE基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。在發(fā)射端，數(shù)據(jù)經(jīng)過符號(hào)映射后形成幀格式，并在每個(gè)數(shù)據(jù)幀之間插入保護(hù)間隔來最大限度地消除符號(hào)間干擾，保護(hù)間隔的長(zhǎng)度一般要大于無線信道的最大時(shí)延擴(kuò)展，這樣，一個(gè)符號(hào)的多徑分量就不會(huì)對(duì)下一個(gè)數(shù)據(jù)幀造成干擾，也就是將每幀的最后Ng個(gè)符號(hào)復(fù)制到幀頭作為循環(huán)前綴(Cyclic Prefix，CP)，形成長(zhǎng)度為N+Ng的數(shù)據(jù)塊，然后經(jīng)過加入高斯白噪聲的多徑信道到達(dá)接收端。在接收端，對(duì)接收到的數(shù)據(jù)塊進(jìn)行刪除循環(huán)前綴的操作，然后使用FFT將信號(hào)變換到頻域，在頻域經(jīng)過均衡處理后，再通過IFFT操作變換回時(shí)域進(jìn)行判決，得到重建的數(shù)據(jù)符號(hào)。

圖3 SC-FDE基本結(jié)構(gòu)Fig.3 The structure of SC-FDE

設(shè)每N個(gè)映射的碼元xn組成一個(gè)傳輸數(shù)據(jù)塊，信道沖激響應(yīng)為hn，令符號(hào)的碼元數(shù)小于信道沖激響應(yīng)hn的長(zhǎng)度，則每個(gè)接收到的數(shù)據(jù)符號(hào)可以表示為

yn=hn?xn+vn，n=0,1,2,…,N-1

(1)

Yk=XkHk+Vk，k=0,1,2,…,N-1

(2)

式中，Hk是信道的頻率響應(yīng)。假設(shè)同步和信道估計(jì)是理想的，進(jìn)行頻域均衡后：

Zk=WkYkHk+WkVk，k=0,1,2,…,N-1

(3)

式中，Wk為前饋頻域?yàn)V波器的系數(shù)。判決前的信號(hào)：

(4)

式中,P是發(fā)送信號(hào)xn的平均功率。

(5)

但是，當(dāng)信道衰落很大(很小)時(shí)，上式等號(hào)右邊第二項(xiàng)噪聲的權(quán)重很大，對(duì)信號(hào)判決影響非常大，通常采用最小均方誤差(MMSE)均衡，則：

(6)

4 系統(tǒng)方案及軟信息提取方法

由第3節(jié)SC-FDE的基本結(jié)構(gòu)可知，傳統(tǒng)的SC-FDE在頻域均衡、IFFT變換回時(shí)域后，直接硬判決，如果系統(tǒng)中有信道編碼模塊，那么均衡后進(jìn)入信道譯碼的先驗(yàn)信息實(shí)際上是硬信息(相對(duì)于軟信息)，直接硬判決實(shí)際上是降低了均衡后數(shù)據(jù)信息的精確性。而對(duì)于像Turbo碼這樣的Shannon極限碼來說，它的超強(qiáng)糾錯(cuò)能力主要是靠分量碼交織的“隨機(jī)”性和迭代譯碼器的軟信息交換帶來的[3]，如果SC-FDE變換回時(shí)域后不直接硬判決而輸出軟信息，那么必然會(huì)帶來系統(tǒng)整體性能的改善。由此，得出基于軟信息輸出SC-FDE和Turbo碼的傳輸方案，如圖4所示。數(shù)據(jù)經(jīng)過Turbo編碼后，再經(jīng)過多徑衰落信道。假設(shè)信道輸入向量為x，則信道的輸出向量為r=ax+n，a是瑞利衰減系數(shù)。在接收端，接收向量r經(jīng)過SC-FDE均衡后，通過提取比特軟信息模塊向Turbo譯碼器輸出軟信息(比特似然信息)，再經(jīng)過Turbo解碼器恢復(fù)出數(shù)據(jù)。圖4中的h(t)是信道的沖激響應(yīng)，n(t)是高斯加性白噪聲。

圖4 系統(tǒng)方案Fig.4 The scheme for the system

(7)

進(jìn)一步得出：

(8)

(9)

所以bi的對(duì)數(shù)似然比為

(10)

設(shè)發(fā)送數(shù)據(jù)等概，則：

(11)

其中：

(12)

(13)

5 仿真與結(jié)果

在SUI3[8]信道下對(duì)提出方案的性能進(jìn)行了Monte-Carlo仿真。具體仿真參數(shù)為：Turbo碼的碼率為1/2，碼長(zhǎng)為1 024，隨機(jī)交織，迭代5次，生成矩陣為[1 1 1；1 0 1]，刪余矩陣為[1 0；0 1]，譯碼算法為L(zhǎng)og-MAP；SC-FDE塊長(zhǎng)為256，其中CP長(zhǎng)度為32，采用MMSE均衡，QPSK調(diào)制和16QAM調(diào)制，載波頻率為2 GHz，信噪比范圍為0～6 dB，間隔為1 dB，信號(hào)點(diǎn)數(shù)為262 144。

圖5為SC-FDE軟輸出信息改進(jìn)前后的系統(tǒng)在相同信噪比下的誤碼率比較，從中可以看出，信噪比下改進(jìn)后系統(tǒng)的誤碼率要比未改進(jìn)系統(tǒng)明顯降低，QPSK在誤碼率10-5下改進(jìn)的系統(tǒng)相對(duì)于未改進(jìn)的大約有1.8 dB增益，16QAM在誤碼率為10-4下改進(jìn)的系統(tǒng)相對(duì)于未改進(jìn)的大約有0.8 dB增益，顯示了基于軟輸出信息SC-FDE系統(tǒng)的優(yōu)越性。

(a)QPSK

(b)16QAM圖5 相同信噪比下誤碼率比較Fig.5 The BER comparison in the same SNR

6 結(jié)束語

本文提出了一種基于軟輸出SC-FDE和Turbo碼的抗頻率選擇性衰落寬帶傳輸方案。通過在接收端的SC-FDE后增加符號(hào)軟信息輸出模塊和設(shè)計(jì)符號(hào)軟信息提取算法，提高了輸入到Turbo碼SISO譯碼器先驗(yàn)信息的精確性，改善了整個(gè)系統(tǒng)的性能。分析和仿真表明，與傳統(tǒng)SC-FDE硬判決輸出相比，系統(tǒng)輸出信噪比得到明顯改善。本文的理論研究對(duì)系統(tǒng)的工程應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值，但對(duì)軟信息提取的簡(jiǎn)化算法有待進(jìn)一步研究，以提高方案的實(shí)用性。

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