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基于信道估計的改進(jìn)單載波頻域塊LMS算法研究
1 引言
在現代通信系統中，由于多徑效應引起碼間干擾，多徑時(shí)延擴展到數十到數百個(gè)符號，從而導致接收信號的波形失真引起誤碼。均衡是現代通信中廣泛采用的消除碼間干擾，減小系統的誤碼率的一種常用技術(shù)。它是將接收機的均衡器產(chǎn)生與信道相反的特性，用來(lái)抵消由信道時(shí)變多徑傳播特性引起的碼間干擾(ISI)。在對抗多徑衰落信道方面，基本的傳輸技術(shù)可以分為單載波和多載波兩大類(lèi)。
在多載波技術(shù)中，典型代表是正交頻分復用(OFDM)技術(shù)，它通過(guò)IFFT(快速傅立葉反變換)變換將原始的數據符號調制到正交的子載波上，頻譜利用率高，系統復雜度較低。
但對定時(shí)誤差和載波同步比較敏感，峰均功率比(PAPR)較大。
單載波系統時(shí)域均衡的方式是利用波形補償的方法將失真的波形直接加以校正， 如線(xiàn)性均衡(LE)和判決反饋均衡(DFE)。單載波時(shí)域均衡技術(shù)已經(jīng)在有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)通信中得到廣泛的應用，但是時(shí)域均衡器復雜度與信道最大時(shí)延擴展成正比，時(shí)延擴展越大，需要的抽頭階數越高，因此增加了實(shí)現難度[1].
單載波頻域均衡(SC-FDE,Single Carrier Frequency -Domain Equalization)是解決寬帶無(wú)線(xiàn)通信系統中多徑衰落問(wèn)題的一個(gè)比較新的方案，近年來(lái)對單載波頻域均衡的研究逐漸增多，并且在IEEE 802.16 無(wú)線(xiàn)城域網(wǎng)中，將OFDM 技術(shù)和基于單載波頻域均衡的傳輸方案納入標準[2].單載波頻域均衡技術(shù)綜合了單載波調制和OFDM 的優(yōu)點(diǎn)，是一種很有競爭力的對抗多徑衰落信道的技術(shù)。
單載波頻域均衡在接收端使用FFT(快速傅立葉變換)變換對數據塊進(jìn)行處理，大大降低了接收端的復雜性，提高了系統效率，常見(jiàn)的有線(xiàn)性均衡，頻時(shí)混合的判決反饋均衡，頻域塊最小均方等算法。由于SC-FDE 在系統的初始化啟動(dòng)過(guò)程中收斂速度較慢，因此本文將通過(guò)引入基于滑動(dòng)相關(guān)的信道估計的算法的改進(jìn)來(lái)提高收斂速度，來(lái)使系統更快達到穩定性，使用仿真分析和實(shí)際應用來(lái)驗證改進(jìn)算法的特性。
2 單載波頻域均衡算法原理
單載波頻域系統如圖1 所示。在發(fā)射端，輸入數據經(jīng)過(guò)映射(4QAM 或16QAM 等方式)后，加上幀頭(PN 序列)組成幀，然后經(jīng)過(guò)信道發(fā)出。在接收端，去掉幀頭，通過(guò)FFT 和IFFT變換來(lái)實(shí)現頻域均衡，再通過(guò)對信號進(jìn)行解映射，最后輸出數據。
單載波頻域均衡是基于把接收的數字信號按塊在頻域進(jìn)行處理，運用信號處理中時(shí)域卷積等價(jià)于頻域相乘的原理，并充分利用成熟的(快速傅立葉變換)FFT 算法，降低系統的復雜度，提高均衡器的收斂速度。這里頻域均衡部分采用頻域塊最小均方(FBLMS)算法[3].
由于 FBLMS 算法中已經(jīng)使用LMS 作為自適應更新的方式，傳統方法一般是將抽頭系數的初始值一般設為1,再用盲均衡算法如啟停算法(SAG)，恒模算法(CMA)[4]的方法來(lái)進(jìn)行啟動(dòng)。盲均衡算法是作為訓練模式和判決模式的補充手段，利用數據本身的特性來(lái)恢復發(fā)送的原始數據。但是存在啟動(dòng)速度慢，在某些惡劣的信道條件下甚至無(wú)法很好的正常工作的缺點(diǎn)。因此提出引入信道估計的改進(jìn)算法來(lái)改善這一情況。
3 信道估計算法
利用發(fā)送數據的已知幀頭數據，用信道估計的方法求得一個(gè)初始值賦值給均衡器的抽頭系數。由于信道估計值已經(jīng)包含了一部分正確的信道信息，均衡器用這部分正確的抽頭系數進(jìn)行更新，在初始引導正確后再進(jìn)行信道跟蹤就較為容易。因此可以加快系統進(jìn)入穩定工作狀態(tài)的速度，優(yōu)化了傳統的FBLMS 的算法。在系統中只用信道估計的算法做初值的賦值，數據的均衡算法仍采用頻域塊最小均方算法自適應收斂�？紤]相關(guān)信道估計算法實(shí)現較為簡(jiǎn)單，十分適合用來(lái)做初步的信道估計。
相關(guān)信道估計算法[5]工作原理如圖3 所示，這里以3 徑的情況為例進(jìn)行說(shuō)明。發(fā)送偽隨機序列(PN 序列)長(cháng)度為N,在經(jīng)過(guò)多徑信道之后，發(fā)送PN 序列變成了分別經(jīng)歷了不同延時(shí)和衰落的3 徑PN 信號。接收PN 信號正是這3 徑的混合。從接收PN 信號的起始時(shí)刻開(kāi)始，本地PN 序列滑動(dòng)移位與接收PN 信號作滑動(dòng)相關(guān)。在本地PN 序列滑動(dòng)到與3 徑信號吻合的3 個(gè)時(shí)刻，相關(guān)器分別輸出3 個(gè)相關(guān)峰，而其它時(shí)刻則輸出幅度較小的相關(guān)值。整個(gè)相關(guān)過(guò)程中相關(guān)器的輸出作為信道沖擊響應的估值h.
用相關(guān)方法的具體步驟如下：
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