頻率選擇性衰落信道中的RAKE合并接收方案

王杰令，劉祖軍，楊 宏,2，易克初

(1. 西安電子科技大學綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)國家重點實驗室 西安 710071; 2. 中國空間技術(shù)研究院總體部 北京 海淀區(qū) 100094)

信道的頻率選擇性衰落會使發(fā)送信號產(chǎn)生符號間干擾(inter-symbol interference，ISI)，使接收機產(chǎn)生高的差錯率，嚴重影響系統(tǒng)的傳輸性能。均衡技術(shù)是補償或消除ISI的一種有效方法，最大似然序列估計(maximal likelihood sequence estimate，MLSE)被認為是無線信道中消除ISI的最佳均衡技術(shù)，然而其維特比(Viterbi)算法的復雜度以LM呈指數(shù)型增長，其中M為調(diào)制星座點數(shù)，L為信道響應(yīng)長度[1-2]。針對Viterbi算法的計算復雜度過高，提出了一些簡化或替代算法，如線性均衡器和簡化的Viterbi算法。當信道引起的信號變化比較微弱時，廣泛采用的均衡方法是自適應(yīng)線性均衡技術(shù)，但線性均衡算法在消除ISI的過程中往往會增強背景噪聲，當信道深衰落時會導致系統(tǒng)的性能惡化[3]。通過降低Viterbi算法的狀態(tài)數(shù)目，只保留柵格中可能性比較大的幾條路徑，就可以大幅度降低算法復雜度，達到接近于最大似然算法的性能[4]。與線性均衡技術(shù)結(jié)合的判決反饋(decision feedback，DF)均衡器采用一種最常用的非線性均衡技術(shù)，其復雜度隨濾波器長度線性增長，被廣泛認為可以比線性均衡器提供更優(yōu)的穩(wěn)態(tài)性能[5]。

無限沖激響應(yīng)(infinite impulse response，IIR)均衡器可通過迭代的方式以很低的算法復雜度逐符號完全消除ISI，與有限沖激響應(yīng)(finite impulse response，F(xiàn)IR)均衡器相比，在相同的頻率響應(yīng)時IIR均衡器只需更低的階數(shù)、更小的存儲容量以及更小的群延時[6]。但是IIR均衡器在迭代過程中會產(chǎn)生背景噪聲累積，與DF技術(shù)相結(jié)合的IIR均衡器可以消除噪聲累積現(xiàn)象，但系統(tǒng)性能受到誤差傳播的影響，即如果一個符號檢測存在錯誤，那么DFE對下一個符號的檢測會受到影響，因此誤差傳播成為DF-IIR均衡器需要解決的問題[7]。

本文通過一種零后綴(zero postfix，ZP)的幀結(jié)構(gòu)保留信號通過信道后的多徑分量[8]，將每幀接收信號通過DF-IIR均衡器得到對發(fā)送數(shù)據(jù)塊的估計，并根據(jù)該初始估計與信道沖激響應(yīng)(channel impulse response，CIR)重構(gòu)通過信道所有路徑的信號，然后提出一種多徑分離結(jié)構(gòu)，將接收信號中的主徑和各條多徑分量區(qū)分開，再將各徑分量按照最大比的方式合并(maximal ratio combining，MRC)[9]之后再解調(diào)判決，從而在非擴頻系統(tǒng)中實現(xiàn)RAKE接收[10]。通過多徑合并，信噪比可以顯著提高，有效抑制判決反饋均衡器中的誤差傳播問題，提高檢測性能。

1 信道模型以及均衡器原理

圖1 IIR均衡系統(tǒng)的等效基帶模型

發(fā)送信號通過多徑信道后到達接收機，接收信號可表示為：

可見，IIR均衡器可以完全消除ISI，但是在迭代檢測過程中會出現(xiàn)背景噪聲的累積，從而影響檢測性能，而判決反饋技術(shù)可以改善該現(xiàn)象。

2 多徑合并算法

本文通過長度不小于L的ZP保留通過信道的各多徑分量，當通過DF-IIR均衡器達到初始估計并進行多徑信號的重構(gòu)后，便可從接收信號中分離出各多徑分量，從而進行MRC合并。

2.1 DF-IIR均衡器

DF-IIR均衡器的傳遞函數(shù)與迭代公式分別為：

式中表示對A解調(diào)判決。從式(6)中可以看出，DF-IIR均衡器是在對符號逐個解調(diào)判決后再進行迭代濾波，因此消除了噪聲累積的問題，可取得比IIR均衡器更優(yōu)的檢測性能。然而DFE同時也會帶來誤差傳播(error propagation，EP)現(xiàn)象，即當某個符號的判決存在錯誤時，DFE對下一個符號的檢測會受到影響并也可能出現(xiàn)檢測誤差，因此DFE也很難達到理想MLSE算法的檢測效果。

2.2 合并算法及其性能分析

本文提出的合并算法模型如圖2所示。

圖2 合并算法模型

最后，將從接收信號中提取出的各多徑分量同步后，再以MRC的方式合并，其輸出為：

3 仿真結(jié)果與分析

圖3 誤碼率特性曲線

從圖3可以看出，SUI-5信道嚴重的頻率選擇性衰落使“直接判決”出現(xiàn)很高的誤碼率平臺效應(yīng)；而IIR均衡器由于存在噪聲累積現(xiàn)象，誤碼率也很高；結(jié)合判決反饋的DF-IIR算法可以消除噪聲累積現(xiàn)象，明顯地降低了IIR算法的誤碼率；合并算法在DF-IIR的基礎(chǔ)上，可以進一步改善檢測性能，當誤碼率為10?4時，新算法比DF-IIR可以改進1 dB左右。而在SUI-5信道條件下，根據(jù)前邊的分析公式不難得到，理想的MRC合并也僅可以比理想的IIR均衡器帶來約1.5 dB的信噪比增益。

4 結(jié) 束 語

本文在非擴頻的單載波傳輸系統(tǒng)中提出了實用的RAKE合并接收方案，該方案是在基于逐符號檢測的DF-IIR均衡器基礎(chǔ)上提出的，多徑分量的分離與合并過程只需要一些加減運算即可完成，計算復雜度不高。由于RAKE接收機需要各支路的輸出分量相互獨立，因此只能應(yīng)用于擴頻系統(tǒng)以及超寬帶(ultra-wide band，UWB)等系統(tǒng)[10]。本文通過一種新穎的多徑分離結(jié)構(gòu)，將各多徑分量相對獨立地分離開，從而使RAKE接收的MRC算法能夠?qū)崿F(xiàn)。然而，由于初始檢測存在誤差，合并算法仍然難于達到MLSE的性能。另外，本文選擇DF-IIR均衡作為初始檢測算法，MMSE或者自適應(yīng)等算法也可以采用，甚至合并算法的輸出結(jié)果也可以用于進行多徑信號的重構(gòu)和分解，初始檢測算法的可靠性越高，合并后的性能就越接近于MLSE算法。

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