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一種無循環前綴的單載波頻域均衡方法.pdf

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一種 循環 前綴 載波 均衡 方法
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摘要
申請專利號:

CN201210260523.0

申請日:

2012.07.25

公開號:

CN102752244B

公開日:

2015.01.14

當前法律狀態:

有效性:

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):H04L 25/03申請日:20120725|||公開
IPC分類號: H04L25/03; H04L25/02 主分類號: H04L25/03
申請人: 浙江大學
發明人: 應軍科; 鐘杰; 趙民建
地址: 310058 浙江省杭州市西湖區余杭塘路388號
優先權:
專利代理機構: 杭州求是專利事務所有限公司 33200 代理人: 周烽
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201210260523.0

授權公告號:

102752244B||||||

法律狀態公告日:

2015.01.14|||2012.12.19|||2012.10.24

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明公開了一種無循環前綴的單載波頻域均衡方法,可以明顯提高單載波通信系統的帶寬利用率。本發明方法的單載波系統物理幀包括訓練序列部分和數據傳輸部分,其中所述訓練序列為ZC序列,序列長度為FFT塊長,在訓練序列前添加循環前綴;所述數據傳輸部分為數據塊,每塊長度為FFT塊長。該方法利用所述訓練序列進行信道估計以及降噪處理,對接收到的數據進行塊間干擾消除以及循環前綴的重構來消除符號間干擾,從而使得無循環前綴保護的單載波系統能夠具有跟帶有循環前綴保護的單載波系統一樣的抗多徑干擾特性。該方法的優點是在傳統SCFDE的基礎上,消除了循環前綴的開銷,大大提高了帶寬利用率和數據傳輸速率。

權利要求書

1.一種無循環前綴的單載波頻域均衡方法,其特征在于,該方法包括以下步
驟:
(1)接收機對模擬信號進行采樣以及數字下變頻之后,接收物理幀信號r;所
述物理幀信號r包括訓練序列以及數據傳輸部分;所述訓練序列(UW)為ZC
序列,長度為FFT塊長,在訓練序列前添加循環前綴(CP);所述數據傳輸部
分為數據塊,每塊長度為FFT塊長;
(2)從接收得到的物理幀信號r中,根據物理幀結構提取出訓練序列rZC,將
該序列與本地序列進行移位相關運算以及降噪處理得到信道信息;
(3)根據2得到的信道信息以及上一符號塊判決結果,來消除上一符號塊對
本符號塊的干擾,即消除塊間干擾;
(4)利用由2得到的信道信息以及本符號前一次迭代的判決結果,對3得到的
信號r′(i)進行循環前綴的重構,使得符號塊具有與傳統SCFDE系統相同的循
環特性;
(5)利用由2得到的信道信息以及4得到的循環重構之后的信號y(i)來進行頻
域一階均衡,從而消除符號塊內的符號間干擾;
(6)將由5頻域均衡得到的數據塊進行IFFT變換至時域,輸入到譯碼器,進
行軟譯碼,得到譯碼軟信息以及譯碼結果輸出;
(7)迭代檢測,利用6得到的譯碼軟信息進行重映射作為判決結果返回步驟
4,通過迭代消除ISI干擾,經過多次迭代操作達到需要的性能;
(8)解調,通過對譯碼輸出結果進行判決,解調恢復原始發送數據。
2.根據權利要求1所述無循環前綴的單載波頻域均衡方法,其特征在于,所
述步驟2具體為:假設信道響應為:
h=[h0,h1,...hL];
其中,hi為第i徑的幅度,則hi的估計方法如下:
h i = Σ j = 0 N FFT - 1 r ZC ( j ) s ZC i ( j ) ; ]]>
其中NFFT為FFT塊長,rZC為接收到的訓練序列,為本地訓練序列的i
循環移位,j為FFT塊的序數;
在初步獲得信道響應h=[h0,h1,...hL]之后,對其進行進一步的降噪處理:首
先對hi進行由低到高排序,對占總能量10%以內的M條徑求平均,之后取該值
的6倍作為門限判決量,向量h中小于該門限的徑賦值為零,由此得到最終的
信道響應估計結果。
3.根據權利要求1所述無循環前綴的單載波頻域均衡方法,其特征在于,所
述步驟3具體為:將塊間干擾從接收信號中減去,消除IBI之后的信號可以表
示為:
r ( i ) = r ( i ) - H 1 x ^ ( i - 1 ) = H 0 x ( i ) + n ( i ) ; ]]>
其中r′(i)為i時刻接收數據塊進行塊間干擾消除后的信號,r(i)為i時刻接
收數據塊,為i-1時刻接收數據塊的判決結果,n(i)為i時刻的噪聲干
擾,H0和H1為i時刻的信道矩陣:

對于數據傳輸部分第一數據塊,采用已知ZC序列進行IBI消除,即取
x ^ ( i - 1 ) = s ZC . ]]>
4.根據權利要求1所述無循環前綴的單載波頻域均衡方法,其特征在于,所
述步驟4具體為:所述對步驟(3)得到的信號r′(i)進行循環前綴的重構具體
可以表示為:
y ( i ) = r ( i ) + H 1 x ^ ( i ) = H 0 x ( i ) + H 1 x ^ ( i ) + n ( i ) ; ]]>
其中,為i時刻接收數據塊上一次迭代的判決結果。
5.根據權利要求1所述無循環前綴的單載波頻域均衡方法,其特征在于,所
述步驟5具體為:經過循環重構之后的信號y(i)表示如下:
y ( i ) = ( H 0 + H 1 ) x ( i ) + H 1 ( x ^ ( i ) - x ( i ) ) + n ( i ) ]]>
= H c x ( i ) + H 1 ( x ^ ( i ) - x ( i ) ) + n ( i ) ; ]]>
其中,Hc=H0+H1為信道循環矩陣,其頻域響應D為對角陣,對循環前綴
得到的數據塊以及信道信息進行FFT變換,得到頻域表示為:
Y = DX + F H 1 ( x ^ - x ) + Fn ; ]]>
其中,X為發送信號的頻域表示,Y為接收信號的頻域表示,F為傅里葉
變換矩陣,將作為噪聲項,采用頻域最小均方誤差均衡進行一階均衡
消除ISI,均衡器系數為:
W ( k ) = H * ( k ) | H ( k ) | 2 + σ n 2 , 0 k N - 1 ; ]]>
其中,W(k)為均衡其系數矩陣,k為FFT塊的序數,H(k)為矩陣D中的對
角元素,為噪聲能量。

說明書

一種無循環前綴的單載波頻域均衡方法

技術領域

本發明屬于寬帶無線傳輸技術領域,特別涉及一種在無循環前綴保護情況
下的單載波頻域均衡的方法。

背景技術

隨著無線通信技術的飛速發展,寬帶無線通信系統日益成為人們關注的熱
點。然而在寬帶無線通信系統中,信道的多徑效應會引入嚴重的符號間干擾
(ISI),從而嚴重影響通信可靠性。單載波頻域均衡(SC-FDE)是寬帶無線傳
輸中一種十分有效的對抗多徑干擾的方法,由于其相對于時域均衡的低復雜
度,以及相對于正交頻分多址(OFDM)技術的低峰均比這兩個優勢,是目前
公認的可用于對抗多徑衰落的單載波解決方案,已得到國際上眾多的標準化組
織以及設備制造商的認可與采納,并廣泛應用于各種無線通信領域。

類似于OFDM系統,SC-FDE系統在接收端利用了高效的FFT運算,數據
傳輸以塊結構來實現,通過對每單個塊添加循環前綴來抵抗多徑干擾,從而可
以采用頻域均衡來消除ISI。其中CP的長度應該大于信道沖擊響應的長度,這
樣可以使得原來的線性卷積轉換成圓周卷積,從而使得不同的多徑延遲在頻域
上表現為在不同頻率上具有不同的相位旋轉,多個時延信號的疊加則表現為頻
率選擇性衰落,然而在信道條件已知的情況下,在頻域進行信道補償即是一個
簡單的線性相乘運算,計算復雜度低,在完成頻域信道補償完之后將整塊頻域
數據通過IFFT轉換到時域進行判決,即完成了頻域均衡。

基于CP和頻域均衡的單載波塊傳輸系統在接收端通過FFT/IFFT可以方便
地實現頻域一階均衡,具有與OFDM相近的復雜度和性能,克服了多徑引起的
頻率選擇性衰落。然而由以上描述可知,為抵抗多徑衰落,CP長度必須大于
信道沖擊響應的長度,而在高速寬帶系統中,多徑干擾隨著帶寬的增加而成倍
的增長,因此CP長度也成倍的增長,這使得CP消耗在總數據載荷中占的比重
越來越大,導致帶寬利用率大大降低,因此一種不采用CP的頻域均衡技術能
夠避免CP的巨大開銷,有效的提高帶寬利用率,更好的實現高速寬帶的數據
傳輸。

發明內容

本發明的目的是克服現有基于CP的SC-FDE系統中CP開銷大、帶寬利用
率低的問題,提出了一種無循環前綴的單載波頻域均衡方法。該方法中,物理
幀包括訓練序列部分和數據傳輸部分,其中所述訓練序列(UW)為ZC序列,
長度為FFT塊長,在訓練序列前添加循環前綴(CP);所述數據傳輸部分為數
據塊,每塊長度為FFT塊長。通過在接收端進行信道估計、塊間干擾消除以及
循環重構達到與帶CP系統相同的性能,有效地提升了系統帶寬利用率。

本發明的目的是通過以下技術方案來實現的:一種無循環前綴的單載波頻
域均衡方法,該方法包括以下步驟:

(1)接收機對模擬信號進行采樣以及數字下變頻之后,接收物理幀信號r;所
述物理幀信號r包括訓練序列以及數據傳輸部分;所述訓練序列(UW)為ZC
序列,長度為FFT塊長,在訓練序列前添加循環前綴(CP);所述數據傳輸部
分為數據塊,每塊長度為FFT塊長;

(2)從接收得到的物理幀信號r中,根據物理幀結構提取出訓練序列rZC,將
該序列與本地序列進行移位相關運算以及降噪處理得到信道信息;

(3)根據2得到的信道信息以及上一符號塊判決結果,來消除上一符號塊對
本符號塊的干擾,即消除塊間干擾;

(4)利用由2得到的信道信息以及本符號前一次迭代的判決結果,對3得到的
信號r′(i)進行循環前綴的重構,使得符號塊具有與傳統SCFDE系統相同的循
環特性;

(5)利用由2得到的信道信息以及4得到的循環重構之后的信號y(i)來進行頻
域一階均衡,從而消除符號塊內的符號間干擾;

(6)將由5頻域均衡得到的數據塊進行IFFT變換至時域,輸入到譯碼器,進
行軟譯碼,得到譯碼軟信息以及譯碼結果輸出;

(7)迭代檢測,利用6得到的譯碼軟信息進行重映射作為判決結果返回步驟
4,通過迭代消除ISI干擾,經過多次迭代操作達到需要的性能;

(8)解調,通過對譯碼輸出結果進行判決,解調恢復原始發送數據。本
發明的有益效果是,應用本發明的方法,在沒有循環前綴保護的單載波頻域均
衡系統中,能夠通過在接收端經過簡單的迭代運算來抵抗多徑干擾造成的IBI
以及ISI,最終能夠得到與帶循環前綴保護的單載波頻域均衡系統相接近的性
能,從而能夠有效的提升帶寬利用率以及數據傳輸速率,適用于寬帶單載波頻
域均衡系統。

附圖說明

圖1為無CP-SCFDE系統的結構原理示意圖;

圖2為無CP-SCFDE系統解調框圖;

圖3為塊間干擾(IBI)消除示意圖;

圖4為消除IBI之后的ISI干擾示意圖;

圖5為通過循環重構消除ISI干擾方法示意圖。

具體實施方式

一種無循環前綴的單載波頻域均衡方法,無CP-SCFDE系統的物理幀包括
訓練序列部分和數據傳輸部分,其中所述訓練序列(UW)為ZC序列,長度為
FFT塊長,在訓練序列前添加循環前綴(CP);所述數據傳輸部分為數據塊,
每塊長度為FFT塊長。通過在接收端進行信道估計、塊間干擾消除以及循環重
構達到與帶CP系統相同的性能,有效地提升了系統帶寬利用率。

本發明一種無循環前綴的單載波頻域均衡方法,具體包括以下步驟:

1、接收機經過對模擬信號進行采樣以及數字下變頻之后,接收物理幀信
號r;所述物理幀信號r包括訓練序列以及數據傳輸部分。所述訓練序列
(UW)為ZC序列,長度為FFT塊長,在訓練序列前添加循環前綴(CP);所
述數據傳輸部分為數據塊,每塊長度為FFT塊長。

2、從接收得到的物理幀信號r中,根據物理幀結構提取出訓練序列rZC,
將該序列與本地序列進行移位相關運算以及降噪處理得到信道信息。

假設信道響應為:

h=[h0,h1,...hL];

其中hi為第i徑的幅度,則hi的估計方法如下:

h i = Σ j = 0 N FFT - 1 r ZC ( j ) s ZC i ( j ) ; ]]>

其中NFFT為FFT塊長,rZC為接收到的訓練序列,為本地訓練序列的i
循環移位,j為FFT塊的序數。

在初步獲得信道響應h=[h0,h1,...hL]之后,對其進行進一步的降噪處理:首
先對hi進行由低到高排序,對占總能量10%以內的M條徑求平均,之后取該值
的6倍作為門限判決量,向量h中小于該門限的徑我們認為是噪聲項而非信道
本身響應,因此都可將其賦值為零,由此我們得到了最終的信道響應估計結
果。

3、根據2得到的信道信息以及上一符號塊判決結果,來消除上一符號塊
對本符號塊的干擾,即消除塊間干擾(IBI)。

首先,接收到的信號可以表示為:

r(i)=H0x(i)+H1x(i-1)+n(i);

其中r(i)為i時刻接收數據塊,為i-1時刻接收數據塊的判決結果,
n(i)為i時刻的噪聲干擾,H0和H1為i時刻的信道矩陣:


由此可見,塊間干擾(IBI)即為表達式中的H1x(i-1),具體見示意圖3。
消除其的方法即為將其從接收信號中減去,操作比較簡單,容易實現,消除
IBI之后的信號可以表示為:

r ( i ) = r ( i ) - H 1 x ^ ( i - 1 ) = H 0 x ( i ) + n ( i ) ; ]]>

對于數據傳輸部分第一數據塊(i=0),采用已知ZC序列進行IBI消除,
即取 x ^ ( i - 1 ) = s ZC . ]]>

4、利用由2得到的信道信息以及本符號前一次迭代的判決結果,對3得到
的信號r′(i)進行循環前綴的重構,使得符號塊具有與傳統SCFDE系統相同的
循環特性。

通過IBI消除之后,r′(i)中雖然不再包含符號塊間干擾,但仍包含符號間
干擾,具體見示意圖4,可以看出在第i個符號塊內,前L-1個符號無循環特
性,與傳統的帶CP系統的接收信號模型不同,后面若干符號都與帶CP系統相
同。則為能夠通過簡單的一階頻域均衡來消除ISI,我們采用一定的操作,將
現有數據塊通過循環重構轉換為帶有循環特性的數據塊,具體過程如圖5可
見,即利用當前觀測符號的尾部信息,加回至現有數據塊中,從而恢復數據塊
的循環卷積特性。具體可以表示為:

y ( i ) = r ( i ) + H 1 x ^ ( i ) = H 0 x ( i ) + H 1 x ^ ( i ) + n ( i ) ; ]]>

其中r′(i)為i時刻接收數據塊進行塊間干擾消除后的信號,為i時刻接
收數據塊上一次迭代的判決結果。

5、利用由2得到的信道信息以及4得到的循環重構之后的信號y(i)來進行
頻域一階均衡,從而消除符號塊內的符號間干擾(ISI)。

經過循環重構之后的信號y(i)表示如下:

y ( i ) = ( H 0 + H 1 ) x ( i ) + H 1 ( x ^ ( i ) - x ( i ) ) + n ( i ) ]]>

= H c x ( i ) + H 1 ( x ^ ( i ) - x ( i ) ) + n ( i ) ; ]]>

其中,Hc=H0+H1為信道循環矩陣,其頻域響應D為對角陣,對循環前綴
得到的數據塊以及信道信息進行FFT變換,得到頻域表示為:

Y = DX + F H 1 ( x ^ - x ) + Fn ; ]]>

其中X為發送信號的頻域表示,Y為接收信號的頻域表示,F為傅里葉變
換矩陣,將作為噪聲項,采用頻域最小均方誤差(MMSE)均衡進行
一階均衡消除ISI,均衡器系數為:

W ( k ) = H * ( k ) | H ( k ) | 2 + σ n 2 , 0 k N - 1 . ]]>

其中,W(k)為均衡其系數矩陣,k為FFT塊的序數,H(k)為矩陣D中的對
角元素,為噪聲能量。

6、將由5頻域均衡得到的數據塊進行IFFT變換至時域,輸入到譯碼器,
進行軟譯碼,得到譯碼軟信息以及譯碼結果輸出。

7、迭代檢測,利用6得到的譯碼軟信息進行重映射作為判決結果返回步
驟4,通過迭代消除ISI干擾,經過多次迭代操作達到需要的性能。

8、解調,通過對譯碼輸出結果進行判決,解調恢復原始發送數據。

以上所述僅為本發明的一個具體實施例而已,并不構成對本發明的任何限
制,凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等,均應
包含在本發明的保護范圍之內。

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