CN107171990B - 基于分数间隔与迭代算法的单载波信号时域均衡方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于分数间隔与迭代算法的单载波信号时域均衡方法，用于解决现有单载波信号时域均衡方法存在的误码率性能差的技术问题，实现步骤为：1、对接收信号以M倍符号速率进行采样，并对采样结果进行分块；2、对数据块进行分解，并利用分解结果对不同信道响应进行估计；3、分别对奇偶信号进行MMSE均衡；4、对奇、偶信号软信息分别进行拼接；5、设置迭代次数K，并初始化K＝0；6、将奇、偶序列译码块软信息合并，得到合并软信息；7、利用迭代算法，对奇偶序列译码块软信息分别进行更新，8、输出译码结果。本发明提出的均衡方法有效抑制了采样点偏差带来的影响，提高了信号传输的可靠性。

Description

基于分数间隔与迭代算法的单载波信号时域均衡方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，特别涉及一种单载波时域均衡方法，具体涉及一种基于分数间隔的单载波时域均衡方法，可适用于短波通信系统领域。

背景技术

自第二次世界大战中，短波通信得到了高度发展，至今还在广播、舰船通信、航空通信及各类战术通信中广泛使用。短波通信是指利用波长为100～10m(频率为3～30MHz)的电磁波进行的无线电通信。短波通信是无线通信的基本方式之一，它依赖电离层的反射、折射来传输信息，其通信媒介—电离层是迄今无法彻底摧毁的。近年来数字信号处理理论的日益成熟，高速数据处理器的不断更新，使人们有理由进一步挖掘短波通信的潜力。短波信道是一种在时域、频域、空域上都有变化的色散的信道，这种信道的不稳定性使短波具有频带窄、容量小、速率低、相互干扰严重的特点。它具有三个特点：(1)对信号的衰落随时间而变化；(2)传输的时延随时间随机变化；(3)多径传播。这使得在带宽受限的信道中会产生码间串扰ISI，这种干扰还表现为在时域导致信号产生瑞利衰落，在频域产生频率弥散和频率选择性衰落。均衡技术就是为了消除上述信道特点造成的ISI从而改善接收机性能的一种关键技术。

根据使用均衡技术使用的通信系统载波分类的不同，均衡技术可分为单载波均衡和多载波均衡。由于短波信道信号畸变严重、频段拥挤，短波通信较多使用窄带通信，一般使单载波系统。

均衡器的实现原理是在基带系统中插入一种可调或不可调的滤波器，通过补偿整个系统的幅频和相频特性使得包含该均衡器在内的整个系统特性满足无码间串扰的要求，其本质是时变传输信道的反向滤波。根据均衡的具体算法实现的不同，均衡可分为时域均衡、频域均衡。频域均衡往往需要分别校正幅频特性和群时延特性，且对群时延失真的补偿能力较弱，尤其对非最小相位衰落通常无能为力，因而在数字传输系统中一般不采用频域均衡，而采用时域均衡。所谓时域均衡，就是从时域的冲激响应考虑，使整个系统的冲激响应满足无码间串扰条件。

均衡技术按照是否采用迭代算法可分为迭代均衡与非迭代均衡。非迭代均衡仅通过一次均衡就得到输出结果，而迭代均衡在输出结果有误时通过迭代法多次更新输出软信息来更新输出结果。

现有的迭代均衡算法是基于符号间隔的，其原理为接收端对接收信号进行符号间隔采样操作得到数据块，随后利用迭代法不断更新数据块中的信息并判断迭代是否终止。例如，申请公布号为CN 105897628A、名称为“单载波均衡器及包含该单载波均衡器的接收机系统”的发明申请，公开了一种符号间隔迭代均衡方法，为对接收滤波器的输出信号进行符号间隔采样得到采样信号，利用迭代更新器对采样信号进行初次迭代后将迭代器的输出信号送回至迭代更新器，并利用信号判决器判断是否结束迭代，如此往复直至迭代更新器输出信号满足迭代终止条件。该方法能够在一定程度上提高通信系统接收端的误码率性能。但是在大多数实际系统中，由于滚降原因产生额外的带宽，以符号速率进行采样一般会产生频谱混叠，这些混叠的频谱可能会产生零点或者接近零点的频谱，如果符号间隔均衡器补偿这些零点将会放大该频率处的噪声，从而引起均衡性能下降，此外符号间隔均衡器的性能对定时相位误差非常敏感，导致接收端误码率性能差。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足，提出了一种基于分数间隔与迭代算法的单载波时域均衡方法，用于解决现有单载波时域均衡方法中存在的误码率性能差的技术问题。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案包括如下步骤：

(1)接收端对接收滤波器的输出信号以M倍符号速率进行采样，并对采样结果进行分块，得到多个数据块Y＝[y₀,...y_m,...y_M×N-1]，其中y_m表示数据块中第m个采样点，N表示每个数据块包含的符号长度，且N＝N_T+N_D，N_D表示每个数据块包含的未知数据部分的符号长度，且N_D＞0，N_T表示每个数据块包含的训练序列部分的符号长度，且N_T＞0；

(2)接收端对数据块Y进行分解，并利用分解结果对不同信道响应进行估计：接收端将数据块Y分解为偶信号和奇信号并利用偶信号Y⁰中的训练序列对偶序列所在信道响应进行估计，得到偶序列信道响应同时利用奇信号Y¹中的训练序列对奇序列所在信道响应进行估计，得到奇序列信道响应h¹＝(h₀ ¹,...h_m ¹,...h_r ¹)，其中r为信道响应的长度；

(3)接收端利用偶序列信道响应h⁰对偶信号Y⁰进行MMSE均衡，得到偶序列软信息S⁰＝[S⁰ ₀,…,S⁰ _m,…,S⁰ _N-1]，同时利用奇序列道响应h¹对奇信号Y¹进行MMSE均衡操作，得到奇信号软信息S¹＝[S¹ ₀,…,S¹ _m,…,S¹ _N-1]；

(4)接收端对奇偶信号软信息分别进行拼接：接收端对偶信号软信息S⁰进行拼接，得到偶序列译码块软信息I⁰(i⁰ ₀，...i⁰ _m，...i⁰ _L)，同时对奇信号软信息S¹进行拼接，得到奇信号译码块软信息I¹(i¹ ₀，...i¹ _m，...i¹ _L)，其中L为译码块的长度；

(5)设置迭代次数K，并初始化K＝0；

(6)接收端将奇序列译码块软信息I⁰与偶序列译码块软信息I¹合并，得到合并软信息I(i₀，...i_m，...i_L)；

(7)利用迭代算法，对奇偶序列译码块软信息分别进行更新，得到更新后的偶序列译码块软信息I⁰和奇序列译码块软信息I¹，实现步骤为：

(7a)译码器对合并软信息I进行译码，得到软信息形式的译码结果I'与校验和，并判断迭代次数K是否超出预先设置的上限，若是，执行步骤(8)，否则，判断校验和是否为0，若是，执行步骤(8)，否则执行步骤(7b)；

(7b)更新奇偶序列译码块软信息：接收端利用步骤(2)得到的偶序列信道响应h⁰和步骤(6)得到的译码结果I'对步骤(2)中的偶信号Y⁰进行SIC均衡，并将均衡结果赋予偶序列译码块软信息I⁰，同时利用步骤(2)得到的奇序列信道响应h¹和步骤(6)得到的译码结果I'对步骤(2)中的奇信号Y¹进行SIC均衡，并将均衡结果赋予奇序列译码块软信息I¹，令K＝K+1，并执行步骤(6)；

(8)输出译码结果，时域均衡结束。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

本发明使用分数间隔均衡方法对接收端滤波器输出信号进行均衡，充分利用的分数采样点除丰富的信道信息，在存在一定定时误差的情况下仍然能够利用这些信道信息更新软信息，降低了接收端均衡器对定时相位误差的常敏感度，同时接收端在对单载波信号进行均衡时，是通过将分数间隔均衡与迭代算法结合的方式实现的，降低了接收端由于滚降原因产生的频谱混叠对接收机性能的影响，提高了接收机的误码率性能。

附图说明

图1是本发明的实现流程框图；

图2是本发明所适用通信系统接收端的信号流向图；

图3是本发明接收端对信号的分解原理图；

图4是本发明中的系统性能与相同条件下采用符号均衡的系统性能在不同的定时误差条件下的仿真结果比较。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述。

参照图1，基于分数间隔与迭代算法的单载波时域均衡方法，包括如下步骤：

步骤1，接收端对接收滤波器的输出信号以4倍符号速率进行采样，并对采样结果进行分块，其中，接收端的信号流向如图2所示。

在通信系统的接收端用匹配滤波器对信号滤波，对滤波器输出信号以4倍符号速率进行采样并对采样结果进行分块，得到多个数据块Y＝[y₀,...y_m,...y_M×N-1]，其中y_m表示数据块中第m个采样点，N表示每个数据块包含的符号长度，且N＝N_T+N_D，N_D表示每个数据块包含的未知数据部分的符号长度，且N_D＞0，N_T表示每个数据块包含的训练序列部分的符号长度，且N_T＞0。

步骤2，接收端对数据块Y进行分解，并利用分解结果对不同信道响应进行估计：

步骤2a，将数据块Y划分为M个子序列

Y_s,1＝[y_s1,1,…,y_sm,1,…,y_s(N-1),1]，...Y_s,k＝[y_s1,k,…,y_sm,k,…,y_s(N-1),k]，...Y_s,M＝[y_s1,M,…,y_sm,M,…,y_s(N-1),M]，其中子序列的元素y_sm,k＝y_(k-1)×M+m；

步骤2b，任意选取两个不同的子序列Y_s,p，Y_s,q，令偶信号Y⁰＝Y_s,p，奇信号Y¹＝Y_s,q。

现有的迭代均衡技术是基于符号间隔采样的均衡技术，在均衡时只利用了估算到的信噪比最大的采样点的信息。其余采样点虽然信噪比较小，但仍然包含丰富的信道信息，而分数间隔均衡正是由于利用了这些信道信息而使接收端达到了更佳的误码率效果。接收端的采样点定时可能不准确，接收端无法确定采样点中信噪比比最大的位置，因此奇信号与偶信号的选取方法为随机选取。

步骤3，接收端利用偶序列信道响应h⁰对偶信号Y⁰进行MMSE均衡，得到偶序列软信息S⁰＝[S⁰ ₀,…,S⁰ _m,…,S⁰ _N-1]，同时利用奇序列道响应h¹对奇信号Y¹进行MMSE均衡操作，得到奇信号软信息S¹＝[S¹ ₀,…,S¹ _m,…,S¹ _N-1]：

基于MMSE准则最佳估计实际上是对接收序列的线性滤波，设该滤波器的长度为N，N＝N₁+N₂+1其滤波系数为c_k,n，n＝-N₁,-N₁+1,…,N₂，其中，N₁，N₂为该滤波器因果部分和非因果部分的长度。

滤波过程可表示为：

其中 p∈[0,M-1]是最佳采样位置，MMSE滤波系数为： 是信道噪声方差，I_N是N×N的单位矩阵，是c_k的转置。

H为N×(N+M₁+M₂)卷积形式的信道矩阵，可以表示为：

其中h_r为信道的反转形式，即M₁是信道冲击响应的因果部分，M₂是信道冲击响应的非因果部分。

步骤4，接收端对奇偶信号软信息分别进行拼接：

接收端对奇信号软信息S¹进行拼接，得到奇序列译码块软信息I¹(i¹ ₀，...i¹ _m，...i¹ _L)，同时对偶信号软信息S⁰进行拼接，得到偶信号译码块软信息I⁰(i⁰ ₀，...i⁰ _m，...i⁰ _L)其中L为一个译码块的长度；

步骤5，设置迭代次数K，并初始化K＝0：

迭代次数K用于记录偶序列译码块软信息和奇序列译码块软信息的更新次数，当迭代次数达到预先设置的上限，迭代过程将被终止。

步骤6，接收端将奇序列译码块软信息I¹与偶序列译码块软信息I⁰合并，得到合并软信息I(i₀，...i_m，...i_L)；

分数间隔均衡器有两种不同的离散时间模型：多通道模型和多速率模型。两种模型是等价的，多速率模型说明了分数间隔均衡器的空间分集，而多信道模型则说明了时间分集。本实施例采用多通道模型，其对应的收端对信号的分解原理如图3所示。发送端的信号可以看做经过多个信道之后分别到达接收端，随后被多个分数间隔均衡器分别进行滤波处理得到处理后的软信息，最后这些软信息被接收端合并。根据多通道模型，采用实现分数间隔均衡最普遍的方式，即求两路软信息的均值：

i_m＝(i⁰ _m+i_m ¹)/2，m＝0，...L；

步骤7，利用迭代算法，对奇偶序列译码块软信息分别进行更新，得到更新后的偶序列译码块软信息I⁰和奇序列译码块软信息I¹，实现步骤为：

步骤7a，译码器对合并软信息I进行译码，得到软信息形式的译码结果I^d(i^d ₀，...i^d _m，...i^d _L)与校验和，并对迭代次数K是否超出预先设置的上限进行判断，若是，执行步骤8，否则，判断校验和是否为0，若是，执行步骤8，否则执行步骤7b；

本发明中的仿真采用LDPC码。LDPC的译码算法主要分成三类：硬判决译码、软判决译码和混合译码。硬判决译码性能最差，软判决译码利用接收信号的软信息进行迭代译码，不仅利用了软信息的符号信息，还利用了软信息中表征判决可靠性的幅度信息。由于软信息中包含了丰富的信道信息，因此，软判决译码能够充分地利用信道信息，提高译码的性能。软判决译码是三类译码算法中最为复杂的，同时，这种译码算法对信道信息的利用率最高，译码性能最好，因此此处采用软译码。

步骤7b，更新奇偶序列译码块软信息：接收端利用步骤2得到的偶序列信道响应h⁰和步骤7a得到的译码结果I'对步骤2中的偶信号Y⁰进行SIC均衡，并将均衡结果赋予偶序列译码块软信息I⁰，同时利用步骤2得到的奇序列信道响应h¹和步骤7a得到的译码结果I'对步骤2中的奇信号Y¹进行SIC均衡，并将均衡结果赋予奇序列译码块软信息I¹，令K＝K+1，并执行步骤6；

步骤8，输出译码结果，时域均衡结束。

以下结合仿真实验，对本发明的技术效果作进一步说明：

1.仿真条件和内容

使用Matlab作为仿真软件，模拟通信系统的发送端、接收端和和多径衰落信道，比较两种不同的均衡方案的误码率与信噪比性能曲线。第一种方案采用现有的符号间隔迭代均衡方法，第二种方案采用本发明所述的基于分数间隔与迭代算法的单载波信号时域均衡方法。数据块的帧结构的相关参数与多径衰落信道的相关参数如表1所示。

表1

针对以上仿真参数设置，在不同的采样点偏差情况下，接收端分别利用两种方案所述的均衡方法进行误码率统计实验，其结果如图4所示。

2.仿真结果分析

参照图4，对仿真结果作详细分析：

图4(a)展示了有采样点偏差的情况下分数间隔均衡与符号间隔均衡的误码率性能。该结果表明在有采样点偏差的情况下，分数间隔均衡器误码率性能比符号间隔均衡器提高1-2dB，充分说明了该均衡器能有效抑制多径带来的采样点偏差的问题，提高信号传输的可靠性。

图4(b)展示了无采样点偏差的情况下分数间隔均衡与符号间隔均衡的误码率性能。该结果表明在无采样点偏差的情况下，分数间隔均衡器误码率性能比符号间隔均衡器提高0.5dB左右，说明即便在无定时偏差的情况下，分数间隔均衡器仍然能对系统性能带来一定的改善，提高系统传输的可靠性。

Claims (4)

1.一种基于分数间隔与迭代算法的单载波信号时域均衡方法，包括如下步骤：

(1)接收端对接收滤波器的输出信号以M倍符号速率进行采样，并对采样结果进行分块，得到多个数据块Y＝[y₀,...y_m,...y_M×N-1]，其中y_m表示数据块中第m个采样点，N表示每个数据块包含的符号长度，且N＝N_T+N_D，N_D表示每个数据块包含的未知数据部分的符号长度，且N_D＞0，N_T表示每个数据块包含的训练序列部分的符号长度，且N_T＞0；

(2)接收端对数据块Y进行分解，并利用分解结果对不同信道响应进行估计：接收端将数据块Y分解为偶信号和奇信号并利用偶信号Y⁰中的训练序列对偶序列所在信道响应进行估计，得到偶序列信道响应同时利用奇信号Y¹中的训练序列对奇序列所在信道响应进行估计，得到奇序列信道响应h¹＝(h₀ ¹,...h_m ¹,...h_r ¹)，其中r为信道响应的长度；

(3)接收端利用偶序列信道响应h⁰对偶信号Y⁰进行MMSE均衡，得到偶序列软信息S⁰＝[S⁰ ₀,…,S⁰ _m,…,S⁰ _N-1]，同时利用奇序列道响应h¹对奇信号Y¹进行MMSE均衡操作，得到奇信号软信息S¹＝[S¹ ₀,…,S¹ _m,…,S¹ _N-1]；

(4)接收端对奇偶信号软信息分别进行拼接：接收端对偶信号软信息S⁰进行拼接，得到偶序列译码块软信息I⁰(i⁰ ₀，...i⁰ _m，...i⁰ _L)，同时对奇信号软信息S¹进行拼接，得到奇信号译码块软信息I¹(i¹ ₀，...i¹ _m，...i¹ _L)，其中L为译码块的长度；

(5)设置迭代次数K，并初始化K＝0；

(6)接收端将奇序列译码块软信息I⁰与偶序列译码块软信息I¹合并，得到合并软信息I(i₀，...i_m，...i_L)；

(7)利用迭代算法，对奇偶序列译码块软信息分别进行更新，得到更新后的偶序列译码块软信息I⁰和奇序列译码块软信息I¹，实现步骤为：

(7a)译码器对合并软信息I进行译码，得到软信息形式的译码结果I'与校验和，并判断迭代次数K是否超出预先设置的上限，若是，执行步骤(8)，否则，判断校验和是否为0，若是，执行步骤(8)，否则执行步骤(7b)；

(7b)更新奇偶序列译码块软信息：接收端利用步骤(2)得到的偶序列信道响应h⁰和步骤(7a)得到的译码结果I'对步骤(2)中的偶信号Y⁰进行SIC均衡，并将均衡结果赋予偶序列译码块软信息I⁰，同时利用步骤(2)得到的奇序列信道响应h¹和步骤(7a)得到的译码结果I'对步骤(2)中的奇信号Y¹进行SIC均衡，并将均衡结果赋予奇序列译码块软信息I¹，令K＝K+1，并执行步骤(6)；

(8)输出译码结果，时域均衡结束。

2.根据权利要求1所述的基于分数间隔与迭代算法的单载波信号时域均衡方法，其特征在于，步骤(2)中所述的接收端将数据块Y分解为偶信号Y⁰＝[y⁰ ₀,…,y⁰ _m,…,y⁰ _N-1]和奇信号Y¹＝[y¹ ₀,…,y¹ _m,…,y¹ _N-1]，实现步骤为：

(2a)接收端将数据块Y划分为M个子序列：

Y_s,1＝[y_s1,1,…,y_sm,1,…,y_s(N-1),1]，...Y_s,k＝[y_s1,k,…,y_sm,k,…,y_s(N-1),k]，...Y_s,M＝[y_s1,M,…,y_sm,M,…,y_s(N-1),M]，其中，y_sm,k＝y_(k-1)×M+m是子序列的元素；

(2b)接收端任意选取两个不同的子序列Y_s,p和Y_s,q，令偶信号Y⁰＝Y_s,p，奇信号Y¹＝Y_s,q。

3.根据权利要求1所述的基于分数间隔与迭代算法的单载波信号时域均衡方法，其特征在于，步骤(7a)中所述的译码器对合并软信息I进行译码，采用LDPC软判决译码方法。

4.根据权利要求1所述的基于分数间隔与迭代算法的单载波信号时域均衡方法，其特征在于，步骤(3)中所述的接收端将奇序列译码块软信息I¹与偶序列译码块软信息I⁰合并，采用求均值合并方法。