CN108418771A - 一种时域与频域相结合的信道均衡算法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种单载波系统的信道均衡方法，包括以下步骤：1)在接收端，在时域上对接收数据进行适当分段，采用重叠保留法将时域计算转换到频域；2)采用MMSE均衡方法进行粗判决；3)以粗判决结果为基础，采用时域穷尽搜索方法对粗判决结果进行进一步的细判决。本发明方法相对传统方法，均衡性能大大改善。在信噪比23dB时，相较于传统方法，本发明方法误码率减低了大约3个数量级。因此，本发明方法大大地提高了单载波系统的信道均衡性能。

Description

一种时域与频域相结合的信道均衡算法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，更具体地，涉及单载波系统的信道均衡方法。

背景技术

在无线通信信道中，通常存在较强的多径干扰，需要采用信道均衡算法来抵消时变多径信道的影响。通常采用的均衡方法有时域均衡和频域均衡两大类。对于时域均衡，存在运算复杂度较高的问题；对于频域均衡算法，需要将数据进行离散傅里叶变换后进行处理，存在深衰落的问题。因此，一种复杂度较低，又能得到较优解调性能的均衡方法仍然有着极大的研究价值。

发明内容

为了克服现有技术存在的不足，本发明提出了一种高均衡性能、低复杂度的单载波系统的信道均衡方法。

为了实现上述目的，本发明提出的方法具体步骤如下：

a)在接收端，对接收数据进行适当分段，采用重叠保留法进行时域到频域的转换，具体实现方法是：

对接收到的数据帧进行分段，每次当前段数据与前一段数据重叠N个数据而包含N个新数据，即每次当前段包含2N个数据，特别的，在接收数据前补N个零点与首个N点数据组成第一个2N点数据块，对这2N个数据进行2N点的FFT变换到频域，在频域对其进行均衡处理。

b)假设信道冲激响应已知的情况下，对采用重叠保留法得到的每个FFT数据段进行MMSE均衡，保留结果后进行数据滑动，具体实现方法是：

假设信道的冲激响应为h(n)，发送信号的平均功率为加性高斯白噪声的方差为可以得到MMSE均衡器数据段内的滤波系数W可表示为：

均衡过程如下：

其中，H^*表示H的复共轭。

Y＝[Y(0)，...，Y(2N-1)]表示通过时域取相应段的数据y(n)，其他位置上补零，作2N点FFT后得到的向量，H表示取冲激响应h(n)作2N点FFT后得到的向量，表示频域均衡结果。

完成MMSE均衡后，保留后N点的均衡结果，然后滑动N点取下一个2N但数据，重复步骤b)和c)直至所有数据完成MMSE均衡。

c)将步骤b)中每一次MMSE均衡结果的后N个点合并，得到整个未知数据块的粗均衡结果，然后根据发送信号调制水平进行判决。

d)对粗判决结果进行低复杂度的时域均衡，获得最优判决结果，具体实现方法是：

1)通过MMSE均衡得到较为准确的粗判决结果；

2)根据粗判决结果，构造粗判决域S∈{S₁，S₂，...，S_i}，因为粗均衡有可能因为噪声问题而出现误判，导致粗判决结果不准确，因此必须构造一个新的粗判决域，假设正确的判决结果是粗判决域中的任意元素，粗判决域的点来自步骤1)粗判决结果在星座图上与之绝对距离最小的点，若有多个点与粗判决结果在星座图上的绝对距离相等，则i＞2，i为判决域元素总个数(包括粗判决结果)；

3)假设信道径数为L条，并且当前判决符号的后L-1个符号的粗判决结果已知，根据步骤2)构造当前判决符号的后L-1个符号的粗判决域S^l，l＝0，1，...L-1；

4)假设当前时刻的接收信号可表示为令其中x(n)为步骤3)得到的当前判决符号域S内的元素和当前判决符号的后L-1个符号的粗判决域S^l内的元素。根据步骤2)可知，k＝i^L；

5)获取err_k，k＝1，2，...，i^L，比较得出err_k最小的一个，将当前判决符号作为新的判决结果。至此，完成当前符号的细判决；

以此类推，根据步骤1)～5)对每个数据帧中的粗判决结果进行细判决。

以现有的技术相比，本发明的有益效果为：

1)本发明适用于对单载波信道进行信道均衡，采用基于重叠保留法以及MMSE的分段均衡进行粗均衡判决，其复杂度远远小于传统的最大似然检测算法。

2)本发明采用低复杂度的时域穷尽搜索方法对MMSE均衡的结果进行细均衡，有效纠正了频域均衡方法在深衰落处会放大噪声的弊端。

3)本发明采用低复杂度的时域穷尽搜索方法进行细均衡，相对于传统基于重叠保留法以及ZF均衡的分段均衡方法来说，均衡性能大大提升。

附图说明

图1 本发明实现流程图

图2 COST207模型(RA)的PDP(功率时延分布)

图3 本发明方法和传统算法误码率曲线

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，以便对本发明方法的技术特征及优点进行更深入的诠释。但本发明的实施方式并不限于此。

本发明提供一种高性能、低复杂度的单载波信道均衡方法，具体实施步骤如下：

1.在接收端，对接收数据进行适当分段，采用重叠保留法进行时域到频域的转换，具体实现方法是：

对接收到的数据帧进行分段，每次当前段数据与前一段数据重叠N个数据而包含N个新数据，即每次当前段包含2N个数据，特别的，在接收数据前补N个零点与首个N点数据组成第一个2N点数据块，对这2N个数据进行2N点的FFT变换到频域，在频域对其进行均衡处理。

2.假设信道冲激响应已知的情况下，对采用重叠保留法得到的每个FFT数据段进行MMSE均衡，保留结果后进行数据滑动，具体实现方法是：

假设信道的冲激响应为h(n)，发送信号的平均功率为加性高斯白噪声的方差为可以得到MMSE均衡器数据段内的滤波系数W可表示为：

均衡过程如下：

其中，H^*表示H的复共轭。

Y＝[Y(0)，...，Y(2N-1)]表示通过时域取相应段的数据y(n)，其他位置上补零，作2N点FFT后得到的向量，H表示取冲激响应h(n)作2N点FFT后得到的向量，表示频域均衡结果。

完成MMSE均衡后，保留后N点的均衡结果，然后滑动N点取下一个2N但数据，重复步骤b)和c)直至所有数据完成MMSE均衡。

3.将步骤b)中每一次MMSE均衡结果的后N个点合并，得到整个未知数据块的粗均衡结果，然后根据发送信号调制水平进行判决。

4.对粗判决结果进行低复杂度的时域均衡，获得最优判决结果，具体实现方法是：

1)通过分段均衡得到较为准确的粗判决结果；

2)根据粗判决结果，构造粗判决域S∈{S₁，S₂，...，S_i}，因为粗均衡有可能因为噪声问题而出现误判，导致粗判决结果不准确，因此必须构造一个新的粗判决域，假设正确的判决结果是粗判决域中的任意元素，粗判决域的点来自步骤1)粗判决结果在星座图上与之绝对距离最小的点，若有多个点与粗判决结果在星座图上的绝对距离相等，则i＞2，i为判决域元素总个数(包括粗判决结果)；

3)假设信道径数为L条，并且当前判决符号的后L-1个符号的粗判决结果已知，根据步骤2)构造当前判决符号的后L-1个符号的粗判决域S^l，l＝1，...L-1；

4)假设当前时刻的接收信号可表示为令其中x(n)为步骤3)得到的当前判决符号域S内的元素和当前判决符号的后L-1个符号的粗判决域S^l内的元素。根据步骤2)可知，k＝i^L；

5)获取err_k，k＝1，2，...，i^L，比较得出err_k最小的一个，将当前判决符号S_i作为新的判决结果。至此，完成当前符号的细判决；

以此类推，根据步骤1)～5)对每个数据帧中的粗判决结果进行细判决。

下面例举一个具体实施的例子，并对其进行仿真实验，仿真的信道模型采用COST207信道RA模型，信道径数为6，使用此模型随机生成10000条信道，假设信道系数已知，传统方法为基于重叠保留法以及ZF均衡的分段均衡，新发明方法先用基于重叠保留法以及MMSE的分段均衡方法进行粗均衡后，再使用低复杂度的时域穷尽搜索均方法再进行细均衡。

首先设定如下参数：

表1参数设置

数据帧长度	256
		调制方式	8PSK
符号采样速率fs	0.1us
		信道数	10000
重叠保留法参数N的取值	32

结合表1的参数设置，分别在不同的通信信噪比下完成传统方法和本发明方法的仿真。

图2为COST207模型(RA)的PDP(功率时延分布)，可以看到，在RA模型中多径数为6，平均功率首径最大，除首径多普勒谱是莱斯模型外其余为Jacks模型。

图3为本发明方法和传统算法误码率曲线，可以看出，用本发明的方法相对传统方法，在信噪比23dB时，误码率降低了大概3个数量级。

以上所述的本发明的实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神原则之内所作出的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (5)

1.一种单载波系统结合时域与频域的信道均衡方法，其特征在于，包括如下步骤：

a)在接收端，对接收数据进行适当分段，采用重叠保留法进行时域到频域的转换；

b)假设信道冲激响应已知，分别对每个数据块进行MMSE均衡，保留特定位置均衡结果后进行数据滑动，取出下一段数据，重复步骤b)和c)直至所有数据完成MMSE均衡；

c)合并每一段的均衡结果，得到粗均衡结果，并进行判决；

d)对粗判决结果进行低复杂度的时域均衡，获得最优判决结果。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤a)是对时域上接收数据块进行合理的分段，采用重叠保留法进行时域到频域的转换，具体方法为：

对接收到的数据帧进行分段，每次当前段数据与前一段数据重叠N个数据而包含N个新数据，即每次当前段包含2N个数据，特别的，在接收数据前补N个零点与首个N点数据组成第一个2N点数据块，对这2N个数据进行2N点的FFT变换到频域，在频域对其进行均衡处理。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤b)是假设信道冲激响应已知的情况下，对采用重叠保留法得到的每个FFT数据段进行MMSE均衡，保留结果后进行数据滑动，具体方法为：

假设信道的冲激响应为h(n)，发送信号的平均功率为加性高斯白噪声的方差为可以得到MMSE均衡器数据段内的滤波系数W可表示为：

均衡过程如下：

其中，H^*表示H的复共轭。

Y＝[Y(0)，...，Y(2N-1)]表示通过时域取相应段的数据y(n)，作2N点FFT后得到的向量，H表示取冲激响应h(n)作2N点FFT后得到的向量， 表示频域均衡结果。

完成MMSE均衡后，保留后N点的均衡结果，然后滑动N点取下一个2N点数据，重复步骤b)和c)直至所有数据完成MMSE均衡。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤c)是将步骤b)中每一次MMSE均衡结果的后N个点合并，得到整个未知数据块的粗均衡结果，然后根据发送信号调制水平进行判决。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤d)是对粗判决结果进行低复杂度的时域均衡，获得最优判决结果，具体方法为：

1)通过MMSE均衡得到较为准确的粗判决结果；

2)根据粗判决结果，构造粗判决域S∈{S₁，S₂，...，S_i}，因为粗均衡有可能因为噪声问题而出现误判，导致粗判决结果不准确，因此必须构造一个新的粗判决域，假设正确的判决结果是粗判决域中的任意元素，粗判决域的点来自步骤1)粗判决结果在星座图上与之绝对距离最小的点，若有多个点与粗判决结果在星座图上的绝对距离相等，则i＞2，i为判决域元素总个数(包括粗判决结果)；

3)假设信道径数为L条，并且当前判决符号的后L-1个符号的粗判决结果已知，根据步骤2)构造当前判决符号的后L-1个符号的粗判决域S^l，l＝1，...L-1；

4)假设当前时刻的接收信号可表示为令其中x(n)为步骤3)得到的当前判决符号域S内的元素和当前判决符号的后L-1个符号的粗判决域S^l内的元素。根据步骤2)可知，k＝i^L；

5)获取err_k，k＝1，2，...，i^L，比较得出err_k最小的一个，将当前判决符号作为新的判决结果。至此，完成当前符号的细判决；

以此类推，根据步骤1)～5)对每个数据帧中的粗判决结果进行细判决。