基于子块分析的单载波频域均衡方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于短波通信技术领域，特别涉及一种单载波频域均衡方法，用于消除信 道引入的码间串扰，提高接收机的性能。
【背景技术】
[0002] 短波通信又称为高频HF无线电通信，依靠 I. 5MHz~30MHz的电磁波进行通信。由 于短波通信可以实现无中继远程通信，而且具有设备简单、机动灵活、抗毁性强和网络重构 快捷等优点，广泛应用于政府、外交、军事、商业、气象等部门，尤其是军事部门。
[0003] 短波通信主要通过地波传输和天波传输两种方式进行。地波传输通过地面中继站 增加通信距离，传输路径不经过电离层，因此不易受天气变化的影响，但是其传输距离受地 面中继站数量的限制。天波传输依靠电离层反射进行通信，而电磁波可以在电离层和地面 间进行多次反射，适合进行远距离传输。但是电离层具有不稳定的分层结构，信道环境复杂 且不稳定，存在多径干扰、信号衰落和多普勒频移等不利因素，很难保证可靠通信。
[0004] 在短波通信中，依靠电离层反射的多条传输路径会产生多径效应，从而使得在带 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ISI提高接收机误码性能的 一种关键技术。
[0005] 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。就数据处理形式区分，均衡器最早是在时域发展起来 的。但是，随着无线系统带宽需求的不断增加，时域均衡在实时处理方面表现出很大的不 足。时域均衡的复杂度随着均衡器长度的增加而呈指数增长趋势，这制约着其在实际工程 中的应用。因此需要考虑其他抗多径干扰的方法如正交频分复用OFDM和单载波频域均衡 SC-FDE0
[0006] OFDM是一种抗码间干扰的多载波传输方式，具有良好的抗噪声和抗多径干扰能 力，适用于频率选择性衰落信道。但是，OFDM技术峰均比高并且对相位噪声和载波频率误 差敏感。SC-FDE峰均比比OFDM低，不需要高精度的频率同步技术和高成本的线性功放，可 以大大降低设备成本。SC-FDE的复杂度和性能与OFDM相当，而且更容易与传统的单载波短 波通信系统兼容。SC-FDE利用时域卷积与频域乘积的对应关系，将信号变换到频域进行均 衡处理，与时域均衡相比降低了复杂度，适用于短波宽带串行调制解调器。
[0007] 单载波频域均衡是通过快速傅里叶变换和逆变换FFT/IFFT在频域用数乘的方式 实现，其复杂度随信道的最大时延扩展呈线性增长，复杂度较时域均衡算法要低很多。传输 过程如图1，其中UW为独特字。
[0008] 在慢衰落环境下，信道可以看成是时不变的，在对接收信号进行最小均方误差 MMSE频域均衡时，FFT块内的信道矩阵为一个循环矩阵。但是在快衰落环境下，信道的时变 特性会导致一个FFT块内的信道不能被认为是不变的，从而使得基于FFT和IFFT的频域均 衡的性能出现恶化。对于这种问题，一个合理的解决办法就是减小FFT块的长度，即在接收 端将一个FFT块划分为多个子块，并将每一个子块内的信道近似的看成是恒定的。
[0009] 目前，在接收端将一个FFT块划分为多个子块的SC-FDE技术是在接收端将整个 FFT块划分为若干个子块，在每个子块内分别进行MMSE均衡，如以下两篇文献提出的技术 方案就是，在每个子块内分别进行MMSE均衡。
[0010] 现有技术 I :K. Kambara, H. Nishimoto, T. Nishimura, T. Ohgane, and Y. Ogawa,''Subblock processing in MMSE-FDE unde r fast fading environments, ''IEEE J. Sel. Areas Commun. , vol. 26, no. 2, pp. 359 - 365, Feb. 2008.
[0011] 现有技术 2 :Seok_Ki Ahn, and Kyeongcheol Yang, "A Novel Subblock-Based Frequency-Domain Equalizer over Doubly-Selective Channels, ''IEEE Communications letters, vol. 17, no. 8, August. 2013.
[0012] 由于码间串扰的存在，前一个码元会对后一个码元产生干扰，因而上述两种方法 在划分子块时，均会在每个子块内产生来自前一个子块的块间干扰。为了消除块间干扰，需 要先对整个FFT块做MMSE均衡，再进行解交织、译码、编码、交织、调制等处理，得到发送信 号的初始化估计，然后利用估计结果从每个子块中减去前一个子块对该子块的干扰。再在 每个子块内分别进行MMSE均衡。这些消除块间干扰的过程不仅极大的增加了硬件复杂度， 而且实现起来比较复杂。
【发明内容】
[0013] 本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出了一种基于子块分析的单载波 频域均衡方法，以降低硬件复杂度，简化均衡实现过程。
[0014] 为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下步骤：
[0015] (1)在通信系统的接收端截取长为N的快速傅里叶变换FFT块
[0016] Y = [y。，…，y^，…，yN J，该FFT块包括长为Nd的数据块和长为N。的独特字，其中 ym表示接收信号中第m个符号，m = 0,…，N-l，N = ND+Nu, N > 0 ;
[0017] (2)将长为N的FFT块分成M个子块，每个子块长为Ns= N/M，其中，第i个子块的 数据为Yf = [-Vi*v，-ν?*Λ',+η 1_ ]_?其中JVjv. 表不第i个子块内的第η个 数据，η = 0, 一,Ns-Li = 0, "·，Μ-1，根据每个子块的数据，得到接收信号的表示式为：Υ = [Y0,…，Yi,…，Ym J 0
[0018] (3)选择第i个子块Y1所处时间段中间的信道响应h(i)作为整个FFT块的信道 响应，对h⑴做N点FFT，得到频域信道响应D = [d。，…，dk，…，dN J，其中dk为第k个频 率点的频域信道响应，k = 0,…，N-1。
[0019] (4)根据第k个频率点的频域信道响应dk，计算均衡器的第k个频率点系数：
[0020]
[0021] 其中，表示4的共辄，IdkI2表示对dk取模平方，表示等效噪声；
[0022] (5)利用均衡器的系数在FFT块内做频域均衡处理，得到整个FFT块内的频域均衡 数据R = [R。，…，Rk，…，Rn :]，Rk表示第k个频率点的频域均衡数据；
[0023] (6)对整个FFT块的频域均衡数据R进行快速傅里叶逆变换IFFT，得到该FFT块 的时域均衡数据r = [r。，…，rk，…，rN J，其中rk表示第k个符号的时域均衡数据。
[0024] (7)取出第i个子块Y1对应的时域均衡数据…J，其中 +?表示时域均衡数据的第i个子块内的第η个数据，η = 〇,…，Ns-I。
[0025] (8)将M个子块分别按照步骤（3)到步骤（7)处理，并将各个子块的均衡数据进行 拼接，得到最终的均衡结果S = [S。，…，S1，…，Sm J。
[0026] 本发明具有以下优点：
[0027] 1.本发明在划分子块时，子块数目不受限制，适用于更加恶劣的信道环境；
[0028] 2.本发明由于在计算均衡器系数时考虑了等效噪声的影响，因此误码率性能优于 现有技术，从而提尚了接收机性能；
[0029] 3.本发明由于在FFT块内做丽SE频域均衡，不需要迭代过程来消除块间干扰，大 大降低了硬件复杂度，并且可以简化均衡实现过程。
【附图说明】
[0030] 图1是现有单载波频域均衡SC-FDE的系统框图；
[0031 ] 图2本发明中所使用的帧结构；
[0032] 图3是本发明基于子块分析的单载波频域均衡方法实现流程图；
[0033] 图4是本发明中的子块划分示意图；
[0034] 图5是本发明在划分不同子块数时，系统的误码率随信噪比变化的仿真结果图。
【具体实施方式】
[0035] 下面结合附图对本发明实施例作进一步描述。
[0036] 图1所示的单载波频域均衡SC-FDE的系统，其工作原理是：在发送端先对数据部 分进行编码、交织和调制，按照图2所示的帧结构插入独特字UW，其中DATA为数据部分，经 过成形滤波过程，然后通过信道，在接收端先经过匹配滤波，根据接收信号做信道估计，得 到信道矩阵，将接收信号做快速傅里叶变换FFT，做均衡处理，得到频域均衡数据，将频域均 衡数据经过快速傅里叶逆变换IFFT，得到时域均衡数据，再经过解交织、译码等处理，得到 发送信号。本发明针对接收信号进行均衡处理。
[0037] 参照图3,本发明的实现步骤如下：
[0038] 步骤1，截取快速傅里叶变换FFT块。
[0039] 在通信系统的接收端，从接收信号中