基于单载波频域均衡系统的宽带通信系统设计

摘 要：单载波频域均衡(SC-FDE)是数字通信中克服多径衰落的有效技术。宽带通信系统中应用单载波频域均衡系统设计，实现137.5 MHz 载波下27.5 Mbps 的码元传输速率。同时在系统中添加1/2 码率卷积码与(239,223)里德-所罗门(RS)码的级联信道纠错编码，提高系统的可靠性。完成单载波频域均衡系统设计，分析设计系统的关键技术，最终在现场可编程门阵列硬件平台上进行系统实现、调试和验证，完成系统实际误码率的测试。
 

在现代无线数字通信系统中，信号的传输从窄带变为宽带，而宽带无线通信的信道是频率选择性衰落的多径信道。多径效应引起的时延扩展导致严重的符号间干扰(Inter Symbol Interference，ISI)，严重影响通信的可靠性，因此需要采用一种有效的方法抵抗信道的影响[1]。目前提出的方法主要有：单载波时域均衡(Single Carrier TIme Domain EqualizaTIon，SC-TDE)、单载波频域均衡(Single Carrier Frequency Domain EqualizaTIon，SC-FDE)和正交频分复用(Orthogonal Frequency Division MulTIplexing，OFDM)技术。SC-TDE 在接收端采用一个自适应均衡器来补偿符号间干扰[2]。它的主要部件就是一个或多个横向滤波器，而横向滤波器抽头系数的数目由多径时延来确定。在高速无线通信系统中较大的时延会导致复杂度很高。3GPP(3rd Generation Partnership Project)的长期演进计划中，提出了上行采用单载波技术，下行采用OFDM 技术的方案。

OFDM 系统在发射端通过快速傅里叶逆变换(Inverse Fast Fourier Transform，IFFT)将数据符号并行调制到正交的子载波上，克服了频率选择性衰落造成的影响，在频域实现均衡。其频谱利用率高，系统复杂度较低(与信道最大时延扩展的对数成正比)，但是它对定时误差和载波同步敏感，且每个OFDM 符号的多路子载波在时域叠加会产生很大的峰值平均功率比，因而对射频前端的要求较高。SC-FDE 技术综合了OFDM 技术和单载波传输的优点[3-5]，同时文献[6]分析指出对于一般的SC-FDE 和OFDM 系统，在低信噪比下OFDM 系统的误码性能略优于SC-FDE 系统，而在高信噪比下，SC-FDE 系统要优于OFDM 系统。本文设计的系统可以实现137.5 MHz 载波下的27.5 Mbps 码元传输速率，实现了宽带SC-FDE 系统。

在传统的单载波系统中，接收机主要由A/D 变换、混频滤波、信道估计、信道均衡等模块组成[7-8]。本文在单载波频域均衡传输系统中添加了信道编译码模块，以获得更好的误码率性能。系统采用的是1/2 码率的卷积码和RS 码级联的方案。为提高系统的传输速率，使用了正交相移键控(Quadrature Phase Shift Keying，QPSK)的调制方式，系统框图见图1。

图1 SC-FDE 系统框图

单载波频域均衡系统中使用的数据帧结构是基于独特字(Unique Word，UW)的帧结构，接收端使用UW 完成帧同步、信道估计、循环前缀的功能。而作为UW 的序列应该满足在时域上和频域上均具有较小的起伏。常用的UW 字有Newsman 序列、Frank-Zadoff 序列等。本文使用的是伪叠加序列(Zadoff-Chu)序列，其定义为：

式中：N 表示序列长度；r 是与N 互质的正整数；q 取任意值。

Zadoff-Chu 序列的算法在各种信道环境下的性能都很优越，Zadoff-Chu 序列具有良好的周期自相关和互相关特性，其幅值恒定，并且具有傅里叶变换保持特性。

系统传输帧由2 个完全相同的64 位Zadoff-Chu 序列和1 920 个数据位构成，见图2。每一帧起始位置的2 段Zadoff-Chu序列用来充当循环前缀，完成帧同步、信道估计、噪声估计等功能。数据帧连续传输[9]。

图2 系统帧结构

图3 三态同步图示

本设计利用UW 完成帧同步，对接收到的每一帧头部的2 段64 位Zadoff-Chu 序列与本地的Zadoff-Chu 序列做相关运算，由于序列自相关特性，会得到一对相关峰(理想情况)或一对主峰和若干对副峰(存在多径)。根据相关峰完成峰值搜索，最终完成信号帧同步[10]。

帧同步采用有限状态机设计完成。状态机的实现采用了基于搜索态-同步态-保护态的三态同步机制，见图3。