频率选择性衰落信道中的RAKE合并接收方案

王杰令，刘祖军，杨 宏,2，易克初

(1. 西安电子科技大学综合业务网国家重点实验室 西安 710071; 2. 中国空间技术研究院总体部 北京 海淀区 100094)

信道的频率选择性衰落会使发送信号产生符号间干扰(inter-symbol interference，ISI)，使接收机产生高的差错率，严重影响系统的传输性能。均衡技术是补偿或消除ISI的一种有效方法，最大似然序列估计(maximal likelihood sequence estimate，MLSE)被认为是无线信道中消除ISI的最佳均衡技术，然而其维特比(Viterbi)算法的复杂度以LM呈指数型增长，其中M为调制星座点数，L为信道响应长度[1-2]。针对Viterbi算法的计算复杂度过高，提出了一些简化或替代算法，如线性均衡器和简化的Viterbi算法。当信道引起的信号变化比较微弱时，广泛采用的均衡方法是自适应线性均衡技术，但线性均衡算法在消除ISI的过程中往往会增强背景噪声，当信道深衰落时会导致系统的性能恶化[3]。通过降低Viterbi算法的状态数目，只保留栅格中可能性比较大的几条路径，就可以大幅度降低算法复杂度，达到接近于最大似然算法的性能[4]。与线性均衡技术结合的判决反馈(decision feedback，DF)均衡器采用一种最常用的非线性均衡技术，其复杂度随滤波器长度线性增长，被广泛认为可以比线性均衡器提供更优的稳态性能[5]。

无限冲激响应(infinite impulse response，IIR)均衡器可通过迭代的方式以很低的算法复杂度逐符号完全消除ISI，与有限冲激响应(finite impulse response，FIR)均衡器相比，在相同的频率响应时IIR均衡器只需更低的阶数、更小的存储容量以及更小的群延时[6]。但是IIR均衡器在迭代过程中会产生背景噪声累积，与DF技术相结合的IIR均衡器可以消除噪声累积现象，但系统性能受到误差传播的影响，即如果一个符号检测存在错误，那么DFE对下一个符号的检测会受到影响，因此误差传播成为DF-IIR均衡器需要解决的问题[7]。

本文通过一种零后缀(zero postfix，ZP)的帧结构保留信号通过信道后的多径分量[8]，将每帧接收信号通过DF-IIR均衡器得到对发送数据块的估计，并根据该初始估计与信道冲激响应(channel impulse response，CIR)重构通过信道所有路径的信号，然后提出一种多径分离结构，将接收信号中的主径和各条多径分量区分开，再将各径分量按照最大比的方式合并(maximal ratio combining，MRC)[9]之后再解调判决，从而在非扩频系统中实现RAKE接收[10]。通过多径合并，信噪比可以显著提高，有效抑制判决反馈均衡器中的误差传播问题，提高检测性能。

1 信道模型以及均衡器原理

图1 IIR均衡系统的等效基带模型

发送信号通过多径信道后到达接收机，接收信号可表示为：

可见，IIR均衡器可以完全消除ISI，但是在迭代检测过程中会出现背景噪声的累积，从而影响检测性能，而判决反馈技术可以改善该现象。

2 多径合并算法

本文通过长度不小于L的ZP保留通过信道的各多径分量，当通过DF-IIR均衡器达到初始估计并进行多径信号的重构后，便可从接收信号中分离出各多径分量，从而进行MRC合并。

2.1 DF-IIR均衡器

DF-IIR均衡器的传递函数与迭代公式分别为：

式中表示对A解调判决。从式(6)中可以看出，DF-IIR均衡器是在对符号逐个解调判决后再进行迭代滤波，因此消除了噪声累积的问题，可取得比IIR均衡器更优的检测性能。然而DFE同时也会带来误差传播(error propagation，EP)现象，即当某个符号的判决存在错误时，DFE对下一个符号的检测会受到影响并也可能出现检测误差，因此DFE也很难达到理想MLSE算法的检测效果。

2.2 合并算法及其性能分析

本文提出的合并算法模型如图2所示。

图2 合并算法模型

最后，将从接收信号中提取出的各多径分量同步后，再以MRC的方式合并，其输出为：

3 仿真结果与分析

图3 误码率特性曲线

从图3可以看出，SUI-5信道严重的频率选择性衰落使“直接判决”出现很高的误码率平台效应；而IIR均衡器由于存在噪声累积现象，误码率也很高；结合判决反馈的DF-IIR算法可以消除噪声累积现象，明显地降低了IIR算法的误码率；合并算法在DF-IIR的基础上，可以进一步改善检测性能，当误码率为10−4时，新算法比DF-IIR可以改进1 dB左右。而在SUI-5信道条件下，根据前边的分析公式不难得到，理想的MRC合并也仅可以比理想的IIR均衡器带来约1.5 dB的信噪比增益。

4 结 束 语

本文在非扩频的单载波传输系统中提出了实用的RAKE合并接收方案，该方案是在基于逐符号检测的DF-IIR均衡器基础上提出的，多径分量的分离与合并过程只需要一些加减运算即可完成，计算复杂度不高。由于RAKE接收机需要各支路的输出分量相互独立，因此只能应用于扩频系统以及超宽带(ultra-wide band，UWB)等系统[10]。本文通过一种新颖的多径分离结构，将各多径分量相对独立地分离开，从而使RAKE接收的MRC算法能够实现。然而，由于初始检测存在误差，合并算法仍然难于达到MLSE的性能。另外，本文选择DF-IIR均衡作为初始检测算法，MMSE或者自适应等算法也可以采用，甚至合并算法的输出结果也可以用于进行多径信号的重构和分解，初始检测算法的可靠性越高，合并后的性能就越接近于MLSE算法。

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