基于PSP均衡技术的CPM检测算法

杨李萍,周治中

(西南通信研究所,四川成都610041)

基于PSP均衡技术的CPM检测算法

杨李萍,周治中

(西南通信研究所,四川成都610041)

针对时变频率选择性衰落信道,研究了连续相位调制(CPM)信号的逐幸存检测算法。该算法在未知信道状态的条件下,利用训练序列对信道参数进行初始估计。在对CPM信号进行Viterbi解调过程中,采用PSP技术实现信道的无延时跟踪。基于频域均衡的CPM检测算法虽然可以有效抗多径干扰且计算复杂度较低,但不能对时变信道进行跟踪。仿真结果表明,在时变多径信道下,基于PSP均衡的CPM检测算法能有效地进行信道参数估计,比频域均衡算法具有更好的误码性能。

无线通信 连续相位调制 逐幸存处理 Viterbi译码

0 引 言

随着近年来无线通信中的移动电话、数据、图像、多媒体等业务的不断发展,要求无线通信系统能在复杂环境下提供更高的传输速率和可靠性。高速率的宽带通信也受着几个方面因素的制约。首先,无线通信的发展受到频率资源紧缺的限制,因而需要探索具有高频带效率的传输方案。连续相位调制(CPM,Continuous Phase Modulation)由于良好的恒包络特性,频谱利用率高及功率效率高,使得它在卫星通信、移动通信、军用电台以及数据链通信中有着很广泛的应用。这种调制方式非常适合应用于发射功率和信道带宽都受限的无线通信环境中[1]。高速无线传输系统遇到的另一个重要问题是信道的多径传输,引起频率选择性衰落,从而在接收信号中造成严重的符号间干扰(ISI,Inter-symbol Interference),对系统性能产生严重的影响。因此,抗多径衰落一直是经久不衰的研究热点。

在衰落信道下,尤其是在恶劣的频率选择性衰落信道下,均衡器的设计十分困难,CPM信号最佳时域均衡器可以看作是使用Viterbi算法搜索的最大似然序列估计(MLSE)器。运算量较低的频域均衡(FDE,Frequency Domain Equalization)技术近年来与CPM解调相结合,提供了一种能够较好地消除ISI影响,计算量较低易于工程实现的方法。但是由于CPM信号的相位连续性和非线性,使得FDE应用于CPM不是非常直观,且信道的时变特性也会影响频域均衡的性能。基于网格搜索的逐幸存路径(PSP,Per-surviving Processing)[2-3]自适应均衡器可以认为是嵌入了信道实时估计器的最大似然序列均衡算法,能实现对信道参数的实时估计,适用于时变的无线信道。

文中提出了一种适用于无线时变信道的采用PSP技术的CPM检测算法。用每条幸存路径的假定判决结果估计Viterbi算法中影响分支度量计算的信道参数,消除码间干扰的影响,在此基础上,对FDE和PSP算法进行仿真比较。

1 CPM信号模型

M进制CPM调制信号的波形表示为:

式中,Es为传输符号信息能量,T为符号持续时间码元周期),fc为载波频率,φ0为初始相位,φ(t,α)为载波相位,并且有如下定义:

式中,α={αi}是M进制符号信息序列,可能的取值有{±1,±3,…,±(M-1)}。{hi}为调制指数,q(t)为相位响应函数,其值是脉冲成型函数g(t)的积分。g(t)是在[0,LT]内具有非零值的有限持续时间函数。当L为1时,调制信号称为全响应CPM信号;当L大于1时,则称为部分响应CPM信号。在发送的载波调制信号中符号之间的载波相位是连续过渡的且有记忆性。当L大于1时,脉冲g(t)给CPM信号引入了附加状态。

2 通信系统及信道模型

未编码的CPM检测系统框图如图1所示。

图1 发射机和接收机系统框Fig.1 System model of receiver and transmitter

发射端,由于信道信息未知,信息序列需要添加训练序列用于信道估计,针对频域均衡技术,为了避免ISI,还需在信号序列前添加循环前缀(CP,Cyclic Prefix),处理后的信号再进行CPM调制,得到发送波形s(t)。在添加训练序列和CP的同时需要保证CPM信号回到某一状态及相位的连续性。发送波形s(t)通过时延扩展的多径衰落信道,信道采用抽头延时线模型:

式中,Lc表示信道的最大时延,hl(t)为第l条路径的幅度,T表示符号时间间隔。加上均值为0,方差为N0的高斯白噪声n(t),接收信号表示为:

当信号经过频率选择性衰落信道时,由于多径传输从而产生码间干扰,这时接收端使用任何解调技术都会给系统带来严重的误码。为了消除干扰、降低系统误码率需要对信道进行均衡。因而,在接收端,接收信号需通过匹配滤波,然后进行均衡处理,再对均衡后的CPM信号进行Viterbi译码得到输出信号。在实际情况下,信道信息是未知的,进行信道均衡的首要一步就是初始信道估计。初始估计信道采用在发送端发送训练序列的方式,由于训练序列收发双方都是已知的,可以利用最小均方(LMS,Least Mean-square)算法对信道参数进行估计[4-5]。目前,针对CPM信号的均衡技术的研究主要集中在频域均衡和PSP均衡技术。

3 CPM频域均衡技术

在高速移动环境中进行高速率的数据传输是当前无线通信系统研究关注的焦点之一,解决严重的色散信道的多径干扰主要技术有单载波频域均衡。将CPM调制技术与频域均衡相结合能提供一种复杂度较低,误码率性能较好的消除ISI方案。基于Laurent分解的CPM频域均衡算法能够进一步降低方案的复杂度[6]。

CPM频域均衡技术接收机结构框图如图2所示。接收到的信号与Laurent分解的部分响应脉冲信号c0(t)做匹配后,去除循环前缀,得到接收序列rn。

式中,⊗表示循环卷积,a={an}为加载有用信息的序列,h={hn},对上式两边同时进行DFT运算可得:

Rk=AkCkHk+Zk(6)

在频域进行噪声白化滤波器后得到:

R′k=RkWk=AkCkHkWk+ZkWk(7)

频域噪声白化滤波器系数Wk=1/,白化后的噪声方差为N0。接着对R′k做频域均衡,采用MMSE均衡准则得到均衡器系数为

图2 CPM频域均衡接收机结构Fig.2 Block diagram of CPM receiver with FDE

频域均衡的方法是基于信道在一帧内不变的准静态假设而提出的。然而在存在多普勒频偏的时变信道中,信道在一帧的不同符号之间有不同的变化。当信道变化很快时,频域均衡技术会使均衡输出产生严重失真和串扰,导致系统性能下降,并出现误码平台。此时,PSP均衡技术的优势得以体现,在时变信道下,逐幸存处理能对信道参数进行实时更新,从而保证了系统的稳定性和有效性。

4 PSP均衡技术

基于PSP均衡的CPM检测器采用Viterbi译码算法,通过最小化路径度量来获得发送数据[7],其接收机结构如图3所示。

图3 基于PSP均衡的CPM接收机结构Fig.3 Block diagram of CPM receiver based on PSP

在接收端,利用训练序列进行初始信道估计,信道初始估计完成后,进行Viterbi译码。利用估计的信道参数进行分支度量的计算,在网格搜索的过程中,对应的每一条幸存路径都维持一组各自的信道估计值,然后根据分支度量将每一个状态对应的幸存路径延伸一级,并根据历史幸存序列对各自的信道估计值进行更新,实现了对信道参数进行无延时自适应跟踪。

图4给出了一个在网格搜索中进行逐幸存处理进行信道跟踪的示例,它是一个简单的2状态网格图,即蝶形单元。其中实线为幸存状态转移路径,每个幸存路径上方都标明了与其相对应的信道状态的估计量。

图4 PSP Viterbi译码器的蝶形单元Fig.4 Butterfly unit of Viterbi decoder with PSP

PSP均衡算法可以认为是嵌入了信道实时估计器的最大似然序列均衡算法[8],网格图中最大似然路径等效于最小欧氏距离,Viterbi算法是寻找网格中有最小路径度量的有效算法,较大程度地减少了计算量和复杂度。因而该均衡检测算法的关键在于Viterbi译码的网格搜索和确定幸存路径后信道状态的更新。

在未知信道状态的情况下,假设在k时刻,状态为μk的信道参数的估计向量为:

则基于逐幸存未知参数估计的无噪声信号表示如下:

式中,α(μk→μk+1)表示第k-Lc到第k个历史幸存路径的符号序列。

PSP算法按以下过程进行:在k时刻,对于所有可能的状态转移路径μk→μk+1,计算误差值:

式中,yk为接收到的离散信号,Viterbi译码算法分支度量可由式(12)得到:

在汇聚到网格某状态节点的所有路径中,只存储一条有着最小分支度量的路径,即幸存路径。在搜索幸存路径选择幸存分支的过程中需要用到的信道参数从前一时刻获得即(μk)。在确定本时刻的幸存路径之后,对于每个状态转移μk→μk+1,信道状态估计值^f(μk)可以利用历史幸存路径α(μk→μk+1),采用经典的LMS算法进行实时更新:

式中,β为LMS算法的步长因子。

以上过程完成了幸存路径的搜索和信道更新的迭代进行,保证了网格搜索的实现和信道参数的实时跟踪。

5 仿真结果及分析

为了验证文中提出的基于PSP均衡的CPM检测算法,采用无编码的CPM波形,调制指数h=1/2,记忆长度L=1,选用矩形脉冲成形滤波器。在恒参信道和时变信道下均假设载波同步和码元同步已经准确建立,本次仿真总帧数为500,每帧符号数为256,训练序列长度为48个符号,信号的采样时间间隔Ts为0.2 μs,采样率为8,符号块持续时间为Tm。该CPM波形含有总功率99%的带宽为1.2 MHz。

恒参信道采用3径的proakis C,信道归一化参数为[0.407,0.815,0.407],时延为[0,TsNs,2TsNs]仿真结果如图5所示。

图5 CPM在恒参多径信道下的性能Fig.5 BER performance of CPM receiver over the static channel

由图5可以看出,在多径信道下采用PSP均衡进行信道状态更新和检测性能与已知信道信息进行检测性能相差不大,该算法性能优于频域均衡算法,能够有效地抵抗多径影响。

在时变信道条件下,离散信道模型的抽头系数会随着时间发生变化,使得在一帧内各个符号对应的信道参数不同。对于频域均衡,采用训练序列最后时刻的信道参数进行均衡,而PSP均衡算法能对信道进行实时跟踪。采用经典的Jakes模型对时变瑞利衰落信道进行仿真,仍然采用3径信道,衰落参数与时延参数仍为[0.407,0.815,0.407]和[0, TsNs,2TsNs],当归一化多普勒频偏分别满足fDTm= 0.1及fDTm=0.2条件下,仿真结果如图6所示。

图6 CPM在时变多径信道下的性能Fig.6 BER performance of CPM receiver over the time-varying channel

由图6可知,对于时变信道,基于PSP的检测算法能有效的跟踪信道变化,有较好的性能。在误码率为10-3时,在相同的信道条件下,PSP均衡算法比FDE有7 dB以上的信噪比增益。

6 结 语

文中基于PSP技术,提出了采用PSP均衡的CPM信号的Viterbi解调算法。仿真结果表明该算法在时变多径衰落信道下,能有效进行信道状态跟踪,比频域均衡有更好的误码性能。但是该算法计算量较大,下一步工作可以考虑降低复杂度,利于工程实现。同时文中的仿真是在未编码CPM通信系统的条件下进行,可以考虑将编码与CPM调制结合,进一步提高系统性能。

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杨李萍(1989—),女,硕士研究生,主要研究方向为无线数据传输;

YANG Li-ping(1989-),female,South-West graduate student in Research Institute of Communication,majoring in wireless transmission.

周治中(1965—),男,研究员,副总工程师,主要研究方向为通信信号处理和短波通信。

ZHOU Zhi-zhong(1965-),male,research fellow,Deputy Chief Engineer,mainly engaged in communication signal processing and HF communication.

CPM Detection Algorithm based on PSP Equaliation

YANG Li-ping,ZHOU Zhi-zhong
(Southwest Research Institute of Communication,Chengdu Sichuan 610041,China)

A detection algorithm based on PSP(per-survivor processing)equalization for continuous phase modulation over time-varying frequency-selective fading channels is proposed.In the proposed receiver, initial channel impulse(CIR)is estimated with a training sequence.PSP provides a general framework for the detection of CPM signal whenever the presence of unknown parameters prevents the precise use of classical Viterbi algorithm.FDE has a very wide range of application because it provides a solution to multipath interference with low complexity.However the algorithm couldn't be used in tracking time-varying channels.It is found that the bit-error-rate performance of PSP decoder without channel state information (CSI)is better than that of the frequency domain equalization algorithm in multipath fading channels.

wireless communication;continuous phase modulation;PSP(per-survivor processing);Viterbi decoder

TN919.6

A

1002-0802(2014)01-0024-05

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.01.005