面向ASIC设计的单载波超宽带信道均衡研究.docxVIP

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面向ASIC设计的单载波超宽带信道均衡研究

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栾志斌清华大学电子工程系博士研究生

裴玉奎清华大学电子工程系博士助理研究员

闻武杰清华大学电子工程系硕士研究生

葛宁清华大学电子工程系教授通信与微波研究所所长

摘要：单载波超宽带通信系统的均衡在芯片实现

中面临高吞吐率、高性能和低复杂度三方面问题。该文首先比较了最大似然均衡(MLSE)、线性均衡(LE)、判决反馈均衡(DFE)及单载波频域均衡(SC-FDE)在性能、复杂度及高速化实现上的优缺点，并综合考虑SC-UWB系统这一特殊的应用场景最终选择了DFE。然后针对DFE算法中的三个关键参数——前馈阶数Nr，反馈阶数nb及判决延迟D，提出了一种实际系统中有效且实用的参数优化设计策略，最后仿真证明了优化策略的实用性和有效性。

关键词：单载波超宽带，信道均衡，DFE参数优化．ASIC

单载波超宽带(SC-UWB)系统中的均衡面临着极大的挑战，它不同于传统通信系统中的均衡，如有线数字电视广播标准…中的均衡速率只有数十兆，且对抗的是固定的有线信道；以太网中的均衡然吞吐率高达数百兆甚至更高，但其作用对象仍然局限于有线信道；无线通信标准如WiFi的802.lla/g，虽然信道相对复杂，但吞吐率要求远远达不到百兆以上。总结一下，SC-UWB系统的自适应均衡主要存在以下难点。

(1)高性能：均衡后信道解码前误码率指标为10-3@12dB，具体难点体现如下。

·低扩频比+复杂度受限RAKE；

·密集长延时多径；

·链路预算后均衡工作点信噪比低。

(2)高吞吐率：符号级（BPSK调制方式+4/5编码）均衡速率达到125MbiUs，非传统的通信系统所能比拟。

(3)低复杂度：UWB芯片的优势之一在于低功耗，小面积，ASIC实现均衡也必须考虑。

同时这三个难点不是孤立的，它们之间具有很强的相互约束关系，这给SC-UWB系统中心模块之一的均衡器的设计带来了很大的挑战。

1均衡算法

首先分析各种均衡算法，包括最大似然均衡(MLSE)、线性均衡(LE)、判决反馈均衡(DFE)以及单载波频域均衡(SC-FDF)，并结合SC-UWB系统这一特殊的应用场景以及ASIC实现来比较这几种均衡算法的优缺点。

1.1最大似然均衡

MISE从本质上说是一种序列检测方法，即求得发送序列条件下的接收序列的联合概率密度，求解使其似然函数联合概率密度最大化的发送序列，即为所求MLSE序列。存在AWCN符号间干扰下的信道等效模型如图l所示。此时，MLSE准则可以等效为一个离散时间有限状态机状态估计问题，而有限状态机正是图中所示系数为的等效离散时间信道。具体我们定义k时刻状态为：

1.2时域线性均衡

LE相对于MLSE，具有复杂度是信道ISI长度线性函数的优点，其本质是引入信道响应的逆去补偿各个衰落的频谱点，线性均衡器结构如图2所示，其n时刻均衡输出可以表示为：

上式中ww包含矩阵求逆过程，实际电路是无法实现的，但可以采用迭代自适应LMS算法来实现，LMS算法收敛速度适中，容易高速低复杂度实现。线性均衡器优点在于复杂度低，采用流水线并行等方式比较容易实现高速化，但一般局限于信道具有良好特性且不存在谱零点的传输方式，如电话线等，不适应于具有很长ISI的高速UWB无线传输中，因为UWB信道往往带有很深的衰落，甚至具有谱零点，LE会在输出端放大信号的同时使噪声大大增强，使其在误码性能上大打折扣。

1.3判决反馈均衡

DFE的基本原理是利用之前判决符号的信息来对下一个符号做判决，反馈的作用就是将之前正确的符号送人前馈，以消除之前检测符号引起的符号间干扰，从而判决下一个符号。

判决反馈均衡器结构如图3所示，包括前馈滤波器(FFF)和反馈滤波器(FBF)，而均衡输出的软信息可以用于解码。

虽然DFE有误码扩散等缺点，但可以通过编码交织等手段克服，再加上其良好的对抗深衰落特性，可能以高速低复杂度实现，是一种可选方案。文献[4]的结论进一步说明了RAKE接收机之后DFE在高速UWB传输系统（大于100MhiUs）中具有相对于LE更好的效果，因为高速UWB系统中需要前馈将非最小相位特性等效信道响应转变为最小相位系统，再加上反馈的去除ISI作用，DFE性能会显得更优异。

1.4单载波频域均衡

SC-FDE越来越受到业界的关注，其系统传输模型如图4所示。SC-FDE主要利用OFDM中循环前缀的思想，在发端加入循环前缀(CP)以克服数据块之间的干扰，同时利用循环前缀将线性卷积转化为循环卷积，利用信道循环矩阵的可对角化特性，在接收端做简单的FFT和IFFT去均衡信道，其计算复杂度与信道延迟扩展的对数成正比，没有OFDM高峰均比、频偏相位要求高、ADC精度要求高等缺点。在