CN102420790A - 一种单载波超宽带通信***中的均衡处理方法和*** - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种单载波超宽带通信***中的均衡处理方法，包括：乘法器将输入数据与映射器恢复出的本地载波相乘，得到消除载波频偏的数据，输入均衡器；均衡器对所述消除载波频偏的数据进行消除码间干扰处理，将得到的数据输入鉴相器；鉴相器提取所述均衡器得到的数据相对于星座图中数据的相位误差，输入环路滤波器；环路滤波器根据所述相位误差计算本地载波相对于实际发送载波的相位偏移量，输入累加器；累加器根据所述相位偏移量累加得到本地载波相位，输入映射器；映射器根据所述本地载波相位，恢复出本地载波，将所述本地载波输入乘法器。

Description

一种单载波超宽带通信***中的均衡处理方法和***

技术领域

本申请涉及均衡处理技术领域，特别是涉及一种单载波超宽带通信***中的均衡处理方法和***。

背景技术

单载波超宽带(SC-UWB)技术是一种短距离无线通信技术，相对于目前超宽带(UWB)主流的多带正交频分复用(MB-OFDM)技术，SC-UWB不仅满足高速的要求，还克服了MB-OFDM高峰均比、对定时频偏要求高的缺点，有利于单片化实现。

在数字信号的调制方式中，四相移键控(QPSK)是目前最常用的一种卫星数字信号调制方式，它具有较高的频谱利用率、较强的抗干扰性，在电路上实现也较为简单。四相相移调制是利用载波的四种不同相位差来表征输入的数字信息，是四进制移相键控。QPSK中每次调制可传输2个信息比特，这些信息比特是通过载波的四种相位来传递的，解调器根据星座图及接收到的载波信号的相位来判断发送端发送的信息比特。

SC-UWB***的特点是带宽极宽，虽然采用最优的RAKE接收机提供多径分集增益，但仍然无法完全解决UWB信道密集多径、长延时带来的严重符号间干扰(ISI)。因此，在RAKE接收机之后必须要进行高性能的均衡处理，用以克服载波频偏的影响并消除码间干扰。

通常的均衡处理方法是先进行载波恢复消除载波频偏，再进行消除码间干扰处理，但在SC-UWB***中采用QPSK调制时，由于码间干扰的存在，载波恢复很难收敛，从而导致***失锁，无法消除载波频偏，进而也不能顺利进行消除码间干扰处理。因此，现有的均衡处理方法无法满足SC-UWB***中高性能处理的需求。

发明内容

本申请所要解决的技术问题是提供一种单载波超宽带通信***中的均衡处理方法和***，能够同时克服码间干扰和载波频偏的影响，实现高性能的均衡处理。

为了解决上述问题，本申请公开了一种单载波超宽带通信***中的均衡处理方法，包括：

乘法器将输入数据与映射器恢复出的本地载波相乘，得到消除载波频偏的数据，输入均衡器；

均衡器对所述消除载波频偏的数据进行消除码间干扰处理，将得到的数据输入鉴相器；

鉴相器提取所述均衡器得到的数据相对于星座图中数据的相位误差，输入环路滤波器；

环路滤波器根据所述相位误差计算本地载波相对于实际发送载波的相位偏移量，输入累加器；

累加器根据所述相位偏移量累加得到本地载波相位，输入映射器；

映射器根据所述本地载波相位，恢复出本地载波，将所述本地载波输入乘法器。

优选的，所述均衡器为多路并行均衡器。

优选的，所述的方法还包括：

均衡器将所述得到的数据输出至外部译码器。

优选的，如果所述相位偏移量为正，则本地载波的相位小于实际发送载波的相位；

如果所述相位偏移量为负，则本地载波的相位大于实际发送载波的相位。

另一方面，本申请还公开了一种单载波超宽带通信***中的均衡处理***，包括：

乘法器单元，用于将输入数据与恢复出的本地载波相乘，得到消除载波频偏的数据，输入多路并行均衡器单元；

均衡器单元，用于对所述消除载波频偏的数据进行消除码间干扰处理，将得到的数据输入鉴相器单元；

鉴相器单元，用于提取所述均衡器得到的数据相对于星座图中数据的相位误差，输入环路滤波器单元；

环路滤波器单元，用于根据所述相位误差计算本地载波相对于实际发送载波的相位偏移量，输入累加器；

累加器单元，用于根据所述相位偏移量累加得到本地载波相位，输入映射器单元；

映射器单元，用于根据所述本地载波相位，恢复出本地载波，将所述本地载波输入乘法器单元。

优选的，所述均衡器为多路并行均衡器。

优选的，所述的***还包括：

输出单元，用于将所述均衡器单元得到的数据输出至外部译码器。

优选的，如果所述相位偏移量为正，则本地载波的相位小于实际发送载波的相位；

如果所述相位偏移量为负，则本地载波的相位大于实际发送载波的相位。

与现有技术相比，本申请包括以下优点：

第一，本申请采用载波恢复与自适应并行均衡联合环路的结构，每个时钟首先将输入数据与恢复出的载波相乘，对输入数据进行相位偏差的消除，从而消除载波频偏的影响；然后再送入并行均衡器，进行去码间干扰处理；这样得到纯净的信号作为联合环路的最终输出，同时也用来提取当前的载波相位误差，对该信号进行载波恢复，将恢复出的载波与输入数据相乘。整个过程构成一个环路，这种均衡处理方法能够同时克服码间干扰和载波频偏的影响，满足高性能均衡处理的需求。

第二，本申请中均衡器采用多路并行自适应线性均衡器，自适应过程用于动态地估计无线信道的变化从而消除码间干扰，同时均衡器采用了多路并行的结构，能够满足单载波超宽带(SC-UWB)***中均衡处理高吞吐率的要求。

附图说明

图1是本申请一种单载波超宽带通信***中的均衡处理方法的步骤流程图；

图2是本申请一种单载波超宽带通信***中的均衡处理方法所采用的环路滤波器的结构示意图；

图3是应用本申请在有视距环境下测试得到的误码性能曲线；

图4是应用本申请在有10PPM的载波频偏下得到的载波相位曲线；

图5是本申请一种单载波超宽带通信***中的均衡处理***结构图。

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。

本申请主要针对单载波超宽带通信***中采用QPSK调制方式时对其进行均衡处理。采用载波恢复与自适应并行均衡联合环路的结构，用于满足单载波超宽带(SC-UWB)通信***的特殊要求。每个时钟首先对输入信号进行载波频偏的消除，然后再进行去码间干扰处理，这样得到纯净的信号作为联合环路的最终输出，同时也用来提取当前的载波相位误差。这种均衡器结构能够满足预期的吞吐率和高性能需求，并且复杂度也不高，适合用ASIC实现。

本申请在单载波超宽带(SC-UWB)通信***中位于RAKE接收机之后，维特比译码之前。接收RAKE合并后的数据，动态地进行载波跟踪并消除码间干扰，然后将数据送入译码器进行译码输出。

参照图1，示出了本申请一种单载波超宽带通信***中的均衡处理方法的步骤流程图，包括：

步骤101，乘法器将输入数据与映射器恢复出的本地载波相乘，得到消除载波频偏的数据，输入均衡器；

步骤102，均衡器对所述消除载波频偏的数据进行消除码间干扰处理，将得到的数据输入鉴相器；

本申请中的均衡器采用多路并行线性自适应均衡器，自适应过程用于动态的估计无线信道的变化，从而消除码间干扰，同时采用多路并行结构来提高***的吞吐率，并且多路并行均衡器结构采用低延迟的设计方法，保证了整个环路的收敛性。

均衡器采用时域线性均衡，自适应算法采用最小均方(LMS)算法，对于串行LMS算法的更新方程为：

$\left\{\begin{array}{c}y\left(n\right)={\stackrel{\‾}{W}}^T\left(n\right)\stackrel{\‾}{U}\left(n\right)\\ e\left(n\right)=d\left(n\right)-y\left(n\right)\\ \stackrel{\‾}{W}(n+1)=\stackrel{\‾}{W}\left(n\right)+\mathrm{\μe}(n-1)\stackrel{\‾}{U}(n-1)\end{array}\right.$

其中，W(n)是均衡器系数，U(n)是输入数据，d(n)是导师序列，e(n)是误差序列，μ是迭代步长，y(n)是输出序列。

对于多路(例如L路)并行处理方式来说，每个时钟需要处理L个符号，因此，很容易得到L路并行算法更新方程为：

$\left\{\begin{array}{c}y\left(\mathrm{Ln}\right)={\stackrel{\‾}{W}}^H\left(\mathrm{Ln}\right)\stackrel{\‾}{U}\left(\mathrm{Ln}\right)\\ y(\mathrm{Ln}+1)={\stackrel{\‾}{W}}^H\left(\mathrm{Ln}\right)\stackrel{\‾}{U}(\mathrm{Ln}+1)\\ \·\·\·\\ y(\mathrm{Ln}+L-1)={\stackrel{\‾}{W}}^H\left(\mathrm{Ln}\right)\stackrel{\‾}{U}(\mathrm{Ln}+L-1)\\ e\left(\mathrm{Ln}\right)=d\left(\mathrm{Ln}\right)-y\left(\mathrm{Ln}\right)\\ e(\mathrm{Ln}+1)=d(\mathrm{Ln}+1)-y(\mathrm{Ln}+1)\\ \·\·\·\\ e(\mathrm{Ln}+L-1)=d(\mathrm{Ln}+L-1)-y(\mathrm{Ln}+L-1)\\ \stackrel{\‾}{W}(\mathrm{Ln}+L)=\stackrel{\‾}{W}\left(\mathrm{Ln}\right)+{\mathrm{\μe}}^{*}(\mathrm{Ln}-L)\stackrel{\‾}{U}(\mathrm{Ln}-L)\\ +\·\·\·+{\mathrm{\μe}}^{*}(\mathrm{Ln}-1)\stackrel{\‾}{U}(\mathrm{Ln}-1)\end{array}\right.$

其中，W(n)是均衡器系数，U(n)是输入数据，d(n)是导师序列，e(n)是误差序列，u是迭代步长，y(n)是输出序列。

同时，均衡器还将得到的数据作为整个环路的输出数据，输出至外部译码器进行译码。

步骤103，鉴相器提取所述均衡器得到的数据相对于星座图中数据的相位误差，输入环路滤波器；

QPSK调制的星座图中定义了两个基本参数：(1)信号分布；(2)与调制数字比特之间的映射关系。星座图中规定了星座点与传输比特间的对应关系，这种关系称为“映射”，一种调制技术的特性可由信号分布和映射完全定义，即可由星座图来完全定义。

对于载波恢复环路的并行化，关键在于提取相位误差，本申请的鉴相器采用的相位误差提取方程为：

Δθ＝f(y)

＝-sgn(real(y))×sgn(imag(y))

×sgn(real(y)+imag(y))

×sgn(real(y)-imag(y))

其中，y是鉴相器的输入数据，Δθ是鉴相误差。

对于L路并行输入，我们很容易得到并行情况下的误差提取方程为：

Δθ＝f(y(Ln))+f(y(Ln+1))+…+f(y(Ln+L-1))

其中，y(i)是第i路的均衡器输出，i＝Ln，...Ln+L-1，Δθ是鉴相误差。

步骤104，环路滤波器根据所述相位误差计算本地载波相对于实际发送载波的相位偏移量，输入累加器；

如果所述相位偏移量为正，则本地载波的相位小于实际发送载波的相位；

如果所述相位偏移量为负，则本地载波的相位大于实际发送载波的相位。

参照图2，示出了本申请一种单载波超宽带通信***中的均衡处理方法所采用的环路滤波器的结构示意图，其中，系数K_P与K_i是环路滤波器的两个关键系数，决定了载波跟踪的快慢和精度。K_P、K_i越大，则跟踪越快，但精度越低。

步骤105，累加器根据所述相位偏移量累加得到本地载波相位，输入映射器；

步骤106，映射器根据所述本地载波相位，恢复出本地载波，将所述本地载波输入乘法器。

整个均衡处理过程构成一个环路，保证了送入均衡器进行消除码间干扰处理的数据是经过载波恢复消除载波频偏之后的数据，同时送入载波恢复路径进行载波恢复的数据是经过均衡器消除码间干扰之后的数据，保证了载波恢复和消除码间干扰过程的正常进行。经过不断地循环处理，使整个均衡处理过程达到高性能的需求，同时利用多路并行均衡器，也满足了***高吞吐率的要求。

参照图3，示出了应用本申请在有视距环境下测试得到的误码性能曲线。其中，带圆点的线表示RAKE接收性能，带圆圈的线表示均衡器性能，带四边形的线表示译码之后的性能，带三角形的线表示QPSK的理论误码曲线。

从图中可以看出，由于载波偏差的影响，RAKE输出误码率为50％。但是经过均衡器之后，载波偏差和ISI均得到了消除，性能有了明显改善。随着信噪比的增加，误码率呈明显下降趋势，卷积译码获得了明显的编码增益，在10dB下可以获得优于10^-5的误码性能。

下面，以一个具体的实例介绍本申请的工作过程，本申请所应用的SC-UWB***采用的是QPSK的调制方式，因此输入的数据是复数，对应到实际的电路中就有I和Q两路数据。

输入数据的格式包括训练序列和数据段，训练序列的数据个数为400，每个数据都为复数，实部和虚部的值都用8bit表示，值为32或-32，数据段即为接收到的实际数据。在实际***中，由于RAKE之后的数据幅值起伏可能较大，因此还有必要增加一个数字自动增益控制(AGC)模块，将输出数据幅值控制在32左右。

本发明的载波恢复与自适应均衡联合环路的初始状态为：自适应均衡器以两路并行为例，抽头系数为[00000000100000000]，初始载波相位由前级载波捕获模块给出，也可以设置为0，环路滤波器的两个关键参数K_P取为64，K_i取为1。***采用QPSK的调制方式，在有10PPM的载波频偏，有视距的信道的情况下工作。

首先处理长度为400的训练序列，训练序列是一段已知序列，使自适应均衡器的系数收敛到一个较稳定的状态，载波恢复环路也得到一个较准确的载波相位；当***处于一个相对稳定的状态后，就开始处理实际数据段，由于无线信道是动态地，因此，在处理数据段时，自适应均衡器还是会一直微调抽头系数，不断地均衡变化着的信道，而载波跟踪环路一直跟踪载波相位。具体的均衡处理过程在上面已经介绍，本申请在此不再详细论述。

参照图4，示出了应用本申请在有10PPM的载波频偏下得到的载波相位曲线。由于载波有10PPM的载波频偏，因此，载波跟踪环路得到的载波相位是线性的。

与前述方法实施例相应，本申请还提供了一种单载波超宽带通信***中的均衡处理***，参照图5，具体可以包括：

乘法器单元，用于将输入数据与恢复出的本地载波相乘，得到消除载波频偏的数据，输入多路并行均衡器单元；

均衡器单元，用于对所述消除载波频偏的数据进行消除码间干扰处理，将得到的数据输入鉴相器单元；

其中，所述均衡器采用多路并行均衡器，用以提高***的吞吐率。

鉴相器单元，用于提取所述均衡器得到的数据相对于星座图中数据的相位误差，输入环路滤波器单元；

环路滤波器单元，用于根据所述相位误差计算本地载波相对于实际发送载波的相位偏移量，输入累加器；

如果所述相位偏移量为正，则本地载波的相位小于实际发送载波的相位；

如果所述相位偏移量为负，则本地载波的相位大于实际发送载波的相位。

累加器单元，用于根据所述相位偏移量累加得到本地载波相位，输入映射器单元；

映射器单元，用于根据所述本地载波相位，恢复出本地载波，将所述本地载波输入乘法器单元。

还包括：

输出单元，用于将所述均衡器单元得到的数据输出至外部译码器。

本***在单载波超宽带***中位于RAKE之后，维特比译码之前，接收RAKE合并后的数据，动态地进行载波跟踪并消除码间干扰，然后将数据送入译码器进行译码输出。

对于***实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上对本申请所提供的一种单载波超宽带通信***中的均衡处理方法和***，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (8)

1.一种单载波超宽带通信***中的均衡处理方法，其特征在于，包括：

乘法器将输入数据与映射器恢复出的本地载波相乘，得到消除载波频偏的数据，输入均衡器；

均衡器对所述消除载波频偏的数据进行消除码间干扰处理，将得到的数据输入鉴相器；

鉴相器提取所述均衡器得到的数据相对于星座图中数据的相位误差，输入环路滤波器；

环路滤波器根据所述相位误差计算本地载波相对于实际发送载波的相位偏移量，输入累加器；

累加器根据所述相位偏移量累加得到本地载波相位，输入映射器；

映射器根据所述本地载波相位，恢复出本地载波，将所述本地载波输入乘法器。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述均衡器为多路并行均衡器。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

均衡器将所述得到的数据输出至外部译码器。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

如果所述相位偏移量为正，则本地载波的相位小于实际发送载波的相位；

如果所述相位偏移量为负，则本地载波的相位大于实际发送载波的相位。

5.一种单载波超宽带通信***中的均衡处理***，其特征在于，包括：

乘法器单元，用于将输入数据与恢复出的本地载波相乘，得到消除载波频偏的数据，输入多路并行均衡器单元；

均衡器单元，用于对所述消除载波频偏的数据进行消除码间干扰处理，将得到的数据输入鉴相器单元；

鉴相器单元，用于提取所述均衡器得到的数据相对于星座图中数据的相位误差，输入环路滤波器单元；

环路滤波器单元，用于根据所述相位误差计算本地载波相对于实际发送载波的相位偏移量，输入累加器；

累加器单元，用于根据所述相位偏移量累加得到本地载波相位，输入映射器单元；

映射器单元，用于根据所述本地载波相位，恢复出本地载波，将所述本地载波输入乘法器单元。

6.根据权利要求5所述的***，其特征在于，所述均衡器为多路并行均衡器。

7.根据权利要求5所述的***，其特征在于，还包括：

输出单元，用于将所述均衡器单元得到的数据输出至外部译码器。

8.根据权利要求5所述的***，其特征在于，

如果所述相位偏移量为正，则本地载波的相位小于实际发送载波的相位；

如果所述相位偏移量为负，则本地载波的相位大于实际发送载波的相位。

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