论文研究-VHF无线频段下基于GMSK调制的Viterbi序列均衡性能研究 .pdf

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VHF无线频段下基于GMSK调制的Viterbi序列均衡性能研究,万海,尹长川,为了应对日益紧张的无线频谱资源,我们希望在VHF无线频段建立无线数据通信系统,以转移无线通信业务量。VHF无线频段的良好传输特性
山国武花论文在丝 比如高大的建筑物、成片的树林、丘陵等,会对在空中传播的电憾信号造成发射、绕射和散 射影响。这些影响将使得接收机的接收信号被扭曲,比如,建筑物的反射笮号,在接收机端 的接收天线上,这些反射信号与直射信号进行叠加,产生( )现 象,从而干扰发送信号的波形。这就是我们常说的多径效应,相应的无线传播信道也常常称 为多径传播信道。 如果在空间中发射一个单脉冲电磁波,那么通过多径信道后将接收到的信号是一个电磁 脉冲序列。电磁脉冲序列中的每一个脉冲对应于直射分量或由一个或一簇散射体造成的可分 辨的多径分量。多径信道的时延扩展(时延扩展是指最先到达信号分量和最后到达信号分量 之间的时间延迟)特性将导致接收端信号明显失真。和传输信号的带宽的倒数相比,如果 这种时延扩展很小,则接收信号在吋间上的展宽也将比较小。和传输信号的带宽的倒数相比, 如果这种时延扩展相对较大,接收信号在时域上的波形就会被明显扩宽,这将造成严重的信 号失真。 无线信道特征 为了研究 调制下, 序列均衡算法在频段的性能,我们将建立一个仿 真通信系统以研究均衡算法的传输误比特率〈无信道编码)。在仿真系统中,为了模拟无线 信道对传播信号的影响,就必须知道无线频段的信道特征,以供信道仿真模块使用。 同时,为了合理的设定均衡算法的均衡长度,也必须了解與型工作环境下无线信道的 最大时延扩展。故而,本节将硏究无线信道的多径特征,并给出几组典型传播环境下 无线信道特征参数。 考虑到将来我们要健立的通信系统是数据通信系统,而且,将来要部署的传输距离在 之间,故而,本节着重研究在这‘传输沱围内的无线频段信道特征。借鉴 前人的研究成果,在文献中,我们了解到,山区环境下,由于山体反射无线传播信号, 在某些具体场景下会有高达的信道时延扩展。无线信道的多径时延扩展参数很重要, 在后面第节我们将会看到,在知道信道时延扩展上限与调制方式的情况下,就可以决定均 衡器的均衡长度 根据电磁波传播理论硏究,我们知道,不同的无线频段在相同的传输环境下也会有不同 的信道特征,即不同频率的无线信号在相同的传播场景下所受到的影响是不同的。在文献 中,为了能更好更详细地描述无线信道特征信息,将 频段的无线信道划分 为个子信道,如表所示。 表 信道划分 频率范围 名称 高频段 中频段 低频段 同时,在文献中还给出了部分典犁通信系统工作场景下的无线信道特征信息。接下来 将对它们一一介绍。它们的信道特征信息将用多径数日、每条径的时延、每条径的归一化功 率三项指标来摧述。 乡村环境下的无线信道特征 乡村()传播环境是典型的无线通信系统电磁波传播环境之一,我们研究的均衡 尜将必不可免地遇到乡村工作环境。一般在乡村场景下,开阔地比较多,高大建筑物较少, 山国武花论文在丝 房屋普遍比较低矮,而且还是零散错落分布于地面上的,同吋,在乡村,会有很多不规则的 树林以及小山丘。这使得乡村环境下,无线信道的多径数目较少,但是多径的时延扩展也许 会比较大。还有需要提及的是,不同地域的乡村也有着不同的信道特征,比如,中国北方地 区的乡村与南方地区的乡村就有很大的不同,其信道特征也必然不同 在文献中,选择的乡村场景周围冇树林、大量杂草丛生的农田,开訚地上有一两栋旧 的砖房,以及旁边有一个主题公园,主题公园里有一些低矮的房屋。在方园范围内没 有机动车辆,其无线信道特征信息如下表表所示: 为了便于标记,信道特征表的命名规则是信道环境单词首字母加上子频段名称缩写,比 如乡村()环境下高频段()的信道特征信息表的缩写是,其它的表依此类推。 表 (乡村高频段) 多径 时延 功率 (乡村中频段) 多径 时延 功率 表 (乡村低频段) 多径 时延 功率 ()城市环境下的无线信道特征 城市()传播环境也是典型的无线通信系统电佖波传播环境之一。在城市里,往 往有高大的建筑物,而且建筑物一般密集分布,建筑材料除了砖块还有钢筋水泥,建筑物的 外观也比较规则。在城市工作场景下,接收信号将受到严重的多径干扰。文献中的城市场 景中有许多层以上的钢筋水泥建筑物,步行街两旁还有一些层的砖块房屋,市内也有 很多移动车辆。在传输配离为时,其无线信道特征信息如下表表所示: 表 (城市高颎段 多径 时延 功率 山国武技论文在丝 表 (城市中频段) 多径 时延 功率 表 (城市低频段) 多径 时延 功率 ()海岸环境下的无线信道特征 海岸( 传播环境也是典型的无线通信系统电磁波传播环境之一,它与乡村、城 市环境最大的不同在于海岸环境拥有开訚的海面或者湖面,一般周围的高大建筑物不多,房 屋也相对比较少。文献中的海岸区城内有一个很大的湖,湖边散落着一些政府大楼,最高 的也不过层,但是都是钢筋水泥材料的。附近区域内还有一些老旧的砖头结构房屋。传 输距离为 时,其信道特征如下表表所示: 表 (海岸高频段) 多径 时延 率 表(海岸中频段) 多径 时延 功率 表 (海岸低频段 多径 时延 功 均衡算法 本文第节硏究了无线频段的信道特性,本节将介绍 序列均衡算法的理论, 并研究其在频段下的实现。为了便」描述均衡算法原理,在木节廾头,有必要对 调制实现做一番介绍。然后,依据调制方式,在讨论其均衡算法的具体实现。 山国武花论文在丝 调制及劳伦特分解 因为系统的广泛运用,本文就不详细介绍 调制的实现,为了给均衡算法的 研究做铺垫,本小节简单介绍一 调制信号的实现以及劳伦特分解后的 调制 信号表达式。如无特别说明,本文所提到的信号都是棊带信号。 调制 ),島斯滤波最小移频键控调制技术是 从( )调制技术的基础上发展起来的种数字调制方式,属于恒 包络相位连续调制技术, 年由日本国际电报电话公司提出。 本文的调制采用的词制方式,如果发送端的数据序列为{},b=± 预编码后的数据序列为{}, 调制信号的基情表达式为: 0+丌 00 其中, 为调制指数;O为初始相位,在本文中,为了措述简便,认为0= 为高斯滤波器矩形脉冲响应。 调制等效基带流稈图如图所示: cos(0)→/(t BT=0.3局 预编码 斯滤波器 sin(0)p以(t,an) 元 图 调制等效基带信号流程图 信号的劳伦特分解 般情況下,如图所示,送入髙斯滤泼器的发送信号是经过预编码(差分编码) 后的信号序列。即 ≤≤+,其中为待发送的信息序列。加 顶编码的 调制信号,有一个优势,基于劳伦特()分解原理,可以将 信号分解为一系列时间受限幅度调制信号 的和 如下式()所示: ∑∑ 其中 C 又 C 山国武花论文在丝 式()中, 且 丌,为调制指数, 调制方式下 如式()所示。在 调制一般取 () 其中,为高斯滤波器的矩形脉冲响应。 在文献中证明了其中最大的一个时间受限幅度调制信号就可以很好的代表 信号。通过一系列化简后, 信号的劳伦特分解表达式为 只中, 均衡算法设计 均衡技术可以有效的降低无线传播信道多径效应造成的对接收信号的干扰。关于均衡技 术的理论基础,本文就不多做介绍了,本节重点介绍本文将采用的 序列均衡算法的 实现 序列均衡算法 维特比序列均衡解调算法实际上是种最大似然估计技术,维特比算法利用信道估计信 息、干扰噪声统计信息,能解调岀最大可能性的发射信息序列。根据式()的信号表达 形式,假设接收机端接收到的信号可以表示为 式()中,为高斯白噪声,{}表示发射的信息序列。表示为合成信道的 冲激响应。维特比序列均衡算法是使如下最大似然数最小: () 其中,是将要解调出的最大似然的序列估计值,为信道估计冲激响应。影响 的值的变化的变量只有,求得最小值,也即求下式()的最大值 ∑-- 假设: 十 则式()可以记为: ∑[]∑∑[-] 式()中的是接收信号(反腚处理后的两路信号)与信道估计冲激响应的卷积输 实际上是合成信道的自相关数,根据自相关函数的性质可知 山国武花论文在丝 则累计度量′可以转换为: =∑[]∑-∑∑[ 设 ,若信道的响应长度为,则当>时 时, 假设发送序列的长度为,则序列的累积度量可以用下式()递归计算: 一般情况下,均衡算法是以一个突发()数据为单位进行维特比均衡译码。也 即对一个突发()接收信号,求一个序列使得累积度量′最大,这个使得累积′ 最大的序列就是均衡译码输出结果。 均衡算法参数研究 在上一小节简单地介绍了均衡算法的实现公式,从式()可以看出,在均衡算法实际 部署之前,还必须确定均衡算法的均衡长度,亦即式()中的值。在节的前面我 们提到,根据已有的研究成果,我们知道在无线频段,山区环境下,由于山体反射无 线传播信号,在某些具体场景下会有高达的信道时延扩展。 为了使得均衡器能充分补偿信道多径效应以及信号调制时引入的,均筷器工作时的 均衡长度必须满足 其中,是 调制信号的高斯滤波器所引起的可控;是多径传播信道引 起的 在 时,我们般取 。之前我们提到过,为了充 分利用已有的经验,在本文的发送端,调制信号符号速率与系统的 调制速率相 同,只是帧结构有所调整。在频段,信号相干时间明显大于 系统中信号的相 干时间,故而在频段的发送信号突发结构可以采用比系统更长的帧结构。 由上述可知,在频段,均衡算法的均衡长度为 如 果采用比特持续时间单位来表示,则可取符号。故而在我们采用的均衡算法中,其 均衡长度选为个信号符号持续时间。亦即在本文设计的均衡算法中,式 式中的 取值为 对接收信号中毎个比特间隔,维特比均衡器的作用就是在个可能序列中找山 个可能性最大的比特发送序列。如前述提到,均衡算法常以一个突发( 数据 为单位进行维特比均衡译码。也即对一个突发()接收信号,一般不是以个比特为间 隔进行译码,而是对整个突发进行译码。 仿真系统结构与仿真结果 本文第、节分别研究了无线信道与相应的均衡算法实现,为了最终得到基于 调制下的 序列均衡算法在无线频段的性能,即未加信道编码的解调误比 特率。本文的研究重点在于算法在下的性能,故本节先简单介绍一下相应的仿真通信 系统的架构。随后,再给出 序列均衡算法在频段的性能,亦即误比特率 山国武花论文在丝 仿真系统结构设计 为了得到维特比均衡算法在频段下的性能,即误比特率。我们采用建立仿真系统 的方式来实现;仿真系统分为三个部分,发送端模块、信道模块、接收端模块,如图所示。 在本小节将对其做简单的介绍。 参数设置 帧结构 发\发送信号信L接收信号,收 接 调制参数 射端 参数设置场 景喫 选声 图仿真通信系统结杓 发送端模块将产生发送信号,只体的实现方式可参照本文图的描述。发送端根据基本 参数调制出发送突发信号。在本文前述提到过,本文采用 的 调制方式,符 速率与系统的符号速率一样,这样做的好处是可以充分利用现有的实践经验,将来通 信系统的碩件实现也便于选取市场上的硬件。因为倍号的相干时间比较长,所以发送 端的帧结构比系统的帧结构长,这样在采用相同训练序列的前提下,可以提髙系统有 效载荷比率 仿真通信系统中的信道模块,将模拟无线信道对传输信号的变换过程。本文采用的典型 的多径瑞利衰落信道模型对传输信号进行多径干扰与髙斯白噪声干扰。信道模块将根 据本文第节研究得来的不同场景下的无线传输信道参数,对传输信号进行多径干扰、噪声 叠加,功率归一化等等。 仿真系统的接收端模垬负责通过均衡算法译码岀发送数据,以及统计算法误比特率。在 这个模块中,同步了模块将先对接收信号进行同步操作,找出接收信号的突发结构起始点位 置。然后,信道估计了模块会在训练序列的帮助下估计岀无线信道信息,我们知道均襖器能 工作的一个前提就是必须知道信道信息,这样均衡器才能对接收信号进行补偿。随后,接收 信号通过均衡算法器,在信道估计信息的帮助下,均衡算法器将译码出发送信息序列。最后, 作为仿真通信系统,将对均衡算法译码出的信息序列与发送信息序列进行比较,以统计均衡 算法的性能误比特率 均衡算法在频段下的仿真性能 在我们设计的仿真系统中,为了能得到可靠的性能结构,在每一个信噪比下,我们总共 发送了 个数据进行均衡译码性能统计。不同场景下,不同子频段的维特比均衡 算法在的误比特率如下图图所示。需要在此说明的是,本文给出的误比特率是在 没有信道编码下的误比特率。 山国武技论文在丝 图高频段种场景下均衡算法性能 图中频段三和场景卜的均衡算法的性能

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