第51卷第3期 2011年3月 电讯技术 Telecommunication Engineering Vo1.51 No.3 Mar.2011 文章编号:1001—893X(2011)03—0O27—06 短波通信中的低复杂度时域均衡 唐 垒 ,张 哲 2,沈 良 ,程云鹏 (1.解放军理工大学通信工程学院,南京210007;2.解放军65043部队,吉林松原131500) 摘要:提出了一种基于Chase算法的低复杂度时域均衡技术。首先通过传统的自适应均衡器获取 软值,再利用Chse算法计算可信度找到不可靠位,同时构造测试序列,然后进行滑动窗搜索和逐比 a特译码。此算法在减小计算量的同时消除了译码时延,并且误码率逼近最大似然序列估计,实现了 复杂度和性能的折衷。 关键词:短波通信;时域均衡;Chase算法;码间串扰;滑动窗;最大似然序列估计 中图分类号:TN911.5 文献标识码:A doi:10.3969/j.issn.1001—893x.2011.03.007 A Low Complexity Time Domain Equalization Method in HF Communications TANG Lei ,ZHANG Zhe ,SHEN Liang ,CHENG Yun-peng (1.Institute of Communications Engineering,PIJA University of Science and Technology, Nanjing 210007,China;2.Unit 65043 of PIA,Songyuan 131500,China) Abstract:A low complexity time domain equalization technique based on the Chase algorithm is proposed in this paper.The algorithm fist extrracts the soft output of a conventional adaptive equalizer,and then uses the Chase algorithm to find unreliable bits.At the sanle time,it structures test sequences and uses a sliding—window to decode bit by bit.Theoretical analysis shows that the proposed algorithm decreases the operation and eliminates decoding delay.Numerical simulation reveals that he prtoposed algorithm approaches the bit error rate(BER)of Maximum Likelihood Sequence Estimation (MINE) and achieves a good tardeoff between complexity and performance. Key words:HF communications;time domain equalizations;Chase algorithm;intersymbol interference(ISI);slid— ing—window;MINE 降低MLSE复杂度已成为当前研究的焦 1 引 言 对于减小等概输入的数据序列的错误概率而 点l0 J。文献[7]将逐符号的最大后验概率(Maxi. mUIR A Posteriori,MAP)均衡和MINE相结合;另外还 有减少状态序列估计(Reduced—state Sequence Esti. mation,RSSE)的逐幸存路径处理(Per—survivor pro— cessing,PSP)【 。J法和利用分集映射原理减小信号 言,最大似然序列估计(MINE)是最优均衡技术_】.2j, 其复杂程度随着码问串扰(ISI)长度和信号星座图 的大小呈指数增长。现有文献所研究的其它均衡 器,如线性均衡器或判决反馈均衡器等,虽然实现复 调制阶数法等。 近来,文献[11]将具有非连续性的差分移相键 杂度较低,但所获误比特率(Bit Error Rate,BER)性 能却远劣于MINE的BER性能_2J。 控(Diferentila Phase Shitf Keying,DPSK)和球形译码 *收稿日期:2010—10一螺;修回日期:2011—01—12 ・27・ WgC ̄V.teleonline.cn 电讯技术 2011年 算法相结合,实现了时变信道下未知参数的多符号 差分检测(Unknown—statistics Multiple—symbol Diifer. 可信度序列 。,,中元素的可信度定义为 Fk=lg (4) ential Detector,MSDD—US)。但文献[12]已指出,基 于球面译码算法的复杂度将随分组长度的增加呈指 数增长,因而所获算法只适用于数据较短的情况。 本文提出的低复杂度时域均衡是一种基于 (2)根据可信度最低的位置产生2『J个试探序列k; (3)构造测试序列 ,其中 =y① ,④表示按 位异或; (4)对测试序列 进行硬判决译码,得到的候 选码字c归入集合z; Chase算法的准最大似然序列估计的均衡方法。在 早期的文献中,Chase算法用来解决Turbo码和RS 码的软判决译码。然而,Chase算法最直接的应用是 (5)在集合 中寻找与接收序列r有最小欧氏 产生多个检测图样,因此会带来复杂性的大幅增加。 本文通过引入可信度概念,消除可能性小的幸存路 径,同时利用滑动窗l1 3l实现小范围内的全搜索,有 效地减小了码间串扰的影响。 2 MLSE算法 时间离散信道的输出信号可以写成: :∑h 一 + (1) 式中,£为信道长度,h 为信道系数,符号s 由m个 比特映射组成,n 表示零均值的高斯白噪声,其方 差为 。 MLSE的基本思想是对每一个可能的发送序列 s(m):{5;…, l ,…,s ),求接收序列r1,r2,…, r 的似然概率,其中Ⅳ表示一个数据包里的符号 个数: P( r2j…,FNI ‘ ):ⅡP(rkI )= .e[一 N J(2) 并选择似然概率最大的输入序列作为均衡器的输 出。因为上式仅在指数项上有变量,因此只需使下 式最小化即可: ∑( 一∑his ) (3) 最直接的方法是穷搜索,需要计算 (M=2 为符 号进制数)条路径的似然概率。实际中,用Viterbi 算法代替穷搜索算法可将路径数减小到ML。但是 对于码间串扰长的信道,这种算法太复杂。 3 Chase算法 Chase算法实现过程如下: (1)由接收序列r获得相应的硬判决序列Y和 ・28・ 距离的码字,作为译码器的输出。欧氏距离定义为 f r—c f:∑(ri—Ci) (5) 由上可见,Chase算法的复杂度主要取决于试探 序列集合的大小和硬判决译码算法的复杂度。 4 Chase均衡 由于Viterbi算法存在固定译码时延一般为4,J ~5L[2],难以实时跟踪信道变化,从而导致MLSE不 能获得最优的结果。针对MISE时延和复杂度较高 的问题,这里描述了一种基于Chase算法的滑动窗 搜索时域均衡,有如下特点: (1)Ch ̄均衡采用的是树状搜索而不是栅格搜索; (2)采用传统的自适应均衡器消除搜索中可能 性小的幸存路径,同时估计信道参数; (3)用滑动窗搜索的方法解决复杂度呈指数增 长的问题。对小范围全部搜索,而不是对全局穷举; (4)滑动窗搜索后逐比特的判决,而不是对符号 序列进行估计,解决了译码时延的问题。 Chase均衡器由3部分组成,包括一个自适应均 衡器和一个带滑动窗搜索的Chase算法以及一个信 道估计器,如图1所示。 图1 Chase均衡器结构 Fig.1 Chase equalizer structure 其中,自适应均衡器通过跟踪算法自适应地调 第3期 唐垒等:短波通信中的低复杂度时域均衡 第268期 整信道参数。传统的信道跟踪算法有最小均方误差 (Least Mean Square,LMS)算法和递归最小二乘(Re— cursive Least Square,RIB)算法,前者结构简单,后者 零 臣 亟匹互 区薨巨 正]二三 工圈 收敛速度快。 在时刻n,自适应均衡器的输入向量为,. = [rn, 一 --,rn—L+I] ,均衡器长度等于IsI长度, 滤波器的抽头增益向量为W =[Wo,W 一,W£一1] , 此时的误差是e =d 一 T r 。 LMS算法是基于最小均方误差准则(Minimum Mean—squared Error,MMSE)的维纳滤波器和最陡下 降法提出的。迭代公式为 +1=w +2 ‘e ‘r (6) 式中, 是迭代步长。 RIB算法采用最小二乘准则,即在每一时刻对 所有输入信号的加权平方误差和求最小化。同时引 入遗忘因子 ,以达到更快收敛,其递推式为 w +1= + e (7) 其中定义了信号自相关矩阵 和卡尔曼增益向量: 蹇 ㈦ 自适应均衡器的输出为Y =wI t rn,一方面用于 修正均衡器抽头系数,另一方面用于计算符号 中 m个比特ci ,c5 ,…,c ’的可信度。比特c 的 可信度可以用对数似然比计算,即: )-1g (9) 比特可信度r 体现了c 在星座图上的位 置。在AWGN信道中,BPSK的判决线为虚轴,r÷ ) 的正负符号代表硬判决值: :ftO, 厂 1’ 0 ≤0 (10) 而厂 的绝对值代表硬判决的可信度,绝对值越大 表示离虚轴越远,判决越可靠。 当获得时刻n的m个比特c ,c ,…,c ’ 的可信度之后,便可进入第二步处理,即Chase算 法。由图2可知,首先要确定不可靠位,这里定义 为可信度门限。为了减小算法复杂度,只比较长 度为 的滑动窗内的比特可信度,记录窗内小于门 限 的位置和个数P。对自适应均衡器输出的Y 进行硬判决,若判决符号的所有比特可信则直接判 出,若不可信则产生长度为 的2 个测试序列 。 1...00o…:o:…111…:l:…00o…l I.”00o…:l:叫ll…:1:…000…l 1...000…:1:…“1.”:o:…00o…l 图2构造测试序列 Fig.2 Constructing test sequences 用测试序列替换原硬判决序列对应位置的 £bit,其余比特保持不变,生成估计序列c (1≤i≤ 2 ),再通过符号映射得到判决序列 =[ “, 一, L+1]。重复上述过程直到2p个判决 序列已知,然后进行比特判决: =arg[maxP( j ’, --, L+1)] (11) 上述概率密度函数的最大化即为所有判决序列 n(f 的欧氏距离l 一 ’*盂I 的最小化,其中 是信道估计的结果。最后滑动窗移动1 bit,同时滑 出最终的判决比特Cn(如图3所示),这样就完成了 一次Chase算法搜索过程。 图3滑动窗搜索过程 Fig.3 The sliding window se ̄ch 虽然前一比特判决的结果会用于下一比特判决 中,但是利用了不可靠位构造测试序列,实现小范围 内的穷搜索,消除了错误传输。 5性能分析 5.1 BER性能 假设采用BPSK调制,由于n 是零均值的高斯 白噪声,故当发送“0”时,均衡器输出Y 的概率密度 函数为 1 exp[_ ] ) 而当发送“1”时,Y 的概率密度函数为 ( )= 1 exp[一 ](13) ・29・ WWW.telconline.cn 电讯技术 2011矩 与它们相应的曲线如图4所示。 图4 的概率密度 Fig.4 The probability density function(PDF)of_y『l 根据全概率公式,总的误码率可以表示为 =P(0)P(1 J 0)+P(1)P(O J 1) (14) 假设BPSK调制输入等概,则上式可写成: P =P(O1 1)= P(OI 1, <一 )P( <一 I 1)+ P(O I 1,一 ≤Y ≤ )P(一 ≤Y ≤ I 1)+ P(O1 1,Y > )P(Y > I 1) (15) 由门限判决可知: {【 0P(O 1l 1,Y > < )=0 (16) 6仿真结果 并且设Pc}las。=P(O I1,一 ≤Y ≤ ),故 可化 简为 P :f一 / (), )dy +Pch 。『 (y )dy : errc c )+P 。[吉e ( ,一 吉erfc( )] (17) 这里effe( )是互补误差函数。由于Chase算法采用 的是小范围内的穷搜索,因此当门限 一∞,相当 于是全局搜索。于是有Pc PML,同时 e ( ) ̄0 ( ) ̄2 变为 P 一PMI , 一∞ (18) 5.2复杂度分析 Chase均衡的复杂度主要取决于测试序列集合 的大小。设均衡器输出Y 在门限 内的概率为 P ,则: . P =P(一 ≤Y ≤ l 1)P(1)+ P(一 ≤Y ≤ 1 0)P(O) (19) 由于输入等概,可化简为 P :P(一 ≤Y ≤ l 1)= 吉e c ~ e c c加) 那么测试序列集合的大小为 ・30・ :∑c 2 P'v(1一Pv)m~・ ∑丸 2JPJv(1~P ) 一 : J=0 (1 l_( (21) 在BPSK条件下: 2=2P (1+P ) 一 (22) 从表1中可以看出, 越大,Chase均衡的路径 搜索就越小于MLSE,计算量也就越小。 表l Chase均衡和MLSE的性能比较 Table 1 Pefonmnc ̄oO 呷 s衄between Chase ̄iZalJOll"and MISE …一一’ 考虑BPSK调制,采用信道长度L=11的离散 时间信道【3j 其冲激响应为[0.04 —0.05 0.07 —0.21 —0.5 0.72 0.36 0 0.21 0.03 0.07],并且自适应均衡器长度与信道长度相同。设 定信源发送的数据包含有500个符号,由100个训 练符号和400个数据符号组成。 图5是当信道未知时的BER性能。此时,信道 参数是通过训练序列估计得到的。在RIS自适应 算法下Chase均衡性能优于LMS算法,这是因为 RLS的收敛速度明显比LMS的收敛速度快。 图5信道未知时的均衡性能 Fig.5 BER performance of the unknown chmmel 图6是可信度门限 对Chase均衡BER性能 影响的比较。 增大计算量随之增大,但误码率下 降并形成一个误码平层,因此必须找到一个合适的 达到计算量和误码率的折衷。 第3期 唐垒等:短波通信中的低复杂度时域均衡 总第268期 改善计算复杂度,仍需要进一步分析和研究。 参考文献: [1]Fomey G D.Maxi ̄likelihood sequence esitmaiton of di tal sojuencse in the presence of intersymbol interference[JJ.IⅡ强 图6可信度门限 与BER的关系 Fig.6 The relationship between and BER 图7是判决比特C 的位置A(0≤A≤L一1)对 BER性能影响的比较。 的大小对BER性能有一 定的影响,这是因为均衡器的输出包含信号部分和 噪声部分,因此必须选取适当的判决位置,使得输出 信噪比(Signal to Noise Ratio,SNR)达到最大,才能得 到较好的误码性能。 § N )/dB 图7比特判决的位置A与BER的关系 Fig.7 The relationship between decision time A and BER 7结 论 本文研究了一种基于Chase算法的低复杂度时 域均衡方法。在信道未知情况下,自适应均衡器的 输出作为软值进行可信度的计算,通过判决门限找 到滑动窗内的不可靠位,并结合信道估计判决输出 与接收序列欧氏距离最小的测试序列,由此消除了 不可靠的搜索路径,减小了搜索长度,降低了计算复 杂度,同时还保持了与MINE非常接近的BER性能。 理论分析和仿真实验表明,Chase均衡计算复杂度 明显低于MINE,而性能损失却很少。需要指出的 是,RIS自适应算法是以复杂度为代价换取性能的 提升。因此,如何设计更有效的自适应算法,进一步 Transactions on Information hTeo ̄,1972,3(18):363—378. [2] John G Proakis.Di gital ConmlunicationslMj.4th ed.Bei jing: shirig House of Electronics Industry, O05:598—632. [3]Myburgh H C,Olivier J C.Near—Optimal Low Complexity MLsE Equalization[C]//Proceedings of Wireless Communi— cations and Networking Conference.Las Vegas:IEEE,2008: 226—230. [4]Myburgh H C,Linde L P.Reduced Complexity Combined Soft Decision MLsE Equalization and Decoding[c J//Pro— eeedings of Australasian Telecommunication Networks and Applications Conference.Adelaide:IEEE,2008:209—213. [5] Rilbsatnen M,Winzer P J,Essiambre R J.Simple method for IⅧLSE perforrmnce estiamtion[C]//Proceedings of IEEE/ ’()S Sunm ̄r Topical Meetings.Portland:IEEE,加町:61—62. [6]Luo Jie.Fast maximum Iikelihood seuqence detection over vector intersymbol interference channelsl Cj//Proceedings of IEEE International Conference on Acoustics Speech and Sig— nal Processing.Honolulu:IEEE.2007:465—468. I 7l Barhumi I,MoonenM.MLsEandMAP EqualiaztionforTrans— mission Over Doubly Selecitve Channels l J j.IEEE Transac— tions on Vehicular Technology,2009,58(8):4120—4128. [8]Patwary M N,Rapajic P B.Decision Feedback Persurvivor Processing:New Reduced Complexity Adaptive MLsE Re— eeiver J C I//Proeeedings of Asia—Paciifc Conference Oil Communications.Perth:IEEE,2005:802—806. [9] Zhou Hanbing,Li Daoebn.A Simpliifed Kalman—MLsD Re— ceiver over Fast Fading Channel[C1//Proceedings of Interna— tional Conference on Wireless,Mobile and Multimedia Net— works.Hangzhou:IEEE,2(x)6:1—4. [10] Uu T,Gazor S.Adaptive MLSD receiver employing noise correlation[J J.IEEE Proceedings of Communication, 2()o6.153(5):719—724. [11]Rieklin N,Zeidler J R.Block Detection of Multiple Symbol DPSK ilf a Statistically Unknown Time—Varying Channel I C I//Proceedings of IEEE International Conference on Cormnunications.Dresden:IEEE.20()9:1—5. [12]Jalden J,Ottersten B.0n the complexity of sphere decoding in idgitla communicationsl Jj.IEEE Trnasactions on Signal Processing,2005,53(4):1474—1484. [13]Loskot P,Beaulieu N C.Sample Rejection ofr E伍cient Sim— ulation of Intersymbol Interference Channels with MU D lC l//Proceedings of Wireless Communications and Net— working Conference.New Orleans,LA,USA:IEEE,2005: 9】1—9】6. ・31 ・ Ⅵ .teleonline.an 电讯技术 rection is mobile coinmunications. 2011年 作者简介: 唐垒(1986一),男,四川西昌人,2004年于电子科技大 学获电子信息工程专业学士学位,现为硕士研究生,主要研 沈 良(1967一),男,浙江湖州人,1991年获通信与电子 系统硕士学位,现为解放军理工大学通信工程学院教授,主 要研究方向为短波通信和信号处理; SHEN Liang Was bum in Huzhou,Zhejiang Province,in 1967.He received the M.S.degree in 1991.He is now a pmfes— His research imere ̄s include HF communications and signal pmcessmg・ 究方向为移动通信; TANG Lei was bum in Xichang,Sichuan Province,in 1986. He received the B.S.degree in University of Electronic Science and Technology of China in 2004.He is now a graduate student.His re— search direction is mobile communications. Email:86tanglei@sina.coin 程云鹏(1977一),男,湖北天门人,2003年获通信工程专 业博士学位,现为解放军理工大学通信工程学院副教授,主 张哲(1985一),男,辽宁阜新人,2003年于解放军理工 大学获通信工程专业学士学位,现为硕士研究生,主要研究 方向为移动通信; ZHANG Zhe Was bom in Fuxin.Liaoning Province.in 1985. He received the B.S.degree in PLA University of Science and Technology in 2003.He is nOW a graduate student.His research di— ¨-._._.…一…一一-● ….-.一 m+ ¨m¨ 要研究方向为信号处理和移动通信。 CHENG Yun—peng Was bum in Tianmen,Hubei Province,in 1977.He receivedthePh.D.degreein 2003.Heis nOW anassoci— ate professor.His research interests include signal processing and mobile coinmunications. +-◆_◆一◆¨.H.-._.-¨_◆…._._.-¨ 《电讯技术》征稿启事 《电讯技术》(月刊)创刊于1958年,由中国西南电子技术研究所主办,系国内外公开发行的、理论与应用相结合的综合性 电子专业科技刊物,为中文核心期刊。目前,已被英国IEE《科学文摘(SA)}INSPEC、美国《剑桥科学文摘(csA)》、波兰《哥白尼 索引(Ic)》等国外知名数据和国内多个中文数据库收录。 本刊主要刊登涉及下列应用方向和技术领域的述评、论文、新概念新技术新产品介绍: ・ 电子系统工程 ・ 通信 ・ 导航 ・ 识别 ・ 飞行器测控 ・ 卫星应用 ・ 雷达 ・ 信息战 ・共性技术(包括天线、射频电路、信号处理、信息处理、监视与控制、时间与频率、先进制造、电磁兼容等)。 本刊栏目有:系统总体技术、信号与信息处理技术、计算机、网络及其应用技术、信道技术、先进制造技术、基础技术、述评 与展望。 欢迎业内学者、专家及科技人员踊跃投稿。 来稿要求及注意事项: , (1)文稿务必主题明确,论述合理,逻辑严谨,数据可靠,叙述清楚,文字精炼。内容应保守国家机密,并提供所在单位的保 密审查证明,引用他人作品应给出来源。 (2)文稿一般不应超过6 000字,综述稿不超过8 000字。稿件应附英文题名、作者名、单位名、摘要和关键词,基金项目应 注明项目编号。中文题名一般不超过20个汉字,必要时可加副标题。 (3)摘要应包括目的、方法、结果和结论四要素,即用简洁的语言说明文章要解决的问题,主要工作过程及所采用的技术手 段和方法,研究所获得的实验数据、结果及其意义。篇幅以200~300字为宜。 (4)关键词以3~8个为宜。为便于文献检索,应尽可能根据《中国图书馆分类法(第四版)》提供中图分类号。 (5)文中涉及的物理量和计量单位应符合国家有关标准。计量单位请用GB3100—3102—93《量和单位》规定的法定计量单 位。注意区分各物理量符号的文种、大、小写、正斜体(矢量和矩阵用黑斜体)、上、下角标等。 (6)插图和表格只给出必要的,且应有图题和表题。插图最好采用计算机制作。照片以黑白为佳,也可采用扫描的电子文 档(精度高于400 api,tif、JPg、psd等格式均可)。 (7)文稿中引用他人的成果,务请写明原作者姓名、题名、来源,一并在参考文献中给出,并在正文中相应位置进行标示,否 则责任由来稿人自负。参考文献只择主要的,未公开发表的文献请勿列入参考文献。书写格式请参见GB/T 7714—2005文后 参考文献著录规则。 (8)投稿邮箱:dianxunjishu@china.con,并尽量同时提供wofd和pdf文档,无需另寄打印稿。来稿请注明作者详细通信地 址、联系电话和有效电子邮箱,并注明拟投栏目。 (9)本刊编辑部将在+3个月之内对来稿作出取舍,如逾期未收到处理意见或刊用通知,作者有权对稿件另行处理。稿件一经刊 用,本刊将酌情从优支付稿酬并赠送当期样刊,本刊支付的稿酬中已包含作者著作权使用费。请勿一稿多投,否则后果自负。 ・32・