基于PBCC傳輸方式的WLAN接收機(jī)簡化設(shè)計(jì)

摘 要：對于采用分組二進(jìn)制卷積編碼(PBCC)傳輸方式的無線局域網(wǎng)(WLAN)系統(tǒng)，其接收機(jī)通常由預(yù)濾波器及均衡器兩部分組成。預(yù)濾波器通常采用白化匹配濾波器(WMF)，以使整個(gè)系統(tǒng)滿足最小相位條件；均衡器普遍采用減狀態(tài)均衡算法，以取得算法復(fù)雜性與MLSE算法性能之間的折衷。為了降低預(yù)濾波環(huán)節(jié)的計(jì)算復(fù)雜度，提出一種簡單的采用迫零準(zhǔn)則設(shè)計(jì)預(yù)濾波器的方法。仿真結(jié)果表明，該方法可以大大降低接收機(jī)的復(fù)雜度，且接收性能與原有設(shè)計(jì)方法基本相當(dāng)。
關(guān)鍵詞：分組二進(jìn)制卷積編碼；預(yù)濾波器；減狀態(tài)均衡；迫零準(zhǔn)則

0 引 言
    對于采用PBCC調(diào)制方式的高速無線局域網(wǎng)系統(tǒng)而言，信號經(jīng)過多徑信道傳輸后，接收信號中包含碼間干擾及噪聲的影響。因此在接收端必須采用均衡算法，以得到發(fā)送信息的可靠估計(jì)。眾所周知，最佳的均衡算法為極大似然序列檢測(MLSE)算法。然而，當(dāng)信道存在較大的時(shí)延擴(kuò)展或采用非二元的信號形式時(shí)，MLSE算法的復(fù)雜性很高。因此，在實(shí)際系統(tǒng)中需要采用次最佳的均衡算法，如：判決反饋均衡、減狀態(tài)序列估計(jì)、M算法等。所有這些算法且基本思想均在于降低系統(tǒng)網(wǎng)格的復(fù)雜性，并在網(wǎng)格已確定的情況下減少幸存路徑的數(shù)目。對于這類次最佳且基于網(wǎng)格搜索的均衡器而言，通常認(rèn)為需要整個(gè)系統(tǒng)的離散沖激響應(yīng)滿足最小相位條件，方能獲得理想的性能。因此，一般需要在均衡器之前引入一個(gè)離散時(shí)間預(yù)濾波器，將信道沖激響應(yīng)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的最小相位形式。相應(yīng)地，接收機(jī)設(shè)計(jì)為由預(yù)濾波器和均衡器兩部分組成，預(yù)濾波器也可視作信道前徑均衡器。對預(yù)濾波器的設(shè)計(jì)通常采用白化匹配濾波器，但白化匹配濾波器系數(shù)的求取較為復(fù)雜，并且經(jīng)過白化匹配濾波器后的信號包含多路后徑的影響，從而增加了后續(xù)均衡器的復(fù)雜性。為了簡化接收機(jī)的設(shè)計(jì)，提出了一種采用迫零準(zhǔn)則設(shè)計(jì)預(yù)濾波器的方法，并結(jié)合M算法完成后續(xù)的減狀態(tài)均衡處理。采用該方法可以有效地降低接收機(jī)的復(fù)雜度，并保持接收性能與原有設(shè)計(jì)方法基本相當(dāng)。

1 接收機(jī)框圖
    本文采用的接收機(jī)框圖如圖1所示。首先，接收到的基帶數(shù)據(jù)經(jīng)A／D變換后得到數(shù)字采樣信號；然后，利用接收到的前導(dǎo)碼信號進(jìn)行信道沖激響應(yīng)估計(jì)，并利用該信道估計(jì)結(jié)果完成預(yù)濾波及均衡參數(shù)計(jì)算；最后，對采樣信號進(jìn)行預(yù)濾波及減狀態(tài)均衡處理以得到相應(yīng)的輸出數(shù)據(jù)。圖1中的預(yù)濾波器為采用迫零準(zhǔn)則設(shè)計(jì)的FIR濾波器，具體的預(yù)濾波器系數(shù)求取方法見第2部分。圖1中的減狀態(tài)均衡采用M算法，具體實(shí)現(xiàn)見第3部分。

2 預(yù)濾波器系數(shù)求取
    采用IEEE 802．11標(biāo)準(zhǔn)中推薦的指數(shù)衰減信道模型作為本文中的信道模型。研究表明，室內(nèi)無線信道中信道后徑數(shù)目較多為主要成分，信道前徑通常很短，數(shù)目較少。本文采用的信道沖激響應(yīng){hj}{i=O，1，2，…，10)共包含11條路徑，其中包含2路前徑，1路主徑及8路后徑。在單個(gè)數(shù)據(jù)包發(fā)送時(shí)間內(nèi)信道不會發(fā)生劇烈變化，因此可以使用每個(gè)數(shù)據(jù)幀的前導(dǎo)碼部分包含的巴克碼進(jìn)行信道沖激響應(yīng)估計(jì)。在得到信道沖激響應(yīng)估計(jì)值{hj}之后，采用迫零準(zhǔn)則計(jì)算預(yù)濾波器即前饋濾波器(Feed Forward Filter)的系數(shù){fffk}{K=0，1，2}。具體算法如式(1)：

   
    將信道沖激響應(yīng)估計(jì)值{hj}與前饋濾波器系數(shù){fffk}進(jìn)行卷積，可得到等效沖激響應(yīng){gi}{i=0，1，2，…，12)。等效沖激響應(yīng)前四個(gè)值均近似為零，因此均衡器只需考慮后9條路徑，包括1條主徑和8條后徑的影響。將等效沖激響應(yīng){gi}截?cái)酁閧fi}(i=0，1，2，…，8)。

3 均衡算法
3．1 極大似然序列估計(jì)
    對于經(jīng)預(yù)濾波處理后的輸出序列{vk}，極大似然序列估計(jì)的目的是選擇一個(gè)輸入碼元序列的估計(jì){Ik)，使得似然函數(shù)最大化。因?yàn)槎攘浚?/p>

   
的取值與似然函數(shù)成反比，使得度量Mk最小化的序列{Ik}即為極大似然序列估計(jì)問題的解。
    序列{Ik}的路徑度量可以迭代運(yùn)算，即：

   
3．2 均衡算法細(xì)節(jié)
    為了降低系統(tǒng)網(wǎng)格的復(fù)雜性，僅考慮由二進(jìn)制卷積編碼所產(chǎn)生的網(wǎng)格狀態(tài)，而不考慮由信道多徑所產(chǎn)生的網(wǎng)格狀態(tài)。對每一條幸存路徑，計(jì)算由信道所引起的碼間干擾，并予以剔除。度量更新公式可表示為：

   
式中：反饋信息{Ik-1，Ik-2，…，Ik-L}從幸存路徑中提取。
    為了進(jìn)一步降低運(yùn)算量，只保留網(wǎng)格中的部分路徑。顯而易見，最佳策略只保留那些與接收序列具有最小距離的路徑。M算法共選擇M個(gè)具有最小距離的路徑。
    M算法的具體步驟如下：
    (1)從根節(jié)點(diǎn)出發(fā)，對于每個(gè)階段l=1，2，…，LD(LD為判決深度)，重復(fù)步驟(2)～(5)。
    (2)從第l-1階段到第l階段延伸所有路徑。
    (3)保留與接收路徑最為接近的M條路徑，刪除
其他路徑。
    (4)如果沒有路徑保留，聲明算法失敗并停止。
    (5)循環(huán)停止的準(zhǔn)則是如果所有路徑均位于同一子集，執(zhí)行步驟(6)，否則重復(fù)循環(huán)(初始分支加上其前向路徑構(gòu)成樹圖的一個(gè)子集)。
    (6)將存儲路徑中具有最小距離路徑的第一個(gè)分支作為輸出。
    (7)刪除所有存儲路徑，并將輸出路徑的端節(jié)點(diǎn)作為新的根節(jié)點(diǎn)。

4 數(shù)值結(jié)果
    PBCC調(diào)制的框圖如圖2所示。

    對于5．5 Mb／s和11 Mb／s的傳輸速率，碼率為1／2的二進(jìn)制卷積編碼的生成矩陣為：

   
    然而對于22 Mb／s的傳輸速率，碼率為2／3二進(jìn)制卷積編碼的生成矩陣為：

   
    使用掩碼使發(fā)送比特隨機(jī)化。從二進(jìn)制卷積編碼的輸出到PSK星座點(diǎn)的映射由掩碼決定。
    采用迫零準(zhǔn)則設(shè)計(jì)預(yù)濾波器(表中用ZF-FFF表示)，并選擇M算法進(jìn)行后續(xù)的均衡?，F(xiàn)以22 Mb／s的傳輸速率及前導(dǎo)碼為短碼的情況為例進(jìn)行仿真，假定晶振偏差為-20 ppm。
    表1～表3給出在不同傳輸信道條件下，經(jīng)過8次運(yùn)算所得的平均誤比特率。每次發(fā)送比特?cái)?shù)為1 000 b。為便于比較，表中同時(shí)列出采用WMF作為預(yù)濾波器時(shí)的仿真結(jié)果。

    由表1～表3可見，當(dāng)傳輸信道沖激響應(yīng)不包含前徑時(shí)，無論采用WMF或ZF-FFF作為預(yù)濾波器，均可獲得良好的接收性能。當(dāng)傳輸信道沖激響應(yīng)包含一路或二路前徑時(shí)，接收性能有所下降，而為達(dá)到一定的誤比特率性能所需的信噪比門限有所提高。采用ZF-FFF作為預(yù)濾波器與采用WMF作為預(yù)濾波器相比，引起的接收性能下降僅為2 dB左右。與采用WMF作為預(yù)濾波器相比，采用ZF-FFF作為預(yù)濾波器，在濾波器系數(shù)求取及濾波運(yùn)算時(shí)，其計(jì)算復(fù)雜度均有明顯下降。

5 結(jié) 語
    給出了基于PBC傳輸方式的WLAN接收機(jī)設(shè)計(jì)方法，即采用迫零準(zhǔn)則設(shè)計(jì)預(yù)濾波器(ZF-FFF)；選擇M算法來對抗碼間干擾的影響。與采用白化匹配濾波器作為預(yù)濾波器的傳統(tǒng)接收機(jī)設(shè)計(jì)方法相比，運(yùn)算復(fù)雜度得到大幅度降低。計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果表明，上述接收機(jī)設(shè)計(jì)在不同信道情況下表現(xiàn)出穩(wěn)健的性能。該設(shè)計(jì)易于實(shí)現(xiàn)，性能優(yōu)良，具有良好的實(shí)際應(yīng)用前景。