摘  要： 無線通用串行總線（W-USB）是基于超寬帶（UWB）無線電平臺(tái)的多頻帶正交頻分復(fù)用（MB-OFDM）技術(shù)的系統(tǒng)應(yīng)用。在接收機(jī)進(jìn)行基帶信號(hào)處理過程中，利用最小二乘估計(jì)均衡方法從系統(tǒng)的信道估計(jì)序列中快速地提取有效的信道狀態(tài)信息，并把提取的信道狀態(tài)信息按比例調(diào)節(jié)雙載波解調(diào)器輸出的軟比特值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，利用信道狀態(tài)信息調(diào)節(jié)解調(diào)輸出的軟比特值能提高接收端的解碼糾錯(cuò)能力，從而提高系統(tǒng)性能。

　　關(guān)鍵詞： 無線通用串行總線；多頻帶正交頻分復(fù)用；信道狀態(tài)信息

0 引言

　　基于多頻帶正交頻分復(fù)用（MB-OFDM）技術(shù)的超寬帶（UWB）無線電平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)速率高達(dá)600 Mb/s的高速無線通用串行總線系統(tǒng)[1]。此系統(tǒng)物理層工作頻段分為2個(gè)頻帶組：4.2 GHz～4.8 GHz和6.0 GHz～9.0 GHz，并劃分為12個(gè)帶寬為264 MHz的子頻帶。OFDM符號(hào)幀是多頻帶正交頻分復(fù)用無線電信號(hào)的基本組成單元，每個(gè)OFDM符號(hào)幀由128個(gè)子載波組成。發(fā)射端信號(hào)以相同的功率發(fā)送到多個(gè)子載波上，子載波在多徑衰落、隨機(jī)時(shí)變的信道傳輸過程中通常受到不同影響，如信號(hào)散射、回波、深度衰落等。這些反映通信鏈路的信道屬性稱為信道狀態(tài)信息。信號(hào)在接收端經(jīng)過頻域均衡處理后，不同載波在解調(diào)端有不同的信噪比，變化的無線信道使得各個(gè)子載波上的數(shù)據(jù)受到噪聲的影響，信道狀態(tài)信息可作為判斷和驗(yàn)證數(shù)據(jù)可信度的先驗(yàn)性信息。

　　有不少通信系統(tǒng)利用信道狀態(tài)信息來提高解碼器糾錯(cuò)率性能。參考文獻(xiàn)[2]提出在超寬帶系統(tǒng)中利用信道狀態(tài)信息對維特比譯碼的歐氏距離加權(quán)，系統(tǒng)性能提高了3 dB~5 dB。參考文獻(xiàn)[3]提出在5 GHz WLAN系統(tǒng)中根據(jù)子載波數(shù)據(jù)的可靠性進(jìn)行信道狀態(tài)信息加權(quán)，從而實(shí)現(xiàn)最大似然維特比譯碼，提高糾錯(cuò)率。參考文獻(xiàn)[4]提出基于協(xié)同OFDM技術(shù)在地面無線數(shù)字視頻廣播系統(tǒng)應(yīng)用中將解調(diào)的軟判斷值直接與信道狀態(tài)信息相乘，使對應(yīng)子載波上數(shù)據(jù)的可靠性提高，并大量減少了實(shí)現(xiàn)基帶的電路。本文從無線通用串行總線系統(tǒng)的信道估計(jì)序列中提取信道狀態(tài)信息，并在接收端按信道狀態(tài)信息比例值提高雙載波[5]的軟解調(diào)效果，從而提高系統(tǒng)解碼的糾錯(cuò)能力。

1 系統(tǒng)模型介紹

　　無線通用串行總線系統(tǒng)的多個(gè)傳輸模式應(yīng)用了不同層次的編碼和不同類型的復(fù)用，以最大600 Mb/s的多模式速率進(jìn)行傳送，圖1是系統(tǒng)物理層的發(fā)送模型。比特流經(jīng)過擾碼后按傳輸模式進(jìn)行編碼、交織，接著把這些二進(jìn)制數(shù)據(jù)序列映射到復(fù)數(shù)值星座圖上。所產(chǎn)生的復(fù)數(shù)調(diào)制到由快速傅里葉逆變換（IFFT）生成OFDM符號(hào)的數(shù)據(jù)子載波上。信道模型采用了IEEE802.15.3a標(biāo)準(zhǔn)制定的標(biāo)準(zhǔn)超寬帶測試信道模型[6]，每個(gè)信道模型具有不同的到達(dá)率和衰減因素。每個(gè)信道模型中有100個(gè)現(xiàn)實(shí)通信信道，具有相同的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差的對數(shù)遮蔽效應(yīng)項(xiàng)，并針對超寬帶傳輸信道的模擬準(zhǔn)確性提供了不同功率、時(shí)間和脈沖響應(yīng)參數(shù)。圖2是系統(tǒng)物理層的接收模型。在接收端按信道狀態(tài)信息比例值調(diào)節(jié)軟解調(diào)的輸出。

2 信道狀態(tài)信息提取和處理

　　2.1 信道均衡

　　在無線通用串行總線系統(tǒng)物理層匯聚協(xié)議所定義的機(jī)制中，物理層匯聚協(xié)議數(shù)據(jù)單元以恰當(dāng)?shù)膸Y(jié)構(gòu)分為物理層匯聚協(xié)議前導(dǎo)符、物理層匯聚協(xié)議包頭、物理層服務(wù)數(shù)據(jù)單元。前導(dǎo)符分解成1個(gè)包/幀同步序列和1個(gè)信道估計(jì)序列，如圖3所示。信道估計(jì)序列用于信道頻率響應(yīng)的估計(jì)、精確的載波頻率估計(jì)、精確的符號(hào)定時(shí)。協(xié)議所定義的時(shí)域和頻域信道估計(jì)序列均作歸一化處理以確保包頭和數(shù)據(jù)有相同的平均功率。1個(gè)基帶信道估計(jì)序列由頻域序列通過離散傅里葉逆變換產(chǎn)生，并且在最后的時(shí)域輸出中添加1個(gè)0后綴。整個(gè)前導(dǎo)符的信道估計(jì)序列部分是通過在基帶信道估計(jì)序列前連續(xù)添加4個(gè)周期構(gòu)成，或者通過序列[1 1 1 1]對基帶信道估計(jì)序列進(jìn)行擴(kuò)展得到。因此，信道估計(jì)序列由4個(gè)OFDM符號(hào)幀組成。發(fā)射端和接收機(jī)在信道估計(jì)序列中預(yù)儲(chǔ)存時(shí)域數(shù)據(jù)，接收機(jī)將實(shí)際接收的信道估計(jì)序列與預(yù)儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)作比較，由此得到信道的頻率響應(yīng)。

　　關(guān)于OFDM系統(tǒng)的信道均衡方案較多，可以歸納為基于最小二乘法或最優(yōu)合并準(zhǔn)則這兩種均衡方法。最小二乘均衡方法不需要任何信道信息的統(tǒng)計(jì)，是處理OFDM系統(tǒng)信號(hào)均衡的常用方法，并且算法的實(shí)現(xiàn)也相對簡單。假設(shè)、Rm（k）、Hm（k）分別表示k個(gè)OFDM符號(hào)幀中第m個(gè)子載波的估算發(fā)送信號(hào)、接收信號(hào)和信道頻率響應(yīng)。由最小二乘法可得均衡信號(hào)為：

　　最優(yōu)合并準(zhǔn)則均衡方法有較強(qiáng)的抗噪性能，但需要統(tǒng)計(jì)信道信息，算法復(fù)雜，并且耗費(fèi)大量電路。由最優(yōu)合并準(zhǔn)則法可得均衡信號(hào)為：

　　式中，（·）□表示共軛運(yùn)算，N0=2σ2為噪聲方差。

　　有文獻(xiàn)提出使用最小二乘法或最優(yōu)合并準(zhǔn)則均衡法有相近的處理效果，甚至在一些實(shí)際應(yīng)用中有相同效果[2]。此外，為了能讓無線通用串行總線系統(tǒng)的基帶高速編解碼在并行基帶處理架構(gòu)中實(shí)現(xiàn)[7]，使時(shí)鐘頻率和芯片硅晶體使用的數(shù)量降低，選擇了最小二乘均衡快速算法。通過計(jì)算信道頻率響應(yīng)的相反數(shù)，利用接收的數(shù)據(jù)與信道頻率響應(yīng)相反數(shù)進(jìn)行相乘，從而在一個(gè)復(fù)數(shù)乘法器中快速地產(chǎn)生均衡信號(hào)。為了保持每個(gè)接收信道估計(jì)序列值的極性，把接收所得的數(shù)據(jù)和預(yù)存在接收機(jī)里的信道估計(jì)序列值相除，這些預(yù)存值共有四種形式：1+j，1-j，-1+j，-1-j。每個(gè)除法的計(jì)算可分為兩個(gè)步驟：變換信道估計(jì)序列極性和兩個(gè)只可讀數(shù)的相加，如式（3）所示。

　　由于信道線性條件的設(shè)定，對接收的數(shù)據(jù)以時(shí)間參數(shù)不變形式進(jìn)行處理。那么，在跳頻模式中，相隔的2個(gè)信道估計(jì)序列使用相同子載波頻率，接收機(jī)可以對子載波頻率相同的信道估計(jì)序列采用平均值處理，從而進(jìn)一步減小高斯噪聲的影響。根據(jù)時(shí)頻碼的操作要求，對每個(gè)信道估計(jì)序列數(shù)據(jù)需要與相同子載波頻率的信道估計(jì)序列數(shù)據(jù)進(jìn)行平均取值，并最后進(jìn)行倒數(shù)處理來還原數(shù)據(jù)的初始形式，如圖4所示。

　　2.2 信道狀態(tài)信息

　　信道狀態(tài)信息反映信號(hào)功率隨信道衰落的變化情況，通常通過估計(jì)載波位置上的信號(hào)功率和噪聲功率來獲得。本方案是在最小二乘均衡算法的基礎(chǔ)上把均衡處理后的信道估計(jì)序列CEm（k）r與預(yù)儲(chǔ)存的序列CEm（k）s的比值取模作為信道狀態(tài)信息，并與信道頻率響應(yīng)Hm（k）量值成正比，如式（4）所示。這樣，信道狀態(tài)信息的計(jì)算就變得比較簡單，減少了大量電路的消耗。

　　~Hm（k）

　　接收符號(hào)的可靠性與對應(yīng)的解調(diào)器輸出的軟判斷相關(guān)聯(lián)，如式（5）所示。利用解調(diào)器輸出的軟比特M（·）與信道狀態(tài)信息的乘積來增強(qiáng)軟判斷的可靠性，如式（6）所示，并把此乘積作為接收端解碼的輸入。此方法可減少維特比解碼器計(jì)算每條路徑相應(yīng)的輸出與輸入之間的路徑度量，從而節(jié)省大量儲(chǔ)存器的使用。

　　結(jié)合最小二乘均衡算法可推導(dǎo)軟判斷值，如式（7）所示，這使得復(fù)數(shù)乘法取代其除法運(yùn)算，也簡化了相應(yīng)的歸一化運(yùn)算。

　　無線通用串行總線系統(tǒng)使用4個(gè)OFDM符號(hào)幀在不同頻帶之間進(jìn)行跳頻和時(shí)域擴(kuò)展，每個(gè)數(shù)據(jù)的載波在不同頻帶傳輸時(shí)有不同的信道狀態(tài)信息。收集與該數(shù)據(jù)子載波相關(guān)的可靠信道狀態(tài)信息，利用這些反映信道衰落慢變化的時(shí)不變信道狀態(tài)信息幀能更好地提高接收端的解碼效果。此外，系統(tǒng)還把調(diào)制產(chǎn)生的2個(gè)雙載波調(diào)制符號(hào)分配到2個(gè)獨(dú)立的OFDM符號(hào)數(shù)據(jù)子載波中。這2個(gè)數(shù)據(jù)子載波相隔50個(gè)子載波，從而實(shí)現(xiàn)頻率分集。頻率分集能有效地解決信息受深衰落的影響。系統(tǒng)總共使用100個(gè)雙載波調(diào)制符號(hào)分配到128點(diǎn)的IFFT模塊產(chǎn)生1個(gè)OFDM符號(hào)幀。每個(gè)子載波在OFDM符號(hào)幀中所占帶寬約4 MHz。則與雙載波調(diào)制符號(hào)相關(guān)的2個(gè)獨(dú)立OFDM符號(hào)數(shù)據(jù)子載波相隔的帶寬為200 MHz。因此，在不同的OFDM符號(hào)幀和OFDM符號(hào)幀里兩個(gè)對應(yīng)的數(shù)據(jù)子載波中選擇合適的信道狀態(tài)信息以獲得更可靠的軟判斷值，如式（8）所示。

　　式中，m為在1個(gè)OFDM符號(hào)中100個(gè)數(shù)據(jù)子載波的檢索值，k是不同的調(diào)制方案中軟比特值的檢索值。

3 系統(tǒng)性能測量

　　系統(tǒng)在MATLAB平臺(tái)進(jìn)行仿真測試，總共使用了20臺(tái)四核CPU（I3-3240）計(jì)算機(jī)。系統(tǒng)仿真測試的設(shè)置如下：每個(gè)物理層服務(wù)數(shù)據(jù)單元含有500個(gè)數(shù)據(jù)包，并使用1 024個(gè)字節(jié)，天線的噪聲參數(shù)為6.6 dB，系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)損耗為2.5 dB，使用UWB信道模型1（CM1）作為測試信道，對OFDM符號(hào)內(nèi)部導(dǎo)頻不作跟蹤處理。對識(shí)包率的測量水平設(shè)定為8%。系統(tǒng)使用定點(diǎn)運(yùn)算模式進(jìn)行仿真，嚴(yán)格控制測定時(shí)間。使用定點(diǎn)運(yùn)算有以下設(shè)置要求：時(shí)頻碼等于1（TFC=1），5位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，14位FFT；8位信道估計(jì)器，8位均衡器，8位CSI，7位用于比特交織還原器和維特比解碼器的輸入軟判斷位。運(yùn)用兩個(gè)系統(tǒng)模式進(jìn)行測試，一個(gè)模式使用雙載波調(diào)制（DCM）[5]，傳輸速率達(dá)480 Mb/s，另一模式使用雙載波32QAM調(diào)制（DC-32QAM）[1]，傳輸速率達(dá)600 Mb/s。在使用CSI輔助解碼的情況下，兩個(gè)模式的傳輸距離分別達(dá)到4.2 m、3.3 m，相對不使用CSI輔助解碼的情況，系統(tǒng)在480 Mb/s和600 Mb/s兩個(gè)傳輸模式下傳輸距離分別提高了0.5 m和0.3 m，如圖5所示。

4 結(jié)論

　　針對無線串行總線系統(tǒng)在多徑衰落、隨機(jī)時(shí)變的信道中以最大600 Mb/s高速傳輸?shù)奶匦?，利用此系統(tǒng)中導(dǎo)頻符號(hào)對信道進(jìn)行最小二乘估計(jì)法快速獲取信道狀態(tài)，并利用信道狀態(tài)信息調(diào)節(jié)解調(diào)軟比特值，使得在維特比譯碼計(jì)算時(shí)獲得更可靠的軟判決，從而提高接收端的解碼性能，為系統(tǒng)的高可靠性和高速率通信提供了保障。

參考文獻(xiàn)

　　[1] 楊潤豐，李銘釗.多頻帶正交頻分復(fù)用系統(tǒng)的雙載波32-QAM調(diào)制技術(shù)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2012，31（8）：58-61.

　　[2] LI W， WANG Z， YAN Y， et al. An efficient low-cost LS equalization in COFDM based UWB systems by utilizing channel-state-information（CSI）[C]. IEEE 62nd Vehicular Technology Conference， 2005：67-71.

　　[3] BUTLER M， ARMOUR S， FLETCHER P， et al. Viterbi decoding strategies for 5 GHz wireless LAN systems[C].IEEE 54th Vehicular Technology Conference， 2001：77-81.

　　[4] WANG Y， GE J， LIU P， et al. A soft decision decoding scheme for wireless COFDM with application to DVB-T[J].IEEE Transactions on Consumer Electronics， 2004，50（1）：84-88.

　　[5] 楊潤豐，陳曉寧，趙健.無線通用串行總線的雙載波解調(diào)技術(shù)[J].計(jì)算機(jī)工程，2012，38（11）：91-93.

　　[6] FOERSTER J. IEEE P802.15-02/490-SG3a[R]. IEEE P802.15 Working Group for Wireless Personal Area Networks（WPANs）， 2003.

　　[7] 楊潤豐，李銘釗.無線通用串行總線的并行基帶處理架構(gòu)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2013，39（4）：99-101，105.