經過渦輪解碼器的軟位元計算

我們先看第一個 MAP 解碼器 :

( ) ( )

( ) ( )

( ( ) ) _{( )}

( )

第六章

通道估計架構

上鏈傳輸中，每個用戶的訊號經過不同的通道到達基地台，接收 機需要估出所有用戶的通道以提供多層級的平行干擾消除進行干擾 訊號重建與消除的動作，如第五章所介紹。本章將詳細描述此一通道 估計的方法。

為了估計每位用戶的通道，所有用戶必須在傳送端傳送一已知的 領航訊號，此領航訊號會經過通道並與自己的資料訊號以及其他使用 者的領航訊號和資料訊號加成在一起，然後在接收端轉換成基頻訊號 後經過 FFT 的動作，因為已經作了 FFT 的動作，所以在估計通道時，

我們便直接在頻域上對領航訊號作解展頻，在 6.1 節中我們將介紹在 頻域解展頻的原理。然後在 6.2 節中把頻域解展頻應用在通道估計架 構中。

6.1 解展頻

我們採用 FFT 匹配濾波器(FFT matched filter)的觀念完成解展頻 的動作。以下將對如何以 FFT 匹配濾波器實現解展頻做詳細的解釋。

假設x n₁( )、x n₂( )是兩個長度為N 之序列，X k₁( )、X k₂( )則為x n₁( )與x n₂( ) 的 FFT 轉換，x n₁( )和x n₂( )的互相關函數Γ_{x x1 2}( )τ 可表示如下：

{ }

6.2 通道估計

FFT matched filter for despreaing

%^um l, ,IIR1( )

位隨機 0 或 180 度的變化，但目標使用者則不會，接下來經過一階無 限脈衝響應濾波器時，則其他使用者殘餘的領航訊號所造成的干擾則 會因鄰近的干擾相近但有正負的差別而相消。

接著把訊號通過 FFT 匹配濾波器做領航訊號的解展頻，可得到 第u位用戶粗略估計的通道脈衝響應h^%um l, ( )k ，其中CP_u是頻域的領航訊 號展頻碼，除上N是正為了正規化(normalize)自相關係數。我們必 須估出全部用戶的通道資訊以提供多用戶偵測接收機做後續的處理。

由於通道估計的準確度會受到雜訊與通道衰減等因素的影響，我 們將粗估之通道脈衝響應h^%um l, ( )k 經過一個一階無限脈衝響應濾波器 (First order IIR filter)與路徑選擇(Path selection)方塊，以得到更精確的 通道估計。

α

1−

α

%^um l,( ) h k

%^um l_{, ,IIR1}( )

h k

%^um_{1, ,IIR1}E ( ) h − k

圖 6.3 一階無限脈衝響應濾波器

上圖為一階無限脈衝響應濾波器，是一個低通的濾波器，可降低 每個符元中雜訊的強度。_α 是它的衰減因子，其大小的選擇和訊號雜 訊比(SNR)、通道變化快慢有關。_α 愈大，濾波器頻寬愈小，因此當 雜訊大時，選用較大的_α 值平均效果較好。然而平均太長，通道響應

便無法及時更新，當通道變化快(車速快)時，則選用較小的_α 值。一 階無限脈衝響應濾波器的數學式子可表示如下：

%^um l_{, ,IIR1}( ) (1 ) %^um l_, ( ) %^um _{1, ,IIR1}E ( )

h k = −α ×h k + ×α h − k (6-3) 其中 E 表示最後一級。

Path selection

IIR filter

| . |

%^um l, ,IIR1( )

h k ^{hm lu,( )k}

%^um l, ,abs( )

h k h%^um l, ,IIR2( )k

圖 6.4 通道路徑選擇架構圖

我們藉由第一個 IIR 濾波器平均的動作降低雜訊對通道估計的 干擾。而路徑選擇機制中，取绝對值後的第二個 IIR 濾波器目的在於 平均通道衰減對路徑振幅大小的影響，因此需要較長的平均長度，最 後經由一次的路徑選擇找出通道脈衝響應的位置，如圖 6.4 所示。

通道估計進行至此，確認了通道脈衝響應中路徑位置的部分。然 而，我們在傳送端以金氏碼作為領航訊號的展頻碼，由於金氏碼的自 相關特性並不完美，也就是其自相關值不全為零，相異路徑間會出現 交互的影響，因此，上述估計的通道脈衝響應h_{m l}^u_, ( )k 大小並不準確。

我們採用一個路徑解相關(Inter-path Decorrelating)機制，透過路徑相 關矩陣的反矩陣運算，消除路徑間的交互關係，修正粗估的路徑大

小。最後估計出之通道脈衝響應h$^um l_, ( )k 再經由 FFT轉換後得到頻率通

6.2.2 路徑解相關

第七章

電腦模擬

本報告提出在 MC-CDMA 上鏈基頻接收機下，結合多用戶偵測 (MUD)及渦輪碼的渦輪多用戶偵測(TMUD)架構；並使用 MPA 演算 法推導出渦輪碼同位位元的軟資訊，以作為干擾重建之用，因此我們 在渦輪解碼器後所得到的系統位元和同位位元都是軟性的，我們將之 稱作全軟性(Full-soft)的渦輪多用戶偵測，另一種做法是將渦輪解碼器 後所得到的系統位元的軟資訊作硬式決策後輸入與傳送端相同的渦 輪編碼器去得到同位位元，此時只有系統位元是軟性的，同位位元則 為硬性的，我們將之稱作部份軟性(Partial-soft)的渦輪多用戶偵測。

因此在本章中，我們的電腦模擬將針對使用渦輪多用戶偵測的系 統(TMUD)及只使用多用戶偵測的系統(MUD)去作比較；以及全軟性 (Full-soft)和部分軟性(Partial-soft)渦輪多用戶偵測系統的比較。

7.1 模擬環境

電腦模擬之假設條件為：

假設接收機已知所有用戶的展頻碼。

假設系統已完成載波同步與符元同步。

假設傳送機的功率放大器與類比數位轉換器(Analog to digital convertor)是線性的。

假設來自其它蜂巢的干擾為零。

MC-CDMA 系統設定：

調變(modulation) QPSK 載波頻率(carrier frequency) 2GHz

頻寬(total bandwidth) 0.64MHz 次載波個數(number of subcarriers) 64 有效符元時間(useful symbol time) 100us

護衛間隔(guard interval) 25us 整個符元時間(overall symbol time) 125us

資料速率(data rate) 16/3Kbps 展頻因數(spreading factor) 64

車速(vehicle speed) 30 km/hr(100 km/hr)

都普勒頻率(Doppler frequency) 55.56 Hz (185.19 Hz)

路徑個數(path number) 2 最大延遲擴散(max delay spread) 18.75us

領航訊號與資料訊號的功率比值

(Pilot to signal power ratio，PSPR) 1

通道匹配方法 最大比例合併

渦輪碼設定：

碼率 1/3

編碼器記憶體個數 3

交錯器形式 隨機交錯器

交錯器大小 1000 bits

電腦模擬的通道模型為：

等能量之雙路徑瑞雷衰減通道 (Rayleigh fading channel)，其衰減 模型(fading pattern)由傑克衰變通道模型所產生。

傳送機與接收機的架構已於四、五、六章中介紹過，這裡則不再 重述。

7.2 模擬結果與討論

-6 -4 -2 0 2 4

SNR(dB) 1e-005

0.0001 0.001 0.01 0.1 1

BER

TMUD(Full-Soft) TMUD(Partial-Soft) MUD(Iteration=1) MUD(Iteration=2) MUD(Iteration=3) MUD(Iteration=4) MUD(Iteration=5) MUD(Iteration=6) Theoretical bound

圖 7.1 理想通道估計下雙路徑衰減通道之 MC-CDMA 系統使用多用戶 偵測和渦輪多用戶偵測在不同 SNR 下的比較，其中渦輪多用戶 偵測為經過三個迴圈的多用戶偵測及一次渦輪解碼(渦輪解碼 使用三個迴圈)，最後在經一個迴圈的多用戶偵測；使用者數 目皆為 64，車速為 30 km/hr。

0 20 40 60 80 Number of user

1e-005 0.0001 0.001 0.01 0.1 1

BER

Theoretical bound TMUD (Full-Soft) TMUD(Partial-Soft) MUD(Iteration=1) MUD(Iteration=2) MUD(Iteration=3) MUD(Iteration=4) MUD(Iteration=5) MUD(Iteration=6)

圖 7.2 理想通道估計下雙路徑衰減通道之 MC-CDMA 系統使用多用戶 偵測和渦輪多用戶偵測在不同使用者下的比較，其中渦輪多用 戶偵測為經過三個迴圈的多用戶偵測及一次渦輪解碼(渦輪解 碼使用三個迴圈)，最後在經一個迴圈的多用戶偵測；且 SNR 皆為 3dB，車速為 30 km/hr。

0 20 40 60 80 Number of user

1e-005 0.0001 0.001 0.01 0.1

BER

TMUD(Fill-Soft)(3,3) TMUD(Partial-Soft)(3,3) TMUD(Fill-Soft)(2,2) TMUD(Partial-Soft)(2,2)

圖 7.3 理想通道估計下雙路徑衰減通道之 MC-CDMA 系統使用渦輪多 用戶偵測在不同使用者下的比較，其中(x,y)代表渦輪多用戶 偵測為經過 x 個迴圈的多用戶偵測及一次渦輪解碼(渦輪解碼 使用 y 個迴圈)，最後在經一個迴圈的多用戶偵測；且 SNR 皆 為 3dB，車速為 30 km/hr。

0 10 20 30 40 Number of User

0.0001 0.001 0.01 0.1 1

BER

TMUD(Full-Soft) MUD(itertion=6) MUD(itertion=5) MUD(itertion=4) MUD(itertion=3) MUD(itertion=2) MUD(itertion=1)

圖 7.4 假設為完美路徑選擇的通道估計下雙路徑衰減通道之 MC-CDMA 系統使用多用戶偵測和渦輪多用戶偵測在不同使用 者下的比較，其中渦輪多用戶偵測為經過五個迴圈的多用戶 偵測及一次渦輪解碼(渦輪解碼使用七個迴圈)，最後在經一 個迴圈的多用戶偵測；且 SNR 皆為 3dB，車速為 30 km/hr，

通道估計中的第一個 IIR 濾波器α 值設為 0.75。

0 10 20 30 40 Number of user

0.0001 0.001 0.01 0.1 1

BER

TMUD(Full-Soft) MUD(iteration=6) MUD(iteration=5) MUD(iteration=4) MUD(iteration=3) MUD(iteration=2) MUD(iteration=1)

圖 7.5 假設為完美路徑選擇的通道估計下雙路徑衰減通道之 MC-CDMA 系統使用多用戶偵測和渦輪多用戶偵測在不同使用 者下的比較，其中渦輪多用戶偵測為經過五個迴圈的多用戶 偵測及一次渦輪解碼(渦輪解碼使用七個迴圈)，最後在經一 個迴圈的多用戶偵測；且 SNR 皆為 3dB，車速為 100 km/hr，

通道估計中的第一個 IIR 濾波器_α 值設為 0.4。

以上的模擬，我們比較了在 MC-CDMA 下使用多用戶偵測和渦輪多 用戶偵測的差別，我們先假設不管是使用多用戶偵測還是渦輪多用戶 偵測的系統中都有渦輪解碼器，只是多用戶偵測的干擾消除是從渦輪 解碼器前得到的訊號重建後回饋去消除，但是渦輪多用戶偵測的干擾 消除則是從渦輪解碼器後得到的訊號重建後回饋去消除，因此在比較 位元錯誤率時，我們皆是在渦輪解碼器前去作比較。

在圖 7.1 和圖 7.2 中我們可以看到理想通道估計下，在不同 SNR 下或不同使用者下，使用渦輪多用戶偵測皆可以趨近於系統最佳的理 論值，其中的理論值的曲線由[10]中的公式(23)得到，其公式如下：

( )

³

1 1

2 2 2

Pbit ρ ρ

ρ ρ

 

 

=  − + − + 

(7-1)

其中_ρ為一個位元的 SNR，在 FFT 長度為 64 的 MC-CDMA 中若一個切片 (Chip)的 SNR 為µ時，_ρ則為64×µ。

由圖 7.1 和圖 7.2 我們皆可以看到使用渦輪多用戶偵測的系統表 現相對於多用戶偵測皆有大幅度的改善。從圖 7.1、圖 7.2 和圖 7.3 我們皆可以看到全軟性的渦輪多用戶偵測皆比部分軟性的渦輪多用 戶偵測好，尤其在使用者增加時，兩者差距愈大，這是因為在使用者 少時，在作渦輪解碼時，使用全軟性的渦輪解碼所得到的同位位元的 軟位元趨近硬位元，因為渦輪解碼器可以十分確定此同位位元是+1 或-1 的關係，因此使用者少時，全軟性和部分軟性的渦輪多用戶偵 測表現差不多，但當使用者增加時，干擾增加，此時渦輪解碼器不能 很確定同位位元是為+1 或-1，此時若使用部分軟性，強制使同位位 元變成+1 或-1，便會讓系統的表現下降。

圖 7.3 我們比較了使用不同迴圈數的渦輪多用戶偵測，在這個圖 中我們更可以看到使用全軟性和部分軟性渦輪多用戶偵測的差別。 圖 7.4 和圖 7.5 中我們加入了通道估計的機制分別去看車速為 30 km/hr 和 100 km/hr 下多用戶偵測和渦輪多用戶偵測的差別。在 圖 7.4 中我們可以看到多用戶偵測在經過六個迴圈後的表現已經達 到飽和，而渦輪多用戶偵測則可以使此系統的錯誤率表現在躍進一 次，在使用者的數目為 32 時有和多用戶偵測下數目為 20 的表現一樣。 不過很明顯的，在通道估計不是理想的情況下，使用渦輪多用戶偵測 的表現並無像在理想通道估計下那樣大幅度的改善，尤其當通道估計 很差時，如車速為 100 km/hr 時的圖 7.5，在使用者很多時幾乎沒有 改進，這是因為當通道估計很差時，即使渦輪解碼後的位元錯誤率比 解碼前低，但是在作干擾重建時，必須將這些解碼後的軟位元再乘上 估計的通道，因此一個較準的資訊乘上一個很不準的資訊，其資訊還

圖 7.3 我們比較了使用不同迴圈數的渦輪多用戶偵測，在這個圖 中我們更可以看到使用全軟性和部分軟性渦輪多用戶偵測的差別。 圖 7.4 和圖 7.5 中我們加入了通道估計的機制分別去看車速為 30 km/hr 和 100 km/hr 下多用戶偵測和渦輪多用戶偵測的差別。在 圖 7.4 中我們可以看到多用戶偵測在經過六個迴圈後的表現已經達 到飽和，而渦輪多用戶偵測則可以使此系統的錯誤率表現在躍進一 次，在使用者的數目為 32 時有和多用戶偵測下數目為 20 的表現一樣。 不過很明顯的，在通道估計不是理想的情況下，使用渦輪多用戶偵測 的表現並無像在理想通道估計下那樣大幅度的改善，尤其當通道估計 很差時，如車速為 100 km/hr 時的圖 7.5，在使用者很多時幾乎沒有 改進，這是因為當通道估計很差時，即使渦輪解碼後的位元錯誤率比 解碼前低，但是在作干擾重建時，必須將這些解碼後的軟位元再乘上 估計的通道，因此一個較準的資訊乘上一個很不準的資訊，其資訊還

在文檔中 發展軟體無線電技術---智慧型天線系統/技術之研發---子計畫III：以垂直正交分頻分碼多工調變為基礎之基地台接收機架構之設計(II) (頁 60-0)