部分响应系统最大似然序列检测电路的设计文献综述

 2022-11-20 11:11

文献综述(或调研报告):

均衡技术按实现原理分可以分为两大类:线性和非线性均衡。这些种类是由自适应均衡器的输出接下来是如何控制均衡器来划分的。线性均衡器包括连续时间线性均衡(Continuous time linear equalization)、离散时间线性均衡(Discrete time linear equalization)等等。离散时间线性均衡一般使用FIR滤波器实现,由于没有反馈回路,只有前馈部分,因此工程中常称为FFE(Feed Forward Equalizer)。非线性均衡包括判决反馈均衡DFE(Decision feedback equalization)[18][19][20][21]、最大似然序列均衡MLSD(Maximum likelihood sequence detection)[22]等等。

早期的均衡技术的研究主要集中在模拟电信号的处理,如前向反馈均衡和判决反馈均衡[11~13]。现在,均衡技术在很多领域都有应用,例如数字信号传输,无线通信,卫星通信以及光纤传输系统等等。近年来,均衡技术开始应用于光纤通信。随着光纤损耗的降低与色度色散补偿技术的日趋成熟,偏振模色散(PMD:Polarization Mode Dispersion)成为限制高速光纤通信系统发展的终极因素。与光纤的色度色散(CD:Chromatic Dispersion)及非线性一样,PMD能损害系统的传输性能,限制系统的传输速率和距离。偏振模色散(PMD)是由实际应用中单模光纤中两正交偏振模式的简并状态被打破,使得这两种模式的传输速度不再相等而产生的。它在模拟系统中将产生高阶畸变效应和与偏振有关的损耗,导致非线性效应;在数字通信系统中,造成脉冲失真变形,增大了码间干扰,使误码率上升,从而降低了系统的传输距离,限制了系统的传输带宽。国内基于光学色散补偿技术的研究非常多,也有较大力度的科研投入,并已经大规模的产业化。基于电子色散补偿技术的研究也初见端倪[14]。电补偿器可以补偿传输过程中PMD的影响,也可以补偿其他效应(如非线性)的影响,因此这种方案对综合补偿各种不良效应非常有意义,而且补偿设备具有结构简单、扩展灵活、成本低的特点,在实际应用中具有广阔前景。

均衡技术中,MLSD被认为是性能最好的均衡技术之一。MLSD的研究经过十几年的发展,遍及数字信号传输系统[15]、无线通信系统[16]、卫星通信系统[17]以及光纤传输系统[14]等领域。

作为MLSD(Maximum likelihood sequence detection)的主要组成部分的维特比算法(Viterbi Algorithm, VA)以它的发现者Andrew.J.Viterbi命名。算法最初见于Viterbi的著名论文[1]。文章证明了卷积码解码近似最佳误差上线。在那篇文章中,维特比算法就已经完整的提出来了,并最先提出了幸存路径的概念。但当时这种算法并未被证实是最佳解码法式,另外由于需要大量的存储单元,维特比算法在当时被认为是难以实际应用的。

1968年五月,Jim Omura发现,Viterbi算法是离散时间有限状态机最大似然解码的一种动态算法[5]。直到1971年,Linkabit公司制成了一个2Mb/s,64状态维特比解码器,Viterbi算法才真正的得到了实现[2]。文献[3]中阐述了Viterbi算法可以用来对有加性白高斯噪声和码间串扰的数字序列进行最大似然检测。

七十年代初已经出现大量应用Viterbi算法的最大似然序列检测的相关文献,如普林斯顿大学的教授HISASHI KOBAYASHI的论文Correlative Level Coding and Maximum-Likelihood Decoding[4],该文中较早的阐述了如何应用MLSD技术来处理接收到的信号,并用计算机仿真展示了运用该技术可以获得的巨大的性能增益。

由于卷积码和线性相干信道的相似性,Viterbi算法并且也逐渐应用于均衡领域。详细比较线性与非线性均衡技术对于带限信道性能的一篇文献[6]中提到,基于线性均衡的接收机对一些信道的载波相位非常敏感。而非线性均衡对于这方面有较好的抑制作用。此外,DFE技术在9600bits/s时没有遇到传输错误。足以说明,非线性相比于线性均衡在接收端在处理由信道特性所引起的不同频率上衰减特性不一样的问题时具有更大的优势。

九十年代,文献[7]结合非线性模型简化并改进了原先的MLSD算法,在文中还做了改进后的算法与原先算法在一个非线性为主导的信道模型中的性能比较。另一篇文献[8]较为详细地阐述了PRML系统,为了让MLSD在高速率记录系统中运用,该文中对用一个差异度量的算法来实现维特比检测器。文献[9]中,在MLSD中嵌入一个判决反馈均衡器,从而提出了一个结合MLSD与DFE的自适应方案。其中DFE有三个功能:i)预处理所接收的信号并截断等效信道响应所需的信号,ii)补偿信道失真,iii)提供MLSD检测器输入信号的预测值。由于检测预测信号的嵌入式的MLSD检测器所检测的符号在DFE/MLSD输出端不受任何延迟并可以直接反馈到嵌入式DFE,从而使得在传统DFE中经常产生的误差传播大大减少。分析和仿真结果显示,相比于传统DFE,结合后的自适应方案性能好很多;而相比于传统MLSD,结合后的自适应方案复杂度降低了很多。最值得注意的是,在该论文中,可以借助设定的一个参数来调整,以便在复杂度与性能上获得不同的权衡。借助于这个参数,该检测器还能够无延迟地模仿传统的多种均衡器,例如DFE,MLSD-VA,adaptive LE-MLSD equalizer,adaptive DDFSE和adaptive BDFE。并且可以运用不同的自适应结构来满足不同的目标性能。文献[10]阐述了现代CMOS对于维特比算法的一些重要应用。在该篇论文一开始,作者非常详尽地阐述了维特比算法应用于卷积解码的实例。

参考文献:

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