通道均衡之非線性均衡——Tomlinson-Harashima Precoding(THP)

波波葡發表於2021-06-13

  線性均衡可以做在接收端,也可以做在傳送端,而DFE只能做在接收端。對於DFE的討論都是建立在判決器能夠判決正確的情況下,但是如果每一個傳送的符號含有多位元資訊,比如PAM16,由於傳送訊號的最大能量是一定的,所以星座圖之間的距離很小,這會導致判決器很容易產生錯誤的判決,在DFE中造成誤差傳播(error propagation)。每個符號含有的位元數越多,DFE判決時就越容易出錯。更重要的是,DFE需要即時判決來消除ISI, 這與通道編碼存在根本性的矛盾。根據夏農定理,我們知道,應該把一長串符號作為一個整體來進行判決,才能達到通道的最高傳輸速率,即通道容量。已經有一些方法來解決DFE與通道編碼不相容的問題,但是其物理實現的複雜度增加不少,也引入了很長的延遲。

  這裡我們介紹一種做在傳送端的預編碼(precoding)技術——Tomlinson-Harashima Precoding(THP)。THP是一種非線性均衡技術,它可以與通道編碼相相容,並且不會產生誤差傳播現象。在10G base-T Ethernet中就使用了這種技術。

  圖1(a)是接收端迫零均衡,圖1(b)是DFE。這裡把整個通訊系統離散化了,並且忽略了傳送端濾波器。迫零均衡的缺點是隻考慮了通道傳輸函式,而沒有考慮通道噪聲的影響。經過迫零均衡器後,通道噪聲被放大了。DFE把判決器放進了環路內部,只要判決器判斷正確,不僅可以消除ISI,還可以消除噪聲。

 

圖1  (a) 接收端迫零均衡  (b) DFE

 

  既然在接收端可以將判決器放進環路內部,在傳送端是否可以做類似的操作呢?

  先看圖2(a)的傳送端迫零均衡。傳送端迫零均衡不會放大通道噪聲,但是卻要將傳送訊號能量中的一部分用於補償通道pre-cusor和post-cursor的影響。一般情況下,傳送端的總能量是一定的,這導致我們需要相應地減小main-cursor的能量,最終的結果就是y(k)的SNR降低。傳送端迫零均衡會減小訊號能量,而接收端迫零均衡則會放大通道噪聲,這兩者造成的後果其實是一樣的,即都是y(k)的SNR降低。如圖3所示,假設m(k)是M點PAM訊號,那麼經過傳送端迫零均衡後,我們需要加一個小於1的增益g以保證s(k)的訊號幅度不會超過[-M,+M)。

  圖3(b)是THP,通過在反饋環路中增加一個模2M的運算,把訊號s(k)限制在[-M,+M)內,因此也就不再需要減小main-cursor能量。但是,使用THP後,需要在RX做相應的解碼運算,這可以通過另外一個模2M運算來實現。可以證明,THP的輸出訊號s(k)相互獨立並且在[-M,+M)上是均勻分佈的。

 

圖2  (a) 傳送端迫零均衡  (b) THP

 

 

圖3  PAM訊號

  

  THP可以採用圖4的方法來建模,可以推導得到,經過通道後

    

   再經過THP解碼和判決,就能恢復出m(k),其中THP解碼可以用另外一個模2M運算來實現。這裡有一個需要注意的地方:n(k)是白噪聲,但是經過THP解碼後還是白噪聲嗎?THP解碼會不會放大噪聲?一般來說,如果通道噪聲不是非常大,n(k)經過THP解碼後仍然可以當作是白噪聲,且不會被放大。

  

圖4 THP建模

   TX端的預編碼技術還有一種叫Flexible Precoding, 感興趣的可以參考Robert F. H. Fiscber的“Precoding and Signal Shaping for Digital Transmission",這本書裡面將通道均衡講得非常清楚,而且有詳細的數學推導過程,想進一步深入瞭解通道均衡的話這本書非常適合 。本文以及之前關於通道均衡的文章中的大部分觀點都來自於這本書。

  

以上僅為個人的一些見解,如有錯誤的地方,歡迎大家指正。

作者:波波葡

出處:波波葡 - 部落格園 (cnblogs.com)

 

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