（通信与信息系统专业论文）单载波频域均衡算法研究.pdf

摘要 数字电视地面广播的技术研究一直是无线领域重要研究方向之一。近年来， 各个国家都在积极对数字电视进行研究与推广，使之成为公认的下一代电视系 统。我国正处于在模拟电视向数字电视的转换期间，对发送端的调制和接收端 的解调的实现的研究显得尤为重要。在数字电视接收机设计中，影响接收机性 能的主要三个模块是：解码，均衡和同步。其中，均衡技术是一个技术难点， 通过均衡可以消除无线通信中信道的多径衰落，多普勒效应及加性噪声等问题 对通信系统性能的影响。而且目前单载波调制解调技术已成功应用于多种无线 数字通信系统中，因此，对单载波均衡技术的研究具有十分重要的意义。 本文的主要工作是研究适用于地面数字电视接收机中国d t m b 标准的单载 波均衡模块算法。首先通过分析无线通信传输过程中的干扰和衰落特性，讨论 了现有的单载波频域均衡所常用的几种频域均衡算法，通过比较分析频域线性 均衡和重叠数据块均衡在深衰落信道下噪声会比较大，判决反馈均衡器的实现 复杂度较大，频域块最小均方均衡算法在性能和复杂度上的折中，具有较强的 实用性。 分析现有频域块最小均方均衡算法在系统应用中存在的收敛慢的问题，提出 一种引入信道估计的算法来改进频域均衡算法。比较了信道估计的算法中频域 信道估计的方法估计值干扰值较大，不是很准确；最小平方估计的计算量太大； 相关的方法确定为精确度计算量合适的算法。并提出修正步长算法，该算法可 以改善均衡算法性能。 通过搭建m a t l a b 平台仿真验证改进算法的可行性，对均衡算法的关键参 数噪声因子和遗忘因子进行仿真。完成了改进均衡算法c 代码实现，嵌入到 d t m b 系统中，经过分别仿真静态巴西信道和动态的多普勒d s e 信道，由仿真 结果验证，仿真收敛速度比无初始化的算法提高了1 3 以上，系统性能也可以改 善约l d b 左右。 本文研究的改进单载波频域均衡算法可以有效提高收敛速度，并且可以在相 同条件下降低误码率，在一定程度上提高均衡器的性能。此外，该研究的算法 也适应于除d t m b 系统外，其他的单载波传输系统中。 关键词：单载波，频域均衡，f b l m s 算法，信道估计 a b s t r a c t d i g i t a lt e l e v i s i o nt e r r e s t r i a lb r o a d c a s t i n gt e c h n o l o g yi so n eo fh o ta r e a si n w i r e l e s sd o m a i n i nr e c e n ty e a r s ，v a r i o u sc o u n t r i e sa r ei nt h er e s e a r c ha n d p r o m o t i o n o fd i g i t a lt va n dt ob er e c o g n i z e da st h en e x tg e n e r a t i o no ft v s y s t e m s c h i n ai si n t h ec o n v e r s i o nf r o ma n a l o g u et vt od i g i t a lt v ，s ot h ed e v e l o p m e n to ft e r r e s t r i a l d i g i t a lt e l e v i s i o ni sp a r t i c u l a r l yi m p o r t a n t t h e r ea r et h r e em o d u l e si n f l u e n c e dt h e r e c e i v e rp e r f o r m a n c e ，t h e ya l ed e c o d i n g ，e q u a l i z a t i o na n ds y n c h r o n i z a t i o n a m o n g t h e m ，t h ec h a n n e le q u a l i z a t i o ni sp a r t i c u l a r l yi m p o r t a n t t h er o l eo f e q u a l i z a t i o ni st o e l i m i n a t et h ee f f e c tu p o nt h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mp e r f o r m a n c eo ft h em u l t i p a t h f a d i n g ，d o p p l e re f f e c ta n da d d i t i v en o i s ep r o b l e m si nc h a n n e lo ft h ew i m l e s s c o m m u n i c a t i o n t h es i n g l ec a r t i e rm o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o nt e c h n i q u eh a sb e e n s u c c e s s f u l l ya p p l i e dt o av a r i e t yo fd i g i t a lw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s y s t e m s t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ho fs i n g l e c a r r i e re q u a l i z a t i o ni so fg r e a ts i g n i f i c a n c e t h i s p a p e r i st o s t u d ya n dr e a l i z et h es i n g l e c a r r i e r f r e q u e n c yd o m a i n e q u a l i z a t i o na l g o r i t h mf o rd t m bd i g i t a lt vr e c e i v e r f i r s ta n a l y z et h ei n t e r f e r e n c e a n df a d i n gc h a r a c t e r i s t i co fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt r a n s m i s s i o ns y s t e m ，d i s c u s st h e e x i s t i n gs i n g l e c a r r i e r f r e q u e n c yd o m a i ne q u a l i z a t i o na l g o r i t h m t h r o u g ha c o m p a r a t i v ea n a l y s i sf i n d t h a tt h ef r e q u e n c yd o m a i nl i n e a re q u a l i z e ra n do v e r l a p e q u a l i z e rc a nn o ta g a i n s td e e pf a d i n gc h a n n e li n f l u e n c ew e l l ，d e c i s i o nf e e d b a c k e q u a l i z e ri m p l e m e n t a t i o nc o m p l e x i t yi sg r e a t f r e q u e n c yd o m a i nl m se q u a l i z a t i o n a l g o r i t h mi nt h ec o m p r o m i s eo fp e r f o r m a n c ea n dc o m p l e x i t y , a n dh a sas t r o n g p r a c t i c a l a n a l y s i so ft h ee x i s t i n gf r e q u e n c y - d o m a i nb l o c kl e a s tm e a ns q u a r ee q u a l i z a t i o n a l g o r i t h ma p p l i e de x i s tt h es l o wc o n v e r g e n c ep r o b l e mi nt h es y s t e m i n t r o d u c et h e c h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h m st o i m p r o v et h es i n g l e c a r r i e rf r e q u e n c yd o m a i n s p e r f o r m a n c e d i s c u s s e dt h ec h a n n e le s t i m a t i o n a l g o r i t h mr e s p e c t i v e l y , f r e q u e n c y d o m a i ne s t i m a t i o nm e t h o de s t i m a t e st h ev a l u eo fal a r g e rd i s t u r b a n c e ，b u tn o tv e r y a c c u r a t e ；l e a s ts q u a r e sc a l c u l a t i o ni st o ol a r g e ；r e l a t e d c o m p a r i s o na l g o r i t h mt o d e t e r m i n et h ea m o u n ta n da c c u r a c yo ft h ec a l c u l a t i o nm e t h o do fc o m p r o m i s e a n d p r o p o s et h ev a r i a b l es t e pa l g o r i t h mc a ni m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fe q u a l i z a t i o n a l g o r i t h m t h r o u g hm a t l a bs i m u l a t i o nt ov e r i f yt h ef e a s i b i l i t yo ft h ea l g o r i t h m ，a n d s i m u l a t et h en o i s ef a c t o ra n dt h ef o r g e t t i n gf a c t o rp a r a m e t e r s c o m p l e t e dt h ec c o d e ， a n dt h ea l g o r i t h mi se m b e d d e di nt h ed t m bp l a t f o r m a c c o r d i n gt os i m u l a t es t a t i c b r a z i lc h a n n e la n dd y n a m i cd o p p l e rc h a n n e ld s ec h a n n e l ，a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h ei m p r o v e ds i n g l e c a r r i e rf r e q u e n c yd o m a i ne q u a l i z a t i o na l g o r i t h m c a n e f f e c t i v e l yi m p r o v et h ec o n v e r g e n c er a t ei n c r e a s e d a b o u t1 3 ，a n dt h ep e r f o r m a n c e o fd y n a m i cc h a n n e lc a ni m p r o v ea b o u tld b t h ei m p r o v e ds i n g l e c a r t i e rf r e q u e n c yd o m a i ne q u a l i z a t i o na l g o r i t h m c a n e f f e c t i v e l yi m p r o v et h ec o n v e r g e n c er a t e ，a n dc a nr e d u c et h ee r r o rr a t e u n d e rt h e s a m ec o n d i t i o n s ，i m p r o v e dp e r f o r m a n c eo ft h ea l g o r i t h mt os o m ee x t e n t i na d d i t i o n ， t h ea l g o r i t h mi sa l s oa p p l i c a b l et oo t h e rs i m i l a rd t m b t r a n s m i s s i o ns y s t e m k e yw o r d s ：s i n g l ec a r r i e r , f r e q u e n c yd o m a i ne q u a l i z a t i o n ，f b l m sa l g o r i t h m ， c h a n n e le s t i m a t i o n i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 业帐必。 武汉理_ t 大学硕士学位论文 1 1 单载波技术介绍 第1 章绪论 近年来，无线通信以迅猛的技术进步速度为用户提供了越来越高速、可靠的 无线接入服务。在地面无线传输标准有两大不同的技术体系：单载波调制和多载 波调制方式。这两种调制方式在目前的数字电视接收机的标准中分别应用为：美 国的a t s c 采用8 - v s b ( 8 电平残留边带调制系统) ，属于单载波调制；欧洲的 d v b t 采用c o f d m ( 编码正交频分复用) 调制，属于多载波调制；日本的i s d b t 采用做了部分改进的c o f d m 调制，属于多载波调制，可以较好支持固定接收和 移动接收【l 】【2 1 。在2 0 0 6 年8 月颁布的中国地面数字电视广播标准d t m b ( d i g i t a l t e l e v i s i o nt e r r e s t r i a lm u l t i m e d i ab r o a d c a s t i n g ) ，是将单载波和多载波的融合系统， 充分发挥了单、多载波的特点和优势。本文主要研究的就是中国标准的单载波模 式下均衡技术。 单载波和多载波的技术各有优缺点，单载波传输系统一种很成熟的传输系 统。在如今大部分的通信系统都属于单载波传输体系，尤其单载波系统的射频技 术已经很成熟，而且在数据传输率不太高的情况下，由信道引入的信号畸变不是 很严重的情况下，可以通过合适的均衡算法使单载波系统正常工作。 单载波时域均衡技术在目前应用比较广泛，但是单载波时域均衡器在高速率 的无线通信系统中，码率的提高会使得多径时延扩展增加，这就导致时域均衡器 的复杂度变得十分巨大【3 】。但对于日益要求增加的宽带业务来说，由于速率较高， 时延扩展造成了数据符号之间的相互交叠，这样对均衡器提出了更高的要求。当 信号带宽超过或接近信道的相干带宽时，信道的时间弥散而引起得频率选择性衰 落，即在同一个信号中的不同频率成分体现出不同的衰落特性，这是通信系统中 需要尽量避免出现的现象【4 】。再从另一方面分析，在引入更为复杂的均衡改进算 法基础上，同时要在算法的可实现性和收敛速度上都取得较好效果，增加了实现 难度。因此，单载波时域均衡器就成为制约高速和高容量条件下无线通信系统性 能提高的一个瓶颈。 由于单载波时域技术上存在的多径时延扩展导致时域均衡器的复杂度较大 的缺点，以单载波频域均衡技术( s cf d e ，s i n g l ec a r r i e rf r e q u e n c yd o m a i n e q u a l i z a t i o n ) 和多载波的正交频分复用技术( o f d m ，o r t h g o n o a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 为代表的传输技术被提出来解决宽带高速情况下的无线通 信系统性能制约问题。 武汉理工大学硕士学位论文 多载波传输系统是将高速的数据流分解成若干个低速码流，而每个低速码流 会形成多个状态符号去调制相应的子载波，这多个低速率符号会并行发送的传输 系统。多载波的典型技术是正交频分复用( o f d m ) 调制方式，以抗衰落能力强、 对窄带干扰和窄带噪声不敏感、带宽扩展灵活和支持可变用户速率等一系列特 点，使其非常适合在宽带无线通信系统中应用。o f d m 系统中的各子载波的频 谱是在保证正交性的条件下进行叠加，所有的子载波都在时间和频率上都同步， 因而子载波之间的干扰被严格控制了【5 】【6 ) 。o f d m 的调制方式就充分地利用了频 谱资源，为高速数据传输提供了一条有效的途径，在计算的复杂度与性能也取得 很好的折中，但存在频率同步要求高，峰均功率大和对本振引入的相位噪声较 敏感的缺点1 7j 。 o f d m 技术是适用于多载波条件下的技术，由s a d 于1 9 9 4 年首次发起重新 讨论单载波频域均衡( s c f d e ) 技术，接着，各国的研究学者也开始对s c f d e 的原理和性能，以及该系统特殊的符号结构和信号处理算法开始了研究。 单载波频域均衡传输系统是宽带无线传输中一种很有前途的抗多径干扰的 方法，但是目前研究应用中还比较新。单载波系统发送的是调制后的高速率单载 波信号，接收端通过f f t 和i f f t 变换来实现频域均衡，实际是对接收信号的频 域分析【8 】。单载波频域系统的结构如图1 1 所示，在发射端，输入数据经过映射 ( 4 q a m 或1 6 q a m 等方式) 后，在加上保护间隔( 一般是p n 序y 0 ) 组成帧，然后经 过信道发出。在接收端，去掉保护间隔，通过f f t 和i f f t 变换来实现频域均衡， 再通过对信号进行解映射，最后输出数据【9 】【1 0 】。 图1 1 单载波频域系统 可以将o f d m 系统与s c f d e 系统进行比较的框图如图1 2 所示，s c f d e 系统相当于将o f d m 系统中发送端的i f f t 处理模块移至接收端，这两个系统结 构上有极大的相似性【1 1 1 。通过“软切换 i f f t 模块的位置，可以设计同一套系 统可以发射接收单载波和多载波o f d m 信号。这种系统结构上的相近为两种系 统共存创造了条件，也为国标数字电视系统的单载波和多载波系统的硬件结构共 用提供很好的理论基础。 s c f d e 有效地结合了o f d m 和单载波传输的优点，使用了计算效率很高的 2 武汉理t 大学硕士学位论文 快速傅里叶运算，接收机的复杂程度要比具有时域均衡器结构的常规单载波系统 低得多，数字信号处理的复杂程度和o f d m 相当。s cf d e 系统具有较强的克 服频率选择性衰落的能力，并克服了o f d m 系统的不足。由于s c f d e 系统保 留了o f d m 系统对信号的处理方法，与o f d m 系统结构上有很大的相似性的特 点，相比于o f d m 对频率偏差敏感的缺点，s c f d e 对频偏的敏感性要稍小，从 而部分减小了接收时频率同步的代价【1 2 】。s c f d e 和多载波有近似的均衡性能， 在时问色散( 频率选择性干扰) 严重时，复杂度远远小于时域均衡。 o f d m ： 发送端接收端 s c f d e ： 发送端接收端 图1 2o f d m 与s c f d e 的系统框图 近几年来，单载波频域均衡的讨论日益增多，2 0 0 3 年4 月出台的i e e e 8 0 2 1 6 a 标准在i e e e 8 0 2 1 6 的基础上制定了2 1 1g h z 租用频带的空中接口标准，并规定了 s cf d e 系统和o f d m 系统两种传输模式【l3 1 。对于目前s c f d e 与空时处理干扰抵 消等技术相结合的研究也已经开展，更进一步地提高了频谱利用率，改善了系统 的性能，在宽带无线通信领域有着广阔的应用前景。采用单载波频域均衡技术是 未来高速无线通信系统的一个极具竞争力的方案。 随着无线通信技术飞速发展，人们对支持高速移动高质量通信业务的需求也 在迅速增长。s cf d e 系统作为一种较新的技术，为解决宽带高速数据传输中提 出了一项可行性方案，因此对该系统的研究也就显得十分重要，将会在移动通信 的研究中扮演越来越重要的角色。 1 2 无线传输系统的衰落特性 信道是发射端和接收端之间传播媒介的总称，它是任何一个通信系统不可或 缺的组成部分。数字电视地面广播传输系统支持固定接收和移动接收两种模式， 属于无线通信系统环境，在进行通信很容易受到干扰、衰落等因素影响。由于无 线信道的复杂性和时变性，信号通过无线信道时会受到各个方面的衰减损耗。其 武汉理工大学硕士学位论文 中，对无线信道的影响主要集中在多径传播效应与多普勒频移给信道特性带来的 时间色散和频率色散的影响上【l 引。 1 多径传播 无线移动信道的主要特征之一就是多径传播，即接收机所接收到的信号是通 过不同的直射、反射、折射等路径到达接收机。由于电波通过不同的路径到达接 收端，各个路径中反射波的到达时间、相位都是不相同的。在接收信号端，不同 相位的多个信号会进行叠加，如果同相叠加则会使信号幅度增强，如果反向叠加 则会削弱信号幅度。这样导致接收信号的幅度将会发生急剧变化，就会产生衰落 影响。多径传播使接收信号产生时延扩展和频率选择性，两者的表现形式不同， 时延扩展体现在时域，频率选择性体现在频域，两者一起描述了无线信道的时间 色散特性【15 1 。由于时延扩展会在传输过程中，使得接收信号中的一个符号的波 形会扩展到其它符号中，引起符号变形，从而造成符号间干扰( i n t e rs y m b o l i n t e r f e r e n c e ，i s i ) 。接收信号由于受至u i s i 影响，而不能被正确接收。 对时延扩展产生的影响表现为，在发射端发送一个窄脉冲信号，而在接收端 可以收到多个窄脉冲，每一个窄脉冲的衰落和时延以及窄脉冲的个数都是不同 的，如图1 3 所示。由于多径效应会造成了信道的时间弥散一 生( t i m ed i s p e r s i o n ) ， 时延扩展的范围表示的是首先与最后一个到达天线的信号之间的时间差，其中 f 。，被定义为最大时延扩展。由此产生的多径衰落，会产生码间干扰，影响对信 号的正确接收。 仃仃胁 发射端 接收端 图1 3 多径接收信号 由于信号在多径信道中传输，会引起系统中同步的不准确和码间干扰，导致 接收端的星座点不清晰，在系统中一般会在符号间插入了循环前缀( 设长度为 n ) ，用作保护间隔来较好地避免i s i 。一般在循环前缀的长度大于最大多径时延 情况下，可以通过均衡完全恢复数据。 2 多普勒效应 当移动台出现运动时，无线信道就会呈现出时变性，即传输路径的变化，而 这些传播条件的会影响衰落的变化速率。无线信道的时变性是由在发射或接收的 过程中存在运动的物体而引起的，当移动台在运动中进行通信时，接收信号的频 4 武汉理工大学硕十学位论文 率会发生变化，当两者作反向运动时，接收信号的频率将低于发射频率；当为相 向运动时，接收信号的频率将高于发射频率，这种现象称为多普勒效应【1 6 1 。 信道时变性的传递函数是随时间而变化的，表示为在不同的时刻发送相同的 信号，但是接收端收不相同的信号，如图1 - 4 ( a ) 所示。时变性引起的多普勒频移 ( d o p p l e rs h i f t ) ，也称为信道的频率弥散- i 生( f r e q u e n c yd i s p e r s i o n ) 。表示了单一频率 信号经过时变衰落信道之后会呈现频谱拓展，表示为具有一定带宽和频率包络的 信号，如图1 - 4 ( b ) 。 不： t = t l | l u 介 t = t z 0 俞 t ：t 3 0 发送 筛 0 6 ；0 0 接收 一频率 一 、 、 7 一 ( b ) 频率 图1 4 无线信道的时变性示意图 其中：( a ) 多径的信道时变性 ( b ) 多普勒频移的信道频率弥散性 由于多普勒效应引起的附加频率偏移被称为多普勒频移，可以用( 1 1 ) 式表 兀： c o s o = 堕c o s 臼：厶c o s l 9 ( 1 - 1 ) nc 其中厶表示最大多普勒频移，正表示载波频率， c 表示光速，v 表示移动 台的运动速度，9 为运动方向和入射波的夹角。由于多普勒效应导致频率信号进行 了扩展，频谱存在一定宽度，分布在了( 厶一厶，兀+ 厶) 内。 时域来看，用相干时间表示了时域内描述信道频率色散的时变特性，与多普 勒频移相关。多普勒频移与载波频率和移动台运动速度成正比，相干时间与多普 率频率成反比，相干时间是指信道冲激响应维持不变的时间间隔的统计平均值， 两个到达信号的时间间隔有很强的幅度相关性，即： 1 ( 丁) 。 ( 1 2 ) 1 3d t m b 传输系统 武汉理工大学硕士学位论文 在国际上存在3 种数字电视地面广播标准，本课题以中国标准d t m b 数字 电视接收机芯片的研发项目开展工作，该标准采用的是单，多载波的双模系统。 d t m b 数字电视接收机框图如图1 5 所示，在接收端，首先通过天线将接收到的 射频信号经高频头下变频，搬移到中频后，会经过正交解调后将接收信号进行处 理，在经过时钟恢复模块和载波恢复模块，用于解决采样速率偏差和相位偏差， 均衡主要是消除码间干扰影响，再经过相位跟踪后的信号进行信息处理。这一信 息处理过程包括解帧、帧体数据处理、解复用、解映射解交织、前向纠错解码以 及解扰，从而输出t s 码流【1 7 j 。 射 频 信 号 下 正 时 载 i 星座解映 制 交 钟 波均解帧体解l 射解交织 解 恢 - i t ,恢 衡 帧 数据 复 频调 复复 器处理 用 叫系统信息 图1 5d t m b 接收机的功能框图 下面对d t m b 接收机的功能框图的各个部分进行简单介绍： 1 正交解调：从a d 采样模块输出的数字中频信号再经过正交解调，得到 i 、q 两路正交的基带信号。 2 时钟恢复：目的是解决采样速率偏差和相位偏差，获得最佳采样点。 3 载波恢复：由于发送端和接收端的本振时钟不一致，高频头、下变频等 电路以及信道的时变特性，信号相位在传输中会受到损害，引起相位抖动。 4 均衡器：均衡器对信道的失真进行补偿，能够消除无线传输过程中产生 的码间干扰。在时域和频域中均可以完成均衡，本文主要针对于d t m b 做单载 波的频域均衡算法研究。 5 解帧帧体数据处理：目的是将数据的帧头部分，和帧体结构进行分开处 理。 6 其他处理模块：解复用、解映射解交织、前向纠错解码以及解扰等类似 于发送数据端的反处理过程。 1 4 本文的内容安排 本文主要针对单载波频域均衡技术做了研究与仿真，结合参与项目数字电视 接收机d t m b 标准，通过研究信号帧特点以及数字电视无线信道特征，采用理 论分析和实验结果相结合的方法，提出了一种实现复杂度低、性能较好的改进的 6 武汉理i = 大学硕士学位论文 单载波频域均衡算法及实现结构，并用m a t l a b 对算法的可行性和性能进行了 验证，在c 平台中完成了代码的编写和对整个系统的性能进行了测试。 本文共分为五个章节，内容如下： 第一章为绪论部分，介绍了无线通信系统和单载波技术的发展近况及其趋势 和无线信道的传播特性，数字电视传输数据在无线传输过程中会受到的干扰和影 响。描述了本文所依托的d t m b 传输系统的接收机的结构，并简单描述了本文 的研究工作和论文结构； 第二章介绍均衡技术的分类和均衡算法的原理。分析四种常见的频域均衡算 法的实现方案后，比较了各个算法的优缺点，并选择频域的f b l m s 算法作为适 用于本文的数字电视接收机d t m b 标准的单载波系统的均衡算法； 第三章主要讲本系统采用的改进的均衡算法。对频域均衡l m s 算法收敛慢 的问题提出引入信道估计算法做初始化，分析比较了信道估计的算法：频域估计 的方法估计值干扰值较大，准确度低；最小平方估计的计算量太大；相关的方法 确定为计算量和精确度折中的算法用在本系统中。并且对频域均衡l m s 算法关 键因素步长做了步长选择分析，用步长修正算法来统一不同信道情况下的步长优 化。 第四章对改进算法进行性能仿真，验证算法的关键参数噪声因子和遗忘因子 的影响，通过仿真确定适合系统的参数值。并通过静态信道和动态信道的性能进 行仿真，验证算法的可行性。经过性能分析在改进算法的收敛速度和性能上都有 所改进。 第五章对全文的总结，分析了本文的主要研究成果，并对未来工作进行了分 析与展望。 7 武汉理丁大学硕十学位论文 第2 章均衡算法分析 均衡技术是专门针对于传输信道的特性，产生与信道相反的特性用来抵消由 信道时变多径衰落引起的时延扩展造成的高速信号传输的符号间干扰( i s 0 。因此 采用合适的均衡技术对于恢复出输出信号非常必要的，也是接收算法中重点研究 的对象之一。 对不同的均衡技术都有不同的实现结构，对应于每种结构又有多种算法依照 不同的准则自适应地调整均衡器参数。在有训练序列的数据帧结构中，一般采用 训练序列来进行初始化处理，但是频繁的发送训练序列降低了数据的有效信息 率。在对均衡技术的研究中，又有不依赖于训练的均衡方式即盲均衡( 1 8 】。在对 均衡技术的研究一直都是系统实现中的难点，选择合适的均衡方式对系统的性能 尤为重要。下面本文将对均衡理论和常见均衡算法进行分析。针对我们所在的数 字电视d t m b 标准单载波系统选取一种合适的均衡算法。 2 1 均衡理论和算法 信号的传输过程如图2 1 所示，输入的信号序列经过信道传输后，会受各种 干扰、衰落的影响而产生畸变。假设时域信道冲激响应的z 变换是h ( z ) ，均衡 器的冲激响应的z 变换是c ( z ) ，均衡的目的是使输出数据尽量接近输入信号数 据。为了得到最佳匹配效果，可以得出：c ( z ) = i h ( z ) 。 高斯白噪声 n ( k ) 图2 1 均衡器原理 由于在实际传输系统中存在各种噪声和衰落影响，导致接收端的每个符号持 续时间会超过发送端每个符号持续时间，从而产生符号间干扰o s i ) 或称码间干 扰。均衡就是要进行补偿信道的失真，消除码间干扰。 均衡可以在时域或频域中进行。时域均衡是从时域的冲激响应考虑，使均衡 器在内的整个系统的冲激响应满足无符号间干扰的条件；频域均衡，是在频域设 计均衡滤波器，使包括插入的滤波器在内的整个系统的总传输函数满足无失真的 条件【19 1 。 8 武汉理：r 大学硕士学位论文 均衡器在分类上主要可以分为线性均衡器，非线性均衡器。图2 2 是均衡器 的基本分类图，图中给出了各类均衡器的结构和使用的主要算法。 线性均衡器的结构相对比较简单，主要实现方式为横向滤波器。线性均衡器 只能用于信道畸变不十分严重的情形，在移动通信的多径衰落信道中，信道的频 率响应往往会出现深衰落信号点，这时线性均衡器会无法很好的工作。为了补偿 信道畸变，深衰落信号点区域需要有较大的增益，这样就会将显著的提高信号的 加性噪声。 非线性均衡中，主要采用最大似然序列判决( m l s e ) ，和判决反馈均衡( d f e ) 算法。采用判决反馈均衡算法的均衡器由前馈滤波器和反馈滤波器两部分组成， 其计算复杂度是滤波器抽头数目的线性函数，可以直接采用横向滤波器方式，也 可以采用格型滤波器方式来实现【2 们。 2 1 1 线性均衡 图2 - 2 均衡器的基本分类图 在均衡器中最常使用的结构是横向滤波器，其表现形式为有限冲击响应滤波 器( f i r ) 。假设均衡器的主径前后抽头数目均为n ，信道在有l 条副径条件下， 均衡器输出的第k 个字符的估计值可以写为： y i = h t 一，+ n o i s e ( 2 1 ) j = o j i = c ，y t 一， ( 2 2 ) 9 武汉理1 = 大学硕士学位论文 均衡器输出的数据值丘与发射的数据，。之间会存在误差，我们就要进行优化 抽头系数，使的该误差取得最小值。优化均衡器系数中，最常用的准则为迫零准 则和最小均方误差准则【2 1 1 。 _ 1 迫零准则 迫零准则又可以称为峰值失真准则，是将均衡器的输出信号的性能指标最小 化的准则【2 2 1 。具体计算方法如下：设输入信号是 ) 对需要信号 以) 进行估计， 输出信号是 咒) 。信道模型具有冲激响应与 吃) 和有着冲激响应 ) 的均衡器 的级联能用一个的等效滤波器表示，这个滤波器的响应为 吃) 和 ) 得卷积， 即表达示为： 以= w j h , 一， ( 2 3 ) j = o 假定均衡器具有无限数目的抽头，在第k 个取样时刻的输出可表示为： y k = + l p h + c j n o i s e , 。一( 2 - 4 ) 一七 j = - 公式( 2 4 ) 中的第二项是码间干扰，迫零均衡就是适当选择抽头系数迫使干 扰为零，消除码间干扰。为了消除干扰的最佳抽头加权系数的条件是： 见= 量瞩，= 僻i 三 协5 ， ，2 ”l 。，。 对上式取z 变换得到：p ( z ) = w ( z ) h ( z ) = 1 即w ( z ) = 1 h ( z ) 由以上分析，由均衡滤波器的传递函数w ( z ) 为信道模型传递函数h ( z ) 的倒 数，就可以能完全消除码间干扰。但是由于在迫零均衡器设计中，忽略了噪声的 影响，所以均衡效果不是最优的。 2 最小均方误差( m m s e ) 准则 维纳和卡尔曼分别基于最小均方误差准则提出的针对动态系统和时变信号 的递推最佳滤波器。最小均方- i 吴差( m m s e ) 准则是通过调节 嵋 的抽头系数使滤 波器输出与需要信号之差的均方值最小1 2 3 】。其计算方式如下： 设估计的误差值为e l i ，则e 1 1 的均方值为： l ，1 2 j ( 聊= e h 1 2 = 以l 虬一1 2 ) = 1 一艺_ n j l ( 2 6 ) i，一i 根据均方估计理论，满足最小化j ( k ) 的误差应该与信号样本y 正交，即 l o 武汉理工大学硕士学位论文 e 眠一c ，y h 】y 一 = 0 ( 2 - 7 ) j = 一n m m s e 均衡表达式为：e ( 1 1 2 ) 表示最小均方误差，频域均衡的目的就是选 择合适的形使得e ( 1 e 。1 2 ) 最小。对最小误差信号求导，可得出系数： 彬= 焉- n t * 丁，o f 一1 ( 2 8 ) 阱+ 赤 通过信道估计得到日，的估计值疗，进而确定彬的值。为提高估计值的准确 度，可以将导频信号用多个训练序列进行反复发送，来对信道进行多次估计，对 多次值来取平均值作为子信道的频响特性。即在发送端连续发送n 个同样的已 知训练数据块，对n 次估计值取平均值，最后进行频域内插得到全部子信道的 频响。 2 1 2 判决反馈均衡 图2 3 判决反馈均衡器的结构图 如图2 3 所示判决反馈均衡器由前馈滤波器( f 瓜) 和反馈滤波器( i 瓜) 组 成，反馈判决均衡器的非线性源于判决器的非线性，反馈滤波器的输入信号是判 决器的输出。反馈判决均衡器的基本思想是：如果已知先前假设过去的判决是正 确的码元的检测结果，用前馈滤波器的输出减去这些值得加权求和，可以消除由 这些码元引起的码间串扰【2 4 1 。 设输入信号为x ( k ) ，经过均衡器后，得到均衡后的信号y ( k ) 为： 武汉理工大学硕十学位论文 ) ，( 尼) = z ( 尼p ( k - i ) - z b y ( k ) y ( k - j ) ( 2 9 ) i = 0 j = l 其中：f a k ) ，( i = o ，三，一1 ) 是前向滤波器抽头系数在k 时刻的值。 6 ，( 七) ，0 = 0 i po 9 厶) 是后向滤波器抽头系数在k 时刻的值。 由于判决反馈均衡器是非线性的，其中反馈滤波器是对已判决值进行运算， 反馈滤波器的长度可以根据希望消除的后向付径延时长度来决定。只要前面滤波 器的判决无误，反馈滤波器就可以不引入噪声。因此均衡器的噪声只是来自于前 馈滤波器，因而判决反馈均衡器的噪声性能相比于线性均衡器得到了比较大的改 善。 2 1 3 自适应均衡 信号在传输过程中，由于信道特征通常是未知的或者是随时间变化的，因此 要求均衡器的特性能够达到估计信道特性、消除码间干扰的目的，要能够根据一 定的自适应算法来跟踪信道的变化而均衡，这就是自适应均衡原理。现今应用较 广的自适应均衡算法有：递推最小均方算法( l m s ) 和递推最小二乘算法( r l s ) 1 2 5 】 【2 6 】。l m s 和r l s 算法的简化的推导公式如下，其中c ( n ) 为均衡器系数，y ( n ) 为 输出数据，d ( n ) 为期待恢复的数据值，n 表示第n 时刻。 r l s 推导公式为： c ( 胛) = c ( n 一1 ) + k ( n ) e ( n )( 2 1 0 ) = 万p 万( n - 丽1 ) y ( n ) ( 2 _ 1 1 )、7 兄+ j ，1 p ( 刀一1 ) y ( ，z ) 、 k ( n ) 称为卡尔曼增益向量。 p ( 刀) = d ( n ) 一y r ( n ) c ( n - 1 )( 2 - 1 2 ) e ( n ) 为n 时刻的计算误差。 p ( 刀) = - - ；c p ( ，z - 1 ) - k ( n ) y7 ( ，1 ) p ( 刀- 1 ) 】 ( 2 1 3 ) r l s 算法实现的复杂度较大，目前研究表明r l s 算法比较稳定，并且比l m s 算法有更快的收敛速度。 l m s 推导公式为： c ( ，z ) = c ( n 1 ) 一“( 以) y ( ，1 ) p ( 刀)( 2 - 1 4 ) 其中u ( n ) 称为调节步长，它的选择将使l m s 算法收敛于最佳的抽头系数。 l m s 算法是一种最常用的自适应均衡算法，它的优点是：运算量比较少，稳定 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 性较好，但是它的收敛速度比较慢。针对l m s 做变步长处理可以在增加很少资 源的情况下，大大提高了收敛速度而接近于r l s 算法。 2 2 单载波频域均衡算法 在移动信道情况中，国标d t m b 系统可能会出现2 0 u s 以上长时间的多径延 迟，采用单载波调制的时域均衡器复杂度会与信道的最大时延扩展成正比，时域 均衡器为了抵消干扰可能需要长达上百阶的抽头。过长的均衡器阶数会造成噪声 积累，也使均衡器的结构由于过于复杂而难以实现。与单载波时域均衡系统相比， 单载波频域均衡系统的抗多径能力较强( 与多载波性能相当) ，而且现在采用基 于f f t 的频域均衡器技术不仅大大简化了计算复杂度，由此均衡器复杂度大大 降低【27 1 。在随着现代大规模集成电路和数字信号处理技术的发展，频域均衡器 在实现上也日趋成熟。 下面主要针对数字电视接收系统的d t m b 标准，分析了四种常见的单载波 的频域均衡算法，并对四种频域均衡算法并进行了比较，分析适用于d t m b 数 字电视标准的算法。 2 2 1 频域线性均衡算法 单载波系统的频域均衡( l e ) 算法主要就是针对了频域的每个子信道的频率 响应日，做出估计，然后在每个子信道乘以系数彬来补偿信道影响【2 8 1 。频域线性 均衡器的结构如图2 4 所示。设a 。为发送信号，：，i 为接收的信号，z m 为恢复的 输入信号，a 。是判决后的信号，每一个数据块中数据长度为接收端f f t 运算的 点数m 。 乘以系数 形 图2 4 频域线性均衡器结构图 在理想的符号同步和采样时钟同步条件下，设h 为信道的冲激响应，n 为加 性高斯白噪声，则接收符号在抽样率为1 t 的时候可以表示为： 武汉理工大学硕十学位论文 ， 名= 口h ( m t - t t