（通信与信息系统专业论文）短波信道估值与数据检测.pdf

摘要 短波通信由于其固有的优点，在通信中的作用越来越重要，但短波信道的恶 劣特性，严重影响了短波通信的性能。本文以提高短波信道数据传输的误码率性 能为出发点，重点研究了短波高速串行调制解调器中信道估值和数据检测两方面 的关键技术，并在高速数字信号处理器芯片上进行了实现。 本文主要从以下4 个方面展开了讨论和研究： 1 研究了短波信道的特点和信道估值方法。把最小均方误差和递推最小二乘 这两种方法进行了比较，并提出了一种实用的快速信道估值算法。 2 研究了块式数据直接检测技术和最大似然序列估值技术，并把两者作了比 较，进而提出了快速非线性块式数据检测算法。 3 在d s p 硬件平台上实现了上述两种算法，并以软件模块的形式融于军用和 民用两种体制的调制解调器中。 4 进一步研究了更高速率的短波数据传输及其均衡方法，着重探讨了分数抽 头反馈均衡的均衡算法。 最后，把短波高速串行调制解调器在信道模拟器和实际短波信道上进行了测 试，达到或超过美军m i l _ s t d 一1 8 8 1 i o a 标准和美国民用航空标准的误码性能要求。 关键字：短波串行调制解调器快速信道估值快速非线性块式数据检测 高速数字信号处理器 a b s t r a c t h f c o m m u n i c a t i o nb e c o m e sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n tb e c a u s eo fi t si n h e r e n t a d v a n t a g ei nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n b u tw i t ht h eb a d l yc h a n n e lc o n d i t i o n s ，t h e p r o p e r t i e so fh f c o m m u n i c a t i o na r es e r i o u s l yi n f l u e n c e db yt h e m i nt h i sp a p e r , o u r a i mi st oi m p r o v et h ep r o p e r t i e so fb i te r r o rr a t i ob yd a t at r a n s m i s s i o nt h r o u g ht h e h f c h a n n e l w em a i n l yr e s e a r c ht w ok e yt e c h n o l o g i e so fc h a n n e le s t i m a t i o na n dd a t a d e t e c t i o ni nh f m o d e m f i n a l l y , t h e s em e t h o d sa r er e a l i z e df o rr e a lt i m eo hd s p t h ea u t h o r sm a i nc o n t r i b u t i o n sa r ea sf o l l o w s ： 1 t h ec h a r a c t e r so fh f c h a n n e la n dt h em e t h o d so fc h a n n e le s t i m a t i o na r e d e s c r i b e d a na p p l i e df a s tc h a n n e le s t i m a t i o nm e t h o di sp r o p o s e db a s e do nt h e c o m p a r i s o nt h ec r i t e r i o n sa n dt h em e t h o d so ft h el e a s tm e a ns q u a r ea n dt h e r e c u r s i v el e a s ts q u a r e 2 t h eb l o c kd a t ad i r e c t e de s t i m a t i o nt e c h n i q u ea n dm a x i m u m l i k e l i h o o d s e q u e n c ee s t i m a t i o nt e c h n i q u ea r ep r e s e n t e da n dc o m p a r e d t h e n af a s t n o n l i n e a rb l o c kd a t ad i r e c t e de s t i m a t i o ni sp r o p o s e d 3 t h et w om e t h o d sa r er e a l i z e df o rr e a lt i m eo nd s et h e nt h e ya r ea s s e m b l e di n t w od i f f e r e n ts y s t e m so fm i l i t a r ya n dc i v i lb yt h ew a y o fs o f t w a r em o d u l e 4 t h em o r eh i g hs p e e dd a t at r a n s m i s s i o na n dt h ee q u a l i z a t i o nm e t h o d sa r e d e s c r i b e d a n dt h ef s d f e ( f r a c t i o n a l l y s p a c e da n dd e c i s i o nf e e d b a c k e q u a l i z e r ) i sm a i n l yp r e s e n t e d f i n a l l y , t h ep r o p e r t i e so fh f m o d e ma r et e s t e dt h r o u g ht h ec h a n n e ls i m u l a t o r a n dt h er e a lh fc h a n n e l t h e yc a n r e a c ho r s u r p a s s t h o s er e q u i r e db y m i l s t d 1 8 8 1 1 0 aa n du s a c i v i l a v i a t i o n s t a n d a r d f a s tc h a n n e ie s t i m a t i o n d sp f a s tn o n l i n e a rb l o c kd a t ad e t e e t i o n 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个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，除了文中加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它 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做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：查盥日期：罂簟“ 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在二5 _ 年解密后使用本授权书。 本人签名： 导师签名：二毖 日期： 卿伊 第一章绪论 第一章绪论 1 1短波通信在军事通信中的作用和地位 短波通信或称高频通信是指在2 - 3 0 m h z 频段范围内，通过电离层反射来进 行远距离通信或通过地波进行近距离通信的一种通信手段。与其他通信手段相比， 短波通信有通信距离远，机动性好，顽存性强及多种通信能力等不容忽视的独特 优点。由于这些优点，长期以来利用电离层传输的短波通信在远距离通信方面一 直占据重要地位，被认为是有效而经济的远程军用通信手段【l 】。 6 0 年代中期卫星通信的出现，曾一度导致许多人认为短波通信已经过时。但 是，由于卫星通信存在易受干扰、易受攻击的弱点，不能充分保证在战争( 特别是 高强度大规模战争) 中通信的顽存性等缺点。随着大规模集成电路技术、计算机技 术、数字信号处理技术、高速数字信号处理器的迅猛发展，短波通信技术获得了 很大发展，进入现代数字化的短波通信时代。 新一代短波通信系统主要是指短波高速数字通信系统。这种通信系统不仅具 有传输距离可近可远、机动重建性好、抗毁坏性好等短波通信的各种优点，而且 具有通信安全保密、设备小型化及性价比高等独特优点，使其在军事通信方面占 有重要地位。现代战场的各类数据信息包括雷达、遥测、遥控、数字传真、慢扫 描图像和计算机等各类数据终端的数据，也都希望能在短波信道上传输。1 众所周知，电离层是时变色散信道，其传输特性随不同的季节和昼夜随机的 变化；信号传输中的衰落、多径传输引起的时间色散、多普勒效应引起的频域色 散、其它噪声和人为干扰等各种因素的影响，使短波通信与其它通信方式相比， 信号质量明显降低。改善信道条件、提高信号传输质量和速率、降低误码率，一 直是短波数字通信所要解决的主要问题。采用什么样的自适应实时信道估值和数 据检测方法，就成为我们急需解决的问题。 1 2 短波高速调制解调器的发展现状 在短波高速数字传输系统中，高速调制解调器是关键技术【2 】之一。短波高速调 制解调器的作用是采用各种技术措施充分利用短波通信系统的信道容量，克服或 减少短波信道造成的严重码间干扰，提高信息传输速率和增强传输数据的可靠性。 近年来国内外对短波高速调制解调器的理论研究与产品开发是按照并行和串行两 种不同体制进行的。 并行体制采用频分多路并发形式，在3 0 0 , 3 3 0 0 h z 带宽内用多个副载波同时 2 短波信道估值与数据检测 发送各窄带正交单音的方法，从而加大了码元长度，减轻了多径影响，降低了误 码率。但是也因此导致了发射功率发散，信号峰平比高，功率利用率低等缺点。 在海湾战争中，多国部队采用的美国h a r r i s 公司研制的r y 3 4 6 6 短波高速调制解 调器就是采用的并行体制( 3 j 。 国内外对串行体制的研究相对于并行体制发展较晚，但随着中、大规模集成 电路、高速信号处理等技术的发展，在短波高速数传中采用串行体制的优点越来 越明显。串行体制采用单一载波，可有效地运用自适应均衡措施跟踪时变信道， 克服码间串扰，有较高的频带利用率，对频率选择性衰落不敏感，峰平比低( 即峰 值平均功率) 等优点。它是以自适应滤波理论和自适应信号检测理论为基础的， 根据所采用的自适应信号检测技术不同，我们将短波高速串行调制解调器大致分 为三类【4 】【5 】【6 】： ( 1 ) 以数据直接估值技术( d d e ) 为核心的短波高速串行调制解调器。它主要 采用了一种块式数据传输和检测的方法，把训练符号和信源数据以块的形式交替 发送、传输与检测，运算量较大，但性能较好。在本文中我们主要对这种方法做 了深入的研究，并讨论了其具体实现的方法，最后测试了其所能达到的性能。 ( 2 ) 以最大似然序列估值( m l s e ) 为核心的短波高速串行调制解调器。它充分 利用了信道的时间扩散效应，从系统差错概率最小观点出发。采用最大似然序列 估值的方法可以获得最佳性能，但由于其计算量太大，现在的高速信号处理芯片 根本无法实时处理。在本文中我们对其简化算法做了些研究，并和块式数据检测 进行了对比。 ( 3 ) 以判决反馈自适应均衡器( f s e ) 为核心的短波高速串行调制解调器。它采 用自适应滤波算法，以前馈和反馈的形式恢复出原来的发端数据。判决反馈均衡 可以连续的对数据进行检测，能把刚解出的数据作为训练序列，而不需要或需要 很少的训练序列。如果采用高效的自适应算法，可以达到收敛速度快、精度高和 稳定性好等优点。在本文中我们在更高速率数传中对这种方法进行了探讨和研究。 1 3 短波高速调制解调器的质量参数 为了研究高速调制解调器技术，开发高质量的高速调制解调器产品，首先要 弄清楚如何衡量高速调制解调器的质量。与其它的数传系统一样，短波高速调制 解调器主要的质量参数也是信息传输速率和误码率j 。 ( 1 ) 信息传输速率： 信息传输速率是指调制解调器每秒传送的信息比特数。目前国际上短波调制 解调器一般是以美国军用标准m i l s t d 一1 8 8 一1 1 0 a 为准，信息传输速率为 2 4 0 0 b p s 、1 2 0 0 b p s 、6 0 0 b p s 、3 0 0 b p s 、1 5 0 b p s 、7 5 b p s 。在我国军用标准g j b 8 8 0 9 0 第一章绪论 军用短波单边带通信系统接口标准中，规定的数据传输率还包括5 0 b p s 。将最高速 率定为2 4 0 0 b p s ，主要是考虑传送数字声码话和数字传真的需要。近几年，美军方 又提出了一个更高传输速率的标准m i ls t d1 8 81 1 0 b 。在这种标准下，信息传 输速率最高可达到9 6 0 0 b p s 。它分别对3 2 0 0 b p s 、4 8 0 0 b p s 、6 4 0 0 b p s 、8 0 0 0 b p s 、9 6 0 0 b p s 等速率提出了标准化的要求。 ( 2 ) 误码率： 误码率是衡量数传系统的重要指标。在二进制码元的传输系统中，它就是二 进制码元被传错的概率。在短波高速调制解调器系统中，实际传输一般并不是二 进制码元，此时必须折合成二进制码元或信息比特来计算。降低误码率，就必须 采用合理的自适应信道估值技术和数据检测技术，利用高速的信号处理器把干扰 降到最低。 降低误码率和提高信息传输速率两者本身是矛盾的。在采用同等技术条件下， 传输速率越高，误码率必然越大。所以必须根据不同的传输业务要求，合理的兼 顾考虑传输速率和误码率两者的指标。 1 - 4 本文工作内容安排 本文针对短波信道的特点，以降低数据的误码率为目标，讨论了两种信道估 值方法和三种数据检测方法。主要深入研究了用递归最d - 乘法( r l s ) 信道估值和 用非线性块式数据检测( d d e ) 法检测数据这两方面的具体内容，并提出了两者的 快速算法，这对于在有限的硬件资源上实时实现低误码率性能有着十分重要的意 义。然后我们用t i 公司的d s p 芯片t m s 3 2 0 v c 3 3 进行了实时实现。最后还探讨 了更高速率的短波数传的均衡方法及其应该注意的一些问题。 第二章主要对整个短波调制解调器的软件系统流程做了简要的概括，使对整 个系统有一个初步的认识。 第三章主要讨论了短波信道的具体特性及其估值算法。讨论并比较了最小均 方误差( l m s ) 和递推最小二乘法( r l s ) 两种信道估值算法，特别研究了r l s 的求 解方法，步骤，特性和运算量，并提出了一种实用的基于短波信道的快速算法。 第四章主要讨论了数据检测的一些方法。重点详细介绍了块式数据检测的算 法：包括线形算法( d d e ) 和非性性算法( n d d e ) 。然后提出了一种快速的n d d e 检测技术。最后又讨论最大似然序列估值算法并把两种方法进行了对比。 第五章把r l s 算法和非线性块式数据检测算法在t i 的芯片上进行了实时实 现，并在实际产品中得于应用。通过测试达到或超过所要求的误码性能。 第六章主要介绍了更高的传输速率标准m i ls t d1 8 81 1 0 b 的一些情况并探 讨了在新的数据格式和调制方式下的数据检测方法。 第二章多模式短波调制解调器概述 第二章多模式短波调制解调器概述 短波调制解调器由于其固有的优点，无论是在军用还是在民用方面都得到了 广泛的应用，随之也产生了很多通信协议标准。例如：美国军用短波数传标准 m 也s t d1 8 81 1 0 x 系列，中国军用短波单边带通信系统接口标准g j b 8 8 0 9 0 ， 民用短波t d m a 航空标准【7 】等等。在军用标准方面，由于国内外产品大多以美军 标m i ls t d1 8 81 1 0 a 8 】为标准，在速率不高于2 4 0 0 b p s 数传中，1 1 0 a 己成为公 认的标准。在民用标准方面，由于应用的条件和方向不同，基本是自成体系。我 们是在相同的硬件平台上，利用软件无线电的思想，把军用和民用标准做到了一 起，通过调用不同的软件模块，来达到不同的传输功能。军用采用了美军 m i ls t d1 8 8l1 0 a 标准，民用采用短波t d m a 航空标准。在相同的硬件平台上， 还可以实现其它多种短波数字化业务，如极低速数据传输、自适应选频、数字跳 频等短波软件无线电功能。 2 1 软件无线电 软件无线电是近年来发展起来的新兴技术，它的出现是计算机和通信技术快 速发展，特别是数字信号处理技术迅速发展的结果【9 】。在d s p 和大规模集成电路 技术巨大进步的推动下，无线通信技术正朝着数字化方向迅速迈进。无线通信设 备对体积、成本、稳定性等因素的要求越来越高，原有的设计思想和手段已经不 能满足发展需要。此时，具有高度的灵活性和集中性特点的软件无线电受到人们 的青睐，并且在新一代无线通信系统中担当着日益重要的角色。 2 1 1 软件无线电的概念 软件无线电的基本思想是以一个通用、标准、模块化的硬件平台为依托，通 过软件编程来实现无线电台的各种功能，从基于硬件、面向用途的电台设计方法 中解放出来。功能的软件化实现是通过软件控制、数字信号处理( d s p ) 的方式，来 完成传统模拟无线电的功能。 2 1 2 软件无线电的系统结构 软件无线电强调体系结构的开放性和全面可编程性，通过软件的更新升级改 变硬件的配置结构，从而实现新的功能。软件无线电采用标准的、高性能的开放 式总线结构，以利于硬件模块的不断升级和扩展。图2 1 中给出了一个理想的软件 6 短波信道估值与数据检测 无线电系统结构。 电话 图像 数据 传真 弋 窄带 d s p 宽带 a i dd aia dd a 一射频前端卜 转换器 处理器 转换器 图2 1 软件无线电系统结构 2 1 3 软件无线电的特点 综合说来，软件无线电具有以下四个方面的特点： 1 软件无线电具有完全的可编程性。软件无线电是通过编写和调用不同的软 件，实现不同的功能。 2 软件无线电基于d s p 技术。d s p 及其相应软件是软件无线电系统的关键模 块。系统所需要的信号处理工作，如变频、滤波、调制、信道编译码、信 道和接口的协议与信令处理、加解密、抗干扰处理，以及网络监控管理等， 均是基于d s p 芯片对数据流的实时或近实时处理来实现的。 3 软件无线电具有灵活性。软件无线电的灵活性是指可以任意地转换信道接 入方式，改变调制方式或接收不同系统的信号等。 4 软件无线电具有集中性。软件无线电的集中性是指多个信道享有共同的射 频前端与宽带a d 、d a 转换器以获取每信道的相对廉价的信号处理性能。 2 2 美军标m i l s t d 一1 8 8 1 i o a 简介 在美军标m i l _ s t d 一1 8 8 一1 1 0 a 8 1 中信号带宽为3 0 0 - - 3 3 0 0 h z ，调制采用8 p s k ， 单一载波频率为1 8 0 0 h z 。无论信息速率为多少，波特率均为2 4 0 0 b a u d 。要求能实 现的信息速率为：4 8 0 0 b p s ( 不加编码) 、2 4 0 0 b p s 、1 2 0 0 b p s 、6 0 0 b p s 、3 0 0 b p s 、1 5 0 b p s 、 7 5 b p s 。下面讨论一下其具体各个环节的要求。 2 2 1 同步前导序列 同步前导序列的作用有三个方面：一是供收端捕获信号，判断空中是否有要 接收的数据：二是使收、发双方保持同步，包括帧同步和位同步：三是发送交织 和速率信息。在l1 0 a 中，发送的同步前导序列为0 ，l ，3 ，0 ，1 ，3 ，1 ，2 ，0 ，d l ，d 2 ，c l ，c 2 ) c 30 。 其中d d 2 中4 比特用来表征交织和速率信息，c 。c ：c ，用来表征同步序列发送次数 的信息。对无交织或短交织，同步序列发送3 次，对长交织，同步序列发送2 4 次。 第二章多模式短波调制解调器概述 7 2 2 2 调制方式 由于加入的扰码都是8 p s k 形式，所以最后各种速率的数据都是以8 p s k 的调 制方式发送出去。在实际去掉扰码的调制和解调过程中，不同的信息传输速率采 取不同的调制方式。4 8 0 0 b p s 、2 4 0 0 b p s 采用的是8 p s k 调制，1 2 0 0 b p s 采用的是 4 p s k ( 即q p s k ) 调制方式，6 0 0 b p s 及以下采用的都是2 p s k ( 即b p s k ) 调制方式。 2 4 0 0 b p s 、1 2 0 0 b p s 、6 0 0 b p s 之间的速率相互切换都是通过改变调制方式来达到目地 的，而6 0 0 b p s 、3 0 0 b p s 、1 5 0 b p s 之间的速率切换都是通过改变卷积码的编码方式 来实现的。 2 2 3 数据格式 为了使收端能及时跟踪信道的变化，在发送阶段，周期性地在未知数据中插 入训练序列。插入比例分两种情况：对4 8 0 0 b p s 、2 4 0 0 b p s 插入比例为训练数据= 1 6 3 2 ：对1 2 0 0 b p s 及以下速率，插入比例为训练数据= 2 0 2 0 。 2 2 4 卷积编码和交织 4 8 0 0 b p s 速率不加编码，对2 4 0 0 b p s - - 7 5 b p s 各种速率情况，都采用的前向纠错 编码( f e c ) 。其中2 4 0 0 b p s 、1 2 0 0 b p s 、6 0 0 b p s 采用的都是l 2 卷积编码，其编码框 图如图2 2 所示。3 0 0 b p s 采用的是1 4 卷积编码，1 5 0 b p s 采用的是l 8 卷积编码。 。o u t p u t 图2 2 约束长度为7 的1 2 卷积编码器 生成多项式t 1 ：x 6 + x 4 + 工3 + 石+ l t 2 ：工6 + 工5 + 工4 + x 3 + 1 为了抗突发干扰，需对发送数据进行交织处理。交织分为三种：长交织( 4 8 s ) 、 短交织( o 6 s ) 和无交织。接收端必须根据同步序列中所提供的交织信息来解交织， 然后通过译码消除突发错误。 短波信道估值与数据检测 2 2 5 波形形成 按照1 i o a 标准，在各种速率下，波特率均为2 4 0 0 波特，其奈奎斯特带宽为 1 2 0 0 h z 。但由于理想低通滤波器难于实现，而且我们要尽量降低数据对采样误差 的敏感度，故而选用滚降系数为o 2 5 的升余弦滚降波形形成滤波器对信号进行波 形形成处理，使其基带信号频谱压缩在1 5 k h z 以内，经1 8 0 0 h z 载波调制后形成 通带，带宽正好为3 0 0 - - 一3 3 0 0 h z 。选用的升余弦滚降特性有如下的频谱表达式【1 0 】： p ( f ) = 互i f l s 一p z sc o s 2 万7 l ( 1 仆峒一驯詈+ ( 2 - 1 ) c ifl 乏- + p 式中夕 - 3 0 0 h z ，c - - 1 2 4 0 0 s ，= 2 4 0 0 h z ，滚降口= 1 - 2 p , - , = 1 - 0 7 5 = 0 2 5 。 对式( 2 1 ) 进行傅氏变换可得到相应的时域表达式为： 加) = 篇恭 浯2 ) 为使式( 2 - 2 ) 所对应的波形形成滤波器因果可实现，需将p ( t ) 时延为p ( t - t d ) 。 只要t 。足够大，p ( f 一乞) 在t 0 范围内可视为0 。为方便起见，在发端直接对 p o f 。) 进行截短处理，截短长度为9 个码元。 综上所述，整个发端和收端的系统框图如图2 3 和图2 4 所示。 自 信 源 同步前导序列 o o 卷 交 格 了 扰 波 _ 口 o 壬 。 o形 天 啼 积 编 r _ r 形 调 码 织 码 j【 码 成 制 训练序列 图2 3h f 串行m o d e m 发端原理框图 至 发 信 机 第二章多模式短波调制解调器概述 自 接 收 机 图2 4h f 串行m o d e m 收端原理框图 2 3 民用短波t d m a 航空标准 民用短波航空标准( 7 】是根据短波民用电台音频带宽较窄的特点而设计的。其主 体和军用标准几乎完全相同，但由于其带宽窄，所以在某些方面会有一些差别， 下面主要就与军用标准的不同方面做一些介绍。 民用航空标准可用的信号带宽比较窄，- - 2 0 d b 的有效带宽为2 3 0 0 h z ( 2 9 0 h z 一 2 5 9 0 h z ) 。单一载波频率为1 4 4 0 h z ，空中传输的也是8 p s k 信号。信道波特率为 1 8 0 0 b a u d ，信息速率为1 8 0 0 b p s 、1 2 0 0 b p s 、6 0 0 b p s 、3 0 0 b p s 。传输速率的改变是通 过改变调制方式( m = 8 、4 、2 ) 和编码速率来实现的，交织分为长交织( 4 2 s ) 和短 交织( 1 8 s ) 两种。 短波民用航空m o d e m 空中信号格式满足t d m a 多址方式的要求。其格式如 图2 5 所示。 l p r e k e y l p r e a m b l eu n k n o w nk n o w n l “ l u n k n o w nk n o w n 图2 5 空中信号格式 在图2 5 中，p r e k e y 2 4 9 m s ，4 4 8 个2 p s k 符号；p r e a m b l e ：2 9 5 m s ，5 31 个 2 p s k 符号：u n k n o w n + k n o w n ：2 5 m s ，4 5 个m p s k 符号，其中u n k n o w n 3 0 个m p s k 符号，k n o w n l 5 个m p s k 符号。对于长交织( 4 2 s ) 有1 6 8 块( u n k n o w n + k n o w n ) 数据，对于短交织( 1 8 s ) 有7 2 块( u n k n o w n + k n o w n ) 数据。 综上所述，整个短波调制解调器通过软件来实现各种数字处理功能，其中包 括5 个关键技术： 1 信号捕获与频率校正技术； l o 短波信道估值与数据检测 2 同步技术； 3 信道估值与跟踪技术； 4 数据检测技术； 5 编译码技术。 其中，信道估值及数据检测技术是本文的研究重点。 第三章短波信道估值 第三章短波信道估值 3 1短波信道的特点及对数传的影响 众所周知，经过电离层传播后接收到的信号是由具有不同时延、频偏的多个 分量的组合。下面我们具体分析一下短波信道对数字传输的各种影响【l 】f 1 2 1 。 3 1 1多径效应对数据传输的影响 1 多径展宽及时间延迟 电离层传输的多径效应引起信道的时间色散，这个色散现象用多径展宽来表 征。多径展宽是对单个窄脉冲通过电离层介质时所遇到的以路径延迟来计算的失 真的度量，也就是脉冲响应的度量，其宽度的中心代表平均的时间延迟。大量实 测数据的统计结果表明，多径展宽的分布服从正态分布，一般集中在0 3 - - - 5 6 m s 范围内，最大多径延迟约8 m s ，小于5 m s 的占8 0 。当工作频率接近m u f 时，多 径延迟可能小于0 5 m s 。 2 多径效应引起的衰落 多径效应在不同条件下会使传输信号发生平坦衰落、时间选择性衰落和频率 选择性衰落，主要是频率选择性衰落。 假设信号码元长度为丁，第i 条传输路径的信号时延与信号平均时延之差at ；， 则二者的不同组合可产生以下三种不同的衰落现象。 ( 1 ) 当信号码元长度r 较小，且出， t 时，将引起“平坦衰落”。这是因为 信号在时间间隔丁内的任何两个时刻上的衰落是高度相关的。此时，信号的传输衰 减幅度服从平坦瑞利分布，而相位服从均匀分布。平坦衰落对信号的影响主要表 现为使接收点信号强度下降。在起伏噪声作用下，必然造成信噪比下降，导致误 码率增大。降低平坦衰落对数传影响的有效办法是设法提高接收机输入的信号功 率，例如提高发射功率、采用分集接收等。 ( 2 ) 当信号码元长度丁较长，且址， t 时，将引起“时间选择性衰落”。这 是因为在较长的时间间隔丁内，传输媒质随时间发生随机运动，使各条反射路径的 时延、衰减也都随时间发生变化，多径合成的结果使信号的振幅和相位的衰落变 化不再是平坦的，而是随时间发生急剧的衰落变化，即时间选择性衰落。 ( 3 ) 当传输时延at i 比较大或丁比较小，不满足时a t ， l 。信道估值器的 结构如图3 1 所示。 一 习? 7 一i7 一i1 匆 牟 i 图3 1 信道估值器结构 由图3 1 可知滤波器的抽头数目n = m + h + 1 。由于多径或采样点不准等因素造 成的影响，信道估值器不可能正好是因果系统，所以要选取主径位置孵( 甩) ，使输 出值孑( 以) 与主径位置时刻的接收数据d ( ，1 ) 相对应，这样才能保证数据的正确。在 这里选择信道估值器的长度和主径的位置是非常重要的。 我们是通过同步前导序列中的已知数据来确定估值器长度及其主径位置。首 先假设信道长度为最大多径时延的两倍，主径位置为正中间，根据后面所述的正 规r l s 算法多次迭代，得出信道的初始估值，然后由这个初始估值来决定以后信 道估值器的长度和主径位置。 信道估值分为两种情形即信道估值的快速启动和跟踪。快速启动是利用同步 序列的自j 下交性直接对信道进行估值。信道估值的跟踪是用以最小二乘法为准则 的自适应滤波器来进行自适应修正。 但在实际测试信道或信道模拟器中，信道的变化都是很快的，特别是在衰落 1 4 短波信道估值与数据检测 情况下，仅仅信道跟踪很难达到理想的效果。因此我们在每个数据块中都重新快 速启动然后跟踪，以便更好的逼近于实际信道。 3 3l m s 算法信道估值 信道的估值是数据检测的前提条件，也是其关键环节。信道估值准确与否， 直接影响数据检测的性能。现在常用的信道估值有两种准则及算法：( 1 ) l m s 准则 及其收敛算法；( 2 ) r l s 准则及其收敛算法。 l m s 准贝t lr 1 3 】【1 4 】【1 5 1 是以一定时间内数据的期望均方误差最小为准则来判定信 道的收敛情况，即主要是以平均的观点看待问题。而r l s 算法是以精确计算的角 度根据输入的真实数据在每时刻重新估算具体误差，以在每时刻对所有已输入信 号而言重估的平均误差和最小为准则。下面首先具体讨论一下l m s 算法。 l m s 算法所遵循的准则是：求出最佳权系数眠，使式( 3 - 1 ) 最小。 e 【p ； = e ( 舀f y ，) 2 】 = 可d ；卜2 e d ，x ；】+ 蝶r e x ，x ；7 ( 3 一1 ) 利用最陡下降原理，也就是常称为的最陡下降法。更新方向向量v ( n ) 取作第 刀一1 次迭代的代价函数以( 以一1 ) 的负梯度。得最陡下降法的形式为： ( 刀) = ( 万一1 ) 一u v ( n ) ( 3 2 ) v ( 月) 表示代价函数的梯度，通常情况下我们取： v ( 甩) = - 2 已( 栉) x 二( 以) ( 3 3 ) 由此可得： p ( 甩) = d ( n ) 一孵( 刀一1 ) x ，( 甩) ( 3 - 4 ) ( ，1 ) = ( 刀一1 ) + 2 二( n ) e ( n ) ( 3 5 ) 这就是基本l m s 算法。此算法应该注意的是的取值范围0 1 ) ( 3 一1 5 ) 通常1 0 艿 i 0 0 ，向量形为所求信道： 2 令n = l ，获得x ( n ) 和d ( n ) ，其中向量x 为发端原始数据组，向量d 为收 端所收到的数据组； 3 更新增益矢量： 舯等等 伊旧 此处的g ( n ) 相当于l m s 算法中的收敛系数； 4 调整因子： ( 咒) = x ”c ( n 一1 ) x ( n ) ( 3 1 7 ) 所用的信号和数据都为复数； 5 计算误差： 1 6 短波信道估值与数据检测 “，1 ) = d ( ，1 ) 一w 。r q 1 ) x ( n ) ( 3 1 8 ) 6 更新滤波器抽头系数g ( 甩) = ( 甩一1 ) + g ( n ) e ( ，1 ) ( 3 1 9 ) 7 更新逆矩阵： c ( ，1 ) = 万 c ( ，l - 1 ) - g ( n ) x 叩q ) c o 一1 ) 】 ( 3 2 0 ) 8 令n = n + l ，判断误差是否小于期望，是则完成，否则跳至第3 步循环执行。 整个流程如图3 2 所示。 设信道的长度为，则使用此种算法所需的计算量1 1 3 】为： 乘法：3 n 2 + 5 n ： 除法：l ； 加法：2 5 n 2 + 1 5 n 。 从性能上来说，r l s 算法要优于l m s 算法。在同等条件下r l s 比l m s 估值 更准确，误差更小。就收敛速度来说，l m s 的收敛速度随着选择的收敛系数的 增加而提高，但随之的是误差的增大。而r l s 的收敛速度是自我调节，只于输入 的数据有关。一般来说，在同等精度下，r l s 比l m s 收敛快得多。在同等时间内， r l s 比l m s 收敛精度要高【1 9 】。因此为了提高性能，我们选择r l s 准则算法。 但i l l s 有一个很大的缺点就是计算量太大。l m s 算法计算量与信道的抽头个 数成正比关系，而r l s 迭代算法与信道的抽头个数的平方成正比。通常短波 信道的最大多径时延为5 m s ，体现为信道长度是1 5 ，这样计算量就特别大，很难 用现有的d s p 芯片实时处理。因此必须研究计算量更小的快速r l s 算法来实现。 第三章短波信道估值 ( ，开始 t 初始条件形( o ) ：x ( o ) ：o ，c ( o ) ：万i ( a ：88 ) i 上 令r l = l 获得x ( n ) ，d ( n ) j r 更新增益矢量 g ( ，z ) = c ( 旯n + - 1 “) f x ，2 1 ( 刀) 上 1 t ( n ) = x 叮( 甩) c ( n 一1 ) x ( 行) 丫 计算误差：e ( n ) = d ( 甩) 一叮( n 一1 ) x ( ，z ) 上 更新滤波器抽头系数：( ，z ) = w ( ，z 一1 ) + g ( 以) p ( n ) 上 c ( ，z ) = 兄1 c ( ，l 1 ) 一g ( 甩) x 7 ( n ) c ( _ r l 一1 ) 上 令以= 以+ 1 n 夕 图3 2 正规r l s 算法流程图 3 5 基于r l s 算法的线性快速信道估值 如前所述，由于r l s 算法的复杂性，我们又探讨了线性快速r l s 算法【1 3 】【1 5 】f 2 0 1 。 这里的快速是指在运算上其计算量相对较小，可以很快的实时处理。当然收敛速 度与l m s 比较，也比l m s 收敛快的多。我们称此线形算法为f t f 13 1 ，其具体算 法如下： 短波信道估值与数据检测 初始化：6 ( o ) = ( o ) = 蹄( 0 ) = c j ( o ) = o ；y ( 0 ) - 1 0 ，占，( 0 ) = 9 6 ( o ) = 万： ( 1 ) e i ( nt ，l 一1 ) = x ( ，1 ) 一x ( 甩一1 ) 厶r ( n - 1 ) ( 2 ) p ，( 以l ，1 ) = 7 n ( n - 1 ) e ，( 刀i 咒- 1 ) ( 3 ) e i ( n ) = a 占，( 刀一1 ) + e l ( nl , i - 1 ) e ，( 刀i 以) ( 4 ) ( ，z ) = ( 疗- 1 ) + p ，( _ ，lin ) c _ ( 川) 黜。三棚 + 端m 叫 ( 6 ) y a , + t ( ，1 ) = 2 , e 厂( n - 1 ) y | v ( 甩- 1 ) s ( 甩) ( 7 ) p 6 ( 刀l ，z 一1 ) = 2 , 6 6 ( ，z - 1 ) m ( 以) ( 8 ) 厂( 月) = y , w - i ( n ) ( 1 - r + i ( ，z ) p 6 ( 甩l ，l 1 ) ，z ( 甩) ) ( 9 ) p 6 ( ，li 甩) = 厂 ，( ，1 ) p 6 ( ，zli 1 - 1 ) ( 1 0 ) 占6 ( 月) = 五占6 ( 刀一1 ) + p 6 ( ，ln - 1 ) e 扩( 玎i 以) ( 1 1 ) c ( ，1 ) = m ( ，1 ) + m ( n ) b ( n 一1 ) ( 1 2 ) b , v ( 珂) = b u ( n - 1 ) + e 扩( 狂ln ) c ( ，1 ) ( 1 3 ) e ( nl 疗一1 ) = a t ( n ) 一x ( 珂) 乃焉r ( ，l - 1 ) ( 1 4 ) p ( ，zn ) = y ( n ) e ( ni ，z 一1 ) ( 1 5 ) ( ，1 ) = ( ，l 一1 ) + c ( n ) e 。i nl ，1 ) ( 3 3 5 ) 此算法考虑的是不发散时的情况，发散时的补救措施可参考 1 3 】。一般情况下， 在不发散时按上述方法计算，发散时再调用补救程序。此时运算量与正规r l s 算 法相比可大大减小，其计算量为： 乘法：1 2 n + 2 3 ； 除法：l ； 加法：l l n + 1 7 。 此种算法计算量只与信道长度成正比。其性能在高信噪比下与正规r l s 算 法完全相同。在低信噪比下，此算法要不断调用补救程序，性能有所降低。两者 一 第三章短波信道估值 性能比较如图3 3 所示( 测试条件为：两条路径，多径时延为4 m s ，衰落频率为1 h z ， 信息速率为2 4 0 0 b p s ，1 2 卷积编码) 。 信噪比邑0 ( d b ) 图3 3 快速线性r l s 和正规r l s 性能比较 3 6 基于短波信道的快速r l s 算法信道估值 由于正规r l s 的算法复杂，很难实时实现。而上述的f t f 由于发散问题影响 其精度，而且其计算也比较复杂，不适合在实际中应用。因此我们根据短波信道 的特点提出了一种实用的基于短波信道的快速r l s 算法。又称为快速h f r l s 算 法。这里的快速也是指在运算上其计算量较小，可以实时实现。 根据短波信道的特性，在短波信道中一般只需考虑2 3 根多径，其它的多径 可以忽略不计，在此基础上我们给出了i - i f r l s 的简化算法( 以下讨论都以2 根多 径为例) 。 1 首先利用同步前导序列初估多径的个数和它们之间的距离，取两个或三个最 大值，记录两多径的位置m ，n 和它们之间的距离f 。此时信道长度n 取值较大运算 较复杂，但仅计算一次不用实时处理，可以不考虑。 2 根据步骤1 所确定的两根多径位置，在每次输入发送端原始数据向量x 时 ( 即已知的训练序列) ，仅保留其对应多径位置及其前后两个码元的数据，其它位 置全部清零。设之前发端数据向量x = x ，工：，a n - i 工】，则清零之后发端数据向量 x = 【0 , 0 ，x 。1 ，x 。x 。+ l 0 , 0 ，工。一i ，x 。，x 。+ l 0 , 0 】。 3 然后按上述正规r l s 迭代算法运算，不过此时由于向量x ，向量仅有几 个非零值，逆矩阵c 更是一个稀疏矩阵，非零值很少。由于是矩阵之间的相乘， 只需要计算非零值即可，不需完全按照普通矩阵乘法计算。 2 0 短波信道估值与数据检测 保留多径的f j i 后两个码元是因为：多径距离非码元整数倍或有采样误差造成 的多径扩散，为使估算的信道更精确。按照上述算法，由于稀疏矩阵的作用，使 计算量与信道的长度( 即多径时延距离) 没有任何关系，而只于多径个数有关。 短波信道中多径个数仅考虑较大的2 - - 3 条，即ls3 。而当多径时延为5 m s 时信 道的长度n = 1 5 ，所以其计算量可大大减小。 设多径个数l = 2 ，则此种算法的计算量为： 乘法：3 6 2 + 5 6 ； 除法：l ； 加法：2 5 6 2 + 1 5 6 。 随着多径时延的增大，即信道长度的增大，此种算法得到的增益越多。 从性能上讲，由于这种假设更接近于实际信道，所以在性能上基本没有损失。 特别是在信噪比低时，减少了大噪声对判别多径的影响，所以性能会更好。在信 噪比高时，由于精度受到影响，性能会略微降低。两者性能比较如图3 4 所示( 测 试条件为：两条路径，多径时延为4