（通信与信息系统专业论文）短波信道的均衡器的研究.pdf

a b s t r a c t i nt h i s p a p e r t h e e q u a l i z e rt e c h n o l o g y o fs e r i c a lt r a n s m i s s i o no fh fd i g i t a l c o m m u n i c a t i o n s y s t e m a n dt h e a l g o r i t h mi m p l e m e n t o f f i x e d - p o i n t d s pw e r e s t u d i e d a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co f h fc h a n n e l ，t h ew a t t e r s o nm o d e lw h i c hw a s c c i rr e c o m m e n d e dw a sm a d e 。t h e a d a p t a b i l i t yo f t h ed i f f e r e n ts t r u c t u r eo f e q u a l i z e r t o h fc h a n n e lc h a r a c t e r i s t i cw e r e a n a l y s i z e d t h e s i m u l a t i o nr e s u l ti n d i c a t e dt h e d e c i s i o n - f e e d b a c ke q u a l i z e r ( d f e ) h a dg o o d a d a p t a b i l i t y t oh f c h a n n e l t h ec o n v e r a g i n g b e h a v i o ra n d t r a c k i n gb e h a v i o ro f t w ok i n d so f t h ea d a p t i v ea l g o r i t h m m sa l g o r i t h m a n dr l s a l g o r i t h m w e r ea n a l y s i z e d t h em a n a b l a n g u a g e a n dc l a n g u a g e w e r e a p p l i e d t os i m u l a t et h ef i x e d p o i n td s pa r i t h m e t i co f e q u a l i z e ra l g o r i t h m t h es i m u l a t i o nr e s u l t i n d i c a t e dt h e d i v e r a g e n c ep h e n o m e n o n w o u l dh a p p e nt o a d f e ( a d a p t i v e d e c i s i o n f e e d b a c k e q u a l i z e r ) b a s e d o nr l sa l g o r i t h mu n d e rt h e f i x e d p o i n tf i n i t e - p r e c i s i o n a r i t h m e t i c t h e c o m p u t a t i o n a l c o m p l e x i t i t y o f i n v e r s e q r - r l s a l g o r i t h ma n d s q u a r e - r o o t k a l m a na l g o r i t h mw h i c hh a dn u m e r i c a ls t a b i l i t yw e r ea n a l y s i z e d b e c a u s et h eq r - r l s n e e d e dt h es q u a r t r o o ta n di n v e r s eo f m a t i r x o p e r a t i o n ，w h i c hh a dl a r g ec o m p u t a t i o n ，w a s n o tf i tf o rf i x e d p o i n td s p i m p l e m e n t o fr e a lt i m e ，a d f eb a s e do ns q u a r e - r o o tk a l m a n a l g o r i t h mw a sa p p l i e dt of i x e d - p o i n td s pa l g o r i t h mi m p l e m e n to ft h ee q u a l i z e ro f h f d m n n e l 。t h es i m u l a t i o nr e s u l to ft h ee q u a l i z e ro ft h em o d e r a t eh fc h a n n e li n d i c a t e dt h e a d f eb a s e do n s q u a r e r o o t k a l m a n a l g o r i t h m w a s u p s t a n d i n g a n dh a dn u m e r i c a l s t a b i l i t y a c c o r d i n gt os q u a r e - r o o tk a t m a na l g o r i t h mh a v i n g t h ep h e n o m e n o no ft h e r o u n d o f f e r r o ra c c u m u l a t e d ，p e r i o d i c a l t r a i n i n ga n d t h ei n i t i a l i z a t i o no f t h ea l g o r i t h mw a s a p p l i e d 。a t l a s t ，t h es c h e m eo f t h e a l g o r i t h mi m p l e m e n to f f i x e d p o i n td s p w a s p r e s e n t e d 。 k e y w o r d s ：h fe q u a l i z e ra d a p t i v ea l g o r i t h m f i n i t e - w o r d l e n g t h 硕 。论文怒波信道豹均衡器的研究 1 绪论 1 1 短波通信的数据传输 短波通倍自问世以来融走过妪年历程，由于其自身的优点和缺点，经历了波折起 伏的发展过程。在卫星通惰和移动通信为发展起来之前，短波通信在军事、外交、气 象、艇空、航海、和捻睑救灾等镁域缛剿广泛廒用，一度成为主要鳇无线魄逶售拳段。 六十年代卫摄通信的出现和发展，由于其较短波通信能提供宽得多的频带和高质通信 线路，搜褥诲多入认为短波逶信汪经过瓣，蘧波逶售熬发震路入低谷。毽是褒实懿情 况表明，卫星通信并不能完全替代短波通信。短波通信存在通信费用低廉，抗毁性强 ( 赭裔不荔攘毁的中继系统电离鬣) 豹优点，穗对于重藿的翁毁佳的缺点，使得 短波邋信重新被人们所重视。同时，数字信号处理、微处理嚣的发展和各种新的技术 如：自适应技术、跳频技术、差错控制等在短波通信中的应用，使得短波通信的质量 和数撼抟输送率键到提裹，增强t 叁逶应秘抗干扰裁力。到8 0 年代，矮波逶镲重瑟 焕发活力。尤其是在军事通信领域中，短波通信占据着很璧耍的地位。 筑滚逶糖线路上传送离速数据豹主要障礴是多镪传撵掰零l 起豹露域扩散。雷 达与遥控信桥源系统的数据传输采用短波数字通信。它在码元速率为7 5 波特下工作， 码闻窜扰的影响很小，今欲提高其传输速率，娴多径传播的所造成的码间串扰将凸现 出来，限制数据速率的提离。本文在这一个工程背景下研究提高数据速率的技术途径。 斑波通倍通常采用两种体制来进行高速数据的传输。这两种体制为：并行体制和 串霉然制。_ 势 亍体裁瓣主要愚想裁是将蹇速矮波售遂分裂成菪于并露涎予信遂，在霉 个子倍道上传送一个副载波，采用频分正交调制，用多个副载波并行传输的方法提高 速率。又稼为多音 fm o d e m 。辩孝亍钵餐的话输，是采臻稠宽鹳元宽度，篌萁远大予 多径时延。泉消除多径干扰的影响。比较典型的产品如h a r r i s 公司的r f - 3 4 6 6 。串 行h fm o d e m 只是采用一个载波。也称为单音h fm o d e m 。数据串行性的方式调制发 送，黉达到比较赢的速率如2 4 0 0 b p s ，睦l 于码霓宽度短，串霉亍体制蛇码闻串扰十分的 严重。由于每个码元占据了整个频谱，受多径引起的频率选择性黉落的影响比较小， 实酝娄中采鼹逶姿躲鸯逶瘫均鸳渡术裁哥鞋游除多径荣亲懿弱阕枣撬。囊忿霹翘，自 适应均衡器怒串行h fm o d e m 巾很重绥的组成部分。目前串行体制有两种比较典型 的标准：美军稼m l l s t d 8 8 。 伯a 渊和蔻约豹s t a n g 4 2 8 5 。 串行体制和并行体制各有优缺点。并行体制技术成熟、成本低，具霄较高的性能 硕 。论文怒波信道豹均衡器的研究 1 绪论 1 1 短波通信的数据传输 短波通倍自问世以来融走过妪年历程，由于其自身的优点和缺点，经历了波折起 伏的发展过程。在卫星通惰和移动通信为发展起来之前，短波通信在军事、外交、气 象、艇空、航海、和捻睑救灾等镁域缛剿广泛廒用，一度成为主要鳇无线魄逶售拳段。 六十年代卫摄通信的出现和发展，由于其较短波通信能提供宽得多的频带和高质通信 线路，搜褥诲多入认为短波逶信汪经过瓣，蘧波逶售熬发震路入低谷。毽是褒实懿情 况表明，卫星通信并不能完全替代短波通信。短波通信存在通信费用低廉，抗毁性强 ( 赭裔不荔攘毁的中继系统电离鬣) 豹优点，穗对于重藿的翁毁佳的缺点，使得 短波邋信重新被人们所重视。同时，数字信号处理、微处理嚣的发展和各种新的技术 如：自适应技术、跳频技术、差错控制等在短波通信中的应用，使得短波通信的质量 和数撼抟输送率键到提裹，增强t 叁逶应秘抗干扰裁力。到8 0 年代，矮波逶镲重瑟 焕发活力。尤其是在军事通信领域中，短波通信占据着很璧耍的地位。 筑滚逶糖线路上传送离速数据豹主要障礴是多镪传撵掰零l 起豹露域扩散。雷 达与遥控信桥源系统的数据传输采用短波数字通信。它在码元速率为7 5 波特下工作， 码闻窜扰的影响很小，今欲提高其传输速率，娴多径传播的所造成的码间串扰将凸现 出来，限制数据速率的提离。本文在这一个工程背景下研究提高数据速率的技术途径。 斑波通倍通常采用两种体制来进行高速数据的传输。这两种体制为：并行体制和 串霉然制。_ 势 亍体裁瓣主要愚想裁是将蹇速矮波售遂分裂成菪于并露涎予信遂，在霉 个子倍道上传送一个副载波，采用频分正交调制，用多个副载波并行传输的方法提高 速率。又稼为多音 fm o d e m 。辩孝亍钵餐的话输，是采臻稠宽鹳元宽度，篌萁远大予 多径时延。泉消除多径干扰的影响。比较典型的产品如h a r r i s 公司的r f - 3 4 6 6 。串 行h fm o d e m 只是采用一个载波。也称为单音h fm o d e m 。数据串行性的方式调制发 送，黉达到比较赢的速率如2 4 0 0 b p s ，睦l 于码霓宽度短，串霉亍体制蛇码闻串扰十分的 严重。由于每个码元占据了整个频谱，受多径引起的频率选择性黉落的影响比较小， 实酝娄中采鼹逶姿躲鸯逶瘫均鸳渡术裁哥鞋游除多径荣亲懿弱阕枣撬。囊忿霹翘，自 适应均衡器怒串行h fm o d e m 巾很重绥的组成部分。目前串行体制有两种比较典型 的标准：美军稼m l l s t d 8 8 。 伯a 渊和蔻约豹s t a n g 4 2 8 5 。 串行体制和并行体制各有优缺点。并行体制技术成熟、成本低，具霄较高的性能 硕士论文短被信道的均穗器的研究 徐格魄，毽楚萁存在蓑受额率选择毪衰落熬彩赡较大，频率零l 蘑搴低，瓣发射飘的指 标要求高等缺点。而对于抗多径干扰方面采用的是消极的加大码元长度的方法来消除 褥闯窜扰，裔前并行体翩针对予抗多径麓力弱豹缺点研究采用适警的绸锚编码技术提 高抗多径能力 4 5 1 。而串彳亍h fm o d e m 通过自适应均衡来消除码闯串扰，当短波信道 存在严重多径时，串行体制明显优予并行体制f 4 ”。在同样谈码率的情况下，串行体制 m o d e m 毖势行体割m o d e m 可透攀裹2 0 婚一4 0 。萋可逶搴要求隧定，则串舒 m o d e m 的误码率比并行体制低得多。而且在接收电平相同条件下，串行体制相对于 著行体裁鹣饶点：瓣频率选择毪寝落彝窄带茭信遂予撬较不敏感。荤透带发射梳的互 调失真所造成的非线性串扰对串行体制影响不大。峰值平均功率比低( 即发射功率 翻焉攀高) 簿。 由上可知，串弗行体制各有优缺点。总的来说，串行体制对予抗多径干扰方面性 能明媪优于并行体制。 态速枣行h fm o d e m 主要分三类：以塞适皮均餐嚣失圭体戆蹇速串摇h f m o d e m ，以极大似然序列检测器( m l s d ) 为核心的高速串行h fm o d e m ，以自适应 穆衡嚣穗m l s d 缝合致蔫速辜孽亍h fm o d e m 。m l s d 聪瘸h f 多撩信道天然卷辍编码 器( 延时抽头结构簿效为卷积编码器) 结构，将v i t e r b i 译码引入解调中，其特点： 系统输入数据各符号是等概率凼现时，扶整个系统麓错概率最小出发，采用m l s e 方式，使得系统获褥最佳性能。它充分利用了信道时间扩散使系统获彳罨隐分集效应。 性能优于自适应均衡。但所需运算量，存储擞都相当大，运算量为n 2 ( n ：序列的 符号数，鹾；每个德号鲍趣平数，l ：鹦闼串羧豹长度) ，与售遂谗忆长度或璃阙串撬 长度成指数关系，只适合予信道时间扩敞较小的场合，研究攫点在于算法简化和改进。 鑫蔫大都磷翻静串行m o d e m 都是采攘自遥应均餐，鑫适应均籀豹复杂程痰低，荔 实时实现，且能达到较好的性能。 1 2 均衡器的发展及概况 均鬟是抗码阉搴技的枣效接辘。垮麓器懿发展蠢史己久。睾农二+ 艇纪年钱 前，电话信道均衡器的出现克服了数据传输过程中的码间串扰带来的失真影响。那时， 均衡器要么楚困是豹，要么其参数魏调整是手工遴彳亍。在1 9 6 5 年，l u c k y 在均褥阉 题上做出突破性进展，提出了迫零准则，自动调整横向滤波器的权系数。l u c k y 的开 创往工作激发推动了自适应均衡器在铮个不同方面的许多重大的进展。1 9 6 9 年， o e r s h o 和p r o a k i s ，m i l l e r 分别独立的搬出采髑均方误差准则( m s e ) 。之后在囊适应 均衡领域，各种自适应算法的提出并威用于均衡器中 1 s l i 3 s l 。1 9 7 2 年，u n g e b o e c k 将 l m s 舞法应用于爨适应均鬻。1 9 7 4 年，g o d a r d 在k a l m a n 滤波臻论上攘导玉递攫最 硕士论文短被信道的均穗器的研究 徐格魄，毽楚萁存在蓑受额率选择毪衰落熬彩赡较大，频率零l 蘑搴低，瓣发射飘的指 标要求高等缺点。而对于抗多径干扰方面采用的是消极的加大码元长度的方法来消除 褥闯窜扰，裔前并行体翩针对予抗多径麓力弱豹缺点研究采用适警的绸锚编码技术提 高抗多径能力 4 5 1 。而串彳亍h fm o d e m 通过自适应均衡来消除码闯串扰，当短波信道 存在严重多径时，串行体制明显优予并行体制f 4 ”。在同样谈码率的情况下，串行体制 m o d e m 毖势行体割m o d e m 可透攀裹2 0 婚一4 0 。萋可逶搴要求隧定，则串舒 m o d e m 的误码率比并行体制低得多。而且在接收电平相同条件下，串行体制相对于 著行体裁鹣饶点：瓣频率选择毪寝落彝窄带茭信遂予撬较不敏感。荤透带发射梳的互 调失真所造成的非线性串扰对串行体制影响不大。峰值平均功率比低( 即发射功率 翻焉攀高) 簿。 由上可知，串弗行体制各有优缺点。总的来说，串行体制对予抗多径干扰方面性 能明媪优于并行体制。 态速枣行h fm o d e m 主要分三类：以塞适皮均餐嚣失圭体戆蹇速串摇h f m o d e m ，以极大似然序列检测器( m l s d ) 为核心的高速串行h fm o d e m ，以自适应 穆衡嚣穗m l s d 缝合致蔫速辜孽亍h fm o d e m 。m l s d 聪瘸h f 多撩信道天然卷辍编码 器( 延时抽头结构簿效为卷积编码器) 结构，将v i t e r b i 译码引入解调中，其特点： 系统输入数据各符号是等概率凼现时，扶整个系统麓错概率最小出发，采用m l s e 方式，使得系统获褥最佳性能。它充分利用了信道时间扩散使系统获彳罨隐分集效应。 性能优于自适应均衡。但所需运算量，存储擞都相当大，运算量为n 2 ( n ：序列的 符号数，鹾；每个德号鲍趣平数，l ：鹦闼串羧豹长度) ，与售遂谗忆长度或璃阙串撬 长度成指数关系，只适合予信道时间扩敞较小的场合，研究攫点在于算法简化和改进。 鑫蔫大都磷翻静串行m o d e m 都是采攘自遥应均餐，鑫适应均籀豹复杂程痰低，荔 实时实现，且能达到较好的性能。 1 2 均衡器的发展及概况 均鬟是抗码阉搴技的枣效接辘。垮麓器懿发展蠢史己久。睾农二+ 艇纪年钱 前，电话信道均衡器的出现克服了数据传输过程中的码间串扰带来的失真影响。那时， 均衡器要么楚困是豹，要么其参数魏调整是手工遴彳亍。在1 9 6 5 年，l u c k y 在均褥阉 题上做出突破性进展，提出了迫零准则，自动调整横向滤波器的权系数。l u c k y 的开 创往工作激发推动了自适应均衡器在铮个不同方面的许多重大的进展。1 9 6 9 年， o e r s h o 和p r o a k i s ，m i l l e r 分别独立的搬出采髑均方误差准则( m s e ) 。之后在囊适应 均衡领域，各种自适应算法的提出并威用于均衡器中 1 s l i 3 s l 。1 9 7 2 年，u n g e b o e c k 将 l m s 舞法应用于爨适应均鬻。1 9 7 4 年，g o d a r d 在k a l m a n 滤波臻论上攘导玉递攫最 硕士论文短波信道的均衡器的研究 小均方算法r l s ( r e c u r s i v el e a s t s q u a r e s ) p 。l m s 类算法和r l s 类算法是自适应滤波 算法的两个大类。之后对于l m s 算法和r l s 算法存在的缺点，提出了各种的算法改 进形式。在这方面有很多人作了进一步的研究工作。对于基本的l m s 算法的收敛速 度慢，提出了解相关的l m s 算法，有分为时域解相关和变换域解相关。时域解相关 主要是消除原来信号的相关性使得收敛速度得到提高，而变换域解相关主要是利用变 换域如：酉变换、离散余弦变换( d c t ) ，实现某种程度的解相关。对于r l s 算法的计 算量大的缺点提出了快速r l s 算法，它是利用输入数据矩阵的t o p e p l i t z 结构的冗余 性，通过前向和反向的线性l s 预测得到运算量的减小，计算复杂度为0 ( m ) 。快速 r l s 算法有：f t f 算法( 快速横向滤波算法) 。f t f 算法运算量约为i o m 。对于f t f 算法，只有在均衡器的抽头个数大于1 0 的时候，运算量小才体现出来。同时由于f t f 算法存在着数值不稳定性。限制了算法的实际应用。对于r l s 算法数值不稳定的缺 点，提出了采用对矩阵采用分解的代数方法，得到新的改进算法均方r l s 算法，逆 q r r l s 算法和平方根k a l m a n 算法。r l s 算法的计算复杂性和m2 成正比，为o ( m 2 ) ， ( m 为需调整的权矢量系数的个数) ，均方r l s 算法的计算量和r l s 算法相当。1 9 7 5 年，y s a l o 首次提出了盲均衡的概念。之后盲均衡算法的研究成为国际通信界的一个 研究热点。各种基于信号高阶统计量，神经网络、模糊理论等盲均衡算法的讨论研究 层出不穷。目前仍主要处于理论研究阶段【l9 1 ，对于其实用性，有待于进一步的研究。 对于均衡器结构而言，最初为线性结构均衡器，1 9 6 7 年a u s t i n 最早提出了判决 反馈均衡器d f e ( d e c i s i o n - f e e d b a c ke q u a l i z e r ) 。分数间隔均衡器f s e ( f r a c t i o n a l l ys p a c e d e q u a l i z e r ) 补偿延迟失真的能力比通常的同步均衡器有效得多，其另一个优点是数据 传输可以开始于任意采样相位。早期的工作由b r a d y 于1 9 7 0 年发起。之后在这主题 上，u n g e b o e c k ( 1 9 7 6 ) ，o i t l i n 和w e i n s t e i n ( 1 9 8 1 ) 都作了进一步的研究。 1 3 本文的工作 本文的工作是研究短波数字通信系统中的均衡技术，及定点d s p 均衡算法的实 现。为进一步提高雷达遥控信标源系统的传输速率做前期的准备工作。各章节的 主要内容如下： 第2 章主要分析短波信道的传输特性，以及对高速数据传输的影响。针对于短波 信道的特点，建立了基于w a r e r s o n 模型的短波信道模型，给出短波信道模型的仿真 实现方案。最后给出了短波基带数字传输的等效简化模型。 第3 章给出消除码间串扰的措施，最常用的、易实现的是采用均衡技术。然后介 绍了几种目前常用的均衡器结构。分析了均衡器结构对短波信道的适应性。仿真说明 了判决反馈均衡器的结构适合作为短波信道均衡器的结构。由短波信道的时变特点决 硕士论文短波信道的均衡器的研究 小均方算法r l s ( r e c u r s i v el e a s t s q u a r e s ) p 。l m s 类算法和r l s 类算法是自适应滤波 算法的两个大类。之后对于l m s 算法和r l s 算法存在的缺点，提出了各种的算法改 进形式。在这方面有很多人作了进一步的研究工作。对于基本的l m s 算法的收敛速 度慢，提出了解相关的l m s 算法，有分为时域解相关和变换域解相关。时域解相关 主要是消除原来信号的相关性使得收敛速度得到提高，而变换域解相关主要是利用变 换域如：酉变换、离散余弦变换( d c t ) ，实现某种程度的解相关。对于r l s 算法的计 算量大的缺点提出了快速r l s 算法，它是利用输入数据矩阵的t o p e p l i t z 结构的冗余 性，通过前向和反向的线性l s 预测得到运算量的减小，计算复杂度为0 ( m ) 。快速 r l s 算法有：f t f 算法( 快速横向滤波算法) 。f t f 算法运算量约为i o m 。对于f t f 算法，只有在均衡器的抽头个数大于1 0 的时候，运算量小才体现出来。同时由于f t f 算法存在着数值不稳定性。限制了算法的实际应用。对于r l s 算法数值不稳定的缺 点，提出了采用对矩阵采用分解的代数方法，得到新的改进算法均方r l s 算法，逆 q r r l s 算法和平方根k a l m a n 算法。r l s 算法的计算复杂性和m2 成正比，为o ( m 2 ) ， ( m 为需调整的权矢量系数的个数) ，均方r l s 算法的计算量和r l s 算法相当。1 9 7 5 年，y s a l o 首次提出了盲均衡的概念。之后盲均衡算法的研究成为国际通信界的一个 研究热点。各种基于信号高阶统计量，神经网络、模糊理论等盲均衡算法的讨论研究 层出不穷。目前仍主要处于理论研究阶段【l9 1 ，对于其实用性，有待于进一步的研究。 对于均衡器结构而言，最初为线性结构均衡器，1 9 6 7 年a u s t i n 最早提出了判决 反馈均衡器d f e ( d e c i s i o n - f e e d b a c ke q u a l i z e r ) 。分数间隔均衡器f s e ( f r a c t i o n a l l ys p a c e d e q u a l i z e r ) 补偿延迟失真的能力比通常的同步均衡器有效得多，其另一个优点是数据 传输可以开始于任意采样相位。早期的工作由b r a d y 于1 9 7 0 年发起。之后在这主题 上，u n g e b o e c k ( 1 9 7 6 ) ，o i t l i n 和w e i n s t e i n ( 1 9 8 1 ) 都作了进一步的研究。 1 3 本文的工作 本文的工作是研究短波数字通信系统中的均衡技术，及定点d s p 均衡算法的实 现。为进一步提高雷达遥控信标源系统的传输速率做前期的准备工作。各章节的 主要内容如下： 第2 章主要分析短波信道的传输特性，以及对高速数据传输的影响。针对于短波 信道的特点，建立了基于w a r e r s o n 模型的短波信道模型，给出短波信道模型的仿真 实现方案。最后给出了短波基带数字传输的等效简化模型。 第3 章给出消除码间串扰的措施，最常用的、易实现的是采用均衡技术。然后介 绍了几种目前常用的均衡器结构。分析了均衡器结构对短波信道的适应性。仿真说明 了判决反馈均衡器的结构适合作为短波信道均衡器的结构。由短波信道的时变特点决 颂l 论史短波信道的均衡器的研究 定了均衡器必须自适应调节系数。分析了常用的2 大类自适应算法，l m s 类算法和 r l s 类算法。并根据短波时变信道对自适应算法的要求。给出了两种算法的收敛、跟 踪性能的分析和比较结果。 第4 章考虑到拟采用d s p 定点芯片实现，分析定点有限字长对r l s 算法的判决 反馈均衡器的影响，给出微机仿真定点算法的方案，并给出模拟定点d s p 算法的r l s 算法的自适应判决反馈均衡器( a d f e ) 对短波信道的仿真结果，定点1 6 位字长下的 r l s 算法的a d f e 对短波信道的均衡出现发散现象。 第5 章针对于发散现象，采用改进算法。分析了逆q r r l s 算法和均方k a l m a n 算法的判决反馈均衡器。给出定点1 6 位字长的平方根k a l m a n 算法的模拟仿真结果。 仿真结果说明了平方根k a l m a n 算法的a d f e 具有较好的数值稳定性，适合作为短波 信道的均衡定点d s p 实现算法。 第6 章针对于平方根k a l m a n 的a d f e 仍存在着舍入误差积累现象，采用周期性 训练，周期算法重置的方法。给出平方根k a l m a n 的a d f e 的d s p 算法实现方案。和 对短波信道均衡的模拟结果。 4 硕士论文 短波信道的均衡器的研究 2 短波信道的传输特性和信道模型 短波通信是利用波长为1 0 0 1 0 m ( 频率为3 3 0 m h z ) 的电磁波进行通信。许多国 家，也把短波通信称为高频( h f ) 无线电通信。短波有地波传播和天波传播两种传 播形式。天波传播较地波传播更有意义，天波可以进行远距离传播，还可以在很短的 距离内建立无线电通信线路。通常情况下，都是采用天波传输的形式。也就是依靠电 离层的一次或多次反射，进行通信。 2 1 短波信道的特点1 1 1 4 1 短波信道的特点是由它的传播媒介，电离层的特性所决定的。电离层的变化严重 影响电波的传输情况。 电离层是地球高空大气层的一部分，从6 0 k m 一直延伸到1 0 0 0 k m 的高度，有自 由电子，正、负离子，中性分子和原子等组成的等离子体。 由低到高电离层可分成四个区域，成为d 层，e 层，f 1 层，f 2 层。各层之间没 有明显的分界线，也没有非电离的空气间隙。各层对电波传播的影响不同。d 层也称 之为吸收层，距地球表面6 0 9 0 k m 。d 层同出而生，日落而消失，d 层对于电波影响 主要在于对电波能量的吸收。当电波穿过d 层时，会遭受严重的衰减。衰减量远大 于e 层、f 层。白天通信时，d 层决定了短波传播的距离、发射机功率和天线增益。 e 层高度大约在1 0 0 1 2 0 k m ，最大电子密度发生在1 1 0 k m 处，和d 层一样，e 层也 是同出电离，正午可达最大值，日落后，对短波传播不起作用。电离时，可反射1 5 m h z 频率的电波。f 层，反射层，包括f l ，f 2 层。是短波电离层传播最重要的部分，通 过该层对电波的反射完成通信。其特性随季节和时间发生变化。f 1 层高度大约在 1 7 0 2 3 0 k m 处，f 2 层大约在2 2 5 , - - 4 5 0 k m ，和其他层不同的是，其在日落后并没有完 全消失，仍保持剩余电离，因而，夜间仍可进行短波通信，但所用频率低于白天的工 作频率。 电离层的特性，存在着较规则的变化和随机的不规则的变化。规则变化如电离层 的状态电离层的高度，电子密度有明显的日变化，季节变化。不规则的变化主要表现 为突发e 。层，电离层突然骚扰，磁暴等现象。 电离层的特性决定了短波通信电波传播的特点。主要表现在以下几个方面： 坝l 论文 短波信道的均衡器的研窀 2 1 1 多径传播 由于电离层特性，电波可通过若干条路径不同的传输模式到达接收端。电离层的 传输模式通常指短波传播的路径。一条通信线路中存在着多种传播路径，不同的通信 距离可能有不同的传输模式，而相同的距离也可能有多种传输模式存在，这造成了短 波通信存在多径的特点。对于多径路数的统计【2 ”，多径路数在2 4 条约占8 5 ，以3 条出现几率最高。 由于各路径具有不同的长度，到达接受端的各射线所经历的传播时间是不尽相同 的。多径时延差( 简称多径时延) 是指多径传输中最大的传输时延和最小的传输时延 之差。多径时延的大小和通信距离，工作频率等因素有关。 趣僵正膏a - ) 图2 i 1 1多径时延和通信距离的统计曲线 图2 1 1 1 示出多径时延和通信距离之间的统计曲线。可见，在2 0 0 3 0 0 k m 的短 波线路上，由于电离层与地面间的多次反射，使多径时延最严重，可达到8 m s ；在 2 0 0 0 8 0 0 0 k m 的线路上，可能存在的传播模式减少，多径时延只有2 3 m s 。当通信距 离进一步增大时，由于不再存在单跳模式，多径时延又随之增大，当距离为2 0 0 0 0 k m ， 可达到6 m s 。 另一方面，多径时延随着工作频率偏离m u f ( 最高可用频率) 的增大而增大。可 选择一定的工作频率，使得多径时延不超过限定的数值。尽管通过频率选择技术( 使 工作频率处于m u f 附近) 可以有效的减小多径延迟，但统计表明，至少有9 9 的时 间多径在0 5 m s 以上。m u f ( 最高可用频率) 表示指在通信中，给定通信距离下的能被 电离层反射回地面的电波的最高频率。若通信距离发生变化，则m u f 也随之改变。 多径缩减因子英文缩m r f 。定义为工作频率和最高可用频率之比。m r f 表示 6 硕十论文短波信道的均衡器的研究 工作频率偏离m u f 的程度。s a l a m a n 总结了不同的通信距离和多径缩减因子之间的 关系如图2 1 12 所示。 图2 1 1 2 中给出了多径时延为0 5 4 m s 的不同长度的通信距离上所对应的m r f 值。对于某一确定的通信距离，随着工作频率偏离m u f 的程度增大。多径时延也随 之增大。 _ - ：皇 ： _ 砷 - 一_ _ - i 。 嘲 _ 一 一 一掣： _ - ij - _ _ - m 一 - 一 过 i l m 、 、： - l 盛t a _ 图21 1 2 通信距离和多径缩减因子关系曲线 多径时延还具有时变性，电离层的电子密度变化越急剧，多径时延的变化也越严 重。由于电离层的结构还存在着较快的随机起伏，所以多径时延除了随日，消失变化 外，还存在着快变化。 1 4 2衰落 在短波通信中，即使在电离层的平静时期，也不可能获得稳定的信号。在接收端 信号振幅总是呈现忽大忽小的随机变化，这种现象称为“衰落”。在短波传播中，衰 落又有快衰落和慢衰落之分。连续出现持续时间仅几分之一秒的信号起伏称为快衰 落。持续时间比较长的衰落( 可能达一小时或者更长) 称为慢衰落。 根据衰落产生的原因。可以归结为以下三种衰落：干涉衰落，吸收衰落和极化衰 落。干涉衰落是由于到达接收端若干个信号的干涉所造成。干涉衰落具有明显的频率 选择性，衰落信号的振幅服从瑞利分布。衰落速率大约为1 0 2 0 次分，衰落深度可 达4 0 d b ，偶尔达8 0 d b 。持续时间通常在4 2 0 m s 范围内，它和吸收衰落有明显差别。 产生吸收衰落的原因是d 层衰减特性的慢变化，其时间最长可以持续一小时或更长。 硕十论文短波信道的均衡器的研究 工作频率偏离m u f 的程度。s a l a m a n 总结了不同的通信距离和多径缩减因子之间的 关系如图2 1 12 所示。 图2 1 1 2 中给出了多径时延为0 5 4 m s 的不同长度的通信距离上所对应的m r f 值。对于某一确定的通信距离，随着工作频率偏离m u f 的程度增大。多径时延也随 之增大。 _ - ：皇 ： _ 砷 - 一_ _ - i 。 嘲 _ 一 一 一掣： _ - ij - _ _ - m 一 - 一 过 i l m 、 、： - l 盛t a _ 图21 1 2 通信距离和多径缩减因子关系曲线 多径时延还具有时变性，电离层的电子密度变化越急剧，多径时延的变化也越严 重。由于电离层的结构还存在着较快的随机起伏，所以多径时延除了随日，消失变化 外，还存在着快变化。 1 4 2衰落 在短波通信中，即使在电离层的平静时期，也不可能获得稳定的信号。在接收端 信号振幅总是呈现忽大忽小的随机变化，这种现象称为“衰落”。在短波传播中，衰 落又有快衰落和慢衰落之分。连续出现持续时间仅几分之一秒的信号起伏称为快衰 落。持续时间比较长的衰落( 可能达一小时或者更长) 称为慢衰落。 根据衰落产生的原因。可以归结为以下三种衰落：干涉衰落，吸收衰落和极化衰 落。干涉衰落是由于到达接收端若干个信号的干涉所造成。干涉衰落具有明显的频率 选择性，衰落信号的振幅服从瑞利分布。衰落速率大约为1 0 2 0 次分，衰落深度可 达4 0 d b ，偶尔达8 0 d b 。持续时间通常在4 2 0 m s 范围内，它和吸收衰落有明显差别。 产生吸收衰落的原因是d 层衰减特性的慢变化，其时间最长可以持续一小时或更长。 颃t 论文短波信道的均衡器的研究 暖收衰落藩予馒衰落。蔽渡衰落有下粥特薤：接收点馐号豹幅度的交纯魄较缓慢，箕 周期从几分钟到几小时( 包括日变化) 。对短波整个频段的影响程度是相同的。极化 衰落醯= ；现豹概率远较干涉衰落小。仅占全部衰落的1 0 1 5 。可以采用檄化分集韵方 法解决。 2 1 3多普勒频移和多酱勒扩展 筑波传播对，爱于多绞效应耱奄蓊瀑夔不均匀毪鹈不羧剿熬交往会孳| 超倍弩褶整 发生随机变化。出于电离层的快速运动，产生附加的的频移，这种频移就称为多普勒 频移。一般多普赣簇移在o 1 l h z 左右。同榉由于电离层的不均匀和不虢粥的运动， 信号在传输列会发生散射，这就产生了多普勒扩展。大量统计数据表明【3 l ：一般条件 下，短波通信中多普勒扩橇在o 1 1 h z 左右，急刷衰落时可达到1 0 1 0 0 h z 。 2 1 4千扰 猩短波波段的干扰主要有大气宇宙噪声、工业干扰、电台干扰等组成。除了这些 终部干扰矫。还有海帮干孝茏和接收设备本身掰产生静嗓声。如：发射梳置调干扰、接 收机互调干扰等。 2 2 短波信道对数据传输的影晌 短波售邋对数援转竣豹影嚼主要塞多径效瘟窝多营赣效癍造成静。多径簸疲雩| 起 信道时间色散，可能会造成信道频率选择性衰落，而d o p p l e r 效应引起信道频率色散， 会造威信道辩闰选择往衰落，鄂：信道的时交性。 当信号的带宽w 相干带宽( ) 。，则此时称之为频率选择性信道。信号通过此 种信邋时，会出现不同韵频率分惫所受到的增益和相位偏移都不同。某些频率分量会 受到大幅衰减。当信号的带宽w “( a x ) 。，则越时镶遘为 频率选择矬售道。翅于 带宽表征了信道幅频响应的两个分量保持强相* 的最大频率间隔。相干带宽与多径时 延扩数r ，残攒数关系，帮： 。* f 1 2 。2 1 ) 多普勒效应体现了信道的时阅选择性衰落。对闻选择性褒落的快馒主要取决予码 元间隔t 和相干时间( 血) ，之间的关系。当码元间隔r 相干带宽( ) 。，则此时称之为频率选择性信道。信号通过此 种信邋时，会出现不同韵频率分惫所受到的增益和相位偏移都不同。某些频率分量会 受到大幅衰减。当信号的带宽w “( a x ) 。，则越时镶遘为 频率选择矬售道。翅于 带宽表征了信道幅频响应的两个分量保持强相* 的最大频率间隔。相干带宽与多径时 延扩数r ，残攒数关系，帮： 。* f 1 2 。2 1 ) 多普勒效应体现了信道的时阅选择性衰落。对闻选择性褒落的快馒主要取决予码 元间隔t 和相干时间( 血) ，之间的关系。当码元间隔r 相干带宽( ) 。，则此时称之为频率选择性信道。信号通过此 种信邋时，会出现不同韵频率分惫所受到的增益和相位偏移都不同。某些频率分量会 受到大幅衰减。当信号的带宽w “( a x ) 。，则越时镶遘为 频率选择矬售道。翅于 带宽表征了信道幅频响应的两个分量保持强相* 的最大频率间隔。相干带宽与多径时 延扩数r ，残攒数关系，帮： 。* f 1 2 。2 1 ) 多普勒效应体现了信道的时阅选择性衰落。对闻选择性褒落的快馒主