（通信与信息系统专业论文）atsc系统中均衡算法的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着数字电视的发展，越来越多的国家和地区已经取消模拟电视，改用更 高速率，更清晰图像的数字电视，数字电视已渐渐进入千家万户。目前国际上 存在3 大标准的地面数字电视d v b t ，a t s c 以及国标d t m b ，为了满足更高 端的客户对地面数字电视的需求，我们需要研究一种通用的均衡器模块，使其 能够适用于多个标准。目前频域均衡器已经在d v b t 和d t m b 两大标准中成功 实现，并取得很好的效果，但在a t s c 标准下，时域的均衡器一直占据主导地位， 那么如果在同一块芯片中集成时域、频域两个均衡器必然导致电路的浪费，本 文致力于研究一种能够在频域实现a t s c 标准接收机的均衡器，为多标准均衡器 的实现带来可能性。目前a t s c 的研究主要集中在欧美等发达国家，对于a t s c 接收机中的均衡器部分，一直都是研究的热点和难点。目前所有关于a t s c 均衡 器的研究都是在自适应滤波器领域，最常见的就是a t s c 标准协会推荐的判决反 馈均衡器，其次是频域自适应均衡。 本文分析判决反馈均衡器( d f e ) 和频域自适应均衡器( f d a e ) 的常见结 构和算法，分析比较它们之间的优点和不足，查阅大量关于频域均衡器方面的 资料，在一种时域频域混合均衡器结构的基础上，研究一种适合a t s c 标准的 混合均衡器，即在频域均衡的基础上增加时域去噪处理，不仅可以避免d f e 复 杂度高的缺点，又能弥补f d a e 在收敛性能上的不足。首先调研该混合均衡器 结构对于a t s c 标准的有效性，m a t l a b 搭建该均衡器的结构并仿真性能，然后c 代码实现后嵌入到已有的a t s c 接收机平台，修改并仿真各种情况下的系统性 能，分析比较仿真结果，最后得到一种优化了的混合域自适应均衡器( 玎) a e ) 。 该均衡器在静态信道条件下完全可以替代判决反馈均衡器在性能上要好于 d f e 均衡器0 5 d b ，同时具有频域自适应均衡器计算量较低的特点，不足的是其 对动态信道的均衡能力较判决反馈均衡器略差。最后本文根据h d a e 均衡器在 收敛速度和动态性能方面的不足提出了一些可以改进的方向，以求能够在降低 均衡器复杂度的条件下最大的接近时域均衡器的性能。 关键词：a t s c ，混合域均衡器，噪声预测 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fd i g i t a lt e l e v i s i o n ，m o r ea n dm o r ec o u n t r i e sa n dr e g i o n s h a v eb e e nc h a n g eu s i n go fa n a l o g ivi n t od i g i t a lt vb e c a u s eo ft h eh i g h e rr a t e s ， c l e a r e ri m a g e d i g i t a lt e l e v i s i o nh a sg r a d u a l l ye n t r ye v e r yh o u s e h o l d h o w e v e r , t h e r e a r et h r e em a j o rc u r r e n ti n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d so ft e r r e s t r i a ld i g i t a lt vd v b t a t s c ， a n dd t m b i no r d e rt om e e tm o r es o p h i s t i c a t e dc u s t o m e rd e m a n df o rt 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 n ，w en e e dt os t u d yae q u a l i z e rw h i c hc o u l da p p l yi nm u l t i s t a n d a r d n o w , f r e q u e n c yd o m a i ne q u a l i z e rh a ss u c c e s s f u l l yi m p l e m e n t e di nt w os t a n d a r d d t m b & d v b a n da c h i e v e dg o o dr e s u l t s h o w e v e r , u n d e rt h ea t s cs t a n d a r d , t i m ed o m a i ne q u a l i z e rh a sb e e nd o m i n a t e d s oi ft h es a m ep i e c eo fs i l i c o ni n t e g r a t e d t i m ed o m a i n ，f r e q u e n c yd o m a i ne q u a l i z e ri sb o u n dt ol e a dc i r c u i to fw a s t e s ow ea r e w o r k i n go naw a yt oa c h i e v et h ef r e q u e n c yd o m a i ne q u a l i z e rr e c e i v e ri na t s c s t a n d a r d t h er e s e a r c ho ft h ea t s ci sm a i n l yi nd e v e l o p e dc o u n t r i e ss u c ha se u r o p e a n dt h eu n i t e ds t a t e s t h es t u d yo fe q u a l i z a t i o ni nt h ea t s cr e c e i v e ri sa l w a y sah o t a n dd i f f i c u l tp a r t u n t i ln o wa l lc u r r e n tr e s e a r c ho nt h ea t s ce q u a l i z e ri si nt h ef i e l d o f a d a p t i v e f i l t e r t h em o s tc o m m o ni st h ea t s cs t a n d a r d sa s s o c i a t i o n r e c o m m e n d e dd e c i s i o nf e e d b a c ke q u a l i z e r ( d f e ) ，t h eo t h e ri st h ea d a p t i v ef r e q u e n c y d o m a i ne q u a l i z a t i o n ( f d a e ) t h i sp a p e ra n a l y z e st h ed f ea n dt h ef d a ee q u a l i z e rs t r u c t u r e sa n da l g o r i t h m s t oa n a l y z ea n dc o m p a r et h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sb ya c c e s s i n gt oal a r g e n u m b e ro fl i t e r a t u r e so nt h ef r e q u e n c yd o m a i ne q u a l i z e r t h e nw ed e v e l o p e da e q u a l i z e rf o ra t s cs t a n d a r db a s e do nat i m ed o m a i n f r e q u e n c yd o m a i nh y b r i d e q u a l i z e rs t r u c t u r ew h i c ha d dan o i s ep r e d i c tp a r to nt h eb a s eo ff d a e i tc o u l d n o t o n l ya v o i dt h eh i g hc o m p l e x i t yo fd f e ，b u ta l s ot om a k eu pf o rf d a et h e c o n v e r g e n c ep e r f o r m a n c ed e f i c i e n c i e s f i r s to fa l l ，r e s e a r c ht h ee f f e c t i v e n e s so ft h e h y b r i de q u a l i z e rs t r u c t u r ef o ra t s cs t a n d a r d t h e nw eu s em a t l a bt o s e tu pt h e e q u a l i z e rs t r u c t u r ea n ds i m u l a t i o ni t sp e r f o r m a n c e u s i n gcc o d et oe m b e d d e di ti n t o t h ee x i s t i n ga t s cr e c e i v e rp l a t f o r ma n ds i m u l a t i o no fs y s t e mp e r f o r m a n c eu n d e r v a r i o u sc i r c u m s t a n c e s f i n a l l yw eg e ta no p t i m i z a t i o no ft h eh y b r i dd o m a i na d a p t i v e e q u a l i z a t i o n ( i - r o a e ) i i 武汉理工大学硕士学位论文 t h ee q u a l i z e rp e r f o r m a n c ei nt h es t a t i cc h a n n e lc o n d i t i o n sc a nr e p l a c ed e c i s i o n f e e d b a c ke q u a l i z e rc o m p l e t e l ya n dh a v et h el o wc o m p u t a t i o no ff d a e t h el a c ko f t h ed y n a m i cc h a n n e lp e r f o r m a n c ei ss l i g h t l yw o r s et h a nt h ed e c i s i o nf e e d b a c k e q u a l i z e r f i n a l l y , a c c o r d i n gt o h d a ee q u a l i z e rc o n v e r g e n c es p e e da n dd y n a m i c p e r f o r m a n c eo f t h es h o r t c o m i n g s ，w eg i v ean u m b e ro fd i r e c t i o n sf o ri m p r o v e m e n t k e yw o r d s ：a t s c ，h y b r i d d o m a i ne q u a l i z e r , n o i s ep r e d i c t 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他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：触日期：删 学位论文使用授权书 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， 即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位 论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认 可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会 公众提供信息服务。 研究生( 签名) ： 驯“驴期础山7 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章引言 1 1 数字电视特点和标准 数字电视( d t vd i g i t a lt e l e v i s i o n ) 是从节目采集、编辑制作到信号的发送、 传输和接收全部采用数字处理的全新电视系统【1 翻。由于数字化，数字电视接收 系统最终的实现有可能仅仅是一块芯片即可实现从接收到模拟视频播放的所有 功能，大大简化了系统体积，减小了系统硬件消耗。目前，数字电视的研究在 发展中国家一直是一个研究的热点，而在发达国家数字电视的发展到现在已经 有将近4 0 年的历史了。目前，日本的i s d b t 是当前世界上三大数字电视之一， 欧洲的d v b t 也是当前在欧洲盛行的数字电视标准。美国方面，其数字电视的 研究也从未停止过，1 9 8 2 年数字电视接收机就已在美国研制成功并于1 9 8 3 年投 放市场。1 9 8 7 年，美国决定提出新的全数字h d t v 制式。同年1 1 月1 7 口，f c c 组建了先进电视( a t v ：a d v a n c e dt e l e v i s i o n ) 业务的民间咨询委员会( a c a t s ： a d v i s o r yc o m m i t t e eo na d v a n c e dt e l e v i s i o ns e r v i c e ) ，标志着美国h d t v 研究的 正式开始。1 9 9 3 年成立了h d t v 大联盟( ( g a ，g r a n da l l i a n c e ) 并于1 9 9 4 年5 月， 正式公布大联盟方案，并在此方案基础上制定了a t s c 数字电视标准，至此美国 数字电视进入了高速发展阶段，但是不尽人意的是a t s c 标准的真正商用却花了 整整十年的时间，原因就是其均衡器始终存在性能不够稳定的情况。 目前全球共有三套国际地面传输系统标准，美国1 9 9 6 年高级电视系统委员 会( a t s c ) 研发的格形编码八电平残留边带( 8 v s b ) 数字电视接收标准，即：a t s c 8 - v s b ；欧洲1 9 9 7 年提出的数字视频地面广播( d w t ) 采用编码正交频分复用 ( c o f d m ) 即：d v b tc o f d m ：日本1 9 9 9 年提出的地面综合业务数字广播 ( i s d b t ) 采用正交频分复用( o f d m ) 虽i j ：i s d b to f d m 。 欧洲的d v b t 和日本的i s d b t 系统o f d m 技术，都是基于多载波技术， 有较强的移动接收能力，a r s c 系统采用8 v s b 调制的单载波体制，采用r s 码 为信道外码，加上网格编码( t c m ) 为信道内码信道编码方案，已在2 0 0 6 年采用 全数字化传输。但由于美国启动过早，技术发展不成熟，所以开始a t s c 系统并 未表现出较强的移动接收能力。 其它一些国家通过对不同标准制式的测试确定了的自己的地面传输标准， 武汉理工大学硕士学位论文 如澳大利亚、西选用了欧洲d v b t 制式，亚洲的韩国和我国台湾地区选用了 a t s c 制，已在2 0 0 1 至2 0 0 3 年开始地面数字电视广播，印度、新加坡、中国香 港等地区也开始发展数字电视广播。我国利用后发之机，在2 0 0 6 年的下半年也 推出了具有自主知识产权的、技术上领先于国际标准的地面数字电视传输方案。 1 2 课题研究目的和意义 a t s c 自适应均衡器的研究其实n - - 十世纪七十年代才开始展开，就其发展 历史来说虽然较短，但其已经有很深的研究基础【3 羽。在此之前，自适应均衡器 的研究已经持续了近6 0 年，到目前为止，自适应均衡器的研究也从未停止过。 自适应滤波器的发展对整个无线通信领域产生了巨大的影响，大大减少了无线 通信中对于已知信号的依赖，是单位时间内传输的有效的数据量更大，特别值 得指出的是，自从自适应滤波理论发展起来后，很快在信道均衡技术中得到了 应用，为我们提供了更为有效的均衡方法，而不用单纯的依赖已知符号做信道 估计。6 0 年代，自适应信道均衡技术主要集中在线性均衡器。有最小均方误差 ( m m s e ) 准则下的最佳发送滤波器和接收滤波器和在均衡器采样时刻无码间干 扰约束条件下的迫零算法( z f ) ，但是这种均衡器有一个比较致命的缺点就是其对 于具有深衰弱的特性的信道，其频率零点很容易因破零算法使噪声以外的放大 而使系统最终崩溃【7 】。所以没过多久，人们开始研究l m s 自适应均衡器。而均 衡器的结构也从线性横向滤波器转向性能更好的判决反馈均衡器( d f e ) 以及具 有分数间隔的线性横向滤波器和判决反馈均衡器【8 1 0 】。另一方面，频域的均衡器 研究也在火热进行，f d a e 均衡器就是一种适合a t s c 接收机的均衡器结构，其 最大的特点就是复杂度较低，但缺点也显而易见，就是由复杂度低以及频域均 衡固有的零频点问题造成的性能上的不足【1 1 1 2 j 。 目前由于国际上存在a t s c 、d t m b 和d v b t 三种地面数字电视标准，且 这三种标准在较长的一段时间内会同时存在，并很难出现另一种更好的标准使 它们放弃自身而改用新的统一的标准。但为了满足一些高端客户的需求，我们 需要一种可以接收任何一种标准的数字电视信号的接收机，以满足其在世界上 任何一个地方都可以正常接收当地节目的要求，这种多标准接收机中某些模块 如均衡器是可以共用的。目前在d v b t 和国家标准d m b t 的均衡器部分，频域 均衡都已经得到很好的应用，取得了很好的成果，唯有a t s c 方面，d f e 一直 占据的主导地位并已经商用化，但d f e 的时域性给多标准接收机带来了很大的 2 武汉理工大学硕士学位论文 障碍，也就是说如果要实现多标准合一，必须在同一块芯片上同时集成时域和 频域两个均衡器，这将是非常浪费的，为了更节省硬件上的开支，我们急需一 种频域上实现的a t s c 均衡器。 本文结合a t s c 系统的特点，设计的均衡器在时频混合判决反馈均衡器结构 的基础上，设计一种可以很好的与a t s c 标准结合的时域频域混合均衡器 ( 坷) a e ) 结构，并加入频域l m s 自适应算法，该均衡器能够对抗较强的频率 选择性信道，在降低计算量的情况下，能够达到与传统判决反馈均衡相近的性 能，具体的均衡器设计见后文。 1 3 本文的主要工作及内容安排 第一章简要的介绍了数字电视接收机的特点和当前世晃上主流的数字电视 接收标准，另外讨论了本文的研究目的和研究的意义。 第二章主要介绍了目前流行的a t s c 接收机均衡器结构和算法，并理论分析 了它们的优点和缺点。 第三章在一种时域频域混合均衡器的基础上，研究其理论基础，并设计和 改进一种适合a t s c 标准的均衡器结构，并分析这种均衡器结构的关键技术给出 改进方向。 第四章主要分析了本文前章给出的均衡器结构和传统判决反馈均衡器在均 衡不同信道时的性能差别，并给出仿真结果。同时对影响该均衡器性能的关键 因素作了仿真分析和研究。 第五章是本文的总结和展望。 武汉理工大学硕十学位论文 第2 章传统的a t s c 均衡器 2 1a t s c 标准的特殊帧结构 目前国际上的三大标准，各有其优缺点，对于a t s c 标准而言，其最大的特 点就是其帧结构，较短的已知p n 序列使其无法利用p n 的特性做信道估计而使 系统快速收敛，但同时也带来了数据量上的优势，也就是说同样的数据量，a t s c 标准传输的有效信号要远多于其他两个标准。 按照标准规定【1 3 巧j ，a t s c 的帧格式如图2 1 所示。每帧包含2 个场数据 ( f i e l d ) ，每个f i e l d 又包括3 1 3 段( s e g m e n t ) ，每个s e g m e n t 由8 3 2 个符号( s i m p l e ) 组成。每个f i e l d 的第一个s e g m e n t 是场同步数据( f i e l ds y n c ) ，其中包括用于接 收机均衡器的训练的伪随机序列，可用作信道估计或者信道初始化，剩余的3 1 2 个s e g m e n t 中，每个s e g m e n t 携带了相当于传送包1 8 8 字节的信息和附加的前 向纠错编码数据。前4 个s i m p l e 传送二进制同步信号，是段同步数据( s e g m e n t s y n c ) 。s e g m e n ts y n c 数据的4 个s i m p l e 相当于原m p e g 传送数据包中的第一个 同步字节。每场的持续时间为2 4 2 m s ，每段的持续时间为7 7 3 us ，因此，a t s c 基带数据速率为1 0 7 6 ms y m b o l s s e c 。 4 符号 l 一8 2 8 符号一 场同步群l 1 3 数据+ 前向纠错码 2 受j l 场同步 2 2 警 数据+ 前向纠错码 j 【 1 一1 段= 7 7 3 微妙一 图2 1a t s c 标准帧结构 4 武汉理工大学硕士学位论文 由图2 - 1 的帧结构可以发现，大约每2 6 万个符号中只有约8 0 0 多个已知符 号，我们根本无法利用其做准确的信道估计。 下图2 - 2 为a t s c 传输系统接收机的原理框图： 唧同 步 抗 相 解调检均 _ h - _ 交 n t s c 位 谐 - - - 一 测 _ _ 。_ _ _ 。_ 衡 _ _ _ _ 器 与 干扰滤 器 跟 划 织 定 波 踪 时 图2 2a t s c8 - v s b 接收机框图 如图所示，r f 信号经过调谐器之后经过同步之后，会做抗n t s c 滤波去除 同频的模拟信号的干扰，之后进入均衡器消除多径干扰，这也是接收机最重要 的一部分，然后会对信号进行解码和解交织，解扰输出t s 码流。 2 2 当前主流a t s c 均衡器 在文献【l6 】中，我们知道在一个完整的无线通信系统中，主要有三种干扰存 在，加性干扰、码间干扰以及同频干扰，其中码间干扰是最为重要干扰。码间 干扰实际上无处不在，由于信道的多径效应，码间干扰常常是均衡器所需要克 服的主要干扰，如果没有均衡器对信道作均衡处理，其他时刻的符号就会使当 前时刻的符号产生幅度或者相位上的畸变，导致在判决端误判而出现大量误码。 那么我们就需要在采样时刻将其减d , n 最小或0 ，除了在定时上保证稳定性和准 确性外，我们还有其他的方法，由奈奎斯特第一定律，我们知道存在一种具有 滚降特性滤波器可以再理论上完全消除码间干扰，但是在实际的无线通信系统 中，由于设计上的不精确性、硬件因温度等原因产生的非线性性以及信道的突 发性和未知性，都使我们没有一个绝对的办法保证完全消除码间干扰。 但大量的实践和实验都可以证明，在基带系统中插入一个抽头系数可调的 滤波器可以有效的缓解这种因为设计误差等原因造成的码间干扰的影响，为了 得到满足无码间干扰的插入滤波器的传输函数，我们首先看下基带传输系统的 原理框图2 3 ： 武汉理工大学硕士学位论文 嚣匦徊勺圈贝咽警 噪声“t ) 图2 3 基带传输系统框图 由图2 3 我们知道整个系统的总传输特性为： 日( 彩) = h 7 ( c o ) 幸致( 国) h r ( 国) ( 2 1 ) 如果再接收滤波器h r ( 功) 之后插入一个滤波器抽头系数可调的滤波器 t ( c o ) ，那么日( 国) 与t ( c 0 ) 组成的总的传输函数为t ( c o ) 宰h ( c o ) ，如果该传输函数 满足【1 4 】中所述的无码间干扰的传输函数的特性，则可以消除码间干扰对系统的 影响，且如果给定一个传输系统的h ( c o ) ，我们通过其唯一决定满足无码间干扰 的滤波器传输特性t ( c o ) = 去即可，从而为我们设计这种滤波器提供依据。 - l 甜i 上述分析表明，均衡器实际上就是一个信道翻转器，也就是说如果信道是 具有频域选择性的信道，也就是说对于不同频率的信号，信道对其的衰减作用 不一样，那么均衡器会根据不同的频率补偿这种信道的衰减，以使这种因信道 造成的衰弱变得较为平坦。那么怎样的均衡器是我们a t s c 系统需要的，怎样得 到我们需要的均衡器就是我们所需要重点讨论的问题。 2 2 1a t s c 时域均衡器 a t s c 均衡器中时域均衡器一直占据着主流位置，很多研究也是基于时域均 衡器的，其中判决反馈均衡器一直是研究的重点，已经在很多地方得到较好的 应用【1 7 珈】，判决反馈均衡器是一种非线性均衡器，是a t s c 标准接收机均衡器常 见的结构，一般有前馈滤波器和反馈滤波器两部分组成。前馈部分的输入信号 是接收的信号，以符号发送间隔t 采样，相当于线性横向均衡器。反馈滤波器 的输入是已经检测出来的符号，对前馈滤波器的输出作处理用来抵消以前发送 符号对当前符号判决产生的码间干扰。在检测符号判决正确的情况下，只有判 决时刻以后的发送符号才能对当前符号的判决产生影响，所以d f e 的性能要优 于线性横向滤波器。但是有一个较为突出的缺点，需要我们重点关注，就是d f e 的错误传播【2 m 2 1 ，也就是说，因为反馈的存在，当前的判决值会经过一个反馈 滤波器之后与前馈滤波器相加，如果当前判决值正确的话，这种均衡器可以很 6 武汉理丁大学硕士学位论文 好的工作并很快收敛，但是不幸的是，如果当前的判决值出现误判，这种误判 也会反馈，从而影响后面的数据判决，一样会出现一个恶性循环，导致系统崩 溃，那么如何提高判决的正确性，提供更可靠的反馈输入也成为很有价值的研 究方向。 在无线传输中，信道通常具有频率选择性，在信道条件特别恶劣的条件下 甚至会遇到具有频谱零点及强多径引起的有严重码间干扰的信道，比如b r a i le 信道，这时常见的线性均衡器在均衡这种恶劣信道的时候将会在它的频率响应 中引入一个大的增益去补偿这个信道的零点，但同时该点的噪声也没意外放大， 常常不能达到满意的效果。 判决反馈均衡器( d e c i s i o nf e e d b a c ke q u a l i z a t i o nd f e ) 的非线性性主要体 现在当前的均衡器输出会反馈回到均衡器的输入端从而破坏其线性性，基本思 想是当检测出某个信号符号时，由该符号引起的符号间干扰由一个反馈滤波器 估计出来并被减去，消除符号间干扰。 下面我们将详细介绍判决反馈均衡器的结构。如图2 4 所示，d f e 均衡器由 前馈滤波器( f e e df o r w a r df i l t e r , f f f ) 和反馈滤波器( f e e db a c kf i l t e r , f b f ) 两个f i r 滤波器以及一个判决器构成，其中反馈滤波器的作用主要是在一个符 号被判决后，就可在均衡后续符号时消除该符号产生的码间干扰。 ( 七) 砭( 七) x n 一，( 后) j 哺( 七) 图2 5 为d f e 的等效模型： 图2 4 判决反馈均衡器结构 7 武汉理工大学硕士学位论文 图2 5d f e 等效模型 f f f 的抽头系数向量表示为： i 七) = 【k ( 七) ，( 七) ，m ，t ( 七) r 。 ( 2 2 ) 其长度为m + 1 ，f b f 的抽头系数向量为： b ( k ) = 【( 七) ，岛( 七) ，k 一。( 七) r ( 2 3 ) 其长度为2 ，f b f 输入递归向量用x ( 后) 表示，且 x ( k ) = 【x ( 七) ，x ( k - 1 ) ，x ( k m ) r ( 2 4 ) 其中d ( k ) 为判决装置对y ( 尼) 的判决值。反馈f i r 滤波器的输入向量为： d ( k ) = 【d ( 七) ，d ( k 1 ) ，d ( k 一2 + 1 ) 】 ( 2 5 ) 则判决均衡器输出为： ，v y ( 七) = w f ( 后) z ( 尼一f + 1 ) 一岛( 七) 岔( 七一f ) = 矿( 后虹( k ) - b r ( j j ) d ( j j ) ( 2 6 ) 式中y ( k ) 是第后个符号的估计值，那么我们可以发现d f e 的非线性性实际 上就是y ( k ) 的判决值d ( k ) 通过反馈滤波器重新进入均衡器导致的。 我们可以发现，上述的判决反馈均衡器是基于符号的，也就是说均衡器的 在每输出一个符号后，前馈和反馈滤波器的抽头系数需要更新一次，它的好处 是能够很好的跟踪多普勒动态信道，但随之带来了计算量的剧增以及非线性性 带来的误差传递问题，这些都是判决反馈均衡器不足的地方。 2 2 2a t s c 频域均衡 这里介绍的频域自适应均衡是一种线性均衡器，这种均衡器的结构较为简 单，只需要一个信道的反转滤波器即可达到均衡的效果，由于没有非线性性， 因此其性能较为稳定，通常用于信道失真不是太严重、频率选择性不是特别强 的场合。频域均衡器在很多通信系统中因其简单而收到很大欢迎，尤其在a t s c 8 武汉理工大学硕士学位论文 系统中，其相对于d f e 的来说，低复杂度很具有吸引力 2 3 - 2 6 】。 频域均衡指的是均衡在频域而不是在时域中完成。频域均衡的基本思想是 利用可调滤波器的频率特性去补偿基带系统的频率特性，使包括可调滤波器在 内的基带系统的总特性满足无失真传输的要求。这种均衡有时比时域均衡灵活 的多【2 7 锄】。另外，对于较长的滤波器来说，可以大大节省所需乘法的数目。 系统无传输失真的条件为： 日( 厂) = 托吖2 确洲 b ( 2 7 ) 式中，日( 厂) 表示整个系统的传递函数，k 和乙为常数，b 表示系统带宽。 上式说明，系统无失真传输即要求系统对信号的各频率分量应具有相同的传输 系数( 或衰减) 和传输时延，或者说，在信号频带内系统应具有平直的振幅频率特 性和线性的相位特性。因此，输入、输出之间的关系为： y ( 七) = k x ( 尼) 一乞】 ( 2 - 8 ) 式中，x ( 七) 为系统的输入信号，y ( 后) 为输出信号。由此可见，信号经系统 传输后除了幅度为k 倍衰减( 或放大) 、波形有t d 的固定时延外，没有别的变化， 即信号传输无失真。上式是对任意传输系统而言的一般意义下的频域均衡的实 现条件。实际上，对数据传输系统通常可将条件放宽，只需满足传输无码间干 扰即可。因而对数据传输系统，加入频域均衡后，系统总传递函数应满足： 日( 厂) = k _ p ，( f ) e - j 2 x p , ( 2 9 ) 式中e ( n 为某种无码间干扰的传递函数。 图2 - 6f d a e 均衡器结构 图2 - 6 是一种基于f f t 的频域自适应均衡器【2 8 之9 1 。输入x ( ，z ) 和期望信号d ) 9 武汉理工大学硕士学位论文 经过串并变换组成n 点时域数据组( 或矢量) 存于各自的缓冲器，然后经过n 点 f f t 变至频域得到n 点频域输入信号。令第k 组频域信号为： k ( | i ) ，d 开扣l ，2 ，n ( 2 - 1 0 ) 对于变换域的第f 频率支路，其权值为( 尼) ，输出为 ) ，且 ( 七) = 如( 尼) ( 尼) ( 2 1 1 ) 相应的误差信号为： ( 七) = d 只 ) 一 ) ( 2 1 2 ) 权更新采用l m s 算法： 阿么( 后+ 1 ) = 阿么( 尼) + 2 a e f i ( 尼) j 毫( 后) ( 2 1 3 ) 当按收敛条件取得足够小时，第i 频率支路的均方误差将收敛到最小值。 采用频域l m s 算法可以减少运算量【2 9 。2 1 。实际上，对于实输入数据，n 阶 时域l m s 均衡器提供n 点输出需要2 n 2 实乘。采用频域均衡器需要3 个n 点 f f t 和2 n 个复乘以提供同样的输出。但对于实输入，由于对称有一半权可以不 计算。而且n 点f f t 可以由n 2 点f f t 和n 2 复乘实现。因此频域处理共需要 3 l o g ：( 以) + 4 个实乘。这样，频域l m s 对时域l m s 的运算量之比为： 塑彗坐墨季鎏茎：3 1 0 9 2 ( 2 ) + 4 n ( 2 1 4 ) 普通l m s 乘法数2 当n = 1 6 时，该比值为0 4 1 ，n = 3 2 时，该比值为o 2 5 ，n = 2 5 6 时，该比 值为0 0 4 9 ，因此当很大时，节省的计算量是相当大的。 整个均衡过程为： w r ，( 七) = 陟名。( 七) ，黟名：( 七) ，巧w ( 七) 】2 ( 2 1 5 ) 从而有： x f ( 后) = 砟。( 七) 0 o oo 砟：( 后) 0 ： i0 0 ( 后) y ( j i ) = 。( 七) ，耳：( 七) ，0 ( 七) r d ，( 七) = 【p 几( 后) ，d r ：( 后) ，p 刚( 尼) r e ，( 七) = 【e f 。( 七) ，e _ ：( 七) ，点0 ( 忌) 】r 1 0 ( 2 1 6 ) ( 2 一1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) 武汉理工大学硕士学位论文 k ( 庇) = x ，( 后) w ( 克) e f ( 七) = d ，( 尼) 一y ，( 七) w r ( k + 1 ) = w f ( k ) + 2 a x ；( k ) e ，( 尼) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) 频域均衡能够以很高的精度来补偿幅度特性和群时延特性的失真，但以往 由于实现时采用的补偿网络很复杂，难于精确实现。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，且随着大规模集成电路和数字信号处 理技术的发展和f f t 算法的更新，从理论上来看，频域均衡完全可以精确实现。 2 3 小结 以上介绍了当前较为常见的两种适合a t s c 标准的均衡器结构，其中d f e 结构是一种最为成熟的a t s c 均衡器，同时也是a t s c 标准协会推荐的均衡器结 构，但是其有一个较为致命的缺点，就是复杂度，由于d f e 的抽头更新是基于 符号的，也就是说，每均衡出一个符号，d f e 的前馈和反馈滤波器都需要更新 一次，一般为了达到一定性能，前馈和反馈滤波器的阶数总和常常达到1 k 以上， 这在大量的数据处理过程中显的过于缓慢和臃肿，对于电路设计也是不利的， 特别是当多标准合一的大背景下，这种需要大量乘法器和加法器的时域均衡器 是不受欢迎的。而相反，f d a e 均衡器由于在频域处理，且是基于块的，滤波器 抽头为一个数据块更新一次，且借助f f t 技术，大大的加快了时域、频域的相 互转换，因此f d a e 均衡器的算法复杂度得到了很大的降低，但是其缺点也是 显而易见的，由于没有反馈的存在，其在性能上远远不及d f e 。 表2 1 目前两种流行的a t s c 均衡器特点对比 均衡器优点缺点 判决反馈均衡基于符号的自适应均基于符号更新而带来的 衡，算法收敛快，性能复杂度急剧增加。 良好且具有一定动态性 能。 频域自适应均衡基于数据块的自适应均 基于块更新而带来的算 衡，算法复杂度很低。 法收敛速度慢，性能较 d f e 差，动态性能不足。 由表2 1 可以看到判决反馈均衡和频域自适应均衡的主要矛盾在于复杂度 与性能之间的矛盾，频域自适应均衡虽然性能上不足，但其吸引人的地方在于 其算法复杂度是随着块处理的大小呈对数下降的。以块大小为n 的数据为例， 武汉理工大学硕士学位论文 f d a e 算法需要3 次f f t 运算外加2 n 次复数乘法以及2 n 次复数加法，如果使 用按频率抽取的基2 f f t 算法，一次f f t 需要0 5 n l o g ，n 次复数乘法以及 n l o g ，n 复数加法。那么f d a e 算法总共需要复数乘法1 5 n l o g ，+ 2 次，复 数加法3 n l o g ，+ 2 次。相比与d f e 算法，我们设前馈滤波器和反馈滤波器抽 头个数均为6 4 个，d f e 大约需要乘法数1 2 8 n 次，复数加法1 2 8 n 次。对比f d a e 和d f e ，实际上数据块越大，f d a e 在计算量上的优势越明显。对于我们本文 中提到的h a e 均衡器，其前馈部分使用频域处理，反馈部分为时域处理，其算 法复杂度是基于f d a e 和d f e 之间，需要复数乘法1 5 n l o g ，n + 2 n + 3 2 n 次， 复数加法3 n l o g ，n + 2 n + 3 2 次。 所以我们设计的改进思路必须依托频域均衡算法的低复杂度，然后想办法 解决导致其性能不足的零频点问题才能最终实现低复杂度高性能的均衡器。 1 2 武汉理t 大学硕十学位论文 第3 章改进的a t s c 均衡器 3 1 时频混合均衡器( h d a e ) 原型 对频率选择性信道，判决反馈均衡器由于在减小i s i 的同时没有放大噪声， 故可以取得比f d a e 更好的性能。一般的d f e 均衡器都是基于符号的，对符号 进行判决，滤波，然后反馈至前端来抵消其对后而数据的干扰，前面已经讨论， 这种方式带来较大的计算量。那么为了能够取得计算量与性能的中和，采用一 种基于p n 的时频联合处理的d f e 结构( h d a e ) f 3 3 0 6 1 ，频域均衡作为d f e 的前 馈滤波部分，时域的反馈滤波部分用常规的i i r 滤波器。图3 - i 给出了这种均衡 器结构的基木框图。 f 司 i - - - _ - _ _ - 一 w l 图3 1 时域频域混合均衡器原理图 我们可以发现，该结构的均衡器实际上是判决反馈均衡和f d a e 的结合。 接收数据乙经f f t 后得到频域数据r ，在频域乘以抽头系数，然后经i f f l r 到时域 完成d f e 的前馈滤波。时域数据进行逐符号判决后进入时域反馈滤波器，去掉 其对后而的符号的干扰，从而完成整个判决反馈均衡。我们根据最小均方误差 的准贝j j ( m m s e ) 确定频域均衡器的系数 形) 和时域判决反馈均衡器的系数 无】， 从而补偿频率选择性衰落信道引起的幅度和相位损失。 时域频域混合均衡器的反馈部分的抽头更新使用的是当前的判决符号与期 望输出的差值，前馈滤波器使用的是利用p n 序列的信道估计值，均衡器首先将 这个信道估计值变到频域上之后输入到混合均衡器的前馈部分，然后做频域上 1 3 武汉理一大学硕士学位论文 3 2h d a e 在a t s c 中的实现 3 2 1 实现难点 首先，需要明确的是所有基于a t s c 标准接收机的均衡器需要面对的一个最 重要的问题就是如何针对其帧结构中已知数据量少而产生的初始接收问题，这 个问题的解决与否决定了最终均衡器的成功与失败。 那么，具体到f d a e 均衡器结构，我们需要重点解决就是如何在接收机初 始工作时，使用什么方法快速而有效地打开眼图，使后面的工作能够顺利进行。 另一方面，我们还需要考虑的是在f d a e 的频域部分使用怎样的自适应算法， 也就是均衡器结构中w 值如何得到的问题。 3 2 2 实现结构框图 汹 咽 图3 2h d a e 均衡器结构框图 如图3 2 所示，首先是初始信道估计模块，它主要完成初始收敛的作用从 而保证后面的自适应过程可以很好的跟踪整个信道，特别是在动态信道的情况 下，如果系统的初始收敛情况不佳，会导致自适应的过程始终跟不上信道变化 的过程，从而最终系统始终都无法收敛。另一方面，由于算法初始时系统在眼 图没有打开的情况下，系统的收敛速度可能会比较慢，特别在一些比较恶劣的 信道条件下可能会使信道收敛的非常慢，如果加入初始信道估计的话，会在很 大程度上加快系统的收敛速度。值得说明的是，对于静态信道，由于信道没有 多普勒，实际上信道条件是不发生变化的，所以这时初始信道估计模块实际只 起了加快系统收敛速度的作用，而对于提高系统性能并没有作用。 其次是f b l m s 频域自适应模块，该模块的作用主要是将接收到的数据做均 衡处理，消除多径影响以求恢复出发送的数据。快速块l m s 是一种基于块处理 的自适应算法，在数字通信系统中，信道通常是时变的，由于信道是时变的， 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 因此要求均衡器的特性能够自动适应信道的变化而均衡，即根据一定的自适应 算法跟踪信道的变化，达到估计信道特性、消除码间干扰的目的。我们使用的 自适应实际上是一种频域自适应，基本原理就是利用自适应算法在频域上迭代 出一个信道的翻转w ，然后利用w 求出发端数据的估计值。 第三个重要的模块就是噪