（通信与信息系统专业论文）vhf频段航空无线信道的估计与均衡.pdf

y i 2 3 7 0 1 摘要 l 在保证一定可靠性的前提下进行高速的数据通信是目前设计数7 - 通信系统 中的主要目的。无线通信中，一个很基本的影响通信质量的问题就是由于 r a y l e i g h 或r i c e a n 衰落而导致衰落影响。如在频率选择性衰落信道和时变衰 落信道中由于车载运动所带来的i s i 和离散多普勒频移的影响，使得接收信号的 质量很差扣每论文中将设计一种有效的信道估计器与均衡器来对抗无线信道衰落 影响。 首先建立一个v h f 频段航空信道模型，在此模型中采用典型的，情况最差 情况下的衰落参数，运用这些参数就可以建立一个基于此模型上的信道估计器。 在接下来信道估计中由于发送信号的格式采用t d m a 突发帧格式，在每一帧中 前一部分数据是训练序列，后一部分为数据序列，采用块适应的方法来进行信道 估计。在每一帧开始时，由于训练序列是已知的，所以采用最优窗函数递归最小 均方算法来估计训练序列期间的c i r ( 信道冲激响应) 。这是信道估计的第一步。 接下来在发送未知的数据序列时，根据在训练序列期间估计出的信道冲激响应值 采用内插算法内插出发送数据序列期间的信道冲激响应值。内插器的加权系数是 依赖f 每个时刻的s n r 值来进行最优控制的。 在获得信道估计值后，接下来的工作是设计一种算法来有效的将当前估计出 的信道冲激响应值与均衡器抽头系数进行很好的映射。这儿采用t 间隔的均衡器 结构，并且在此算法中通过将噪声的影响最小化来进步更正均衡器的抽头系数 值。 ；以上算法的性能均运用m a t l a b 在不同s n r ，不同最大多普勒频移，不同 的归一化采样率的情况f 进行仿真，并通过性能曲线米证明此算法的有效性。 a b s t r a c t t h em a i n o b j e c t i nt h e d e s i g n o f d i g i t a i c o m m u n i c a t i o n s y s t e m i st o a c h i e v et h e h i g h e s tp o s s i b l e t r a n s m i s s i o nr a t ew i t h a c c e p t a b l e i e v e io f r e l i a b i l i t y l nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n st h eb a s i cpr o b l e mi st h et i m ed i s p e r s i o n i n t r o d u c e d b yt h er a y l e i g h o rr i c e a n f a d i n gm u l t i p a t hc h a n n e lt h u s ，t h e s i g n a ld i s p e r s i o n c a u s e d b yf r e q u e n c ys e l e c t i v em u l t i p a t hf a d i n ga n dt h e t i m e v a r y i n gs i g n a lp r o p a g a t i o nr e s u l t i n gf r o mv e h i c u l a rm o t i o n si n t r o d u c e i n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e ( i s i ) a n dr a n d o md o p p l e rf a d i n g i no r d e rt oc o m b a t i n t e r s y m b o li n t e r t e r e n c e ( i s l ) a n dr a p i dt i m ed i s p e r s i o nv a r i a t i o ni nw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n so c c u r r i n go v e rf r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n gm u l t i p a t hc h a n n e l s ， w ei n v e s t i g a t e dae f f i c i e n tc h a n n e le s t i m a t i o na n d e q u a l i z a t i o n r e c e i v e r s t r u c t u r et oc o m b a tt h ew i r e l e s sf a d i n g i nt h i sp a p e r ，w ep r o p o s eav h fa e r o n a u t i c a ic h a n n e lm o d e ia n d s u g g e s t t y p i c a la n d w o r s t - c a s ep a r a m e t e rs e t sa n dp r e s e n tac h a n n e j e m u l a t o r , w h i c h i se a s yt oi m p l e m e n to nd i g i t a lc o m p u t e r so ri nh a r d w a r et h e nw e a d d r e s st h e i s s u eo ft h er a p i d l yt i m e v a r y i n gd c rc h a n n e lb ye m p l o y i n gb l o c ka d a p t a t i o n b a s e do na s i g n a l i n gf o r m a tc o n s i s t i n go fc o n t i g u o u sf r o m e so ft r a n s m i t t e d d a t aw i t h i nal o n gt d m at i m es l o t s p e c i f i c a l l y ，t h es t ar to fe a c hd a t af r a m e c o n t a i n sak n o w nt r a i n i n gs e q u e n c e ，w h i c hi su s e dt oe s t i m a t et h ei m p u l s e r e s p o n s e f nt h ep e r i o do ft h et r a i n i n gd a t a ，w eu s e da n o p t i m a lw i n d o w e d r e c u r s i v ei e a s ts q u a r e s ( o w r l s ) a l g o r i t h mt oe s t i m a t et h ec i rt h i si st h e f i r s ts t a g eo ft h ec h a n n e le s t i m a t i o n a n di nl h es e c o n ds t a g e w eu t i l i z ej i n e a r i n t e r p o l a t o rt oy i e l dc h a n n e le s t i m a t e si nt h ed a t as e g m e n to ft h ep a c k e tt h e i n t e r p o l a t o rw e i g h t sa r ea d j u s t e do p t i m a l l y ，d e p e n d i n go nt h es n ri ne a c h a c q u i r e dc h a n n e lt a p a f t e rw eo b t a i n e dt h ec h a n n e le s t i m a t i o n ，t h en e x tw o r kw e s h o u l dd oi st o p r e s e n ta na l g o r i t h mf o rm a p p i n gt h ec h a n n e lp a r a m e t e r st ot h ee q u a l i z e r e f f i c i e n th e r ew eu t i l i z et h es i m p l et s p a c e de q u a l i z a t i o ns t r u c t u r ea n di nt h e a l g o r i t h mw ef u r t h e rr e v i s et h ee q u a l i z e re f f i c i e n tb ym i n i m i z i n gt h en o i s e e f f e c t s t h ea l g o r i t h m p e r f o r m a n c ei s s h o w nb y a n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nu s i n g m a t l a bi nt h e c o n d i t i o no fd i f f e r e n ts n r d i f f e r e n tm a x i m u m d o p p l e t f r e q u e n c ys h i f ta n dd i f f e r e n tn o r m a l i z e ds a m p l i n gr a t e 浙江人学坝l + 学位论文 第一章绪论 1 1 无线通信的发展： 自1 8 9 7 年马可尼第一次展示了无线电使在英格兰海峡里行使的船只保持持 续不断的通信能力以来，运动中的通信能力已经得到举世瞩目的发展。自那以后， 全世界的人们都在热切地期盼使用新的无线通信方法和途径。特别是在过去的十 年里，无线移动通信在数字和射频电路制造技术方面的进步，在新的大规模集成 电路和其他使便携移动设备做得更小、更便宜、更可靠的小型化技术的推动下获 得了巨大的发展。数字交换技术又推动了移动通信网络的大规模发展。这一趋势 在下一个十年里会以更快的步伐发展。 以前，移动通信领域的发展是缓慢的，和技术的进步紧密相连。向所有人提 供无线通信能力的方案一直没有被人们构想出来，直到六、七十年代贝尔实验室 提出了蜂窝的概念。随着7 0 年代高度可靠的、小型化的、固体射频电路的发展， 无线通信的时代才到来。最近，全球蜂窝和个人通信系统接近指数曲线的发展， 直接归功于7 0 年代的新技术，现在只不过是发展更为成熟而已。 无线通信被广泛应用于商业、气象、军事、民用等领域。在过去的几年里， 中国的通信业务的种类和数且增长非常迅速。就无线通信技术来说，己从单一的 话音业务，发展到可以提供话音、数据和传真业务。随着通信技术和计算机技术 的发展，无线个人通信系统必须能够提供现有的通信网络( 含i s d n ) 中的绝大 部分业务，即来自各种信源( 语音、传真、低速和高速数据) ，具有不同特征( 数 据率、激活因子、突发性) 和不同质量( 误比特率) 要求的多媒体业务。其最高 业务速率要达到2 m b i t s 。同时还可以做到：1 能够接入大型商用数据库；2 能够接入包括娱乐和教育节目的数字影象数据库；3 能够提供具有语音识别和 手写体识别等功能的简单人机接口；4 能够支持分布式移动计算机环境等。 当代无线通信系统有很多，例如，卫星通信系统、蜂窝通信系统、无线寻呼 系统、短波通信系统、微波通信系统等。各种通信系统由于自身特点的不同而应 用于不同的场合。短波电台适合远距离传输，其所需的发射功率不大，传输的“中 继系统”电离层不会被摧毁：卫星通信能传播高质量的信息，所能提供的频带 很宽：微波通信抗二f 扰能力很强，适合大量的数据传输，但只能在点与点之问传 浙江大学顺j 学位论文 输。蜂窝结构通信是为了适应不同用户的要求，既能满足需要大的无线覆盖丽积 和高速移动用户的要求，又能满足高密度和低速移动用户的要求，同时还要能满 足室内用户的要求。同时无线通信在军事通信领域也是不可缺少的重要通信手 段，如军用电台，军用电工作在不同频段，有的在h f 频段，有的在v h f 、u h f 频段。 1 2 无线信道估计与均衡的重要性： 无线通信系统的性能主要受到移动无线通信环境的制约，无线通信应用很广 泛，但是无线通信的媒质环境一无线信道却会由于其衰落的程度而大大影响无线 通信的质量。在个典型的无线通信环境中，由于接收机和发信机之间的直达路 径被建筑物或其他物体所阻碍，所以，在一个无线通信系统中发射机与接收机之 间的通信不是通过直达路径，而是通过许多其他路径完成的。在特高频c u h f ) 和超高频( v f f f ) 频段，从发射机到接收机的电磁波的主要传播模式是散射，即从 建筑物平面反射或从人工、自然物体折射。 在市区建筑群中，移动台在任何时间接收的信号包含许多平行传播的平面电 磁波，这些电磁波的幅度、相位和角度相对于移动台的运动方向是随机的。每个 电磁波分量到达的相位和角度在统计上可认为是独立的。因为接收信号的相位是 随机的，则可认为它在( 0 ，2 石) 均匀分布。设空间角度为口，则电磁波落在口与 口+ d a 扇区内的概率为p ( a ) d a 。概率密度p ( a ) 不能被完全表达，因为它随着环 境而变化，即使在同一环境中从一个区域到另区域也不同。 所有信号分量合成产生个复驻波，它的信号的强度根据各分量的相对变化 而增加或减少。其合成场强在移动几个车身长的距离中会有2 0 3 0 d b 的衰落，在 实验中它的最大值和最小值发生的位置大约相差1 4 波长。大量传播路径的存在 就产生了所谓多径现象。这种衰落信号不仅发生在移动台用户接收信号时，蜂窝 小区的基站接收同样会受到衰落信号的影响，但作用可能随时间不同。由于信号 快速衰落，这种现象叫做短期衰落。当移动台通过这样的衰落信号区时，噪音和 二f 扰会进入收信机，可能导致话音中断和数据丢失。尽管概念上也可以采用线性 调制，如幅度调制，但是在8 0 0 1 9 0 0 m h z 频段衰落速度和幅度很大，所以往蜂窝 系统中e 前还是采用频率调制方式。在上面模型中，能量通过许多非直达路径达 t l 人学颅i 。学位论文 到收信机，这个模型叫做“散射场模型”；另外出于相位随机，也可叫做“- ：i ；e 十h 千场横型”。有时接收到的总能量中有很大一部分是通过一条可见路径从发射机 达到收信机，这时由于直达路径接收场的相位不是随机的，所以也叫做“相二f 波”。 在郊区和偏远地，“相干波”比例大，而在市区信号能量多数是散射形式。除了 短期衰落外，移动收信机相连的平面波随着从一点向另一点移动环境发生变化而 缓慢变化。在短期衰落上是主信号强度缓慢变化的长期衰落。这种长期变化，通 常是通过增加发射功率解决的。 总的来说，在无线环境中有两种影响：第一种是多路径，由于从建筑物表面 或其他物体反射、散射而产生的短期衰落，通常移动距离是几百英尺；第二种是 直接可见路径产生的主要接收信号强度的缓慢变化，即长期场强变化。地面视距 微波信道由于多径时延差小，信道时变速率与实际通信数码率相比很小。因此可 看成在码元时间量级上信道是不变的，信道的缓慢变化在若干个码元期间是感觉 不出来的。而在高频和超高频无线信道中的情况则不同，信道变化率和码率相比 较已经达到不可忽略程度，并由于多普勒频移，在码元间隔或若干个码元间隔上 已经可以感到信道特性的变化，此时如果不加入信道估计与均衡部分，接收信号 的质量将极其的差。 冲激响应是无线信道的重要特性，它包含了所有用于模拟和分析信道无线传 播的信息，这是因为移动无线信道可建摸为一个具有时变冲激响应特性的线性滤 波器，其中时变是由于接收机和空间运动所引起的。信道的滤波特性以任一时刻 到达的多径波为基础，其幅度与时延之和影响信道滤波。冲激响应是信道的一个 有用特性，可用于预测和比较不同移动通信系统的性能，以及某一特定移动信道 条件下的传播带宽。移动无线信道的变化与移动无线信道的冲激响应直接相关。 而信道估计接收机能近似信道的冲激响应，逼近实际信道特性，得知信道的冲激 响应后，信道均衡器便可利用信道估计来克服码问干扰的影响， 下图为常见的信道估计流程图。 浙江人学顺f 。学位论文 e r m 捌口m j e ( n ) 图1 信道估计的流程图 例如r a k e 接收机中的分集技术便是利用信道估计值来实现匹配滤波器，使 得接收机与接收信号而不是与发送信号最佳匹配。最大似然检测器也是利用信道 估计值来使检测误差最小。 而信道均衡则利用被估计出的信道冲激响应的值来补偿时变信道中由于多 径效应而产生的码问干扰。大家都知道，如果调制带宽超过了无线信道的相干带 宽，将会产生码间干扰，并且调制信号将会展宽。而信道均衡器可以对信道中的 幅度和延迟进行补偿。使得接收机判决得到的信号质量与原始发送信号更为接 讶。 1 3 本文的主要工作： 本文主要研究v h f 波段( 快速时变航空信道) 的信道估计与均衡算法。首 先建立一v h f 波段信道模型，再在基于此模型所得到的接收信号的基础上进行 信道估计与均衡，其估计均衡效果通过计算机仿真结果来得到验证。仿真结果证 明：本文所提出和采用的信道估计与均衡算法能较好地跟踪快速时变航空信道。 浙江大学碳i 卜学位论文 第二章无线信道估计与均衡的理论发展 2 1 无线信道的特性： 信道衰落一般指小尺度衰落，即指无线信号在经过短时间或短距传播后其幅 度快衰落，以致大尺度路径损耗影响可忽略不计，这种衰落是由于同一传输信号 沿两个或多个路径传播以微小的时间差到达接收机的信号相互干涉引起的。 无线信道的多径性导致小尺度衰落效应的产生。三个主要效应表现为： 经过短距或短时传播后信号强度的急速变化。 在不同多径信号上，存在的时变多普勒频移( d o p p l e rs h i f t s ) 引起的 随机频率调制。 多径传播时延引起的扩展( 回音) 在高楼林立的市区，由于移动天线的高度比周围建筑矮得多，因而不存在从 移动台到基站的视距传播，这就导致了衰落的产生。即使有这样一条视距传播路 径存在，由于地面与周围建筑物的反射，多径传播仍会发生。入射电波以不同 的传播方向到达，具有不同的传播时延。空间任一点的移动台所收到的信号都由 许多平面波组成，它们幅度、相位和入射角度是随机分布的。这些多径分量被接 收机天线按向量合并，从而使接收信号产生衰落失真。即使移动接收机处于静止 状态，接收信号也会由于无线信道所处环境中的物体的运动而产生衰落。 如果无线信道中的物体处于静止状态，并且运动只由移动台产生，则衰落只 与空间路径有关。此时，当移动台穿过多径区域时，它将信号中的空间变化看作 瞬时变化。在空间不同点的多径波的影响下，告诉运动的接收机可以在很短时间 内经过若干次衰落。更为严重的情况是：接收机可能停留在某个特定的衰落很大 的位置上。在这种情况下，尽管可能由行人或车辆改变了场模型，从而打破接收 信号长时问维持失效的情况，但要维持良好的通信状态仍非常困难。 由于移动台与基站的相对运动，每个多径波都经历了明显的频移过程。移动 引起的接收机信号频移称为多普勒频移。它与移动台的运动速度、运动方向，以 及接收机多径波的入射角有关。 浙江人学坝 j 学位论文 无线信道中许多物理因素影响小尺度衰落，包括： 多径传播信道中反射及反射物的存在，使发射机达到接收机时形成时间、 空间上相互区别的多个无线电波。这些因素使发射机到达接收机时形成在时问、 空间上相互区别的多个多径波。不同多径分量具有的随机相位和幅度引起信号幅 度波动，导致小尺度衰落、信号失真等现象。多径传播常常延长信号基带部分到 达接收机所用的时间，由于码间干扰引起信号模糊。 移动台的运动速度一基站与移动台间的相对运动会引起随机频率调制，这 是由于多径分量存在的多普勒频移现象。决定多普勒频移是正频或负频取决于移 动接收机是朝向还是背向基站运动。 环境物体的移动速度如果无线信道中的物体处于运动状态，就会引起时 变的多普勒频移。若环境物体以大于移动台的速度运动，那么这种运动将对小尺 度衰落起决定作用。否则，可仅考虑移动台运动速度的影响，而忽略环境物体运 动速度的影响。 信号的传输带宽一如果信号的传输带宽比多径信道带宽大得多，接收信号 会失真。但本地接收机信号强度不会衰落很多( 即小尺度衰落不占主导地位) 。 信道带宽可用相干带宽量化。这里，相关带宽是个最大频率差的量度，与信道 的特定多径结构有关。在次范围内，不同信号的幅度保持很强的相关性。若传输 信号带宽比信道带宽窄，信号幅度就会迅速变化，但信号不会出现时间失真。所 以，小尺度信号的强度和短距传输后信号模糊的可能性与多径信道的特定幅度、 时延及传输信号的带宽有关。 移动无线信道的小尺度变化与移动无线信道的冲激响应直接相关，冲激响应 是宽带信道的特性，它包括了所有用于模拟和分析信道无限传播的信息，这是因 为移动无线信道可建模成一具有时变冲激响应特性的线性滤波器，其中的时变是 由于接收机的空间运动所引起的，信道的滤波特性以任一时刻到达的多径波为 基础，其幅度与时延之和影响滤波，冲激响应是信道的一个有用特性，可用于预 测和比较不同的移动信道系统的性能以及某一特定移动信道条件下的传播带宽。 2 1 1 移动多径信道的参数 包括时问色敞参数、相干带宽、多普勒扩展、相干时问。 浙江人学坝i 学位论文 1 时间色散参数 为比较不同多径信道以及开发无线系统设计的方法，采用了量化多径信道的 一些参数，其中有平均附加时延，r 1 s 时延扩展，以及附加时延扩展( x d b ) 。这 些参数可由功率延迟分布得到。宽带多径信道的是时间色散特性通常用平均附加 时延( t ) 和r i l l s 时延扩展( 盯，) 定量描述。平均附加时延上功率延迟分布的一 阶矩，定义为： 一a 。2 r t p ( r t ) r t ”袁2 丽 q d r m s 时延扩展是功率延迟分布的二阶矩的平方根，定义为： 仃，= r 2 一( r ) 2 ( 2 2 ) 其中： 口：r ：p ( o ) r ： ，2 袁2 蔚 q 3 2 相干带宽 时延扩展是由反射及散射传播路径引起的现象，而相干带宽皿是从r m s 时 延扩展得出的一个确定关系值。相关带宽是一定范围内的频率的统计测量值，是 建立在信道是平坦( 即在该信道上，所有谱分量均以几乎相同的增益及线性相位 通过) 的基础上。换句话说，相干带宽就是指一特定频率范围内，两个频率分量 有很强的幅度相关性。频率间隔大于毋的两个正弦信号受信道影响大不相同。 如果相干带宽定义为频率相关函数大于0 9 的某特定带宽，则相干带宽近似为： b 一“二一 ( 2 4 ) 。 5 0 0 - ， 多普勒时延和相干时间：时延扩展和相干带宽是用于描述本地信道时间色散 特性的两个参数。然而，它们并未提供描述信道时变特性的信息。这种时变特性 或是由移动台与基站间的相对运动引起的，或是由信道路径中物体的运动引起 的。多普勒扩展和相干时间就是描述小尺度信道时变特性的两个参数。 3 多普勒扩展b 。 谱展宽的测量值，这个谱展宽是移动无线信道的时间变化率的一种量度。多 普恸扩腮被定义为一个频率范围，在此范围内接i | 叟的多普勒谱有非。值。当发送 浙江人学坝i j 学位论文 频率为厂的纯j l i 弦信号时，接收信号谱【! | j 多普勒潜在，：，至：+ 厶范田内存在 分量，其中兀是多普勒频移，谱展宽依赖于，兀是移动台的相对速度、移动 台运动方向、与散射波入射方向之间夹角0 的函数。如果基带信号带宽远大于b 。 则在接收机段可忽略多普勒扩展的影响。这是个慢衰落信道。 4 相干时间r 。 多普勒扩展在时域的表示，用于在时域描述信道频率色散的时变特性。与相 干时间成反比，即： 1 t 。z ( 2 5 ) j 。 相干时间是信道冲激响应维持不变的时间间隔的统计平均值。换句话说，相干时 间就是指一段时间间隔，在此间隔内，两个到达信号有很强的幅度相关性。如果 基带信号带宽的倒数大于信道相干时间，那么传输中基带信号可能会发生改变， 导致接收机信号失真。 当信号经过移动台无线信道传播模型时，其衰落类型决定发送信号特性及信 道特性，信号参数( 如带宽、符号间隔等) 与信道参数( 如r m s 和多普勒频移) 决定了不同的发送信号将经历不同类型的衰落。移动无线信道中的时间色散与频 率色散可能产生4 种显著效应。这些是由信号、信道及发送速率的特性引起的。 当多径的时延扩展引起时间色散以及频率选择性衰落时，多普勒扩展会引起频率 色散以及时间选择性衰落。这两种传播机制是彼此独立的。 2 1 2 信道基本类型分类： 平坦衰落、频率选择性衰落、快衰落、慢衰落。 浙江大学坝l 。学位论文 图2 小尺度衰落类型 1 平坦衰落 如果移动无线信道带宽大于发送信号的带宽，且在带宽范围内有恒定增益及 线性相位，则接收信号就会经历平坦衰落过程。这种衰落是最常见的一种。在平 坦衰落情况下，信道的多径结构使发送信号的频谱特性在接收机内仍能保持不 变。然而，由于多径导致信道增益的起伏，使接收信号的强度会随着时间变化。 2 频率选择性衰落 如果信道具有恒定增益和线性相位的带宽范围小于发送信号带宽，则该信道 特性会导致接收信号产生选择性衰落。在这种情况下，信道冲激响应具有多径时 延扩展，其值大于发送信号波形带宽的倒数。此时，接收信号中包含经历了衰减 和时延的发送信号波形的多径波，因而，产生接收信号失真。 3 快衰落 在快衰落信道中，信道冲激响应在符号周期内变化很快。即信道的相干时间 比发送信号的信道周期短。由于多普勒扩展引起频率色敞( 也称为 时问选择性衰 浙江人学坝卜学位论文 落) ，从而导致信号失真。在频域可看出，信号失真随发送信号带宽的多普勒扩 展的增加而加剧。 4 慢衰落 在慢衰落信道中，信道冲激响应变化率比发送的基带信号s ( t ) 变化率低得 多，因而可假设在一个或若干个带宽倒数间隔内，信道均为静态信道。在频域中， 这意味着信道的多普勒扩展比基带信号带宽小得多。 2 1 3r a y l e i g h 和r i c e a n 分布： 描述衰落信号接收包括统计时变特性的分布类型有两种： r a i l e j g h 衰落分布和r i c e a n 衰落分布： r a i l e i g h 分布的概率密度函数( p d f ) 为： 时) ：素 专)(0 厶时) 而到达相角 此处取g ( a 1 = 15 代入上式则 口s 一- ( 华) j ” ( 2 1 4 ) s ( 力2 了志 p ( 口) + p ( 一口) 】 ( 2 1 5 ) 简化之，假设相角“均匀分布，则归一化的功率谱为 浙 1 人学坝f 学位论文 ，( 俨等： 1 一( 华) 2 】 ( 21 6 ) ( 二) 。 。， 则信道的自相关函数为： a ( f ) = f 。( s ( ，) ) = 2 z r o ( 2 习乞r ) ( 。，o 为0 阶b e s s e l 函数) ( 2 1 7 ) 2 航空v h f 频段无线信道： 航空无线信道在很多实际运用中都要用到，也是本论文中要讨论的信道。介 于飞行物和地面之间的空对地无线传播是其中一个很重要的运用。v h f 频段无 线信道是指1 1 8 1 3 7 m h z 范围内的空中传播环境，此频段主要用于军事的空对地 通信。v h f 频段被分为7 6 0 个信道，相邻信道之间的间隔带宽为2 5 k h z 。此时 的信道模型为宽带静止多径传播模型，传播路径为一直射的静态传播路径和其他 的散射路径组成。因此接收到的信号是由幅值、相位相对于飞行物飞行方向而言 为任意值的一组散射波组成的。其特性可由此环境下的多普勒功率谱和延时功率 谱来描述。此时建立的信道模型称为小范围的模型。而、，h f 频段大范围模型除 了包括多径传播外，还把阴影和其他的传播损耗考虑进去了。但在设计和验证物 理传输媒质的影响时，常常不考虑大范围模型，而只考虑小范围模型。由b e l l o 论证得知，广义静态非相关散射信道模型( w s s u s ：w i d e b a n ds t a t i o n a r y u n c o r r e l a t e d s c a t t e r i n gc h a n n e lm o d e l ) 充分体现了小范围散射信道的特性。 w s s u s 信道可根据延时功率谱p s ( t ，f d ) 和多普勒功率谱来建立。可参考文献【1 , 3 4 3 室内信道模型： s a e h 和v a l e n z h e l a 所做的测试结果表明：( a ) 室内信道类似静态信道或 仅有微小变化；( b ) 在发送机和接收机没有视距通路时，信道冲激响应与发送、 接收天线的极化相互独立。基于s a l e h 和v a l e n z u e l a 的结论，可得到一简单的 室内信道多径模型。该模型假设多径分量时以簇的形式到达。接收分量的幅度是 独立的r a y l e i g h 随机变量，其方差及簇内附加时延随簇的时延成指数型衰减。 相应的相角在 0 ，2n 之间为独立均匀分布的随机变量。各簇和簇内多径分量构 成了具有不同速率的p o is s o d 到达过程。而且，各簇和簇内各多径分量依次到达 的次数成指数分布。簇的组成由发送机与接收机附近的多径反射组成，同时也与 建筑物结构有关。在无线局域网中，信道模型的建立就采用此思想。由于在室内 环境r = 1 ，移动台相对于周围环境的移动不可能是高速的，仅仅是d l 于人的运动引 起信道冲激响应随时问的变化，所以室内信道的时间衰落特征是慢衰落，即室内 无线信道具有较大相干时间，或较小的多普勒频移。运用文献f i l l 3 模型阶数的选 择标准，一般选用五阶a r 模型估测室内信道。 2 2 信道估计的常用算法： 常用的信道估计自适应算法有：线性估计器和最小均方( l m s ) 估计器。 线性估计器包括训练序列估计和直接判决估计。 2 2 1 训练序列估计： 此时信道估计可以利用已知的训练序列的值来估计信道冲激响应。 图5 用已知的训练序列估计信道参数 ( 其中b 为未知需被估计的信道冲激响应，为估计的冲激响应值。 f y ( n ) = b l ( n ) “l ( ) + y 南) ：届( ”) “。( 胛) + k ( 月) = y ( n ) 一y ( n ) “( 1 ) ( 1 ) ( ，= ! l | ) ( ) j + 。“。( 盯) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) 则误差函数为： ，( ) = e 7r e = ( y c 侈) 7 e ( r 一侈) ( 2 2 0 ) 其巾大写的字母表示矩阵，r 则依赖于估计器的类型，例如对于加权最小均方误 筹估计器： r = d i a g ( a l ，a2 ，a ) “ ( 2 2 1 ) 浙江大学颁 学位沦文 对于指数加权最小均方估计器： r = d i a g ( 2 ”，2 , 1 ) ，这儿0 五 1 对于普通的最小均方估计器： r = ， 对于m a r k o v 估计器： r = w ，w = s w w 7 ) 为噪声方差 ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) 使式( 2 2 0 ) 最小化时的p 值即为训练序列期间被估计出的信道冲激响应值。 2 2 2 直接判决估计： 当接收机不知道发送信号时，必须使用盲估计，利用判决检测出的符号值来 重构发送信号，然后用重构的信号代替原始发送信号进行信道估计。 图6 信道参数的判决估计 y ( n ) = b l ( n ) “l ( n ) + + 6 。( h ) “。( ) + c o ( n ) y ( 行) = 崩( ) ( 胛) + + 。( 胛) z 。( 聆) p ( n ) ：y ( n ) 一y 而) ：y ( ) 一( 届( n ) x 。( n ) + + p 。x ，( ”) ) ( 2 ，2 5 ) 此处b 为需要被估计的信道冲激响应，口为估计出的信道冲激响应，x ( n ) 为为检 测判决的重构信号，u ( n ) 为发送信号。 此时的误差函数为： l ，( p ) = e 7 r e = ( y x p ) 7 r ( y 一爿矽) ( 2 2 6 ) 其中r 为n * n 阶的加权系数，同样r 的选择依赖于估计器的类型 2 2 3 最小均方估计： 浙江人学硕i 学位论义 y ( n ) = b i ( 胛) “1 ( 盯) + ，+ b o ，( n ) u 。( 胛) + c o ( n ) y ( 以) = ，( ) 工t ( ”) + + + m ( 门) x t ( 门) ( 2 2 7 ) e ( h ) = y ( n ) 一y ( n ) = y ( n ) 一( 卢i ( 月) x 】( ) + - + 卢，x 。( n ) ) 误差函数为 j ( p ) = 成e ( n ) e 7 ( n ) ( 2 2 8 ) 这儿成r 为加权序列，由于l m s 算法为梯度算法，意味着应根据j ( ) 的变化 来更新b 的值，更新方法为： 庶= z - 一糍 c z 。， 即 尾= 尾一i + u p 。( n ) e ( n ) + e ( n ) = y ( 胛) 一”( 玎) 1 卢。一 2 3 信道均衡的常用算法： ( 2 3 0 ) 在带宽受限且时间扩散的信道中，由于多径影响而导致的码间干扰会使传 输的信号产生变形，从而在接收时发生误码。码间干扰被认为是在无线移动环境 中传输高速率数据时的主要障碍，而均衡正是对付码问干扰的一项技术。 从广义上讲，均衡可以指任何用来削弱码间干扰的信号处理操作。在无线信 道中，可以用各种各样的自适应均衡技术来消除干扰。由于移动衰落信道具有随 机性和时变性，这就要求均衡器必须能够实时地跟踪移动通信信道的时变特性， 而这种均衡器又被称做自适应均衡器。 自适应均衡器一般包含两种工作模式：训练模式和跟踪模式。首先，发射机 发射一个已知、定长的训练序列，以便接收机处地均衡器可以作出正确地设置。 典型的训练序列是一个二进制伪随机信号或者是一串预先指定的数据位，而紧跟 在训练序列之后被传送的是用户数据。接收机处的均衡器将通过递推算法来评估 信道特性，并且修正滤波器系数以对信道作出补偿。在设计训练序列时，要求作 到即使在最差的信道条件下，均衡器也能通过这个序列获得正确的滤波系数。这 样就可以在收到训l 练序列后，使得均衡器的滤波系数已经接近于最佳值。而在接 收刚户数掘时，均衡的自适应算法就可以跟踪不断变化的信道。其结果是，自适 渐门人学硕j 学位论文 应均衡器将不断改变c 滤波特悄：。 均衡器从调整参数至形成收敛，整个过程的时间跨度是均衡器算法、结构利 多径无线信道变化率的函数。为了保证能有效地消除码问干扰，均衡器需要周期 性地做重复训练。均衡器被大量用于数字通信中，因为在数字通信系统中用户数 据是被分为若干个段并被放在相应的时间段中传送的。时分多址( t d m a ) 无线通 信系统特别适合于使用均衡器。因为t d m a 系统在长度固定的时间段中发送数据， 且训练序列通常在时间段的头部被发送。每当收到新的时间段，均衡器将用同样 的训练序列进行修正。均衡器通常被放在接收机的基带或中频部分实现。因为基 带包络的复数表达式可以描述带通信号波形，所以信道响应、解调信号和自适应 均衡器的算法通常都可以在基带部分被仿真和实现。 均衡技术可被分为两类：线性均衡和非线性均衡。这两类的差别主要在于自 适应均衡器的输出被用于反馈控制的方法。通常，模拟信号经过接收机中的判决 器，然后由判决器进行限幅或阀值操作，并决定信号的数字逻辑值d ( t ) ，如果 d ( t ) 未被用于均衡器的反馈逻辑中，那么均衡器是线性的；反之，如果d ( t ) 被 应用于反馈逻辑中并帮助改变了均衡器的后续输出，那么均衡器式是线性的。实 现均衡器的滤波器的结构有许多种，而且每种结构在实现时又有很多种算法。 最常用于数字通信系统均衡的线性滤波器是横向滤波器。如图所示，它由若 干级的延迟线构成，级与级之间的延迟时间的间隔都为r 。 图7 横向均衡器结构框例 浙江入学硕i 卜学位论文 如图所自i ，输入为y ( ”) ，均衡器的输出为，。，抽头系数为虹 误差信号为： = ，女一，女， ( 2 3 1 ) 用于数字通信系统最有意义的计量是差错平均概率，选择 c j 使差错平均概率为 最小。然而差错概率是k 的高度非线性函数，因此以误差概率作为性能指标来 求出 c ，) 是不实际的，两种准则被广泛用于均衡器中，一是最小均方误差准则， 一是峰值失真准则。 2 3 1 峰值失真准则和迫零算法： 均衡器输出的码间干扰峰值定义为峰值失真。使峰值失真为最小称为峰值失 真准则。 已知均衡器的输入为： y 女= e l x i 。+ k ( 2 3 2 ) 其中以一。是信道和匹配滤波器合成的冲激响应。 均衡器输出： i k = e c j y h ( 2 3 3 ) 把具有x 。的离散时间冲激响应模型与具有冲激响应 c ，) 的均衡器级联为一等 效滤波器，其冲激响应为： q 。= c j 以一， ( 2 3 4 ) 即 q 。) 是 c 。 和 ) 的卷积。均衡器的第k 个取样输出可表示为： ，女= q o + ，。吼一。+ q ， ( 2 3 5 ) 上式中第一项表示所希望的码，为方便，归一化q 。= 1 ，第二项为码间干扰， 这个干扰的峰值称为峰值失真： d = 川= z l z c ，。l ( 2 3 6 ) 此时d 是均衡器抽头的加权函数。采用无限抽头的均衡器有可能选择抽头系 数使d = o ；刚涂n = o 以外的所有g 。= 0 ，因此码问干扰可完全消除，这时的拙头加 权条件为： 浙江人学坝i j 学位论义 吼跚 ，= 骶： 。， 迫使各干扰样值为零，就可获得最佳调整，这种调整称为迫零算法。 2 3 2 最小均方误差( l m s ) 准则和l m s 算法： 其准则为： j = e 1 8 ：1 = e i 厶一1 2 均衡器的输出为： ik = c j y 采用梯度法的抽头系数递推公式为： c 女( 月+ 1 ) = c i ( n ) 一艘 e yk 】 或采用 g + 1 ) = g ( 哪一a e y 一t 2 3 3 线性均衡器： ( 2 3 8 ) ( 2 3 9 ) ( 2 4 0 ) ( 2 4 1 ) 线性均衡器可由f i r 滤波器( 或称为横向滤波器) 实现。这种滤波器在可用 的类型中是最简单的，它把所收到的信号的当前值和过去值按滤波系数( 即权重) 做线性迭加，并把生成的和作为输出。 2 3 4 非线性均衡器： 当信道失真太严重以至线性均衡器不易处理时，采用非线性均衡器处理会比 较好。当信道中有深度频谱衰落时，用线性均衡器不能取得满意的结果，这是因 为为了补偿频谱失真，线性均衡器会对出现深衰落的那段频谱及近旁的频谱产生 很大的增益，从而增加了那段频谱的噪声。 现在已经开发出三个有效的非线性算法，它们改进了线性均衡技术： ( 1 ) 判决反馈均衡( d f e ) ( 2 ) 最大似然符号检测