[硕士论文精品]无线信道仿真和均衡器的fpga设计与实现

摘要作为现代化通信强有力的手段之一，无线移动通信是当前通信领域中发展非常迅速的研究方向。在无线通信系统中，信号在传输过程中由于多径效应和信道带宽的有限性以及信道特性的不完善性导致不可避免地产生码间串扰。为了克服码间串扰所带来的信号畸变，则必须在接收端增加均衡器，以补偿信道特性，正确恢复发送序列。盲均衡器由于不需要训练序列，仅利用接收信号的统计特性就能对信道特性进行均衡，消除码间串扰，成为近年来通信领域研究的热点课题。本文主要介绍了基于FPGA的无线信道盲均衡器的设计与实现，在算法上选择了比较成熟的DDLMS和CMA相结合的算法，结构上采用四路正交FIR滤波器模型。在设计的过程中我们采取了用MATLAB进行算法仿真，VERILOGHDL语言进行FPGA设计的策略。在硬件描述语言的设计流程中，信道盲均衡器运用了TOPDOWN的模块化设计方法，大大缩短了设计周期，提高了系统的稳定性和可扩展性。测试结果表明均衡器所有的性能指标均达到预定目标，且工作性能良好，均衡效果较为理想，能够满足指标要求。本课题所设计和实现的信道盲均衡器，为FPOA芯片设计技术做了有益的探索性尝试，对今后无线通信系统中的单芯片可编程系统SOPC的设计运用有着积极的借鉴意义。关键词信道模型，盲均衡，常模算法，CMA，FPOA，DDLMS，码间干扰ISI。ABSTRACTASONEOFTHEMOSTPOWERFULMEANSOFMODEMCOMMUNICATIONS，THETECHNIQUEOFRADIOMOBILECOMMUNICATIONHASBEENDEEPLYAPPROACHEDANDKEPTQUICKLYDEVELOPINGINRADIOCOMMUNICATIONSYSTEM，BECAUSEOFMULTIPATHEFFECTANDTHE6NITYOFCHANNELBANDWIDTHANDINCOMPLETECHANNEL，INTERSYMBOLINTERFERENCEISIISINESCAPABILITYDURINGTHEDATATRANSFERINORDERTOELIMINATEISIANDNOISE，EQUALIZERHASTOBEUSEDINTHERECEIVERBLINDCHANNELEQUALIZERCARLREDUCETHEISLWITHOUTTHEASSISTANCEOFTHETRANSMITTEDSEQUENCETHERECEIVEDDATASEQUENCEISONLYNEEDEDBYBLINDEQUALIZERTOEQUALIZETHECHANNELSTHISDISSERTATIONMAINLYDISCUSSESTHEDESIGNANDREALIZATIONOFWIRELESSCHANNELBLINDEQUALIZERBASEDONFPGATHEJOINTDECISIONDIRECTIONLEASTMEANSQUAREDDLMSANDCONSTANTMODULARALGORITHMCMAISSELECTEDTHESTRUCTUREOFTHEEQUALIZERCONTAINSFOLLRQUADRATUREFINITEIMPULSERESPONSE伊IRFILTERSDURINGTHEPROCESSOFTHEDESIGNWESIMULATETHEALGORITHMBYTHEMATLABSOFTWAREATFIRST，THENTHEVERILOGHDLPROGRAMSWEREWROTEFORREALIZATIONONFPGAINTHEDESIGNFLOWOFHARDWAREDESCRIPTIONLANGUAGE，ONEOFTHEDESIGNWAYS，TOPDOWN，WASUSEDSOASTOSHORTENTHEDESIGNPERIODSANDENHANCETHEEXPANSILEPERFORMANCETHETESTRESULTDENOTESTHATTHEEQUALIZERSPERFORMANCEARRIVESATTHEANTICIPATETARGETSTHISTHESISINVESTIGATESTHEDESIGNTECHNOLOGIESOFFIELDPROGRAMABLEGATEANAYFPOABYMEANSOFDESIGNINGANDIMPLEMENTINGBLINDEQUALIZERITPROVIDESPRELIMINARYSTUDYFORLARGESCALESOPCSYSTEMONPROGRAMMABLECHIPINWIRELESSCOMMUNICATIONSYSTEMFIELDKEYWORDCHANNELMODEL，BLINDEQUALIZER,CONSTANTMODULARALGORITHM，CMA，FPGA，DDLMS，ISI独创性声明本人声明所呈交的学位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。据我所知，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作了明确的说明并表示谢意。签名吴广玉日期年月日关于论文使用授权的说明本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。保密的学位论文在解密后应遵守此规定签名关广五导师签名_么么挫日期年月日电子科技大学硕士学位论文无线信道仿真和均衡器的FPGA世与实堡11课题来源第一章绪论本课题为基于FPGA的无线信道均衡器的设计，为国家纵向研究项目。根据项目指标要求，需要通过一个单片FPGA实现无线信道均衡器的功能。均衡器的输入为QPSK和16QAM信号。由于此信道均衡器要作为无线接收机的子模块，所以用户给出了与接收机的接口定义，在设计FPGA的时候依照此接口定义设计输入和输出连接。12国内外研究现状由于无线通信的迅速发展，近年来国内外在均衡算法的研究方面有很多重要的文献发表，取得了不菲的成绩。对于算法而言，一种性能的提高往往以牺牲另一种性能为代价，因此在实际应用中常常根据实际情况选择合适的算法，或采取混合算法。从发表的文献看【1IZL3L41，现在多对常模CMA，CONSTANTMODULARALGORITHM算法进行改进，产生了改进的常模算法、双模算法、多模MMA，MULTIMODULUSALGORITHM算法、以及各种混合算法等。部分算法是有针对性的，比如有主要针对频率选择性信道以及FQPSKB信号的改进的CMA算法。很多算法在提供了均衡高阶QAM信号的能力的同时，加快了均衡器的收敛速度，部分算法还在减少复杂度和运算量上做了一定的研究。另外，基于神经网络和模糊理论的盲均衡算法的研究也取得了较大的发展。神经网络能够充分逼近任意复杂的非线性系统，能够学习适应不确定性系统的动态特性，具有很强的鲁棒性和容错性。神经网络盲均衡算法主要有两种161，一种是基于传统代价函数的方法，首先选择一个网络结构，然后针对所选的网络结构提出一个代价函数，并且根据这个代价函数确定权值的递推方程，然后通过最小化代价函数来达到调整权值的目的；另一种是将原有的代价函数经过适当变化后，作为网络的能量函数，再根据新的能量函数设计网络的状态方程，对原有网络进行改造，以达到收敛的目的。模糊理论则克服了描述过程中的不确定性所带来的处理困难。采用并行分布处理方法使得快速进行大量运算成为可能，人们已开始应用神经网络来设计新型的盲均衡算法。电子科技大学硕士学位论文无线信道仿真和均衡器的FPGA设计与实现13本论文的研究内容和主要工作在无线通信领域，主要通过均衡嚣来补偿无线通信信道的畸变和消除码间干扰ISI，本课题是一个适用于QAM数字接收机的自适应盲均衡器。通过对无线信道均衡器算法进行研究、分析和仿真，对比各种均衡算法的优缺点，结合了常模CMA算法收敛能力强，但是收敛后剩余误差大，而判决导引DD算法收敛后剩余误差小的特点，选择了CMADD的盲均衡算法，并在FPGA上实现了这种算法。本均衡器结构上采用了4路横向滤波器组，其中两路同相滤波器，两路正交滤波器。在项目研究和实现的过程中，本人主要从事均衡器算法仿真、硬件电路板的设计、系数更新模块VORILOGHDL代码的编写和具体的调试工作。本文的主要结构和内容有第一章绪论。在本章中概述了项目的来源，同类项目国内外的研究现状以及在项目中本人的主要工作等。第二章无线移动通信信道特性概述。本章中主要介绍了无线通信信道常用的术语、小尺度衰落、大尺度衰落、常用的描述信道特性的三种概率密度函数等。第三章几种常用的无线信道模型及仿真。主要介绍了常用的JAKE信道、RICE信道和RUMMIER信道模型，并分别进行了不同的仿真。第四章均衡器的结构和算法。重点介绍了本项目所用到的正交均衡器结构和相应的算法。第五章均衡器的设计和仿真。介绍了均衡器硬件和软件部分的设计，其中软件部分主要介绍了系数更新模块的具体设计和仿真工作。第六章均衡器电性能测试与验证。主要介绍了均衡器的测试环境、测试步骤以及测试结果。第七章全文总结。电子科技大学硕士学位论文无线信道仿真和均衡器的FPGA设计与实现第二章无线移动通信信道特性概述任何通信系统的目的就是要将某个信息源产生的信息从甲地传送到乙地，传输信息经由的媒质称为通信信道。在通信信道将载有信息的信号传送到目的的传输过程中，载有信息的信号遭受到各种影响。描述无线信道传播特性的主要参数有时延扩展、多径衰落、相位偏移、DOPPLER频移等。而影响无线信道传播特性的核心因素是多径传播引起的衰落和时延扩展，同时受接收终端移动速度的影响，进而影响通信质量如误码率。21无线信道参数在无线移动通信信道传播特性的研究中，常见的基本参数有；LOS、多径传播、阴影衰落及DOPPLER频移。LOSLINE_OF_SIGHT即直射信号，是指信号传输的源和目的的之间的传播信道上不存在任何障碍物，从发射端沿单一路径即视距传播路径直接到达接收端的信号。多径传播信道中反射及反射物的存在，构成了个不断消耗信号能量的环境，导致信号幅度、相位及时间的变化。这些因素使发射波到达接收机时形成在时间、空间上相互区别的多个无线电波。不同多径成分具有的随机相位和幅度引起信号强度波动，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。DOPPLER频移无线移动通信，由于发射机和接收机之间的相对运动，接收端接收到的信号载频所发生的频率的偏移。DOPPLER频移对采用相关解调的数字通信的危害较大，它可由下式计算其中，厶表示DOPPLER频移；口是入射电波与移动站运动方向之间的夹角；V是移动站的径向运动速度名是信号的波长。由于电波波长与频率成反比，故信号救频率越高或径向移动速度V越高，则DOPPLER频移越大。22移动无线电波传播电磁波传播的机理多种多样，但总体可归结为反射、绕射和散射。大多数皇王型茎查兰壁圭堂竺垦壅重丝笪堕堕塞塑望煎璺苎坚兰羔型兰堕望L一蜂窝无线系统运作在城区，发射机和接收机之间无直接视距路径，而且高层建筑产生了强烈的绕射损耗。此外，由于不同物体的多路反射，经过不同长度路径的电磁波相互作用引起多经损耗，同时随着发射机和接收机之间距离的不断增加而引起电磁波强度的衰减。无线移动通信的电波传播可用图21来描述【241。图21卫星移动通信信道中信号电波传播示意图221大尺度衰落对传统模型的研究，传统上集中于给定范围内平均接收场强的预测和特定位置附近场强的变化。对于预测平均场强并用于估计无线覆盖范围的传播模型，由于它们描述的是发射机和接收机之间TR长距离上的场强变化，所以被称为大尺度衰减18】，对于卫星系统和微波视距无线链路这类典型的在接收机和发射机之间可能出现完全无遮挡的视距路径的自由空间传播模型，其预测接收功率的衰减为TR距离的函数幂函数。自由空间中距发射机D处天线的接收功率，由FRIIS公式给出只D丽PRG,G,。222其中，P。为发射功率；砟是接收功率，为TR距离的函数；G。是发射天线增益；G，是接收天线增益D是正矗间距离，单位为米；三是与传播无关的系统损耗因子；为波长，单位米。4电子科技大学硕士学位论文无线信道仿真和均衡器的FPOA设计与实堡222小尺度衰落而由于移动终端在极小范围内移动时，无线信号在经过短时间或短距传播后其幅度将快速衰落，以至于大尺度路径损耗的影响可以忽略不计，我们称之为小尺度衰落耵。它是由同一传输信号沿多个路径传播，以微小的时间差到达接收机的信号相互干涉所引起的。其主要效应表现为经过短距或短时传播时传播后信号强度的急速变化；在不同多径信号上，存在着时变的DOPPLER频移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物矮得多，因而不存在从移动终端到发射机之间的视距传播，这就导致了衰落的产生。即使有这么一条视距传播路径存在，由于地面与周围建筑物的反射，多径传播仍然发生。入射电波以不同的传播方向到达。具有不同的传播时延。空间任一点的移动终端所收到的信号都由许多平面波组成，它们具有随机分布的幅度、相位和入射角度。这些多径成分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。影响小尺度衰落的物理因素有很多，包括多径传播、移动终端的运动速度、环境物体的运动速度和信号的传输带宽。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、信道以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已经频率选择性衰落时，多普勒扩展就会引起频率色散以及时间选择性衰落【引。这两种传播机制彼此独立。如图22示出了4种不同类型的衰落的树图。小尺度衰落广竺鬯旦平坦衰落频率选择性衰落信号带宽符号周期小尺度衰落广竺型生快衰落慢衰落高多普勒频移相干时间符号周期信道变化慢于基带信号变化图22小尺度衰落类型皇至型垫查堂堡圭兰堡丝壅垂垡笪堂笪塞塑塑塑壁塑坠丝生皇壅里一图23给出了一个无线通信系统小尺度快衰减和大尺度慢衰减的变化情况，我们注意到，随着接收机的移动。信号衰减很快，但是随着距离的变化却很慢吼闺23小尺度和大尺度衰落23描述信道特性的三种常用概率密度函数由于无线通信信道特性具有随机性，故适合使用统计信道模型对其进行描述，概率分布模型建立了对卫星移动通信信道中传播过程的理解，对实际情况作了简化假设，其分析过程比较简单，物理意义比较明确，仿真实现比较简单，因此，在对卫星移动通信信道传播特性的研究中，通常采用概率分布的统计模型来对卫星移动通信信道进行建模。在前面对信道特性分析中，我们知道无线信道的小尺度快衰络特性和大尺度慢衰落特性可以分别用RICE不含直射分量时用RAYLEIGH概率密度函数和对数正态LOGNORMAL概率密度函数来描述，当时直接给出了信号包络的概率密度函数，下面我们将根据实际的物理环境条件来研究推导出这些分布124】。231RICE概率密度函数由建筑物、树木或其它反射物造成的反射波形成的多径信号分量与直射波信号分量合成的接收信号的包络服从RICE分布，其概率密度函数我们在前面的式23已经给出。下面我们来研究一下RICE概率密度分布函数在通信过程中的物理意义。设6皇王型垫盔堂堡主堂焦丝塞垂些堕堕盟塞塑塑塑堡盟旦翌生堡生皇壅里一S为未调制的载波信号，则有SFEOSA口。，妒。27而对于移动台则存在着多谱勒频移针对第月条信号路径的，即蜕COS也2。8若接收信号为直射波信号与多径信号的迭加，那么其幅度R可表示为RFC。C。S白。F仗。，Z”CNGOS白。R妒。以吨F2_9月；1其中，前项为直射波LOS分量，后项为多径信号的迭加，。2厅蜕，丸为第N条路径的相位偏差。令B吼ACO。T，02妒。九。T，则式29变为，O。O。RB善。一。R岛“舢。S怖SIRLO。JSIN01酗COS饥FCOS口SINCO。TSINOXH_LICOCOSO。兰巳口21COSOCT7。NCSIN0COS0,COSOCOS0ISIN0SIN01SINCO。R巳TICNL，NLN又令，FC。EOSOC。COS02NLNQFSIN01C。SIN02，有“ILRFF0COS国。TQOSIN。T211如果令瓦F兰巳C。S0，瓦O；兰巳SIN0，那么由中心极限定理【L6】可知T90与瓦M为正态随机过程。对于某精定的时间岛，有，JTO气EOSO,ROTOCOCOS0疋212QQ“COSIN0IT氏C0SIN0,E且随机变量品与乃的概率密度函数分别为7213电子科技大学硕士学位论文无线信道仿真和均衡器的FPGA设计与实现且乃，乃的均值QT】研T】O，方差D伍D亿盯；仃；盯2。214215因为吼在EO，2JR内是均匀分布的，即以U0，2ZR，所以随机变量疋与瓦的协方差为COVT，EE阢乃】壹囊镰E降SINZT，NLM1“气F_广FL二0而与Q的概率密度函数分别为五F厶COCOS0。船一C。COS0，去唧一掣OQ矗GCOS协BFGCOSIN0圳2去ED一哇笋考虑式2一12和式213，易得，和Q的均值分别为EMCOS0EQ】COSIN鼠则，和Q的协方差为COV，QE，一EF，】QE陋】E【乃I】0因此，与Q是相互独立的，故J与O的联合概率密度函数为216217218219220221E一研皇研“醑州哦去去L卜也D丘危电子科技大学硕士学位论文无线信道仿真和均衡器的FPGA设计与实现局F，G力F比01F2G2一2C。万了COS口州织导吒222筇02馘P一矛L一由前面的假设式2II可知R2F2Q2再令目鼠ARCTGQ，则有FF，COS日Q，SINO于是可得到JACOBIAN行列式，耥瞄瑚，所以接收信号的包络，与其相位口的联合概率密度函数为222223224225226厶删局训小赤EXP一R212RCO；CO广S0一C22Z7由此可得接收信号的包络，的概率密度函数一，厶R，口口一2寺E冲卜警EXP等COS口卜又因为第一类零阶修正BESSIE函数ZOX去EEXPXCOS口P口所以式228变为9228229230坚矿B刁等，义二矿，电子科技大学硕士学位论文无线信道仿真和均衡器的FPGA设计与实现令ZC。，则可得到式23，即肌孝EXP卜可R2Z2L刊RZH231所以含LOS分量和多径延迟信号的接受信号包络，的概率密度服从RICE分布。我们在此一并给出了包络，的，Z阶原点矩E【，“】2盯2芦E一R三E，兰；T一2CZ_，Z，其中七云是RICE因子；F,是GAMINA函数；。E是合流超几何函数。RICE分布的概率密度函数曲线如图23A所示。ARICE分布的概率密度函数曲BRAYLEIGH分布的概率密度函线乒L、口24数曲线口24图23RICE、RAYLEIGH分布的概率密度函数曲线232RAYIEIGH概率分布函数考虑了LOS分量和多径延迟分量的包络，的概率密度已知后，纯多径信号分量组成的接收信号的包络，1的概率密度就容易多了，只需令式23中的LOS分量Z20即可。因为IOOI，于是由式2_3就直接得到式24，由于纯多径信号只是RICE信号的一种特殊情形，故我们对纯多径信号的包络，仍然使用，来LO电子科技大学硕士学位论文无线信道仿真和均衡器的FFGA设计与实现表示，即1241肌考EXP【一寺】多径信号包络，的盯阶原点矩为E【R”】疗仃2E抄21当行1时，有占H04詈珂2233234235后面在对LUTZ信道进行仿真而对绘制理论曲线时，其口就是利用该式计算得到的。RAYLEIGH分布的概率密度函数曲线如图23B所示。233LOGNORMAI概率分布函数当发射机与移动终端之间的电波信号途经树木或其它障碍物而被吸收或散射时，就会出现阴影效应。限于篇幅，我们在此只讨论LOS的阴影效应，多径的阴影效应同理可分析之【2B】。设S为未调制载波信号，即STACOSCO。，眈236受阴影遮蔽的LOS电波信号的多谱勒频移蝇；COS吼，阴影遮蔽因子C0兀QR，它对于载波信号而言，是乘性因子M，所以受阴影遮蔽的接收电_L波信号可以表示为，F2COSF2兀Q似COS0。FP。2ZAFOTJIIN2兀QTACOS8COSO。卜兀QTASINOSINCO。237一L11对于任一特定的时间TO，设，FO，则接受信号删包络宁R尊QC，一C。S口2尊QC气，4SIN口2I爿IQCR。，C。S，电子科技大学硕士学位论文无线信道仿真和均衡器的FPGA设计与实现于是有LN，INAINCSTOIIL谢N，Y，LNA七，INC，“X，则LLVKX239240由中心极限定理可知，X服从正态分布，即XNG。，0“12，则其概率密度函数为所以瓣壶E坤_罐24I加M沪咖叫。J孺1唧嵯芋沼42，又因为1NRY，所以删赤EXP一芝LNR的均值方差E1NR】LN1硼【L善HQ矗卜“L，IJ盯2D1NR】却1NA樽雌FO籼蚓所以受阴影遮蔽的LOS信号包络R的概率密度12243244245电子科技大学硕士学位论文无线信道仿真和均衡器的FPGA设计与实现删去EXP_譬再令ZR，DO盯2，即可得到式25，重写于下肌击卅咩，此时包络R的九阶原点矩E，EXP即等盯2，蜉，图24给出了LOGNORMAL分布的概率密度函数曲线。概毫密度信号的包等图24LOGNORMAL分布的概率密度函数曲线D。；15，O113246247248皇王型垫查兰堡主兰堡垒苎蒌垄堡堕堕塞塑塑塑矍塑坚呈生垦盐兰兰里L一第三章几种常用的无线信道模型及仿真前章我们介绍了无线移动通信信道的特性，在本章里，我们具体对无线通信信道的信道模型进行研究和探讨，并对一些信道进行了仿真，给出了仿真结果和不同信道的比较。31信道模型研究和开发移动道中数字传输技术的第一步工作就是认识移动信道本身的特性。实际上，移动信道已成为许多理论分析和现场实测的课题，并已得出许多有关其特性的结果。其中有些可给出精确的数学描述，另一些则给出统计模型。然而，由于移动信道的复杂性，仍有许多待研究课题。例如，不可能用单一的数学模型来描述所有的移动环境。这样，不同地区、不同城市中的移动信道特性究竟如何，只有在这些环境中用场强实测获取的数据中来确定。对移动信道进行研究的基本方法有三种1理论分析，即用电磁场理论或统计理论分析电波在移动环境个中的传播特性，并用各种数学模型来描述移动信道。往往要提出些假设条件使信道数学模型简化，所以数学模型对信道的描述都是近似的。即使这样，信道的理论模型对人们认识和研究移动信道仍可起指导作用。2现场电波传播实测，即在不同的传播环境中，做电波传播实测试验。测试参数包括接收信号幅度、延时以及其它反映信道特征的参数。对实测数据进行统计分析，可以得出一些有用的结果。由于移动环境的多样性，现场实测一直被作为研究移动信道的重要方法。3移动信道的计算机模拟，是近年来随着计算机技术的发展新出现的研究方法。如前所述，任何理论分析，都要假设一些简化条件，而实际移动传播环境是千变万化的，这就限制了理论结果的应用范围。现场实测，较为费时、费力，并且也是针对某个特定环境进行的。计算机在硬件支持下，具有很强的计算能力，能灵活快速地模拟各种移动环境。因而，计算机模拟越来越成为研究移动信道的重要方法。可以说，上述三种研究方法是相辅相威的。在许多实际研究工作中，这些方法用于研究进程的不同阶段。移动环境中电波传播特性研究的结果往往用下述两种方式给出电子科技大学硕士学位论文无线信道仿真和均衡器的FPGA设计与实现第一，对移动环境中电波传播特性给出某种统计描述。例如，理论分析和实测试验结果表明，在移动环境中接收信号的幅度在大多数情况下符合瑞利RAYLEIGH分布。在有些情况，则更符合莱斯RICE分布。电波衰落特性的统计规律，为研究移动信道抗衰落技术提供了基本依据。第二，建立电波传播模型。模型可包括图表、近似计算公式等。近年来，在计算机上建模也越来越流行。应用电波传播模型可对无线电波在传播过程中的各种干扰和损耗进行预测，直接为系统工程设计服务。应该注意到，由于移动环境的复杂性，不可能建立单一的模型。不同的模型是从不同传播环境的实测数据中归纳而得出的，都有一定的适用范围。进行系统工程设计时，模型的选择是很重要的，有时不同的模型会得出不同的结果。因此，传播环境对移动信道特性起着关键作用。另外，移动信道特性还受到系统工作频率和移动台运动状况的影响。在相同地区，工作频率不同，接收信号衰落状况有差异。而静止与低速运动的车辆所面临的移动环境问题与高速运动的车辆有很大的不同。一般来说，为解决移动通信系统的设计问题，必须搞清三个问题无线电信号在移动信道中可能发生的变化以及发生这些变化的原因；对于特定的无线传输技术，这些变化对传输质量和系统性能有什么影响；有哪些方法或技术可供用来克服这些不利影响。31。1JAKE信道模型及仿真JAKE移动信道模型是一个标准的频率单调衰落基带等效模型。该模型假设从发射机到接收机之间存在无数条传播路径，并且这些反射达到移动目标接收机的路径是离散均匀分布的口71。对于时域输入波形XF，其输出波形YF可以表示为Y0D童F一RQTXT31这里叠，是芹F的HILBERT交换。I、Q两路的基带等价复数形式描述为，O2ZCOSILKCOS2，RFKT0K压EOSACOS2，RFT32KML_R2SINFL,EOS2NF,T9K拒SINAEOS2ZRFTTI兰Z最大多普勒频移O五以EOS2XKL333435皇主型丝查堂堡主堂壁笙皇垂些笪堂堕塞塑望塑墨塑旦垒堡盐兰壅翌L22NN口石48KZKN363738以2厅M珂DA肌O，I，02互间的随机数。39D和F分别是信道的低频等效传输函数。N为JAKE模型中多径的个数。如果发射机发送一个单一正弦波，在接收端除了受到多普勒频移影响外，还会产生多径衰落，导致接收机收到的是一个频谱。可以认为一个正弦信号频谱被扩展成为一令窄带频谱。在JAKE信道中该频谱可表示为【23】尸蜕扛乏丽】_310JAKE信道通常用于一些简单假设的移动信道仿真。如果需要对信道中多径衰落问题进行更加细致的仿真，可以迸步使用RICE衰落信道、RUMMLER衰落信道和用户自定义的多径信道模型来仿真。图31是SYSTEMVIEW软件下TAKE信道模型仿真图。信号源是单一正弦波，频率为25HZ，JAKE信道最大多普勒频移是5HZ，多径数为25。图32是25HZ正弦波的输入信号频谱图。图33是单一正弦波经JAKE信道后输出信号的频谱图。图34是输出信号50点能量分布的柱状图，从波形图上可以看出其能量服从瑞利分布。图3LJAKE信道仿真图16电子科技大学硕士学位论文无线信道仿真和均衡器的FPGA设计与实现一LL一洲删1舢GILTM。图32JAKE信道输入信号频谱图25HZ正弦波JD托斜弋J|一一V谚沙V、弋I4坤_日M_一图33正弦波经JAKE信道后输出信号的基带等效频谱图图34输出信号能量分布图近似瑞利分布17电子科技大学硕士学位论文无线信道仿真和均衡器的FPGA设计与实现312RJCE信道模型及仿真当多径扩展远远小于信号的符号周期时，衰落信道模型经常用于仿真通信系统在多径信道上的性能。通常我们假设衰落过程相对于信号的符号速率要慢得多，因此我们可以精确地估计信号的相位。所以我们只需考虑幅度衰落带来的影响，而不必关心相位的影响。同时还假设符号间的衰落是相互独立的。RICE衰落信道模型经常用于仿真一个因直射路径和多个散射路径共同产生的幅度衰落信道模型。通常假设这些路径的延迟远远小于信号带宽的倒数，即延迟远小于符号宽度。一个信号XF经过RICE信道后的输出YT可以表示为【27】YFXOZT311这里ZF是幅度衰落因式，它可表示为ZF而F24屯O2这里葺O和X2T是高斯随机变1“N0，CR示2盯2一2L爿和盯的值由RICE衰落因子K决定。彳4KKNO1涵丽I312衰落信道的功率由以下条件归一化表图35RICE衰落信道仿真实验原理图313314315电子科技大学硕士学位论文T无线信道仿真和均衡器的FPOA设计与实现当K0时为纯粹的散射信道，当KO。时是简单的频带信道无衰落。图35是利用SYSTEMVIEW系统提供的RICE衰落信道模型图建立的基带等效仿真模型。作为比较，进行了两种假设信道的比特误码率BER测试，其中一个信道为RICE衰落加高斯噪声，而另一个信道只有高斯噪声。二者的仿真结果与衰落信道的理论BER曲线作了比较，图36是它们的比较覆盖图。从图中可以看出信道衰落和噪声增大了无线通信中误码率。O，M，心卜、“一HI1洪N1哦JH啊吼睁溉6哪藿“J_2董“，弋I柚4、瓢一羁N囊A翻J卜一图36RICE衰落信道BER曲线与理论值的比较覆盖图313RUMMIAG信道模型及仿真RUMMIER衰落信道是个三路径传输信道模型，由直射和反射能量混合而成，反射信号改变直射信号的幅度和相位而形成复合信号。这种三路径的衰落信道广泛应用于视距LOS范围的数字微波中继通信链路的仿真。它是一个基于信道传输函数的统计模型。三条路径的组成包括一条直射路径、一个相对于直射路径延迟非常小的多径成份、一个相对于直射路径延时“的频率选择性控制路径。因此接收信号的组成可以描述为【14】；，FXFOTXT一PXCTTO316电子科技大学硕士学位论文；无线信道仿真和均衡器的FPGA设计与实现这里XR表示发射信号，口、卢为衰减系数，FO、表示两个相对延时。则信道的冲激响应可表示为；F8TA6TRIPST一3一17等价的信道低通传输函数为H厂LOT812XFRO318令矗F，上式可以化简为厂A1一BE一2。一，0”】319其中F，A，B，工都是模型的统计参数。一般F63NS，A，B和五也取相应的统计参数。A是整个信号的衰落系数，B是衰落深度，矗的取值决定了信道的衰落位置。信道对应的时域表达式为YTAXTABEOSZXFXTRABSIN2XFKTR320其中量F为XF的希尔伯特变换。图37给出了RUMMIER三径信道幅度衰落图，从图中可以看出五决定了信道的衰落位置，1F即为信道带宽。B为衰落深度。图37使用简单三径模型的衰减图电子科技大学硕士学位论文无线信道仿真和均衡器的FPOA设计与实现图38RUMMIER多径衰落信道仿真原理图图38是应用SYSTEMVIEW下的RUMMIER衰落信道模型图符构建的实验仿真电路图。输入信号为8PSK，如图39所示。信号的码速率为30MSPS，采用8PSK的比特率为3BIT30MSPS90MBPS。可以观察到PSK信号为稳幅输出波形。图3一10是经过RUMMIER衰落信道后的基带等效波形，此时是非稳幅波形了。图311和图312分别是仅加入高斯噪声后的解调输出和加入高斯噪声并经RUMMIER衰落后的解调波形。图398PSK输入信号源电子科技大学硕士学位论文无线信道仿真和均衡器的FPGA设计与实现图310经RUMMIER衰落后的基带等效波形图厂F厂、，L7、厂图311有噪声无衰落时的输出波形左为I路，右为Q路一扇FJ；。【；|1一一I粼J蓑JI耋；瓣VFL麟馨蒸蓉溉I1搿爨德蠹澄霉要II，蠹期；I巨霉糍剐二N，LI_甏舔攀_；誊拦N廿；一、蘸嘲蚕薹L二腻I鬻I澍I，一图312噪声加衰落时的输出波形左为I路。右为O路32几种模型的比较由于移动环境的复杂性，不可能建立单一的模型。不同的模型是从不同传播环境的实测数据中归纳而得出的，都有一定的适用范围。进行系统工程设计时，电子科技大学硕士学位论文无线信道仿真和均衡器的FPGA设计与实现模型的选择是很重要的，有时不同的模型会给出不同的结果。因此，传播环境对移动信道特性起着关键作用。前面对JAKE信道、RICE信道和RUMMLER信道进行了介绍并用SYSTEMVIEW进行了简单的仿真和对比。JAKE信道通常用于一些简单假设的移动信道仿真，它需要设置的参数仅仅包括多普勒平移和多径的数目。如果需要对信道中多径衰落问题进行更加细致的仿真，可以进一步使用RICE衰落信道、RUMMLER衰落信道。RICE信道模型相对JAKE信道模型复杂一些，它需要设置的参数包括相关时间和RICE因子K。RUMMLER衰落信道需要设置的参数包括相关时间，多径信号延迟等。从参数的设置上就可以看出RICE信道和RUMMIER信道相对复杂，可以描述直射和多径的影响以及相关时间等，而RUMMIER信道还可以设置频率选择性信道的衰落位置等。由于本项目需要对算法进行仿真和验证，所以在系统仿真时，根据项目的应用环境采用了RUMMLER衰落信道。电子科技大学硕士学位论文无线倍道仿真和均衡器的FP唑垦塑实塑第四章均衡器的结构和算法如前两章所述，在现代无线通信系统中，无线信道对通信质量有很大的影响。如果接收信号频谱不平坦，这说明接收信号是有色的，也就是说接收符号是相关的。这就意味着发射单个脉冲时会接收到一长串脉冲。因此，当发射多个脉冲时，接收端各个脉冲会发生相互干扰，也就是符号间干扰ISI，这种信道被称为时间弥散信道。码间干扰被认为是在移动无线通信信道中传输高速率数据时的主要障碍7】O而均衡正是对付码间干扰的一项技术。本章主要介绍了项目中所用到的均衡器结构和算法。41自适应均衡器自适应均衡器一般包含两种工作模式，HPIIJ练模式和跟踪模式。首先发射机发射一个已知的、定长的训练序列，以便接收机处的均衡器可以做出正确的设置。典型的训练序列是一个二进制伪随机信号或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归算法来评估信道特性，并且修正滤波器系数，对信道做出补偿。在设计训练序列时，要求做的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练序列后，使得均衡器的滤波系数已经接近于最佳值。在接收到用户数据时，均衡的自适应算法就可以跟踪不断变化的信道【LO】。其结果就是，自适应均衡器将不断改变其滤波特性。均衡器从调整参数到形成收敛，整个过程的时间跨度是均衡器算法、结构和多径无线信道变化率的函数。为了保证能有效地消除码间干扰，均衡器需要周期性地做重复训练。如今均衡器被大量用于数字通信系统中，在数字通信系统中用户数据是被分为若干段并被放在相应的时间段中传送的。传统的自适应均衡技术往往使用自导信号，但是由于传输训练序列会占用宝贵的信道容量，为了节约信道容量，更好的方法是使用盲均衡，就是不使用训练序列的自适应均衡。盲均衡是在传统的自适应均衡的基础上发展而来的。它通过对传统自适应均衡算法进行修改，发展出在不知道发送端发送数据的情况下也能使均衡器收敛的误差产生和均衡系数更新方式，即盲均衡算法。电子科技大学硕士学位论文无线信道仿真和均衡器的FPOA设计与I塑42均衡器的结构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。线性均衡器有基本的横向滤波器结构、格型均衡器结构等；非线性均衡器有判决反馈均衡器等F8】。421均衡器在通信系统中的位置使用自适应均衡器的通信系统的结构框图如图41所示。其中接收机中包含有自适应均衡器。如果XF是原始信息信号，F是等效的基带冲击响应，即综合反映了发射机、信道和接收机的射频、中频部分的总的传输特性，那么均衡器收到的信号可以被表示成YOXF0厂FNAT41其中，FR是FT的复共轭函数，NAT是均衡器输入端的基带噪声，固为卷积操作符。如果均衡器的冲激响应是吃。0，则均衡器的输出为DTXTO厂FOKFFOKFXFO占FFOKF42均衡器预测洪差图41傅用白话麻均衔嚣的通信系统的结构框图电子科技大学硕士学位论文无线信道仿真和均衡器的FPGA设计董实现其中，GR是发射机、信道、接收机的射频、中频部分和均衡器四者的等效冲激响应。均衡器的基带冲激响应可以描述如下FC。占FNR43其中，巳是均衡器的复数滤波器系数。均衡器的期望输出值为原始信息XR。假定R0，那么为了使公式413中的0RXF，必须要求GT厂OOO巧044均衡器的目的就是实现公式415，其频域表达式为TT,QFF一145其中，心U和FU是0和厂O所对应的傅立叶变换。公式45表明均衡器实际上是传输信道的反向滤波器。如果传输信道是频率选择性的，那么均衡器将增强频率衰落大的频率部分，而削弱频率衰落小的频率部分，以使所收到频谱的各部分衰落趋于平坦，相位趋于线性。对于时变信道，自适应均衡器可以跟踪信道的变化，以使公式45基本满足实现信道均衡。422均衡器结构。糟错麟IF”、一I城疆J。1樊照。LM瓣I_L，L、。J班毪嘲T辱麓箨I帆踮L绩姆卜FI横向IL梧嬲L横向格型横向德邀预测算法J毒F蕊II躲F蒜PI蕊J图42常用均衡器结构图电子科技大学硕士学位论文无线信道仿真和均衡器的FPGA设计与实现均衡器从结构上分线性均衡器、非线性均衡器。从延迟线抽头间隔上分码元间隔抽头均衡器、分数间隔抽头均衡器。许多均衡器结构都用来实现线性、非线性均衡器。而且每一种均衡器结构都有不同的算法来调整。图42是按均衡器所用的类型、结构和算法的不同，对常用均衡技术进行分类的结果GJ。在项目的设计中，我们采用了4组线性FIR滤波器组组成正交均衡器。正交均衡器的结构如图43所示【引。图43正交均衡器滤波器部分结构框图图中最上面和最下面的两个FIR滤波器被称为I路同相滤波器，中间两路FIR被称为Q路正交滤波器。I路和Q路系数更新部分使用相同的算法，岛F和巳F分别用来更新I路和Q路系数。图44是系数更新模块的结构图，其中EH和巳“分别为N时刻均衡器的系数，为均衡器的步长，用以调节均衡器收敛的速度【51图44正交均衡器系数更新部分结构图电子科技大学硕士学位论文无线信道仿真和均衡器的FPGA设计与实现43均衡算法均衡器的结构和算法决定了均衡器的性能和应用环境，盲均衡与一般自适应均衡的区别也在于算法的不同。早期的均衡器的参数是固定的或者是手调的，其性能比较差。随着人们对均衡器的研究后来出现了自适应算法的均衡器，这种均衡器中的参数可以根据一定的公式自动的调整，这种均衡算法的出现大大提高了均衡器的性能。在无线通信系统中，由于带宽的有限性和不可再生性促使人们不断的研究提高带宽利用率的方法，这也促使了盲均衡算法的产生和发展。在传输0AM信号的通信系统中，同时传送着相位正交的两路信号。信道衰落将不仅引起同路的码间干扰，还会引起异路的正交串扰，因此均衡器也必须采用如图43所示的二维的正交结构。431DDLMS算法最小均方误差LMS【L9】算法使用的是使均衡器期望的输出和实际的输出值之间的均方误差MSE最小化的准则。判决导引最小均方误差DDLMS算法是一种简单的盲均衡算法，它也是基于最小均方误差准则的。在DDLMS算法中，均衡器的输出要通过一个判决器，此判决器的输出即为均衡器期望的输出。解调后的I、Q两路信号可以分别视为一个复信号的实部和虚部，如图43所示，设均衡器的输入信号为嘲J，“Y，1，Y。N均衡器实际的输出为D功碣功尼0均衡器的系数为CNQ，_，巳竹均衡器输出的误差为EN岛珂L。EQ行其中I和G分别代表同相和正交分量。则46474849DN一疗麒一C0YN【Q珂_，Q玎】”珂D0疗】K疗Y，N一玎儿1JC，7蜘NM只“】所以均衡器实际输出的同相和正交分量可以表示为一疗Q以M疗一CQNYQN吃叻C,NYQNCQNYJN4TO411412假设均衡器期望的输出为D疗，且D砷DANJA,即，贝,UVZ衡器同相和正交两路的误差可以表示为E，“面N一面N413EQN2吒，一吒肛414如图44所示正交均衡器系数更新部分的结构图，根据前面的推导我们同样可以得出相应的系数更新部分的表达式5】Q”1Q珂【Q押M刀EQNYQN】415岛印L岛功一K印玛磅一白珂舅印】416对于所有的如图44所示的正交结构的均衡器，式415和4一16都适用。盲均衡器算法的不同主要在结构和误差产生模块中存在区别。432常模C姒算法常模算法CMA是GODARD在1980年提出的，它是BUSSGANG类盲均衡算法中最常用的算法之一。BUSSGANG类型的算法都是通过最小化一个非凸的代价函数来实现均衡的。常模算法是针对QAM星座提出来的。它广泛的运用于实际中没有训练序列可用时。该算法利用发送和接受信号的概率分布而不需要训练序列完成加权系数的更新。因此，要使用盲均衡算法，接收和发送信号的概率分布应该是已知的。常模算法接合了载波相位【12】以M硎ZRKR2】417其中见为11时刻均衡器的输入，吃为N时刻均衡器的输出。电子科技大学硕士学位论文无线信道仿真和均衡器的FPGA设计与实现但是为了更好地通用性，可以使代价函数和载波相位无关，从而有更加通用的常模算法代价函数E蚓92一14一18常模算法的代价函数试图将星座上的均衡器输出靠近一个半径为R。，的圆上。因为这个代价函数只考虑了信号的模而没有包含任何相位信息，对相位变化不敏感，所以当系统的载波相位有偏离或者信道存在相位旋转时，均衡器收敛后的信号输出有一个任意相位旋转。当相位旋转固定时CMA算法对相位不敏感的特性不会对均衡器造成很大的影响，但是当相位旋转不固定时，DMA算法的均衡性能将严重下降。所以，在使用CMA算法进行均衡之前一定要有载波相位恢复模块。令R。R一，则，即为GODARD半径。对于常模QAM信号，GODARD半径就等于信号的模，I儿，用GODARD半径就能描述信号特性。对于非常模QAM信号，GODARD半径同样也能描述信号特性。其中均衡器输入序列虬，输出序列玩，且赢；C】，而C为均衡器系数巳的矩阵，KYN一。，儿，虬。R则表示疗时刻均衡器的状态矩阵。T为矩阵的转置符号。则把代价函数以肿EB192一R，】代入随机梯度算法递推式矗掣DC。G。E一赢I幺F一陋F一巧其中为步长参数，Y为输入信号的共轭。所以CBIA的误差函数表示为。赢F童I”24匆一Q419420421为了求得的值1我们令系数更新项一矗陬R24赢F9一B在理想信道理想均衡状态输出等于输入I。M下均值为零EE乏I反LP24幺19一B】O422电子科技大学硕士学位论文，无线信道仿真和均衡器的FPGA设计与实现所以N盟也9五KF9根据不同的P值我们可以得到不同的算法公式。P1或者P2。当P2时误差函数为423实际应用中我们一般选取I弘E4吨F一岛吃其吣黜是一个撒珊调黼的类型媳系数迭代公式为Q“Q8巧其中为步长因子，为均衡器输入向量的共轭。当P1时误差函数为E鲈刮匆卜R1其中马425相同。42