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基于迫零准则的自适应线性均衡器的研究
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摘要
在数字通信系统中,码间串扰和加性噪声是造成信号传输失真的主要因素,为克服码间
串扰,在接收滤波器和抽样判决器之间附加一个可调滤波器,用以校正(或补偿)这些失真。
对系统中线性失真进行校正的过程称为均衡,实现均衡的滤波器称为均衡滤波器。
由于实际的限带信道的传递函数往往是非理想的,且经常是事变的、未知的,因而系统
特性不符合奈窐斯特准则,导致在接受端抽样时刻存在码间干扰,使得系统误码性能下降。
为此,要考虑在信道传递函数是非理想情况,且信号在信道传输中受到加性白高斯噪声干扰
条件下的接收机的设计问题。本文提出了基于迫零算法的信道均衡器,对迫零线性均衡器进
行了理论分析,并在 Matlab 中进行仿真得到了良好的仿真结果。
关键字:码间串扰;迫零算法;信道均衡器;Matlab
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第一章 前言
1.1 课题研究背景和研究意义
在数字通信系统中,码间串扰和加性噪声是造成信号传输失真的主要因素,为克服码间
串扰,在接收滤波器和抽样判决器之间附加一个可调滤波器,用以校正(或补偿)这些失真。
对系统中线性失真进行校正的过程称为均衡,实现均衡的滤波器称为均衡滤波器。
由于信道特性是变化的,均衡器的参数也应该随之而改变,可以自动调整参数以保持最
佳工作状态的均衡器就是自适应均衡器(自适应滤波器)。自适应均衡器有频域均衡和时域均
衡之分。频域均衡器只能均衡时变信道的幅频特性,不能有效地均衡群时延特性,在数字信
号中一般不采用。时域均衡器利用它所产生的响应去补偿已畸变的信号波形,可以有效地抑
制码间串扰和加性干扰。随着数字信号处理理论和超大规模集成电路技术的发展,时域均衡
已广泛应用于数字通信的各个领域。
接收端的码间干扰(ISI),使系统误码率上升,严重情况下使系统无法继续正常工作。理
论和实践证明,在接收系统中插入一种滤波器,可以校正和补偿系统特性,减少码间干扰的
影响。这种起补偿作用的滤波器称为均衡器。
随着数字信号处理理论和超大规模集成电路的发展,时域均衡已成为当今高速数字通信
中所使用的主要方法。调整滤波器抽头系数的方法有手动调整和自动调整。如果接收端知道
信道特性,例如信道冲击响应或频域响应,一般采用比较简单的手动调整方式。由于无线通
信信道具有随机性和时变性,即信道特性事先是未知的,信道响应是时变的,这就要求均衡
器必须能够实时地跟踪通信信道的时变特性,可以根据信道响应自动调整抽头系数,我们称
这种可以自动调整滤波器抽头系数的均衡器为自适应均衡器。
1.2 国内外研究性现状
均衡技术最早应用于电话信道,由于电话信道频率特性不平坦和相位的非线性引起时间
的弥散,使用加载线圈的均衡方法来改进传送语音用的双绞线电缆的特性。在高速数字移动
通信、数字微波无线通信系统和作为重要的远程通信和军事通信手段之一的短波通信系统中,
由于多径与衰落现象引起码间干扰,系统性能恶化。采用适当有效的自适应均衡技术, 可以克
服数据传输在频带利用率、误码率性能以及传输速率上的许多缺点。
自适应均衡就是通过接收端的均衡器产生与信道特性相反的特性以抵消信道时变多径传
播引起的干扰,可消除波形叠加、码间串扰,也能减小加性噪声干扰,从而减小误码的技术。
均衡分为频域均衡和时域均衡。频域均衡指总的传输函数满足无失真传输的条件。时域均衡
是使总冲击响应满足无码间干扰的条件。在实际电路中,往往同时采用频域和时域自适应均
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衡器,最大限度地提高电路的抗衰落能力。
均衡技术最早应用于电话信道,由于电话信道频率特性不平坦和相位的非线性引起时间
的弥散,使用加载线圈的均衡方法来改进传送语音用的双绞线电缆的特性。上世纪六十年代
以前,均衡器的参数是固定的或手调的,其性能很差。1965年,出现了一种“迫零自适应均
衡器”。1965年DiToro独立把自适应均衡器应用于对抗码间干扰对高频链路数据传输的影响。
1967年,Austin提出了判决——反馈均衡器。1969年,Gersho以及Proakis和Mi1le使用最小均
方误差准则独立的重新描述了自适应均衡器问题。 1972年,Ungerboeck对采用自适应最小均
方误差算法的均衡器的收敛性进行了详细的分析。 1978年,Falconer和Ljung介绍了快速卡尔
曼算法的一种修正,从而将其计算复杂性简化到可与简单的LMS算法比较的程度。Satorius和
Alexander在1979年、Satorius和Pack在1981年证明了色散信道格型自适应均衡器算法的实用
性。
1.3 基于 MATLAB 仿真概要
在 MATLAB 通信工具箱中有 SLMULINK 仿真模块和 MATLAB 函数,形成一个运算函
数和仿真模块的集合体,用来进行通信领域的研究、开发、系统设计和仿真。通信工具箱中
的模块可供直接使用,并允许修改,使用起来十分方便,因而完全可以满足使用者设计和运
算的需要。
MATLAB通信工具箱中的系统仿真,分为用 SIMULINK 模块框图进行仿真和用 MATLAB
函数进行的仿真两种。在用 SIMULINK 模块框图的仿真中,每个模块,在每个时间步长上执
行一次,就是说,所有的模块在每个时间步长上同时执行。这种仿真被称为时间流的仿真。
而在用 MATLAB 函数的仿真中,函数按照数据流的顺序依次执行,意味着所处理的数据,首
先要经过一个运算阶段,然后再激活下一个阶段,这种仿真被称为数据流仿真。某些特定的
应用会要求采用两种仿真方式中的一种,但无论是哪种,仿真的结果是相同的。
1.4 本课题主要研究内容
本课题,我们将主要研究信道,码间干扰,噪声等基本概念,然后详细介绍迫零算法的
基本流程,然后介绍横向滤波器,并最后提出了基于迫零的自适应线性均衡器。并在 MATLAB
中进行仿真研究。
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第二章 基于迫零准则的自适应线性均衡器的理论分析
在数字通信系统中,码间串扰和加性噪声是造成信号传输失真的主要因素,为克服码间
串扰,在接收滤波器和抽样判决器之间附加一个可调滤波器,用以校正 (或补偿)这些失真。
对系统中线性失真进行校正的过程称为均衡,实现均衡的滤波器称为均衡滤波器。
由于信道特性是变化的,均衡器的参数也应该随之而改变,可以自动调整参数以保持最
佳工作状态的均衡器就是自适应均衡器 (自适应滤波器)。自适应均衡器有频域均衡和时域均
衡之分。
2.1 信道
信道指的是以传输媒质为基础的信号通路。具体的说,它是由有线和无线的电线路提供
的信号通路。它允许信号通过同时又给信号以限制和损害。按传输媒介的不同,物理信道分
为有线信道和无线信道两大类。有线信道包括明线、对称电缆、同轴电缆以及光纤等。无线
信道有地波传播、短波电离层反射、超短波或微波无线电接力、人造卫星中继、散射以及移
动无线电信道。
在线性条件下,信道的传输特性决定于等效四端网络的传输函数 Hc(w)。在一个相当长的
时间内 Hc(w)保持恒定的信道,称为恒参信道;否则称为变参信道。下面分别讨论他们的特
性及对数据传输的影响。
通常情况下,信道分为:
j
w
恒参信道:
H
c
w
H
c
w
e
;
变参信道:
0
jw,t
1 re
jw
t
1 re
j
w
0
t
;
前面讨论了恒参信道和随参信道传输特性以及对信号传输的影响。除此之外,信道的加性
嗓声同样会对信号传输产生影响。加性操声与信号独立,并且始终存在,实际中只能采取措
施减少加性噪声的影响,而不能彻底消除加性噪声。各种加性噪声都可以认为是一种起伏噪
声,且功率谱密度在很宽的范围内都是常数。因此,通常近似认为通信系统的噪声是加性高
斯白噪声(AWGN),其双边功率谱密度为:
n
w
n
0
W
Hz
2
n
0
2
自相关函数为:
R
n
式中说明,零均值高斯白嗓声在任意两个不同时刻的取值是不相关的,因而也是统计独
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