林霖

(中國(guó)傳媒大學(xué)廣播電視數(shù)字化教育部工程研究中心，北京100024)

1 引言

均衡是通過(guò)信號(hào)接收端產(chǎn)生與信道相反的特性，用來(lái)抵消信道的時(shí)變多徑傳播特性引起的碼間干擾，消除信道的頻率和時(shí)間選擇性的一種技術(shù)。1965年Lucky設(shè)計(jì)了第一個(gè)自適應(yīng)均衡器——“迫零自適應(yīng)均衡器”，此后在對(duì)均衡的研究中，人們分別提出了卡爾曼算法和LMS算法，近年來(lái)的研究多圍繞均衡器的改進(jìn)算法及其在通信中的應(yīng)用。

目前的信道均衡方法主要有:無(wú)數(shù)據(jù)輔助的盲均衡方法、基于訓(xùn)練序列的均衡方法、半盲均衡方法。按時(shí)頻域進(jìn)行均衡的不同，又可以分為時(shí)域均衡和頻域均衡。

下面將先對(duì)單載波均衡技術(shù)進(jìn)行介紹，然后對(duì)單載波幀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及HDFE結(jié)構(gòu)的均衡算法進(jìn)行分析。

2 單載波頻域均衡

多徑干擾是中短波廣播中很常見(jiàn)和必須解決的一個(gè)問(wèn)題。早在模擬信號(hào)處理階段，均衡被作為對(duì)抗ISI的主要方法而提出。與時(shí)域上進(jìn)行濾波處理相對(duì)應(yīng)的，也可以在頻域上對(duì)信號(hào)分別進(jìn)行補(bǔ)償信號(hào)幅度和相位，即頻域均衡。

頻域均衡的基本思想是，利用可調(diào)濾波器的頻率特性去補(bǔ)償基帶系統(tǒng)的頻率特性，使包括可調(diào)濾波器在內(nèi)的基帶系統(tǒng)的總特性滿(mǎn)足無(wú)失真?zhèn)鬏數(shù)囊?。相?duì)于時(shí)域中需要較長(zhǎng)抽頭的濾波器來(lái)說(shuō)，可以大大節(jié)省所需乘法的數(shù)目?？驁D如圖1所示。

圖1 頻域均衡框圖

2.1 單載波幀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

在OFDM系統(tǒng)中常通過(guò)插入長(zhǎng)度大于信道的最大傳輸時(shí)延時(shí)循環(huán)前綴(Circle Prefix，CP)來(lái)消除碼間干擾(ISI)。與此類(lèi)似地，單載波幀序列也可以通過(guò)加獨(dú)特碼(Unique Word，UW)消除 ISI，而且不像CP只能用作保護(hù)間隔，而UW能用作信道估計(jì)、均衡和同步。加UW的幀結(jié)構(gòu)如圖2:

圖2 加UW的幀結(jié)構(gòu)

基于獨(dú)特碼(UW)的單載波頻域均衡(SC—FDE)傳輸系統(tǒng)以負(fù)載幀格式進(jìn)行傳輸，每一段負(fù)載數(shù)據(jù)與后面的UW序列組成一個(gè)數(shù)據(jù)塊，UW序列的插入使得數(shù)據(jù)塊具有理想的周期性的自相關(guān)特性。進(jìn)行負(fù)載幀格式傳輸?shù)膯屋d波傳輸框圖如圖3所示。

2.2 改進(jìn)后的混合判決反饋均衡HDFE的設(shè)計(jì)

單純的時(shí)域均衡需要較長(zhǎng)抽頭的濾波器，單純的頻域均衡因進(jìn)行需要對(duì)一段時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)塊一起進(jìn)行DFT，具有非實(shí)時(shí)性，所以將傳統(tǒng)的純時(shí)域或純頻域的均衡結(jié)合起來(lái)會(huì)有較好效果。

前饋濾波可采用ZF破零或MMSE均衡算法，后饋濾波可采用維納、或LMS、RLS等自適應(yīng)均衡法，下面將重點(diǎn)介紹后饋濾波中LMS算法。

3 后饋濾波中的LMS算法

3.1 LMS原理

LMS遵循的是最小均方誤差準(zhǔn)則，使最小均方誤差最小即使代價(jià)函數(shù)J最小

J=E［e2(n)］=E［d2(n)-2d(n)y(n)+y2(n)］

LMS采用最陡下降法對(duì)其系數(shù)C進(jìn)行調(diào)節(jié)，最

圖3 加UW的單載波傳輸框圖

改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)是時(shí)域頻域混合的，前饋濾波器對(duì)M個(gè)樣值得數(shù)據(jù)塊FFT變換，進(jìn)行頻域域均衡，反饋濾波器則是逐個(gè)符號(hào)進(jìn)行時(shí)域均衡。

前饋濾波器采用頻域均衡，可采用相對(duì)時(shí)域均衡少得均衡抽頭系數(shù)，簡(jiǎn)化了運(yùn)算，后饋濾波器采用時(shí)域均衡彌補(bǔ)了前饋DFT非實(shí)時(shí)性均衡的缺點(diǎn)。

終使J最小化，達(dá)到最佳濾波狀態(tài)。運(yùn)用最陡下降法，即下一個(gè)權(quán)矢量等于現(xiàn)在的權(quán)矢量加一個(gè)正比于梯度的變化量。得到系數(shù)

C(n+1)=C(n)+2μeμX(n)

其中μ是一個(gè)正常數(shù)，通常稱(chēng)它為自適應(yīng)收斂系數(shù)或步長(zhǎng)。步長(zhǎng)增大，收斂越快，均衡的跟蹤越快。但是步長(zhǎng)越大，均方誤差也就越大。所以步長(zhǎng)的選擇應(yīng)該在跟蹤速度和減小均方誤差之間折衷。

3.2 LMS工作流程

LMS自適應(yīng)均衡器可以有兩種模式:訓(xùn)練模式和面向判決模式

訓(xùn)練模式:發(fā)送一串已知的訓(xùn)練序列，然后進(jìn)行訓(xùn)練模式下的LMS自適應(yīng)均衡，步驟如下

在HDFE結(jié)構(gòu)中可以將UW作為已知訓(xùn)練序列。

面向判決模式:當(dāng)訓(xùn)練序列均衡結(jié)束后，LMS自適應(yīng)均衡器轉(zhuǎn)向面向判決模式，進(jìn)行新的LMS自適應(yīng)均衡，步驟如下

對(duì)yk進(jìn)行判決，得到ak的判決值ak

3.3 仿真結(jié)果及分析

以下是對(duì)QAM調(diào)制數(shù)據(jù)進(jìn)行LMS均衡后的星座圖及誤比特圖，其中步長(zhǎng)取0.05。

經(jīng)過(guò)均衡后星座圖清晰，有較低的誤比特率。均衡效果較好。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文簡(jiǎn)單了介紹了單載波均衡的原理，及改進(jìn)后的均衡結(jié)構(gòu)。重點(diǎn)分析了時(shí)頻混合域判決反饋式均衡(HDFE)結(jié)構(gòu)和算法，并對(duì)LMS均衡方法仿真，具有良好性能。

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