信道均衡器.docx

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信道均衡器

FIR:

:

FiniteImpulseResponse有限冲激响应

信道估量和均衡大体概念

传输层组成    信道均衡是宽带系统区别与窄带系统的一个明显特点

信道均衡的原因   •地面无线广播传输信道中（主若是VHF和UHF频段）是一个复杂的时变频率选择性衰落信道

          多径干扰（100us对应30千米）

          多普勒效应（100Hz）

   •均衡器产生与信道多径相反的特性，抵消信道的时变多径传播特性引发的码间干扰

   •信道是时变的，要求均衡器的特性能够自动适应信道的转变而均衡，故称自适应均衡。

   •信道估量:

估量信道函数的进程

   •信道均衡:

利用取得的信道估量来补偿信道的进程

均衡器的分类   •均衡处置方式

        时域均衡器：

单载波数字通信中多采历时域均衡器，从时域的冲激响应考虑

        正交频分复用OFDM调制：

采纳频域均衡    •是不是利用训练序列或导频

        DA（数据辅助）

        DD（裁决指向）

        NDA（盲均衡）：

需要在接收到足够多的数据情形下才能取得一个靠得住的估量

导频或训练序列的插入    地面数字电视一样利用DA方式信道估量和均衡

    •多径衰落信道能够看成是在时刻和频率上的一个二维信号

    •训练序列时域的距离取决于信道的相关时刻

    •训练序列频域的距离取决于相关带宽

    •训练序列对信道在时-频空间的不同点上进行采样，利用采样插值即可取得整个信道的频率响应值

时域均衡器

   •均衡器的输出是不是用于反馈操纵

       线性均衡器：

输出未被用于反馈操纵

       非线性均衡器：

输出用于反馈，如裁决反馈均衡器（DFE－decisionFeedbackEqualizer）

   •线性均衡器

 如何求解线性均衡器系数Cj?

   •经常使用的优化均衡器系数的准那么

          迫零准那么:

信道逆滤波器                    

均衡技术

带均衡器的数字通信系统的等效模型

理论和实践证明，在数字通信系统中插入一种可调滤波器能够校正和补偿系统特性，减少码间干扰的阻碍。

这种起补偿作用的滤波器称为均衡器。

均衡技术-大体原理

均衡器一般是用滤波器来实现的，利用滤波器来补偿失真的脉冲，裁决器取得的解调输出样本，是通过均衡器修正过的或清除码间干扰以后的样本。

自适应均衡器直接从传输的实际数字信号中依照某种算法不断调整增益，因此能适应信道的随机转变，使均衡器老是维持最正确的状态，从而有更好的失真补偿性能。

工作模式

　　自适应均衡器一样包括两种工作模式，即训练模式和跟踪模式。

第一，发射机发射一个己知的定长的训练序列，以便接收机处的均衡器能够做出正确的设置。

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，而且修正滤波器系数以对信道做出补偿。

在设计训练序列时，要求做到即便在最差的信道条件下，均衡器也能通过那个训练序列取得正确的滤波系数。

如此就能够够在收到训练序列后，使得均衡器的滤波系数已经接近于最正确值。

而在接收数据时，均衡器的自适应算法就能够够跟踪不断转变的信道，自适应均衡器将不断改变其滤波特性。

进程

　　均衡器从调整参数至形成收敛，整个进程是均衡器算法、结构和通信转变率的函数。

为了能有效的排除码间干扰，均衡器需要周期性的做重复训练。

在数字通信系统顶用户数据是被分为假设干段并被放在相应的时刻段中传送的，每当收到新的时刻段，均衡器将用一样的训练序列进行修正。

均衡器一样被放在接收机的基带或中频部份实现，基带包络的复数表达式能够描述带通信号波形，因此信道响应、解调信号和自适应算法通常都能够在基带部份被仿真和实现。

均衡技术-结构分类

　　均衡技术能够分为两大类：

线性和非线性均衡。

这些种类是由自适应均衡器的输出接下来是如何操纵均衡器来划分的。

裁决器决定了接收数字信号比特的值并应用门限电平来决定d（r）的值。

若是d（r）没用在反馈途径中调整均衡器，均衡器确实是线性的。

另一方面，若是d（r）反馈回来调整均衡器，那么为非线性均衡。

线性均衡器包括线性横向均衡器、线性格型均衡器等等，非线性均衡器包括裁决反馈均衡器、最大似然序列均衡器等等，在那个地址要紧介绍实际中应用较广的线性横向均衡器、线性格型均衡器、裁决反馈均衡器及分数距离均衡器。

　　依照抽样距离的不同，均衡器还能够分为码元距离均衡器和分数距离均衡器。

实际中码元距离均衡器利用比较多，可是性能上却不如分数距离均衡器的好。

1.线性横向均衡器（LTE）

　　线性横向均衡器是自适应均衡方案中最简单的形式，它的大体框图如下图。

图中，输入信号的以后值、当前值及过去值，均被均衡器时变抽头系数进行线性加权求和后取得输出，然后依照输出值和理想值之间的不同依照必然的自适应算法调整滤波器抽头系数。

在实际应用中，期望信号d（n）是未知的，不然也就失去了通信的意义。

为使参数调整得以顺利进行，一种折中的方式是把由输出信号Y（n）进行裁决所得的估量信号d（n）作为期望信号。

事实上，在这种情形下，整个数字均衡器已经成了一个非线性系统，因为其收敛特性的分析是相当繁难的。

可是在信道畸变不是异乎寻常的严峻的情形下，其收敛性是能够取得保证的。

线性横向均衡器最大的优势就在于其结构超级简单，容易实现，因此在各类数字通信系统中取得了普遍的应用。

可是其结构决定了两个难以克服的缺点：

其一确实是噪声的增强会使线性横向均衡器无法均衡具有深度零点的信道——为了补偿信道的深度零点，线性横向均衡器必需有高增益的频率响应，但是同时无法幸免的也会放大噪声； 　　

另一个问题是线性横向均衡器与接收信号的幅度信息关系紧密，而幅度会随着多径衰落信道中相邻码元的改变而改变，因此滤波器抽头系数的调整不是独立的。

由于以上两点线性横向均衡器在畸变严峻的信道和低信噪比（SNR）环境中性能较差，而且均衡器的抽头调整彼此阻碍，从而需要更多的抽头数量。

2.线性格型均衡器（LLE）

　　格型滤波器（LaticeFilter）最先是由Makhoul于1977年提出的，所采纳的方式在那时被称为线性预测的格型方式，后被称为格型滤波器。

这种格型滤波器具有共扼对称的结构：

前向反射系数是后向反射系数的共扼。

格型滤波器最突出的特点是局部相关联的模块化结构。

格型系数关于数值扰动的低灵敏型，和格型算法关于信号协方差矩阵特点值扩散的相对惰性，使得其算法具有快速收敛和优良数值特性。

 　　因为实际中，信道特性无法明白，因此也就无法计算需要的滤波器阶数。

而用格型滤波器作为自适应均衡器的结构时，能够动态的调整自适应均衡器的结构以知足实际的均衡需求而没必要从头设定均衡器的阶数和从头启动自适应算法。

如下图为格型均衡器的结构框图：

 　　格型均衡器由于在动态调整阶数的时候不需要从头启动自适应算法，因此在无法可能估量信道特性的时候超级有利，能够利用格型均衡器的慢慢迭代而取得最正确的阶数，另外格型均衡器有着优良的收敛特性和数值稳固性，这些都有利于在高速的数字通信和深度衰落的信道中利用格型均衡器。

可是如前面所讨论的那样，格型均衡器的结构比较复杂，实现起来困难，从而限制了格型均衡器在数字通信中的应用。

3.裁决反馈均衡器（DFE）

　　诸如LTE的线性均衡器为了补偿信道的深度零点而增大增益从而也放大了噪声，因此在有深度谱零点的带通信道中线性均衡器性能不佳。

但是关于如此的恶劣信道，裁决反馈均衡器由于存在着不受噪声增益阻碍的反馈部份因此性能优于线性横向均衡器。

裁决反馈均衡器

判决反馈均衡的大体方式确实是一旦信息符号经检测和裁决以后，它对随后信号的于扰在其检测之前能够被估量并消减。

其结构如下图。

包括两个抽头延迟滤波器：

一个是前向滤波器（FFF），另一个是反向滤波器（FBF）。

其作用和原理与前面讨论的线性横向均衡器类似：

FBF的输入是裁决器的先前输出，其系数能够通过调整减弱当前估量中的码间干扰。

其中FFF抽头系数的个数为L而FBF抽头系数的个数为M。

 　　裁决反馈均衡器（DFE）的结构具有许多优势，当裁决过失对性能的阻碍可忽略时DFE优于线性均衡器，显而易见相关于线性均衡器加入裁决反馈部份可取得性能上相当大的改善，反馈部份排除由先前被检测符号引发的符号间干扰，例如相关于LTE较小的噪声增益和MSE,相关于MLSE和格型结构的低运算复杂度、相关于横向结构更易达到稳态性能等等。

但是DFE结构面临的要紧问题之一是错误传播，错误传播是由于对信息的不正确裁决而产生的，错误信息的反馈会阻碍FBF部份从而阻碍以后信息的裁决；另一问题是移动通信中的收敛速度。

4.分数距离均衡器（FSE）

分数距离均衡器

最佳分数距离均衡器等价于由匹配滤波器后接波特距离均衡器的最正确线性接收机。

线性调制系统的最正确接收滤波器是级联于实际信道的一个匹配滤波器。

对时变信道系统的最正确接收是采纳匹配滤波器和一个T距离抽头的均衡器。

一个以码元速度取样的T距离均衡器不能形成匹配滤波器，而FSE是以不低于奈奎斯特速度取样，可以达到匹W,滤波器和T距离均衡器特性的最好组合，即FSE能够组成一个最好的自适应匹配滤波器，且FSE在较低噪声环境下能够补偿更严峻的时延和幅度失真。

FSE对采样器噪声不灵敏，这也是由于没有频谱重叠现象而产生的优势。

均衡技术-作用分类

　　均衡器的设计与信号性质有关。

对传输信号，由于人耳对相位不灵敏,只对传输信道的幅-频特性提出要求就够了。

传输电视信号时,对传输信道的幅-频、相-频特性都有要求，不然图像就失真。

电子运算机输出的数字电码脉冲也对幅-频、相-频特性有要求，因为波形畸变会因码间干扰而致使误码。

 　　均衡作用可分为频域均衡（包括幅度均衡、相位或时延均衡）和时域均衡。

前者是校正频率特性；后者是直接校正畸变波形。

按调剂方式还可分为固定均衡和可变均衡。

可变均衡又可细分为手动均衡和自适应（自动）均衡。

1.幅度均衡器

幅度均衡原理

一种校正幅－频特性的频域均衡器。

图中的bs曲线是未经均衡的系统衰减-频率特性。

衰减值按-20

lg（U0/Ui）计算,单位为分贝,U0和Ui别离为输出电压和输入电压。

用衰减值的益处是当求两个网络的合成衰减时可作代数相加。

假设要取得平坦的幅-频特性曲线，可在系统中接入幅度均衡器，其特性如图中的be曲线。

均衡后系统特性如曲线bd。

适本地选取图中电路中的各元件值，可使衰减-频率特性近似于图的be曲线。

图中的电路只用无源元件的，称为无源幅度均衡器。

也能够用晶体管或运算放大器组成有源幅度均衡器。

 　　可变幅度均衡器一样通过改变元件值来调剂幅－频特性。

在宽频带范围内，实现所需均衡特性的一种方式是将均衡曲线分成假设干频段,每一个频段由一节衰减-频率特性为钟型的均衡器进行调剂。

另一种方式是将均衡曲线分解为各次谐波，别离由衰减-频率特性为余弦型的均衡器进行调剂。

2.相位均衡器

幅度均衡器的一种实现及其特性

用以校正相-频特性的频域均衡器。

因为时延等于相-频特性曲线的斜率，通经常使用的是时延均衡器，使未均衡系统的时延-频率特性与时延均衡器（也是相位均衡器）的时延－频率特性相加后接近平线。

时延均衡器也分无源和有源、固定和可变几种类型。

3.横向均衡器

横向时域均衡器

一种最经常使用的时域均衡器。

频带利用率高的数字通信设备经常使用这种均衡器。

输入的畸变波形进入有抽头的时延线，再通过各横向途径并乘以不同系数ɑn后相加那么取得已均衡信号。

调剂各系数值，可得所需要的输出波形。

各系数能够是固定的，也能够随系统特性的转变而自动调剂，后者称为自适应均衡器。

在某些场合，还将接收裁决所得数码反馈到输入端，与输入信号相加，这种均衡器称为裁决反馈均衡器，其性能比横向均衡器的为宜。

 均衡技术-自适应算法

　　自适应均衡器的原理确实是依照某种准那么和算法对其系数进行调整最终使自适应均衡器的代价（目标）函数最小化，达到最正确均衡的目的。

而各类调整系数的算法就称为自适应算法，自适应算法是依照某个最优准那么来设计的。

最经常使用的自适应算法有迫零算法，最陡下降算法，LMS算法，RLS算法和各类盲均衡算法等。

 　　自适应算法所采纳的最优准那么有最小均方误差（LMS）准那么，最小二乘（LS）准那么、最大信嗓比准那么和统计检测准那么等，其中最小均方误差（LMS）准那么和最小二乘（LS）准那么是目前最为流行的自适应算法准那么。

由此可见LMS算法和RLS算法由于采纳的最优准那么不同，因此这两种算法在性能，复杂度等方面均有许多不同。

 　　一种算法性能的好坏能够通过几个经常使用的指标来衡量，例如收敛速度一一通经常使用算法达到稳固状态（即与最优值的接近程度达到必然值）的迭代次数表示；误调比——实际均方误差相关于算法的最小均方误差的平均误差；运算复杂度—

完成一次完整迭代所需的运算次数；跟踪性能一一一对信道时变统计特性的自适应能力。

 均衡技术-进展前景

　　在信息日趋膨胀的数字化、信息化时期，通信系统担负了重大的任务，这要求数字通信系统向着高速度、高靠得住性的方向进展。