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第三章系统关键技术研究所以均衡器被大量用于数字通信中 。用于

2019-11-05/    澳门银河娱城官方网站

编者按:

第三章系统关键技术研究所以均衡器被大量用于数字通信中 。用于克服带限时间衰落信道码间干扰的均衡器大体可以分为两类 线性均衡器和非线性均衡器。线性均衡器的结构相对比较

  第三章系统关键技术研究所以均衡器被大量用于数字通信中 。用于克服带限时间衰落信道码间干扰的均衡器大体可以分为两类 线性均衡器和非线性均衡器。线性均衡器的结构相对比较简单 主要实现方式为横向滤波器。在信道畸变严重时 只能采用非线性均衡器 它具体可以分为三种非常有效的均衡方法。一种 即判决反馈均衡。第二

  第三章系统关键技术研究所以均衡器被大量用于数字通信中 。用于克服带限时间衰落信道码间干扰的均衡器大体可以分为两类 线性均衡器和非线性均衡器。线性均衡器的结构相对比较简单 主要实现方式为横向滤波器。在信道畸变严重时 只能采用非线性均衡器 它具体可以分为三种非常有效的均衡方法。一种 即判决反馈均衡。第二种是 即基于最大后验概率判决准则 的符号检测 第三种是 即基于最大似然估计 的序列检沏 】。判决反馈均衡器 是目前在非线性均衡器中应用最广泛的一类 它将取样判决后的信号反馈回来以抵消后尾干扰 从而能提供比一般的线性均衡器更小的误码率 但判决反馈均衡器具有与线性均衡器同样的计算复杂性。其均衡的基本思想是 一旦检测到某个信息符号 就可以估计出它对后续符号产生的干扰 从而事先将其减去。最简化的自适应判决反馈均衡器 是由一个前馈滤波器 和一个反馈滤波器 构成 后者以判决器的输出作为输入 来消除先前已经检测到的符号序列对当前符号产生的干扰。它用判决反馈输出信号组成一个延迟线 用一部分抽头系数加权求和后送回输出端求和 以抵消码间干扰。显然 这种反馈使均衡器具有无限冲击响应 从而使它对信道的时延畸变有良好的补偿作用 同时它对信道的幅度畸变也有较好的补偿作用。根据不同的信道选择出不同的均衡器结构后 还要选择适合的自适应算法。现今应用较广的自适应均衡算法有递推最小均方算法 和递推最小二乘算法 算法的简化的推导公式如下其中 为均衡器系数 为输出数据 为期待恢复的数据值 刀表示第刀时刻。 推导公式为 时刻的计算误差。第三章系统关键技术研究 算法实现的复杂度较大目前研究表明 算法比较稳定 并且比 算法有更快的收敛速度。 推导公式为 称为调节步长它的选择将使 算法收敛于最佳的抽头系数。 算法是一种最常用的自适应均衡算法 它的优点是 运算量比较少 稳定性较好 但是它的收敛速度比较慢。针对 做变步长处理可以在增加很少资源的情况下 大大提高了收敛速度而接近于 算法。一般情况下 由时变多径衰落引起的时延扩展造成了高速信号传输的符号间干扰 试图采用增加平均信号电平的方法来降低时延扩展引起的误码率完全是徒劳的 只有采用均衡技术 】才能有效地抵消。均衡技术又可以分为时域均均衡可以在时域或频域中进行。时域均衡是从时域的冲激响应考虑 使均衡器在内的整个系统的冲激响应满足无符号间干扰的条件 频域均衡 是在频域设计均衡滤波器 使包括插入的滤波器在内的整个系统的总传输函数满足无失真的条件 】。采用单载波调制的时域均衡器复杂度会与信道的最大时延扩展成正比 时域均衡器为了抵消干扰可能需要长达上百阶的抽头。过长的均衡器阶数会造成噪声积累 也使均衡器的结构由于过于复杂而难以实现。与单载波时域均衡系统相比 单载波频域均衡系统的抗多径能力较强 与多载波性能相当 而且现在采用基于 的频域均衡器技术不仅大大简化了计算复杂度 均衡器复杂度也大大降低 。这有利于高速处理的要求 在水声通信应用中有很大的优势。 简介由于水声信道多径传播对高速率水声通信产生了严重的 基于相位相干的中、远程高速率水声通信仍旧是一个困难问题。过去二十多年间 人们主要利用自适应时域均衡器 抗多径干扰 进行单载波高速率水声通信。最第三章 系统关键技术研究典型的是美国学者 等人提出的基于内嵌二阶数字锁相环 的自适应多通道时域判决反馈均衡器 大量海上试验数据验证了这种接收机的有效性。水声通信中信道复杂多变 多径最大时延一般可达几个毫秒。甚至几十个毫秒。导致多径引起的码间干扰比较严重 如何对抗多径一直是水声通信研究的重点。近年来 随着数字信号处理技术和大规模集成电路技术 的发展 制约 技术发展的硬件障碍已经不存在 技术的研究与应用广泛开展起来 并大量地应用于水声通信之中。 系统能够有效地克服频率选择性衰落 采用多载波传输能够较大地提高系统的容量 达到较高的数据率。同时 基于 实现在接收端对信号进行频域均衡 使得信号处理的复杂度降低。但是 系统存在对定时误差、载频同步比较敏感和大的峰均比 两点明显不足【 多普勒频移会导致载波的不同步除了产生相位噪声 导致接收端的信噪比下降外 还会使得子载波之间的正交性遭到破坏 产生信道间干扰。所以在信号处理前要进行频偏的估计与补偿 并且要求很高的精度。峰均比 过大要求发射功率管有较大的动态范围 这就增加了 变换的复杂性【 】。单载波频域均衡 和正交频分复用 一起被 定为宽带无线通信标准。 系统采用 算法在接收端对信号进行频域均衡 使频域均衡的复杂度降低 能够有效对抗多径 达到较高的数据率。同时由于采用单载波传输 系统相比系统对多普勒频移不敏感 系统对频移的估计和补偿要求不高 系统也不存在峰均比过大的问题降低了系统对发射功率管动态范围的要求。由于 技术有效地结合了 和单载波的优点 引起了水声通信研究者的重点关注。 的比较在宽带无线通信系统中由多径传输引起的频率选择性衰落会严重影响通信的可靠性。 月提出的标准 规定了正交频分复用 系统和单载波频域均衡 系统 种克服多径衰落的传输模式。 的基本原理 】就是通过采用允许子信道频谱重叠 但又以相互间互不影响的频分复用 方法来并行传输数据 大大提高了频谱利用率。从理论上讲 其频谱第三章 系统关键技术研究利用率可以接近 极限。尽管无线信道的频率响应大多非平坦的 也就是具有频率选择性 但对于每个子信道是相对平坦的 并且在每个子信道上进行的是窄带传输 信号带宽小于信道的相关带宽 因此可以大大消除符号间干扰。而单载波频域均衡是利用可调网络的频率特性去补偿实际信道的幅频特性及相频特性的畸变 在信道中发生频率选择性衰落时 传输信号的频谱包络将发生畸变 可以通过对中心频率对称的不同位置上的窄带功率测量反映出来 通过其产生的误差控制信号 驱动校诈网络调整其补偿特性。 系统具有如下优点 灵活分配数据容量和功率可提供灵活的高速和变速综合数据传输。 能提供较大的系统容量 且具有较强的抗多径干扰、抗频率选择性衰落和频率扩散能力 适应多径和移动信道传播条件。 该技术可以实现较高的安全传输性能。 该技术能够持续不断地监控传输介质上通信特性的突然变化 并动态地与之相适应 然后接通和切断相应的载波以保证持续地进行通信。虽然 技术有很多优点 但目前还存在两大问题 由于传输的 信号是多个子信号的叠加 如果多个信号的相位一致 所得的叠加信号的瞬时功率远远大于信号的平均功率 导致较大的 峰均功率比 故比单载波系统需要更宽的线性范围 需要动态范围很大的线性放大器 降低 信号的 技术中的一个难点。系统对载波频率偏移和相位噪声都很敏感 要求接收机采用相位数更小的调谐器和其他模拟器件以实现精确的载波频率同步 提高了技术成本。与之相比 系统具有如下特征【 系统相比系统降低了峰均比和对相位噪声的敏感性 降低了功率放大器等模拟器件的成本 存在时延扩散时 使用频域均衡的 系统能够获得与 系统近似的性能 系统的复杂度与多径扩散的对数成正比 降低了接收端信号处理的复杂度 单载波调制是一种成熟的技术 己经在现有的有线与无线通信中得到广泛的应用 并且对于 系统的线性要求不高。 第三章 系统关键技术研究两者都是靠插入循环前缀来消除 信道估计和均衡也都是在频域上进行的两者的区别仅在于 模块是在发送端还是在接收端。在 系统中 模块位于发射端 作用是将数据复用到并行的子载波上 而在单载波频域均衡系统中 模块位于接收端 作用是将经过均衡的信号变换回时域。对于同样大小的 模块 两个系统的复杂度是一样的。但 保持了较好的抗频率选择性衰落的能力 并且具有峰均比低、发送端结构简单、均衡复杂度较低的优势 这些特点对宽带无线通信系统无疑是极具吸引力的。 的模型描述图 系统原理图 系统的基本结构如图 所示 待发送的数据 经串并转换后 变成 个长度为 的数据帧 然后将每帧后面的 个数据复制到帧头 作为循环前缀 以获得循环卷积 消除数据组间干扰 的影响 如图 所示。把加入循环前缀后的数据经过 调制 产生适合信道传输的数据形式 并送入信道传输。在接收端 进行相应的解调和去循环前缀 之后利用 估计出的信道做频域均衡处理 最后在对频域均衡后的信号进行判决。循环前缀 循环前缀示意图第三章 系统关键技术 与信道估计信道描述了信号从发送端到接收端所经历的一切媒介 包括从发射机到接收机之间信号传播所经过的物理媒质 如电缆信道、光缆信道、无线信道等。其中无线传播信道具有很大的随机性 会引起传输信号幅度、相位和频率的失真 产生符号干扰等 对接收机的设计提出了很大的挑战 这就要求对无线信道进行估计和预测。信道估计就是要使信道的不确定件降至最小 使之对收发两方而言是“透明的”。它主要包含两个方面 获取或测量信道参数这是通常意义上的信道估计问题。 信道矫正或称信道去耦合 这是信道估计的最终目的。在很多系统中 比如许多基于横向滤波的时域均衡器中 两者可能是同时进行的。甚至无需进行信道估计 比如差分调相系统。信道估计通常分为基于训练序列 的估计和盲估计。两者各有优缺点。基于训练序列的估计需要定时的发送特定的训练序列接收端根据训练序列通过信道的变化计算出信道的响应。这种估计方法优点是估计结果准确可靠 估计过程迅速 缺点是发送的训练序列占用了系统的一部分频带资源。盲估计不需要发送训练序列 直接根据信号的统计特性完成信道参数的估计。由于不需要训练序列 盲估计节省了频带开销 但是盲估计算法复杂度高 并且收敛速度慢。相比而言 目前在无线环境下采用的比较多的还是基于训练数据的信道估计方法。在采用 系统中由于 是数据块后面的一部分的复制 而数据块的内容是随机的 的内容也是随机的不可确知的因此 只能用作保护间隔 而不能用来进行信道估计。然而 不是任意的 而是精心挑选的特定的数据块 它的内容一直相同 并且适合作为训练序列。 被当作数据符号来处理 可作为训练序列使用 合理设计 可以使其具有好的相关性和宽带的、平稳的频率响应 所以可用于信道估计 也可以用于均衡和同步。下面介绍几种常用的信道估计方法。 信道估计算法信道估计如果已知训练序列频域 一种简单的想法是利用式进行 第三章 系统关键技术研究膏似 信道估计方法其特点是运算简单 当合理选择训练序列 时能够达到工程上可接受的估计精度。下面具体讨论该方法的估计精度。最小二乘信道估计的误差来自于噪声。从式 可以看出信道估计的误差为 假设系统中的噪声为加性高斯白噪声 具有几乎相同的值那么信道估计的误差将由 来决定。如果在某些子信道上 的值很小则在这些子信道上的噪声就会被放大 导致估计误差 变大。下面讨论采用 算法进行信道估计的均方误差 同真值之间的均方误差为 所以式可以表示为 即训练帧在频域抽样点上具有相同第三章系统关键技术研究的复包络时 估计算法的 取得最小值。 的方差越大就越大。 基于 准则的信道估计式 中的信道估计结果对于 取值比较小时项会取得比较大的值 噪声被放大 导致估计结果的不准确 对于采用随机数据作为训练序列的情况估计结果可能无法满足要求。为此人们提出了基于 准则的信道估计方法。频域最小均方误差估计可以表示为 为发送训练序列的频域响应为信噪比。 独特字单载波频域均衡的思想是建立在卷积定理的基础上的 为了使线性卷积变为循环卷积 只能像 一样利用循环前缀的概念使信息码在我们感兴趣的时间区内呈现周期性。循环前缀是一种使用离散傅里叶变换的方法来处理通过信道并受之影响的连续数据流的技术。从处理的难度上看 循环前缀并不复杂 正是因为有了循环前缀这样的数据结构 才能在接收端非常便利的使用快速傅立叶变换在频域对信号进行各种处理。但是 使用循环前缀将使信道的效率降低大约 这添加的 的数据在接收端无法进一步利用 只能简单的丢弃。为了克服传统循环前缀结构的弊端 有文章提出了新的数据结构 即采用 序列作为循环前缀的 的缩写它是一个在接收端已知的导频序 中采用的不是任意的 是可以选择的序列 并且内容一直相同 可以被当作数据符号来处理。主要有两个作用 一是作为循环前缀 消除帧间干扰 此时要求 的长度必须大于信道最大时延长度 二是作为导频序列 用于同步和信道估计【 系统在每个长度一定的负载数据块首尾添加相同的独特字。理想情况下 序列的频谱应该在所有频率上具有均等或近似均等的幅值 以产生较宽带宽的、平稳的频率响应以保证信道中的每一个频率成分都可以被统一地加以检测。 标准规定了使用多相位的 第三章系统关键技术研究制序列 那么也可以使用 的伪噪声序列 但是作为 序列的在使用 序列或者 序列作为 序列时 序列由 正交信号组成。 路信号和 路信号可以通过下面的表达式得到‘。 万一。当产生 序列时 第三章系统关键技术研究表 系统参数帧数目 帧长度 长度 符号映射方式 序列 序列 长度 同步方式 同步 长度 起始频率 截止频率 全零序列长度 调制后的调制后的数同步信号序列 频带信号频带信号循环前缀据 发射端信号的数据结构水声多径信道环境下基于 序列估计出的信道时域冲激响应如图 所示 使用的是 估计方法 上面的是原始信道 ‘下面的是通过 序列估计出来的信道时域冲击响应 。可以看到 信号在使用 估计方法时能很好的估计信道。均衡前与均衡后的星座图如图 所示。可以看出均衡的效果非常的明显。系统误码性能方面 实现零误码率。信道时垃冲击

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