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1、 2014届 毕 业 设 计（论文） 摘 要在移动通信领域中，码间干扰始终是影响通信质量的主要因素之一。为了提高通信质量，减少码间干扰，在接收端通常采用均衡技术抵消信道的影响。由于信道响应是随着时间变化的，通常采用自适应均衡器。自适应均衡器能够自动的调节系数从而跟踪信道，成为通信系统中一项关键的技术。本篇论文在对无线通信信道进行研究的基础上，阐述了信道产生码间干扰的原因以及无码间干扰的条件，介绍了奈奎斯特第一准则和时域均衡的原理。深入研究了均衡器的结构和自适应算法，在均衡器的结构中主要介绍了4种自适应均衡器结构即线性横向均衡器、线性格型均衡器、判决反馈均衡器和分数间隔均衡器，并对这几种结构进行
2、了比较。对于系数调整算法主要介绍了常用的几种算法，包括LMS算法、RLS算法以及盲均衡常用的恒模算法(CMA)，并讨论了它们各自的优缺点。最后选用线性横向均衡器结构与上述3种系数调整算法，利用MATLAB进行仿真，并对结果进行分析与比较。关键字：自适应均衡器，LMS，RLS，CMA ，MATLAB41 AbstractIn the field of mobile communications, the inter-symbol interferences (ISI) is always one of the primary factor which effects transmission.
3、Adaptive equalization is mainly solution of dealing with ISI. Equalizers are often used to combat the influence of channels for improving communications quality and decreasing ISI in receivers. Sometimes, channel response varies due to time, the adaptive equalizer is always necessary. Equalizer coef
4、ficients can be automatically adjusted to track the channel as a key communication system technology. On the basis of studying on wireless communication channel, this paper discusses the reasons of resulting inter-symbol interference (ISI) and without conditions, introduces Nyquist first rule and th
5、e theory of adaptive equalizers. The equalizer structures and the adaptive algorithm are particularly studied in this paper. Mainly introducing and comparing four adaptive equalizer structures, such as linear horizontal equalizer, line personality type equalizer, decision feedback equalizer, fractio
6、nally spaced equalizers. Then we research the algorithms of the adaptive equalizer which are often used, including LMS, RLS, CMA, and discuss their respective advantages and disadvantages. Finally, we choose different adaptive equalizer structures and algorithms, and use the MATALB tool to simulate,
7、 at the end of this paper we analyze and compare the results. Keywords: adaptive equalizer, LMS, RLS, CAM, MATLAB目 录摘 要IABSTRACTII目 录III第一章 绪论11.1引言11.2国内(外)研究现状11.3论文研究的内容及主要工作2第二章 信道、码间干扰及均衡技术32.1 信道32.1.1 恒参信道42.1.2 变参信道42.2 通信信道模型62.3 码间干扰72.4自适应均衡的原理与特点102.5 本章小结11第三章 均衡器结构123.1 自适应均衡简介123.2 均衡
8、器的分类123.3 线性横向均衡器结构(LTE)133.4 线性格型均衡器(LLE)143.5 判决反馈均衡器(DFE)163.6 分数间隔均衡器(FSE)173.7 本章总结21第四章 自适应均衡算法的理论基础224.1 最小均衡误差算法(LMS)224.2 递归最小二乘算法(RLS)254.3 盲均衡算法274.4 本章小结30第五章 均衡器的仿真与实现315.1 采用线性横向均衡器与LMS算法315.2 采用线性横向均衡器与RLS算法315.3利用恒模算法和线性横向均衡器32总 结35参考文献36致 谢37附 录38合肥学院计算机科学与技术系毕业论文 第一章 绪论1.1引言通常信道特性是
9、一个复杂的函数，它可能包括各种线性失真、非线性失真、交调失真、衰落等。同时由于信道的迟延特性和损耗特性随时间做随机变化，因此，信道特性往往只能用随机的过程来进行描述。例如，在蜂窝式移动通信中，电磁波会因为碰撞到建筑物或者其他物体而产生反射、散射、绕射，此外发射端和接收端还会受到周围环境的干扰，从而产生时变现象，其结果为信号能量会不止一条路径到达接收天线，我们称之为多径传播。数字信号经过这样的信道传输后，由于受到了信道的非理想特性的影响，在接收端就会产生码间干扰(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的特性，减
10、少码间干扰的影响。这种起补偿作用的滤波器称为均衡器。校正可以从时域和频域两个不同的角度来考虑：频域均衡是利用可调滤波器的频率特性来弥补实际信道的幅频特性和群延时特性，使包括均衡器在内的整个系统的总频率特性满足无码间干扰传输条件。时域均衡是从时间响应的角度考虑，使包括均衡器在内的整个传输系统的冲击响应满足无码间干扰的条件。频域均衡满足奈奎斯特定理的要求，仅在判决点满足无码间干扰的条件相对宽松一些。随着数字信号的处理理论和超大规模集成电路的发展，时域均衡器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
11、采用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节抽头系数，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。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。Lucky对自适应均衡器的研究做了很大的贡献，1965年，他根据极小极大准则提出了一种“迫零自适应均衡器”。第二年，他又将此
12、算法推广到跟踪方式。Lucky的工作推动了对自适应均衡器的研究。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Mille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。1970年，Brady提出了分数间隔自适应均衡器方案。1972年，Ungeboeck对采用自适应最小均方差算法的均衡器的收敛性进行了详细的分析。1974年，Godard应用卡尔曼滤波器理论推导出了调整横向均衡器抽头加权系数的一种高效算法快速卡尔曼算法。1978年，Falconer 和Ljung介
13、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。均衡器从结构上可以划分为三大类即线性结构、非线性均衡器和格型均衡器，从延迟线抽头间隔上分为码元间隔抽头和分数间隔抽头均衡器。自适应均衡技术主要有三类：线性均衡、判决反馈均衡和最大似然序列估计(MLSE)。许多滤波器结构都使用线性和非线性均衡器，而且每种结构都有许多算法用来调整均衡器。如果判决信号不作为均衡器的反馈信号，这样的均衡器称为线性均衡器；相反，如果判决信号d(k)在输
14、出的同时又被反馈回均衡器的前端，这样的均衡器叫做非线性均衡器。自适应均衡器本质上是一个能够自动对系数进行调节的滤波器，自适应均衡由于是对未知的时变信道做出补偿，因而它需要有特别的算法来更新系数，以跟踪信道的变化。自适应算法的研究很复杂，从总体上可分为迫零算法、最小均方(LMS)算法、递归最小二乘(RLS)算法和盲自适应算法。其中抽头延迟的线性滤波器结构式均衡器中结构最简单、最常用的模型。盲自适应均衡（以下简称盲均衡）这一概念最早由日本学者Satk于1975年提出，它不需要知道期望信号是什么。因此，在数字通信系统中可以提高信道效率，同时获得更好的均衡性能。盲均衡从根本上避免了期望信号的使用，收敛
15、范围大，应用范围广，克服了传统自适应均衡的缺点，从而降低了对信道和信号的要求 。1.3论文研究的内容及主要工作本论文主要研究的是在数字通信系统中设计一个理想的自适应均衡器，用以补偿信道，从而减少码间干扰。根据均衡器的结构有多种，我们需要根据一定的准则选择一个自适应均衡器，并选择好的自适应算法来调整自适应均衡器的抽头系数，并用MATLAB进行仿真。各章的主要内容如下：第一章简单介绍了自适应均衡技术，以及其研究现状与发展等。第二章描述了通信信道的特性，对无线信道做了比较详尽的分析，并且给出了通信信道的仿真模型，介绍了产生码间干扰的原因以及一些减少码间干扰的措施，概述了自适应均衡的原理与特点。第三章
16、介绍了自适应均衡器的4种结构，包括线性横向均衡器，格型均衡器，判决反馈均衡器以及分数间隔均衡器。第四章对常用的一些自适应算法做了阐述。主要包括LMS算法、RLS算法和CMA算法。第五章选择自适应均衡器的结构和算法，用MATLAB对其进行仿真，主要采用线性横向均衡器结构，然后分别采用LMS算法、RLS算法和CMA算法进行仿真，并对LMS和RLS的收敛性能进行了比较。第六章为全文做了总结与展望。第二章 信道、码间干扰及均衡技术数字信号经过信道的传输到达接收端，而实际上信道是一个特性复杂的函数而且还是时变的。因此接收到的信号已经发生了严重的畸变从而产生码间干扰，自适应均衡器能够补偿信道所产生的畸变，
17、并且根据接收信号的变化自动调节均衡器的抽头系数，以跟踪信道的时变特性。2.1 信道从宏观上讲，任何一个通信系统均可视为由发送设备、信道、接收设备三大部分组成。信道是通信系统的重要组成部分，其特性对通信系统的性能影响很大。实际信道都不是理想的，均具有非理想的频率响应特性，同时还不可避免地存在着噪声干扰和其他干扰。信道在允许信号通过的同时又给信号以限制和损害，信道的特性将直接影响通信的质量。研究信道及噪声的最终目的是弄清它们对信号传输的影响，寻求提高通信的有效性与可靠性的方法。信道，就是信号的通路，分为狭义信道和广义信道两大类。狭义信道是指介于发送设备和接收设备之间的传输媒质构成的信号通路。它可分
18、为有线信道和无线信道两大类。有线信道如双绞线、电缆、光纤、波导等。而广义信道是将信号经过的传输路径都称为信道，不仅包括传输媒质，还包括通信系统中有关部件和电路，如天线与馈线、功率放大器、滤波器、调制器、解调器等。广义信道又分为调制信道和编码信道。 在信道中发生的基本物理过程是电磁波的传播。如果不管电磁波传播的具体方式，则可以发现信道具有以下共同特征：(1)所有信道都具有输入端和输出端，待传信号作用在输入端，而输出信号由输出端送给接收设备；(2)观察表明，绝大多数信道是线性的，亦即输出和输入量得关系满足叠加原理，但在某些情况下信道可能存在非线性效应；(3)信号通过信道后能量被衰减，或者说传播过程
19、中引入了损耗，而且损耗往往是随时间变化的；(4)信号自输入端到输出端要经历一定的时延；(5)所有信道都存在噪声或者干扰，也就是说，即使没有输入信号，信道也有输出。根据以上描述，可以用如图2-1所示的四端网络来描述信道的模型，其输入信号是 (2.1)式中代表输入信号的线性或者非线性变换，代表加性噪声。信道等效 模型 图2-1 信道模型在线性条件下，信道的传输特性决定于等效四端网络的传输函数。在一个相当长的时间内保持恒定的信道，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。2.1.1 恒参信道恒参信道的传输函数可以表示为 (2.2)式中：，代表角频率；是信道的幅度特性；
20、是信道的相位特性。另外，群时延定义为 (2.3)任何一个现实的信号都将占据某一定的频带，即它是由许多不同频率的分量构成的。如果在信号频带内，信道的幅度响应不是常数，信号的各频率分量将受到不同的衰减，在输出端叠加后将发生波形的畸变或失真，这种失真称为幅度失真。如果在信号频带内，不是频率的线性函数，即不是常数，那么信号的各个频率分量通过信道后将产生不同的时延，从而引起波形失真。这种失真称为相位失真或群时延失真。一般来说，信道的带宽总是有限的。这种带限信道对数字信号传输的主要影响是引起码元波形的展宽，从而产生码间干扰。为了使码间干扰减少到最少的程度，就需要采用自适应均衡技术。 2.1.2 变参信道信
21、道的传输特性一般都是随时间变化的。这些变化可以分为慢变化（或称长期变化）和快变化（又称短期变化）。慢变化和快变化没有明显的分界，但一般认为在5分钟或者更长时间内才显现的变化属于慢变化，而在分秒间显现的变化属于快变化。这两种变化的原因截然不同的。慢变化是与传播条件（如对流层气象条件、电离层的状态等）的变化相关联的。而快变化，又称为快衰落，表现为接收信号振幅和相位的随机起伏，起源于电波的多径传播。(1)两条射线的多径 为了便于明确多径传播效应，首先讨论双射线多径信道。设第二条射线相对于第一条射线的时延为，这里是的平均值，是中随时间变化的部分。一般来说是细微的，但它足以引起射频相位的显著变化。如果不
22、考虑信道的固定衰减，则可以得到如图2-2所示的信道等效模型，图中1表示第一条射线，2表示第二条射线，是第二条射线相对于第一条射线的幅度比。显然信道等效模型的传输函数为 (2.4) 式中，。由式(2.4)，经过一些代数运算可得信道的振幅特性和群延时特性分别为 (2.5) (2.6)时延 输入 + 输出 1 2 图2-2 双射线信道等效模型由式(2.5)可以看出，当时，出现幅度谷点。响应有 当时，出现幅度峰值，相应有 因为是随时间变化的，故峰值和谷点在频率轴上的未知也是随着时间不断移动的。信道的这种时变特性对信号传输的影响可分为下列两种情况：(a)窄带信号：这是指信号频带B时，判为“1”；当时，判
23、为“0”；显然，只有当码间干扰值和噪声足够小时，才能基本保证上述判决的正确，否则，有可能判错，造成误码。因此，为了使误码率尽可能的小，必须最大限度的减少码间干扰与随机噪声的影响。由式(2.22)可知，若想消除码间干扰，应该有=0 (2.23 )由于是随机的，要想通过各项互相抵消使码间干扰为0是不可能的，这就需要对的波形提出要求，如果相邻码元的前一个码元的波形到达后一个码元抽样判决时刻时已经为衰减为0，就能满足要求。但这样的波形不易实现，因为实际中的波形有很长的“拖尾”。也正是由于每个码元的“拖尾”造成对相邻码元的干扰，但只要让它在,等后面码元抽样时刻上正好为0，就能消除码间干扰。这也是消除码间
24、干扰的基本思想。由和之间的关系可知，如何形成合适的波形，实际上就是如何的设计特性的问题。在不考虑噪声的情况下，假设信道和接收滤波器所造成的延迟为0时，无码间干扰的系统冲击响应应该满足下式： (2.24)上式说明无码间干扰的数字通信系统的冲击响应除时刻取值不为0外，其他抽样时刻上的抽样值均为0。现在需要寻求满足(2.23)的。因为 (2.25)先把上式的积分区间用角频率间隔分隔，则可得 (2.26)作变量代换：令，则有，。且当时，。于是= 设求和与积分的次序可以互换(当上式之和为一致收敛时)，上式可以写成 (2.27)这里，我们已把变量重新记为。由傅里叶级数可知，若是周期为的频率函数，则可得 (
25、2.28)令，则 (2.29)将(2.26)和(2.27)对照，我们发现，是的指数型傅里叶级数的系数，即有 而 (2.30)在式(2.23)的要求下，我们得到码间干扰的基带传输特性应满足 (2.31)或 (2.32)基带系统的总特性凡是能符合此要求的，均可以消除码间干扰。该条件称为奈奎斯特第一准则，它为我们提供了检验一个给定系统特性是否产生码间干扰的方法。2.4自适应均衡的原理与特点 尽管理论上存在理想的基带传输特性，但在实际实现时，由于存在设计误差和信道特性的时变性，故在抽样时刻总是存在一定的码间干扰，从而导致系统性能的下降。理论和时间证明，在基带系统中插入一种可调（或不可调）滤波器将能减少
26、码间干扰的影响。这种起补偿作用的滤波器统称为均衡器。假设插入可调滤波器前的基带系统如图2-4所示，其总特性不满足奈奎斯特第一准则，即存在一定的码间干扰。设图2-4的总特性为，如果在接收滤波器之后插入一个可调滤波器，其冲击响应为 (2.32)式中，完全依赖于,设插入滤波器的频率特性为，则当 (2.33)满足式(2.30)，即满足 (2.34)此时，这个包括在内的总特性将可消除码间干扰。对于式(2.32)，因为 (2.35)于是，如果对不同的有相同的函数形式，即是以为周期的周期函数，则当在(-/, /)内有 (2.36)就有 (2.37) 也就是(2.33)式成立。既然是按式(2.35)开拓的周期
27、为的函数，则可用傅里叶级数来表示，即 (2.38)其中 (2.39)由上式可以看出，傅里叶系数由决定。再对式(2.37)求傅里叶反变换，则可求得其单位冲击响应为 (2.40)这就是需要证明的(2.31)式。由上述证明过程可以看出，给定一个系统特性就可以唯一地确定 ，于是就找到消除码间干扰的新的总特性。从上面我们可以看出均衡器的目的就是实现公式,表明均衡器实际上时传输信道的反向滤波器。2.5 本章小结本章主要研究信道的特性，码间干扰(ISI)形成的原因，以及消除码间干扰的方法,通常有两种方法：一种是根据奈奎斯特第一准则设计ISI最小化的带限传输脉冲，成为Nyquist脉冲设计方法；另一种方法是对
28、接收信号进行滤波，使系统的总特性满足奈奎斯特第一准则，从而消除由信道冲击响应产生的码间干扰，通常称之为均衡，本章讨论了时域均衡，这种方法是实际中经常使用的方法。第三章 均衡器结构3.1 自适应均衡简介在无线通信中，由于移动衰落信道具有随机性和时变性，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，而这种均衡器又称为自适应均衡器。自适应均衡器直接从传输的实际数字信号中根据某种算法不断调整系数，能适应信道的随机变化，使均衡器总是保持最佳的工作状态，因而有更好的失真补偿性能。自适应均衡器一般包括两种工作模式，即训练模式和跟踪模式。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
29、正确的设置。典型的训练序列是一个二进制伪随机序列信号或是一串预先指定的数据位，而紧跟在训练序列后的是要传送的用户数据。接收机处的均衡器将通过递归算法来评估信道特性，并且修正滤波系数以对信道做出补偿。在设计训练序列时，要求做到即使在最差的信道条件下，均衡器也能通过这个训练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；其次在接收数据时，均衡器的自适应算法就可以跟踪不断变化的信道，自适应均衡器将不断改变其滤波特性。 为了能有效的消除码间干扰，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，每当收到新的时间段，
30、均衡器将用同样的训练序列进行修正。均衡器一般放在接收机的基带或中频部分实现，基带包络的复数表达式可以描述带通信号波形，所以信道响应、解调信号和自适应算法通常都可以在基带部分被仿真和实现。3.2 均衡器的分类均衡器从结构上可以被分为两类：线性均衡器和非线性均衡器。如果接收机中判决结果经过反馈用于均衡器的参数调整，则为非线性结构；反之，则为线性均衡器。实现均衡的滤波器结构有很多种，而且每种结构在实现时又有许多种算法。图3.2是按均衡器所使用类型、结构和算法的不同，对常用的均衡技术了进行了分类。时域均衡器线性均衡器 非线性均衡器 横向滤波器格型滤波器判决反馈均衡器最大似然序列估计横向滤波器格型滤波器
31、信道估计迫零、LMS RLS、快速RLS 均方根RLS 梯度RLS 迫零、LMS RLS、快速RLS 均方根RLS 梯度RLS 迫零、LMS RLS、快速RLS 均方根RLS 图3-1 时域均衡器的分类3.3 线性横向均衡器结构(LTE)线性横向均衡器是自适应均衡方案中最简单的形式，它的基本框图如图3-2所示，它是由多级抽头延迟线、可变增益电路以及求和器组成的线性系统。其抽头间隔为码元的周期T，它把所收到的信号的当前值和过去值按滤波器系数做线性迭加，并把生成的和作为输出。 . . . 图3-2 线性横向均衡器令表示图3.3中线性均衡器中滤波系数的矢量，也就是 . . ，表示均衡器输入信号矢量，也就是 . . ，则输出信号可以表示为 (3.1)式中上角“ ”表示矩阵的转置。由(3.1)式可以看出，输出序列的结果与输入信号矢量和均衡器的系数矢量有关，输入信号经过信道后发生畸变成为；均衡器系数矢量应根据信道的特性的改变进行设计的，使经过线性横向均衡器后使输出的信号在抽样点无码间干扰。经过推导可得线性均衡器系数矢量完全由信道的传