通信工程畢業(yè)設計（論文）-自適應均衡器的研究與仿真設計.doc

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1、畢業(yè)設計（論文）畢業(yè)設計（論文）自適應均衡器的研究與仿真設計學院（系）： 信息工程學院 專業(yè)班級： 通信工程0606班 學生姓名： 指導教師： 學位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內容外，本論文不包括任何其他個人或集體已經發(fā)表或撰寫的成果作品。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。作者簽名： 年 月 日學位論文版權使用授權書本學位論文作者完全了解學校有關保障、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留并向有關學位論文管理部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權省級優(yōu)秀學士論文評選機構將本學位

2、論文的全部或部分內容編入有關數據進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。本學位論文屬于1、保密囗，在 年解密后適用本授權書2、不保密囗。（請在以上相應方框內打“”）作者簽名： 年 月 日導師簽名： 年 月 日畢業(yè)設計(論文)任務書學生姓名： XXX 專業(yè)班級： 通信工程0606 指導教師： XXXXX 工作單位： 信息工程學院 設計(論文)題目: 自適應均衡器的研究與仿真設計 設計（論文）主要內容：由于多徑衰落引起的時延擴展造成了高速數據傳輸時碼元之間的干擾。采用增加平均信號電平的方法也無法降低時延擴展引起的誤碼率，只有采用自適應均衡技術，才是根本的解決辦法。目前廣泛

3、利用橫向濾波器作時域均衡器，它可根據信道特性的變化而進行調整。要求結合均衡的原理作出仿真分析，并做出仿真效果圖。要求完成的主要任務：1、根據已學的理論知識分析均衡的原理及干擾。2、設計理想效果的均衡器，并進行仿真。3、完成設計論文，其字數一般不少于12000字（至少含10幅圖）。4、完成不少于5000漢字或2萬英文印刷符的相關文獻的翻譯。5、根據畢業(yè)設計有關規(guī)范，按時完成所有學習、研究工作和有關文檔，所有文檔、圖紙一律用計算機打印，并遵守有關國標及規(guī)范。必讀參考資料：1 樊昌信等著.通信原理(第五版).北京：國防工業(yè)出版社，2006年6月2 羅軍輝MATLAB7.0在圖像處理中的應用M北京：機

4、械工業(yè)出版社，2005年3 郭業(yè)才著自適應盲均衡技術安徽：合肥工業(yè)大學出版社，2007年 4 丁玉美，高西全數字信號處理西安：西安電子科技大學出版社 ，2006年 5 Gary AH,et al.Digital lattice and ladder filter synthesis.IEEE Trans.Audio Electron acoust,Dec.1973,vol.AU-21:491指導教師簽名 系主任簽名 院長簽名（章）武漢理工大學本科學生畢業(yè)設計（論文）開題報告1、目的及意義（含國內外的研究現狀分析）在信息日益膨脹的數字化、信息化時代，通信系統(tǒng)擔負了重大的任務，這要求數字通信系統(tǒng)向

5、著高速率、高可靠性的方向發(fā)展。信道均衡是通信系統(tǒng)中一項重要的技術，能夠很好的補償信道的非理想特性，從而減輕信號的畸變，降低誤碼率在高速通信、無線通信領域，信道對信號的畸變將更加的嚴重，因此信道均衡技術是不可或缺的。自適應均衡能夠自動的調節(jié)系數從而跟蹤信道，成為通信系統(tǒng)中一項關鍵的技術。均衡技術最早應用于電話信道，由于電話信道頻率特性不平坦和相位的非線性引起時間的彌散，使用加載線圈的均衡方法來改進傳送語音用的雙絞線電纜的特性。上世紀六十年代以前，均衡器的參數是固定的或手調的，其性能很差。Lucky對自適應均衡器的研究作了很大的貢獻，1965年，他根據極小極大準則提出了一種“迫零自適應均衡器”。第

6、二年，他又將此算法推廣到跟蹤方式。Lucky的工作推動了對自適應均衡器的研究。1965年DiToro獨立把自適應均衡器應用于對抗碼間干擾對高頻鏈路數據傳輸的影響。1967年，Austin提出了判決反饋均衡器。1969年，Gersho以及Proakis和Mi1le使用最小均方誤差準則獨立的重新描述了自適應均衡器問題。1970年，Brady提出分數間隔自適應均衡器方案。1972年，Ungerboeck對采用自適應最小均方誤差算法的均衡器的收斂性進行了詳細的分析。1974年，Godard應用卡爾曼濾波器理論推導出了調整橫向均衡濾波器抽頭加權系數的一種高效算法快速卡爾曼算法。1978年，Falcone

7、r和Ljung介紹了快速卡爾曼算法的一種修正，從而將其計算復雜性簡化到可與簡單的LMS算法比較的程度。Satorius和Alexander在1979年、Satorius和Pack在1981年證明了色散信道格型自適應均衡器算法的實用性。在高速數字移動通信、數字微波無線通信系統(tǒng)和作為重要的遠程通信和軍事通信手段之一的短波通信系統(tǒng)中, 由于多徑與衰落現象引起碼間干擾,系統(tǒng)性能惡化。采用適當有效的自適應均衡技術, 可以克服數據傳輸在頻帶利用率、誤碼率性能以及傳輸速率上的許多缺點。自適應均衡就是通過接收端的均衡器產生與信道特性相反的特性以抵消信道時變多徑傳播引起的干擾，可消除波形疊加、碼間串擾，也能減小

8、加性噪聲干擾，從而減小誤碼的技術。均衡分為頻域均衡和時域均衡。頻域均衡指總的傳輸函數滿足無失真?zhèn)鬏數臈l件。時域均衡是使總沖擊響應滿足無碼間干擾的條件。在實際電路中，往往同時采用頻域和時域自適應均衡器，最大限度地提高電路的抗衰落能力。2、基本內容和技術方案首先要熟悉自適應線性均衡器基本原理。隨機信號信道噪聲延時橫向濾波器自適應濾波器均衡器通常是用濾波器來實現的，使用濾波器來補償失真的脈沖，判決器得到的解調輸出樣本，是經過均衡器修正過的或者清除了碼間干擾之后的樣本。自適應均衡器直接從傳輸的實際數字信號中根據某種算法不斷調整增益，因而能適應信道的隨機變化，使均衡器總是保持最佳的狀態(tài)，從而有更好的失真

9、補償性能。下圖為數據傳輸中的自適應均衡器。自適應均衡器一般包含兩種工作模式，即訓練模式和跟蹤模式。首先，發(fā)射機發(fā)射一個己知的定長的訓練序列，以便接收機處的均衡器可以做出正確的設置。典型的訓練序列是一個二進制偽隨機信號或是一串預先指定的數據位，而緊跟在訓練序列后被傳送的是用戶數據。接收機處的均衡器將通過遞歸算法來評估信道特性，并且修正濾波器系數以對信道做出補償。在設計訓練序列時，要求做到即使在最差的信道條件下，均衡器也能通過這個訓練序列獲得正確的濾波系數。這樣就可以在收到訓練序列后，使得均衡器的濾波系數已經接近于最佳值。而在接收數據時，均衡器的自適應算法就可以跟蹤不斷變化的信道，自適應均衡器將不

10、斷改變其濾波特性。均衡器從調整參數至形成收斂，整個過程是均衡器算法、結構和通信變化率的函數。為了能有效的消除碼間干擾，均衡器需要周期性的做重復訓練。在數字通信系統(tǒng)中用戶數據是被分為若干段并被放在相應的時間段中傳送的，每當收到新的時間段，均衡器將用同樣的訓練序列進行修正。均衡器一般被放在接收機的基帶或中頻部分實現，基帶包絡的復數表達式可以描述帶通信號波形，所以信道響應、解調信號和自適應算法通常都可以在基帶部分被仿真和實現。然后設計理想效果的均衡器，并進行仿真。我們知道信道均衡器均衡器的作用是在信道通帶內形成一個信道傳輸函數的逆，而在通帶之外它的增益則很小或者為零。因而，由信道和均衡器級聯組成的系

11、統(tǒng)在通帶內有基本均勻的振幅特性，而帶外基本為零，相位響應在帶內是頻率的線性函數。如果條件滿足，聯合沖激響應就是辛格函數，符號間干擾可以消除。自適應調整也解決了信道本身未知，時變的特性所帶來的困難。逆模擬用一個自適應橫向濾波器(LMS濾波器)，由于輸入x(k)的信號帶寬受信道帶寬的限制，因而，自適應濾波器僅需在信道的通帶內去均衡信道的振幅和相位特性。如果能知道信道的輸入，并考慮到整個系統(tǒng)的延遲，就可得到期望響應d(k)，但是一般是難于獲得的。周期性地中斷信息傳輸，發(fā)射一些已知的碼序列，便可以進行自適應調整。貝爾電話實驗室的拉克提供了一種得到期望響應d(k)的方法，這種方法用自適應濾波器自身輸出提

12、供d(k)，因此避免了對發(fā)射信號任何先驗信息的依賴，拉克稱該方法為“判決指向學習”。更確切地說，期望信號d(k)=sgn y(k)，如圖3.4.2所示，它是由一個量化濾波器產生的。由于數據是二進制的，若不考慮噪聲影響，則經適當均衡了的信道在選通時間內的取樣輸出為+1或-1，然后將濾波器輸出和經量化后的輸出比較，產生誤差信號e(k)。由于均衡器輸出應該在適當的選通時間內唯一地表示各自的辛格脈沖，因而自適應只許在選通時間內進行，這可用與發(fā)射信號同步的閘門脈沖對誤差信號e(k)選通來實現。從平均意義上來說，如果量化后的期望響應是正確的，則自適應將沿著正確的方向進行。3、進度安排 第1-4周：查閱相關

13、文獻資料，明確研究內容，確定方案，完成開題報告。 第5-6周：熟悉相關設計工具及MATLAB軟件。 第7-9周：設計理想效果的均衡器做出仿真圖。 第10-13周：完成并修改論文。第14周： 完成相關文獻翻譯。 第15周：準備論文答辯。4、指導教師意見 指導教師簽名： 年 月 日 目 錄摘 要IAbstractII1緒論11.1引言11.2 自適應均衡的研究發(fā)展概況11.3 本論文的研究內容及主要工作22信道、碼間干擾及均衡技術32.1 信道32.1.1 恒參信道42.1.2 變參信道422 通信信道的仿真模型82.3 碼間干擾92.4 自適應均衡的原理和特點132.5 本章小結143 均衡器的

14、結構143.1 線性橫向均衡器(LTE)143.2 線性格型均衡器(LLE)163.3 判決反饋均衡器(DFE)183.4 分數間隔均衡器(FSE)203.5 本章小結264 自適應均衡器的實現264.1 LMS算法274.2 自適應均衡器仿真315 總結34參考文獻35附錄35致謝3635摘 要對信道的碼間干擾進行校正的電路稱為均衡器,其實質是信道的一個逆濾波器。在高速數字移動通信、數字微波無線通信系統(tǒng)和作為重要的遠程通信和軍事通信手段之一的短波通信系統(tǒng)中, 由于多徑與衰落現象引起碼間干擾,系統(tǒng)性能惡化。采用適當有效的自適應均衡技術, 可以克服數據傳輸在頻帶利用率、誤碼率性能以及傳輸速率上的

15、許多缺點。 信道均衡是通信系統(tǒng)中一項重要的技術，能夠很好的補償信道的非理想特性，從而減輕信號的畸變，降低誤碼率。在高速通信、無線通信領域，信道對信號的畸變將更加的嚴重，因此信道均衡技術是不可或缺的。自適應均衡能夠自動的調節(jié)系數從而跟蹤信道，成為通信系統(tǒng)中一項關鍵的技術。自適應均衡作為自適應信號處理的一個重要方面, 已廣泛應用于通信、雷達、聲納、控制和生物醫(yī)學工程等領域。本文介紹了自適應均衡器的發(fā)展歷史，闡述了信道，產生碼間干擾的原因以及無碼間干擾的條件, 對各種自適應均衡器如線性橫向均衡器，線性格型均衡器，判決反饋均衡器，分數間隔均衡器進行了分類討論, 分析了其優(yōu)缺點,，最后結合均衡的原理設計

16、理想效果的均衡器，并利用MATLAB進行仿真。關鍵詞：自適應均衡；信道均衡；自適應均衡器；MATLABAbstractOf the channel inter-symbol interference correction circuit as equalizer, and its essence is an inverse channel filter. In the high-speed digital mobile communications, digital microwave wireless communications systems and as an important me

17、ans of remote communications and military communications, one of short-wave communication system, due to the phenomenon of multipath and fading caused by inter-symbol interference, system performance deterioration. Appropriate and effective adaptive equalization technology, can overcome the data tra

18、nsmission in bandwidth efficiency, bit error rate performance and transmission rate on many of the shortcomings.Channel equalization is an important communication system technology, to a good compensation of non-ideal characteristics of the channel, so as to reduce signal distortion, reduce the erro

19、r rate. In the high-speed communications, wireless communications, channel distortion of the signal will be more severe, so the channel equalization is indispensable. Equalizer coefficients can be automatically adjusted to track the channel as a key communication systems technology.As an important a

20、spect of adap t ive signal p rocessing, adap t ive equalizat ion is w idely used in the field of telecommunicat ion, radar, sonar, cont ro l and biomedical engineering.This article describes the historical development of adaptive equalizer, set the channel, resulting inter-symbol interference ISI re

21、asons and without conditions, on a variety of adaptive equalizers such as linear horizontal equalizer, line personality type equalizer, decision feedback equalizer, fractionally spaced equalizer were classified discussions, and analyzes its advantages and disadvantages, and finally combined with the

22、 principle of balanced design desired effect of the equalizer, and using MATLAB simulation.Key Words：A daptive equalization, Channel equalization, A daptive equalizer, MATLAB1緒論1.1引言通常信道特性是一個復雜的函數，它可能包括各種線性失真、非線性失真、交調失真、衰落等。同時由于信道的遲延特性和損耗特性隨時間做隨機變化，因此信道特性往往只能用隨機過程來描述，例如在蜂窩式移動通信中，電磁波會因為碰撞到建筑物或者是其他物體而

23、產生反射、散射、繞射，此外發(fā)射端和接收端還會受到周圍環(huán)境的干擾，從而產生時變現象，其結果為信號能量會由不止一條路徑到達接收天線，我們稱之為多徑傳播。數字信號經過這樣的信道傳輸以后，由于受到了信道的非理想特性的影響，在接收端就會產生碼間干擾(ISI)，使系統(tǒng)誤碼率上升，嚴重情況下使系統(tǒng)無法繼續(xù)正常工作。理論和實踐證明，在接收系統(tǒng)中插入一種濾波器，可以校正和補償系統(tǒng)特性，減少碼間干擾的影響。這種起補償作用的濾波器稱為均衡器。校正可以從頻域和時域兩個不同的角度考慮：在頻域校正稱為頻域均衡，它是通過調整均衡器使信道和均衡器總的頻譜特性符合理想低通特性或等效低通特性，從而實現無碼間干擾傳輸，若從時域考慮

24、問題，它是以奈氏第一準則為依據，通過調整濾波器抽頭系數，在時域波形上把畸變了的信號校正為在取樣點上無碼間干擾的波形，我們把這種均衡稱為時域均衡。隨著數字信號處理理論和超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，時域均衡已成為當今高速數字通信中所使用的主要方法。調整濾波器抽頭系數的方法有手動調整和自動調整。如果接收端知道信道特性，例如信道沖擊響應或頻域響應，一般采用比較簡單的手動調整方式。由于無線通信信道具有隨機性和時變性，即信道特性事先是未知的，信道響應是時變的，這就要求均衡器必須能夠實時地跟蹤通信信道的時變特性，可以根據信道響應自動調整抽頭系數，我們稱這種可以自動調整濾波器抽頭系數的均衡器為自適應均衡器。1.2

25、 自適應均衡的研究發(fā)展概況 均衡技術最早應用于電話信道，由于電話信道頻率特性不平坦和相位的非線性引起時間的彌散，使用加載線圈的均衡方法來改進傳送語音用的雙紋線電纜的特性。20 世紀60 年代以前, 能消除符號間干擾對數據傳輸惡化影響的電話信道均衡由固定均衡器或人工調整參數的均衡器完成。由于衰落信道是隨機時變的, 故需要研究自適應地跟蹤信道時變特性的均衡器。Lucky對自適應均衡器的研究作了很大的貢歉。1965年,Lucky根據極小極大準則提出了一種“迫零自適應均衡器”, 用來自動調整橫向均衡器的抽頭加權系數,1966 年, 他將此算法推廣到跟蹤方式, 對自適應均衡器的研究做出了很大的貢獻。19

26、65年,DiToro 獨立的把自適應均衡器應用于對抗碼間干擾對高頻鏈路數據傳輸的影響。1967年,Austin 提出了判決反饋均衡器。1969年, Gersho以及Proakis和Mille使用最小均方誤差準則獨立的重新描述了自適應均衡器問題。1970年,Brady提出分數間隔自適應均衡器方案。1972年,Ungerboeck對采用自適應最小均方誤差算法的均衡器的收斂性進行了詳細的分析。1974 年, Godard 應用卡爾曼濾波器理論推導出了調整橫向均衡濾波器抽頭加權系數的一種高效算法 快速卡爾曼算法。1978年, Falconer和Ljung介紹了快速卡爾曼算法的一種修正, 從而將其計算復

27、雜性簡化到可與簡單的LMS算法比較的程度。Satorius和Alexander在1979年、Satorius和Pack在1981年證明了色散信道格型自適應均衡器算法的實用性。 均衡器從結構上可以分為三大類即線性、非線性均衡器和格型均衡器，從延遲線抽頭間隔上分為碼元間隔抽頭和分數間隔抽頭均衡器。自適應均衡技術主要有三類：線性均衡、判決反饋均衡和最大似然序列估計（MLSE）。許多濾波器結構都用來實現線性和非線性均衡器，而且，每種結構都有許多算法用來調整均衡器。如果判決信號不作為均衡器的反饋信號，這樣的均衡器稱為線性均衡器；相反，如果判決信d(k)在輸出的同時又被反饋回均衡器的前端,這樣的均衡器叫做

28、非線性均衡器。自適應均衡器本質上是一個能夠自動對系數進行調整的濾波器，自適應均衡器由于是對未知的時變信道作出補償，因而它需要有特別的算法來更新系數，以跟蹤信道的變化。自適應算法的研究是很復雜的，從總體上可分為迫零算法、最小均方(LMS)算法、遞歸最二乘(RLS)算法和盲自適應算法。其中抽頭延遲的線性濾波器結構是均衡器結構中最簡單最常用的模型。盲自適應均衡（以下簡稱盲均衡）這一概念最早由日本學者Satk于1975年提出，它不需要參考信號來維持正常的工作和防失鎖現象發(fā)生。因此，在數字通信系統(tǒng)中可以提高信道效率，同時獲得更好的均衡性能。盲均衡從根本上避免了參考信號的使用，收斂范圍大，應用范甩圍廣，克

29、服了傳統(tǒng)自適應均衡的缺點，從而降低了對信道和信號的要求，并簡化了通信系統(tǒng)的設計。1.3 本論文的研究內容及主要工作第一章簡單的介紹了自適應均衡技術，以及其發(fā)展概況等 。第二章介紹了信道的特性，碼間干擾及自適應均衡的原理和特點。第三章概述了均衡器的各種結構。第四章敘述了Matlab圖像處理的相關知識。第五章講述了自適應均衡器的實現。第六章描繪了自適應線性均衡器的仿真。第七章為全文作了總結和展望。2信道、碼間干擾及均衡技術數字信號經過信道的傳輸到達接收端，而實際上通信信道是一個特性復雜的函數而且還是時變的。因此接收到的信號己經發(fā)生了嚴重的畸變從而產生了碼間干擾，自適應均衡器能夠補償信道所產生的畸變

30、，并且根據接收信號的變化自適應算法自動調節(jié)均衡器的抽頭系數，以跟蹤信道的時變特性。2.1 信道任何一個通信系統(tǒng)可視為由發(fā)送設備、信道與接收設備三大部分組成。所謂傳輸信道指的是以傳輸媒質為基礎的信號通路。具體的說，它是由有線和無線的電線路提供的信號通路。它允許信號通過同時又給信號以限制和損害。按傳輸媒介的不同，物理信道分為有線信道和無線信道兩大類。有線信道包括明線、對稱電纜、同軸電纜以及光纖等。無線信道有地波傳播、短波電離層反射、超短波或微波無線電接力、人造衛(wèi)星中繼、散射以及移動無線電信道。在信道中發(fā)生的基本物理過程是電磁波的傳播如果不管電磁波傳播的具體方式，則可以發(fā)現信道有以下共同特征：(1)

31、所有信道都有輸入端和輸出端，待傳信號作用在輸入端，而輸出信號由輸出端送給接收設備；(2)觀察表明，絕大多數信道是線性的，亦即輸出和輸入量的關系滿足疊加原理，但在某些情況下信道可能存在非線性效應；(3)信號通過信道后能量被衰減，或者說傳播過程中引入了損耗，而且損耗往往是隨時間變化的；(4)信號自輸入端到輸出端要經歷一定的時延：(5) 所有信道都存在噪聲或者干擾，也就是說，即使沒有輸入信號，信道也有輸出。根據以上描述，可以用一個如圖2.1所示的四端網絡來描述信道的模型，其輸出信號是 （2-1）式中代表輸人信號x(t)的線性或者非線性變換，n(t)代表加性噪聲。信道等效模型圖2.1 信道模型在線性條

32、件下，信道的傳輸特性決定于等效四端網絡的傳輸函數Hc(w)。在一個相當長的時間內Hc(w)保持恒定的信道，稱為恒參信道；否則稱為變參信道。下面分別討論他們的特性及對數據傳輸的影響。2.1.1 恒參信道恒參信道的傳輸涵數可以表示為 （2-2）式中:,代表角頻率;是信道的幅度特性；是信道的相位特性。另外,群時延定義為 （2-3）任何一個現實的信號都將占據某一頻帶，即它是由許多不同頻率的分量構成的。如果在信號頻帶內，信道的幅度響應H(w)不是常數，信號的各頻率分量將受到不同的衰減，在輸出端疊加后將發(fā)生波形的畸變或失真，這種失真稱為幅度失真。如果在信號頻帶內，(w)不是頻率的線性函數，即(w)不是常數

33、，那么信號的各個頻率分量通過信道后將產生不同的時延，從而引起波形失真。這種失真稱為相位失真或群時延失真。一般說來，信道的帶寬總是有限的。這種帶限信道對數字信號傳輸的主要影響是引起碼元波形的展寬，從而產生碼間干擾。為了使碼間干擾減少到最少的程度就需要采用自適應均衡技術。2.1.2 變參信道 信道的傳輸特性一般都是隨時間變化的。這些變化可以分為慢變化(或稱長期變化）和快變化（或稱短期變化）。慢變化和快變化沒有十分明確的分界，但一般認為在5 分鐘或更長時間內才顯現的變化屬于慢變化，而在分秒間顯現的變化屬于快變化。 兩種變化的原因是截然不同的。慢變化是與傳播條件（如對流層氣象條件，電離層的狀態(tài)等）的變

34、化相關聯的。而快變化，又稱為快衰落，表現為接收信號振幅和相位的隨機起伏，起源于電波的多徑傳播。（1） 兩條射線的多徑為了便于明確多徑傳播效應，首先討論雙射線多徑信道。設第二條射線相對于第一條射線的時延為： ，這里是的平均值,是中隨時間變化的部分。一般來說是細微的，但它足以引起射頻相位的顯著變化。如果不考慮信道的固定衰減，則可得到如圖2.2所示的信道等效模型，圖中1 表示第一條射線，2 表示第二條射線，是第二條射線相對于第一條射線的幅度比.顯然信道等效模型的傳輸函數為 （2-4）式中。由式,經過一些代數運算可得信道的擺幅特性和群時延特性分別為 （2-5） （2-6）+輸入輸出21圖2.2雙射線信

35、道等效模型由式(2-5)可以看出，當時，出現幅度谷點。相應有 （2-7） （2-8）當時,出現幅度峰值，相應有 （2-9） （2-10）因為是隨時間變化的,故峰值和谷點在頻率軸上的未知也將隨著時間不斷移動。信道的這種時變特性對信號傳輸的影響可分為下列兩種情況：窄帶信號：這是指信號頻帶的情況。窄帶信號通過信道后，則頻率分量的幅度和相位一致的（或相關的）隨時間變化，因而波形不會失真，這種情形稱為平坦衰落。主要問題是信號電平隨機起伏，在某些時間下降到指定的門限以下，甚至導致通信暫時中斷。此外，衰落引起的相位隨機抖動對于某些傳輸系統(tǒng)也是必須考慮的因素寬帶信號:由圖2.3 可知，當信號帶寬與可相比較時，

36、信號的各頻率分量將經受不相關的衰落，這就是所胃的頻率選擇性衰落。它的主要影響是引起信號波形失真。對于數字通信來說，其主要危害是造成碼間干擾。 由前面的分析可以知道，引起快衰落的主要原因是路徑時延差。因 的細小變化就會使射頻信號變化弧度，兩條射線時而同相相加，時而反相抵消，故合成信號的幅度發(fā)生大起大落。但衰落的深度及領率選擇性決定于幅度比與時延差的均值.r越接近于1，衰落深度越大.越大，色散（各頻率分量傳播速度不同）越嚴重，信道允許通過的信號頻帶越低。（2）N 條射線的多徑 設信道輸入為 ( 幅度為1 的正弦波），則信道的輸出為 （2-11）式中,分別是第條射線的幅度和相位?？紤]到 （2-12）

37、 （2-13）且有理由假定是與時間無關的常數，式(2-11)可變成 （2-14）式中，而對信號傳輸是無影晌的，故可得信道傳輸函數為 （2-15） 這里,.而 （2-16） （2-17）從某一時刻去觀察，,均為N 個零均值獨立的隨機變量之和。當N 很大時，由中心極限定理，將服從一維正態(tài)分布。由概率論知識可知，在這種情況下信號的幅度A 將服從瑞利分布，相位將服從均勻分布，即有 （2-18） （2-19）上兩式中分別代表信道輸出信號幅度和相位的概率密度，而等于正態(tài)隨機變量方差，即。許多信道（例如散射信道、移動信道）都包含大量的傳播路徑，因此接收信號的幅度往往服從瑞利分布這種快衰落常常稱為瑞利衰落。2

38、2 通信信道的仿真模型前面討論了恒參信道和隨參信道傳輸特性以及對信號傳輸的影響。除此之外,信道的加性嗓聲同樣會對信號傳輸產生影響。加性操聲與信號獨立，并且始終存在，實際中只能采取措施減少加性噪聲的影響，而不能徹底消除加性噪聲。各種加性噪聲都可以認為是一種起伏噪聲，且功率譜密度在很寬的范圍內都是常數。因此，通常近似認為通信系統(tǒng)的噪聲是加性高斯白噪聲(AWGN)，其雙邊功率譜密度為 （2-20）自相關函數為 （2-21）式（2-21）說明，零均值高斯白嗓聲在任意兩個不同時刻的取值是不相關的，因而也是統(tǒng)計獨立的。通信信道模型如圖2.3所示，發(fā)射端發(fā)送的信號經過信道傳送時，首先受信道傳輸的影響，再經由

39、加性高斯白噪聲(AWGN)惡化，便成為接收端所收到的信號。信道+圖2.3 通信信道仿真模型信號s(t)經過這祥一個信道濾波器，再和加性高斯白噪聲（AWGN）相疊加,AWGN采用均值為零的隨機復數序列形式，經過疊加的信號可以認為是接收端的接收信號r(t)，接下來就是對接收信號r(t)進行均衡，其目的是恢復發(fā)送端的發(fā)射信號s(t)。2.3 碼間干擾由前面的討論可知，大多數物理信道不僅是帶限，而且還會使信號產生失真，而失真對于數字通信來說最大的危害就是產生碼間干擾，使得判決器發(fā)生誤判，從而系統(tǒng)誤碼率上升。在加性高斯白噪聲（AWGN）信道中實現信號的全通或者非色散幾乎是不可能的。根據圖2.3 ，可以得

40、出常用的通信信道數學模型為 （2-22）式中s(t)是傳輸信號，是信道的沖擊響應，是功率譜為的加性高斯白噪聲。實質上，我們是將信道的色散特性建模為一個線性濾波器氣。最簡單的色散信道是沖激響應為理想低通濾波的帶限信道，傳輸信號經過低通濾波器會在時域波形的邊緣產生模糊使一個碼元擴展到相鄰的碼元從而產生碼間干擾(ISI),結果會惡化通信系統(tǒng)的誤碼性能.一個點對點的數字通信系統(tǒng)可以簡化為如圖2.4 所示的模型。發(fā)送濾波器 信道 接收濾波器 抽樣判決器 圖示2.4數字通信系統(tǒng)等效模型 圖中,為發(fā)送濾波器的輸入符號序列,在二進制情況下,取值為0,1或-1,+1.為了便于分析方便,假設所對應的信號的間隔為,

41、強度由決定的單位沖擊序列,即 （2-23）此信號激勵發(fā)送濾波器時,發(fā)送濾波器的輸出信號為 （2-24）式中， ”是卷積符號；是單個作用下形成的發(fā)送波形，即發(fā)送濾放器的單位沖擊響應。若發(fā)送濾波器的傳輸特性為，則由下式決定 （2-25）若再假設信道的轉輸特性為，接收濾波器的傳輸特性為，則圖2.7所示的數字通信系統(tǒng)的總傳輸特性為 （2-26）其單位沖擊響應為 （2-27）是單個作用下，形成的輸出波形。因此在序列作用下，接收濾波器輸出信號可表示為 （2-28）式中，是加性噪聲經過接收濾波器后輸出的噪聲。抽樣判決器對進行抽樣判決，以確定所傳輸的數字信息序列。例如我們要對第個碼元進行判決，應在時刻上（是信

42、道和接收濾波器所造成的延遲）對進行抽樣，由式(2-28)得 （2-29） 式中，第一項是第個碼元波形的抽樣值，它是確定的依據。第二項是除第個碼元以外的其他碼元的波形在第個抽樣時刻上的總和，它對當前碼元的判決起著干擾的作用，所以稱為碼間干擾值。由于是以概率出現的，所以通常碼間干擾值是一個隨機變量。第三項是輸出嗓聲在抽樣時刻的值，它是一種隨機于擾，也要影響對第k 個碼元的正確判決。 由于碼間干擾和隨機嗓聲的存在，當加到判決電路時，對取值的判決可能判對，也可能判錯。例如在二進制數字通信中，的可能取值為“0”或“1” ，判決電路的判決門限為，且判抉規(guī)則為當時,判；當顯然，只有當碼間干擾值和嗓聲足夠小的

43、時候，才能基本保證上述判決的正確，否則有可能發(fā)生錯判，造成誤碼。因此，為了使誤碼率盡可能的小，必須最大限度的減少碼間干擾和隨機噪聲的影響。由式（2-29）可知若想消除碼間干擾，應該有 （2-30）由于是隨機的，要想通過各項相互抵消使碼間干擾為0是不行的，這就需要對的波形提出要求，如果相鄰碼元的前一個碼元的波形到達后一個碼元抽樣判決時刻時己經衰減到O,就能滿足要求。但這樣的波形不易實現，因為實際中的波形有很長的“拖尾”，也正是由于每個碼元的“拖尾”造成對相鄰碼元的干擾，但只要讓它在等后面碼元抽樣時刻上正好為0,就能消除碼間干擾。這也是消除碼間干擾的基本思想 由和之間的關系可知，如何形成合適的波形

44、，實際上就是如何設計特性的問題。在不考慮噪聲的情況下，假設信道和接收濾波器所造成的延遲時，無碼間干擾的系統(tǒng)沖擊響應應該滿足下式： (2-31)式（2-31）說明無碼間干擾的數字通信系統(tǒng)的沖擊響應除t=0時刻取值不為0外，其他抽樣時刻t = k上的抽樣值均為0.由h(t)和H(w）之間的關系可以推導出H(w）滿足如下關系式： (2-32)該條件稱為奈奎斯特第一準則。它為我們提供了檢驗一個給定系統(tǒng)特性H(w)是否產生碼間干擾的方法。2.4 自適應均衡的原理和特點理論和實踐證明，在數字通信系統(tǒng)中插入一種可調濾波器可以校正和補償系統(tǒng)特性，減少碼間干擾的影響。這種起補償作用的濾波器稱為均衡器。發(fā)送濾波器

45、信道+接收濾波器抽樣判決器均等器圖2.5帶均衡器的數字通信系統(tǒng)的等效模型由圖2.5可知,整個數字通信系統(tǒng)總的傳輸特性為 （2-33）通常將發(fā)送濾波器和接收濾波器設計成匹配的，而均衡器用來補償信道的畸變，即均衡器的傳輸函數滿足： （2-34）均衡器通常是用濾波器來實現的，使用濾波器來補償失真的脈沖，判決器得到的解調輸出樣本，是經過均衡器修正過的或者清除了碼間干擾之后的樣本。自適應均衡器直接從傳輸的實際數字信號中根據某種算法不斷調整增益，因而能適應信道的隨機變化，使均衡器總是保持最佳的工作狀態(tài)，從而有更好的失真補償性能。自適應均衡器一般包含兩種工作模式，即訓練模式和跟蹤模式。首先，發(fā)射機發(fā)射一個已

46、知的定長的訓練序列，以便接收機處的均衡器可以做出正確的設置。典型的訓練序列是一個二進制偽隨機信號或是一串預先指定的數據位，而緊跟在訓練序列后被傳送的是用戶數據，接收機處的均衡器將通過遞歸算法來評估信道特性，并且修正濾波器系數以對信道作出補償。在設計訓練序列時，要求做到即使在最差的信道條件下，均街器也能通過這個訓練序列獲得正確的濾波系數。這樣就可以在收到訓練序列后，使得均衡器的濾波系數已經接近于最佳值。而在接收數據時，均衡器的自適應算法就可以跟蹤不斷變化的信道，自適應均衡器將不斷改變其濾波特性。均衡器從調整參數至形成收斂，整個過程是均衡器算法、結構和通信變化率的函數。為了能有效的消除碼間干擾，均

47、衡器需要周期性的做重復訓練。在數字通信系統(tǒng)中用戶數據是被分為若千段并被放在相應的時間段中傳送的，每當收到新的時間段，均衡器將用同祥的訓練序列進行修正。均衡器一般被放在接收機的基帶或中頻部分實現，基帶包絡的復數表達式可以描述帶通信號波形，所以信道響應、解調信號和自適應算法通常都可以在基帶部分被仿真和實現。2.5 本章小結由于信道的非理想特性是產生碼間干擾的主要因素，因此本章首先分析了各種通信信道的特性，在此基礎上提出了通信信道的數學(仿真)模型.為了能更加有效的抑制碼間干擾,分析了碼間于擾產生的機理以及無碼間干擾的條件。簡要介紹了均衡的概念，給出了帶均衡器的數字通信等效模型，以后各章的仿真和分析

48、都以此等效模型為基礎。概述了自適應均衡的一般原理和特點。3 均衡器的結構均衡技術可以分為兩大類：線性和非線性均衡。這些種類是由自適應均衡器的輸出接下來是如何控制均衡器來劃分的。判決器決定了接收數字信號比特的值并應用門限電平來決定的值。如果在反饋路徑中調整均衡器，均衡器就是線性的。另一方面，如果d (t）反饋回來調整均衡器，則為非線性均衡。線性均衡器包括線性橫向均衡器、線性格型均衡器等等，非線性均衡器包括判決反饋均衡器、最大似然序列均衡器等等，在這里主要介紹實際中應用較廣的線性橫向均衡器、線性格型均衡器、判決反饋均衡器及分數間隔均衡器。 時域均衡器可以分兩大類：線性均衡器和非線性均衡器。如果接收

49、機中判決的結果經過反饋用于均衡器的參數調整，則為非線性均衡器；反之，則為線性均衡器。在線性均衡器中，最常用的均衡器結構是線性橫向均衡器，它由若干個抽頭延遲線組成，延時時間間隔等于碼元間隔 。非線性均衡器的種類較多，包括判決反饋均衡器(DFE)、最大似然(ML)符號檢測器和最大似然序列估計等。均衡器的結構可分為橫向和格型等。因為很多數字通信系統(tǒng)的信道(例如無線移動通信信道)特性是未知和時變的，要求接收端的均衡器必須具有自適應的能力。所以，均衡器可以采用自適應信號處理的相關算法，以實現高性能的信道均衡，這類均衡器稱為自適應均衡器。按照抽樣間隔的不同，均衡器還可以分為碼元間隔均衡器和分數間隔均衡器。

50、實際中碼元間隔均衡器使用比較多，但是性能上卻不如分數間隔均衡器的好。本章在最后闡述分數間隔均衡器，并和碼元間隔均衡器在性能上加以比較，給出一個例子并對其做了計算機仿真。3.1 線性橫向均衡器（LTE）橫向(時間延遲或遞歸) 均衡器是自適應均衡發(fā)展方案中的最簡單形式。在實際應用中為使參數調整得以順利進行, 把輸出信號進行判決所得的估計信號作為理想信號, 這樣, 整個數字均衡器成了一個非線性系統(tǒng), 其收斂性分析相當麻煩, 但在信道畸變不是特別嚴重的情況下, 其收斂域能夠得到保證, 可以用線性系統(tǒng)的分析方法對其進行分析。線性橫向均衡器是自適應均衡方案中最簡單的形式，它的基本框圖如圖3.1 所示。圖中

51、，輸入信號的將來值、當前值及過去值，均被均衡器時變抽頭系數進行線性加權求和后得到輸出，然后根據輸出值和理想值之間的差別按照一定的自適應算法調整濾波器抽頭系數。在實際應用中，期望信號是未知的，否則也就失去了通信的意義。為使參數調整得以順利進行，一種折中的方法是把由輸出信號進行判決所得的估計信號作為期望信號,事實上，在這種情況下，整個數字均衡器已經成了一個非線性系統(tǒng)，因為其收斂特性的分析是相當繁難的。但是在信道畸變不是異乎尋常的嚴重的情況下，其收斂性是可以得到保證的。.圖3.1線性橫向均衡器令表示圖3.1中線性橫向均衡器中濾波系數的矢量,也就是；表示均衡器輸入信號矢量,則輸出信號可表示為 (3-1

52、)式中上角“T”表示矩陣的轉置.由式(3-1)可以看出，輸出序列的結果與輸入信號矢量和均衡器系數矢量有關。輸入信號矢量是由信號的畸變，即由信道特性的變化來決定的；均衡器系數矢量應根據信道特性的改變進行設計，使輸出序列抽樣點碼間干擾為零。經過推導可得線性橫向均衡器系數矢量完全由信道的傳遞函數來確定。如果信道特性發(fā)生了變化，相應的系數矢量也應隨之變化，這樣才能保證均衡后在抽樣時刻上無碼間千擾。假設期望信號為，則誤差輸出序列為 （3-2）顯然，自適應均衡器的原理是用誤差序列按照某種準則和算法對其系數進行調整，最終使自適應均衡器的代價目標）涵數最小化，達到最佳均衡的目的。實際使用中，均衡器系數可通過迫

53、零準則(MMSE)獲得。對于迫零準則，調整均衡器系數使穩(wěn)定后的所有樣值沖擊響應具有最小的碼間干擾；而MMSE準則的均衡器系數調整是為了使期望信號和均衡器輸出信號之間的均方誤差最小。無論是基于MMSE準則還是迫零準則無限抽頭的線性橫向均衡器在無嗓情況下直觀上都是信道的逆濾波器，如果考慮噪聲兩種準則間會有差別。在MMSE準則下，均衡器抽頭對加性嗓聲和信道畸變均進行補償，補償包括相位和幅度兩個方面；而基于迫零準則的LTE忽略噪聲的影響。線性橫向均衡器最大的優(yōu)點就在于其結構非常簡單，容易實現，因此在各種數字通信系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。但是其結構決定了兩個難以克服的缺點：其一就是噪聲的增強會使線性橫向均

54、衡器無法均衡具有深度零點的信道為了補償信道的深度零點，線性橫向均衡器必須有高增益的頻率響應，然而同時無法避免的也會放大噪聲；另一個問題是線性橫向均衡器與接收信號的幅度信息關系密切而幅度會隨著多徑衰落信道中相鄰碼元的改變而改變，因此濾波器抽頭系數的調整不是獨立的。由于以上兩點線性橫向均衡器在畸變嚴重的信道和低信噪比(SNR)環(huán)境中性能較差，而且均衡器的抽頭調整相互影響，從而需要更多的抽頭數目。 3.2 線性格型均衡器（LLE）格型濾波器(Laltice Filter)最早是由Makhoul于1977年提出的，所采用的方法在當時被稱為線性預測的格型方法，后被稱為格型濾波器。這種格型濾波器具有共扼對

55、稱的結構：前向反射系數是后向反射系數的共扼。格型濾波器最突出的特點是局部相關聯的模塊化結構。格型系數對于數值擾動的低靈敏型，以及格型算法對于信號協(xié)方差矩陣特征值擴散的相對惰性，使得其算法具有快速收斂和優(yōu)良數值特性。因為實際中，信道特性無法知道，所以也就難以估計需要的濾波器階數。而用格型濾波器作為自適應均衡器的結構時，可以動態(tài)的調整自適應均衡器的結構以滿足實際的均衡需求而不必重新設定均衡器的階數和重新啟動自適應算法。如圖3.2 所示為格型均衡器的結構框圖，輸入信號被轉換成一組N 階的前向和反向誤差信號,用作加法器的輸入,用于計算更新系數，格型濾波器的每一步可用下面的式子表征: (3-3) (3-

56、4) (3-5).圖3.2 線性格型均衡器其中是格型濾波器第步的反射系數。反饋誤差信號用作衡量均衡器的抽頭系數。令均衡器抽頭系數矢量為反饋誤差信號矢量，即則均衡器的輸出可表示為 (3-6)同時可得調整自適應算法的誤差序列為 （3-7）格型均衡器由于在動態(tài)調整階數的時候不需要重新啟動自適應算法，因而在無法大概估計信道特性的時候非常有利，可以利用格型均衡器的逐步迭代而得到最佳的階數，另外格型均衡器有著優(yōu)良的收斂特性和數值穩(wěn)定性，這些都有利于在高速的數字通信和深度衰落的信道中使用格型均衡器。但是如前面所討論的那樣，格型均衡器的結構比較復雜，實現起來困難，從而限制了格型均衡器在數字通信中的應用。3.3

57、 判決反饋均衡器（DFE） 諸如劃LTE的線性均衡器為了補償信道的深度零點而增大增益從而也放大了噪聲，因此在有深度譜零點的帶通信道中線性均衡器性能不佳。然而對于這樣的惡劣信道，判決反饋均衡器出于存在著不受噪聲增益影響的反饋部分因而性能優(yōu)于線性橫向均衡器。判決反饋均衡的基本方法就是一旦信息符號經檢測和判決以后，它對隨后信號的干擾在其檢測之前可以被估計并消減。其結構如圖3.3所示。包括兩個抽頭延遲濾波器：一個是前向濾波器（FFF），另一個是反向濾波器(FBF)。 。判決器。圖3.3判決反饋均衡器FFF的輸入是接收濾波器的輸出。其作用和原理與前面討論的線性橫向均衡器類似;FBF的輸入是判決器的先前輸出，其系數可以通過調整減弱當前估計中的碼間干擾。其中FFF 抽頭系數的個數為L 而FBF抽頭系數的個數為M.令FFF的抽頭系數的矢量為的抽頭系數矢量為兩濾波器組合抽頭系數矢量則 (3-8)同時再令FFF的輸入信號矢量為為判決器的輸出信號，則FBF每級延遲得到的信號矢量為