（信号与信息处理专业论文）基于菌群与粒子群优化策略的自适应信道均衡器.pdf

a d a p t i v ec h a n n e le q u a l i z e ru s i n gb a c t e r i a lf o r a g i n go r i e n t e db yp a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o ns t r a t e g y 摘要 由于符号间干扰的存在，通信信道中高速数据的传输对所传信号的幅度与相位产 生失真。其他的损伤如热噪声，冲击噪声与互耦也使接收符号产生进一步的失真。除 此以外，信道特效还是时变的，这就要求接收机的均衡器能接受数字信道的自适应信 道均衡，以除去或降低符号间干扰对传输符号的影响。一般地，均衡器是放置于接收 机前末端的一个逆滤波器，其传输函数是相应信道传输函数的逆( 倒) 函数。 典型的基于最小均方( l m s ) 与递归最d - - 乘( r l s ) 推导出的算法在获得权值解 时具有局部最小化的问题。为避免对权值过早的设置，本文采用基于修正更新算法的 渐进计算方法，它基本上是一个基于自然的仿生算法。均衡基本上是均方误差最小化 的迭代过程。因此，均衡可以看成是一个最优化问题。 近年来，由于菌群生存优化( b f o ) 算法在不同领域中有广泛的应用，它吸引了众 多研究者的关注。本论文将菌群优化算法( b f o a ) 中的大肠杆菌生存技术与粒子群优 化算法( p s o ) 中的鸟群觅食模式相结合，给出了其结合算法( b f p s o ) 。b f p s o 算 法具有这两种生物激励算法的优点，以更新均衡器的权值。结合算法的目的是利用粒 子群优化p s o 交换社会信息的能力及菌群生存优化b f o 寻找一个新解的能力，以改进 基本的b f o a 粒子群优化算法收敛的速率与精确性。使用b f - p s o 结合算法以迭代方式 获得方差的最小化。针对误比特率( b e r ) ，将采用的结合算法与原始b f o a 菌群优 化算法、经典粒子群优化p s o 及遗传算法( g a ) 进行了深入比较。结果表明，基于 b f p s o 算法的均衡器的性能使收敛速率、m s e 性能面底值及误比特率b e r 有了很大 的改善。可以得出结论：b f - p s o 算法对高噪声条件下复杂的非线性信道均衡器的系数 的学习是一个有力的工具。 本论文另一主要内容是对所给出的应用于通信系统的自适应均衡器的设计。自适 应均衡器的设计基于v h d l 综合，针对f p g a 实现。h d l 协同仿真表明：该设计和 v h d l 源码成功地收敛，并成功地实现了信道均衡。 论文工作成功地达到了提供一个优良的信道均衡器的目标。所设计的b f - p s o 模型 是精确的，可在实际中的实时应用场合使用。 关键词：自适应信道均衡器；菌群优化算法：粒子群优化算法；f p g a 实现；h d l 协 同仿真 a d a p t i v ec h a n n e le q u a l i z e ru s i n gb a c t e r i a lf o r a g i n go r i e n t e db yp a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o ns t r a t e g y a b s t r a c t h i g hs p e e dd a t at r a n s m i s s i o n so v e rc o m m u n i c a t i o nc h a n n e l sd i s t o r tt h et r a n s m i t t e d s i g n a l si nb o t ha m p l i t u d ea n dp h a s ed u et op r e s e n c eo fi n t e rs y m b o li n t e r f e r e n c e ( i s l ) o t h e r i m p a i r m e n t sl i k et h e r m a ln o i s e ，i m p u l s en o i s ea n dc r o s st a l ka l s oc a u s ef u r t h e rd i s t o r t i o n st o t h er e c e i v e ds y m b o l s i na d d i t i o nt ot h i s ，c h a n n e lc h a r a c t e r i s t i c sa l s ov a r yw i t ht i m e ，w h i c h r e q u i r e st h ee q u a l i z e rt oa d a p tt ot h ec h a n n e l a d a p t i v ee q u a l i z a t i o no ft h ed i g i t a lc h a n n e l sa t t h er e c e i v e rr e m o v e s r e d u c e st h ee f f e c t so fs u c hi s i sa n da t t e m p t st or e c o v e rt h et r a n s m i t t e d s y m b o l s b a s i c a l l ya ne q u a l i z e ri s a ni n v e r s ef i l t e rw h i c hi sp l a c e da tt h ef r o n te n do ft h e r e c e i v e r i t st r a n s f e rf u n c t i o ni si n v e r s e d 白ot h et r a n s f e rf u n c t i o no ft h ea s s o c i a t e dc h a n n e l t h es t a n d a r dd e r i v a t i v eb a s e da l g o r i t h m ss u c hl e a s t - - m e a n - s q u a r e ( l m s ) a n dr e c u r s i v e - l e a s t s q u a r e ( r l s ) s u f f e rf r o ml o c a lm i n i m ap r o b l e mw h i l eo b t a i n i n gt h es o l u t i o no ft h e w e i g h t s t op r e v e n tt h ep r e m a t u r es e t t l i n go ft h ew e i g h t s , e v o l u t i o n a r yc o m p u t i n gb a s e d u p d a t ea l g o r i t h m i sp r o p o s e dw h i c hi se s s e n t i a l l yad e r i v a t i v ef r e et e c h n i q u e i nr e c e n ty e a r st h ea r e ao fb a c t e r i a lf o r a g i n go p t i m i z a t i o n ( b f o ) h a sd r a w na t t e n t i o no f m a n yr e s e a r c h e r sd u et oi t sb r o a da p p l i c a b i l i t yt od i f f e r e n tf i e l d s i nt h i st h e s i s ，t h ep r o p o s e d a l g o r i t h mc o m b i n e st h ef o r a g i n gm e c h a n i s mo fe - c o l ib a c t e r i u mi n t r o d u c e di n b a c t e r i a l f o r a g i n go p t i m i z a t i o na l g o r i t h m ( b f o a ) w i t ht h es w a r m i n gp a t t e mo fb i r d si n b l o c k i n t r o d u c e di np a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n ( p s o ) i ti n c o r p o r a t e st h em e r i t so ft h et w ob i o - i n s p i r e da l g o r i t h m st ou p d a t et h ew e i g h t so ft h ee q u a l i z e r t h i sc o m b i n a t i o na i m st om a k e u s o o fp s o a b i l i t yt oe x c h a n g es o c i a li n f o r m a t i o na n db f oa b i l i t yi nf i n d i n gan e ws o l u t i o n , t o i m p r o v et h ec o n v e r g e n c es p e e da n da c c u r a c yo ft h eb a s i cb f o a t h e m i n i m i z a t i o no fm e a n s q u a r e de r r o r ( m s e ) i sa c h i e v e di t e r a t i v e l yu s i n gt h eh y b r i da l g o r i t h m ( b f - p s o ) t h e p r o p o s e da l g o r i t h mh a sb e e ne x t e n s i v e l yc o m p a r e dw i t ht h eo r i g i n a lb f o aa l g o r i t h m ，t h e c l a s s i c a lp s oa l g o r i t h ma n dg e n e t i ca l g o r i t h m ( g a ) i nt e r m so fs p e e do fc o n v e r g e n c ea n d b i t e r r o r - r a t e ( b e r ) i ti sd e m o n s t r a t e dt h a t t h ep e r f o r m a n c eo fb f - p s ob a s e de q u a l i z e r p r o v i d e ss u b s t a n t i a li m p r o v e m e n ti nt e r m so fc o n v e r g e n c er a t e ，m s ef l o o rl e v e la n db e r t h u si ti sc o n c l u d e dt h a tt h eb f - p s oi sap o t e n t i a ll e a r n i n gt o o lf o re f f i c i e n te q u a l i z a t i o no f c o m p l e xn o n l i n e a rc h a n n e l su n d e rh i g hn o i s ec o n d i t i o n s t h i st h e s i sp r e s e n t sa l s ot h ed e s i g no ft h ep r o p o s e da d a p t i v ee q u a l i z e ra sa p p l i e di n c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m s t h ea d a p t i v ee q u a l i z e ri sd e s i g n e du s i n gv h d la n ds y n t h e s i z e df o r a d a p t i v ec h a n n e le q u a l i z e ru s i n gb a c t e r i a lf o r a g i n go r i e n t e db yp a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o ns t r a t e g y f p g ai m p l e m e n t a t i o n t h er e s u l t so ft h eh d lc o s i m u l a t i o ni n d i c a t et h a tt h ed e s i g na n dt h e v h d ls o u r c ec o d es u c c e s s f u l l yc o n v e r g ea n dp r o v i d es u c c e s s f u lc h a n n e le q u a l i z a t i o n t h ew o r ki ss u c c e s s f u l l ya c h i e v e di nt h ed i r e c t i o nt op r o v i d eag o o da d a p t i v ec h a n n e l e q u a l i z e r t 1 l ed e s i g n e dm o d e lf o rb f - p s oi sa c c u r a t ea n dc a nw o r kf o rr e a lt i m ea p p l i c a t i o n s k e y w o r d s ：a d a p t i v ec h a n n e le q u a l i z e r ；b a c t e r i a lf o r a g i n go p t i m i z a t i o na l g o r i t h m ；p a r t i c l e s w a r mo p t i m i z a t i o n ；f p g ai m p l e m e n t a t i o n ；h d lc o s i m u l a t i o n v a c k n o w l e d g m e n t s 1w o u l dl i k et oe x p r e s sm ys i n c e r eg r a t i t u d et om y s u p e r v i s o r , p r o f l u a nx i a o m i n gf o r h i sg u i d a n c ea n df o rk e e p i n gm ef o c u s e di nm yr e s e a r c h ia l s oe x p r e s sm y d e e p e s tg r a t i t u d et om yc o l l e a g u e sa n df r i e n d sf o rt h e i ri n i t i a t i v ei d e a s a n dg u i d a n c et h a th e l p e dt oc o n s t r u c tt h i sw o r k 1w o u l dl i k et oe x p r e s sm yg r a t e f u l n e s st oa l lo fm yf a m i l ym e m b e r sw h oh a v ea l w a y s s u p p o r t e dm yv i s i o na n dh a v eg i v e nm et i m e l yg u i d a n c e ，s u p p o r ta n di n s p i r a t i o nu n t i ln o wi n e v e r ya s p e c to fm yl i f e c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 置掌宣i i 宣萱宣宣i 葺置暑置i 罱盲嗣_ _ _ _ iii _ _ _ 一 c h a p t e r1 i n t r o d u c t i o n 1 1 b a c k g r o u n d i nt h em o d e r nd a yt h e r ei sab u r g e o n i n g g r o w t ho fd i g i t a l t r a n s m i s s i o na c r o s s c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k sf o r v o i c e ，v i d e oa n dd a t a t r a f f i c t h ei n t e r n e ta n dm o b i l e t e l e c o m m u n i c a t i o n sh a v er e c e n t l yd o m i n a t e ds o c i a la n db u s i n e s si n t e r a c t i o na c r o s st h ew o r l d t h et e l e p h o n en e t w o r k sw e 陀o r i g i n a l l yd e s i g n e df o rv o i c ec o m m u n i c a t i o nb u t ，i nr e c e n tt i m e s ， t h ea d v a n c e si nd i g i t a lc o m m u n i c a t i o n su s i n gi n t e g r a t e ds e r v i c e sd i g i t a ln e t w o r k ( i s d n ) ，d a t a c o m m u n i c a t i o n sw i t hc o m p u t e r s ，f a x ，v i d e oc o n f e r e n c i n ge t c h a v ep u s h e dt h eu s eo ft h e s e f a c i l i t i e sf a rb e y o n dt h es c o p eo ft h e i r 础g i n a li n t e n d e du s e s i m i l a r l y ，i n t r o d u c t i o no fd i g i t a l c e l l u l a rr a d i o ( d c r ) a n dw i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k s ( t a n s ) h a v es t r e t c h e dt h el i m r e d a v a i l a b l er a d i os p e c t r u mc a p a c i t yt ot h el i m i t si tc a no f f e r b a n d w i d t he f f i c i e n c yh a sb e c o m ea g r o w i n gc o n c e r nw i t ht h er i s ei nd a t ar a t e sw i t h i na ne x p a n d i n gc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k t h ei m p r o v e m e n t sm a d ei nc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yt h r o u g h o u tt h el a s tn u m b e ro f d e c a d e sh a v eb e e nf a c i l i t a t e db ys i g n i f i c a n th a r d w a r ea n dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n ga d v a n c e s c o m p u t i n gp o w e r h a sg r o w nw i t hi m p r o v i n gs i l i c o nt e c h n o l o g ya sg o v e r n e db ym o o r e sl a w t h i sw i l le n a b l et h ei m p l e m e n t a t i o no fl a r g e ra n dm o r ec o m p l e xs i g n a lp r o c e s s i n ga l g o r i t h m s c o n s e q u e n t l y ，t h e r ew i l lc o m e at i m ew h e nt h ec o m p u t a t i o n a lc o s to fd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ( d s p ) a l g o r i t h m si sn o ta l l i s s u er a t h e rt h e i re f f e c t i v e n e s s i nt h i st h e s i st r a n s m i s s i o n d i s p e r s i o ni s s u e sd u e t of i n i t eb a n d w i d t ho ft h ec h a n n e la l ec o n s i d e r e d f i n i t eb a n d w i d t ha n d m u l t i p l ep r o p a g a t i o np a t h sc a nd e g r a d et h ed i g i t a lt r a n s m i s s i o nr e s u l t i n g i n i n t e r s y m b o l i n t e r f e r e n c eo s o t 1 t h ea d d i t i o no fn o i s ed u r i n gp r o p a g a t i o na l s od e g r a d e st h eq u a l i t yo ft h e r e c e i v e ds i g n a l t h ep r o c e s so fr e v e r s i n gt h ee f f e c to fi s ii sd e f i n e da se q u a l i z a t i o n ，w h i c hh a s b e e nd e s c r i b e da st h em o s t h e a v i l ye x p l o i t e d a r e af o r a d a p t i v ef i l t e r i n g i nd i g i t a l c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，s p e e da n d e f f i c i e n c yf o re c o n o m i cb a n d w i d t hu t i l i z a t i o n w i t ht h ev a s td e v e l o p m e n ti nt h ef i e l do ff p g a t e c h n o l o g y ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ( d s p ) a l g o r i t h m sc a nb ee f f e c t i v e l ya n de f f i c i e n t l yi m p l e m e n t e di nf p g a s1 2 1 t h u sf p g a s p r o v i d eas u i t a b l eh a r d w a r ep l a t f o r mf o ri m p l e m e n t i n gc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s a l s o ，t h eu s e o ff p g a sf o ri m p l e m e n t i n gc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sw i t ha d a p t i v e f i l t e r i n gt e c h n i q u e s p r o v i d e sah i g h - l e v e lo fo v e r a l ls y s t e mp e r f o r m a n c e ，r e s o u r c eu t i l i z a t i o na n dl o wp o w e r c o n s u m p t i o na l o n gw i t ht h ea d v a n t a g eo fr e p r o g r a m m a b i l i t yo i h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t ym a s t e rd e g r e ed i s s e r t a t i o n 1 2l i t e r a t u r er e v i e w t oc o u n t e rt h ee f f e c to fm u l t i p a t hp r o p a g a t i o nt h e r ea r es e v e r a lt e c h n i q u e sa v a i l a b l e t h e m o s tw i d e l yu s e di n c l u d ef r e q u e n c yd i v e r s i t y , s p a c ed i v e r s i t y , a m p l i t u d ee q u a l i z a t i o na n d c h a n n e le q u a l i z a t i o n ( a m p l i t u d ea n dd e l a yc o r r e c t i o n ) t h ef i r s tt w oo ft h e s e r e q u i r ea b a n d w i d t ho v e r h e a d b u t , i ng e n e r a l ，b a n d w i d t hi sc o s t l y t h e s es i g n a ld i v e r s i t yt e c h n i q u e s w e r eu s e di na n a l o g u er a d i oa n dh a v eb e e ne a s i l ya d a p t e dt od i g i t a ls y s t e m st h a tu n d e r g o h i g h l ys e l e c t i v ei n t e r f e r e n c e t h ea m p l i t u d ee q u a l i z e r sa r ed e s i g n e dt of l a t t e nt h er e c e i v e d s p e c t r u mt oc o r r e c tt h es p e c t r a ls h a p e a na m p l i t u d ee q u a l i z e ri so f t e nu s e di nc o n j u n c t i o n w i t hf r e q u e n c yo rs p a c ed i v e r s i t y , w h i c hc a np r o v i d es u f f i c i e n te q u a l i z a t i o nf o rs p e c i f i c c h a n n e l s ( m i n i m u mp h a s e ) h o w e v e r , t oa d e q u a t e l yc h a r a c t e r i z et h ee f f e c t so fa l lc h a n n e l t y p e s ，( m i n i m u ma n dn o n m i n i m u mp h a s e ) ，t h ec h a n n e le q u a l i z e ri sa d o p t e d 【4 】 t h ec h a n n e le q u a l i z e rr e c o n s t r u c t so re s t i m a t e st h ec o r r u p t e dd a t as e q u e n c ef r o mas e to f r e c e i v e ds y m b o l s e q u a l i z e r sh a v eb e e na d o p t e di n t e l e p h o n ea n dm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m st oi m p r o v et h es y m b o le n o rr a t e sa n dt h el i n e a rf i rf i l t e rh a sb e e nu s e dw i t h i n e q u a l i z a t i o n , w h i c hd a t e sb a c kt ot h et i m ew h e nl o a d i n gc o i l sw e r eu s e dt oi m p r o v ev o i c e t r a n s m i s s i o ni nt e l e p h o n en e t w o r k s t 1 t h ef i ra p p r o a c hc l a s s i f i e st h er e c e i v e dc l a s ss e t st ot h e i rd e s i r e do u t p u tu s i n gal i n e a r f u n c t i o no ft h ef i l t e ri n p u t s h o w e v e r , t h i sd o e sn o ta l w a y sp r o v i d ei d e a ls e p a r a t i o no ft h e i n p u td a t ap o i n t s i th a sb e e ns h o w nt h r o u g hb a y e s i a na n a l y s i st h a tt h ei d e a lc l a s s i f i c a t i o no fa n o n m i n i m u mp h a s ec h a n n e ls h o u l dh a v en o n 1 i n e a rc h a r a c t e r i s t i c s 5 1 r e s e a r c hc o n d u c t e di nt h ef i e l do fc h a n n e le q u a l i z a t i o nd u r i n g1 9 9 0 sh a ss h o w nt h a tt h e r e a l ep e r f o r m a n c ea d v a n t a g e su s i n gn o n - l i n e a rc l a s s i f i c a t i o n n e u r a ln e t w o r ks t r u c t u r e sh a v e b e e ni m p l e m e n t e dt oa c h i e v et m s ，s u c ha sm u l t i l a y e rp e r c e p t r o n 似u ) f 6 7 la n dr a d i a l b a s i s f u n c t i o n ( r b f ) n e t w o r k si s , 9 t h eb a y e s i a ne q u a l i z a t i o ns o l u t i o nc a nb ei m p l e m e n t e db ya nr b fn e u r a ln e t w o r k 1 0 1 ， a n dc a nb ed e s c r i b e da sau n i v e r s a l a p p r o x i m a t o r 1 11 1 h o w e v e r , t h er b f h a sah i g h c o m p u t a t i o nc o s t t h en e t w o r ks t r u c t u r es i z ec a ni n c r e a s ee x p o n e n t i a l l ya st h ep r o b l e m d i f f i c u l t yi n c r e a s e s1 1 0 1 t h er b fm o d e lu s e sr a d i a ld i s t r i b u t i o nf u n c t i o n st oa p p r o x i m a t et h e s y m b o lc e n t e r so fe a c hp r o b l e mc l a s sw h e r et h ec l a s s i f i c a t i o nb o u n d a r yb e t w e e nt h ec l a s s e s d e p e n d so nt h ei n t e r a c t i o no ft h e s er a d i a lf u n c t i o ns e t s i fa ni n s u f f i c i e n tn u m b e r0 ft h e s e c e n t e r sa r eg i v e n ，o ra r cm i s p l a c e d , t h ee q u a l i z a t i o n 锄b es e v e r e l ya f f e c t e da n dp o o r 2 c h a p t e r1 i n t r o d u c t i o n i n i t i a l i z a t i o ni s e nt oh i n d e rt h es o l u t i o n 1 2 i w o r ki nr b fe q u a l i z a t i o ni sd e t a i l e db yc h a n g c t a l 【1 3 1 4 1 i n1 9 9 9 ，p a t r ae t a iu t i l i z e df u n c t i o n a ll i n ka r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s ( f i a n n ) 1 5 1t ob u i l d t h en o n l i n e a rc h a n n e le q u a l i z e r t h eb a s i cp r i n c i p l eo ff l a n ni st oe x p a n dt h ed i m e n s i o n a l i t y 0 ft h ei n p u ts i g n a ls p a c eb yu s i n gas e to fl i n e a r l yi n d e p e n d e n tf u n c t i o n s t h ee x p a n s i o nc a n p r o d u c ef a i r l yc o m p l i c a t e dd e c i s i o nb o u n d a r i e sa tt h eo u t p u ts p a c e ，s ot h ef i a n ni sc a p a b l e o fd e a l i n gw i t hl i n e a ri n s e p a r a b l ep r o b l e m s a sf l a n nh a sat w o - l a y e rs t r u c t u r ei t sc i r c u i ti s g e n e r a l l ys i m p l e rt h a nm i j p ，a n dt h u sf a s t e rp r o c e s s i n gs p e e dc a nb ea c h i e v e d g e n e t i ca l g o r i t h m ( g a ) i sas t o c h a s t i ct r a i n i n gs c h e m et h a tn e e dn o th a v ead e r i v a t i o n t h a tr e q u i r e sk n o w l e d g eo f t h el o c a le r r o rg r a d i e n t , w h i c hg r a d i e n t d e s c e n tt r a i n i n gr e l i e so n a g ac o n s i s t so fn i le v o l u t i o n a lp r o c e s st h a tr a i s e st h ef i t n e s so fap o p u l a t i o nu s i n gt h e d a r w i n i a ns u r v i v a lo ft h ef i t t 髂tc r i t e r i o n1 1 6 1 ag ar e l i e su p o nt h eu s eo fas o l u t i o np o p u l a t i o n e a c hs o l u t i o nw i t h i nt h ep o p u l a t i o nh a st og e n e r a t eac o s tv a l u ei na l lt r a i n i n gi t e r a t i o n s ，w h i c h i sb a s e do nt h ee q u a l i z a t i o nc r r o r g a sh a sp r o v e nt ob eu s e f u li nt r a i n i n ga n ds e a r c h a p p l i c a t i o n st h a ts u f f e rf r o ms t a b i l i t yp r o b l e m s ，l o c a t i n gs o l u t i o n st h a th a v ep r e v i o u s l yb e e n u n o b t a i n a b l cl 切 b a c t e r i af o r a g i n go p t i m i z a t i o na l g o r i t h m ( b f o a ) i san e wc o m e rt ot h ef a m i l yo f n a t u r e - i n s p i r e do p t i m i z a t i o na l g o r i t h m s n a m r a ls e l e c t i o nt e n d st oe l i m i n a t ea n i m a l sw i t hp o o r f o r a g i n gs t r a t e g i e sa n df a v o rt h ep r