（载运工具运用工程专业论文）专用短程通信中的自适应均衡技术研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 近年来，智能运输系统在世界各地得到了飞速的发展，而专用短程通信 d s r c ( d e d i c a t e ds h o r tr a n g ec o m m u n i c a t i o n ) 作为智能运输系统中的核心技术， 更是受到领域内的重视。d s r c 为车和路之间提供通信链路，快速而有效地沟通 了车辆在移动过程中和路面设施之间的联系渠道。如今该技术在不停车电子收 费系统中得到了广泛的应用，将来也会在诸如停车场等领域发挥其功效。 随着集成电路与计算机技术的发展，数字通信方式必将向着更高的速率和 更高的可靠性方向发展。对于专用短程通信而言，误码率和频带利用率是衡量 通信效果的两个指标。但由于常用信道传输的非理想特性，数字信号经过传输 以后，往往会产生严重的码问干扰，这对于信号传输的正确判决是非常之不利 的，从而增加了通信的误码率。这显然是我们不愿意遇到，且急待解决的问题。 因此，很有必要在专用短程通信中引入自适应均衡技术，对其传输通信的速率 和可靠性加以改进和提高。 自适应均衡技术从提出发展到现在，由于其良好的性能，在各数字通信领 域已经得到广泛应用。本论文在研究了常用通信信道的基础上，简单阐述了产 生码间干扰的原因。对常用的均衡器结构进行了研究，并对其加以仿真，给出 了计算机的仿真结果以及对仿真结果的分析，通过比较，自己提出了一种新型 的混合均衡器模式，分析比较了有、无均衡器环境下，系统加入噪声后的收敛 速度和信号还原能力。对比和分析了现有各种常用算法存在的优缺点。发现通 常情况下，输入信号矢量之间具有一定的相关性，本文利用这种相关性提出了 改进的恒模算法，给出了计算机的仿真和分析结果，并对恒模算法和改进的算 法加以比较。仿真表明，这种改进的恒模算法的收敛速度相对于原收敛速度有 了一定程度的提高。 然后本文就专用短程通信微波系统的特点，用s i m u l i n k 对专用短程通信系 统及其部分结构进行模拟仿真，并在此基础上引入均衡器。由于对信号均衡的 位置不同，本文集中分析比较了基带均衡结构和通带均衡结构两种模式，通过 对误码率和信噪比等性能的仿真图形进行比较，得出了通带均衡器的优势特点。 关键词：专用短程通信，码间干扰，自适应均衡技术，均衡器，算法 武汉理工大学硕士学位论文 n o w a d a y s t h en sh a sb e e nd e v e l o p e dq u i c k l y i nt h ew o r l d a n dd s r c ( d e d i c a t e ds h o nr a n g ec o m m u n i c a t i o n ) ，a st h em a i nt e c h n o l o g yi nt h i sa r e a ，w a s m e n t i o n e du s u a l l y d s r cc a np r o v i d et h ec o m m u n i c a t i o nl i n kb e t w e e nt h ev e h i c l e a n dt h er o a ds i d e t h ec o m m u n i c a t i o nc h a n n e lw i l lb em o r ee f f e c t i v ea n dq u i c k l y b e c a u s eo fi t n o wt h i st e c h n o l o g yh a st h ew i d ea p p l i c a t i o ni nt h ee l e c t r o n i ct b n c o l l e c t i o na n dw i l la f f e c t0 t l l e ra r e a ，f o r # x a m p l e ，t l l ep a r ke t c w i t l lt h ed e v e l o p m e n to fi n t e g r a t e dc i r c u i ta n dc o m p u t et e c h n o l o g y , i ti ss u r e t l l a td i 2 i t a lc o m m u n i c a t i o ns h o u l db ed e v e l o p e dw i t ht h em u c hm o r ef a s ta n dr e l i a b l e d i r e c t i o n t o w a r dd s r ct e c h n o l o g y , b i te r r o ra n ds p e c t r u ma v a i l a b i l i t yr a t i oa r et w o m a i ns c a l e t a r g e t s 0 w i n gt o n o n i d e a ln 0 1 t i l a lc h a r m e l ，s e r i o u s i n t e r - s y m b o l i n t e r f e r e n c e ( i s i ) i sg e n e r a t e da f t e rt h ed i g i t a ls i g n a lb e i n gt r a n s m i t t e d ，w h i c hi sa v e r yd i s a d v a n t a g ef o rc o r r e c td e c i s i o n ，s e q u e n t i a l l yc o m m u n i c a t i o nb i te r r o ri s i n c r e a s e d w h i c hi sn o te x p e c t e da n dm e a s u r e ss h o u l db et a k e nt os o l v et h i sp r o b l e m s o j ti sn e c e s s a r yf o rd s r ct oa d dt h ea d a p t i v ee q u a l i z a t i o nt od e v e l o pt h er e l i a b i l i t y a d a p t i v ee q u a l i z a t i o n ，f r o m i t s b r i n g i n gf o r w a r dt on o w , h a sb e e nw i d e l y e m p l o y e db e c a u s eo fi t sg o o dp e r f o r m a n c e 1 n h i sp a p e rs i m p l yd i s c u s s e st h ec a u s eo f g e n e r a t i n gi n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c eb a s e do nn o r m a lc o m m u n i c a t i o nc h a n n e ls t u d y f r e q u e n t l yu s e de q u a l i z e ra r c h i t e c t u r e sa r es t u d i e d ，a n dc o m p u t e rs i m u l a t i o na r e m a d ea n da n a l y z e df o rt h e s ea r c h i t e c t u r e s t h e nld e s i g nan e we q u a l i z e ra c c o r d i n gt o t h ea n a l y s i so nt h o s ea r c h i t e c t u r e s a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fk i n d so f a v a i l a b l en o r m a la l g o r i t h m sa r ec o m p a r e da n da n a l y z e d ，a n dt h e nif o u n dan e w m e t h o dt oi m p r o v et h ea l g o r i t h mo fc m a g e n e r a l l ys p e a k i n g ，t h e r ea r ec o r r e l a t i o n s a m o n gi n p u ts i g n a lv e c t o r s ，am o d i f i e dc m a i s p u t f o r w a r du s i n gt h i sk i n do f c o r r e l a t i o n m o d i f i e dc m aa n dc m aa r ec o m p a r e da n dc o m p u t e rs i m u l a t i o na r e m a d ea n da n a l y z e d t h es i m u l a t i o ns h o w st h a tt h em o d i f i e dc m ac o n v e r g e n tr a t ei s f a s t e rt h a nc m a c o n v e r g e n tr a t e w i t ht h ec h a r a c t e r i s t i co fd s r c t i l i sp a p e ru s e st h es i m u l i n ks o f t w a r et om a k e as i m u l a t i o no fd s r cc o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n di t sp a r t s ，a n da d d st h ee q u a l i z e rt o t h i ss y s t e m b e c a u s eo ft h ed i f f e r e n tl o c a t i o no ft h ee q u a l i z e ri nt h es y s t e m ，t h i sp a p e r m a i n l ya n a l y z e dt w om o d eo fb a s e b a n da n dp a s s b a n ds y s t e m a n dig o tt h e a d v a n t a g e so fp a s s b a n ds y s t e ma c c o r d i n gt oc o m p a r et h eb e ra n ds n rw i t ht h e i r p i c t u r e sm a d eb yt h es o f t w a r e k e y w o r d s ：d e d i c a t e ds h o r tr a n g ec o m m u n i c a t i o n ，i n t e r - s y m b o l i n t e r f e r e n c e a d a p t i v ee q u a l i z a t i o n ，e q u a l i z e r , a l g o r i t h m l i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：重丝盘导师签名 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章引言 1 1 专用短程通信( d s r c ) 发展现状 根据世界各国几十年的统计，道路的增长率总是低于汽车的增长率，在发 达国家，道路的增长已经接近于停滞【1 11 ，而2 0 0 5 年世界汽车的增长率仍然有 3 5 ( 汽车保有量超过8 亿辆) 。在中国，2 0 0 6 年与1 9 9 0 年相比，机动车增 加了2 7 倍，而公路通车路程仅增加了0 3 2 倍。到2 0 0 6 年，我国汽车保有量就 己达到3 4 5 2 9 4 万辆，全国共发生4 0 多万起交通事故，引起的直接损失折款多 达2 1 亿元人民币p 】1 4 j 。要解决道路供给和交通需求这一矛盾，迫切需要应用交 通的智能化管理，即在较完善的基础设施( 包括道路、港口、机场和通信等) 之上，将先进的信息技术、通信技术、控制技术、传感器技术和系统综合技术 有效的集成，并应用于地面运输系统，从而建立起大范围内发挥作用的、实时、 准确、高效的运输系统。国外实验研究表明，i t s 可提高通行能力3 0 - - 5 0 ，事 故率下降3 0 以上纠，因此，i t s 成为世界各国交通技术研究的热点。 专用短程通信( d s r c ) 的概念来源于智能交通系统( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t s y s t e m ，简称i t s ) 的研究和应用。i t s 的主要功能就是对车辆进行智能化的实 时动态管理，国际上专门开发了适用于i t s 领域短距离问的通信协议，即专用 短程通信( d e d i c a t e ds h o r tr a n g ec o m m u n i c a t i o n ，简称d s r c ) 协议。d s r c 是i t s 的基础之一，是一种无线通信系统，通过信息的双向传输将车辆、道路有机地 连接起来。系统主要包括三个部分：车载模块、路边模块以及d s r c 协议。 d s r c 是i t s 大量信息实时交换的基础，因此在交通领域的应用非常广泛， 主要应用领域有：电子收费系统( e t c ) 和自动公路系统( a h s ) 1 6 1 。现已在美国、 欧洲、同本以及我国得到重要的应用和快速的发展。 d s r c 还可以应用于先进的公共运输系统( a r t s ) 、商用车辆营运系统 ( c v o s ) 、先进的交通信息系统( a t i s ) 和先进的交通管理系统( a t m s ) 7 1 中 的运输车队管理、交通控制、停车场管理、紧急报警等场合。 d s r c 技术有机地将车辆和路面之间的交互通信结合起束，实现车、路有效 的信息传输。随着电子产业、信息技术的飞速发展和智能交通领域的蓬勃兴起， d s r c 将会在今后的交通信息发展中发挥更广泛的应用。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 专用短程通信( d s r c ) 介绍 1 2 1 专用短程通信的结构 专用短程通信d s r c 主体结构如图1 1 所示，主要由两部分组成，固定于路 边的单元r s u ( r o a ds i d eu n i t ) ，又叫信标、询问器或读写器，通常安装于道路 正上方或两侧上方；安装于车辆挡风玻璃后面的形体很小的车载单元o b u ( o n b o a r du n i t ) ，又叫做电子标签或标识卡，可以被动方式或主动方式同路边信标通 信。r s u 与o b u 之间的通信距离一般不超过7 0 m 。当然，d s r c 的实现还有赖 于其它设施，如远程通信网、处理器以及数据存储器等的支撑。 碾娥1 商坦 龙 微 波 编 控 甩 收 解 制 户 发 码 系： 接 模 模 统口 块 块 l 薜 u 靛= 鼍j 图1 1 专用短程通信d s r c 主体结构图 1 2 2 专用短程通信的工作方式 d s r c 按通信方式不同可分为被动式( p a s s i v es y s t e m ) ，主动式( a c t i v es y s t e m ) 和半主动式( h a l fa c t i v es y s t e m ) 。以f i 本为代表的主动式d s r c ，其通信可靠性 高，传输数据量大，适于大数据量传输，如图像和语音等。以欧洲为代表的被 动式d s r c ，用户设备简单，价格便宜，容易推广，但数据传输能力不及主动式。 其主要技术指标如下：工作频率为5 8 g h z ，下行速率为5 0 0 k b p s 7 1 1 ，调制 方式为幅度调制( a m ) ：上行速率为2 5 0 k b p s ，调制方式为2 m i - i z 或1 s m h z 副载 波的二进制相移键控( 2 d p k ) 调制，它采用半双工的通信模式，主要有两种工作 方式：下行和上行方式。当在下行方式时，r s u 为发射模式，而o b u 为接收模 2 武汉理工大学硕士学位论文 式，r s u 发射信号以a m 调制方式加到5 8 g h z 的载波频率上，同时发送频率为 2 m h z 或1 5 m h z 的副载波给o b u 。当在上行方式时，r s u 为接收模式，而o b u 为发射模式，此时r s u 发射连续的5 8 g h z 载波给o b u ，并与o b u 中的2 m h z 或1 5 m h z 的副载波调制信号f m 混频后，再通过天线反射回r s u 上的接收机 进行同步解调。 下面以采用被动工作方式的专用短程通信系统( p a s s i v es y s t e m ) 为例，来简述 通信过程。下行时，信标r s u 以调幅方式把信息调制于5 8 g h z 的载波上，以 5 0 0 k b p s 的速率传给o b u ；o b u 收到信标发来的调制于5 8 g i - i z 的下行信息以 及1 5 m h z 或2 0 m h z 的副载波。上行时，信息以2 - p s k ( - - - - 进制相移键控) 的方 式调制于此副载波上，这样调制之后，两个边带包含同样的信息，传回信标再 解调，从而得到所传信息。显然，o b u 不需产生任何信息，亦不要任何转换元 件，因而比较经济且节省频带【8 】。 1 3 信道衰减问题及解决方法 1 3 1 信道衰减产生的原因 在d s r c 系统中，路旁设备r s u 与车载设备o b u 相互传输交换数据时， 往往会发现接受数据和发送数据之间会产生很大的信号失真现象。其实这是所 有数字无线传输系统在通信时候都无法避免的信道衰减过程。信道衰减示意图 如图1 2 所示。 发射信号 接收信号 一一 图1 2 微波通信系统信道衰减示意图 3 武汉理工大学硕士学位论文 在点对点微波通信链路中，r s u 和o b u 之间的路径比较复杂，发送信号一 般可以通过多条路径传播到接受设备。这主要是由于地面放射和大气散射。地 面放射会引起发射信号的衰减、相位延迟和时间延迟；大气散射是由大气折射 率的变化引起的，它与湿度、温度和气压等天气条件密切相关。另外，还有其 他一些障碍物也会引起反射，例如大楼、山峰等。多径干扰示意图如图1 3 所示。 所有这些因素使得信号到达接受设备时，具有不同的衰减、相位延迟和时间延 迟，从而产生了频率选择性衰落( 时间弥散) 信道，也就是说，传输信道的幅 度和相位特征与频率有关， 袋 图1 3 周边环境对于d s r c 系统传输信道产生的多径干扰 1 3 - 2 自适应均衡技术的应用 无线数字通讯信号高速传输所遇到的一个主要问题是传输信道的失真。无 线信道是一开放的信道，发射信号可通过多条路径和不同的反射体反射到达接 收机，由于信号在各路径上的延迟不同，使得接收机收到的合成信号存在码问 干扰( i s i ) ，我们也把它称为多径干扰，这种多径的影响还是导致信号衰落的重 要原因之一【9 l 【埘。在这样的环境中，若发射源、接收机或反射体移动时，这种 多径干扰还将呈现时变性。数字通信系统中，码间干扰是影响接收性能的主要 障碍，解决的办法是采用均衡技术补偿信道的传输特性。所谓均衡技术是指用 来处理码间干扰的实现方法【l u 。 无线移动信道是时变的，发射机和接收机的移动，以及传播环境中障碍物 的移动，都会造成信道随时间而变化。由于这个原因，均衡器常被设置为自适 4 武汉理工大学硕士学位论文 应的。自适应均衡器可跟踪信道的变化，这一过程是通过自适应算法来实现的。 自适应均衡技术属于自适应滤波技术的一种。主要的均衡器有以下三类( 按 结构划分) ：线性均衡器( l e ) ：判决反馈均衡器( d f e ) 最大似然序列估值器( m l s e ) 对于数字移动通信，l e 的性能较差1 1 2 1 ，因此一般不常用。常用的均衡器为 判决反馈均衡器d f e 和最大似然序列估值器( m l s e ) ，它们都属于非线性均衡 器的范围。 宽带无线通信系统的主要缺陷在于由于信道多径效应的障碍使目前的通信 系统不能提供高速数据率，从而不能满足因特网、多媒体等应用场合的需求。 而自适应均衡技术通过将宽带频率选择性( 时间弥散) 信道转化为平坦信道， 克服多径效应，简化接收机设计，从而有效地克服这一系统瓶颈。目前自适应 均衡技术已经成为一种非常有吸引力的消除码间干扰方案，g s m 等标准均选择 自适应均衡技术以支持高数据率。在未来的通信领域，自适应均衡技术也获得 了广泛的研究和采纳，被认为是3 g 系统最有可能采用的克服码间干扰的方案。 1 4 研究的主要内容 本论文根据d s r c 系统现阶段存在由于码间干扰而引起的通信信道衰减问 题，引入自适应均衡技术进行研究。其主要研究内容是： ( 1 ) d s r c 系统的基本结构和工作环境，分析引起d s r c 系统信道衰减导致 信号失真的原因，然后通过引入自适应均衡技术来对信道进行补偿。 ( 2 ) 信道、码间干扰和均衡器技术的基本概念和结构，分析自适应均衡器的 工作原理，建立数学模型进行模拟仿真。 ( 3 ) 自适应均衡器的结构和分类，重点研究分数问隔均衡器。 ( 自适应均衡算法的几种类别，重点研究一种算法并对其进行步长优化。 ( 5 ) 在了解均衡器的结构和算法的基础上，结合d s r c 系统特点，提出了两 种加入均衡器后的d s r c 通信系统方案，并通过仿真图像对两种系统的误码率 和信噪比进行比较。 1 5 论文的组织结构 本论文是对d s r c 中引入自适应均衡技术进行研究，全文总分为6 个章节。 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章：引言，介绍d s r c 的发展现状，遇到的码问干扰问题以及解决问 题所采用的自适应均衡技术方法，还介绍了论文的研究内容和结构。 第2 章：信道均衡技术概述：简单介绍信道的概念、码间干扰的概念和自 适应均衡技术的概念，以及他们的仿真模拟。 第3 章：自适应均衡器的结构和分类，简单介绍了线形均衡器部分的横向 滤波均衡器和线性格形均衡器，以及非线性均衡器部分的判决反馈器和分数间 隔均衡器，结合后两种均衡器的特点提出了一种新型的复合均衡器模式，并进 行了性能仿真研究。 第4 章：自适应均衡技术的算法，主要介绍最小均方( l m s ) 算法、递归 最小二乘( r l s ) 算法和恒模( c m a ) 算法，分析了恒模算法的优缺点，结合 其弱势提出一种变步长的新型恒模算法。 第5 章：对加入均衡器后的d s r c 系统进行仿真，模拟出基带和通带均衡 两种系统形式，并通过模拟仿真对两种形式的均衡系统进行了误码率和信噪比 的比较，最后择优选择通带均衡作为需要实现的系统模型 第6 章：结论：主要是对以往工作的体会和总结，以及对下一步工作的展 望。 1 6 本章小结 本章主要介绍了d s r c 的发展现状，结构和工作方式；提出了现阶段系统 信号传输过程中，所要迫切解决的由码问干扰引起信道衰减的问题；并引入自 适应均衡技术来解决该问题，说明了该技术的应用前景；最后讨论了本论文研 究的主要内容及论文结构。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章信道均衡技术 数字信号经过信道的传输到达接收端，而实际上通信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了 码间干扰，自适应均衡器能够补偿信道所产生的畸变，并且根据接收信号的变 化自适应算法自动调节均衡器的抽头系数，以跟踪信道的时变特性。 2 1 信道技术 任何一个通信系统可视为由发送设备、信道与接收设备三大部分组成。所 谓传输信道指的是以传输媒质为基础的信号通路。具体的说，它是由有线和无 线的电线路提供的信号通路。它允许信号通过同时又给信号以限制和损害。按 传输媒介的不同，物理信道分为有线信道和无线信道两大类。有线信道包括明 线、对称电缆、同轴电缆以及光纤等。无线信道有地波传播、短波电离层反射、 超短波或微波无线电接力、人造卫星中继、散射以及移动无线电信道。f 9 j 【1 0 l 【1 1 】 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，则可以发现信道有以下共同特征：( 1 ) 所有信道都有输入端和输出端， 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，亦即输出和输入量的关系满足叠加原理，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 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 1 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，可以用一个如图2 1 所示的四端网络来描 述信道的模型，其输出信号是 y ( t ) = f 【x ( t ) 】+ n ( t ) ( 2 1 ) 式中f i x ( t ) 代表输入信号x ( t ) 的线性或者非线性变换，n ( t ) 代表加性噪声。 佑邋蒋绶蜕警 ，t i 。帖 图2 , 1 信道模型 7 t 武汉理工大学硕士学位论文 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日。( w ) 。 在一个相当长的时间内h 。( w ) 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 日。( w ) = l h 。( w ) l e m ”( 2 2 ) 式中：w - 2 巧，代表角频率；i h 。( w m 是信道的幅度特性；矿( w ) 是信道的相位 特性。 另外，群时延定义为 f ( w ) 。竺盟 ( 2 3 ) d w 任何一个现实的信号都将占据某一频带，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j 也( 训不是常数，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【1 2 】，这种失真 称为幅度失真。 如果在信号频带内，妒( w ) 不是频率的线性函数，即r ( w ) 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【1 3 1 。这 种失真称为相位失真或群时延失真。一般说来，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) u ”。慢变化和快变化没有十分明确的分界，但 一般认为在5 分钟或更长时闻内才显现的变化属于慢变化，而在分秒问显现的 变化属于快变化。 两种变化的原因是截然不同的。慢变化是与传播条件f 如对流层气象条件、 电离层的状态等1 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。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 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f ( f ) 一+ a r ( t ) ，这里是f ( f ) 的平均值ra t ( t ) 是f o ) 中随时间变化的部分。一般来说f o ) 是细微的，但它足以引起射频相位的显著 变化。如果不考虑信道的固定衰减，则可得到如图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，r 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 h c ( ，f ) = l + r e 叫邓 = 1 + 陀一，【啊岬( f ) 】( 2 - - 4 ) 式中伊( f ) t w a r ( t ) ，w - 埘 由式( 2 4 ) ，经过一些代数运算可得信道的振幅特性和群时延特性分别为 。( 嵋r ) - 扛西磊而了丽 撕归r 高舞揣 i 辕 ：口。 【 一，1 ) t + t o 】+ 一 t + f o ) ( 2 - - 2 2 ) 磊 式中，第一项a 。h ( t o ) 是第k 个码元波形的抽样值，它是确定a 。的依据。第二项 e a 。i l 【 一开) l + t o 】是除第k 个码元以外的其他码元的波形在第k 个抽样时刻上 而 的总和，它对当前码元a 。的判决起着干扰的作用，所以称为码间干扰值。由于a 。 是以概率出现的，所以通常码间干扰值是一个随机变量。第三项厅，似t + “) 是输 出噪声在抽样时刻的值，它是一种随机干扰，也要影响对第k 个码元的正确判 决。 由于码间干扰和随机噪声的存在，当y ( k r o + t o ) 加到判决电路时，对a 。取值 的判决可能判对，也可能判错。例如，在二进制数字通信中，a 的可能取值为 “0 ”或“1 ”，判决电路的判决门限为圪，且判决规则为 当y ( k 毛+ b ) v o 时，判a t 为“1 ”； 当y ( k r o + f 0 ) v o 时，判a 。为“0 ”。 显然，只有当码问干扰值和噪声足够小的时候，才能基本保证上述判决的正确， 否则，有可能发生错判，造成误码。因此，为了使误码率尽可能的小，必须最 大限度的减少码问干扰和随机噪声的影响。 由式( 2 2 2 ) 可知，若想消除码间干扰，应该有 e a 。 【( i n ) t + f o 】；0 蔫 由于a 。是随机的，要想通过各项相互抵消使码阃干扰为0 是不行的，这就 需要对 ( f ) 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衰减到0 ，就能满足要求。但这样的波形不易实现，因为实 际中i l o ) 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t 。+ l 、t o + 2 t 等后面码元抽样时刻上正好为0 ，就 能消除码问干扰。这也是消除码间干扰的基本思想。 由| i l o ) 和h ( 曲之间的关系可知，如何形成合适的i l ( f ) 波形，实际上就是如 何设计日( 叻特性的问题。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“一0 时，无码间干扰的系统冲击响应应该满足下式： 武汉理工大学硕士学位论文 懈) t 位七为妻鑫数 ( 2 2 3 ) 式( 2 - - 2 3 ) 说明无码间干扰的数字通信系统的冲击响应t = 0 时刻取值不为0 外， 其他抽样时刻f - 七t 上的抽样值均为0 。由 o ) 和日( 叻之间的关系可以推导出 日( w ) 满足如下关系式 一 芝脚+ 争喝1 w l s 手( 2 - - 2 4 ) 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h ( 们是 否产生码间干扰的方法。 2 4 自适应均衡器分析 2 4 1 自适应均衡器的传输函数 理论和实践证明，在数字通信系统中插入一种可调滤波器可以校正和补偿 系统特性，减少码问干扰的影响。这种起补偿作用的滤波器称为均衡器【2 q 。图 2 8 是带均衡器的数字通信系统的等效模型 菠绣 攘救 缝艘嚣 岱邂 麓藏嚣均麓嚣 图2 8 带均衡器的数字通信系统等效模型 由图2 8 可知，整个数字通信系统总的传输特性为 日( 叻一g r ( 叻c ( w ) g 。( w ) g 。( 叻 ( 2 - - 2 5 ) 通常将发送滤波器和接收滤波器设计成匹配的，而均衡器用来补偿信道的 畸变，即均衡器的传输函数满足： 6 a w ) 南。南e “帕( 2 - - 2 6 ) 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 2 自适应均衡器原理分析 均衡器通常是用滤波器来实现的，使用滤波器来补偿失真的脉冲，判决器 得到的解调输出样本，是经过均衡器修正过的或者清除了码间干扰之后的样本。 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增益【嘲，因 而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1 2 6 1 1 2 z l ，从而有更 好的失真补偿性能。 自适应均衡器一般包含两种工作模式，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，并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【嘲，这样就可以在收n i j i i 练序列后，使得均衡器的滤波系数已经接近 于最佳值。而在接收数据时，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。 均衡器从调整参数至形成收敛，整个过程是均衡器算法、结构和通信变化 率的函数。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。l 冽 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的， 每当收到新的时间段1 3 0 1 1 3 1 1 ，均衡器将用同样的训练序列进行修正。均衡器一般 被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。 图2 9 是一个典型无线通信系统的框图，其接收机包含自适应均衡器。 武汉理工大学硕士学位论文 图2 9 加入自适应均衡器的无线通信系统框图 巍： ： ： ： ： ： ： ? 救描 若z o ) 是原始信息信号，o ) 是等效的基带冲击响应，即综合反映了发 射机，信道和接收机的射频，中频部分总的传输特性，则均衡器收到的信号 可表示为： ) ，o ) = z o ) ，( f ) + ，k o ) ( 2 2 7 ) 若均衡器的冲击响应是k o ) ，则均衡器的输出为： d o ) = z ( f ) + ，p ) 4 k p ) + p ) + k p ) ( 2 2 8 ) = 工( f ) g o ) + 甩6 0 ) + h e q o ) 其中，g o ) 是发射机，信道，接收机的射频中频和均衡器四者的等效冲击响应。 横向滤波均衡器的基带复数冲击响应可以描述如下： h , q o ) = ：c 。6 ( f - n t ) ( 2 - - 2 9 ) 其中，巳是均衡器的复数滤波系数。均衡器的期望输出值为原始信号工( f ) 。假定 咒6 0 ) = 0 ，则为了使公式( 2 2 8 ) 中的d ( f ) a x ( t ) ，必须要求： g ( t ) 一i q ) h , q o ) = 6 ( t ) ，(2-30) 均衡的目的就是实现这一公式。其频域表达式为： 也( 叻厂( 叻= 1 ( 2 3 1 ) 上式表明，均衡器实际上就是信道的反向滤波器。若传输信道是频率选择 性的，则均衡器将增大频率衰落大的频谱部分，削弱频率衰落小的频谱部分， 使收到的频谱各部分趋于平坦，相位趋于线性【3 2 l 【3 3 】。对于时变信道，自适应均 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 衡器可以跟踪信道的变化。 2 5 本章小结 由于信道的非理想特性是产生码间干扰的主要因素，因此本章首先分析了 各种通信信道的特性，在此基础上提出了通信信道的数学( 仿真) 模型。为了能更 加有效的抑制码间干扰，分析了码间干扰产生的机理以及无码间干扰的条件。 简要介绍了均衡的概念，给出了带均衡器的数字通信等效模型，以后各章的仿 真和分析都以此等效模型为基础。概述了自适应均衡的一般原理和特点。 1 9 武汉理： 大学硕士学位论文 第3 章自适应均衡器的结构 均衡技术可以分为两大类：线性均衡技术和非线性均衡技术。这些种类是 由自适应均衡器的输出接下来是如何控制均衡器来划分的，主要差别在于自适 应的输出是否被用于判决反馈。判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 o ) 的值。如果d ( t ) 没用在反馈路径中调整均衡器，均衡器就是线 性的。另一方面，如果d ( f ) 反馈回来调整均衡器，则为非线性均衡1 3 4 1 。 线性均衡器主要包括线性横向滤波形均衡器、线性格型均衡器等等，非线 性均衡器包括判决反馈均衡器、分数间隔均衡器、最大似然序列均衡器( m l s e ) 和最大似然符号均衡器( m l s d ) 等等，在这里主要介绍实际中应用较广的线性 横向均衡器、线性格型均衡器、判决反馈均衡器及分数间隔均衡器。按照抽样 间隔的不同，均衡器还可以分为码元问隔均衡器和分数间隔均衡器。实际中码 元间隔均衡器使用比较多，但是性能上却不如分数间隔均衡器的好【嘲。具体分 类如图3 1 所示。 在数字移动通信中，多径时延可从几微秒到l o o u s ，其频率选择衰落特性， 使信道的频率特性产生许多零点1 3 6 】i 矧。在这样的信道中，线性均衡器的性能是 很差的。因此在数字移动通信中，通常不使用线性均衡器。 图3 1自适应均衡器的结构分类图 2 0 武汉理工大学硕士学位论文 3 1 线性均衡器 自适应均衡器中有一种比较简单的形式。它的输出值没有通过后面的判决 器，而直接输出优化值，并没有通过判决反馈而重新反过来调节均衡器，这样 的均衡器我们称为线性均衡器，主要分为横向滤波兴线性均衡器和格式均衡器 等几种形式，由于线性均衡器在数字通信信道中，对信道的频率选择衰落特性 的补偿能力较低，所以一般用在模拟移动通信系统当中。 3 1 1 线性横向滤波均衡器 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。图中，输入信号的将来值、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得到输出，然后根据输出值和理想值之间的差别按照一定 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 伽) 是未知的， 否则也就失去了通信的意义。为使参数调整得以顺利进行，一种折中的方法是 把由输出信号y ( n ) 进行判决所得的估计信号d ( n ) 作为期望信号。事实上，在这 种情况下，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。但是在信道畸变不是异乎寻常的严重的情况下，其收敛性是可 以得到保证的。 iy ( 一 “- * 一 图3 2 线形横向均衡器 令w ( n ) 表示图3 2 中线性横向均衡器中滤波系数的矢量，也就是 w l 矗) 一k 。o )w 1 工o ) w o ( n )w 上一，o ) m o ) 】r ，z o ) 表示均衡器输入 一五 母 ：| 心 节一 呷黟心 蓑 武汉理工大学硕士学位论文 信号矢量面1 ) 一嘶+ d x ( n + l 一1 )撕1 )面l 一+ 1 ) x ( n 一工玎，则输 出信号y ) 可表示为 三 一 y ( n ) 一罗m o 弦o - i ) - ，1 0 皿o )( 3 - 1 ) f 筑 式中上角“t ”表示矩阵的转置。 由式( 3 一1 ) 可以看出，输出序列的结果与输入信号矢量z m ) 和均衡器系数矢 量w ( n ) 有关。输入信号矢量工伽) 是由信号的畸变，即由信道特性的变化来决定 的；均衡器系数矢量w ，们) 应根据信道特性的改变进行设计，使输出序列抽样点 码间干扰为零。经过推导可得线性横向均衡器系数矢量完全由信道的传递函数 来确定，如果信道特性发生了变化，相应的系数矢量也应随之变化，这样才能 保证均衡后在抽样时刻上无码间干扰。 假设期望信号为a ( n ) ，则误差输出序列e ( n ) 为 p ( h ) t d ( ) 一y ( n ) 一d o ) 一o h 0 ) 、 显然，自适应均衡器的原理是用误差序列e ( n ) 按照某种准则和算法对其系 数( n 、进行调整，最终使自适应均衡器的代价( 目标) 函数最小化，达到最佳 均衡的目的。实际使用中，均衡器系数可通过迫零准则或最小均方准则( m m s e ) 获得。对于迫零准则，调整均衡器系数使稳定后的所有样值冲击响应具有最小 的码问干扰；而m m s e 准则的均衡器系数调整是为了使期望信号a ( n ) 和均衡 器输出信号y 0 ) 之间的均方误差最小。无论是基于m m s e 准则还是迫零准则无 限抽头的线性横向均衡器在无噪情况下直观上都是信道的逆滤波器，如果考虑 噪声两种准则间会有差别。在m m s e 准则下，均衡器抽头对加性噪声和信道畸 变均进行补偿。 线性横向均衡器最大的优点就在于其结构非常简单，容易实现，因此在各 种数字通信系统中得到了广泛的应用。但是其结构决定了两个难以克服的缺点： 其一就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