短波信道盲均衡技术研究.pdf

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信息传输与接入技术短波信道盲均衡技术研究肖毅，王晓亚(1．中国人民解放军73683部队，福建福州350003；2．中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄050081)摘要：针对短波无线信道的衰落特性严重影响信号接收的问题，在分析研究短波信道特性的基础上，通过研究现有各种盲均衡算法的特点，合理设计均衡器的结构和参数，提出了适用于短波信道的盲均衡改进算法。理论分析和仿真试验均表明，盲均衡算法较好地改善了信道环境，提高了解调性能，具有不占用信道带宽的特点，易于工程实现。关键词：短波通信；衰落信道；Watterson模型；盲均衡中图分类号：TN872文献标识码：A文章编号：1003—3114(2014)04—50—3StudyonBlindEqualizationforHFCommunicationChannelXIA0Yi．WANGXiao—ya(1．Unit73683，PLA，FuzhouFujian350003，China2．The54thResearchInstituteofCETC，ShijiazhuangHebei050081，China)Abstract：ThewirelessfadingchannelalwayshasaseriousinfluenceontheeffectofsignaldemodulationreceivinginHFcommunicationsystem．Totacklethisproblem，therationaldesignofthestructureandparametersoftheequalizerhadbeenproposedandtheModifiedblindequalizationalgorithmsuitableforshortwavechannelhadbeenputforward，basedontheanalysisoftheHFchannelcharacteristicsandvariousblindequalizationalgorithms．Theoreticanalysisandsimulationresultsshowthattheblindequalizationalgorithmcanefec—tivelyimprovethechannelqualityandimprovethedemodulationperformance．Ithastheadvantagesoflessoccupiedchannelbandwidthandeasyimplementationinengineering．Keywords：HFconununication；fadingchannel；Wattersonchannelmodel；blindequalization号的解调性能影响，验证了盲均衡算法的有效性和0引言可行性。信道盲均衡技术是现代数字通信中抗信道衰落的重要技术之一。特别是在信道环境较差的无线信l短波信道特性研究道条件下，盲均衡技术不需要使用训练序列，它提高1．1短波信道特性了带宽利用率，并使发射机和接收机的协同性要求电离层是短波信道的主要媒介。由于电离层的降低，目前已成为通信领域的研究热点之一。短波色散性、不均匀性、各向异性、随机和时空特性。因信道属于复杂的无线信道，普遍存在多径效应、衰此，短波信道存在着衰落、多普勒频移、严重的多径落、多普勒频移以及频谱扩散等问题，严重影响了信号的接收质量。因此，在短波通信系统中盲均衡器效应、频谱扩散和近似高斯分布的白噪声等现象，同对于提高信道的识别概率和提高信号的解调性能都时存在各种电台干扰等复杂现象。短波信道属于随起着至关重要的作用。机变参信道，其传输参数是时变的，且无规律的。文在深入分析短波信道特性的数学模型基础上，献[1]中给出了典型短波信道参数，使用延时特性、建立典型信道模型，研究多种盲均衡算法，提出了适相移特性和衰落特性等传输特性参数来描述无线信用于短波信道的盲均衡改进算法和均衡器设计原道，使用多径的路径阶数、信道的衰减系数、每条径则；仿真了不同短波信道环境对不同调制的数字信的相对时延等参数来描述频率选择性衰落。1．2短波信道Watterson模型收稿日期：2014—04—10为了更详细研究短波信道对信号传输的影响，作者简介：肖毅(1977一)，男，高级工程师。主要研究方向：短波通信系统。王晓亚(1974一)，女，高级工程师。主要研究方向：通信需要建立正确的短波信道等效模型及其数学描述。对抗、信号侦察。在多种短波信道模型中，Watterson模型应用很广50RadioCommunicationsFechnology 信息传输与接入技术泛，它被国际电信联盟ITU推荐为短波信道调制解式中，表示复共轭。调器设计和性能测试的标准信道模型。而Wafter—G(t)的频谱为：SOIl模型也有其适用范围。第一，在时间上假定信=／2exp[L一z】JI㈤道静止的；第二，信道带宽小于等于12kHz；第三，信道时间色散较小；第四，低仰角天线。Watterson模式中，C。(0)表示信号各自的平均功率，是At=0型如图1所示。时，G(t)的自相关函数的值。2和，，J分别为第i条路径的多普勒扩展和多普勒频移。2短波信道盲均衡技术2．1均衡器结构均衡可以分为2种方式，分别是频域均衡和时域均衡。频域均衡是使整个系统的频率传递函数满足无失真传输的条件，即满足H()=Y(6．0)／X(∞)，频域均衡满足上式的条件是比较严格的。图1短波Watterson信遭模型时域均衡是直接从时问响应出发，使整个系统Watterson模型中使用Ⅳ个抽头延迟线来等效的冲激响应满足无码间干扰的条件。而满足奈奎斯Ⅳ条路径，对输入信号(t)进行时延。每个抽头延特脉冲整形定理的要求，即仅在判决点满足无码间迟线都有一个增益函数G(t)以及独立的时延tri，模干扰的条件相对宽松一些。所以，在无线通信中一拟每条路径的输出为G(t)×(一7．)。这样，信号被般采用时域均衡。进行了幅度和相位的调制。G(t)是第i条路径由时域数字均衡器具有各种不同的结构和算法，于电离层波动导致的信号随时间变化的增益函数，包括线性结构、反馈结构、LMS算法或RLS算法等它们描述了衰落、频谱扩散和多普勒频移。等，其最本质的特征始终不变。即一个自适应数字Watterson模型中，加性干扰可描述为2种类均衡器是由一个或多个滤波器组成，使用某种递归型：一种是高斯白噪声Ⅳ(t)，另一种是冲击噪声算法通过控制滤波器的抽头系数，达到滤波的效果。N，(t)。所以，Watterson模型中的输出信号可表示FIR滤波器的构造特性决定了均衡器的结构，为：常见的有：线性均衡器(LE)、判决反馈均衡器y(t)=∑G(t)(一)+ⅣG(t)+Ⅳ，(t)；(1)(DFE)和分数间隔均衡器(FSE)。各个G(t)是相互独立的，它是瑞利振幅分布、传统的时域均衡结构分为线性横向均衡和判决均匀相位分布的零均值复高斯函数：反馈均衡2种，线性结构的横向均衡器可实现性强，G(t)=G。(t)exp(j2t)(2)对拖尾干扰和前导干扰具有相同的均衡能力，但对式中，为第i条路径的多普勒频移，G(t)的包络深衰落均衡能力不强。与横向均衡器相比，判决反服从瑞利分布，是稳定、独立且具有各态历经性的复馈均衡器的特点是：抽头数少，运算处理量较小，对高斯随机过程。G(t)的实部和虚部是零均值、相深衰落有较强的均衡能力。同方差和独立正交的。2．2均衡器阶数设计G。(t)=g(t)+jg(t)，(3)对于一个以为间隔延迟线的线性滤波器式中，g(t)和g(t)分别为2个独立的实正交高斯(LE)，均衡器阶数选取的原则通常是：过程，其联合概率函数为：M=2Ⅳ+1．即滤波器的时间范围为(2Ⅳ+1)T，Ⅳ为信道的多径g一=而唧唧卜【一需】J。c㈩(4)时延。C(0)为当At=0时，G。(t)的自相关函数的典型短波信道中，中度短波信道的多径时延值；g(t)和g(t)具有相同的频谱结构。复函数NT=0．001S，恶劣短波信道多径时延Ⅳ=0．002S。G(t)的自相关函数为：线性均衡器抽头间隔为，可以计算出2种信道模C(At)=G(t)+G(t+At)]=型最合适的线性均衡器阶数。c(0)exp[一2w(At)At]，(5)中度短波信道：20I4年第40卷第4期无线电通信技术5I 信息传输与接入技术VyW(+1)=W(k)+2g8()(k)。(8)Ⅳ了o·。。4o0·4，(2)的选择M=2N+1—7：称为收敛因子，它决定权系数向量达到最佳恶劣短波信道：值的速率。为了保证权系数向量的数学期望收敛至NTⅣ了o·o04004·8，Wiener解，要求对角阵(，_Z)的所有对角元素均小于1，即：M=2N+l一11。1o，(9)在严重幅度失真的信道中，通常使用判决反馈均衡器(DFE)，其降低码问干扰的性能比线性均衡式中，A是自相关矩阵R=E{X(k)X(k)}的最器好得多。但是判决反馈均衡器的阶数很大程度上大特征值。是根据经验进行选取，其反馈和前馈部分滤波器阶(3)基本LMS算法的步骤数的分配更主要是依据信道特性确定的。初始化：W(0)=0；R(0)=，；判决反馈均衡器的前馈滤波器是由其抽头具有选择／．t：0<÷；Ama符号率间隔的横向滤波器构成，其作用类似于线性Fork=1tonW()=(k一1)+2g[(k)一均衡器，输入是接收序列，按照线性均衡器中阶数选W(k-1)()](k)。取的标准，选取中度短波信道中均衡器的阶数M=2．3．2恒模(CMA)算法7，恶劣短波信道中均衡器的阶数M=11。恒模算法(CMA)的代价函数为：2．3短波信道盲均衡算法Ykl2-RZ},R=。由于自适应均衡器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均衡器的系数，由最速梯度下降法，可得到CMA算法如下：(+1)=(k)s(k)X’(k)，以跟踪信道的变化。在盲均衡技术中，均衡算法与()=Y(1Yl一)。(11)盲均衡结构有着同样重要的地位。自适应均衡算法考虑到系统的稳定性，CMA算法的肛值要比是根据某种规则设计的，算法的种类也很多。常用LMS算法的小得多，并且值决定了自适应算法算法包括：最小均方算法(LMS)、恒模算法(CMA)、的收敛速度，因此CMA盲均衡算法收敛速度较慢，最小二乘算法(RLS)和基于QR分解的最小二乘算同时收敛后的稳态误差较大。法(QR—RLS)。对于梯度下降自适应算法，调整步长决定了均2．3．1最小均方(LMS)算法衡算法的收敛速度及稳态性。因此，提高这类自适最小均方算法(LMS)是应用十分普遍的自适应应均衡算法收敛速度的方法是控制步长，当均衡器算法，是在Wiener滤波的基础上发展而来的，它属接近它们的最优值时，用小步长；否则，增大步长。于线性自适应滤波器随机梯度类。Wiener解是在3仿真结果及性能分析最小均方误差(MMSE)意义下使用均方误差作为代3．1仿真条件价函数而得到的最优解，即通过调整滤波器的权值，在典型短波信道环境下，研究不同均衡算法的使滤波器的输出信号与期望信号之间的均方误差最收敛性能和稳态误差。小。梯度V(k)的计算以及收敛因子的选择是国际无线电咨询委员会(CCIR)给出的短波深LMS算法的2个关键部分。度衰落信道参数条件下，各参数如表1所示。(1)梯度V(k)的近似计算表1恶劣短波信道参数精确计算梯度V(k)是十分困难的，通常直接取()作为均方误差的估计值，这是一种粗略的但是却十分有效的近似计算方法，即：V(k)=一2(k)(k)；(7)于是Widrow．HofLMS算法的权系数向量为：(下转第59页)52RadioCommunicationsTechnology 天线与伺服技术文望远镜的技术难题。中德亚毫米波望远镜的伺服社，2003．设计和安装调试已经顺利完成，并得到了用户的认[6]王瑞明·交流伺服驱动系统新型控制策略研究[D]．浙可，为该望远镜的正常观测打下了坚实的基础。～江：江大学,2005．1‘7J王宝仁．网络化运动．控．制．系．统多．轴协同关键技术研究[D]．山东：山东大学，2008．参考文献[8]金钱，胡祜德，李向春．伺服系统设计指导[M]．北京：[1]王俊杰，宁长春．中德亚毫米波望远镜项目前景展望北京理工大学出版社。2000．[J]．西藏：西藏大学学报，2010，25(1)：58—63．[9]杨文清．双电机消隙伺服系统的研究与应用[D]．西[2]力乐士公司．RexrothindraDriveFirmwaveforDriveCon一安：西安电子科技大学。2010：25—32．trollers[M]．北京：力乐士公司，2010．[10]程登元．一种双电机消隙伺服系统[J]．雷达科学与技[3]齐蓉，肖维荣．可编程控制器技术[M]．北京：电子工业术，2009(5)：392—396．出版社，2009．[11]张建飞．船载天地VHF伺服程序引导原理及改进设计[4]韩文泽．DSP控制器在天线伺服系统中的应用[J]．计[J]．无线电工程，2009，39(4)：47—49．算机与网络，2005，31(9)：47—49．[12]警斌．超大型天线馈源舱柔索支撑结构动力学分析与[5]李华德．交流调速控制系统[M]．北京：电子工业出版跟踪控制[J]．控制理论与应用，2007。24(6)：938—942．(上接第52页)4结束语3．2性能分析分别使f}jIMS、CMA算法对8PSK信号进行均研究了不同短波信道下，LMS均衡算法、CMA衡解调，图2为不使用均厂-_-’__—__均衡算法算法对于信道的改善性能，以及均衡器的衡接解凋的星座图，，f-●lII]阶数和收敛因子等参数对均衡器性能的影响。给出图3(a)为使用LMS算法了LMS均衡算法在保证星座图收敛的情况下可以均衡解调后的星座图，比CMA均衡算法收敛后的稳态误差更小，收敛后的图3(b)为使用CMA算法星座图的汇聚性更好．并验证了两种均衡算法的有均衡解调后的星座图。从效性和可行性。图3可以看出，使用LMS均衡后的星座图相比使用图2直接解调的星座图参考文献CMA均衡后的星座图更汇算法收敛后的稳态误差[]肖金光．基于恒模算法的短波信道数字通信盲均衡技聚；从图4可以看出，CMA术研究[D]．烟台：海军航空工程学院，2008：29-35．相对比LMS算法要大。[2]江漫，王晓亚．一种变步长短波信道盲均衡算法[J]．无t．：线电工程，20l3，43(2)：38—41．[3]薛少杰．短波通信中自适应均衡技术的研究[D]．重庆：重庆大学，20l0：32-39．：[4]欧阳喜，葛林东．一种新的基于CMA算法的递归步长·。，可rI盲均衡算法[J]．郑州：信息工程学院学报，1999，l8研(1)：44—46．5I／V(b)使用cMA均衡后星座图[5]李福琦，周新力．基于训练序列的短波Watterson信道(a)使用LMS均衢后星座图估计研究[J]．通信技术，201l(4)：59-61．图3分别使用LMS和CMA均衡后星座图[6]张雅彬．王融丽，刘昕．自适应均衡器的LMS算法实现及其仿真[J]．吉首：吉首大学学报，2006，9：77—81．田伟，周新力，孟庆萍，等．一种信噪比指导信道均衡方式切换的算法[J]．无线电工程，20I2．42(4)：12—：薹要：薹E14，18．00．5l1．5200．5I1．52Samples／sxt0Samples／sxl0[8]孟庆萍，周新力，田伟．基于DDEA算法的短波信道(a)使用LMS均衡后的相位误差(b)使用CMA均衡后误差曲线Turbo均衡研究[J]．无线电通信技术，201l，37(6)：图4分别使用LMS和CMA均衡后误差曲线28—322(1lJ年第Jl】卷第期无线电通信技术59