单载波系统均衡技术的研究

林霖

(中国传媒大学广播电视数字化教育部工程研究中心，北京100024)

1 引言

均衡是通过信号接收端产生与信道相反的特性，用来抵消信道的时变多径传播特性引起的码间干扰，消除信道的频率和时间选择性的一种技术。1965年Lucky设计了第一个自适应均衡器——“迫零自适应均衡器”，此后在对均衡的研究中，人们分别提出了卡尔曼算法和LMS算法，近年来的研究多围绕均衡器的改进算法及其在通信中的应用。

目前的信道均衡方法主要有:无数据辅助的盲均衡方法、基于训练序列的均衡方法、半盲均衡方法。按时频域进行均衡的不同，又可以分为时域均衡和频域均衡。

下面将先对单载波均衡技术进行介绍，然后对单载波帧结构的设计及HDFE结构的均衡算法进行分析。

2 单载波频域均衡

多径干扰是中短波广播中很常见和必须解决的一个问题。早在模拟信号处理阶段，均衡被作为对抗ISI的主要方法而提出。与时域上进行滤波处理相对应的，也可以在频域上对信号分别进行补偿信号幅度和相位，即频域均衡。

频域均衡的基本思想是，利用可调滤波器的频率特性去补偿基带系统的频率特性，使包括可调滤波器在内的基带系统的总特性满足无失真传输的要求。相对于时域中需要较长抽头的滤波器来说，可以大大节省所需乘法的数目。框图如图1所示。

图1 频域均衡框图

2.1 单载波帧结构的设计

在OFDM系统中常通过插入长度大于信道的最大传输时延时循环前缀(Circle Prefix，CP)来消除码间干扰(ISI)。与此类似地，单载波帧序列也可以通过加独特码(Unique Word，UW)消除 ISI，而且不像CP只能用作保护间隔，而UW能用作信道估计、均衡和同步。加UW的帧结构如图2:

图2 加UW的帧结构

基于独特码(UW)的单载波频域均衡(SC—FDE)传输系统以负载帧格式进行传输，每一段负载数据与后面的UW序列组成一个数据块，UW序列的插入使得数据块具有理想的周期性的自相关特性。进行负载帧格式传输的单载波传输框图如图3所示。

2.2 改进后的混合判决反馈均衡HDFE的设计

单纯的时域均衡需要较长抽头的滤波器，单纯的频域均衡因进行需要对一段时间内数据块一起进行DFT，具有非实时性，所以将传统的纯时域或纯频域的均衡结合起来会有较好效果。

前馈滤波可采用ZF破零或MMSE均衡算法，后馈滤波可采用维纳、或LMS、RLS等自适应均衡法，下面将重点介绍后馈滤波中LMS算法。

3 后馈滤波中的LMS算法

3.1 LMS原理

LMS遵循的是最小均方误差准则，使最小均方误差最小即使代价函数J最小

J=E［e2(n)］=E［d2(n)-2d(n)y(n)+y2(n)］

LMS采用最陡下降法对其系数C进行调节，最

图3 加UW的单载波传输框图

改进后的结构是时域频域混合的，前馈滤波器对M个样值得数据块FFT变换，进行频域域均衡，反馈滤波器则是逐个符号进行时域均衡。

前馈滤波器采用频域均衡，可采用相对时域均衡少得均衡抽头系数，简化了运算，后馈滤波器采用时域均衡弥补了前馈DFT非实时性均衡的缺点。

终使J最小化，达到最佳滤波状态。运用最陡下降法，即下一个权矢量等于现在的权矢量加一个正比于梯度的变化量。得到系数

C(n+1)=C(n)+2μeμX(n)

其中μ是一个正常数，通常称它为自适应收敛系数或步长。步长增大，收敛越快，均衡的跟踪越快。但是步长越大，均方误差也就越大。所以步长的选择应该在跟踪速度和减小均方误差之间折衷。

3.2 LMS工作流程

LMS自适应均衡器可以有两种模式:训练模式和面向判决模式

训练模式:发送一串已知的训练序列，然后进行训练模式下的LMS自适应均衡，步骤如下

在HDFE结构中可以将UW作为已知训练序列。

面向判决模式:当训练序列均衡结束后，LMS自适应均衡器转向面向判决模式，进行新的LMS自适应均衡，步骤如下

对yk进行判决，得到ak的判决值âk

3.3 仿真结果及分析

以下是对QAM调制数据进行LMS均衡后的星座图及误比特图，其中步长取0.05。

经过均衡后星座图清晰，有较低的误比特率。均衡效果较好。

4 结束语

本文简单了介绍了单载波均衡的原理，及改进后的均衡结构。重点分析了时频混合域判决反馈式均衡(HDFE)结构和算法，并对LMS均衡方法仿真，具有良好性能。

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