專利名稱：一種基于信道估計的線性自適應均衡器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于水聲通信領(lǐng)域，提出了一種基于信道估計的自適應均衡器長度設計方法，該方法彌補了傳統(tǒng)搜索法與經(jīng)驗確定方法的不足，從理論上解釋了均衡器長度選取的依據(jù)，即提供一種基于信道估計的線性自適應均衡器。
背景技術(shù)：
水聲通信技術(shù)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防等方面有重要應用，近年來已經(jīng)逐漸稱為國內(nèi)外的研究熱點。水與大氣同屬于無線信道，但二者有顯著的不同。首先，電磁波在水介質(zhì)中有很大的衰減，無法作為遠距離通信的載體，因而水下的信號傳輸一般采用聲波；其次，與陸地無線信道相比，水聲信道受到更加嚴重的多途效應與多普勒效應的影響，接收到的信號幅度與相位都有明顯的畸變，需要更加復雜的處理方法才能保證通信的質(zhì)量。另外，水聲通信系統(tǒng)由于體積造價等限制，一般利用DSP進行信號處理與數(shù)值計算，且要長時間職守，能量有限，不能承擔過大計算量的任務。依據(jù)信號調(diào)制解調(diào)方式的不同，通信方式可分為相干與非相干兩類。相干方式以其更大的帶寬利用率以及更快的信息傳輸速率被證明是有效的水聲通信系統(tǒng)方案。相干通信系統(tǒng)對信號的相位的準確性要求較高，所以一般來說該技術(shù)要與自適應均衡技術(shù)相結(jié)合。自適應均衡技術(shù)通過對訓練信號的處理估計信道的特征，進而調(diào)整相關(guān)參數(shù)以抵消非理想信道特性造成的影響。在眾多參數(shù)中，均衡器長度(也稱為均衡器的抽頭個數(shù)，均衡器階數(shù))是對系統(tǒng)性能有重要影響的參數(shù)。均方誤差(Mean Square Error7MSE)是均衡器性能的度量指標之一,MSE越小,均衡器性能越好。已經(jīng)有研究證明，最小均方(Least Mean Square, LMS)自適應算法的MSE與均衡器長度的關(guān)系為“U”型，即過大與過小的長度均無法使性能最優(yōu)，存在理論上的最佳值。該結(jié)論對迭代最小二乘(Recursive Least Square, RLS)算法也成立。如何選擇均衡器的階數(shù)一直是困擾人們的問題，一些研究成果也已經(jīng)被提出。目前的解決辦法大概分為兩種經(jīng)驗確定法與搜索法。M. Stojanovic在相關(guān)著作中指出，在信道沖擊響應中多途的幅度逐漸減小時，可以將均衡器階長度定為能夠捕捉到足夠信號能量最小值N，但并沒有理論上的說明，屬于經(jīng)驗確定。事實上很多水聲通信相關(guān)的資料中都沒有明確討論長度的設定方法，都是直接給出仿真或試驗時所使用的均衡器階數(shù)。搜索法是指經(jīng)過數(shù)值計算，比較MSE或其他指標是否滿足所設定的要求。Armelle Wautier等人在假設已知精確的信道響應(仿真設定)的情況下計算通信誤碼率(Ber)。在均衡器長度從I開始逐漸增大的過程中，計算Ber，若滿足要求，算法結(jié)束；若直到設定值Nmax時都無法滿足要求，則認為均衡失敗。該算法的缺點是如果符合要求的N很大，或均衡失敗時會引入很大的計算量。XushengWei,G. M. Cruickshank等人在他們的論文中總結(jié)了一類自適應均衡器階數(shù)的變長設定算法，這一類算法通過比較不同長度均衡結(jié)果的mse估算值確定搜索的方向。舉例來說若長度為N的均衡結(jié)果比長度為N-I的均衡結(jié)果好，則增加長度繼續(xù)計算，反之減小，進而得出一個優(yōu)選值。該方法的優(yōu)點是無論最初的均衡階數(shù)設置的合適與否，該算法都可以收斂；但缺點同樣明顯若初始值設置不當，將要迭代上千次才能收斂。水聲通信系統(tǒng)要避免過大的計算量，如本文具體實施方式
所涉及的水聲通信系統(tǒng)，要求算法在幾十次迭代即達到收斂。因而，迫切需要一種不通過搜索，就能較準確地確定均衡器長度的確定方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，為克服現(xiàn)有技術(shù)在確定均衡器長度時采用的方法所存在的問題?，F(xiàn)有技術(shù)一是利用經(jīng)驗值，二是利用窮舉法搜索或以某種方式優(yōu)化搜索。前者不能適用于所有情況，后者雖能最后確定較佳長度，但要搜索計算所有可能的長度，需要多次迭代，從而無法在數(shù)據(jù)較短的情況下得出結(jié)果。上述兩方法均缺乏理論依據(jù)。本發(fā)明提供一種基于信道估計的線性自適應均衡器。本發(fā)明提出一種基于信道估計的線性自適應均衡器，該均衡器利用水聲通信系統(tǒng)幀同步模塊的計算結(jié)果來估算信道沖擊響應，并根據(jù)估計結(jié)果計算信道沖擊響應h(t)的z 域的多項式的近似，之后計算近似多項式的余項確定均衡器的長度，最后對長度進行微調(diào)。本發(fā)明提供一種基于信道估計的線性自適應均衡器，包含若干個抽頭，延時單元和所述各個抽頭對應的抽頭系數(shù)，其特征在于，所述若干個抽頭的具體數(shù)目通過抽頭個數(shù)生成模塊提供；其中，所述抽頭個數(shù)生成模塊的進一步包含獲得信道的幅度沖擊響應的子模塊，用于根據(jù)通信數(shù)據(jù)幀同步信號的相關(guān)值得到信道的幅度沖擊響應；建立信道的離散模型的子模塊，利用信道的幅度沖擊響應
的估計結(jié)果確定離散模型的系數(shù)hi;該模型表達式為:H(Z) = ^h,1 ;長度η的
i=0
生成子模塊，通過對信道離散模型倒數(shù)的級數(shù)展開求解，得出拉格朗日余項及差異度，最后分析差異度表達式與均衡器長度η的關(guān)系得出結(jié)果對應的長度η的計算公式為
mm{n \ A(n) = <Th}，其中，Th是根據(jù)特定應用需求確定的閾值。優(yōu)選的，所述抽頭個數(shù)生成模塊還包含優(yōu)化抽頭個數(shù)η的子模塊，該子模塊采用搜索算法在確定的均衡器長度η的基礎上進行微調(diào)，生成新的優(yōu)化的抽頭個數(shù)。優(yōu)選的，所述搜索算法為相鄰查找的算法，該算法在相距所述長度η的距離為整數(shù)土 δ的范圍的最小均方誤差MSE，從而確定一個新的長度m，采用如下算法優(yōu)化η得到優(yōu)化抽頭數(shù)m MSE (m) = min (MSE (η- δ ), · · · , MSE (η), · · · , MSE (η+ δ ))。優(yōu)選的，所述確定均衡器抽頭系數(shù)的步驟為
-J—=f(X) = —L_= ^wz-^ =W(yZ)
_5] H(z)j^xl h k\ y' %
i=0其中，在上述表達式中，根據(jù)級數(shù)展開而得出的各Wi在信噪比較高時可作為均衡器抽頭系數(shù)的確定依據(jù)。上述技術(shù)方案中，所述幀同步位于數(shù)據(jù)幀的起始位置；所述數(shù)據(jù)幀包含幀同步部分，訓練序列部分和數(shù)據(jù)部分。本發(fā)明的優(yōu)點在于，I、避免了利用經(jīng)驗確定均衡器長度的特定應用情況限制；2、避免了利用搜索算法帶來的較大的迭代計算次數(shù)限制，使自適應均衡的訓練序列可以縮短；3、從理論上說明了線性均衡器長度的選取依據(jù)，為進一步研究提供參考。


圖I為本發(fā)明的基于信道估計設計自適應均衡器的方法流程圖；圖2是現(xiàn)有技術(shù)的采用均衡器的整個通信系統(tǒng)的組成框圖；圖3是現(xiàn)有技術(shù)的線性均衡器內(nèi)部的結(jié)構(gòu)框圖；圖4是現(xiàn)有技術(shù)的水聲通信系統(tǒng)的組成框圖；
圖5是本發(fā)明采用的發(fā)送端的數(shù)據(jù)幀的組成示意圖；圖6是本發(fā)明提供的方法確定的均衡器的長度與差異度的關(guān)系圖；圖7是本發(fā)明的方法和裝置確定的均衡器長度與均方誤差的關(guān)系圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細的說明。如圖I所示，該圖為本發(fā)明的一種基于信道估計設計自適應均衡器的方法的流程圖；具體描述如下第一步，根據(jù)幀同步結(jié)果估計信道沖擊響應。水聲通信系統(tǒng)中需要幀同步信號來確定每一幀的開始位置。幀同步信號采用自相關(guān)性較好的序列，比如M序列，線性調(diào)頻信號(LFM信號)等。下面用LFM信號為例推導信道沖擊響應的估計。在接收端，經(jīng)過信道后的線性調(diào)頻信號可以表示為rLFM (t) = sLFM(t)*h(t)= / h( τ )sLFM(t- τ )d τ其中，SLFM(t)為發(fā)送的線性調(diào)頻信號，h(t)為信道沖擊響應，表示卷積。接收信號與本地的LFM信號副本進行相關(guān)運算Rlfm (a) = f rLFM (t) sLFM (t_ α ) dt= f / h ( τ ) sLFM (t- τ ) d τ sLFM (t_ α ) dt交換積分順序Rlfm( α ) =J h( τ ) / sLFM(t_ τ ) sLFM(t_ α ) dtd τRlfm(Q)=/h(O / sLFM(t' ) sLFM(t' + τ - α ) d(t/ + τ ) d τ= / h(x)R(T-a)dT , (I)根據(jù)LFM的性質(zhì)，其自相關(guān)函數(shù)在TBP = |K| T2較大時波形可用sine函數(shù)近似，其中K為信號頻率隨時間的變化率，T為信號持續(xù)總時間。而且Sinc函數(shù)的極限即為沖擊函數(shù)δ (t)，所以式(I)可近似化為 Rlfm (a) h(x) δ (α-τ)(1τ = h( a ) (2)式(2)表明信道沖擊響應可以用幀同步信號與接收端本地副本信號的相關(guān)結(jié)果近似表示，同時該結(jié)果也是幀同步檢測的輸入。
第二步，根據(jù)估計結(jié)果計算信道沖擊響應h(t)的z域的多項式的近似下面利用信道沖擊響應的估計值h(t)確定均衡器長度，假設噪聲為加性高斯白噪聲。系統(tǒng)框圖如圖2所示。s(t)為進入信道的信號，h(t)為信道沖擊響應，v(t)是加性高斯白噪聲，w(t)是線性均衡器的沖擊響應，y(t)是輸出信號，這些量的時域關(guān)系可表示為y (t) = [s (t) *h (t)+V (t) ] *w (t) (3)對該式以滿足采樣定理的采樣率Ts進行采樣。不失一般性，用η代替t_nTs，有y (n) = [s (n) *h (η) +ν (η) ] *w (η) η = 0,1,2,3··· (4)對⑷進行ζ變換·Y(z) = S (z) H (z) W (z)+V (z) W (z) (5)其中，(5)式中的各項是(4)式中各項對應的z變換。考慮較高信噪比的情況，忽略(5)式中的第二項?？梢?，要想使接收端輸出量Y(Z)接近輸入量S(Z)，就要滿足H(Z)W(Z) = I (6)即W(Z)與信道沖擊響應H(Z)互為逆系統(tǒng)。水聲多徑信道z域模型可表示為H(Z) = YjHiZ-1(7)
i=0其中，比是信道沖擊響應的各系數(shù)，L為其長度。根據(jù)(6)與(7)，可知均衡器響應的z域形式應為
W(z) = -^— = —^~(8)H(Z)
i=0根據(jù)時間序列信號模型的有關(guān)結(jié)論,該模型為AR (autoregressive)模型,只有極點，沒有零點。而線性均衡器在結(jié)構(gòu)上符合MA(moving average)模型，只有零點，沒有極點，現(xiàn)在要尋找一個W(Z)的表示式，使其符合MA模型的形式『⑷(9)
_0」；=o Yj1^
i=0其中，Wi為均衡器響應的各系數(shù)。根據(jù)有關(guān)文獻的結(jié)論以及Wold分解定理，任何一個具有有限方差的AR過程都可以表示成唯一的、階數(shù)可能無窮大的MA過程，所以(9)的表述是可行的，但階數(shù)M可能無窮大，實際實現(xiàn)困難。根據(jù)因式分解的性質(zhì)，有
^~ = A- --(10) 其中，A為常數(shù)。實際情況下，信道沖擊響應大多為因果穩(wěn)定系統(tǒng)，因而式(10)的收斂域包含單位圓與無窮，且所有極點都位于單位圓之內(nèi)。令X = Z—1，有
權(quán)利要求
1.一種基于信道估計的線性自適應均衡器，包含若干個抽頭，延時單元和所述各個抽頭對應的抽頭系數(shù)，其特征在于，所述均衡器還包含抽頭個數(shù)生成模塊，該模塊用于確定所述若干個抽頭的具體數(shù)目及各個抽頭對應的抽頭系數(shù)； 其中，所述抽頭個數(shù)生成模塊的進一步包含 獲得信道的幅度沖擊響應的子模塊，用于根據(jù)通信數(shù)據(jù)幀同步信號的相關(guān)值得到信道的幅度沖擊響應； 建立信道的離散模型的子模塊，利用所述信道的幅度沖擊響應的估計結(jié)果確定該信道的離散模型的系數(shù)hi，該模型表達式為
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于信道估計的線性自適應均衡器，其特征在于，所述抽頭個數(shù)生成模塊還包含優(yōu)化抽頭個數(shù)η的子模塊，該子模塊采用搜索算法在確定的均衡器長度η的基礎上進行微調(diào)，生成新的優(yōu)化的抽頭個數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于信道估計的線性自適應均衡器，其特征在于，所述搜索算法為相鄰查找的算法，該算法在相距所述長度η的距離為整數(shù)土 δ的范圍的最小均方誤差，從而確定一個新的長度m，采用如下算法優(yōu)化所述η得到優(yōu)化抽頭數(shù)m MSE (m) = min (MSE (η- δ )，· · ·，MSE (η)，· · ·，MSE (η+ δ )) 其中，MSE表示最小均方誤差；min函數(shù)表示取最小值。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于信道估計的線性自適應均衡器，其特征在于，所述均衡器抽頭系數(shù)，當在信噪比較高時采用下式確定各個抽頭系數(shù)
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于信道估計的線性自適應均衡器，其特征在于，所述幀同步位于數(shù)據(jù)幀的起始位置。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于信道估計的線性自適應均衡器，其特征在于，所述數(shù)據(jù)幀包含幀同步部分，訓練序列部分和數(shù)據(jù)部分。
全文摘要
本發(fā)明提出一種基于信道估計的線性自適應均衡器，包含若干個抽頭，延時單元和所述各個抽頭對應的抽頭系數(shù)，其特征在于，所述若干個抽頭的具體數(shù)目通過抽頭個數(shù)生成模塊提供；其中，所述抽頭個數(shù)生成模塊的進一步包含獲得信道的幅度沖擊響應的子模塊，用于根據(jù)通信數(shù)據(jù)幀同步信號的相關(guān)值得到信道的幅度沖擊響應；建立信道的離散模型的子模塊，利用所述信道的幅度沖擊響應的估計結(jié)果確定該信道的離散模型的系數(shù)hi；長度n的生成子模塊，通過對所述信道的離散模型倒數(shù)的級數(shù)展開求解，得出拉格朗日余項及差異度，最后分析差異度表達式與均衡器長度n的關(guān)系得出結(jié)果。所述抽頭個數(shù)生成模塊還包含優(yōu)化抽頭個數(shù)n的子模塊，該子模塊采用搜索算法。
文檔編號H04L25/03GK102790734SQ20111012840
公開日2012年11月21日 申請日期2011年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月18日
發(fā)明者張春華, 李宇, 隋天宇, 黃海寧 申請人:中國科學院聲學研究所