一種自適應(yīng)rls判決反饋均衡系統(tǒng)及其實現(xiàn)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種自適應(yīng)RLS判決反饋均衡系統(tǒng)，其特征在于，包括：誤碼互相關(guān)模塊、均衡模塊、判決反饋單元、系數(shù)更新單元和自相關(guān)估計模塊；本發(fā)明還公開了一種自適應(yīng)RLS判決反饋均衡系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，包括以下步驟：1)設(shè)置濾波系數(shù)的初始值c0；2)產(chǎn)生濾波輸出信號yk；3)計算誤碼互相關(guān)結(jié)果Ik；4)將濾波系數(shù)ck-1更新為ck；5)根據(jù)遺忘常數(shù)因子w和均衡器輸入信號序列rk將自相關(guān)逆矩陣估計結(jié)果Pk-1更新為Pk；6)重復(fù)步驟2)至5)，直至均衡器系數(shù)收斂為止。具有只需要少量的訓(xùn)練信號便可達(dá)到可觀的系統(tǒng)性能以及適用于復(fù)雜水聲環(huán)境下接收端的可靠傳輸和快速自適應(yīng)均衡等優(yōu)點。
【專利說明】一種自適應(yīng)RLS判決反饋均衡系統(tǒng)及其實現(xiàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種數(shù)字無線通信技術(shù)，特別涉及一種自適應(yīng)RLS判決反饋均衡系統(tǒng)及其實現(xiàn)方法，本發(fā)明是一種水下接收端的信道自適應(yīng)均衡技術(shù)，主要應(yīng)用在復(fù)雜長信道響應(yīng)水聲系統(tǒng)中接收端的可靠傳輸，并實現(xiàn)在水聲系統(tǒng)中時域或者頻域的快速自適應(yīng)均衡，用于消除信號的碼間干擾或者子載波間干擾。
【背景技術(shù)】
[0002]海洋是一個廣闊而豐富的世界，對海洋科學(xué)的探索引起眾多科學(xué)工作者的極大關(guān)注，而其中水聲通信及相關(guān)信息科學(xué)技術(shù)對海洋產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有重要推動作用。但是，水聲通信信道具有比較高的時間選擇性和頻率選擇性，所以水聲信道被普遍認(rèn)為是最具挑戰(zhàn)性的通信媒介之一。相比于陸地?zé)o線信道來說，典型的淺海水聲信道表現(xiàn)出很強的時間色散效應(yīng)，碼間干擾非常嚴(yán)重。這時候就需要一種有效快速的均衡算法來消除水聲信道嚴(yán)重的碼間干擾或者采用正交頻分多址技術(shù)使頻率選擇性衰落信道變?yōu)槠教剐运ヂ湫诺馈?br> [0003]由于水底環(huán)境復(fù)雜多變，海面的隨機起伏變化使水聲信號強度和相位不太穩(wěn)定，由此造成的多徑時延是比較嚴(yán)重的。對于陸地?zé)o線通信，信道的響應(yīng)長度一般可認(rèn)為是幾個符號周期，比較容易均衡。但對于水聲通信，信道的響應(yīng)長達(dá)數(shù)百個符號周期，由此帶來的碼間干擾是很嚴(yán)重的。同時，水聲信道的背景噪聲功率也比較大，信噪比往往較低。水聲信道的背景噪聲主要包括海洋環(huán)境噪聲和船艦自噪聲，如風(fēng)雨和潮汐引起的干擾噪聲、船舶噪聲、海底生物噪聲等等，從而造成了水聲信道噪聲的復(fù)雜性。
[0004]水聲通信系統(tǒng)的傳輸速率要比陸地通信系統(tǒng)的傳輸速率低很多，實時性要求不高。但是海水介質(zhì)對水聲信號的干擾吸收和海底信道環(huán)境的復(fù)雜多變，接收到的水聲信號畸變嚴(yán)重。所以水聲通信亟須解決的問題就是盡可能降低誤碼率，以保證可靠的通信。對于單載波水聲系統(tǒng)而言，主要問題是碼間干擾(ISI)問題，可以采用在時域上進(jìn)行符號均衡，減少碼間干擾。對于多載波水聲系統(tǒng)而言，存在的主要問題是頻率定時不準(zhǔn)造成的子載波間干擾，則此時可以在頻率域上對子載波進(jìn)行均衡，減少子載波間干擾。這兩種解決方式都可以在最小誤碼率準(zhǔn)則下進(jìn)行，本專利主要是針對水聲通信系統(tǒng)時域上實現(xiàn)對符號的最小誤碼率均衡，其實現(xiàn)也可以類似地運用到水聲通信系統(tǒng)的頻率域中。
[0005]一種由華南理工大學(xué)提供的基于最小誤碼率準(zhǔn)則的自適應(yīng)信道均衡器及其實現(xiàn)方法(中國發(fā)明專利號:CN102916916A)，該專利主要特點是它有別于傳統(tǒng)的自適應(yīng)均衡算法，直接由最小誤碼率準(zhǔn)則推導(dǎo)而來，將濾波輸出信號映射成衡量誤碼程度的參量，作為下一次濾波系數(shù)修改的依據(jù)。該專利主要應(yīng)用在信道響應(yīng)比較少的無線信道，收斂速度比最小均方準(zhǔn)則的自適應(yīng)方法要快，運算量小，均衡器結(jié)構(gòu)簡單且易于實現(xiàn)，但是對于長信道響應(yīng)的水聲通信信道則不太適用。
[0006]另外由華南理工大學(xué)提供的一種雙模自適應(yīng)判決反饋均衡模塊及其實現(xiàn)方法(中國發(fā)明申請?zhí)?20140041987.1)，提出了一種基于最小誤碼率準(zhǔn)則的判決反饋實現(xiàn)方法。該均衡模塊采用了判決反饋結(jié)構(gòu)，并且可以在兩種模式下切換工作。該專利適用在時不變或者變化極其緩慢的水聲信道，收斂速度較無反饋結(jié)果的均衡器要快，但是對于信道變化變化比較快的水聲信道，則難以收斂到理想的結(jié)果。
[0007]在實際水聲通信通信系統(tǒng)中，評價自適應(yīng)均衡模塊可以根據(jù)均衡算法的誤碼性能、收斂速度和算法復(fù)雜度，而衡量通信系統(tǒng)傳輸?shù)目煽啃宰钪饕歉鶕?jù)誤碼率。前面提到的專利實現(xiàn)方法能夠滿足盡量降低誤碼率的要求，但在實際的水聲通信應(yīng)用中，不希望迭代次數(shù)過多，即均衡模塊收斂速度要求非常快，才能滿足水聲通信的實時性要求。同時，在時變的水聲信道中，當(dāng)收斂速度高于信道響應(yīng)變化速度時，才有可能收斂到比較理想的結(jié)果，所以只有快速收斂的均衡模塊才能適用于變化的水聲信道。
[0008]現(xiàn)有的大部分自適應(yīng)均衡算法存在很多的不足，無法同時兼顧極低誤碼率和極高收斂速度兩個方面，難以直接應(yīng)用在復(fù)雜的水下環(huán)境中，所以本發(fā)明實現(xiàn)最小誤碼率準(zhǔn)則的自適應(yīng)RLS判決反饋均衡系統(tǒng)具有快速收斂到極低的誤碼率的能力，更適合水聲通信系統(tǒng)的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的首要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點與不足，提供一種自適應(yīng)RLS判決反饋均衡系統(tǒng)，該自 適應(yīng)RLS判決反饋均衡系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)最小誤碼率結(jié)果，有效地消除碼間干擾，并且以很快的速度收斂到最優(yōu)值，占用帶寬少；并且能夠?qū)崿F(xiàn)最小誤碼率結(jié)果，有效地消除碼間干擾，自適應(yīng)收斂速度快。
[0010]本發(fā)明的另一目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點與不足，提供一種自適應(yīng)RLS判決反饋均衡系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，該實現(xiàn)方法只需要極少的訓(xùn)練符號便可達(dá)到可觀的系統(tǒng)性能，靈活性高，能夠克服了大部分相關(guān)自適應(yīng)均衡算法難以直接應(yīng)用在復(fù)雜的水下環(huán)境中的不足。
[0011]本發(fā)明的首要目的通過下述技術(shù)方案實現(xiàn):一種自適應(yīng)RLS判決反饋均衡系統(tǒng)，包括:誤碼互相關(guān)模塊、均衡模塊、判決反饋單元、系數(shù)更新單元和自相關(guān)估計模塊，所述誤碼互相關(guān)模塊處理結(jié)果為將前一次濾波輸出信號yk映射成誤碼指示信號ek和均衡器輸入信號序列rk的數(shù)乘結(jié)果，作為均衡器參數(shù)調(diào)整的指示向量，對應(yīng)關(guān)系如下所述:
[0012]Ik = (tanh ( β yk) ~sk_D).rk = ekrk,
[0013]其中，下標(biāo)k表示當(dāng)前時刻，下標(biāo)D為均衡器輸出信號相對于發(fā)送端信號的時延；sk-D為發(fā)送端導(dǎo)頻信號中的期望信號；β為用于控制映射關(guān)系的常數(shù)因子；ek =tanh(^yk)-sk_D為誤碼指示符號；rk表示均衡器輸入信號序列，由接收符號序列和判決反饋符號序列共同組成；
[0014]所述均衡模塊包含濾波器和系數(shù)更新單元，濾波器對當(dāng)前時刻輸入信號序列rk進(jìn)行濾波均衡，得到輸出信號yk
[0015]V1- = f/—Jjt += C1 ，
[0016]其中，ck_!為未更新前濾波系數(shù)，包含前饋濾波L和反饋濾波Iv1兩部分，上標(biāo)T表示矩陣的轉(zhuǎn)置；輸入信號序列rk由接收符號序列Yk和判決反饋符號序組成；
[0017]所述判決反饋單元依據(jù)均衡后的輸出信號直接進(jìn)行判決，判決結(jié)果將作為均衡器的反饋輸入信號，實現(xiàn)如下:
【權(quán)利要求】
1.一種自適應(yīng)RLS判決反饋均衡系統(tǒng)，其特征在于，包括:誤碼互相關(guān)模塊、均衡模塊、判決反饋單元、系數(shù)更新單元和自相關(guān)估計模塊，所述誤碼互相關(guān)模塊處理結(jié)果為將前一次濾波輸出信號yk映射成誤碼指示信號ek和均衡器輸入信號序列rk的數(shù)乘結(jié)果，作為均衡器參數(shù)調(diào)整的指示向量，對應(yīng)關(guān)系如下:
Ik = (tanh ( β yk)-sk_D).rk = ekrk, 其中，下標(biāo)k表示當(dāng)前時刻，下標(biāo)D為均衡器輸出信號相對于發(fā)送端信號的時延；sk_DS發(fā)送端導(dǎo)頻信號中的期望信號；β為用于控制映射關(guān)系的常數(shù)因子；ek = tanh(i3yk)-sk_D為誤碼指示符號；rk表示均衡器輸入信號序列，由接收符號序列和判決反饋符號序列共同組成； 所述均衡模塊包含濾波器和系數(shù)更新單元，濾波器對當(dāng)前時刻輸入信號序列rk進(jìn)行濾波均衡，得到輸出信號yk:
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)RLS判決反饋均衡系統(tǒng)，其特征在于，所述均衡器接收信號rk的元素從當(dāng)前時刻開始，按時間遞減排列。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述自適應(yīng)RLS判決反饋均衡系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，包括如下步驟: 1)設(shè)置濾波系數(shù)的初始值Co，所述Co為任意非零值；設(shè)置自相關(guān)逆矩陣的初始值Po，令P0 = σ E,其中，E為單位矩陣，O可選為常數(shù),設(shè)置控制參數(shù)D、β、μ、w和ε的值； 2)利用當(dāng)前未更新的濾波系數(shù)(V1對輸入信號序列rk進(jìn)行濾波，產(chǎn)生濾波輸出信號Yk ； 3)由濾波輸出信號yk、導(dǎo)頻序列中的期望信號sk-D和輸入信號序列rk，計算出誤碼互相關(guān)結(jié)果Ik; 4)根據(jù)步長U、遺忘常數(shù)因子W、誤碼互相關(guān)結(jié)果Ik、均衡器輸入信號序列rk以及未更新前的自相關(guān)逆矩陣估計結(jié)果Plri，將濾波系數(shù)(V1更新為Ck ; 5)根據(jù)遺忘常數(shù)因子w和均衡器輸入信號序列rk將自相關(guān)逆矩陣估計結(jié)果Plri更新為Pk ； 6)重復(fù)步驟2)至5)，直至均衡器系數(shù)收斂即:||ck+1-ck| | ≤ε為止。
【文檔編號】H04L25/03GK103957176SQ201410180984
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年4月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月30日
【發(fā)明者】陳芳炯, 鄭倍雄, 林少娥, 羅夢娜, 季飛 申請人:華南理工大學(xué)