自适应均衡器的设计与仿真概述.docx

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自适应均衡器的设计与仿真概述

2014届毕业设计（论文）

摘要

在移动通信领域中，码间干扰始终是影响通信质量的主要因素之一。

为了提高通信质量，减少码间干扰，在接收端通常采用均衡技术抵消信道的影响。

由于信道响应是随着时间变化的，通常采用自适应均衡器。

自适应均衡器能够自动的调节系数从而跟踪信道，成为通信系统中一项关键的技术。

本篇论文在对无线通信信道进行研究的基础上，阐述了信道产生码间干扰的原因以及无码间干扰的条件，介绍了奈奎斯特第一准则和时域均衡的原理。

深入研究了均衡器的结构和自适应算法，在均衡器的结构中主要介绍了4种自适应均衡器结构即线性横向均衡器、线性格型均衡器、判决反馈均衡器和分数间隔均衡器，并对这几种结构进行了比较。

对于系数调整算法主要介绍了常用的几种算法，包括LMS算法、RLS算法以及盲均衡常用的恒模算法（CMA），并讨论了它们各自的优缺点。

最后选用线性横向均衡器结构与上述3种系数调整算法，利用MATLAB进行仿真，并对结果进行分析与比较。

关键字：

自适应均衡器，LMS，RLS，CMA，MATLAB

Abstract

Inthefieldofmobilecommunications,theinter-symbolinterferences（ISI）isalwaysoneoftheprimaryfactorwhicheffectstransmission.AdaptiveequalizationismainlysolutionofdealingwithISI.Equalizersareoftenusedtocombattheinfluenceofchannelsforimprovingcommunication’squalityanddecreasingISIinreceivers.Sometimes,channelresponsevariesduetotime,theadaptiveequalizerisalwaysnecessary.Equalizercoefficientscanbeautomaticallyadjustedtotrackthechannelasakeycommunicationsystemtechnology.

Onthebasisofstudyingonwirelesscommunicationchannel,thispaperdiscussesthereasonsofresultinginter-symbolinterference（ISI）andwithoutconditions,introducesNyquistfirstruleandthetheoryofadaptiveequalizers.Theequalizerstructuresandtheadaptivealgorithmareparticularlystudiedinthispaper.Mainlyintroducingandcomparingfouradaptiveequalizerstructures,suchaslinearhorizontalequalizer,linepersonalitytypeequalizer,decisionfeedbackequalizer,fractionallyspacedequalizers.Thenweresearchthealgorithmsoftheadaptiveequalizerwhichareoftenused,includingLMS,RLS,CMA,anddiscusstheirrespectiveadvantagesanddisadvantages.Finally,wechoosedifferentadaptiveequalizerstructuresandalgorithms,andusetheMATALBtooltosimulate,attheendofthispaperweanalyzeandcomparetheresults.

Keywords:

adaptiveequalizer,LMS,RLS,CAM,MATLAB

第一章绪论

1.1引言

通常信道特性是一个复杂的函数，它可能包括各种线性失真、非线性失真、交调失真、衰落等。

同时由于信道的迟延特性和损耗特性随时间做随机变化，因此，信道特性往往只能用随机的过程来进行描述。

例如，在蜂窝式移动通信中，电磁波会因为碰撞到建筑物或者其他物体而产生反射、散射、绕射，此外发射端和接收端还会受到周围环境的干扰，从而产生时变现象，其结果为信号能量会不止一条路径到达接收天线，我们称之为多径传播。

数字信号经过这样的信道传输后，由于受到了信道的非理想特性的影响，在接收端就会产生码间干扰（ISI），使系统误码率上升，严重情况下使系统无法继续正常工作。

理论和实践证明，在接收系统中插入一种滤波器，可以校正和补偿系统的特性，减少码间干扰的影响。

这种起补偿作用的滤波器称为均衡器。

校正可以从时域和频域两个不同的角度来考虑：

频域均衡是利用可调滤波器的频率特性来弥补实际信道的幅频特性和群延时特性，使包括均衡器在内的整个系统的总频率特性满足无码间干扰传输条件。

时域均衡是从时间响应的角度考虑，使包括均衡器在内的整个传输系统的冲击响应满足无码间干扰的条件。

频域均衡满足奈奎斯特定理的要求，仅在判决点满足无码间干扰的条件相对宽松一些。

随着数字信号的处理理论和超大规模集成电路的发展，时域均衡器已成为当今高速数字通信中所使用的主要方法。

调整滤波器抽头系数的方法有手动调整和自动调整。

如果接收端知道信道特性，例如信道冲击响应或频域响应，一般采用简单的手动调整方式。

由于无线通信信道具有随机性和时变性，即信道特性事先是未知的，信道响应是时变的，这就要求均衡器必须能够实时地跟踪通信信道的时变特性，可以根据信道响应自动调节抽头系数，我们称这种可以自动调整滤波器抽头系数的均衡器为自适应均衡器。

1.2国内（外）研究现状

均衡技术最早应用于电话信道，由于电话信道频率特性不平坦和相位的非线性引起时间的弥散，使用加载线圈的均衡方法来改进传送语音用的双绞线电缆的特性。

上世纪六十年代以前，均衡器的参数是固定的或手调的，其性能很差。

Lucky对自适应均衡器的研究做了很大的贡献，1965年，他根据极小极大准则提出了一种“迫零自适应均衡器”。

第二年，他又将此算法推广到跟踪方式。

Lucky的工作推动了对自适应均衡器的研究。

1965年DiToro独立把自适应均衡器应用于对抗码间干扰对高频链路数据传输的影响。

1967年，Austin提出了判决——反馈均衡器。

1969年，Gersho以及Proakis和Mille使用最小均方误差准则独立的重新描述了自适应均衡器问题。

1970年，Brady提出了分数间隔自适应均衡器方案。

1972年，Ungeboeck对采用自适应最小均方差算法的均衡器的收敛性进行了详细的分析。

1974年，Godard应用卡尔曼滤波器理论推导出了调整横向均衡器抽头加权系数的一种高效算法——快速卡尔曼算法。

1978年，Falconer和Ljung介绍了快速卡尔曼算法的一种修正，从而将其计算复杂性简化到可与简单的LMS算法比较的程度。

Satorius和Alexander在1979年、Satorius和Pack在1981年证明了色散信道格型自适应均衡器算法的实用性。

均衡器从结构上可以划分为三大类即线性结构、非线性均衡器和格型均衡器，从延迟线抽头间隔上分为码元间隔抽头和分数间隔抽头均衡器。

自适应均衡技术主要有三类：

线性均衡、判决反馈均衡和最大似然序列估计（MLSE）。

许多滤波器结构都使用线性和非线性均衡器，而且每种结构都有许多算法用来调整均衡器。

如果判决信号不作为均衡器的反馈信号，这样的均衡器称为线性均衡器；相反，如果判决信号d（k）在输出的同时又被反馈回均衡器的前端，这样的均衡器叫做非线性均衡器。

自适应均衡器本质上是一个能够自动对系数进行调节的滤波器，自适应均衡由于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系数，以跟踪信道的变化。

自适应算法的研究很复杂，从总体上可分为迫零算法、最小均方（LMS）算法、递归最小二乘（RLS）算法和盲自适应算法。

其中抽头延迟的线性滤波器结构式均衡器中结构最简单、最常用的模型。

盲自适应均衡（以下简称盲均衡）这一概念最早由日本学者Satk于1975年提出，它不需要知道期望信号是什么。

因此，在数字通信系统中可以提高信道效率，同时获得更好的均衡性能。

盲均衡从根本上避免了期望信号的使用，收敛范围大，应用范围广，克服了传统自适应均衡的缺点，从而降低了对信道和信号的要求。

1.3论文研究的内容及主要工作

本论文主要研究的是在数字通信系统中设计一个理想的自适应均衡器，用以补偿信道，从而减少码间干扰。

根据均衡器的结构有多种，我们需要根据一定的准则选择一个自适应均衡器，并选择好的自适应算法来调整自适应均衡器的抽头系数，并用MATLAB进行仿真。

各章的主要内容如下：

第一章简单介绍了自适应均衡技术，以及其研究现状与发展等。

第二章描述了通信信道的特性，对无线信道做了比较详尽的分析，并且给出了通信信道的仿真模型，介绍了产生码间干扰的原因以及一些减少码间干扰的措施，概述了自适应均衡的原理与特点。

第三章介绍了自适应均衡器的4种结构，包括线性横向均衡器，格型均衡器，判决反馈均衡器以及分数间隔均衡器。

第四章对常用的一些自适应算法做了阐述。

主要包括LMS算法、RLS算法和CMA算法。

第五章选择自适应均衡器的结构和算法，用MATLAB对其进行仿真，主要采用线性横向均衡器结构，然后分别采用LMS算法、RLS算法和CMA算法进行仿真，并对LMS和RLS的收敛性能进行了比较。

第六章为全文做了总结与展望。

第二章信道、码间干扰及均衡技术

数字信号经过信道的传输到达接收端，而实际上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

从宏观上讲，任何一个通信系统均可视为由发送设备、信道、接收设备三大部分组成。

信道是通信系统的重要组成部分，其特性对通信系统的性能影响很大。

实际信道都不是理想的，均具有非理想的频率响应特性，同时还不可避免地存在着噪声干扰和其他干扰。

信道在允许信号通过的同时又给信号以限制和损害，信道的特性将直接影响通信的质量。

研究信道及噪声的最终目的是弄清它们对信号传输的影响，寻求提高通信的有效性与可靠性的方法。

信道，就是信号的通路，分为狭义信道和广义信道两大类。

狭义信道是指介于发送设备和接收设备之间的传输媒质构成的信号通路。

它可分为有线信道和无线信道两大类。

有线信道如双绞线、电缆、光纤、波导等。

而广义信道是将信号经过的传输路径都称为信道，不仅包括传输媒质，还包括通信系统中有关部件和电路，如天线与馈线、功率放大器、滤波器、调制器、解调器等。

广义信道又分为调制信道和编码信道。

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，则可以发现信道具有以下共同特征：

（1）所有信道都具有输入端和输出端，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，亦即输出和输入量得关系满足叠加原理，但在某些情况下信