CN114374587B - 基于帧的信道时域均衡方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于通信技术领域，具体涉及一种基于帧的信道时域均衡方法。一种基于帧的信道时域均衡方法，包括：对经均衡器得到的输出信号进行误差计算，以预设的周期分别得到第一误差和第二误差，将第一误差和第二误差以周期交替对均衡器进行误差迭代更新。本发明利用了全部的有效信息，实现均衡器无间断的追踪，捕获速率大大提升。

Description

基于帧的信道时域均衡方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体涉及一种基于帧的信道时域均衡方法。

背景技术

理论上，通信***的传输***符合Nequist准则和“共轭匹配”准则即可实现最佳传输。但实际***中由于信道的非理性特性，存在各种噪声、干扰、频率选择性衰落及带限传输等，导致接收端产生阻碍高速通信的符号间干扰(ISI)或称码间干扰，因此在接收机中需要采取相应的措施来消除或减轻这种干扰。均衡就是消除码间干扰的一种方法，它是通过补偿信道的失真来消除码间干扰的。

均衡可以分为频域均衡和时域均衡。频域均衡往往需要分别校正幅频特性和群时延特性，且对群时延失真的补偿能力较弱，尤其对非最小相位衰落通常无能为力，因而在数字传输***中一般不采用频域均衡，而采用时域均衡。所谓时域均衡，就是从时域的冲击响应考虑，使均衡器在内的整个***的冲击响应满足***间串扰的条件。时域均衡器利用它所产生的响应去补偿已畸变的信号波形，最终能有效地消除码元符号间的干扰，因而在数字通信的许多领域中得到广泛应用。

为快速跟踪信道变化，一般使用自适应时域均衡方法，而由是否使用训练序列可以分为自适应均衡及自适应盲均衡。自适应均衡，使用训练序列，在信道传播过程中会因为其的***而引起传输的延迟，降低通信中有效数据的传输率，增加***的复杂度；自适应盲均衡，不使用训练序列，不影响有效数据的传输率，但对于高阶QAM调制，均衡器未锁定器件，会产生更为严重的码元符号的误判。

现有技术中，目前通常采用判决反馈均衡器，前馈均衡器快速锁定，反馈均衡器精确保持，如专利CN101567863和CN1647425。但是专利CN101567863，由于采用帧头PN序列进行信道估计及判决反馈均衡器的方式，其具有均衡器锁定时间较长、结构复杂、资源消耗大的缺点。专利CN1647425，由于采用自动模式切换及判决反馈均衡器的方式，其具有均衡器收敛速度慢、跟踪信道变化能力较弱、实现流程复杂、资源消耗大的缺点。

发明内容

本发明针对自适应均衡及自适应盲均衡在使用过程中各有缺点的技术问题，目的在于提供一种基于帧的信道时域均衡方法。

一种基于帧的信道时域均衡方法，包括：

对经均衡器得到的输出信号进行误差计算，以预设的周期分别得到第一误差和第二误差，将所述第一误差和所述第二误差以所述周期交替对所述均衡器进行误差迭代更新。

作为优选方案，所述输出信号包括若干数据帧结构，每一帧的所述数据帧结构包括：

帧头部分，为已知序列信息，用于帧同步；

载荷部分，位于所述帧头部分之后；

所述第一误差是将所述输出信号中的帧头部分通过预设的自适应均衡算法计算得到；

所述第二误差是将所述输出信号中的载荷部分通过预设的自适应盲均衡算法计算得到。

作为优选方案，所述已知序列信息为具有自相关性的特殊序列。

作为优选方案，所述已知序列信息采用巴克码序列、m序列或gold序列中的一种。

作为优选方案，所述输出信号初始时采用如下方式得到：

构造一个Nf阶的均衡器，则所述均衡器系数W的个数为Nf+1，对所述均衡器进行初始化；

将输入信号x经所述均衡器后得到输出信号

即

其中(·)^H表示共轭转置过程。

作为优选方案，将所述第一误差和所述第二误差以所述周期交替对所述均衡器进行误差迭代更新时：

通过以所述周期切换的时序开关来选择所述第一误差或所述第二误差；

通过一系数迭代更新器实时更新所述均衡器的系数。

作为优选方案，所述自适应均衡算法优选采用LMS(最小均方误差)算法。

作为优选方案，所述第一误差的计算方式为：

设所述输出信号为

其中l₁为所述输出信号中已知序列信息的长度，预设的已知序列信息为x_known，则得到相应的误差

对所述均衡器进行误差迭代更新方式为：

W′＝W-μ*e₁ ^T*x

其中，W′为误差迭代更新后的所述均衡器系数，W为更新前的所述均衡器系数，μ为收敛步长，(·)^T表示转置过程，x为输入信号。

作为优选方案，所述自适应盲均衡算法优选采用DDLMS(面向判决的最小均方误差)算法。

作为优选方案，所述第二误差的计算方式为：

设所述输出信号为

对所述输出信号进行判决得到x_d，则得到相应的误差

对所述均衡器进行误差迭代更新方式为：

W′＝W-μ*e₂ ^T*x

其中，W′为误差迭代更新后的所述均衡器系数，W为更新前的所述均衡器系数，μ为收敛步长，(·)^T表示转置过程，x为输入信号。

本发明的积极进步效果在于：本发明采用基于帧的信道时域均衡方法，与传统的均衡方法相比，具有如下显著优点：

1、利用了全部的有效信息，实现均衡器无间断的追踪，捕获速率大大提升；

2、将基于帧头已知序列的自适应均衡方法与基于帧其余信息的自适应盲均衡方法相联合，实现信道时域均衡，均衡器收敛速度快，能快速跟踪信道变化，且均衡效果好；

3、利用帧头已知序列的标准信息，自适应过程有监督；

4、只需一个均衡器，大大降低了均衡器的设计复杂度，减少工程实现的资源消耗；

5、数据帧结构和均衡器阶数的设计，适用于任意QAM调制的负载信号的均衡，故适用于高阶QAM调制信号，且均衡器有好的收敛效果。

附图说明

图1为本发明的一种帧结构示意图；

图2为本发明的另一种帧结构示意图；

图3为本发明时域均衡的一种实现框图；

图4为本发明在1024QAM调制下，经多径等信道仿真得到的均衡前星座图；

图5为在1024QAM调制下，经自适应均衡算法后的误差收敛图；

图6为在1024QAM调制下，经自适应均衡算法后的星座图；

图7为在1024QAM调制下，经本发明的信道时域均衡方法后的误差收敛图；

图8为在1024QAM调制下，经本发明的信道时域均衡方法后的星座图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示进一步阐述本发明。

一种基于帧的信道时域均衡方法，包括如下步骤：

S1，对经均衡器得到的输出信号进行误差计算，以预设的周期分别得到第一误差和第二误差。

在一个实施例中，本发明的均衡器优选采用FIR滤波器，输出信号是输入信号经均衡器得到的，输出信号初始时通过如下方式得到：

构造一个Nf阶的均衡器，则均衡器系数W的个数为Nf+1，对均衡器进行初始化，可设置初始时均衡器系数W＝[1,0,…,0]，初始输入信号为x，经均衡器后得到输出信号

即

其中(·)^H表示共轭转置过程。

后续根据第一误差和第二误差对均衡器交替进行误差迭代更新后，输入信号实时经更新后的均衡器均衡得到输出信号，新的输出信号又将进行误差计算来更新均衡器，以实现均衡器的无间断追踪。

在一个实施例中，参照图1和图2，本发明的输出信号包括连续的若干数据帧结构，每一帧数据帧结构均包括帧头部分SOF和载荷部分Payload。帧头部分SOF为已知序列信息，用于帧同步。已知序列信息为具有自相关性的特殊序列。已知序列信息可以采用巴克码序列、m序列或gold序列中的一种。可将预设的已知序列信息的数据假设为x_known，则输出信号中的已知序列信息可能与x_known相同，也可能在传输过程中出现干扰而不同，此时会产生误差e₁，该误差e₁可用于均衡器系数的更新，该x_known可作为标准信息，用于自适应过程的监督。

载荷部分Payload包括固定的码元，载荷部分的长度随QAM调制阶数变化。参照图2，在帧头部分SOF和载荷部分Payload之间还可以包括编码调制信息ACM，编码调制信息ACM存储有编码率信息或调制信息。

帧头部分SOF和载荷部分Payload在时间上呈现周期交叠特性，可以通过时隙分割确认。帧头部分SOF和载荷部分Payload还可以根据帧头部分的已知序列信息的自相关性，可以迅速确定帧头部分的位置，从而确定已知序列信息，剩下其他数据即为其他部分，具体方式如下：

在一个实施例中，在输出信号的当前数据帧结构中，利用已知序列信息的自相关性，确定输出信号中已知序列信息的位置，对当前数据帧结构中的数据符号位置进行标号，确定输出信号中已知序列信息的长度l₁；标号小于l₁+1时对应的数据为帧头部分；标号大于l₁时对应的数据为包括载荷部分的其他部分。

具体的，可以对一帧结构的每一部分逐个进行标号，设如图2中的三部分长度分别为l₁，l₂和l₃，则对一帧数据符号位置进行标号，即可表示为1、2、3、…、l₁、l₁+1、…l₁+l₂、l₁+l₂+1、…、l₁+l₂+l₃。由于已知序列信息可以确定出其位置，也就能确定已知序列信息的长度，因此可以根据标号的大小来区分已知序列信息对应的帧头部分和其他部分。即当标号小于l₁+1时，对应的数据为帧头部分。当标号大于l₁时，对应的数据为其他部分，如编码调制信息和载荷部分。

在一个实施例中，在对输出型进行误差计算时，以周期交替的形式能分别得到第一误差和第二误差。第一误差是将输出信号中的帧头部分通过预设的自适应均衡算法计算得到。第二误差是将输出信号中的载荷部分通过预设的自适应盲均衡算法计算得到。

在一个实施例中，自适应均衡算法优选采用LMS(最小均方误差)算法。第一误差的计算方式为：

设输出信号为

其中l₁为输出信号中已知序列信息的长度，预设的已知序列信息为x_known，则得到相应的误差

在一个实施例中，自适应盲均衡算法优选采用DDLMS(面向判决的最小均方误差)算法。第二误差的计算方式为：

设输出信号为

对输出信号进行DD判决得到x_d，则得到相应的误差

S2，将第一误差和第二误差以周期交替对均衡器进行误差迭代更新。

在一个实施例中，通过以周期切换的时序开关来选择第一误差或第二误差；通过一系数迭代更新器实时更新均衡器的系数。

在一个实施例中，在对均衡器进行误差迭代更新时的更新方式如下。

对应第一误差，对均衡器进行误差迭代更新方式为：

W′＝W-μ*e₁ ^T*x

其中，W′为误差迭代更新后的均衡器系数，W为更新前的均衡器系数，μ为收敛步长，(·)^T表示转置过程，x为输入信号；

对于第二误差，对均衡器进行误差迭代更新方式为：

W′＝W-μ*e₂ ^T*x

其中，W′为误差迭代更新后的均衡器系数，W为更新前的均衡器系数，μ为收敛步长，(·)^T表示转置过程，x为输入信号；

后续的输入信号采用更新后的均衡器系数W′进行自适应均衡得到新的输出信号。

实施例一，参照图3：

输入信号经均衡器得到输出信号，以帧头部分和载荷部分时隙来进行周期性切换计算第一误差和第二误差，并通过以周期切换的时序开关来选择第一误差或第二误差，该时序开关将已选择的第一误差或第二误差传递给系数迭代更新器，由系数迭代更新器对均衡器进行实时的误差迭代更新。其中，第一误差由自适应均衡算法得到，第二误差由自适应盲均衡算法得到。而更新后的均衡器实时的将输入信号进行均衡得到新的输出信号，该新的输出信号继续周期***替的计算第一误差和第二误差来进行新一轮的误差迭代更新。

本发明通过使用两种均衡算法的切换，联合了帧头部分的自适应均衡及包括载荷部分在内的其他部分的自适应盲均衡，利用已知序列信息进行自适应均衡可以实现均衡器的训练，再结合其他信息进行自适应盲均衡，有效提高了均衡收敛速度，且能快速跟踪信道变化，可得到更好的均衡效果，且适用于任意QAM调制的负载信息的均衡。可见，本发明的均衡方法与载荷部分的QAM调制方法无关，因此，本发明的均衡方法有效扩大了其适用范围，可应用于高阶QAM调制。

实施例二，参照图2：

在1024QAM调制下，经多径等信道仿真得到的均衡前星座图如图4中所示。

在相同外在条件下，若只运用自适应均衡(LMS)算法的均衡方法，无切换条件下，得到如图5中所示的误差收敛图和如图6中所示的经自适应均衡(LMS)后的星座图。采用本发明切换条件，联合了帧头部分的自适应均衡(LMS)及包括载荷部分在内的其他部分的自适应盲均衡(DDLMS)，得到如图7中所示的误差收敛图和如图8中所示的经自适应均衡(LMS)和自适应盲均衡(DDLMS)后的星座图。

参照图5和图6，只运用自适应均衡(LMS)时，将帧头部分的已知序列信息作训练序列进行均衡，均衡器可收敛，但在信道时变严重的情况下，均衡收敛效果差。

参照图7和图8，本发明联合了自适应均衡(LMS)和自适应盲均衡(DDLMS)进行信道均衡，收敛速度快，能快速跟踪信道变化，均衡收敛效果好。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种基于帧的信道时域均衡方法，其特征在于，包括：

对经均衡器得到的输出信号进行误差计算，以预设的周期分别得到第一误差和第二误差，利用所述第一误差和所述第二误差以所述周期交替对所述均衡器进行误差迭代更新；

所述输出信号包括若干数据帧结构，每一帧的所述数据帧结构均包括：

帧头部分，为已知序列信息，用于帧同步；

载荷部分，位于所述帧头部分之后；

所述第一误差是将所述输出信号中的帧头部分通过预设的自适应均衡算法计算得到；

所述第二误差是将所述输出信号中的载荷部分通过预设的自适应盲均衡算法计算得到。

2.如权利要求1所述的基于帧的信道时域均衡方法，其特征在于，所述已知序列信息为具有自相关性的特殊序列。

3.如权利要求2所述的基于帧的信道时域均衡方法，其特征在于，所述已知序列信息采用巴克码序列、m序列或gold序列中的一种。

4.如权利要求1所述的基于帧的信道时域均衡方法，其特征在于，所述输出信号初始时采用如下方式得到：

构造一个Nf阶的均衡器，则所述均衡器系数W的个数为Nf+1，对所述均衡器进行初始化；

将输入信号x经所述均衡器后得到输出信号

即

其中(·)^H表示共轭转置过程。

5.如权利要求1至4中任意一项所述的基于帧的信道时域均衡方法，其特征在于，利用所述第一误差和所述第二误差以所述周期交替对所述均衡器进行误差迭代更新时：

通过以所述周期切换的时序开关来选择所述第一误差或所述第二误差；

通过一系数迭代更新器实时更新所述均衡器的系数。

6.如权利要求1所述的基于帧的信道时域均衡方法，其特征在于，所述自适应均衡算法采用LMS算法。

7.如权利要求6所述的基于帧的信道时域均衡方法，其特征在于，所述第一误差的计算方式为：

设所述输出信号为

其中l₁为所述输出信号中帧头部分的长度，预设的已知序列信息为x_known，则得到相应的误差

对所述均衡器进行误差迭代更新方式为：

W′＝W-μ*e₁ ^T*x

其中，W′为误差迭代更新后的所述均衡器系数，W为更新前的所述均衡器系数，μ为收敛步长，(·)^T表示转置过程，x为输入信号。

8.如权利要求1所述的基于帧的信道时域均衡方法，其特征在于，所述自适应盲均衡算法采用DDLMS算法。

9.如权利要求8所述的基于帧的信道时域均衡方法，其特征在于，所述第二误差的计算方式为：

设所述输出信号为

对所述输出信号进行判决得到x_d，则得到相应的误差

对所述均衡器进行误差迭代更新方式为：

W′＝W-μ*e₂ ^T*x

其中，W′为误差迭代更新后的所述均衡器系数，W为更新前的所述均衡器系数，μ为收敛步长，(·)^T表示转置过程，x为输入信号。

Images