無(wú)線通信信道均衡技術(shù)的研究

李茜

摘 要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)、科技的不斷發(fā)展，目前無(wú)線通信技術(shù)進(jìn)入了其發(fā)展以來(lái)最快的時(shí)期，技術(shù)的發(fā)展使網(wǎng)絡(luò)能夠受到重視并廣泛應(yīng)用，市場(chǎng)數(shù)據(jù)分析顯示無(wú)線通信用戶(hù)數(shù)量正在不斷增加，可以說(shuō)我們的生活已離不開(kāi)無(wú)線通信。但是由于無(wú)線通信的未知性與時(shí)變性，與AWGN信道相比，惡劣的移動(dòng)無(wú)線信道帶給信號(hào)的失真和衰落更加明顯，無(wú)線通信系統(tǒng)需要利用有關(guān)信號(hào)處理技術(shù)來(lái)改進(jìn)惡劣的無(wú)線通信傳播環(huán)境下的鏈路性能。均衡、分集和信道編碼這3種技術(shù)是通常用來(lái)改進(jìn)小尺度時(shí)間和空間中接收信號(hào)的質(zhì)量和鏈路性能的信號(hào)處理技術(shù)，可單獨(dú)使用，又可組合使用。本文主要就無(wú)線通信信道的均衡技術(shù)進(jìn)行分析以實(shí)現(xiàn)信道均衡。

關(guān)鍵詞：均衡技術(shù)原理；技術(shù)分類(lèi)；均衡結(jié)構(gòu)分類(lèi)；均衡算法

1 均衡原理

在通信帶寬受限（頻率選擇性）且時(shí)間擴(kuò)散的信道中，由于多徑效應(yīng)的存在以及脈沖調(diào)制產(chǎn)生的時(shí)域擴(kuò)展從而而導(dǎo)致符號(hào)間干擾，該干擾會(huì)使被傳輸?shù)男盘?hào)產(chǎn)生失真，既而在接收機(jī)中產(chǎn)生誤碼，碼間干擾被認(rèn)為是在無(wú)線通信信道中傳輸高速率數(shù)據(jù)時(shí)的主要障礙，而均衡技術(shù)正是為了補(bǔ)償時(shí)分信道中由于多徑效應(yīng)產(chǎn)生的符號(hào)間干擾而應(yīng)運(yùn)而生的。從廣義上來(lái)講，均衡可以指任何用來(lái)削弱符號(hào)間干擾的信號(hào)處理過(guò)程，由于移動(dòng)衰落信道具有隨機(jī)性和時(shí)變性的特性，這就要求均衡器能夠?qū)崟r(shí)地跟蹤移動(dòng)通信信道的時(shí)變特性，并且根據(jù)時(shí)變特性進(jìn)行相關(guān)調(diào)整。因此這種均衡器又稱(chēng)為自適應(yīng)均衡器。

工作模式分類(lèi)：自適應(yīng)均衡器大致包括兩種模式，訓(xùn)練模式和跟蹤模式。

（1）訓(xùn)練模式：發(fā)射機(jī)發(fā)射一個(gè)已知的、定長(zhǎng)的訓(xùn)練序列，以便接收機(jī)中的均衡器調(diào)整恰當(dāng)?shù)膮?shù)設(shè)置，使BER最小。一般使用的訓(xùn)練序列是一個(gè)二進(jìn)制的偽隨機(jī)信號(hào)或一串預(yù)先規(guī)定的數(shù)據(jù)比特，緊跟在訓(xùn)練序列之后的即是被傳輸?shù)挠脩?hù)數(shù)據(jù)，訓(xùn)練序列如何選取是訓(xùn)練模式的關(guān)鍵，其要求做到即使處于最差的信道條件，均衡器也能通過(guò)這個(gè)序列獲得合適的濾波系數(shù)。

（2）跟蹤模式：接受用戶(hù)數(shù)據(jù)時(shí)，均衡器通過(guò)其自適應(yīng)算法進(jìn)行跟蹤實(shí)時(shí)變化的信道，不斷改變其濾波系數(shù)以達(dá)到要求。

2 均衡技術(shù)分類(lèi)

均衡技術(shù)一般被分為兩類(lèi)：線性均衡和非線性均衡。這兩類(lèi)均衡的差別主要來(lái)源于自適應(yīng)均衡器的輸出如何對(duì)均衡器子序列進(jìn)行控制。一般情況下，模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)接收機(jī)的判決器進(jìn)行限幅或門(mén)限操作，判定信號(hào)的數(shù)字邏輯值。如果該數(shù)字邏輯值未被用于均衡器的反饋電路中，我們說(shuō)該均衡器是線性的；反之，如果其值被應(yīng)用于均衡器的反饋電路中，并對(duì)均衡器的后續(xù)輸出有幫助，就是非線性的。

（1）線性均衡器：線性均衡器一般由橫向?yàn)V波器實(shí)現(xiàn)。這種均衡器算是最簡(jiǎn)單的，工作過(guò)程如下：其把收到的信號(hào)的當(dāng)前值和過(guò)去值根據(jù)濾波系數(shù)做線性疊加，并把所疊加的和作為輸出。

（2）非線性均衡器：當(dāng)信道失真太嚴(yán)重以致使用線性均衡器無(wú)法達(dá)到要求時(shí)，采用非線性均衡器處理比較好，該應(yīng)用在無(wú)線通信系統(tǒng)中是普遍存在的。當(dāng)信道中有深度頻譜衰落時(shí)，用線性均衡器不能取得滿(mǎn)意的效果，這是由于線性均衡器為了彌補(bǔ)頻譜失真，會(huì)對(duì)出現(xiàn)深度衰落的那段頻譜及臨近頻譜產(chǎn)生很大的增益，從而增加了那段頻譜的噪聲，從而降低信噪比。因此出現(xiàn)了非線性均衡器，主要由以下兩種。

（1）判決反饋均衡器：它由兩個(gè)橫向?yàn)V波器（前饋濾波器，反饋濾波器）和一個(gè)判決器構(gòu)成。判決器的輸入等于：

式中是前饋濾波器的N+1個(gè)支路的加權(quán)系數(shù)；是后向?yàn)V波器的M個(gè)支路的加權(quán)系數(shù)。是當(dāng)前判決器的輸入，是輸出。

（2）最大似然估計(jì)均衡器：其可以看作是對(duì)一個(gè)離散有限狀態(tài)機(jī)狀態(tài)的估計(jì)。實(shí)際ISI的響應(yīng)只發(fā)生在有限的幾個(gè)碼元，因此在接受濾波器輸出端觀察到的ISI可以看作是數(shù)據(jù)序列通過(guò)系數(shù)為的FIR濾波器的結(jié)果。

3 均衡器結(jié)構(gòu)

（1）橫向結(jié)構(gòu)：是自適應(yīng)均衡技術(shù)中最簡(jiǎn)單的形式，橫向結(jié)構(gòu)由分為若干級(jí)的延時(shí)結(jié)構(gòu)構(gòu)成，結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)之間延時(shí)間隔都為一個(gè)符號(hào)周期；輸入信號(hào)的未來(lái)值、當(dāng)前值及過(guò)去值這3個(gè)值均被均衡器時(shí)變抽頭系數(shù)通過(guò)線性加權(quán)求和后再輸出，然后根據(jù)輸出值和理想值之間的差別大小按照所設(shè)計(jì)的自適應(yīng)算法調(diào)整濾波器抽頭系數(shù)。橫向結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，因此在各種數(shù)字通信系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。

（2）格型結(jié)構(gòu)：格型結(jié)構(gòu)屬于共軛對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)：前向反射系數(shù)是后向反射系數(shù)的共軛。格型結(jié)構(gòu)最大的特點(diǎn)是局部相關(guān)聯(lián)的模塊化結(jié)構(gòu)。格型系數(shù)具有很強(qiáng)的抗干擾性，以及格型算法對(duì)于信號(hào)協(xié)方差矩陣特征值擴(kuò)散所具有的相對(duì)惰性，使其算法能夠快速收斂并且數(shù)值優(yōu)良，而且格型均衡器的特殊結(jié)構(gòu)可以對(duì)最有效長(zhǎng)度進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。

4 均衡算法

（1）迫零算法：進(jìn)行迫零均衡器的設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)調(diào)整其系數(shù)，使信道和均衡器組合沖激響應(yīng)的抽樣值在所取間隔的采樣點(diǎn)上除一個(gè)外全部為零。當(dāng)每個(gè)延時(shí)單元的時(shí)延與符號(hào)周期相等時(shí)，均衡器的頻率響應(yīng)就是周期性的，且等于符號(hào)速率。還有一個(gè)條件就是加上均衡器以后的信道總響應(yīng)應(yīng)滿(mǎn)足奈奎斯特第一準(zhǔn)則。

（2）最小均方差算法：該算法比迫零算法要穩(wěn)定一些，它所用的準(zhǔn)則是使均衡器的期望輸出值和實(shí)際輸出值之間的均方誤差最小化的準(zhǔn)則。

（3）遞歸最小二乘算法：其使用最小平方逼近將會(huì)獲得更快地逼近?？焖俚氖諗克惴▽⒁蕾?lài)實(shí)際收到信號(hào)的時(shí)間平均的誤差表達(dá)式，而不是統(tǒng)計(jì)平均誤差表達(dá)式。

參考文獻(xiàn)

[1]Theodore S.Rappaport.無(wú)線通信原理與應(yīng)用（第二版）[M].電子工業(yè)出版社，2013.

[2]李強(qiáng)，雷霞，羅顯平.無(wú)線通信中迭代均衡技術(shù)[M].國(guó)防工業(yè)出版社，2011.

（作者單位：重慶交通大學(xué)）