CN101478330B

CN101478330B - 超短波高速电台快速自适应均衡模块及其方法

Info

Publication number: CN101478330B
Application number: CN2009101030395A
Authority: CN
Inventors: 杨钊; 何明利; 别晓武; 罗彬�; 阮定良; 刘中全
Original assignee: Chongqing Jinmei Communication Co Ltd
Current assignee: Chongqing Jinmei Communication Co Ltd
Priority date: 2009-01-09
Filing date: 2009-01-09
Publication date: 2012-08-08
Anticipated expiration: 2029-01-09
Also published as: CN101478330A

Abstract

本发明公开了一种超短波高速电台快速自适应均衡模块，在解调模块输入端和下变频模块的输出端之间插入自适应均衡模块。本发明还公开了一种超短波高速电台快速自适应均衡方法。本发明的有益技术效果是：运算量较低、响应速度快、通信效果好、抗多径干扰能力强、可满足复杂地理环境的使用需求。

Description

超短波高速电台快速自适应均衡模块及其方法

技术领域

本发明涉及一种无线通信的数字信号处理技术，尤其涉及一种超短波高速电台快速自适应均衡模块及其方法。

背景技术

超短波高速跳频电台的信道带宽较宽，由于信道多径效应造成的时延扩展对系统性能影响很大，在信道多径比较严重时，缺少对抗多径的系统甚至会根本无法正常工作。

对抗多径已知有3种手段，均衡、扩频和多载波调制(OFDM)，扩频通信通过扩频码相关可以分离出多径信号，利用RAKE接收机还可以将多径信号加以利用，但如果多径时延扩展大于扩频前符号间隔时，该部分多径扩频无法处理。多载波调制通过将原始信息流转换为多个并行的数据流，每个数据流具有较低的速率从而减小多径的影响，通过加入循环前缀甚至可以消除多径的影响。但多载波调制也带来一些其他问题，如峰均功率比高，从而对射频前端线性要求高，对载波同步、符号同步误差敏感等。

由于受电台使用条件的限制，无法采用扩频和多载波调制方式，因此在电台的数字信号处理时采用了自适应均衡技术。常用的自适应均衡技术有LMS算法和RLS算法，LMS算法的优化准则是使均衡后误差信号的均方误差最小，即理想信号与实际均衡输出信号之差的平方值的期望最小，据此来修改滤波器的系数。为了避免实现中复杂的矩阵求逆运算，LMS算法可以采用循环迭代的方法进行处理，最简单的迭代算法是最速下降法，实用的LMS算法一般就是采用该算法。

RLS算法直接处理接收数据，使其二次性能指数最小，故其收敛速度较快。但运算过程中需要做矩阵逆运算，实现复杂。

发明内容

本发明提出了一种超短波高速电台快速自适应均衡模块，在解调模块输入端和下变频模块的输出端之间插入自适应均衡模块。

其中，自适应均衡模块包括：数据缓存模块、复数卡尔曼滤波器、滤波器系数计算模块、同步模块；数据缓存模块和同步模块二者的输入端都与下变频模块的输出端连接；同步模块的输出端与滤波器系数计算模块的输入端连接；数据缓存模块的输出端分别与复数卡尔曼滤波器的输入端和滤波器系数计算模块的输入端连接；滤波器系数计算模块的输出端与复数卡尔曼滤波器的输入端连接；复数卡尔曼滤波器的输出端与解调模块的输入端连接。

本发明还提出了一种超短波高速电台快速自适应均衡方法：

1)下变频模块输出的数据送数据缓存模块储存，储存的数据备复数卡尔曼滤波器和滤波器系数计算模块调用；

2)下变频模块输出的数据送同步模块，同步模块对输入的每个符号按照8倍符号速率进行采样，计算每一个样点与发端帧同步码的相关性；

3)同步模块找到帧同步和最佳采样点后，进行步骤4)，否则重复步骤2)；

4)滤波器系数计算模块变量初始化；滤波器系数计算模块从数据缓存模块中调用数据；

5)滤波器系数计算模块计算误差向量：err＝x-x1；计算更新增益向量、计算滤波器抽头系数；判断是否达到迭代次数；

式中：err为误差相量，x为训练码或者均衡后判决得到的信息码元，x1为参考信息；

6)达到迭代次数进行步骤6)；未达到迭代次数重复步骤5)；

7)复数卡尔曼滤波器进行均衡滤波计算：在每跳开始均衡滤波计算时，复数卡尔曼滤波器从数据缓存模块中读取数据，当数据缓存模块中的数据读完后，数据缓存模块将被旁路，这时，每输入一个新的符号，复数卡尔曼滤波器就计算一次；

8)步骤7)中计算结果送解调模块解调；

滤波器系数计算模块系数wk初始化为0；临时变量：AN、DN、KN初始化为0，对输入信号寄存器清0；

其中，wk、AN、DN、KN均为列向量。

本发明的有益技术效果是：运算量较低、响应速度快、通信效果好、抗多径干扰能力强、可满足复杂地理环境的使用需求。

附图说明

图1、本发明的结构示意图；

图2、确定最佳同步点流程图；

图3、快速RLS迭代流程图；

图4、复数卡尔曼滤波器结构示意图；

图中：下变频模块1、数据缓存模块2、复数卡尔曼滤波器3、滤波器系数计算模块4、同步模块5、解调模块6。

具体实施方式

为了满足设计要求本发明采用了如下措施：

1、模块采用横向滤波器(复数卡尔曼滤波器3)结构，自适应处理为均衡的核心，采用快速RLS(Recursive Least Square)算法达到满足电台使用要求的均衡效果；

2、采用基于训练码的均衡算法，以满足在超短波信道上跳速为1000跳/秒的情况下模块能正常工作；为了不增加系统开销，用跳频同步头作为均衡训练码；

3、在每跳开始时，同步模块进行同步捕捉，捕捉到同步头后，滤波器系数计算模块才开始工作，利用同步头计算滤波器系数，最后进入数据均衡滤波状态；

4、模块以同步头作为训练码，因此在同步捕捉之后才能进行均衡，引入的时延将对跳控器产生影响，即跳控器必须做相应修正；

5、均衡处理在跳频同步完成后进行，即均衡无法改善跳频同步时多径的影响，为了改善跳频同步性能，跳频同步头采用抗多径性能较好的调制方式BPSK(Binary Phase Shift Key)；

6、为了节约有限的乘法器资源，采用时分复用的办法，用一个复乘法器完成一组复向量的运算，所有计算模块共耗去42个FPGA(Field Programmable Gate Array)的乘法器、60个加法器。

具体方法如下：

1)下变频模块1输出的数据(复数采样数据)送数据缓存模块2储存，储存的数据备复数卡尔曼滤波器3和滤波器系数计算模块4调用；

2)下变频模块1输出的数据送同步模块5，同步模块5对输入的每个符号按照8倍符号速率进行采样，计算每一个样点与发端帧同步码的相关性；

3)同步模块5找到帧同步和最佳采样点后，进行步骤4)，否则重复步骤2)；

4)滤波器系数计算模块4变量初始化；滤波器系数计算模块4从数据缓存模块2中调用数据；变量初始化包括：滤波器系数计算模块系数wk初始化为0；临时变量：AN、DN、KN初始化为0，对输入信号寄存器清0；其中，wk、AN、DN、KN均为列向量。

5)滤波器系数计算模块4计算误差向量：err＝x-x1；计算更新增益向量、计算滤波器抽头系数；判断是否达到迭代次数；

6)达到迭代次数进行步骤6)；未达到迭代次数重复步骤5)；

7)复数卡尔曼滤波器3进行均衡滤波计算：在每跳开始均衡滤波计算时，复数卡尔曼滤波器3从数据缓存模块2中读取数据，当数据缓存模块2中的数据读完后，数据缓存模块2将被旁路，这时，每输入一个新的符号，复数卡尔曼滤波器3就计算一次，

8)步骤7)中计算结果送解调模块6解调；

其中，步骤2)、3)的处理过程可归纳为图2所示流程；步骤4)、5)、6)可归纳为图3所示流程；

参见附图1，本发明的硬件结构如下：在解调模块6输入端和下变频模块1的输出端之间插入自适应均衡模块；其中，自适应均衡模块包括：数据缓存模块2、复数卡尔曼滤波器3、滤波器系数计算模块4、同步模块5；数据缓存模块2和同步模块5二者的输入端都与下变频模块1的输出端连接；同步模块5的输出端与滤波器系数计算模块4的输入端连接；数据缓存模块2的输出端分别与复数卡尔曼滤波器3的输入端和滤波器系数计算模块4的输入端连接；滤波器系数计算模块4的输出端与复数卡尔曼滤波器3的输入端连接；复数卡尔曼滤波器3的输出端与解调模块6的输入端连接。

复数卡尔曼滤波器3结构示意图参见图4，图中，C_N为滤波器系数，Z^-1表示数据延时一个符号周期。

采用本发明方案的显著效果在于：

1)运算量较低

本发明采用的快速RLS算法(Recursive Least Square)，将矩阵运算改为向量运算，运算量大为降低，性能与RLS算法相同，运算量约为LMS算法(Least Mean Square)的5倍，通过时分复用的办法，共耗去42个FPGA的乘法器、60个加法器，进行一次迭代需要352个时钟周期。而基于最速下降法的LMS算法，收敛速度较慢，运算量为：乘法8N+4，加法8N+2(其中N为复数卡尔曼滤波器3的阶数)；RLS算法，收敛速度快，运算量很大，约为LMS算法的100倍。

2)有效提高了通信效果

在超短波高速跳频电台中应用本发明后，使用RS公司的SMIQ03B信号发生器模拟GSM标准信道模型测试，测试中选取了典型信道模型中郊区、城市、山区等3种，验证了本算法能有效解决多径对接收误码的影响。同时在重庆、北京等地选取了不同地形进行了多次野外试验和测试，与现有技术相比，采用本发明后，能有效降低系统误码率，提高话音质量和数据包发送成功率。很好解决了电台在使用中的多径干扰问题，满足了用户在复杂地理环境的使用需求。

Claims

1.一种超短波高速电台快速自适应均衡模块，其特征在于：该自适应均衡模块插入解调模块(6)输入端和下变频模块(1)的输出端之间，自适应均衡模块包括：数据缓存模块(2)、复数卡尔曼滤波器(3)、滤波器系数计算模块(4)、同步模块(5)；数据缓存模块(2)和同步模块(5)二者的输入端都与下变频模块(1)的输出端连接；同步模块(5)的输出端与滤波器系数计算模块(4)的输入端连接；数据缓存模块(2)的输出端分别与复数卡尔曼滤波器(3)的输入端和滤波器系数计算模块(4)的输入端连接；滤波器系数计算模块(4)的输出端与复数卡尔曼滤波器(3)的输入端连接；复数卡尔曼滤波器(3)的输出端与解调模块(6)的输入端连接；

所述同步模块(5)对输入的每个符号按照8倍符号速率进行采样，计算每一个样点与发端帧同步码的相关性；

所述滤波器系数计算模块(4)变量初始化；滤波器系数计算模块(4)计算误差向量：err＝x-x1；计算更新增益向量、计算滤波器抽头系数；判断是否达到迭代次数；式中：err为误差相量，x为训练码或者均衡后判决得到的信息码元，x1为参考信息。

2.一种超短波高速电台快速自适应均衡方法，其特征在于：该方法包括：

1)下变频模块(1)输出的数据送数据缓存模块(2)储存，储存的数据备复数卡尔曼滤波器(3)和滤波器系数计算模块(4)调用；

2)下变频模块(1)输出的数据送同步模块(5)，同步模块(5)对输入的每个符号按照8倍符号速率进行采样，计算每一个样点与发端帧同步码的相关性；

3)同步模块(5)找到帧同步和最佳采样点后，进行步骤4)，否则重复步骤2)；

4)滤波器系数计算模块(4)变量初始化；滤波器系数计算模块(4)从数据缓存模块(2)中调用数据；

5)滤波器系数计算模块(4)计算误差向量：err＝x-x1；计算更新增益向量、计算滤波器抽头系数；判断是否达到迭代次数；

6)达到迭代次数进行步骤7)；未达到迭代次数重复步骤5)；

7)复数卡尔曼滤波器(3)进行均衡滤波计算：在每跳开始均衡滤波计算时，复数卡尔曼滤波器(3)从数据缓存模块(2)中读取数据，当数据缓存模块(2)中的数据读完后，数据缓存模块(2)将被旁路，这时，每输入一个新的符号，复数卡尔曼滤波器(3)就计算一次，

8)步骤7)中计算结果送解调模块(6)解调。

3.根据权利要求2所述的超短波高速电台快速自适应均衡方法，其特征在于：步骤4)变量初始化包括：滤波器系数计算模块(4)系数wk初始化为0；临时变量：AN、DN、KN初始化为0，对输入信号寄存器清0；

其中，wk、AN、DN、KN均为列向量。