CN101527697A - 时域自适应均衡器及其均衡方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种时域自适应均衡器及其均衡方法。其中本发明自适应时域均衡器包括数个均衡单元，用于对同一输入信号进行均衡补偿，且输出数路不同的均衡后的输出信号；其中每一均衡单元包括用于消除输入信号前径的前馈滤波器、用于消除输入信号后径的反馈滤波器、判决器、误差生成器和抽头系数更新器；以及合成/选择单元，用于对数路均衡后的不同输出信号进行选择或者合成，形成的输出信号为所述时域自适应均衡器的输出。本发明通过对同一输入信号进行不同的均衡处理，输出数路不同的输出信号。根据实际使用信道环境的情况，选择不同的均衡结构和均衡方法，对数路信号进行优化处理，从而获得稳定性好的均衡信号。

Description

时域自适应均衡器及其均衡方法

技术领域

本发明涉及无线数字通讯领域，特别涉及一种具有可有效对抗多径信号能力的时域自适应均衡器及其均衡方法。

背景技术

在诸如声音、数据和视频通讯等许多不同的数字信息的实际应用中，均衡器是一种非常重要的元件。均衡器被用作全双工通信中喇叭扩音器的回声消除器(补偿器)、数字电视或数字电缆传输中的视频消重影器、无线调制解调器和无线电话的信号调节器等。在信号传输过程中，由于信道中多径信号的存在，会带来码间干扰(ISI)，而码间干扰是产生误差的一个重要原因，在大部分单载波数字应用中，一般都使用时域均衡器来修正ISI错误。此外，信号传输过程中的多径信道会随着接收端和周围物体的移动发生变化，变化的多径信道一般通过均衡器器的自适应来跟踪。

在数字接收机中，通常用一个时域自适应均衡器来对抗信道的多径效应。图1为现有时域自适应均衡器的功能框图。该时域自适应均衡器100′中包含前馈滤波器1′、判决器3′、反馈均衡器2′、控制器5′、以及信号叠加器7′。前馈滤波器用来接收输入信号，消除前向多径，即消除比主传输信号提前到达的多径信号。信号叠加器将前馈滤波器的输出与反馈均衡器的输出进行叠加，然后输入到判决器进行判决。反馈均衡器对判决器输出的信号进行滤波，以消除后向多径，即消除晚于主传输信号到达的多径信号，并且能够消除前馈滤波器产生的残留信号。控制器包括误差信号产生器4′和抽头系数更新器6′，其中误差信号产生器产生的误差信号是判决器的输出和输入信号之差，抽头系数更新器根据误差信号，更新控制前馈滤波器和反馈滤波器抽头系数。

目前，适用于产生滤波器系数的方法有很多，如最小均方(LMS)、递归最小二乘方(RLS)算法、停走(STG)算法、缩减星座图(RCA)算法和恒模(CMA)算法。传统的接收机中可以通过改变时域均衡器中抽头系数更新器的自适应算法来跟踪多径信道的变化，也可以通过改变自适应的步长大小来提高均衡器跟踪多径信道的变化。对于一个时域自适应均衡器，不同的自适应算法和步长，均衡器的性能上会有显著的差异。地面数字电视广播的传输信道中，由于传输环境的不同，会表现出不同的信道特点。在乡村传输环境中，由于环境中对信号的遮挡和反射强度一般，且环境中的物体相对静止，信道表现出多径分布比较集中，多径变化缓慢；在城市传输环境中，由于环境中的高楼和汽车对信号的反射和遮挡，且环境中接收端的移动，其信道表现出多径强度适中，但多径的变化很快；在山区或单频网传输环境中，信道中多径的强度比较强，且分布很广，存在长且强的多径。但是，在实际的应用环境中，常常不是绝对的存在某一信道环境，如城市传输环境中夹杂山区传输环境。对于这种情况，目前接收机中采用的上述结构的自适应均衡器的结构无法获得较稳定的接收信号。

中国专利第02801137.6号，名称为“格栅编码系统的两级均衡器”，公开日为2003年12月10日，提供了一种两级均衡器。该两级均衡器包括第一级均衡器以及第二级均衡器。其中，第一级均衡器包括第一前向均衡器滤波器、第一判断反馈均衡滤波器和格栅解码器；其中所述第一判断反馈均衡滤波器连接到所述格栅解码器的每个路径存储器输出，所述判断反馈均衡滤波器可以从所述格栅解码器的每个路径存储器输出获得符号值，用作信道均衡的估计值。所述第二级均衡器连接到所述第一级均衡器，包括第二前向均衡器滤波器和第二判断反馈均衡滤波器，其中所述第二级判断反馈均衡滤波器的输入端连接到所述格栅解码器的输出端。从上述描述可知，虽然在一定程度了提高了的性能，但是由于第二级判断反馈均衡滤波器的输入端连接到所述格栅解码器的输出端，也就是说第二级均衡器的输出受到第一级均衡器采用的算法、前向均衡器滤波器的长度等等参数的限制。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题是提供一种多选择的自适应均衡器，其可提高对抗强多径信号的能力。

本发明要解决的技术问题是提供一种时域自适应均衡方法，其可提高对抗强多径信号的能力。

为了解决其中一技术问题，本发明提供了一种时域自适应均衡器，其包括数个均衡单元，用于对同一输入信号进行均衡补偿，且输出数路不同的均衡后的输出信号；其中每一均衡单元包括用于消除输入信号前径的前馈滤波器、用于消除输入信号后径的反馈滤波器、判决器、误差生成器和抽头系数更新器；以及合成/选择单元，用于对数路均衡后的不同输出信号进行选择或者合成，形成的输出信号为所述时域自适应均衡器的输出。

本发明还提供了一种使用上述时域自适应均衡器的接收机。

为了解决另一技术问题，本发明提供了一种时域自适应均衡方法，其包括：采用数种均衡方法对同一输入信号进行均衡补偿处理，输出数路不同的均衡后的输出信号；对所述输出数个不同的均衡后的输出信号进行选择或者合成步骤后输出作为使用该时域自适应均衡方法的均衡器的输出。

相较与现有技术，本发明提供的时域自适应均衡器和均衡方法，通过对同一输入信号进行不同的均衡处理，输出数路不同的输出信号。根据实际使用信道环境的情况，选择不同的均衡结构和均衡方法，对数路信号进行优化处理，从而获得稳定性好的均衡信号，即本发明获得在复杂传输环境，通过选择不同结构或者方法而最终可以获得良好的信号性能的有益效果，提高了对抗强多径信号的能力。

附图说明

通过以下对本发明的实施例结合其附图的描述，可以进一步理解其发明的目的、具体结构特征和优点。其中，附图为：

图1是现有时域自适应均衡器的功能框图；

图2是本发明多选择时域自适应均衡器的功能框图；

图3是图2所示实施例中度量合成器的功能框图；

图4是本发明时域自适应均衡器一种实施例的功能框图；

图5是图4实施例中传输信号的结构示意图；

图6是本发明均衡器与现有均衡器A、B的比较曲线图；

图7是图4中前馈滤波器的复用结构框图。

具体实施方式

下面参照附图具体介绍本发明的各种实施例，本发明应用于地面数字电视广播传输系统中，能有效地对抗信号传输中的多径效应，实现数字电视信号的高质量接收功能。

请参阅图2，本发明提供了一种时域自适应均衡器100，其包括数个均衡单元即第一均衡单元10、第二均衡单元11，......，第N均衡单元12，其中N大于等于2。该多选择自适应均衡器100还包括与每一均衡单元输出Q1、Q2、......、Qn相连接的度量合成/选择单元20。该度量合成/选择单元20对所接收的信号进行处理，输出优化后的信号作为多选择自适应均衡器100的输出。

所述数个均衡单元均包括有一个前馈滤波器、一个信号叠加器、一个判决器、一个反馈滤波器、一个误差生成器以及抽头系数更新器。前馈滤波器对接收的传输信号进行滤波，消除前向多经，前向多径即比主传输信号提前到达的多径信号。前馈滤波器的输出作为信号叠加器的一个输入，反馈滤波器的输出作为信号叠加器的另一输入。信号叠加器将前馈滤波器的输出和反馈滤波器的输出作加法运算，输出均衡单元的输出。另外信号叠加器的输出也分别作为判决器和误差生成器的输入。判决器对输入信息进行判决，其输出分别作为反馈滤波器和误差生成器的输入。反馈均衡器对判决器输出的信号进行滤波，以消除后向多径，即晚于主传输信号到达的多径信号，并且能够消除前馈滤波器产生的残留信号。误差生成器比较叠加器的输出和判决器的输出产生的误差信号。抽头系数更新器根据从误差生成器接收的误差信号，采用预先选定的算法和步长，产生进行更新前馈滤波器和反馈滤波器抽头系数的控制信号。上述对均衡单元结构的描述，是为了方便理解，并非限定为仅包括上述器件。

滤波器的形式有多种，可以是实数滤波器，即抽头系数寄存器和数据寄存器中的数均为实数，滤波器的乘法运算可以是实数运算；也可以是复数滤波器，即，抽头系数寄存器和数据寄存器中的数均为复数，滤波器的乘法运算是复数运算；亦可以是准复数滤波器，即，抽头系数寄存器和数据寄存器中的数虽然均为复数，但滤波器的乘法运算是实数运算。

对于乡村传输环境来说，由于信道中的多径分布比较集中，且多径的变化比较缓慢，可以考虑前馈滤波器的级数为200级，反馈滤波器的级数为100级，均衡器抽头调整的步长比较小。对于城市传输环境来说，信道中的多径分布比较集中，但多径变化比较迅速，可以考虑前馈滤波器采用重叠结构，级数为300级，反馈滤波器的级数为200级，均衡器抽头调整的步长比较大。对于山区和单频网传输环境来说，信道中的多径分布比较广，多径的延时比较长，变化相对比较慢，前馈滤波器采用重叠结构，级数为500，反馈滤波器采用稀疏结构，级数为300，均衡器抽头调整的步长比较小。另外，影响抽头系数更新器输出的是选取自适用算法和选取步长的大小。其中该自适应算法比较适合动态信道(如城市传输环境)的有RLS算法、STG算法和CMA算法，比较适合静态信道(非绝对静态，如乡村、山区和单频网)的有LMS算法和RCA算法。步长调整包括增益步长和泄露步长。同样地，本领域的技术人员也可以根据需要合适的判决器。

根据上述描述，本发明可以根据实际应用的信道环境，来选择每一均衡单元的具体结构，来产生不同的均衡后的输出信号。

另外，在几种实施例中，本发明多选择时域自适应均衡器数个前馈滤波器或者反馈滤波器的结构相同，在这种情况下，数个均衡单元的前馈滤波器或者反馈波器可以共用同一数据寄存器。

图2中的度量合成/选择单元20具有数个实施例，一种实施例是度量合成/选择单元20仅具有合成或者选择功能，即对每一均衡单元输出Q1、Q2、......、Qn直接进行选择最大值、求平均或者求加权平均值作为输出。度量合成/选择单元20的另外一种实施例如图3所示，该度量合成/选择单元20包括两部分功能模块：度量模块和合成/选择模块。度量模块21根据选择的度量方法对每一均衡单元输出Q1、Q2、......、Qn进行信号质量的检测，并且输出每一路信号的质量检测值(即度量值)。其中采用的度量方法主要是根据输出信号的特征进行度量，如根据输出信号中预置的已知信号；发送信号的调制特征；或者两者相结合。举例来说，如果根据输出信号中预置的已知信号，即信号帧的帧头部分的PN序列，该度量模块度量接收信号中帧头部分的信噪比，即当前接收信号帧头部分的信噪比作为该路信号的度量值。合成/选择模块22具有多种形式。一种情况是，根据度量值，对数路信号进行比较，选择在设定阈值范围内的最大值作为度量合成/选择单元20的输出；另外一种情况是，设置阈值范围，对在度量值在阈值范围内的接收信号求平均或者求加权平均值作为度量合成/选择单元20的输出。

图4为本发明一种较佳实施例，为了进一步说明本发明的作用，在此选用中国地面数字电视广播标准(GB20600-2006)中的一种模式，传输信号的数据结构如图5所示，参数C＝1(单载波)、PN595(帧头)、16QAM(数据的映射模式)、LDPC0.8(码率)和交织720(交织模式)，通过计算机仿真和FPGA原型机验证、测试图4所示的多选择时域自适应均衡器300的性能。请参阅图4，该多选择时域自适应均衡器300包括2(N＝2)个均衡单元(第一均衡单元301和第二均衡单元302)，其中第一均衡单元301的抽头系数更新器31采用了LMS算法和小步长，而第二均衡单元302的抽头系数更新器32采用了STG算法和大步长，其他结构两者相同。合成/选择单元具有度量模块，采用的度量方法是对接收信号中帧头的595个PN序列以及36个系统信息进行信噪比估计，作为自适应步长调整的信号质量检测值(度量值)。合成的方法是通过接收信号质量的检测值对接收信号进行加权平均，形成均衡器的最终输出。请参见图6，现有均衡器A的结构与第一均衡单元301相同，现有均衡器B的结构与第二均衡单元302的结构相同。从图中可以明显看出，本发明的均衡器的性能(输出的信噪比估计)比现有均衡器A和B稳定，不会出现较多的最低点和最高点(输出信号的信噪比估计的均值最大)，性能明显优于现有均衡器的性能。其中图6曲线图的横坐标表示信号帧的号码(帧号)，本曲线图共选择了5000个信号帧，为了方便图清楚显示，取了25点，每一点表示200帧的情况。

图4所示的实施例的前馈滤波器采用了共同数据寄存器的结构，如图7所示。从图7可知，数据寄存器的数据与系数寄存器中的抽头系数相乘，然后所有的乘积结果相加得到前馈滤波器的输出。其中K1、K2、......、KL为第一均衡单元301的抽头系数，f1、f2、......、fL为第二均衡单元302的抽头系数。

本领域的技术人员能进一步理解，结合这里所公开的实施例所描述的各种说明性的逻辑块、模块和算法步骤可以作为电子硬件、计算机软件或两者的组合来实现。为了清楚说明硬件和软件间的互换性，各种说明性的组件、框图、模块、电路和步骤一般按照其功能性进行了阐述。这些功能性究竟作为硬件或软件来实现取决于整个系统所采用的特定的应用程序和设计。技术人员可以认识到在这些情况下硬件和软件的交互性，以及怎样最好地实现每个特定应用程序的所述功能。技术人员可能以对于每个特定应用不同的方式来实现所述功能，但这种实现决定不应被解释为造成背离本发明的范围。

结合这里所描述的实施例来描述的各种说明性的逻辑块、模块和算法步骤的实现或执行可以用：通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、场可编程门阵列(FPGA)或其它可编程逻辑器件、离散门或晶体管逻辑、离散硬件组件或者为执行这里所述功能而设计的任意组合。通用处理器可能是微处理器，然而或者，处理器可以是任何常规的处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器也可能用计算设备的组合来实现，如，DSP和微处理器的组合、数个微处理器、结合DSP内核的一个或数个微处理器或者任意其它这种配置。

结合这里所公开实施例描述的方法或算法的步骤可能直接包含在硬件中、由处理器执行的软件模块中或在两者当中。软件模块可能驻留在RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移动盘、CD-ROM或本领域中已知的任何其它形式的存储介质中。示例性存储介质与处理器耦合，使得处理器可以从存储介质读取信息，或把信息写入存储介质。或者，存储介质可以与处理器整合。处理器和存储介质可能驻留在ASIC中。ASIC可能驻留在用户终端中。或者，处理器和存储介质可能作为离散组件驻留在用户终端中。

上述优选实施例的描述使本领域的技术人员能制造或使用本发明。这些实施例的各种修改对于本领域的技术人员来说是显而易见的，这里定义的一般原理可以被应用于其它实施例中而不背离本发明的精神或范围。因此，本发明并不限于这里示出的实施例，而要符合与这里揭示的原理和新颖特征一致的最宽泛的范围。

Claims (12)

1、一种时域自适应均衡器，其特征在于，包括：

数个均衡单元，用于对同一输入信号进行均衡补偿，且输出数路不同的均衡后的输出信号；其中每一均衡单元包括用于消除输入信号前径的前馈滤波器、用于消除输入信号后径的反馈滤波器、判决器、误差生成器和抽头系数更新器；以及

合成/选择单元，用于对数路均衡后的不同输出信号进行合成或者选择，形成的输出信号为所述时域自适应均衡器的均衡输出。

2.如权利要求1所述的时域自适应均衡器，其特征在于，至少一个均衡单元的前馈滤波器、反馈滤波器、判决器、误差生成器和抽头系数更新器中至少一个器件是与其他均衡单元的对应器件的结构是不相同的。

3、如权利要求1所述的时域自适应均衡器，其特征在于，所述合成/选择单元包括度量模块和选择/合成模块，所述选择/合成模块根据度量模块输出的度量值对数路均衡后的不同输出信号进行选择或者合成。

4、如权利要求1-3其中一个所述的时域自适应均衡器，其特征在于，所述选择/合成模块对数路均衡后的不同输出信号进行合成是：对数路均衡后的不同输出信号求平均或者是加权平均。

5、如权利要求3所述的时域自适应均衡器，其特征在于，所述度量单元输出的度量值是通过度量信号中预置的已知信息的信噪比获得的；或者是通过信号中预置的已知信息和调制特征的信噪比获得的。

6、如权利要求1所述的时域自适应均衡器，其特征在于，所述数个均衡单元的前馈滤波器或者反馈滤波器共用一个数据寄存器。

7、一种采用如权利要求1所述的时域自适应均衡器的接收机。

8、一种时域自适应均衡方法，其特征在于，包括：

采用数种均衡方法对同一输入信号进行均衡补偿处理，输出数路不同的均衡后的输出信号；

对所述输出数个不同的均衡后的输出信号进行选择或者合成步骤后输出作为使用该时域自适应均衡方法的均衡器的输出。

9、如权利要求8所述的时域自适应均衡方法，其特征在于，所述数种均衡方法通过数个不同结构的均衡单元实现的；每一均衡单元包括用于消除输入信号前径的前馈滤波器、用于消除输入信号后径的反馈滤波器、判决器、误差生成器和抽头系数更新器，其中至少一个均衡单元的前馈滤波器、反馈滤波器、判决器、误差生成器和抽头系数更新器中至少一个器件是与其他均衡单元的对应器件的结构是不相同的。

10、如权利要求8所述的时域自适应均衡方法，其特征在于，在所述输出数个不同的均衡后的输出信号进行选择或者合成步骤之前，还包括度量步骤；该度量步骤根据输出信号中预置的已知信息、调制特征或者已知信息和调制特征结合输出度量值。

11、如权利要求10所述的时域自适应均衡方法，其特征在于，所述度量值为输入数据中已知信息的信噪比。

12、如权利要求8、10和11其中一种所述的时域自适应均衡方法，其特征在于，所述合成步骤为对数个不同的均衡后的输出信号求平均或者是加权平均。

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