CN101958862A

CN101958862A - 基于叠加结构的自适应判决反馈均衡器

Info

Publication number: CN101958862A
Application number: CN 201010516855
Authority: CN
Inventors: 李素月; 熊箭; 归琳; 刘华芬; 谢辉
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2010-10-22
Filing date: 2010-10-22
Publication date: 2011-01-26
Anticipated expiration: 2030-10-22
Also published as: CN101958862B

Abstract

一种数字信号处理技术领域的基于叠加结构的自适应判决反馈均衡器，包括一个排序模块以及多级级联的自适应多输入单输出判决反馈均衡器模块，排序模块的输入端接收所有接收天线的信息，第一级自适应多输入单输出判决反馈均衡器模块接收排序模块输出的优先级最高的发射天线对应的数据流信息，并输出这个数据流的判决信息至第i级自适应多输入单输出判决反馈均衡器模块，第i级自适应多输入单输出判决反馈均衡器模块接收排序模块输出的已排序的第i个数据流的信息和前一级数据流的当前判决信息并输出第i个数据流的判决信息到下一级。本发明结构复杂度较低，适合于硬件实现。

Description

基于叠加结构的自适应判决反馈均衡器

技术领域

本发明涉及的是一种数字信号处理技术领域的均衡装置，具体是一种频率选择性MIMO系统中基于叠加结构的自适应判决反馈均衡器。

背景技术

判决反馈均衡器(DFE)是单输入单输出系统中比较常见的信道均衡器，它在数字通信系统中应用广泛，主要用来抑制ISI。多径传播会使信道频谱出现频谱零点，线性均衡(LE)在这种情况下性能很差，DFE表现出更好的性能，复杂度也比较适中。一般来说，DFE包含前馈滤波器(FFF)和反馈滤波器(FBF)，FFF对接收信号进行处理，抑制前径ISI，FBF对已检测符号进行操作，抑制后径ISI，FFF和FBF都是有限脉冲响应(FIR)滤波器，DFE的输出采用一个非线性硬判决器，如果判决误差的概率很小，判决器的输出可以正确的表示发射信号，但是如果一个符号检测错误，通过FBF环路会造成错误不断累积，导致判决器的下一个输出也是错误的，这就是误差传播现象。尤其是在高速移动的无线通信环境中，信道环境是不断变化的，主径的幅度随时可能发生变化，当副径的强度大于主径时，有限长度的FFF无法对消强的副径的影响，主径信号会淹没在多径和噪声中，系数无法收敛。传统的时域自适应DFE均衡器的前馈部分和反馈部分在时间域上不重叠，因此副径干扰由前馈滤波或反馈滤波器分别抵消，无法生成合适的抽头系数来稳定地对抗动态强多径。

近年来MIMO系统受到了极大的关注，在发射机和接收机配置多个天线，可以大大提高通信系统的频谱效率。为了减轻发射天线和接收天线之间频率选择性衰落的影响，MIMO接收机的设计是极大的挑战，因为需要检测的信号同时淹没在同信道干扰(CCI)，ISI，还有噪声之中。其中一种解决方案考虑MIMO-DFE，对于传统的MIMO DFE，M根发射天线的符号同时检测，不考虑检测顺序。由于同时受天线之间的CCI和多径传播的影响，对于MIMO DFE，误差传播的问题比单天线系统更加严重。为了减少误差传播的影响，采用G.J.Foschini等学者于1999年在论文“Simplified processing for high spectral efficiency wireless communicationemploying multi-element arrays”，IEEE Journal on Selected Areas in communications中提出V-BLAST的思想，也就是说，每一级选择均方误差(MMSE)意义上最小的数据流进行检测，因为考虑数据流的检测排序是提高接收机性能的一个重要因素。这种排序的串行干扰消除(SIC)一定程度上只能有效地抑制CCI，而对于ISI的消除，需要在SIC的每一级采用能够有效地对抗多径的均衡方案，自适应的DFE就是频率选择性信道中一种有用的降低ISI的均衡方案。后来，G.Ginis和J.M.Cioffi于2001年在论文”On the relation between V-BLAST and theGDFE”，IEEE Commun.Lett.中又提出一种等价于V-BLAST的广义的DFE结构，这种结构比较适合和自适应的DFE相结合，不需要明确的信道跟踪，实现比V-BLAST更简单一些。

有很多可行的办法适用于产生FFF和FBF的滤波器系数更新，包括最小均方和递归最小二乘算法。滤波器的形式也有多种，可以是实数滤波器，即抽头系数和寄存器的数均为实数，滤波器的乘法运算也是实数运算；也可以是复数滤波器，即抽头系数和寄存器的数均为复数，滤波器的乘法运算是复数运算；亦可以是准复数滤波器，即抽头系数和寄存器的数虽然均为复数，但滤波器的乘法运算是实数运算。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于叠加结构的自适应判决反馈均衡器，该结构复杂度较低，适合于硬件实现。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：一个排序模块以及多级级联的自适应多输入单输出判决反馈均衡器模块，其中：排序模块的输入端接收所有接收天线的信息，第一级自适应多输入单输出判决反馈均衡器模块接收排序模块输出的优先级最高的发射天线对应的数据流信息，并输出这个数据流的判决信息至第i级自适应多输入单输出判决反馈均衡器模块，第i级自适应多输入单输出判决反馈均衡器模块接收排序模块输出的已排序的第i个数据流的信息和前一级数据流的当前判决信息并输出第i个数据流的判决信息到下一级，i为自适应多输入单输出判决反馈均衡器模块的级数且i大于等于2。

所述的排序模块包括：信道能量检测模块和能量排序模块，其中：各个天线的接收信号与信道能量检测模块连接，信道能量检测模块输出各个天线之间的信道能量到能量排序模块，能量排序模块分别计算同一发射天线到不同接收天线的能量之和，然后由大到小排序，能量最大的那个发射天线的数据流具有最高的优先权。

所述的信道能量检测模块利用每帧的帧头序列分别和不同的接收天线的接收信号进行相关，以获得所有发射天线和接收天线之间的信道能量。

所述的自适应多输入单输出判决反馈均衡器模块为叠加结构的时域自适应判决反馈均衡器。

所述的时域自适应判决反馈均衡器包括：接收天线、信号叠加器、电平判决器、误差信号生成器和抽头系数更新器，其中：每个接收天线分别与前馈滤波器相连接并传输前馈滤波输出信号、各个发射天线的已判决信号和反馈滤波器相连接传输反馈滤波器的输出信号，信号叠加器与前馈滤波输出信号和反馈滤波器的输出信号相连接并传输叠加结构的判决反馈均衡器的输出信息，电平判决器与各个具有叠加结构的判决反馈均衡器的输出总和相连接并传输每一级的输出信号，误差信号生成器与判决器的输入和输出端相连接并传输误差信号，抽头系数更新器与误差信号生成器相连接并进行所有前馈滤波器和反馈滤波器的抽头系数更新。

所述的多级级联的自适应多输入单输出判决反馈均衡器模块中的每一级自适应多输入单输出判决反馈均衡器模块分别设有反馈滤波器。

所述的抽头系数更新器采用最小均方法、递归最小二乘法或恒模算法进行抽头数的更新。

与现有技术相比，本发明通过先对M根发射天线的数据流排序，然后再进行MIMO DFE均衡，有效地降低了同信道干扰，误码性能得到明显改善；使用具有叠加结构的判决反馈均衡器，更有效地对抗频率选择信道中的多径传输问题，消除强多径信号的干扰。因此，该结构的提出使得MIMO均衡器的收敛速度和误码性能得到很大改善。

附图说明

图1是本发明的装置组成示意图。

图2是本发明的第一级的自适应多输入单输出判决反馈均衡器框图。

图3是本发明的第m级的自适应多输入单输出判决反馈均衡器框图。

图4是基于叠加结构的自适应判决反馈均衡器框图(以接收天线1为例)。

图5是排序模块框图。

图6是MIMO系统基于叠加结构和非叠加结构的自适应判决反馈均衡器的均方误差曲线比较。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例包括：多级级联的排序模块及其每一级相对应连接的自适应多输入单输出判决反馈均衡器模块，级数等于发射天线的数目。系统利用M根发射天线和N根接收天线，接收天线的数目N要大于或等于发射天线的数目M。

如图5所示，所述的排序模块包括：信道能量检测模块和能量排序模块，其中：各个天线的接收信号均与信道能量检测模块连接，信道能量检测模块输出各个天线之间的信道能量到能量排序模块，能量排序模块分别计算同一发射天线到不同接收天线的能量之和，然后由大到小排序，能量最大的那个发射天线的数据流具有最高的优先权。

图5完成对多路数据流的排序后，均衡模块依次选择能量最大的对应发射天线的数据流进行均衡。对于慢时变信道，不需要每时每刻进行排序，只需在开始串行检测前的第一级排序。关于能量计算，以发射天线1为例，其对应的能量为

即所有接收天线到发射天线1的信道的模的平方和，类似的计算得到其它发射天线的能量。

如图2所示，为第一级自适应多输入单输出判决反馈均衡器模块的详细的内部结构图。其中，前馈滤波器和反馈滤波器都是有限脉冲响应滤波器，这里把每个前馈滤波器的长度表示为L_f，每个反馈滤波器的长度表示为L_b。前馈滤波器的后向部分和反馈滤波器的前向部分重叠的抽头个数为k。

第一天线1的前馈滤波器在n时刻对抗前径的抽头系数可以表示为f(n)_-Q～f(n)₀，与反馈滤波器重叠部分的抽头系数为f(n)₁～f(n)_k，其中k+Q+1＝L_f。第一接收天线1对应的前馈滤波器的输入为：r₁(n)＝[r₁(n+Q)，…，r₁(n)，…，r₁(n-k)]，其中r₁(n)为第n时刻第一天线1的接收信号。现定义以下参数：反馈滤波器11～1M与前馈滤波器11～1N重叠部分的抽头系数为d(n)₁～d(n)_k，长度为L_b的反馈滤波器中的系数对应的输入信号为第一发射天线1的过去判决值，即

则第一天线1对应的叠加结构的时域自适应判决反馈均衡器11的输出为前馈滤波器11的输入与对应抽头系数的乘加和，再加上反馈滤波器11的输入与相应抽头系数的乘加和，具体结构见图4，即

z_{1} (n) = Σ_{i = - Q}^{k} r_{i} (n - i) f {(n)}_{i} - Σ_{i = 1}^{L_{b}} {\hat{s}}_{1} (n - i) d {(n)}_{i}

利用与以上相同的方法依次计算出其他接收天线对应的叠加结构的时域自适应判决反馈均衡器12～1M的输出，并把所有的输出相加为

最后判决器11对优先权最高的数据流进行判决，即oi∈{1，2，…，M}表示在第i级通过排序抽取的信道能量最大的数据流，{o1，o2，…，oM}表示n时刻数据流检测的顺序。

如图3所示，为第m级自适应多输入单输出判决反馈均衡器模块的具体内部框图。其它各级的结构与第m级类似，故没有详细给出原理结构图。与图2不同的是，图3多了一级反馈滤波器3M，该反馈滤波器的最大长度是M-1，它的输入是相对当前第m级的前m-1级的当前判决值，当然对于第m级而言，最后一个反馈滤波器的输入包括前m-1级已检测数据流的当前判决值

因此，第m级中所有接收天线对应的叠加结构的时域自适应判决反馈均衡器21～2M的输出加上反馈滤波器3M的输出总和为

输出到判决器22对第om个数据流进行判决

图4所示是图2中以第一接收天线1为例的具体的叠加结构自适应判决反馈均衡器11的内部结构框图，本实施例中前馈滤波器1和反馈滤波器2的时域重叠部分3，在每一级存在多个这样并联的叠加结构自适应判决反馈均衡器，为方便起见，每一个叠加结构中，前馈滤波器和反馈滤波器的时域重叠部分的抽头数可以相同。而自适应多输入单输出判决反馈均衡器模块所采用的叠加结构的时域自适应判决反馈均衡器的实施方式是前馈滤波器的部分抽头在时间域上与反馈滤波器的部分抽头重叠，重叠部分的抽头个数取决于强多径相对于主径的延时的大小，一般根据信道多径分布的情况和硬件实现的复杂度综合而定。

所述的前馈滤波器和反馈滤波器的抽头更新算法，可以采用LMS(最小均方)算法，RLS(递归最小二乘)等自适应算法，也可以采用包括CMA(恒模算法)在内的盲均衡算法。

本实施例具体工作过程如下：

步骤一，根据信道能量检测出的信道值，对所有M根发射天线的数据流对应的能量之和计算并排序，选择信道能量之和最大的那路数据流进行检测，把排序结果记为{o1，o2，…，oM}；

步骤二，利用具有叠加结构的自适应判决反馈均衡器对数据流o1进行均衡，在第一级，每根接收天线都对应一个具有叠加结构的自适应判决反馈均衡器，把它们的输出之和相加，总和为

对此进行判决，得到

将与之差作为误差信号，采用合适的自适应算法来更新第一级所有的前馈滤波器和反馈滤波器的抽头系数；

步骤三，将第一级的当前判决输出输出到其后各级自适应多输入单输出判决反馈均衡器的最后一个反馈滤波器的输入端。

步骤四，在第二级，对步骤一中已排好序的数据流o2进行检测，每根接收天线都对应一个具有叠加结构的自适应判决反馈均衡器，共有N个输出。另外，此级还增加一个独立的反馈滤波器，它的输入为

和相应反馈抽头系数相乘，也作为一个输出，把它们所有的输出之和相加，总和为

对此进行判决，得到减去

得到误差信号，利用复杂度合适的自适应算法来更新第二级所有的前馈滤波器和反馈滤波器的抽头系数，；

步骤五，将第二级的当前判决输出

输出到其后各级自适应多输入单输出判决反馈均衡器的最后一个反馈滤波器的输入端。

步骤六，以后各级其它未检测数据流的均衡，与上述方法雷同，依次类推，得到最后一级的判决输出所有发射天线的数据流检测完毕。

如图6所示，为均方误差(MSE)仿真结果表明MIMO系统有重叠结构的自适应判决反馈均衡器相比没有重叠结构的MIMO自适应判决反馈均衡器，有更快的收敛速度和更小的均方误差，明确显示出本发明MIMO系统叠加结构自适应均衡器的优势。

Claims

1.一种基于叠加结构的自适应判决反馈均衡器，包括：一个排序模块以及多级级联的自适应多输入单输出判决反馈均衡器模块，其特征在于：排序模块的输入端接收所有接收天线的信息，第一级自适应多输入单输出判决反馈均衡器模块接收排序模块输出的优先级最高的发射天线对应的数据流信息，并输出这个数据流的判决信息至第i级自适应多输入单输出判决反馈均衡器模块，第i级自适应多输入单输出判决反馈均衡器模块接收排序模块输出的已排序的第i个数据流的信息和前一级数据流的当前判决信息并输出第i个数据流的判决信息到下一级，i为自适应多输入单输出判决反馈均衡器模块的级数且i大于等于2。

2.根据权利要求1所述的基于叠加结构的自适应判决反馈均衡器，其特征是，所述的排序模块包括：信道能量检测模块和能量排序模块，其中：各个天线的接收信号与信道能量检测模块连接，信道能量检测模块输出各个天线之间的信道能量到能量排序模块，能量排序模块分别计算同一发射天线到不同接收天线的能量之和，然后由大到小排序，能量最大的那个发射天线的数据流具有最高的优先权。

3.根据权利要求2所述的基于叠加结构的自适应判决反馈均衡器，其特征是，所述的信道能量检测模块利用每帧的帧头序列分别和不同的接收天线的接收信号进行相关，以获得所有发射天线和接收天线之间的信道能量。

4.根据权利要求1所述的基于叠加结构的自适应判决反馈均衡器，其特征是，所述的自适应多输入单输出判决反馈均衡器模块为叠加结构的时域自适应判决反馈均衡器。

5.根据权利要求1或4所述的基于叠加结构的自适应判决反馈均衡器，其特征是，所述的时域自适应判决反馈均衡器包括：接收天线、信号叠加器、电平判决器、误差信号生成器和抽头系数更新器，其中：每个接收天线分别与前馈滤波器相连接并传输前馈滤波输出信号、各个发射天线的已判决信号和反馈滤波器相连接传输反馈滤波器的输出信号，信号叠加器与前馈滤波输出信号和反馈滤波器的输出信号相连接并传输叠加结构的判决反馈均衡器的输出信息，电平判决器与各个具有叠加结构的判决反馈均衡器的输出总和相连接并传输每一级的输出信号，误差信号生成器与判决器的输入和输出端相连接并传输误差信号，抽头系数更新器与误差信号生成器相连接并进行所有前馈滤波器和反馈滤波器的抽头系数更新。

6.根据权利要求1所述的基于叠加结构的自适应判决反馈均衡器，其特征是，所述的多级级联的自适应多输入单输出判决反馈均衡器模块中的每一级自适应多输入单输出判决反馈均衡器模块分别设有反馈滤波器。

7.根据权利要求5所述的基于叠加结构的自适应判决反馈均衡器，其特征是，所述的抽头系数更新器采用最小均方法、递归最小二乘法或恒模算法进行抽头数的更新。