CN102594374A - 对百兆量级宽带接收信号的均衡方法 - Google Patents

对百兆量级宽带接收信号的均衡方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出的一种对百兆量级宽带接收信号的均衡方法，旨在提供一种耗费资源少，运算速度快，无须改变传输体制，用简单的时域并行结构对宽带信号进行时域均衡的方法。本发明通过下述技术方案予以实现：(1)采用带判决反馈的分数间隔自适应盲均衡数字逻辑电路，并行接收待均衡的过采样基带信号；(2)将所有横向滤波结构的输出相加作为均衡输出，待均衡的基带信号按照对应相位关系送入正向均衡单元中的横向滤波结构；(3)由判决单元对均衡输出结果
Figure DSA00000412056500012
进行判决，求解输出结果
Figure DSA00000412056500013
与判决结果
Figure DSA00000412056500014
的误差信号e(n)；(4)e(n)经过误差收敛因子调节后，进行梯度估计和均衡系数更新，送往各横向滤波结构进行均衡操作。解决了一个码元内要同时产生均衡结果与进行均衡系数更新的矛盾。

Description

对百兆量级宽带接收信号的均衡方法
技术领域
本发明涉及无线宽带通信领域中为高速无线数据传输系统提供一种高速、高效、可行的百兆量级高速数传接收机均衡方法。该方法应用于高速数传接收机，是一种基于数字信号处理的基带均衡方法，也是一种高速并行自适应盲均衡方法。
技术背景
无线宽带、高速数据传输技术是高速无线数据传输系统的核心技术之一，高速数传接收机广泛应用于宽带卫星通信以及无线通信中，均衡方法是其不可或缺的部分。
到目前为止，国际上，美国NASA已有包括6颗在轨星和由第一代与第二代白沙地面站组成的白沙综合站，并已提出了在21世纪初投入使用的第二代跟踪与数据中继卫星系统(TDRSH，I，J)的计划。美国的TDRSS系统具有相控阵地址功能，能对20个目标进行跟踪测控。数据传输能力达800Mbps。
日本工程人员对新近发射升空的日本数据通信卫星Kizuna双向互联网传输测试中，成功获得1.2Gbps的单向数据传输速率最高纪录。
在我国，高速数据传输技术在航天测控、遥感、卫星通信等领域受到高度的重视，而且近年来发展速度极快，市场需求也在不断地提高；超光谱图像、SAR图像、多仪器平台数据，是未来需要高速传输链路的主要对象。
随着卫星数据传输应用领域的不断扩大，所承载的业务类型越来越多，数据传输速率越来越高，每个码元持续周期越来越短，传输信号质量更容易受到信道的影响，幅度相位失真、群时延特性、多径、码间串扰都会造成解调接收信号性能的恶化。与此同时，为了充分利用信道容量，卫星传输技术对解调接收设备解调损失的指标越来越高，要求解调设备的实际误码率与理论误码率尽可能的接近。
图7描述了一个现有技术的典型高速无线数据传输系统。传输系统在发送端对数据进行调制与发射，从频谱上看，发送端送往信道的频谱是理想的，信号通过信道时，由于信道的非理想特性，包括群时延、放大器非线性等，对信号造成影响，改变了信号携带信息的方式。在解调接收机中，如不对信道引入的信号畸变进行均衡，直接对信号进行解调，会产生较大的信息损失，加入均衡措施就是求解信道的特征函数，并用它的逆函数去抵消信道特性引起的信号畸变。
宽带信号频谱较宽，更易受到信道的影响，为了提高接收性能，克服实际宽带信道的影响，宽带信号的传输都需要在接收端进行均衡操作。实现宽带信号的均衡方法有以下两方面的问题需要解决。一方面，宽带信号每个符号持续的时间短，留给均衡电路的处理时间非常短，均衡方法选用算法必须足够简单，而优秀的均衡方法意味着大量的资源。对高速接收机而言，这一矛盾更加突出，高速信号对接收机有很高的时序要求，资源占用越多，时序要求越不好满足，均衡算法需要在实现复杂性和实现性能之间进行取舍。目前文献可见的均衡措施，尤其针对宽带信号的均衡措施，都由于大量的系统资源消耗而无法适用于百兆量级甚至更高速率信号的均衡。另一方面，传统的均衡算法要求在一个码元持续时间内完成均衡结果输出以及根据自适应算法更新均衡系数等操作，这与高速信号处理过程中数据输入到均衡系数更新之间复杂的迭代运算需要进行多节拍的流水线设计相矛盾，目前文献可见的高速均衡措施都属于频域均衡技术，该技术运算量巨大，无法适用于过高速率的信号处理。在本发明之前，文献上未见同时具备简单可行以及均衡性能优良的均衡算法。目前，尚未见到在数字基带上实现百兆量级时域均衡的相关技术文献报道。
与本发明最相近的高速数据传输均衡技术主要采用频域处理方式，由于该处理方式运算复杂，耗费处理资源巨大，大部分研究还处在理论仿真阶段，或者基于计算机的后端处理实现上。
本发明的提出，解决了高速数据传输实现上均衡性能与所占用资源之间这一矛盾。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术不足之处，提出一种耗费资源少，运算速度快，无须改变现有传输体制，能够解决时域均衡一个码元内同时产生均衡结果与进行均衡系数更新矛盾，并能有效对宽带信号进行时域均衡的方法。
本发明的上述目的可以通过以下措施来达到，本发明提出的一种对百兆量级宽带接收信号的均衡方法，具有如下技术特征：
(1)采用带判决反馈的分数间隔自适应盲均衡数字逻辑电路，并行接收待均衡的过采样基带信号，用均衡系数滞后更新结构和分数间隔与判决反馈相结合的均衡结构，对数字采样后的基带信号进行处理和对宽带信号进行时域均衡；
(2)待均衡的基带信号按照对应相位关系，送入正向均衡单元中的横向滤波结构，所有横向滤波结构的输出相加作为均衡输出，
Figure BSA00000412056800032
是均衡输出结果，如果过采样率为M，则正向均衡单元包含M个横向滤波结构，第k，(0≤k＜M)个横向滤波结构的输出fk(n)为：
Figure BSA00000412056800033
Figure BSA00000412056800034
为第k个横向滤波结构的均衡系数，Xk为横向滤波结构所对应某一相位采样点序列。b(n)为逆向均衡单元输出结果；
3)然后由判决单元对均衡输出结果
Figure BSA00000412056800041
进行判决，判决值
Figure BSA00000412056800042
作为逆向均衡单元的输入；逆向均衡单元则对判决得到的“真值”进行滤波运算，逆向均衡单元的输出为
Figure BSA00000412056800043
Wb是逆向均衡单元横向滤波结构的系数，
Figure BSA00000412056800044
是判决值序列；
(4)误差提取单元求解输出结果
Figure BSA00000412056800045
与判决结果的
Figure BSA00000412056800046
的误差信号e(n)，e(n)经过误差收敛因子调节后，经过延迟，送到自适应算法单元进行梯度估计和均衡系数更新，更新后的均衡系数送往各横向滤波结构，进行均衡操作。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
本发明采用带判决反馈的分数间隔自适应盲均衡数字逻辑电路，并行接收待均衡的过采样基带信号，在一个码元周期的持续时间内，完成横向滤波运算，均衡结果输出，判决误差提取和均衡系数更新操作，并采用均衡系数滞后更新操作，隔离上述运算的迭代关系。利用均衡系数滞后更新结构和分数间隔与判决反馈相结合的均衡结构，用判决反馈结构提高均衡收敛速度与均衡性能；用简单的时域并行结构实现了良好的均衡效果，解决了时域均衡一个码元内要同时产生均衡结果与进行均衡系数更新的矛盾，实现了良好的均衡效果。对数字采样后的基带信号进行处理，可以对宽带信号进行时域均衡，取得较好的性能。工作于高速数传接收机中，在无须对现有的传输体系作更改的前提下，无须通信系统提供额外的信道容量，实时的监测信道状态，对信道畸变造成解调性能影响补偿。采用分数间隔能充分利用每个码元多个采样点携带的信息提高了均衡性能。判决反馈结构能缩短了均衡算法的收敛速度，提高了对时变信道的适应能力。
本发明在一个基带信号码元持续周期内，将该码元保持时间内的各个相位采样点，并行输入正向均衡单元，并行完成横向滤波计算，均衡结果输出，判决误差提取和均衡系数更新操作，消除了信道特性对基带信号的等效干扰，提取均衡后信号的频率误差可提高载波消除模块的性能，提取均衡后信号的定时误差可提高符号同步模块的性能。使用简单的步骤与少量的资源，对宽带信号进行时域均衡，有效提高解调性能。无需宽带信道特性的先验知识，即可对信道干扰造成的解调损失进行纠正；无需发送调制器在对传送序列进行调制时插入导频序列，不要求传输系统有额外的导频信息，即可估计信道特性进行均衡。解决了由于迭代运算导致时域均衡算法速率不高的问题。
本发明通过合理的均衡结构设计，采用均衡系数滞后更新的技术与带判决反馈的分数间隔时域均衡结构，使得采样上述方法数据传输解调接收机具有非常良好的解调性能。同时解决了高速解调接收机均衡算法性能与复杂度之间矛盾的问题。在不占用额外信道容量的情况下，可提高解调性能。
解决了时域均衡一个码元内，要同时产生均衡结果与进行均衡系数更新的矛盾。
本发明方法适用于大规模逻辑门阵列，需要消除信道干扰的高速数据传输数字解调接收机。特别适用于高速无线数据传输系统，符号速率为百兆量级的高速数传接收机使用。可广泛的应用宽带卫星信号传输、遥感、高速无线信号处理。
附图说明
为了更清楚地理解本发明，现将通过本发明实施例，同时参照附图，来描述本发明，其中：
图1是本发明带判决反馈的分数间隔的自适应盲均衡数字逻辑电路的示意图。
图2是本发明数据指派单元的工作原理示意图。
图3是本发明正向均衡单元和逆向均衡单元所包含横向滤波结构的示意图。
图4是本发明均衡系数更新部分的示意图。
图5是本发明所述均衡系数滞后更新示意图。
图6是采用与未采用本发明的解调接收机解调误码曲线图。
图7现有技术含有本发明的高速无线数据传输系统工作原理图。
具体实施方式
参阅图1。采用带判决反馈的分数间隔自适应盲均衡数字逻辑电路，并行接收待均衡的过采样基带信号，用均衡系数滞后更新结构和分数间隔与判决反馈相结合的均衡结构，对数字采样后的基带信号进行处理和对宽带信号进行时域均衡，整个电路包含有正向均衡单元、逆向均衡单元、判决单元、自适应算法单元以及数据指派单元、求和单元和误差提取单元。
均衡方法包括一个串行处理流程以及两个环形反馈处理流程实现：
串行处理流程由数据指派单元、正向均衡单元、求和单元串行相连构成。
数据指派单元的主要功能是使输入的基带信号的数据格式与均衡电路的接口相适应，把串行数据缓冲整理成均衡电路所需的并行数据，并将多条并行支路数据指派到相应的横向滤波结构中。
正向均衡单元由M个并联在数据指派单元与求和单元之间的横向滤波结构组成。正向均衡单元串接在数据指派单元之后，它采用分数间隔的均衡结构，由多个系数可调节的横向滤波结构组成，每个横向滤波结构对应码元的一过采样位置，数量和输入信号的过采样率相同，利用一个码元多次采样得到的冗余信息量，对分数间隔的输入基带信号进行正向均衡。待均衡的基带信号按照对应相位关系送入正向均衡单元中的横向滤波结构，如果过采样率为M，则正向均衡单元包含M个横向滤波结构，第k，(0≤k＜M)个横向滤波结构的输出为
Figure BSA00000412056800061
Wk为对应第k个横向滤波结构的系数，Xk为横向滤波结构所对应某一相位采样点序列。
横向滤波结构采用有限长单位冲激响应数字滤波器(FIR)的结构，即输入数据经寄存器缓存后与对应的均衡系数相乘，结果相加后即为输出，工作方式参阅下文及图3。
求和单元的主要功能是在每一个码元周期将当前时刻正向均衡与逆向均衡单元所有横向滤波结构的输出相加，输出
Figure BSA00000412056800071
作为均衡输出，b(n)为逆向均衡单元输出结果。
数据指派单元、正向均衡单元、求和单元顺序相连，构成串行流程，数据指派单元的输入是整个均衡电路的输入，求和单元的输出是整个均衡电路的输出。
求和单元、判决单元、逆向均衡单元三者相连形成一个判决反馈均衡环路结构。
判决单元串接在求和单元之后，它的输入是正向和逆向两个均衡单元的均衡结果之和
Figure BSA00000412056800072
判决单元根据接收信号与均衡输出期望值结果之间的距离，以及信号的调制方式，将均衡结果划分为几个集合，当均衡结果落入某一集合时，输出该集合的期望值，称为判决值
Figure BSA00000412056800073
判决单元对均衡输出结果
Figure BSA00000412056800074
进行判决，将判决值作为逆向均衡单元的输入，同时送入误差提取单元求解剩余误差e(n)。
逆向均衡单元则对判决得到的“真值”进行滤波运算，它有一个系数可调节的横向滤波结构，其输入是均衡结果的判决值
Figure BSA00000412056800075
按时间顺序组成的判决序列是
Figure BSA00000412056800076
其输出可以记做：
Figure BSA00000412056800077
Wb是逆向均衡单元横向滤波结构的系数。
求和单元输出的均衡结果
Figure BSA00000412056800078
送入判决单元进行判决，判决单元输出的判决输出结果
Figure BSA00000412056800079
进入逆向均衡单元对判决输出进行运算，在下一码元周期，逆向均衡单元产生的一个新的均衡结果输入求和单元。逆向均衡单元取均衡后数据的判决值进行进一步均衡运算，减小噪声对整个均衡电路均衡性能的影响。
正向均衡单元和逆向均衡单元分别通过求和单元、判决单元和误差提取单元，经自适应算法单元首尾相连行成一个均衡系数更新反馈环路。
误差提取单元的主要功能是求解输出结果
Figure BSA000004120568000710
与判决结果的
Figure BSA000004120568000711
的误差信号e(n)。e(n)经过误差收敛因子调节，延迟后，送到自适应算法单元进行梯度估计和均衡系数更新，更新后的均衡系数送往各横向滤波结构，进行均衡操作。
适应算法单元使用迫使误差信号均方值最小的LMS算法，它对经收敛因子调节后的误差信号e(n)和输入的基带信号进行运算，进行梯度估计和均衡系数的更新。LMS算法使正向均衡单元的系数更新为：
Figure BSA00000412056800081
逆向均衡单元的系数更新为
Figure BSA00000412056800082
W(n)和W(n+1)为当前和下一时刻的均衡系数，uf和ub为相应的误差收敛因子，Xk是正向均衡单元第k个横向滤波结构的输入序列，
Figure BSA00000412056800083
是逆向均衡单元横向滤波结构的输入，X*表示对序列X求复共轭。
上述整个均衡电路结构中包含判决反馈均衡环路结构和均衡系数更新反馈环路两个环路，存在时间上前后依存的迭代关系，算法要求在一个码元周期内完成所有的数值计算，这与接收信号速率很高，每个码元周期持续时间很短，上述诸多运算在一个码元内无法完成相矛盾，本发明采用均衡系数滞后更新操作解决这一问题，实现方法参阅下文及图2、图3。由于采用均衡系数滞后更新操作，使得带判决反馈的分数间隔的自适应盲均衡数字逻辑电路可以采用信号的时域均衡方法，从而所有单元能按照码元周期实行简单的并行运算。
均衡系数滞后更新操作按输入信号的时间顺序，数据指派单元每个码元周期接收一个码元的多个采样点，正向均衡单元和逆向均衡单元每个码元进行一次均衡运算，求和单元输出一个均衡结果，判决单元每个码元周期内根据均衡结果的值进行判决输入一个判决值，误差提取单元生成一个误差信号，自适应均衡算法为使横向均衡系数每个码元周期更新一次。
在图2描述的数据指派单元工作原理示意图中，高速采样信号串行输入数据指派单元中，数据指派单元进行串并转换，并行输出。假设码元速率为F，过采样率为M，则输入信号的跳变率为F*M，经过数据指派单元处理后，输出数据变成M路，每一路的跳变率为F，数据指派单元将输出数据变换为M路，以使后续的正向均衡单元进行分数间隔的均衡。
在图3描述的正向均衡单元和逆向均衡单元，所包含横向滤波结构的示意图中，输入数据的处理为一般FIR的处理方式，即输入数据经寄存器缓存后与对应的滤波器系数相乘，结果相加后输出。所不同的是本发明所述横向滤波结构的系数每个码元周期根据均衡算法模块传递来的系数进行更新。即在时刻n，横向滤波结构的输出是
Figure BSA00000412056800091
在时刻n+1时，
Figure BSA00000412056800092
是横向滤波结构的输出，K是横向滤波结构的阶数。正向均衡单元包含有M个这样的横向滤波结构，逆向均衡单元只有一个这样的横向滤波结构。
在图4描述的滤波结构系数更新示意图中，均衡结果
Figure BSA00000412056800093
和判决单元产生的判决值
Figure BSA00000412056800094
之间的差值e(n)作为误差输入，正向均衡单元横向滤波结构的数据输入是对应位置的码元过采样值，逆向均衡单元横向滤波结构的数据输入是判决值
Figure BSA00000412056800095
因为数字逻辑电路门电平反转有延迟时间，从均衡电路接收数据到产生误差信号e(n)这些运算需要一定的时间，在接收信号速率高，码元周期持续时间短的情况下，一个码元周期无法实现，这将与均衡算法相矛盾。为均衡系数更新的计算，需要调节二者的延迟，使数据输入和其对应的误差输入相对齐。
每个横向均衡结构均衡系数的更新，由各自误差输入乘以收敛因子与数据输入相乘，再与上一码元周期的均衡系数相加产生。更新后的均衡系数送各滤波结构，进行均衡操作。
参阅图5。对延迟系数调整均衡算法的研究表明，当步长在特定的范围内时，系数调整中的延迟对于均衡算法的稳态行为只有很小的影响。故在更新均衡系数时，将输入信号延迟使之与误差信号的时刻相匹。假设用K个周期实现均衡操作，L个周期实现均衡结果的输出，M个周期获得均衡剩余误差，N个周期获得均衡更新系数，则在时刻n，各部分运算的输入输出如下所述：接收时刻n的待均衡数据，横向滤波结构中的系数是根据n-K-L-M-N时刻的输入数据求得的，输出n-K-L时刻的输入数据的均衡结果，判决单元产生N-K-L-M时刻输入数据的判决值以及剩余误差。自适应均衡算法用n-K-L-M时刻输入数据与n-K-L-M时刻输入数据的剩余误差进行均衡系数更新运算，产生N-K-L-M-N+1时刻输入数据对应的滤波更新系数；
图6描述的某高速解调接收机性能图，是采用与未采用本发明的解调接收机解调误码曲线图比较，图中，信息速率为100Msps，点实线为解调误码率理论值，圈实线是采用均衡方法后的实际误码曲线，星虚线是未采用本发明均衡方法时的误码曲线。可以看出，采用本发明所述均衡方法，对解调指标有较大提升，使解调误码率与理论值相比，不超过1dB的解调损失。本发明所述方法被证明是简单有效的。

Claims (10)

1.一种对百兆量级宽带接收信号的均衡方法，具有如下技术特征：
(1)采用带判决反馈的分数间隔自适应盲均衡数字逻辑电路，并行接收待均衡的过采样基带信号，用均衡系数滞后更新结构和分数间隔与判决反馈相结合的均衡结构，对数字采样后的基带信号进行处理和对宽带信号进行时域均衡；
(2)待均衡的基带信号按照对应相位关系送入正向均衡单元中的横向滤波结构，所有横向滤波结构的输出相加
Figure FSA00000412056700011
作为均衡输出，
Figure FSA00000412056700012
是均衡输出结果，如果过采样率为M，则正向均衡单元包含M个横向滤波结构，第k，(0≤k＜M)个横向滤波结构的输出fk(n)为：
Figure FSA00000412056700014
为第k个横向滤波结构的均衡系数，Xk为横向滤波结构所对应某一相位采样点序列。b(n)为逆向均衡单元输出结果；
(3)然后由判决单元对均衡输出结果
Figure FSA00000412056700015
进行判决，判决值作为逆向均衡单元的输入；逆向均衡单元则对判决得到的“真值”进行滤波运算，逆向均衡单元的输出为
Figure FSA00000412056700017
Wb是逆向均衡单元横向滤波结构的系数，
Figure FSA00000412056700018
是判决值序列；
(4)误差提取单元求解输出结果
Figure FSA00000412056700019
与判决结果的的误差信号e(n)，e(n)经过误差收敛因子调节后，经过延迟，送到自适应算法单元进行梯度估计和均衡系数更新，更新后的均衡系数送往各横向滤波结构，进行均衡操作。
2.如权利要求1所述的对百兆量级宽带接收信号的均衡方法，其特征在于，所述的自适应盲均衡数字逻辑电路，包含有正向均衡单元、逆向均衡单元、判决单元、自适应算法单元以及数据指派单元、求和单元和误差提取单元。
3.如权利要求1或2所述的对百兆量级宽带接收信号的均衡方法，其特征在于，所述求和单元、判决单元、逆向均衡单元三者相连形成一个判决反馈均衡反馈环路结构，求和单元输出的所有横向滤波结构的滤波结果之和送入判决单元进行判决，判决单元输出的判决值送入逆向均衡单元对判决输出进行运算，逆向均衡单元在下一码元周期将逆向均衡单元的均衡结果送入求和单元。
4.如权利要求1所述的对百兆量级宽带接收信号的均衡方法，其特征在于，正向均衡单元和逆向均衡单元分别通过求和单元、判决单元和误差提取单元，经自适应算法单元串行相连行成一个均衡系数更新环路，求和单元对正向和逆向两个均衡单元的输出结果进行相加，判决单元对相加后的数据进行判决，误差提取单元根据判决结果产生新的误差信号，自适应算法单元将误差信号和输入信号进行运算，产生下一时刻的均衡系数。
5.如权利要求1所述的对百兆量级宽带接收信号的均衡方法，其特征在于，数据指派单元每个码元周期接收一个码元的多个采样点，正向均衡单元和逆向均衡单元每个码元进行一次均衡运算，求和单元输出一个均衡结果，判决单元每个码元周期内根据均衡结果的值进行判决输入一个判决值，误差提取单元生成一个误差信号，自适应均衡算法为使横向均衡系数每个码元周期更新一次。
6.如权利要求1所述的对百兆量级宽带接收信号的均衡方法，其特征在于，逆向均衡单元有一个系数可调节的横向滤波结构，其输入是均衡结果
Figure FSA00000412056700021
的判决值
Figure FSA00000412056700022
按时间顺序组成的判决序列是
Figure FSA00000412056700023
7.如权利要求1所述的对百兆量级宽带接收信号的均衡方法，其特征在于，判决单元串接在求和单元之后，它的输入是正向和逆向两个均衡单元的均衡结果之和
Figure FSA00000412056700024
8.如权利要求1所述的对百兆量级宽带接收信号的均衡方法，其特征在于，自适应算法单元使用迫使误差信号均方值最小的LMS算法，它对经收敛因子调节后的误差信号e(n)和输入的基带信号进行运算，进行梯度估计和均衡系数的更新。LMS算法使正向均衡单元的系数更新为：逆向均衡单元的系数更新为
Figure FSA00000412056700026
W(n)和W(n+1)为当前和下一时刻的均衡系数，uf和ub为相应的误差收敛因子，Xk是正向均衡单元第k个横向滤波结构的输入序列，
Figure FSA00000412056700031
是逆向均衡单元横向滤波结构的输入，X*表示对序列X求复共轭。
9.如权利要求1所述的对百兆量级宽带接收信号的均衡方法，其特征在于，所述横向滤波结构的系数每个码元周期，根据均衡算法模块传递来的系数进行更新。
10.如权利要求1所述的对百兆量级宽带接收信号的均衡方法，其特征在于，每个横向均衡结构均衡系数的更新，由各自误差输入乘以收敛因子与数据输入相乘，再与上一码元周期的均衡系数相加产生。
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