CN102821074A - 一种分段变步长的均衡方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种涉及信道估计与均衡领域的分段变步长的均衡方法，使用LMS算法的迭代次数与设定的最佳判定迭代次数进行比较，当小于最佳判定迭代次数时，利用变形的对数函数来控制步长因子的快速变化；当大于最佳判定迭代次数时，采用变形的余弦函数来控制步长因子的平缓变化。本发明比基本的LMS算法具有更快的收敛速度，而且同时满足了收敛速度和收敛精度的要求；并且与其他的变步长均衡算法相比，克服了易陷入局部极小值的缺点，更适应工作在低信噪比环境下，具有较低的计算复杂度。

Description

一种分段变步长的均衡方法
技术领域
本发明涉及信道估计及均衡领域，具体涉及一种分段变步长的均衡方法，以实现一种能够同时满足收敛速度及收敛精度，并且优于常见的变步长的均衡方法。
背景技术
近年来，人们对于通信质量的要求越来越高，但是无线信道的随机性将会制约无线通信系统的通信性能。信道估计和均衡技术能够准确地估计出无线信道的特征和参数，并且以数学方式将其表达出来，从而估计出信道的可能输入信号并且使其与原始先验输入信号的估计误差最小化，降低判决误差，提高通信性能。
均衡技术可以有效解决由于多径效应和信道有限带宽所产生的码间干扰，其最基本的方法是LMS均衡算法。LMS算法存在其自身的固有缺点：步长因子固定，不能同时满足收敛精度和收敛速率。为此，很多的变步长LMS均衡方法被提出。
采用变步长均衡算法是一种有益的尝试，因为步长因子在收敛过程中非常重要。采用大步长，每次调整抽头系数的幅度大，体现在性能上就是收敛速度快及跟踪速度快；当均衡器最优值接近理想值时，采用小步长，使抽头系数在最优值附近小幅度调整，以达到最佳效果，体现在性能上就是收敛精度高。因此，采用误差因子来动态控制步长因子可以达到要求。
常见的变步长LMS均衡方法也存在很多问题：其一，步长因子的迭代公式过于复杂，使均衡器不易设计及控制；其二，在收敛速度快的方法中，误差信号接近零时，步长因子的变化依然很快，容易陷入局部极小值，无法平缓收敛；其三，在收敛精度高的方法中，大部分步长表达式中存在指数运算，使运算的复杂度大大增加。
发明内容
技术问题：如何提供一种分段变步长的均衡方法，使均衡系统能够快速收敛的同时，具有较高的收敛精度，并且此均衡算法能够不陷入局部极小值，收敛到更高水平。
技术方案：一种分段变步长的均衡方法，其特征在于包括以下几个步骤：
1.    初始化均衡器的权矢量系数；
2. 在系统的初始阶段，即在迭代次数小于设定的最佳迭代次数时，利用变形的对数函数公式                                                
Figure 253654DEST_PATH_IMAGE001
来控制步长因子的变化，根据步长因子、误差信号及输入信号来更新均衡器的权重系数；此时权重系数的更新是迅速的；
3. 在系统收敛到一定程度后，即迭代次数超过所设定的最佳迭代次数时，则利用变形的余弦函数公式
Figure 2012103359500100002DEST_PATH_IMAGE002
来控制步长因子的变化，根据此时的步长因子、误差信号及输入信号来控制均衡器的权值系数；此时权重系数是平缓变化的；
4. 当迭代次数达到最大值时，停止迭代；
5. 根据权重系数及输入信号得到均衡器的输出信号。
技术优点：与现有技术相比，该发明具有的优点是可以同时满足收敛速度和收敛精度的要求，并且不会陷入局部极小值，可以在低信噪比情况下良好地工作，更重要的是该方法中步长因子的控制函数具有较多可改变的参数，使其可以满足各种系统的需要，具有较强的适应性。
附图说明
结合附图阅读本发明的以下详细描述，可以更好地理解本发明及其优点和其他特征，其中：
附图1示出了基本的LMS均衡算法系统流程图；
附图2示出了本发明中系统在初始阶段所使用的步长因子与迭代次数的关系曲线图；
附图3示出了本发明中系统接近收敛时所使用的步长因子与迭代次数的关系曲线图；
附图4示出了本发明中步长因子迭代部分的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的技术方案更加清楚明白，下面结合附图对本发明进行进一步的详细说明。
附图1为基本LMS均衡方法的系统流程图。
1. 图中
Figure 971074DEST_PATH_IMAGE003
为均衡器的输入信号，为均衡器的输出信号，
Figure 179333DEST_PATH_IMAGE005
为更新均衡器的权值系数，
Figure 2012103359500100002DEST_PATH_IMAGE006
为期望信号，
Figure 931388DEST_PATH_IMAGE007
为误差信号，
Figure 2012103359500100002DEST_PATH_IMAGE008
为固定的步长因子；
2. 流程图中各个参数之间的关系为：
Figure 691534DEST_PATH_IMAGE009
Figure 2012103359500100002DEST_PATH_IMAGE010
3. 基本LMS均衡系统的输出信号表示为：
Figure 896250DEST_PATH_IMAGE011
附图2是在系统的初始阶段，步长因子的迭代表达式中步长因子与迭代次数之间的曲线关系。
1.      在系统初始阶段，以提高收敛速度为主，使用变形的对数来控制步长因子的变化：
Figure 2012103359500100002DEST_PATH_IMAGE012
2. 
Figure 970517DEST_PATH_IMAGE013
、
Figure 2012103359500100002DEST_PATH_IMAGE014
是可调参数。
Figure 577079DEST_PATH_IMAGE013
决定了步长的最大值，
Figure 570442DEST_PATH_IMAGE013
越大，最大值越大；
Figure 262455DEST_PATH_IMAGE014
决定了曲线的陡峭度，同时影响步长最大值，
Figure 999467DEST_PATH_IMAGE014
越大，变化越陡峭。此函数特性是收敛速度快。
附图3所示的是在系统的收敛阶段，步长因子的迭代表达式中步长因子与迭代次数之间的曲线关系。
1.      在系统接近零处，以平缓变化为主，使用变形的余弦函数来控制步长因子的变化：
2.      其中，
Figure 2012103359500100002DEST_PATH_IMAGE016
为可调参数，可以控制平缓变化的区域。此函数特性是变化平缓。
附图4所示为本发明在步长因子迭代部分的系统流程图，将图4与图1结合起来可以得到本发明的具体实现步骤：
1. 初始化各个参数；
2. 均衡器的运行方式为迭代运行；
3. 利用均衡器产生的权值系数控制系统的输出；其中，的计算表达式要经过迭代次数与设定的最佳判定系数进行比较后来决定；
4. 如果迭代次数小于最佳判定迭代次数，则按照附图2所示的公式计算步长因子；直到迭代次数等于或者大于最佳判定迭代次数后就按照附图3所示的公式计算步长因子；
5. 当迭代次数等于最大的迭代次数时，循环结束；
6. 根据权重系数及输入信号得到均衡器的输出信号。
按照上述设计的步骤，首先在初始阶段利用了对数函数曲线陡峭的特点，由对数函数来更新步长因子，然后在接近收敛阶段利用余弦函数曲线变化平缓的特点，由余弦函数来控制步长因子。实验结果验证了此算法的优越性。然而本发明依然有改进的空间，在实际仿真过程中利用极少的迭代次数就可以达到比较好的效果，因此考虑以估计误差达到某种程度作为方法结束的判决条件，这样可以大大减少时间开销，使其性能得到进一步优化。

Claims (1)

1.一种分段变步长的均衡方法其特征在于包括以下几个步骤：
A、初始化均衡器的权矢量系数；
B、在系统的初始阶段，即在迭代次数小于设定的最佳迭代次数时，利用变形的对数函数                                                
Figure 331997DEST_PATH_IMAGE001
来控制步长因子的变化，利用步长因子、误差信号及输入信号来更新均衡器的权重系数；
C、在系统收敛到一定程度后，即迭代次数超过所设定的最佳迭代次数时，则利用变形的余弦函数
Figure 2012103359500100001DEST_PATH_IMAGE002
来控制步长因子的变化，利用此时的步长因子、误差信号及输入信号来控制均衡器的权值系数；
D、当迭代次数达到最大值时，停止迭代；
E、根据权重系数及输入信号得到均衡器的输出信号。
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