CN1092861C

CN1092861C - 噪声减小的有限冲激响应滤波器均衡器及其噪声减小方法

Info

Publication number: CN1092861C
Application number: CN 98117980
Authority: CN
Inventors: 宋杭宾; 王匡; 归琳
Original assignee: Hi-Tech Research & Development Center State Science & Technology Commission
Current assignee: Hi-Tech Research & Development Center State Science & Technology Commission
Priority date: 1998-09-11
Filing date: 1998-09-11
Publication date: 2002-10-16
Anticipated expiration: 2018-09-11
Also published as: CN1213898A

Abstract

一种噪声减小的有限冲激响应滤波器(FIR)均衡器及其噪声减小方法，所说有限冲激响应滤波器(FIR)均衡器由一个数字信号处理(DSP)，第一横向滤波器和第二横向滤波器组成，数字信号处理器(DSP)实现自适应滤波，横向滤波器实现高速的横向滤波；其特征在于：所说数字信号处理器(DSP)从输入的数据中检测码间干扰(付径、带内波动等)的强度，根据输入信噪比设定门限值，低于这个门限值的码间干扰都判为噪声，把没有付径而只有噪声的抽头系数都固定为零，即给抽头系数设定一个门限值，低于门限值的抽头系数都用零系数代替。

Description

噪声减小的有限冲激响应滤波器均衡器及其噪声减小方法

本发明涉及一种噪声减小的有限冲激响应滤波器(FIR)均衡器及其噪声减小方法。

FIR(有限冲激响应滤波器)均衡器结构简单、易于实现，在HDTV接收机中是均衡器的一个可选方案，尤其在研制初期是首选方案。但100多节的FIR均衡器对噪声有较大的增强作用，对接收机接收信号十分不利。

自适应FIR均衡器原理如图1所示。FIR均衡器实际上就是一个横向滤波器。Z^-1单元是延时单元，将信号延迟一个时钟周期；C₀～C_N是节点抽头系数。各延时信号乘以相应系数，累加起来就得到输出结果。C₀～C_N是自适应调节的，e(n)乘以步长a₀用以调节各抽头系数。

FIR均衡器工作原理的数学表达式如下：

均衡器输入：

r(KT)

均衡器输出：

Z (KT) = Σ_{n = 0}^{N} C_{n} \cdot r (KT)

使用均方误差最小准则时，误差的梯度为：

\frac{&PartialD; E [e_{K}^{2}]}{&PartialD; Cn (K)}

其无偏估计为：

\frac{&PartialD; e_{K}^{2}}{&PartialD; Cn (K)} = 2 e_{K} r (KT - nT)

。

因此可得系数更新算法：

c_n(k+1)＝c_n(k)-Δe_kr(kT-nT)

前馈均衡器的优点是：①环路总是稳定的。②既可以消除延迟的付径也可以消除超前的付径。缺点是：①在消除付径干扰时，将信号延迟、乘系数、加到原信号中，在这个过程中，噪声将增大。②在消除一个付径干扰时，前馈均衡器会产生另一个时延是原付径两倍、幅度为原付径平方的多径干扰。这个次生的付径干扰也可以消除，但要产生一系列幅度逐渐变小的次生多径干扰。到最后，新产生未被消除的次生干扰幅度变得很小，类似于信号中的噪声，可以被纠错编码纠正，或在“量化”过程中消失。而要达到这种效果，要求横向滤波器相当长，具有足够多的节点和抽头系数。

例如：使用自适应的FIR滤波器作均衡器，均衡器参数自动调节到最佳。当设计多径信道付径时延为3，付径相对主径幅度为0.1时，FIR均衡器各节点的系数达到稳定收敛时，依此为：1，0，0，-0.1，0，0，+0.01，0，0，-0.001，0，0，0.0001，0，0，-0.00001……。系数0.1抵消信道付径，产生0.01的付径。抵消0.01的付径时产生0.001和0.0001的付径，这个过程不是简单的重复，即抵消第二个付径时产生不止一个付径。

图2示意了FIR均衡器产生次生付径的过程。

计算机仿真发现：对延时n，幅度为A的付径，产生一系列延时为了2n，3n，4n，5n，…幅度为A^**2，A^**3，A^**4，A^**5…的次生付径，并依次抵消。

均衡器的节点数目是逐步增加的。在数字微波通信中，用于消除信道失真的均衡器长度为5-6节。在2.4kb/s以上速率的Modem中，用于消除电话信道的均衡器长度一般为十几节到二十几节。在HDTV中，为了消除时延较大的鬼影失真，美国大联盟方案中均衡器的长度第一次超过100级。

使用这么长的FIR均衡器，带来的问题主要有：①由于FIR滤波器噪声是积累的，当级数多时信噪比要下降。②级数多时抽头系数调节步长减小，收敛速度变慢，要训练更多的输入信号点抽头系数才能调节到最佳。③硬件复杂性大大增加。

HDTV中均衡器硬件实现是非常困难的，在分析了①专用信号处理器(DSP)实现，②超大规模现场可编程门阵列(FPGA)实现，③超大规模专用集成电路(ASIC)实现之后，得到的结论是HDTV中均衡器只能使用TMS320C31 DSP加L64240组成的系数可以重新置入的自动均衡器。L64240负责作横向滤波，DSP负责为L64240提供系数。

L64240是我们目前能够得到的做横向滤波器的规模最大的芯片。L64240是为FIR设计的芯片，在其使用手册中指明用于FIR时可以多片扩展构成长的滤波器，但L64240的使用手册中没有说明构成IIR时可以多片扩展构成长的滤波器。可想而知，构成DFE时困难比FIR大许多。因此，使用L64240构成FIR均衡器，是HDTV中均衡器实现的一个重要方案。

本发明的目的是提供一种噪声减小的有限冲激响应滤波器(FIR)均衡器及其噪声减小方法。它给均衡器抽头系数设置一个门限值，小于门限值的抽头系数都置为零可以显著地降低噪声的影响，明显地减小FIR均衡器带来的系统门限信噪比的上升，提高FIR均衡器的性能。

按照本发明的一种噪声减小的有限冲激响应滤波器(FIR)均衡器，它由一个数字信号处理器(DSP)，第一横向滤波器和第二横向滤波器组成，数字信号处理器(DSP)实现自适应滤波，横向滤波器实现高速的横向滤波；数字信号处理器(DSP)从输入的数据取出同步信号，计算出均衡器128个节点的抽头系数，分别送到第一和第二横向滤波器的系数输入端，数字信号处理器(DSP)还控制着第一和第二横向滤波器的工作状态，即提供横向滤波器控制字；第一横向滤波器接受来自外部的输入数据，由其DI0端输入，外部的输入数据在第一横向滤波器中经过64级延时，由其SR端输出，送到级联的第二横向滤波器的DI0输入端；各个横向滤波器的节点延时的输入数据与节点抽头系数相乘后累加，结果由DO端输出即完成了横向滤波；第一和第二横向滤波器的输出通过一个加法器相加后即得到均衡器的输出结果；

其特征在于：所说数字信号处理器(DSP)从输入的数据中检测码间干扰(付径、带内波动等)的强度，根据输入信噪比设定门限值，低于这个门限值的码间干扰都判为噪声，把没有付径而只有噪声的抽头系数都固定为零，即给抽头系数设定一个门限值，低于门限值的抽头系数都用零系数代替。

按照本发明的有限冲激响应滤波器(FIR)均衡器的噪声减小方法，所说有限冲激响应滤波器(FIR)均衡器由一个数字信号处理器(DSP)，第一横向滤波器和第二横向滤波器组成，数字信号处理器(DSP)实现自适应滤波，横向滤波器实现高速的横向滤波；其特征在于：

所说数字信号处理器(DSP)将抽头系数分别送到第一和第二横向滤波器的系数输入端并控制着第一和第二横向滤波器的工作状态，即提供横向滤波器的控制字；

所说数字信号处理器(DSP)从输入的数据中检测码间干扰(付径、带内波动等)的强度，根据输入信噪比设定门限值，低于这个门限值的码间干扰都判为噪声，把没有付径而只有噪声的抽头系数都固定为零，即给抽头系数设定一个门限值，低于门限值的抽头系数都用零系数代替。

下面将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

图1是自适应FIR均衡器的原理图。

图2是FIR均衡器产生次生付径的示意图。

图3是按照本发明的噪声减小的有限冲激响应滤波器(FIR)均衡器的原理图。

图4是按照本发明的噪声减小的有限冲激响应滤波器(FIR)均衡器的方框图。

图5是按照本发明的噪声减小的有限冲激响应滤波器(FIR)均衡器的详细结构图。

下面结合图3-5对本发明的噪声减小的有限冲激响应滤波器(FIR)均衡器及其噪声减小方法进行详细说明。

数字传输系统有一个门限信噪比。当传输系统输出的信噪比低于门限信噪比时，信息完全无法传输。当传输系统输出的信噪比略高于门限信噪比时，信息就可以很好地传输，此时传输系统继续提高信噪比，并不能提高系统传输信息的能力。HDTV地面广播系统门限信噪比为14.9dB。即均衡器输出的信噪比(有用信号与噪声、残余码间等有害信号之比)必须高于14.9dB。FIR均衡器有噪声增强作用，输入FIR均衡器的白噪声(不包括码间干扰)必须更小，相当于提高了系统的门限信噪比。

理论分析和计算机仿真都说明：128节的FIR均衡器在输入信噪比为16～20dB时输出信噪比将下降1～2dB。也就是说，使用FIR均衡器要求调制解调器系统的门限信噪比提高1～2dB。

然而，为了得到14.9dB的门限信噪比，HDTV系统使用了复杂的RS码的纠错编码和码率为2/3的TCM(格状编码调制)，用软判决Viterbi译码方法解码。FIR均衡器1～2dB的门限信噪比损失实在太大了。而且在系统信噪比富余量小时这会使系统难以正常工作。因此，FIR均衡器的噪声问题成为阻碍HDTV中均衡器正常工作的关键问题，必须解决。

从时域分析，FIR均衡器与判决反馈IIR均衡器工作原理类似，都是利用输出的冲击响应函数逐一对消延迟的码间干扰。即利用主径适当延时并乘以系数，对消付径等码间干扰。当系数正确调节时，可以把码间干扰消除掉。不同之处在于FIR均衡器要产生次生的付径，IIR均衡器不产生次生的付径。

根据HDTV信道的特征，无线视距传输存在反射，折射等，产生付径，这种付径的数目是有限的几条，加拿大通信研究中心在渥太华地区201MHz频道的实测结果表明，发射机到接收机的传输信号的多径数目平均为3.33条。

因此，在只有多径而无噪声的情况下，100多级的FIR均衡器工作时抽头系数只有几个不为零，其余绝大多数都应该为零。不为零处就是付径和次生付径所在处。计算机仿真证实了理论分析得到的这个结论。

加入噪声时，计算机仿真发现抽头系数一般不为零，而是一些小的数值。这是由于噪声造成的。

HDTV系统中，信道编解码有相当强的纠错能力，完全可以对付相当大的噪声(-15dB以下)以及幅度小于或等于噪声的付径等码间干扰，因此，均衡器只要设计成能对付幅度相当大(大于-15dB)的付径即可。

在大的付径(包括次生付径)的位置均衡器抽头系数不为零。其余近百个均衡器抽头系数应该为零，不为零也是噪声的影响，所以可以把没有付径出现的所有抽头系数都强制为零。

具体实现方法是：均衡器中使用信号处理DSP检测码间干扰(付径、带内波动等)的强度，根据输入信噪比设定门限值，低于这个门限值的码间干扰都判为噪声(实际上幅度小的码间干扰，其影响就如同噪声一样)，把没有付径而只有噪声的抽头系数都固定为零。即给抽头系数设定一个门限值，低于门限值的抽头系数都用零系数代替。

图3显示了本发明的噪声减小的有限冲激响应滤波器(FIR)均衡器的原理图。与图1比较，差别只是在抽头系数Cn送到乘法器之前加了一个门限电路，小于门限电平的Cn都变成了零。

图4显示了本发明的噪声减小的有限冲激响应滤波器(FIR)均衡器的方框图。它由一个数字信号处理器(DSP)TMS320C31，第一横向滤波器(L64240)和第二横向滤波器(L64240)组成。横向滤波器(L64240)和数字信号处理器(DSP)TMS320C31各有优点，前者可以实现高速的横向滤波，后者可以实现自适应滤波。两者各完成HDTV中自适应均衡器的一种功能，结合起来才能实现HDTV中的均衡器。数字信号处理器(DSP)TMS320C31从输入的数据中取出同步信号，计算出均衡器128个节点的抽头系数，分别送到第一和第二横向滤波器(L64240)的系数输入端。数字信号处理器(DSP)TMS320C31还控制着第一和第二横向滤波器(L64240)的工作状态，即提供横向滤波器(L64240)控制字。

为了减小噪声，数字信号处理器(DSP)TMS320C31还从输入的数据中检测码间干扰(付径、带内波动等)的强度，根据输入信噪比设定门限值，低于这个门限值的码间干扰都判为噪声(实际上幅度小的码间干扰，其影响就如同噪声一样)，把没有付径而只有噪声的抽头系数都固定为零。即给抽头系数设定一个门限值，低于门限值的抽头系数都用零系数代替。

第一横向滤波器(L64240)接受来自外部的输入数据，由其DI0端输入。外部的输入数据在第一片横向滤波器(L64240)中经过64级延时，由其SR端输出，送到级联的第二横向滤波器(L64240)的DI0输入端。每个各个横向滤波器(L64240)的节点延时的输入数据与节点抽头系数相乘后累加(参见图3)，结果由DO端输出即完成了横向滤波。第一和第二横向滤波器(L64240)的输出通过一个加法器相加后即得到本发明的均衡器的输出结果，所说加法器可以是第二横向滤波器(L64240)中现成的加法器。

横向滤波器(L64240)一片可以完成8bit精度，64节点的横向滤波。因为横向滤波器(L64240)本身考虑了多片级联构成更大的滤波器的问题，所以横向滤波器(L64240)可以很自然地级联起来完成更长的FIR滤波器。实际电路调试表明：两片横向滤波器(L64240)级联组成一个128节的FIR滤波器除了总时延增加一个时钟周期以外，没有任何其他困难。

图5是按照本发明的噪声减小的有限冲激响应滤波器(FIR)均衡器的详细结构图。它是一个128节的FIR电路。图中左边的数字信号处理器(DSP)TMS320C31提供系数和控制字给两片横向滤波器(L64240)的所有节点。数字信号处理器(DSP)TMS320C31本身实际上是一个慢速的自适应滤波器。右边两片横向滤波器(L64240)构成128级的高速横向滤波器。两片横向滤波器(L64240)级联的方法是：第一片的SR接第二片的DI，第一片的DO接第二片的PR，第一片的DI是总输入，第二片的DO是总输出。接法比较简单。对抽头系数Cn的门限判决和置零都是由数字信号处理器(DSP)TMS320C31的软件实现的。

本发明带来的效果是非常明显的。根据计算机仿真结果，只要适当选取门限值，被抬高的门限信噪比的升高值的70％以上都可以降回去。例如信噪比为16dB的输入信号，经过FIR均衡器后输出信噪比为15.5dB左右。如果均衡器抽头系数门限定为，则输出信号的信噪比为15.9dB左右。又如，信噪比为20dB的输入信号，经过FIR均衡器后输出信噪比为19dB左右。如果均衡器抽头系数门限定为

，则输出信号的信噪比为19.7dB左右。

在实际的HDTV功能样机系统中，均衡器采用上述方法得到了很好的效果，可以看到均衡器输出噪声明显降下来了。

Claims

1，一种噪声减小的有限冲激响应滤波器(FIR)均衡器，它由一个数字信号处理器(DSP)，第一横向滤波器和第二横向滤波器组成，数字信号处理器(DSP)实现自适应滤波，横向滤波器实现高速的横向滤波；数字信号处理器(DSP)从输入的数据取出同步信号，计算出均衡器128个节点的抽头系数，分别送到第一和第二横向滤波器的系数输入端，数字信号处理器(DSP)还控制着第一和第二横向滤波器的工作状态，即提供横向滤波器控制字；第一横向滤波器接收来自外部的输入数据，由其DI0端输入，外部的输入数据在第一横向滤波器中经过64级延时，由其SR端输出，送到级联的第二横向滤波器的DI0输入端；各个横向滤波器的节点延时的输入数据与节点抽头系数相乘后累加，结果由DO端输出即完成了横向滤波；第一和第二横向滤波器的输出通过一个加法器相加后即得到均衡器的输出结果；

2，一种有限冲激响应滤波器(FIR)均衡器的噪声减小方法，所说有限冲激响应滤波器(FIR)均衡器由一个数字信号处理器(DSP)，第一横向滤波器和第二横向滤波器组成，数字信号处理器(DSP)实现自适应滤波，横向滤波器实现高速的横向滤波；所说噪声减小方法的特征在于：

将抽头系数分别送到第一和第二横向滤波器的系数输入端，并控制第一和第二横向滤波器的工作状态，即向第一和第二横向滤波器提供横向滤波的控制字；

从输入的数据中检测码间干扰(付径、带内波动等)的强度，根据输入信噪比设定门限值，低于这个门限值的码间干扰都判为噪声，把没有付径而只有噪声的抽头系数都固定为零，即给抽头系数设定一个门限值，低于门限值的抽头系数都用零系数代替。