CN109729029B - 一种时域干扰消除的频域判决反馈均衡方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种时域干扰消除的频域判决反馈均衡方法，包括以下步骤：将时域信号y经过FFT变化后得到频域信号Y，将频域信号Y输入到频域前馈滤波器得到频域信号Z，将频域信号Z经过IFFT变换后得到时域信号z，将时域信号z输入判决器得到时域信号d，将时域信号d经过FFT变换后得到频域信号D，将频域信号D输入频域反馈滤波器得到频域信号I，将频域信号I经过IFFT变换后得到时域信号i，将时域信号z与时域信号i相减再与时域信号p相加得到时域干扰消除的输出信号x；还公开了与该方法相匹配的装置。本发明实现了判决反馈均衡装置中前馈滤波和反馈滤波在频域中进行、干扰消除在时域中进行，降低了频域反馈滤波系数计算的复杂度，且更利于理解。

Description

一种时域干扰消除的频域判决反馈均衡方法与装置

技术领域

本发明属于数字通信技术领域，特别涉及一种时域干扰消除的频域判决反馈均衡方法与装置。

背景技术

在陆地移动通信、短波通信以及无人机通信等通信环境下，收发之间都可能存在有多条不同的传输路径，也即多径传输效应。多条路径信道到达接收端的时间不同，当多径时延与信号的符号周期相当或更大的时候，就会引入码间串扰。码间串扰会造成接收端解调出错，并且这种错误无法通过增加发射功率来克服，必须在接收端进行均衡来消除码间串扰从而消除误码。

通常采用均衡器来消除码间串扰，简单的线性均衡器的性能无法满足实际系统的需求，而实用的均衡器大多采用判决反馈算法，利用判决后的符号消除后续均衡结果中剩余的码间串扰，从而提高均衡性能。判决反馈均衡算法的复杂度与信道的多径时延有关，随着以符号周期计的多径时延长度M的增大，时域均衡算法和频域均衡算法的复杂度都迅速增大。M的取值与信道的多径时延成正比，与信号的符号周期成反比，随着传输带宽的增加，以符号周期计的多径时延不断增大，直至达到上百个符号，从而信号的符号周期将越来越窄，导致M的取值越来越大，使得时域均衡算法的复杂度迅速增大直至无法实现，为了降低均衡的复杂度，可将均衡在频域进行。

频域线性均衡算法适用于信道多径时延相对于信号的符号周期较长的情况。简单的线性MMSE均衡算法在码间串扰较为严重的信道中的均衡性能较差，均衡结果中会有较大的剩余码间串扰，实际中引入判决反馈构成非线性的MMSE均衡器，利用已经判决出来的符号进一步消除后续均衡输出中的剩余码间串扰，以改善均衡器的性能。

目前，判决反馈均衡器根据前馈滤波、反馈滤波以及干扰消除三个部分是在时域进行还是在频域进行分为如下表1所示的几类：

表1

均衡器类型	前馈滤波	反馈滤波	干扰消除
				时域判决反馈均衡器	时域	时域	时域
半频域判决反馈均衡器	频域	时域	时域
				全频域判决反馈均衡器	频域	频域	频域

半频域判决反馈均衡器的反馈滤波是在时域实现的，虽然反馈滤波本身由于抽头数较少的原因计算并不复杂，但是计算反馈滤波抽头系数需要已知时域前馈滤波的抽头系数，而时域前馈滤波的抽头系数的计算往往需要进行矩阵求逆操作，因此复杂度仍然较高；全频域判决反馈均衡器通过在频域实现反馈滤波，避免了求时域反馈滤波系数的复杂度计算过程，但是由于其干扰消除也是在频域进行的，为了避免将当前符号的判决结果反馈到当前符号的干扰消除操作中，需要对频域前馈滤波和频域反馈滤波的系数进行相应约束，以保证对应的时域滤波器的抽头系数满足下标是0的位置的响应为0的条件，从而增加了计算频域前馈滤波和频域反馈滤波系数的计算复杂度。

由此可知，前馈滤波和反馈滤波更适合于在频域实现，频域滤波系数和频域滤波的计算都要比对应的时域操作更加简单，而干扰消除则更适合于在时域进行。这是因为在干扰消除时，需要保证不能把当前符号的判决结果反馈给当前符号的干扰消除操作，这一点在时域是显而易见的，即，使得时域反馈滤波器的下标是0的抽头系数为0即可；而在频域要满足这个要求则需要对所有的频率滤波系数进行修改，不仅增加了计算量，而且不容易理解。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种时域干扰消除的频域判决反馈均衡方法，本方法基于MMSE准则进行优化运算，实现频域判决反馈均衡干扰消除在时域中进行，从而使均衡性能得到改善；本发明还公开了一种时域干扰消除的频域判决反馈均衡装置，该装置可以实现前馈滤波和反馈滤波在频域中进行，同时可以达到干扰消除在时域中进行的目的。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现：

技术方案一

一种时域干扰消除的频域判决反馈均衡方法，所述方法包括如下步骤：

步骤1，将时域信号y经过FFT变化后得到频域信号Y，并计算H；

步骤2，将所述频域信号Y输入到频域前馈滤波器得到频域信号Z，并计算μ；

步骤3，将所述频域信号Z经过IFFT变换后得到时域信号z；

步骤4，将所述时域信号z输入判决器得到时域信号d，并计算时域信号p；

步骤5，将所述时域信号d经过FFT变换后得到频域信号D；

步骤6，将所述频域信号D输入频域反馈滤波器得到频域信号I；

步骤7，将所述频域信号I经过IFFT变换后得到时域信号i；

步骤8，将所述时域信号z与所述时域信号i相减，相减的差再与所述时域信号p相加，从而得到时域干扰消除的输出信号x，即x＝z-i+p。

技术方案二

一种时域干扰消除的频域判决反馈均衡装置，包括频域前馈滤波器、判决器以及频域反馈滤波器，所述频域前馈滤波器用于接收输入的频域信号Y，得到经过滤波的频域信号Z，并经过IFFT变换输出时域信号z，所述频域前馈滤波器为匹配滤波器；所述判决器用于接收输入的时域信号z，得到经过判决的时域信号d，所述判决器为匹配判决器；所述频域反馈滤波器用于接收输入的频域信号D，得到经过滤波的频域信号I，并经过IFFT变换输出时域信号i，所述频域反馈滤波器为匹配滤波器。

将所述频域前馈滤波器最终输出的时域信号z与所述频域反馈滤波器最终输出的时域信号i相减，并加上时域信号p，从而得到时域干扰消除的输出信号x＝z-i+p。

本发明提出的上述方案，实现了判决反馈均衡装置中前馈滤波和反馈滤波在频域中进行，利用FFT和IFFT变换降低了实现的复杂度；同时实现了干扰消除在时域中进行，降低了频域反馈滤波系数计算的复杂度，且更利于理解。该时域干扰消除的频域判决反馈均衡装置在整体上降低了复杂度，更加适用于多径时延大或高速数据传输中，更利于硬件的实现。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的时域干扰消除的频域判决反馈均衡方法的流程示意图；

图2为本发明实施例的时域干扰消除的频域判决反馈均衡装置结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1所示为本发明实施例提供的一种时域干扰消除的频域判决反馈均衡方法的流程示意图。

如图1所示，本发明实施例提供的一种时域干扰消除的频域判决反馈均衡方法，包括如下步骤：

步骤1，将时域信号y经过FFT变化后得到频域信号Y，并计算H。

在通讯系统中，接收信号为时域信号y，将该时域信号y经过FFT变换可以得到频域信号Y。

在运算中，设第k次接收到的时域信号为y_k，对应地，发送信号为x_k，则根据信道响应关系得：

其中，h_l是信道响应抽头系数，w_k是方差为δ²的加性高斯白噪声，M₁是信道响应的非因果部分的长度，M₂是信道响应的因果部分的长度。

而频域Turbo均衡算法的推导是基于循环前缀的存在，或基于前后相同的训练序列构造的等效循环前缀。设频域均衡FFT的长度为N，由于循环前缀的存在，信道对一个数据块的影响可以看作是对整个数据块的循环卷积，可将多径信道响应关系(1-1)改写为矩阵形式：

y＝H_Cx+ω

其中：y＝[y₀，y₁，…，y_N-1]^T；

x＝[x₀，x₁，…，x_N-1]^T；

ω＝[ω₀，ω₁，…，ω_N-1]^T

设向量

该向量h⁰的长度为M，M是总信道的长度，且M＝M₁+M₂+1。

定义向量h，所述向量h以向量h⁰为基准，在向量h⁰元素中的最后一个元素后面补充零，使向量h的长度为N，定义式为：

设定F为DFT变换矩阵，即：

其中，n＝0，1，…，N-1

k＝0，1，…，N-1

从而将公式(1-2)与公式(1-3)代入H的计算式：

H＝Fh (1-4)

计算出H。

步骤2，将所述频域信号Y输入到频域前馈滤波器得到频域信号Z，并计算μ。

首先，将步骤1得到的频域信号Y输入到频域前馈滤波器进行滤波处理，滤波处理后得到频域信号Z。

定义循环矩阵H_C为：

H_C＝Circ_N[h]

其中，Circ_N[h]表示由向量h所构造的一个N×N的循环矩阵，即

时域MMSE准则均衡过程为：

其中，I_N为N×N的单位对角阵。

定义循环矩阵C_T为：

根据循环矩阵的FFT特点，可以将C_T的定义式(2-1)变换到频域实现，即得到频域线性MMSE均衡：

z＝F^-1diag[C]Fy (2-2)

设定频域前馈滤波系数作为向量C中的元素，所述向量C表示为：

定义diag[C]表示以向量C中的元素作为对角线元素构造的对角阵，从而经过频域前馈滤波器滤波处理后可得到频域信号Z。

向量C和Z的标量形式分别为：

其中，H_k是H的标量形式。

其次，计算μ：

所述μ的计算式为：

其中H_k是H的标量形式，从而可计算得μ。

步骤3，将所述频域信号Z经过IFFT变换后得到时域信号z。

将步骤2得到的频域信号Z经过IFFT变换，从而得到时域信号z，变换执行如下操作：

z＝F^-1Z (3-1)

步骤4，将所述时域信号z输入判决器得到时域信号d，并计算时域信号p。

首先，将步骤3得到的时域信号z输入判决器，待判决器处理完信号后，得到时域信号d。

其次，进行时域信号p的计算：

最终的频域判决反馈均衡器的输出为：

x＝F^-1diag[C]Fy-F^-1diag[B]Fd+dC^TH/N

其中，第一项为前馈滤波输出的时域信号z，第二项为反馈滤波输出的时域信号i，第三项是用来消除当前判决符号对自身均衡输出的影响记为p，则：

z＝F^-1diag[C]Fy

i＝F^-1diag[B]Fd

p＝dC^TH/N

从而，最终的频域判决反馈均衡器的输出结果可以表示为：

x＝z-i+p (4-1)

而p可记作：

p＝[p₀，p₁，…，p_N-1]^T (4-2)

其中，p_k＝d_kμ，k＝0，1，…，N-1 (4-3)

而线性MMSE均衡过程也就是判决反馈均衡中的前馈滤波部分，前馈滤波之后需要对整个数据块前馈滤波结果进行硬判决得到判决反馈值d：

d＝[d₀，d₁，…，d_N-1]^T (4-4)

其中，

式(4-5)中x_k是式(4-1)x的标量形式，由式(4-1)和(4-5)可知，第一次均衡时，由于没有反馈数据，可认为此时的i和p都是0，因此第一次均衡其实是对z进行的，进过判决得到时域判决结果d，从而代入式(4-3)可得到p_k，依次类推，可计算出p。

步骤5，将所述时域信号d经过FFT变换后得到频域信号D。

将步骤4得到的时域信号d进行FFT变换，变换后可以得到频域信号D。

步骤6，将所述频域信号D输入频域反馈滤波器得到频域信号I。

将步骤5得到的频域信号D输入频域反馈滤波器，频域反馈滤波进行滤波处理，滤波处理得到频域信号I。

反馈滤波过程也可表示为标量形式如下：

其中，I_k为频域反馈滤波的频域输出，D_k为判决反馈值d变换到频域的结果。

步骤7，将所述频域信号I经过IFFT变换后得到时域信号i。

将步骤6得到的频域信号I进行IFFT变换，变换后可得到时域信号i，执行如下操作：

设定频域反馈滤波系数为B，所述B的表达式为：

B＝diag[C]Fh (7-1)

将公式(7-1)代入时域信号i的计算式：

i＝F^-1diag[B]Fd (7-2)

从而可以得到时域信号i。

步骤8，将所述时域信号z与所述时域信号i相减，相减的差再与所述时域信号p相加，从而得到时域干扰消除的输出信号x：

x＝z-i+p (8-1)

综上可知，频域前馈滤波与频域反馈滤波是在频域中进行的，而干扰消除是在时域中进行的，实现既定目的。

图2所示为本发明实施例提供的一种时域干扰消除的频域判决反馈均衡装置的结构示意图。

如图2所示，一种时域干扰消除的频域判决反馈均衡装置，包括频域前馈滤波器、判决器以及频域反馈滤波器，所述频域前馈滤波器用于接收输入的频域信号Y，得到经过滤波的频域信号Z，并经过IFFT变换输出时域信号z，所述频域前馈滤波器为匹配滤波器；所述判决器用于接收输入的时域信号z，得到经过判决的时域信号d，所述判决器为匹配判决器；所述频域反馈滤波器用于接收输入的频域信号D，得到经过滤波的频域信号I，并经过IFFT变换输出时域信号i，所述频域反馈滤波器为匹配滤波器，将所述频域前馈滤波器最终输出的时域信号z与所述频域反馈滤波器最终输出的时域信号i相减，并加上时域信号p，从而得到时域干扰消除的输出信号x＝z-i+p。

值得强调的是，频域前馈滤波器和频域反馈滤波器中进行FFT和IFFT变换，为了更好说明，在图2中将FFT和IFFT分别另外提出来表示。由图2很显然看出，分别输入频域前馈滤波器的信号Y和频域反馈滤波器的信号D都是频域信号，所以两者滤波处理是在频域中实现的，而干扰消除中的信号z、i、p都是时域信号，所以干扰消除处理是在时域中实现的，从而达到了时域干扰消除的频域判决反馈均衡的目的。

以下通过仿真实验对本发明实施例提供的上述方法的效果进行验证：

仿真实验参照图1的流程进行，首先接收信号y经过FFT变换到频域，得到频域接收信号Y，

Y＝[Y₀，Y₁，…，Y_N-1]^T

然后对Y进行频域前馈滤波，同时即执行式(2-4)的操作，频域前馈滤波后得到前馈均衡输出频域信号Z，同时根据式(2-5)计算μ；频域信号Z经过IFFT变换回时域信号z。第一次均衡时由于没有反馈数据，认为此时的i和p都为0，因此判决实际上是对z进行的。z经过判决得到时域判决结果d，同时由式(4-2)计算出p。判决结果d经过FFT变换的频域得到频域判决结果D：

D＝[D₀，D₁，…，D_N-1]^T

对D进行频域反馈滤波后得到I，同时执行式(6-1)所示的操作，再经过IFFT得到判决反馈滤波结果i，从之前的前馈滤波结果z中减去i再加上p后即得到了最终的判决反馈均衡的输出x，即执行式(8-1)的操作。

由仿真实验可知，本发明方法实现了判决反馈均衡器的前馈滤波和反馈滤波在频域进行，干扰消除在时域进行，从而使时域干扰消除的频域判决反馈均衡方法得到了验证，使时域干扰消除的频域判决反馈均衡装置的复杂度得到降低，更适用于多径时延大或高速数据传输中。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种时域干扰消除的频域判决反馈均衡方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤1，将时域信号y经过FFT变化后得到频域信号Y，并计算H；计算H的过程为：

在通信系统中，设接收信号为y_k，发送信号为x_k，根据信道响应关系得：

其中，h_l是信道响应抽头系数，w_k是方差为δ²的加性高斯白噪声，M₁是信道响应的非因果部分的长度，M₂是信道响应的因果部分的长度；

频域Turbo均衡算法的推导是基于循环前缀的存在，或基于前后相同的训练序列构造的等效循环前缀；设频域均衡FFT的长度为N，由于循环前缀的存在，信道对一个数据块的影响可以看作是对整个数据块的循环卷积，可将多径信道响应关系改写为矩阵形式：

y＝H_Cx+ω

其中：y＝[y₀，y₁，…，y_N-1]^T；

x＝[x₀，x₁，…，x_N-1]^T；

ω＝[ω₀，ω₁，…，ω_N-1]^T

设向量

该向量h⁰的长度为M，M是总信道的长度，且M＝M₁+M₂+1；

定义向量

所述向量h是以向量h⁰为基准，在向量h⁰元素中的最后一个元素后面补充零，使向量h的长度为N；

设定F为DFT变换矩阵，即：

其中，n＝0，1，…，N-1

k＝0，1，…，N-1

根据公式：

H＝Fh

计算得到H；

步骤2，将所述频域信号Y输入到频域前馈滤波器得到频域信号Z，并计算μ；所述将频域信号Y输入到频域前馈滤波器得到频域信号Z需执行如下操作：

定义循环矩阵H_C为：

H_C＝Circ_N[h]

其中，Circ_N[h]表示由向量h所构造的一个N×N的循环矩阵，即

时域MMSE准则均衡过程为：

其中，I_N为N×N的单位对角阵；

定义循环矩阵C_T为：

根据循环矩阵的FFT特点，可以将C_T的定义式变换到频域实现，即得到频域线性MMSE均衡：

z＝F^-1diag[C]Fy

设定频域前馈滤波系数作为向量C中的元素，所述向量C表示为：

定义diag[C]表示以向量C中的元素作为对角线元素构造的对角阵，从而经过频域前馈滤波器滤波处理后可得到频域信号Z；

所述向量C和Z的标量形式分别为：

其中，H_k是H的标量形式；

μ的计算式为：

计算得到μ，其中H_k是H的标量形式；

步骤3，将所述频域信号Z经过IFFT变换后得到时域信号z；

步骤4，将所述时域信号z输入判决器得到时域信号d，并计算时域信号p；

步骤5，将所述时域信号d经过FFT变换后得到频域信号D；

步骤6，将所述频域信号D输入频域反馈滤波器得到频域信号I；

步骤7，将所述频域信号I经过IFFT变换后得到时域信号i；

步骤8，将所述时域信号z与所述时域信号i相减，相减的差再与所述时域信号p相加，从而得到时域干扰消除的输出信号x，即x＝z-i+p。

2.根据权利要求1所述的一种时域干扰消除的频域判决反馈均衡方法，其特征在于，所述步骤3中得到时域信号z的实质是将频域信号Z执行如下操作：

z＝F^-1Z

从而得到时域信号z。

3.根据权利要求2所述的一种时域干扰消除的频域判决反馈均衡方法，其特征在于，所述步骤4中计算时域信号p的具体过程为：

最终的频域判决反馈均衡器的输出为：

x＝F^-1diag[C]Fy-F^-1diag[B]Fd+dC^TH/N

其中，第一项为前馈滤波输出的时域信号z，第二项为反馈滤波输出的时域信号i，第三项是用来消除当前判决符号对自身均衡输出的影响记为p，则：

z＝F^-1diag[C]Fy

i＝F^-1diag[B]Fd

p＝dC^TH/N

从而，最终的频域判决反馈均衡器的输出结果可以表示为：x＝z-i+p

而p可记作：

p＝[p₀，p₁，…，p_N-1]^T

其中，p_k＝d_kμ，k＝0，1，…，N-1

而线性MMSE均衡过程也就是判决反馈均衡中的前馈滤波部分，前馈滤波之后需要对整个数据块前馈滤波结果进行硬判决得到判决反馈值d：

d＝[d₀，d₁，…，d_N-1]^T

其中，

从而可以得到时域信号p。

4.根据权利要求3所述的一种时域干扰消除的频域判决反馈均衡方法，其特征在于，所述步骤7中计算时域信号i的过程为：

根据公式：

i＝F^-1diag[B]Fd

计算时域信号i，其中，B为频域反馈滤波系数：

B＝diag[C]Fh。

5.一种时域干扰消除的频域判决反馈均衡装置，基于权利要求1所述的时域干扰消除的频域判决反馈均衡方法，其特征在于，包括频域前馈滤波器、判决器以及频域反馈滤波器；

所述频域前馈滤波器用于接收输入的频域信号Y，得到经过滤波的频域信号Z，并经过IFFT变换输出时域信号z，所述频域前馈滤波器为匹配滤波器；

所述判决器用于接收输入的时域信号z，得到经过判决的时域信号d，所述判决器为匹配判决器；

所述频域反馈滤波器用于接收输入的频域信号D，得到经过滤波的频域信号I，并经过IFFT变换输出时域信号i，所述频域反馈滤波器为匹配滤波器，

将所述频域前馈滤波器最终输出的时域信号z与所述频域反馈滤波器最终输出的时域信号i相减，并加上时域信号p，从而得到时域干扰消除的输出信号x＝z-i+p。

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