CN1154256C - 一种用于时域信号处理的均衡器 - Google Patents
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Abstract
一种用于时域信号处理的均衡器，在输入信号进入FIR滤波器之前，在回路中加入一个预置信道的线性滤波器，它的滤波系数与FIR滤波器、判决反馈滤波器的滤波系数一道由控制器生成，它具有与传输信道复共轭的冲激响应，其响应函数是传输信道响应函数的共轭值。该均衡器可以用以对付0dB鬼影信号状态。它的稳定性、收敛速度及精确度都得到大幅度提高，改善了系统的同步性。同时也简化了硬件的设计。
Description
本发明属于数字信号处理领域。特别涉及到在时域信号处理中所用到的均衡器的设计。
数字信号处理，就是用数字的方法对信号的波形进行变换，通常是将一个信号变换成在某种意义上的原始信号，成为更合乎要求的另一种信号形式。
信号在传输和变换过程中，常因传输信道或接收机内部元件的某些缺陷或干扰而出现信道失真。例如重影(ghost，双重图象，又称“鬼影”，也称“多径”)，是指那些由于传输系统存在对主传输信号的反射所引起的比主传输信号超前或滞后到达的信号。因此在数字传输中就要使用到均衡器，或称消重影器，用以补偿频道失真。均衡器的主要组成部分是依靠各种数字滤波器，数字滤波过程涉及各种离散数据序列的处理，以便移去噪声、提取信息、改变取样率和以某种形式或前后关系来修改输入信息。它的主要任务是从离散输入序列X(n)构成离散输出序列Y(n)。每个输出取样都是由某种方式从很多个输入取样计算而得。现有技术常使用的均衡器示于图1，它由4个基本部分组成：1)有限冲激响应滤波器(FIR)，它接收输入端所传输的信号，用于消除超前鬼影(比主传输信号提前到达的鬼影信号)；2)判决器，它检验其输入并判决在输入端的哪一个所接收的信号应作为传输给输出端信号。现有技术中所使用的判决器仅是一个数值切割器；3)反馈滤波器，它用于消除滞后鬼影(比主传输信号落后到达的鬼影信号)，并用于更正判决器；4)控制器，它用于接收输入端的数据和输出端的数据，并为FIR滤波器和判决反馈滤波器生成滤波系数；已经有许多算法能生成这些系数，例如LMS算法、RMS算等等。
现有的均衡器在工作中不能保持稳定，例如，当一种滞后鬼影信号与主传输信号幅度完全相等的情况下，主传输信号是M，表示相对幅度为1(0dB)，经过一段时间延迟D，一个与信号M幅度相等的滞后鬼影信号G到达，此时，已有均衡器将无法挑选主传输信号M为输出端的正确输出。若鬼影信号G被作为超前鬼影对待，则FIR波器将会产生数值1的抽头系数并趋向无限长。若鬼影信号G被视为滞后鬼影，则反馈滤波器的误差将被放大，使滤波器变得不稳定。进而，若由于鬼影信号的相位或信道的变化使鬼影G的隔度发生变化。主信号M和鬼影G会互换角色，即主信号一会儿是真的主信号，一会儿又是鬼影。这种互换使原均衡器无法工作，需要重新计算所有滤波器的抽头系数值。在重新计算的过程中，信道得不到均衡，所输出的数据也是无用的。此外，这种互换还将造成系统同步困难，因为系统忽儿锁定于主信号M，忽儿又锁定于鬼影信号G。为此，需要一个更有效的用于时域信号处理的均衡器问世。
本发明的目的，是为了克服已有技术中均衡器工作状态出现不稳定使信道得不到均衡、系统同步困难等缺陷，而重新设一种更稳定有效的时域信号处理均衡器，使鬼影信号被有效消除。本发明是依靠以下技术方案来实现的，一种用于时域信号处理的均衡器，主要包括FIR滤波器、反馈滤波器、判决器和控制器，其特征在于，所述FIR滤波器的抽头系数长度比反馈滤器的抽头系数长度要长，在输入信号进入FIR滤波器之前，在回路中加入一个作为预置信道滤波器工作的线性滤波器，它具有与传输信道复共轭的冲激响应，其响应函数是传输信道响应函数的共轭值，它的滤波系数与FIR滤波器、判决反馈滤波器的滤波系数一道由控制器生成。
预置信道滤波器的系数可以通过对传输信道的分析获得，例如已知训练序列的自相关结果。现时使用的一些传输系统，如用于地面数字电视广播的传输系统，在数据码流中插入训练序列以辅助接收机实现同步、均衡和初始化。通常使用的训练序列是一个最大长度的伪随机序列。例如，在美国地面数字电视广播系统中(ATSC，8VSB)，每隔313数据段(24毫秒)插入511比特的二进制伪随机训练序列。用该已知序列与接收的实际序列进行自相关将可以获得信道冲激响应。
本技术方案的积极效果是，这种增加了预置信道滤波器的均衡器，可以有效对付严重的鬼影信号，包括鬼影信号与主信号幅度相等的情形，并使均衡器的稳定性、收敛速度及精确度都得到大幅度提高，改善了系统的同步性。同时也简化了硬件的设计。该均衡器可以用以对付0dB鬼影信状态。
下面结合附图进一步说明实施例
附图说明：
图1为现有的时域均衡器原理方框图
图2为本发明所采用的时域均衡器原理方框图
图3为0dB鬼影情况下的幅度时间图
图4为0dB时预置信道滤波器的时间响应函数
图5为0dB时鬼影情况下采用预置信道滤波器的输出幅度时间图
图6为理想FIR滤波器的输出幅度与时间关系图
图7为理想方案(虚线)和优化近似方案(实线)的FIR滤波器包络图
图8为优化近似方案FIR滤波器的输出幅度与时间关系图
图中，1表示有限冲激响应滤波器FIR，它与信号输入端5之间加入了预置信道滤波器7，将所接收的输入信号通过加法器叠加入位于其后的判决器2，加法器的另一端连接到反馈滤波器3，由判决器2传输到输出端6的信号，一路反馈回反馈滤波器2，另一路进入控制器4的输出端。
在实施例中，当处于0dB鬼影信号情形时，主信号M和与延迟D的等幅度鬼影信号G叠加在一起，如图3所示，预置信道滤波器7具备与传输信道复共轭的冲激响应，该滤波器的抽头系数值由图4表示，其输出如图5所示，可以看出，0dB鬼影信号G已被转变成为信号幅度远小于0dB的一对鬼影信号A和B，同时峰值信号Mn的现在位置在采样点6，而不在图3中的采样点0。系统现在应该锁定在新的峰值位置上，而不应锁定于原来的主信号M或是鬼影信号G。该均衡器将把最大的信号峰值视作主信号。正是在信该均衡器中使用了预置信道滤波器7，才能确保一个且仅有一个峰值Mn。本峰值信号Mn由原来的主信号M和所有的鬼影信号共同贡献生成。由于利用了全部有用信号功率，使用这种新生成的主信号将极大增进系统均衡的性能。另外，该均衡器利用新生成的峰值信号作为主信号Mn，由于该信号幅度永远大于其它所有的鬼影信号，包括原主信号M，该均衡器将不会像传统的均衡器那样来回切换其滤波器参数。需要指出的是，预置信道滤波器可以只在鬼影信号幅度大于一定预设值时起作用。例如，只有当鬼影信号幅度大于主信号幅度的0.7或0.5时，预置信道滤波器才在该点上有系数。当鬼影信号幅度小于这一预设值时，预置信道滤波器在该点上系数为零。
这一预设值可以极大地简化预置信道滤波器的硬件复杂度。即该滤波器的精度可以很低。另外，如前所叙，预置信道滤波器使得信道的响应增长，因而可以缩短均衡器的长度。本专利所设计的均衡器的另一个好处是没有鬼影信号幅度会大于主信号的50％(3dB功率)，由此，均衡器的收敛速度、稳定性及精确度都得到大幅度提高。由于系统与新生成的峰值信号Mn位置锁定，该位置将不因主信号和鬼影信号的幅度变化而改变，预置信道滤波器7与FIR滤波器可以因此而结合以简化硬件设计。
在新的设计中，FIR滤波器1的抽头系数长度需要比反馈滤波器3的系数长度要长。从图5中可以看到新的主信号Mn位置在采样点6，该采样点位于原主信号M和鬼影信号B的中间，换言之，新生成的主信号Mn移向整个信道响应的中间，因此，FIR滤波器1需要有足够的抽头长度以消除新生成的超前鬼影A。中心抽头(新生成主信号Mn的位置)应靠近(整个均衡器)中间以使得两侧的鬼影信号都能被有效去除。应该指出的是，FIR滤波器应该长于反馈滤波器，这一点与现在使用的均衡器设计不同。现时均衡器的FIR滤波器1的长度要远远短于反馈滤波器3，通常只是其1/4到/10。
FIR滤波器用于消除经过预置信道滤波器之后的主信号之前的任何干扰信号，能够完全消除由0dB多径所引起的码间干扰(ISI)的理想方案，FIR滤波器需要无限长。此时，经过理想滤波，只有噪声增强而无码间干扰。然而，可以通过一个缩短长度的FIR滤波近似方案，此举将产生码间干扰，在码间干扰和噪声增强之间可作折衷，以得到优化结果。换言之，在一个实际的系统中，一定量的码间干扰可以允许换取较小的噪声增加。因此，优化的系统包括限长度的FIR滤波器及码间干扰残留值与噪声增加之间的折衷。
对于小于0dB多径的情况下，图7指出理想方案FIR滤波器抽头数目的包络是一条线性递减的直线，近似优化方案可以通过过截短FIR滤波器长度实现，截短FIR滤波器的优化方案是一条具有指数下降斜率的包络。反馈滤波器用于消除主信号之后的所有干扰信号，这些干扰信号来自FIR滤波器，对于经过信道滤波器的信号进行滤波之后。
图6表示经过了理想FIR滤波之后的输出幅度图，图中只存在噪声增加而没有码间干扰出现。
图7表示了在理想和近似条件下，FIR滤波器抽头数目的包络，在理想方案中滤波器将会无限长，有虚直线可见，而近似优化方案中，有实曲线可见，滤波器要短很多，同时理想方案有一个线性递减斜率，而优化近似方案有一个指数递减斜率。
图8表示经过近似优化FIR滤波器的输出，既包括码间干扰又有噪声增加。
Claims (2)
1.一种用于时域信号处理的均衡器，主要包括FIR滤波器、反馈滤波器、判决器和控制器，其特征在于，所述FIR滤波器的抽头系数长度比反馈滤波器的抽头系数长度要长，在输入信号进入FIR滤波器之前，在回路中加入一个作为预置信道滤波器工作的线性滤波器，它具有与传输信道复共轭的冲激响应，其响应函数是传输信道响应函数的共轭值，它的滤波系数与FIR滤波器、判决反馈滤波器的滤波系数一道由控制器生成。
2.按照权利要求1所述的均衡器，其特征在于，所述预置信道滤波器，可以具有预设值，只在“鬼影”信号幅度大于主信号幅度的0.7或0.5倍时，该预置信道滤波器启动工作；在“鬼影”信号幅度小于这一预设值时，该预置信道滤波器的系数为零。
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