CN1845539B - 一种具有重叠结构的时域自适应均衡器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种时域自适应均衡器，特别是一种具有重叠结构的时域自适应均衡器，通过重叠的结构提高了时域均衡器对抗强多径信号的能力，属于对自适应均衡器所作的改进。本发明将时间域上的前馈滤波器的后向部分和反馈滤波器的部分抽头在时间域上重叠，使得均衡器在对抗强多径信号时，可以通过重叠的前馈滤波器部分和反馈滤波器部分的联合工作，即各自分担部分抵消信道响应的任务，来消除强多径信号。本发明提高了均衡器在对抗强多径信号时的性能，同时，该结构的改进使得均衡器的收敛速度和均衡性能得到很大改善。

Description

一种具有重叠结构的时域自适应均衡器 

技术领域

本发明涉及一种时域自适应均衡器，特别是一种具有重叠结构的时域自适应均衡器，通过重叠的结构提高了时域均衡器对抗强多径信号的能力。属于对自适应均衡器所作的改进。 

背景技术

在诸如对声音、数据和视频通讯等许多不同的数字信息的实际应用中，均衡器是一种非常重要的元件。均衡器被用作全双工通信中喇叭扩音器的回声消除器(补偿器)、数字电视或数字电缆传输中的视频消重影器、无线调制解调器和无线电话的信号调节器等。 

在信号传的输过程中，由于信道中多径信号的存在，会带来码间干扰(ISI)，而码间干扰是产生误差的一个重要原因，在大部分单载波数字应用中，一般都使用时域自适应均衡器来修正ISI错误。 

通常在数字接收机中，时域自适应均衡器包含一个控制器，一个有限脉冲响应(FIR)滤波器，一个硬判决器，和一个判决反馈均衡器。其中，FIR滤波器用来接收输入信号，消除前向多径，即比主传输信号提前到达的多径信号。硬判决器会检查它的每个输入信息，并且决定将所接收到的信号中的哪一个传送给输出端。判决反馈均衡器将修改硬判决器的输入，以消除后向多径，即晚于主传输信号到达的多径信号，并且能够消除FIR滤波器产生的残留信号。误差信号是硬判决器的输出和输入信号之差，同时，硬判决器的输出作为判决反馈均衡器的一个输入。控制器用来接收输入和输出数据，并生成FIR滤波器和判决反馈均衡器的滤波器系数。 

有很多可行的方法适用于产生滤波器系数，包括最小均方(LMS)和递归最小二乘方(RLS)算法。滤波器的形式也有多种，可以是实数滤波器，即，抽头系数和寄存器的数均为实数，滤波器的乘法运算也是实数运算；也可以是复数滤波器，即，抽头系数和寄存器的数均为复数，滤波器的乘法运算是复数运算；亦可以是准复数滤波器，即，抽头系数和寄存器的数虽然均为复数，但滤波器的乘法运算是实数运算。 

传统的时域自适应均衡器无法对抗信道传输中的强多径(即和主径信号大小相同或大于主径信号的副径信号)情况。因为传统的时域线性自适应均衡器是通过主径信号消除副径信号的方法来对抗传输中的多径效应。参见图2，传统的时域自适应均衡器前馈部分和反馈部分在时间域上不重叠，因此副径干扰由前馈滤波或反馈滤波器分别抵消。参见图6，在副径的位置，对应均衡器的抽头上会长出一个对应的系数来消除该副径的影响。

一方面，如果副径落在前馈滤波器中，由于多径传播现象的存在，还会生出许多对抗其衍生多径的衍生系数。当副径幅度小于主径，这些衍生多径幅度将逐级递减，对应系数也会逐级递减，有限级数但只要足够长的前馈滤波器还是可以稳定在有限的抽头系数上，但当副径信号比主径信号强或相当时，衍生多径幅度一直大于和等于主径，只要是有限级数的前馈滤波器，必定会导致有强的衍生多径落在前馈滤波器外而永远无法对消这些影响，从而导致主径信号完全淹没在多径和噪声中，眼图完全闭合，系数无法收敛。 

另一方面，当强的副径落在判决反馈均衡器的反馈滤波器部分，虽然可以在反馈滤波器部分长出一个对应的系数即可(不存在多径传播)，但由于反馈滤波器存在误码扩散现象，且由于眼图完全闭合造成误判概率上升，误码扩散严重，将导致判决反馈均衡器反馈滤波器部分的系数收敛不稳定。总之，传统的时域线性自适应均衡无法生成合适的抽头系数来稳定的对抗恶劣多径效应。 

发明内容

本发明针对现有技术中存在的不足和缺陷，对传统时域自适应均衡器的结构进行改进，提出了一种新的基于重叠结构的时域自适应均衡器。 

本发明的技术方案是这样实现的： 

一种具有重叠结构的时域自适应均衡器，包括： 

前馈重叠滤波器，完成对输入信号的滤波功能，消除多径信号中的前向多径和部分后向多径； 

反馈滤波器，对从电平判决器输出的信号进行滤波，达到消除多径信号中的后向多径； 

反馈滤波器，对从电平判决器输出的信号进行滤波，达到消除多径信号中的后向多径； 

信号叠加器，将前馈重叠滤波器的输出信号和反馈滤波器的输出信号叠加； 

电平判决器，完成对输入信号电平的判决功能，用于产生反馈滤波器的输入及误差信号的生成； 

误差信号生成器，对信号叠加器的输出信号和电平判决器的输出信号进行误差计算； 

抽头系数更新器，通过对输入误差信号进行加权来更新前馈重叠滤波器和反馈滤波器的 抽头系数， 

其特征在于： 

所述前馈重叠滤波器的部分抽头在时间域上与反馈滤波器的部分抽头重叠，所述重叠部分的抽头系数个数为K，与反馈滤波器最前面K个抽头相乘的信号是与前馈滤波器最后K个抽头相乘的信号的判决值，K的取值在1至反馈滤波器的级数之间选取，所述前馈重叠滤波器与反馈滤波器的重叠部分，用于共同消除对应的多径信号。 

所述前馈重叠滤波器是一个具有横向结构的有限冲击响应滤波器，由若干寄存器、若干乘法器和若干加法器组成； 

所述前馈重叠滤波器的后向部分抽头与反馈滤波器的抽头部分重叠，重叠部分的抽头系数个数的值，根据强多径相对主径的延时的大小来选择。 

所述前馈重叠滤波器的抽头与反馈滤波器的抽头部分重叠，即在前馈重叠滤波器的最后端寄存器的后面再相应增加寄存器与乘法器； 

输入所述电平判决器的信号为前馈重叠滤波器中接收信号与对应抽头系数的乘加和，再加上反馈滤波器中判决信号与相应抽头系数的乘加和。 

所述重叠部分的长度的选取，要根据信道多径分布的情况和硬件实现的复杂度综合而定； 

所述重叠部分的长度在1至反馈滤波器的级数之间选取。 

所述均衡器的抽头系数更新算法，可以采用最小均方算法，或递归最小二乘等自适应算法，也可以采用包括常系数算法在内的盲均衡算法实现。 

本发明的效果在于：将时间域上的前馈滤波器的后向部分和反馈滤波器的部分抽头在时间域上重叠，使得均衡器在对抗强多径信号时，可以通过重叠的前馈滤波器部分和反馈滤波器部分的联合工作，即各自分担部分抵消信道响应的任务，来消除强多径信号。可以看作将某个位置上1个强多径分成2个幅度不是很大的多径，这2个副径位置不变，幅度分别由前馈滤波器的抽头和反馈滤波器的抽头来各自产生系数进行抵消。从而提高了均衡器在对抗强多径信号时的性能，同时，该结构的改进使得均衡器的收敛速度和均衡性能得到很大改善。 

附图说明

图1本发明所述重叠结构的时域自适应均衡器模块结构框图。 

图2传统的时域自适应均衡器模块结构框图。 

图3信道的冲激响应模型。 

图4信道模型1的重叠结构的均衡器的抽头系数。 

图5信道模型2的重叠结构的均衡器的抽头系数。 

图6信道模型2的传统(无重叠)结构均衡器的抽头系数。 

图7无重叠结构均衡器和重叠结构均衡器输出MSE的对比。 

具体实施方式

本发明所提供的重叠结构的时域自适应均衡器包括：前馈重叠滤波器、反馈滤波器、信号叠加器、电平判决器、误差信号生成器和抽头系数更新器。前馈重叠滤波器的部分抽头在时间域上与反馈滤波器的部分抽头重叠。 

其中，各部件之间的相互连接关系为：前馈重叠滤波器的输出和信号叠加器的一个输入相连接，反馈滤波器的输出和信号叠加器另一个输入相连接，信号叠加器的输出与电平判决器的输入相连接，电平判决器的输出与反馈滤波器的输入相连接，信号叠加器的输出与电平判决器的输出与误差信号生成器相连接，误差信号生成器的输出与抽头系数更新器的输入相连接，抽头系数更新器分别控制前馈重叠滤波器和反馈滤波器的抽头系数更新。 

前馈重叠滤波器，完成对输入信号的滤波功能，消除多径信号中的前径和部分后径；反馈滤波器，对从判决器输出的输入信号进行滤波，达到消除多径信号中的后向多径，前馈滤波器与反馈滤波器重叠部分共同消除对应的多径信号；信号叠加器，将前馈重叠滤波器的输出信号和反馈滤波器的输出信号叠加；电平判决器，完成对输入信号电平的判决功能，用于产生反馈滤波器的输入及误差信号的生成；误差信号生成器，对信号叠加器的输出信号和电平判决器的输出信号进行误差计算；抽头系数更新器，通过对输入误差信号进行加权来更新前馈重叠滤波器和反馈滤波器的抽头系数。 

本发明所述重叠结构的时域自适应均衡器的工作步骤为：数字信号R输入到前馈重叠滤波器中，前馈重叠滤波器中的寄存器数据移位，分别和对应的均衡器系数相乘，经过加和得 到经过滤波后的输出信号S1；反馈滤波器的输出信号为S2；信号S1和S2经过信号叠加器得到叠加后的输出信号S；输出信号S经过电平判决器得到电平判决信号；该电平判决信号作为反馈滤波器的输入，同时用于误差信号生成器的输入；误差信号在抽头系数控制器的控制下控制更新前馈重叠滤波器和反馈滤波器的抽头系数。 

所述前馈重叠滤波器是一个横向结构的FIR(有限冲击响应)滤波器，它由若干寄存器、若干乘法器和若干加法器组成。解调信号输入寄存器的末端；除最前端的寄存器外每个寄存器的输出输入下一个寄存器；每个寄存器的输出同时输入到对应的乘法器中，与相应的抽头系数相乘；乘法器的输出输入到加法器中；加法器加和的输出作为前向滤波器的输出。 

其中，前馈重叠滤波器的后向部分抽头与反馈滤波器的部分抽头重叠，重叠部分的抽头系数个数为k，k值的大小可以根据强多径相对主径的延时的大小来选择。如图1所示，抽头系数f(n)_-N～f(n)₀为n时刻时对抗前径的抽头系数，而抽头系数f(n)₁～f(n)_k为重叠部分的抽头系数，与反馈滤波器中系数d(n)₁～d(n)_k重叠，反馈滤波器中系数d(n)₁～d(n)_k对应的寄存器输入信号为U_n+1～U_n+k的判决信号 

所述的前馈重叠滤波器的部分抽头和反馈滤波器重叠，即在前馈重叠滤波器后端的k个寄存器与反馈滤波器的前端k个寄存器重叠。于是输入判决器的信号y(n)为接收信号U_n-N～U_n+k与对应抽头系数f(n)_-N～f(n)_k的乘加和，再加上反馈滤波器中判决信号 

与相应抽头系d(n)₁～d(n)_M的乘加和，即 $y\left(n\right)=\underset{i=-N}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{U}_{n+i}f{\left(n\right)}_i+\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\hat{U}}_{n+i}d{\left(n\right)}_i.$

此时与FIR最后k个抽头相乘的信号是U_n+1～U_n+k，与反馈滤波器最前面k个抽头相乘的信号是U_n+1～U_n+k的判决值 

这两组信号的下标值相同。 

所述反馈滤波器也是一个有限冲激响应滤波器，同前馈重叠滤波器一样，它也由若干寄存器、若干乘法器和若干加法器组成。唯一的区别就是它的输入信号是判决器的输出。它的工作方式也同前馈重叠滤波器一样。 

所述重叠部分的长度k取自[1，M]，一般根据信道多径分布的情况和硬件实现的复杂度综合而定，通常选取k＝M/2(M为反馈滤波器的级数)。 

所述的前馈重叠滤波器的抽头系数更新算法，可以采用LMS(最小均方)算法，RLS(递 归最小二乘)等自适应算法，也可以采用包括CMA(常系数算法)在内的盲均衡算法。 

结合本发明的内容提供以下实施例，应用在数字电视地面广播系统中。考虑到信道环境很恶劣，在移动传输时主径信号被建筑物完全阻断了，接收到的信号中是各种反射的多径信号的叠加，因此采用重叠结构的时域自适应均衡器来对抗地面广播传输信道中的强多径情况。系统的映射采用BPSK映射；前馈重叠滤波器1是一个长度为48级、符号间隔的实滤波器，其中重叠部分为16级；反馈滤波器6是一个长度为32级的符号间隔的实滤波器。 

如图3所示，强多径信道由一条主径和一条幅度相等于主径的副径所(相对于主径的归一化幅度为1)组成，副径相对主径的延时分别为10个符号时延。在这样的信道情况下，传统的判决反馈均衡器抽头系数无法收敛。而采用重叠结构的均衡器，将有效将强多径分散到前馈滤波器和反馈滤波器中各自对抗，可以很好的对抗这样的信道。 

确定均衡器的参数如下：N＝48，k＝16，M＝32。经过均衡器的自适应算法，均衡器的抽头系数如图4所示。 

通过以上计算机的仿真结果可以看出，采用重叠结构的时域自适应均衡器在对抗落在重叠结构内的强多径信号时，可以分别在前馈重叠滤波器中和反馈滤波器中自适应的生成抽头系数，联合抵抗强多径信号，将归一化幅度为1的副径分成两个归一化幅度为0.5的副径，分别由前馈滤波器和反馈滤波器对抗。如图4所示，在对抗信道模型1时反馈滤波器中长出-0.5的系数值来对抗分给反馈滤波器的0.5幅度的副径；在前馈重叠滤波器中也在对应位置上长出-0.5的系数对抗分给前馈重叠滤波器的0.5幅度的副径，当然由于多径传播在反馈滤波器在2倍于副径位置的地方还要长出0.25的系数来对抗前馈重叠滤波器中的衍生多径。这样，反馈滤波器中的系数就不会趋于不稳定的状态。 

同样对应信道模型2，既有1个相对归一化幅度为0.8的副径，其他参数不变，图6为用传统判决反馈均衡器得到的系数，既在反馈滤波器中的对应位置上将长出-0.8的系数来抵消该副径。而采用重叠结构均衡器的话，图5的仿真结果则得到了类似与图4的前馈重叠滤波器和反馈滤波器内对应各自幅度为0.4副径的系数。图7中的仿真结果表示出有重叠结构的均衡器的输出滑动均方误差(MSE)和没有重叠结构的均衡器的输出MSE的对比。从图中可以 看出，使用了重叠结构以后，均衡器的自适应收敛速度大大加快，MSE也明显减小。 

Claims (5)

1.一种具有重叠结构的时域自适应均衡器，包括：

前馈重叠滤波器，完成对输入信号的滤波功能，消除多径信号中的前向多径和部分后向多径；

反馈滤波器，对从电平判决器输出的信号进行滤波，达到消除多径信号中的后向多径；

信号叠加器，将前馈重叠滤波器的输出信号和反馈滤波器的输出信号叠加；

电平判决器，完成对输入信号电平的判决功能，用于产生反馈滤波器的输入及误差信号的生成；

误差信号生成器，对信号叠加器的输出信号和电平判决器的输出信号进行误差计算；

抽头系数更新器，通过对输入误差信号进行加权来更新前馈重叠滤波器和反馈滤波器的抽头系数，

其特征在于：

输入所述电平判决器的信号为前馈重叠滤波器中接收信号与对应抽头系数的乘加和，再加上反馈滤波器中判决信号与相应抽头系数的乘加和；

所述前馈重叠滤波器的部分抽头在时间域上与反馈滤波器的部分抽头重叠，所述重叠部分的抽头系数个数为K，与反馈滤波器最前面K个抽头相乘的信号是与前馈滤波器最后K个抽头相乘的信号的判决值，K的取值在1至反馈滤波器的级数之间选取，所述前馈重叠滤波器与反馈滤波器的重叠部分，用于共同消除对应的多径信号。

2.根据权利要求1所述具有重叠结构的时域自适应均衡器，其特征在于：

所述前馈重叠滤波器是一个具有横向结构的有限冲击响应滤波器，由若干寄存器、若干乘法器和若干加法器组成；

所述前馈重叠滤波器的后向部分抽头与反馈滤波器的抽头部分重叠，重叠部分的抽头系数个数的值，根据强多径相对主径的延时的大小来选择。

3.根据权利要求2所述具有重叠结构的时域自适应均衡器，其特征在于：

所述前馈重叠滤波器的抽头与反馈滤波器的抽头部分重叠，即在前馈重叠滤波器的最后端寄存器的后面再相应增加寄存器与乘法器。

4.根据权利要求1所述具有重叠结构的时域自适应均衡器，其特征在于：

所述重叠部分的长度的选取，要根据信道多径分布的情况和硬件实现的复杂度综合而定；

所述重叠部分的长度在1至反馈滤波器的级数之间选取。

5.根据权利要求1所述具有重叠结构的时域自适应均衡器，其特征在于：

所述均衡器的抽头系数更新算法，采用最小均方算法，或递归最小二乘自适应算法，或者采用包括常系数算法在内的盲均衡算法实现。

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