信道均衡

课程名称：无线通信系统中的信道均衡
设计题目：无线系统中的信道均衡
院系：
年级：
姓名：
学号：
指导教师：
西南交通大学峨眉校区
2012 年10 月20 日
课程设计任务书
专业姓名学号
开题日期2012 年9 15 日完成日期：2012年10 月20 日题目无线系统中的信道均衡
一、设计的目的
通过对课程设计任务的完成，使学生进一步理解课程教学的理论内容，并且巩固和深化所学课程的知识，通过课程设计，培养学生综合运用所学课程知识，分析和解决实际问题的能力；通过课程设计，使学生能比较全面而辩证地分析和处理设计问题，逐步树立正确的设计思想；培养学生严谨认真的科学态度和严谨务实的工作作风。

对无线通信系统的信道均衡的原理和方法有更深入的理解。

二、设计的内容及要求
1）信道均衡的分类
2）均衡器的原理
3）两种算法的特点
三、指导教师评语
（教师填写）
四、成绩（教师填写）
指导教师(签章)
年月日
无线系统中的信道均衡
1）信道均衡的概念
均衡根据通信系统中的一项重要技术，分为两种方式：频域均衡和时域均衡。

频域均衡是利用可调滤波器的频率特性来弥补实际信道的幅频特性和群延时特性，使包括均衡器在内的整个系统的总频率特性满足无码间干扰传输条件。

时域均衡是直接从时间响应角度考虑，使包括均衡器在内的整个传输系统的冲激响应满足无码间干扰条件。

频域均衡满足奈奎斯特整形定理的要求，仅在判决点满足无码间干扰的条件相对宽松一些。

所以，在数字通信中一般采用时域均衡。

时域均衡器可以分两大类：线性均衡器和非线性均衡器。

如果接收机中判决的结果经过反馈用于均衡器的参数调整，则为非线性均衡器；反之，则为线性均衡器。

在线性均衡器中，最常用的均衡器结构是线性横向均衡器，它由若干个抽头延迟线组成，延时时间间隔等于码元间隔。

非线性均衡器的种类较多，包括判决反馈均衡器(DFE)、最大似然(ML)符号检测器和最大似然序列估计等。

均衡器的结构可分为横向和格型等。

因为很多数字通信系统的信道(例如无线移动通信信道)特性是未知和时变的，要求接收端的均衡器必须具有自适应的能力。

所以，均衡器可以采用自适应信号处理的相关算法，以实现高性能的信道均衡，这类均衡器称为自适应均衡器。

自适应均衡器的工作过程包含两个阶段，一是训练过程，二是跟踪过程。

在训练过程中，发送端向接收机发射一组已知的固定长度训练序列，接收机根据训练序列设定滤波器的参数，使检测误码率最小。

典型的训练序列是伪随机二进制信号或一个固定的波形信号序列，紧跟在训练序列后面的是用户消息码元序列。

接收机的自适应均衡器采用递归算法估计信道特性，调整滤波器参数，补偿信道特性失真，训练序列的选择应满足接收
机均衡器在最恶劣的信道条件下也能实现滤波器参数调整，所以，训练序列结束后，均衡器参数基本接近最佳值，以保证用户数据的接收，均衡器的训练过程成功了，称为均衡器的收敛。

在接收用户消息数据时，均衡器还不断随信道特性的变化连续地改变均衡器参数。

均衡器的收敛时间受均衡算法、均衡器结构和信道特性的变化情况所决定。

通常，均衡器需要通过重复性地周期训练保证能够一直有效地抑制码间干扰。

所以，用户数据序列需要被分割成数据分组或时隙分段发送。

均衡器通常工作在接收机的基带或中频信号部分，基带信号的复包络含有信道带宽信号的全部信息，所以，均衡器通常在基带信号完成估计信道冲激响应和解调输出信号中实现自适应算法等
信道均衡技术是指为了提高衰落信道中的通信系统的传输性能
而采取的一种抗衰落措施。

它主要是为了消除或者是减弱宽带通信时的多径时延带来的码间串扰问题。

其机理是对信道或整个传输系统特性进行补偿，针对信道恒参或变参特性，数据速率大小不同，均衡有多种结构方式。

大体上分为两大类：线性与非线性均衡。

对于带通信道的均衡较为困难，一般都是待接收端解调后在基带进行均衡，因此基带均衡技术有广泛应用。

在实际中一般是加入自适应滤波器来实现信道均衡。

2）频域均衡；
频域均衡是从频率响应考虑，使包括均衡器在内的整个系统的总传输函数满足无失真传输条件。

频域均衡在信道特性不变，且传输低速率数据时是适用的，而时域均衡可以根据信道特性的变化进行调整，能够有效地减小码间串扰，故在高速数据传输中得以广泛应用。

3） 时域均衡
时域均衡是直接从时间响应考虑，使包括均衡器在内的整个系统的冲激响应满足无码间串扰条件。

时域均衡的基本思想可用下图所示
图中H （w ） 不满足式H'(w)= H(w) T(w)的无码间串扰条件时，其输出
信号 x(t)将存在码间串扰。

为此，在H(w)后插入一个称之为横向滤波器的可调滤波器T(w)，形成新的总传输函数H'(w)，表示为H'(w)= H(w) T(w)， 显然，只要 满足式H'(w)，即
则抽样判决器输入端的信号 y(t)将不含码间串扰，即这个包含T(w)在内的H'(w)将可消除码间串扰。

这就是时域均衡的基本思想。

4）均衡器的原理
实际无线通信系统信道模型（频域）
未加均衡器时的传输函数（扩展的通道模型）
()()()()
T T R H G H G ωωωω=
所以，可以将发送/接收滤波器的非理想响应以及采样时刻的误差导致的码间干扰都算作等效通道。

5）自适应均衡器
能够实时地跟踪移动信号时变特性的均衡器叫做自适应均衡器。

自适应均衡器的工作过程包含两个阶段，一是训练过程，二是跟踪过程。

在训练过程中，发送端向接收机发射一组已知的固定长度训练序列，接收机根据训练序列设定滤波器的参数，使检测误码率最小。

典型的训练序列是伪随机二进制信号或一个固定的波形信号序列，紧跟在训练序列后面的是用户消息码元序列。

接收机的自适应均衡器采用递归算法估计信道特性，调整滤波器参数，补偿信道特性失真，训练序列的选择应满足接收机均衡器在最恶劣的信道条件下也能实现滤波器参数调整，所以，训练序列结束后，均衡器参数基本接近最佳值，以保证用户数据的接收，均衡器的训练过程成功了，称为均衡器的收敛。

在接收用户消息数据时，均衡器还不断随信道特性的变化连续地改变均衡器参数。

均衡器的收敛时间受均衡算法、均衡器结构和信道特性的变化情况所决定。

通常，均衡器需要通过重复性地周期训练保证能够一直有效地抑制码间干扰。

所以，用户数据序列需要被分割成数据分组或时隙分段发送。

均衡器通常工作在接收机的基带或中频信号部分，基带信号的复包络含有信道带宽信号的全部信息，所以，均衡器通常在基带信号完成估计信道冲激响应和解调输出信号中实现自适应算法等
自适应算法可以分为迫零算法和最小均方算法两种。

1）迫零算法
依据最小峰值误差准则产生了迫零算法均衡器，均衡器输入峰值误差
均衡器输出峰值误差
当输入峰值误差 时，输出峰值误差
00
1||k k k D y y ∞
=-∞≠=∑01
0, 1k y y N
=⎧⎪⎨=≤≤0
1
||
k
k k D x
x ∞
=-∞
≠=∑01D <
的极小值出现在 时 ，据此可求出迫零均衡 器的抽头系数为
对于多径信道也可以表示为横向滤波器结构，其冲激响应为
， 阶迫零均衡器的冲激响应为 ，则均
衡器抽头系数为 或
多径图
写成矩阵展开形式
写成频域形式
设发射冲激响应时，均衡器的输入端得到的信号序列为 ，
，均衡器的抽头系数为 ， ，则迫零算法可以表示为
21N +()(
)N
n
s
n N
c t C t nT δ=-=-∑
()()()
T h t c t t δ⊗={}
i
C ()()T n s n h t h t nT δ∞
=-∞
=-∑()()()
T h n c n n δ⊗=0
2020010N N N
N c h h c h h c --⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥
⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥
=⎢⎥⎢⎥⎢⎥
⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦
⎢⎥⎢
⎥⎣⎦⎣⎦ ()
()1T
H C ω
ω⋅=k
x ,,k =-∞∞
n C ,,n N N =-
这里用x 代替了信道响应h ，因为x 为信道的冲击响应，实际系统中一般都这样处理。

2）迫零算法的特点：
1：需要预先知道无线信道的特性，而且不可用于均衡信道特性变化的无线通信系统。

2：计算过程中需要求矩阵的逆，这使得迫零算法在设计阶数较大的均衡器时速度较慢。

3：有限阶迫零均衡器不能完全消除码间干扰；随着迫零均衡器阶数N 的增加，均衡效果应该越来越好；当 时，理论上可以完全消除多径传输所引起的码间干扰。

4：如果迫零均衡器的抽头系数中存在某些较大值，可能导致在均衡过程中对噪声过分放大，致使均衡效果下降。

3）迫零算法存在的问题
有限阶迫零均衡器只能减小码间干扰，并将其作用范围拉远，但并不能消除码间干扰。

02020010N N N
N c x x c x x c --⎡⎤⎡⎤
⎡⎤⎢⎥⎢⎥
⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥
⎢⎥⎢⎥
=⎢⎥⎢⎥⎢⎥
⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦
⎢⎥⎢
⎥⎣⎦⎣⎦ N →∞
多径信道冲激响应系数为[0.53 -0.27 0.13 -0.07]其中后三个图中的零点对应幅度为1。

M 径信道经 N 阶迫零均衡器均衡后每个信号都会对它后面的第 N 个至第 个信号产生码间干扰。

多径信道经过有限阶迫零均衡器均衡后，码间干扰可以得到一定的抑制，而且迫零均衡器的阶数越高，均衡后的码间干扰就越小；但只有当迫零均衡器的阶数为无穷时，码间干扰才能完全消除，在无噪声时才能实现零误码率传输。

4）最小均方算法
常用的LMS 算法是自适应的。

自适应均衡算法不再利用专门的单脉冲波形，而是在传输数据期间借助信号本身来自动均衡，因此相应的均方误差定义也稍有改变。

LMS 自适应均衡器可以有两种模式：训练模式和面向判决模式
训练模式：发送一串已知的训练序列 ，然后进行训练模式下的LMS 自适应均衡，步骤如下
2M N +-[] k
k N
k
k N k
y
x x x +-=C
面向判决模式：当训练序列均衡结束后，LMS 自适应均衡器转向面向判决模式，进行新的LMS 自适应均衡，步骤如下
其特点：
1）信道特性在做缓慢变化，仍然可以有效均衡 2）不需要计算矩阵的逆
3）不但可以均衡多径传输引起的码间干扰，还可以均衡加性噪声的影响 4）不能完全消除码间干扰
[][]
1
ˆ ˆ k
k N
k
k N k
k k k k k k T
k k k k N
k
k N y x x x y a a
e a
y e x x x μ+-++-==-=+C C C 对进行判决，得到的判决值。