09次課 第05章 抗衰落技術(shù)-2_2013

1、9-9-1 1 數(shù)字移動(dòng)通信 數(shù)字移動(dòng)通信 3-3-2 2 本節(jié)解決的主要問題 通過本節(jié)學(xué)習(xí)，著重解決以下問題： 有哪些因素會(huì)影響分集的性能？ 均衡技術(shù)的基本原理？ 自適應(yīng)均衡器的核心思想？ 如何針對(duì)特定信道條件進(jìn)行設(shè)計(jì)？ 9-9-3 3 本節(jié)的要求與重點(diǎn) n理解均衡的基本原理 n掌握自適應(yīng)均衡的原理 n了解自適應(yīng)均衡器的設(shè)計(jì)原則及應(yīng)用案例 重點(diǎn)：自適應(yīng)均衡的原理 難點(diǎn)：自適應(yīng)均衡器權(quán)系數(shù)的更新 5-5-4 4 5.3 自適應(yīng)均衡技術(shù) 信道的多徑特性 相關(guān)帶寬 從時(shí)域上看，多徑引起？ 從頻域上看，多徑引起？ 碼間串?dāng)_是移動(dòng)無線信道中傳輸高速率 數(shù)據(jù)的主要障礙，均衡技術(shù)可克服碼間 串?dāng)_。 (a)

2、 (b) (c) 0 tt 0 tta 0 ttb 1 t 111 tt 112 tt 2 t 221 tt 222 tt 223 tt 3 t 334 tt 圖 215 時(shí)變多徑信道響應(yīng)示例 (a)N=3 (b)N=4 (c)N=5 5-5-5 5 5.3 自適應(yīng)均衡技術(shù) 從廣義上講，均衡指任何可以用來削弱 碼間串?dāng)_的信號(hào)處理方法。 由于移動(dòng)無線信道的時(shí)變特性，要求均 衡器能夠?qū)崟r(shí)跟蹤信道的變化 自適 應(yīng)均衡器。 5-5-6 6 5.3 自適應(yīng)均衡技術(shù) 概念：對(duì)移動(dòng)信道特性進(jìn)行均衡，矯正信道傳 輸函數(shù)使其滿足無失真?zhèn)鬏敆l件。 方法：接收端產(chǎn)生與信道相反的特性，抵消時(shí) 變多徑傳播特性引起的碼間

3、串?dāng)_ 。 目標(biāo)：消除信道的頻率選擇性和時(shí)間選擇性 。 5-5-7 7 5.3.1 自適應(yīng)均衡原理 f(t )是等效的基 帶沖激響應(yīng)，綜 合反映了發(fā)射機(jī)、 信道和接收機(jī)的 射頻、中頻部分 的總的傳輸特性。 5-5-8 8 5.3.1 自適應(yīng)均衡原理 根據(jù)信道特 性，通過均 衡進(jìn)行補(bǔ)償。 5-5-9 9 5.3.1 自適應(yīng)均衡原理 均衡器收到的信號(hào)為 f (t)：等效信道沖激響應(yīng) nb(t )：均衡器輸入端的等效基帶噪聲 ( )( )( )( ) b y tx tf tn t=+ 5-5-1010 5.3.1 自適應(yīng)均衡原理 均衡器輸出為： 均衡器 沖激響應(yīng) g(t)是是發(fā)射機(jī)，信道，接收機(jī)的發(fā)射

4、機(jī)，信道，接收機(jī)的 射頻、中頻部分和均衡器射頻、中頻部分和均衡器四者的等四者的等 效沖激響應(yīng)。效沖激響應(yīng)。 ( )( )( )( )( )( ) eqbeq d tx tf thtn tht=哪+ ( )( )( )( ) beq x tg tn tht=+ 5-5-11 11 5.3.1 自適應(yīng)均衡原理 均衡器工作目標(biāo)：期望輸出值為原始信息x(t ) 假定nb(t )= 0，則從時(shí)域看，要求： 從頻域看，要求： ()()1 eq HfFf= ( )( )( )( )( )( ) eqbeq d tx tf thtn tht=哪+ ( )( )( )( )( ) beq x tg tn tht

5、x t=+= 均衡器實(shí)際上是傳輸信道的反向均衡器實(shí)際上是傳輸信道的反向 濾波器。濾波器。 ( )( )( )( ) eq g tf thttd= 5-5-1212 5.3.1 自適應(yīng)均衡原理 如果傳輸信道具有頻率選擇性 對(duì)頻率衰落大的部分，如何處理？ 對(duì)頻率衰落小的部分，如何處理？ 總體效果怎么樣？ 使得收到的信號(hào)頻譜各部分的使得收到的信號(hào)頻譜各部分的衰衰 落趨于平坦落趨于平坦，相位趨于線性。相位趨于線性。 5.3.1 自適應(yīng)均衡原理 自適應(yīng)均衡的出發(fā)點(diǎn)：利用誤差信號(hào)e(t)對(duì)自適 應(yīng)均衡器進(jìn)行訓(xùn)練，調(diào)節(jié)均衡器的權(quán)系數(shù)，使得 代價(jià)函數(shù)最小。 ( )( )( ) ( )( )( ) eq e t

6、d td td ty tht=-=- 5-5-1414 5.3.1 自適應(yīng)均衡原理 在經(jīng)典的濾波理論中，最常用的代價(jià)函數(shù)是期 望輸出值和均衡器實(shí)際輸出值之間的均方差 (MSE)，它可表示為Ee(k)e*(k)，即采用最小均 方誤差準(zhǔn)則。 如果想要求解均衡器系數(shù)，需要已知什么？ 需要已知期望信號(hào) 需要一個(gè)已知的訓(xùn)練序列 5.3.1 自適應(yīng)均衡原理 采用均衡時(shí)的典型數(shù)據(jù)發(fā)送格式 訓(xùn)練序列設(shè)計(jì)要求： 在最差的信道條件下，均衡器也能通過該序列獲得正 確的濾波系數(shù)。 訓(xùn)練結(jié)束后，均衡器的濾波系數(shù)已經(jīng)接近于最佳值。 由此能推斷出均衡器是怎么進(jìn)行工作的嗎？ 數(shù)據(jù)訓(xùn)練數(shù)據(jù)訓(xùn)練同步頭 5.3.1 自適應(yīng)均衡原理

7、 自適應(yīng)均衡器工作模式 n訓(xùn)練模式：發(fā)射信號(hào)中包含一個(gè)已知的、定長 的訓(xùn)練序列，以便均衡器根據(jù)信道特性調(diào)整濾 波器系數(shù)。 n跟蹤模式：在訓(xùn)練序列后傳送用戶數(shù)據(jù)，接收 機(jī)處的均衡器將通過自適應(yīng)算法來修正濾波器 系數(shù)，不斷跟蹤信道變化并作出補(bǔ)償。 5-5-1616 需要思考的問題 n訓(xùn)練序列的長度會(huì)影響什么？ n長度越長，均衡器性能越好，缺點(diǎn)是什么？ n數(shù)據(jù)傳輸效率下降 n需要在性能與數(shù)據(jù)傳輸效率之間進(jìn)行折中 5-5-1717 需要思考的問題 n為什么要不斷的發(fā)送訓(xùn)練序列，發(fā)一次不 行嗎？ n信道的時(shí)變性要求不能發(fā)一次 n而且發(fā)送訓(xùn)練序列的頻率與信道的時(shí)變性 有關(guān) 5-5-1818 5-5-191

8、9 5.3.2 均衡器的分類 一、按照技術(shù)類型 線性均衡：均衡器的輸出 d(t )未應(yīng)用于均衡 器的反饋邏輯中。 非線性均衡：均衡器的輸出 d(t )被應(yīng)用于反 饋邏輯中，并影響了均衡器的后續(xù)輸出。 5-5-2020 線性均衡器 原理：調(diào)節(jié)權(quán)系數(shù)使其它時(shí)刻信號(hào)的總和為零 0 0 N nkn k kN k yC x - = - = 一、按照技術(shù)類型 一、按照技術(shù)類型 線性均衡器缺點(diǎn)是什么？ 當(dāng)信道中有深度頻譜衰落時(shí)，線性均衡器會(huì)怎 么樣？ 會(huì)對(duì)出現(xiàn)深衰落的那段頻譜及近旁的頻譜產(chǎn)生很大的 增益，從而不能有效的補(bǔ)償信道的衰落特性。 線性均衡器線性均衡器適用于譜衰落較平坦的信道適用于譜衰落較平坦的信道

9、 5-5-2222 非線性均衡器(Decision Feedback Equalization） 一、按照技術(shù)類型 概念：均衡 器的輸出被 應(yīng)用于反饋 邏輯中，影 響了均衡器 的后續(xù)輸出。 一、按照技術(shù)類型 基本思路：一旦一個(gè)信息符號(hào)被檢測(cè)判定后，就可在檢 測(cè)后續(xù)符號(hào)之前預(yù)測(cè)并消除由這個(gè)信息符號(hào)帶來的碼間 串?dāng)_。 實(shí)現(xiàn)：由一個(gè)前饋濾波器(FFF)和一個(gè)后饋濾波器(FBF) 組成橫向?yàn)V波器結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。 均衡器的輸出為： 32 1 * 1 NN knkniki nNi dc yFd - = -= =+ 邋 非線性均衡器(Decision Feedback Equalization） 一、按照技術(shù)類型

10、 非線性均衡器適用于頻譜衰落不平坦，存在嚴(yán) 重失真的信道。 判決反饋均衡器的最小均方差總比基于橫向?yàn)V波器結(jié) 構(gòu)的線性均衡器的最小均方差要小。 5-5-2525 二、按照頻譜效率 基于訓(xùn)練序列的均衡 ：發(fā)射端發(fā)送訓(xùn)練序列， 接收端根據(jù)此訓(xùn)練序列對(duì)均衡器進(jìn)行調(diào)整。 盲均衡 ：不需要訓(xùn)練序列，利用發(fā)射信號(hào)特性 進(jìn)行調(diào)整，頻譜利用率高，但收斂速率慢，目前 在實(shí)際中難以較好地應(yīng)用。 半盲均衡 ：初始引導(dǎo)調(diào)節(jié)均衡器參數(shù)，隨后在 同步接收的前提下自主調(diào)節(jié)系數(shù)，效率居中。 5-5-2626 5.3.3 自適應(yīng)均衡算法 主要解決2個(gè)問題： （1 1）如何產(chǎn)生系數(shù)序列如何產(chǎn)生系數(shù)序列Wk？ =均衡器的主要工作，即

11、各種均衡器的主要工作，即各種 均衡準(zhǔn)則均衡準(zhǔn)則。 （2 2）如何使得如何使得Wk隨信道變化而變化隨信道變化而變化？ =自適應(yīng)均衡算法自適應(yīng)均衡算法。 一、均衡準(zhǔn)則 均衡準(zhǔn)則權(quán)系數(shù)的優(yōu)化準(zhǔn)則 最小峰值失真準(zhǔn)則：使碼間串?dāng)_值最小。 p 最大失真定義為均衡器輸出端的最大碼間串?dāng)_。 p 要求使最大失真最小化。 最小均方誤差準(zhǔn)則：均衡器期望輸出值和實(shí) 際輸出值間的均方誤差最小化。 5-5-2828 二、典型自適應(yīng)均衡算法 均衡算法 在給定均衡準(zhǔn)則下，如何調(diào)節(jié)加權(quán)系數(shù)以實(shí)現(xiàn) 均衡準(zhǔn)則的要求的方法，稱為均衡算法。 指標(biāo) 收斂速度 運(yùn)算量 誤差特性 5-5-2929 二、典型自適應(yīng)均衡算法 采用準(zhǔn)則：最小均方

12、誤差準(zhǔn)則 R：均衡器的輸入?yún)f(xié)方差矩陣 P：輸入信號(hào)與期望輸出值間的互相關(guān)量 2 2 TT kkkk E xx=+-wRwp w均方差 5-5-3030 二、典型自適應(yīng)均衡算法 采用準(zhǔn)則：最小均方誤差準(zhǔn)則 當(dāng)均衡器的輸入與期望輸出一定時(shí)， 均方差由權(quán)重向量W決定，使得均方差 最小的W就是最優(yōu)的權(quán)重向量。 2 2 TT kkkk E xx=+-wRwp w均方差 5-5-3131 二、典型自適應(yīng)均衡算法 最小均方誤差算法（ LMS ） 核心思想： 尋找一個(gè)W的遞推式，沿著趨于最 佳權(quán)重的方向逐步遞推，直到均方誤 差最小為止。 5-5-3232 二、典型自適應(yīng)均衡算法 最小均方誤差算法（ LMS ）

13、 迭代算法 ( )( )( ) T kNN dnnn= wy ( )( )( ) kkk e nx ndn=- * (1)( )( )( ) NNkN nne nna+=-wwy 下標(biāo)下標(biāo)N為均衡器延時(shí)為均衡器延時(shí) 線上的延時(shí)級(jí)數(shù)；線上的延時(shí)級(jí)數(shù)； 為控制收斂速率和算為控制收斂速率和算 法穩(wěn)定性的步長。法穩(wěn)定性的步長。 5-5-3333 二、典型自適應(yīng)均衡算法 訓(xùn)練過程 - 不斷迭代 新權(quán)重=原先權(quán)重+常數(shù)預(yù)測(cè)誤差 當(dāng)前輸入向量 預(yù)測(cè)誤差=期望輸出值-實(shí)際預(yù)測(cè)輸出 值 5-5-3434 多種自適應(yīng)均衡算法的比較 算法乘法運(yùn)算次數(shù)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn) LMS梯度DFE2N+1 運(yùn)算復(fù)雜度低 編程簡(jiǎn)單 收斂慢

14、 跟蹤能力差 Kalman RLS2.5N2 +4.5N 快速收斂 良好的跟蹤能力 運(yùn)算復(fù)雜度高 梯度格型算法13N-8 穩(wěn)定，運(yùn)算復(fù)雜度 低 性能沒有其他RLS算法好 編程復(fù)雜 梯度格型DFE13N1+33N2-36運(yùn)算復(fù)雜度低編程復(fù)雜 快速Kalman DFE 20N+5 可被用于DFE 快速收斂 良好的跟蹤能力 編程復(fù)雜 運(yùn)算量不低 不穩(wěn)定 平方根RLS DFE1.5N2 +6.5N數(shù)值特性更好運(yùn)算復(fù)雜度高 5-5-3535 自適應(yīng)均衡器階數(shù)N的選擇？ 信道的最大時(shí)延可以指示自適應(yīng)均衡器的 階數(shù)的選擇 舉例：900MHz移動(dòng)通信信道，時(shí)延擴(kuò)展小 于15us的占99%，時(shí)延擴(kuò)展小于5us的

15、占80%。 5.3.4 自適應(yīng)均衡的應(yīng)用 5-5-3636 自適應(yīng)均衡器階數(shù)的選擇？ IS-54、GSM：規(guī)定系統(tǒng)能均衡的時(shí)延擴(kuò)展 為15s。 GSM系統(tǒng)的符號(hào)速率為270.833kbps。 自適應(yīng)均衡器的階數(shù)取多少合適？ p 符號(hào)周期為3.692s，階數(shù)5 p DEF均衡器+RLS算法 5.3.4 自適應(yīng)均衡的應(yīng)用 5-5-3737 GSM中的訓(xùn)練序列 GSM幀結(jié)構(gòu) 5.3.4 自適應(yīng)均衡的應(yīng)用 5-5-3838 時(shí)隙長度如何設(shè)置？ 例子： 900MHz移動(dòng)通信信道，移動(dòng)臺(tái)的移 動(dòng)速率為80km/h，假定符號(hào)速率為24.3千個(gè)/ 秒，不用更新均衡器的傳輸符號(hào)數(shù)目是多少？ 5.3.4 自適應(yīng)均

16、衡的應(yīng)用 5-5-3939 時(shí)隙長度如何設(shè)置？ 最大多普勒頻移 fm=vf/c=(80000/3600) 900 106/3 108 = 66.67Hz 相干時(shí)間 5.3.4 自適應(yīng)均衡的應(yīng)用 2 90.423 6.34 16 c mm Tms ffp = 5-5-4040 時(shí)隙長度如何設(shè)置？ 保證一個(gè)TDMA時(shí)隙的一致性，數(shù)據(jù)必須在 6.34ms時(shí)間間隔中傳送 Rs=24.3kbps，可被傳送的符號(hào)個(gè)數(shù)為： Nb = RsTc = 154個(gè)符號(hào) 5.3.4 自適應(yīng)均衡的應(yīng)用 5-5-4141 同樣還是15s的多徑時(shí)延，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸 速率達(dá)到5Mbps時(shí)，濾波器的階數(shù)應(yīng)該為 多大？ 75 隨著濾波器階數(shù)N的增大會(huì)有什么問題 呢？ 計(jì)算復(fù)雜度急劇增加 5.3.4 自適應(yīng)均衡的應(yīng)用 5.3.4 自適應(yīng)均衡的應(yīng)用 n如何降低均衡器的運(yùn)算量呢？ n分析一下求解均衡器系數(shù)的運(yùn)算量主要 在哪里？ n主要在信道的反卷積上 n如果將信號(hào)變換至頻域進(jìn)行均衡運(yùn)算量 會(huì)不會(huì)降低？ 5-5-4242 5.3.4 自適應(yīng)均