無線通信信道均衡技術(shù)的研究

李茜

摘 要：隨著社會經(jīng)濟、科技的不斷發(fā)展，目前無線通信技術(shù)進入了其發(fā)展以來最快的時期，技術(shù)的發(fā)展使網(wǎng)絡(luò)能夠受到重視并廣泛應(yīng)用，市場數(shù)據(jù)分析顯示無線通信用戶數(shù)量正在不斷增加，可以說我們的生活已離不開無線通信。但是由于無線通信的未知性與時變性，與AWGN信道相比，惡劣的移動無線信道帶給信號的失真和衰落更加明顯，無線通信系統(tǒng)需要利用有關(guān)信號處理技術(shù)來改進惡劣的無線通信傳播環(huán)境下的鏈路性能。均衡、分集和信道編碼這3種技術(shù)是通常用來改進小尺度時間和空間中接收信號的質(zhì)量和鏈路性能的信號處理技術(shù)，可單獨使用，又可組合使用。本文主要就無線通信信道的均衡技術(shù)進行分析以實現(xiàn)信道均衡。

關(guān)鍵詞：均衡技術(shù)原理；技術(shù)分類；均衡結(jié)構(gòu)分類；均衡算法

1 均衡原理

在通信帶寬受限（頻率選擇性）且時間擴散的信道中，由于多徑效應(yīng)的存在以及脈沖調(diào)制產(chǎn)生的時域擴展從而而導(dǎo)致符號間干擾，該干擾會使被傳輸?shù)男盘柈a(chǎn)生失真，既而在接收機中產(chǎn)生誤碼，碼間干擾被認(rèn)為是在無線通信信道中傳輸高速率數(shù)據(jù)時的主要障礙，而均衡技術(shù)正是為了補償時分信道中由于多徑效應(yīng)產(chǎn)生的符號間干擾而應(yīng)運而生的。從廣義上來講，均衡可以指任何用來削弱符號間干擾的信號處理過程，由于移動衰落信道具有隨機性和時變性的特性，這就要求均衡器能夠?qū)崟r地跟蹤移動通信信道的時變特性，并且根據(jù)時變特性進行相關(guān)調(diào)整。因此這種均衡器又稱為自適應(yīng)均衡器。

工作模式分類：自適應(yīng)均衡器大致包括兩種模式，訓(xùn)練模式和跟蹤模式。

（1）訓(xùn)練模式：發(fā)射機發(fā)射一個已知的、定長的訓(xùn)練序列，以便接收機中的均衡器調(diào)整恰當(dāng)?shù)膮?shù)設(shè)置，使BER最小。一般使用的訓(xùn)練序列是一個二進制的偽隨機信號或一串預(yù)先規(guī)定的數(shù)據(jù)比特，緊跟在訓(xùn)練序列之后的即是被傳輸?shù)挠脩魯?shù)據(jù)，訓(xùn)練序列如何選取是訓(xùn)練模式的關(guān)鍵，其要求做到即使處于最差的信道條件，均衡器也能通過這個序列獲得合適的濾波系數(shù)。

（2）跟蹤模式：接受用戶數(shù)據(jù)時，均衡器通過其自適應(yīng)算法進行跟蹤實時變化的信道，不斷改變其濾波系數(shù)以達(dá)到要求。

2 均衡技術(shù)分類

均衡技術(shù)一般被分為兩類：線性均衡和非線性均衡。這兩類均衡的差別主要來源于自適應(yīng)均衡器的輸出如何對均衡器子序列進行控制。一般情況下，模擬信號經(jīng)過接收機的判決器進行限幅或門限操作，判定信號的數(shù)字邏輯值。如果該數(shù)字邏輯值未被用于均衡器的反饋電路中，我們說該均衡器是線性的；反之，如果其值被應(yīng)用于均衡器的反饋電路中，并對均衡器的后續(xù)輸出有幫助，就是非線性的。

（1）線性均衡器：線性均衡器一般由橫向濾波器實現(xiàn)。這種均衡器算是最簡單的，工作過程如下：其把收到的信號的當(dāng)前值和過去值根據(jù)濾波系數(shù)做線性疊加，并把所疊加的和作為輸出。

（2）非線性均衡器：當(dāng)信道失真太嚴(yán)重以致使用線性均衡器無法達(dá)到要求時，采用非線性均衡器處理比較好，該應(yīng)用在無線通信系統(tǒng)中是普遍存在的。當(dāng)信道中有深度頻譜衰落時，用線性均衡器不能取得滿意的效果，這是由于線性均衡器為了彌補頻譜失真，會對出現(xiàn)深度衰落的那段頻譜及臨近頻譜產(chǎn)生很大的增益，從而增加了那段頻譜的噪聲，從而降低信噪比。因此出現(xiàn)了非線性均衡器，主要由以下兩種。

（1）判決反饋均衡器：它由兩個橫向濾波器（前饋濾波器，反饋濾波器）和一個判決器構(gòu)成。判決器的輸入等于：

式中是前饋濾波器的N+1個支路的加權(quán)系數(shù)；是后向濾波器的M個支路的加權(quán)系數(shù)。是當(dāng)前判決器的輸入，是輸出。

（2）最大似然估計均衡器：其可以看作是對一個離散有限狀態(tài)機狀態(tài)的估計。實際ISI的響應(yīng)只發(fā)生在有限的幾個碼元，因此在接受濾波器輸出端觀察到的ISI可以看作是數(shù)據(jù)序列通過系數(shù)為的FIR濾波器的結(jié)果。

3 均衡器結(jié)構(gòu)

（1）橫向結(jié)構(gòu)：是自適應(yīng)均衡技術(shù)中最簡單的形式，橫向結(jié)構(gòu)由分為若干級的延時結(jié)構(gòu)構(gòu)成，結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)之間延時間隔都為一個符號周期；輸入信號的未來值、當(dāng)前值及過去值這3個值均被均衡器時變抽頭系數(shù)通過線性加權(quán)求和后再輸出，然后根據(jù)輸出值和理想值之間的差別大小按照所設(shè)計的自適應(yīng)算法調(diào)整濾波器抽頭系數(shù)。橫向結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)非常簡單，容易實現(xiàn)，因此在各種數(shù)字通信系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。

（2）格型結(jié)構(gòu)：格型結(jié)構(gòu)屬于共軛對稱結(jié)構(gòu)：前向反射系數(shù)是后向反射系數(shù)的共軛。格型結(jié)構(gòu)最大的特點是局部相關(guān)聯(lián)的模塊化結(jié)構(gòu)。格型系數(shù)具有很強的抗干擾性，以及格型算法對于信號協(xié)方差矩陣特征值擴散所具有的相對惰性，使其算法能夠快速收斂并且數(shù)值優(yōu)良，而且格型均衡器的特殊結(jié)構(gòu)可以對最有效長度進行動態(tài)調(diào)整。

4 均衡算法

（1）迫零算法：進行迫零均衡器的設(shè)計時，應(yīng)調(diào)整其系數(shù)，使信道和均衡器組合沖激響應(yīng)的抽樣值在所取間隔的采樣點上除一個外全部為零。當(dāng)每個延時單元的時延與符號周期相等時，均衡器的頻率響應(yīng)就是周期性的，且等于符號速率。還有一個條件就是加上均衡器以后的信道總響應(yīng)應(yīng)滿足奈奎斯特第一準(zhǔn)則。

（2）最小均方差算法：該算法比迫零算法要穩(wěn)定一些，它所用的準(zhǔn)則是使均衡器的期望輸出值和實際輸出值之間的均方誤差最小化的準(zhǔn)則。

（3）遞歸最小二乘算法：其使用最小平方逼近將會獲得更快地逼近。快速的收斂算法將依賴實際收到信號的時間平均的誤差表達(dá)式，而不是統(tǒng)計平均誤差表達(dá)式。

參考文獻(xiàn)

[1]Theodore S.Rappaport.無線通信原理與應(yīng)用（第二版）[M].電子工業(yè)出版社，2013.

[2]李強，雷霞，羅顯平.無線通信中迭代均衡技術(shù)[M].國防工業(yè)出版社，2011.

（作者單位：重慶交通大學(xué)）