盲均衡算法详解,盲均衡算法原理

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  在数字通信系统中,带限发射、通道滤波器不匹配、放大器非线性、时延与多径效应等因素综合作用,会使信号在传递过程中产生码间串扰[1]和信道间干扰,从而在接收端产生误码,导致系统性能下降。   当信道不可避免地存在码间串扰时,为了消除码间串扰带来的不利影响,传统的方法是在接收端使用均衡器[2],使均衡器的特性正好与信道的特性相反,就能够准确补偿传输系统的失真,消除码间串扰。盲均衡算法不需要额外的训练序列,仅利用调制信号本身的幅度信息,就能够自适应地调整滤波器响应以补偿信道畸变,所以能最大化信道利用率[3]。盲均衡算法有多种实现,恒模算法(CMA)[4]是其中应用相当广泛的一种。为适应存在相位旋转的复信号,CMA算法改进为MCMA[5?6]。本文尝试从CMA算法出发,推导适用于QPSK信号的M22CMA均衡算法的复信号实现,通过Matlab和ModelSim仿真验证了该算法在处理QPSK信号时的有效性。   1 恒模算法(CMA)   盲均衡算法的核心是设计一个合理的代价函数,使系统的最优值处于该函数的一个极小值点,然后通过某种自适应方法求出该点。设发送信号的功率是恒定的,均衡器输出信号的功率也应该是恒定的,CMA算法由此而来。   CMA算法的代价函数为:   对于不同的[p,q]取值,可得到不同收敛特性和复杂度的最速下降常模算法。对于QPSK信号,其期望的幅度为1,取[p=2,][q=2,]可得2?2型最速下降常模算法(22CMA)为:   误差函数[e(n)]中含有[(1-x(n)2)]因子,考虑到降低算法复杂度,减少乘法次数,降低硬件消耗的需要,使用[(1-x(n))]代替[(1-x(n)2),]可得到改进的CMA算法(M22CMA算法)如下:   2 复信号M22CMA算法的设计   恒模盲均衡算法适用于所有具有恒定包络的调制信号,QPSK是一种典型的恒包络信号,其四个对称点的星座图尤其适合使用CMA算法进行基带处理。而QPSK信号的同相支路和正交支路不仅存在支路内部的码间串扰,还同时存在路间正交串扰和非对称失真,如果存在载波的相位误差,还将引起星座图旋转,此时的CMA均衡必须将同相支路和正交支路作为整体而引入复均衡算法。   设解调后的I,Q信号为一个复信号的实部和虚部:   将上述各式代入迭代方程,可得权系数的更新方程为:   可见复信号的M22CMA算法由4个横向滤波器组成,实际上包含了4个非对称的均衡器。该算法不仅具有传统的时域均衡效果,还可消除正交失配和相位旋转。   3 算法仿真和实现   仿真时使用QPSK信号,数据长度2 000;抽头系数个数为9,中心抽头初始值为1,其他为0,迭代步长0.001;信号信噪比为20 dB,采用典型的四径信道,路径延时分别为0,2,4,6个码片,幅度增益为1,0.3,0.2,0.1。   图1,图2分别为该多路径信号星座图和眼图,可见,三条干扰路径对主路径的干扰明显,其星座图发散,幅度波动较大,眼图几乎完全闭合,此时的噪声门限显然较低,系统性能大幅下降。  图5对比了22CMA和M22CMA算法的均方误差曲线,可见用[(1-|x~(n)|)]代替[(1-|x~(n)|2)]的简化方法具有几乎相同的性能, 误差的改进计算方法对性能影响较小。   图6是M22CMA算法在ModelSim中的实现结果。图中所示的上半部分为同相(I)支路的多径信号输入,下半部分为均衡器的同相支路输出。可见,该方法具有较好的收敛特性和跟踪性能。   4 结 语   本文推导并实现了一种适用于复恒模信号的盲均衡算法,并以QPSK为例进行了软件和硬件仿真。仿真和试验结果表明,该算法计算复杂度小,收敛速度快,稳定性高,收敛后均方误差小,能有效抵抗信道不理想造成的码间串扰,补偿信道特性的畸变。   参考文献   [1] CHEN Bor?sen, LIAO Jung?feng. Robust blind equalizer over fast time?varying ISI fading channels [C]// Proceedings of IEEE Global Telecommunications Conference. San Francisco, CA, USA: IEEE, 2006: 526?570.   [2] 邱天爽.通信中的自适应信号处理[M].北京:电子工业出版社,2005.   [3] 郭业才,何龙庆,韩迎鸽,等.盲均衡技术在水声信道均衡中的应用进展[J].船舰科学技术,2007,29(2):22?27.   . IEEE Transactions on Communications, 1980, 28(11): 1867?1875.   [5] OH Kil Yam, CHIN Yong Ohk. Modified constant modulus algorithm: blind equalization and carrier phase recovery algorithm [C]// IEEE International Conference on communications. [S.l.]: IEEE, 1995, 1: 498?502.

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