一種改進的數字同頻直放站自適應反饋干擾抑制算法

王 飛

(成都工業學院 通信工程系,成都 611730)

一種改進的數字同頻直放站自適應反饋干擾抑制算法

王 飛

(成都工業學院 通信工程系,成都 611730)

基于數字地面電視廣播(Digital Terrestrial Television Broadcasting,DTTB)同頻直放站的回波干擾抑制,提出了一種變步長塊LMS(Variable Step-size Block Normalized Least Mean Square,VSSBNLMS)自適應算法。此算法的目的是為了提高傳統回波干擾抑制的自適應算法的收斂速度和降低計算復雜度。其將輸入信號分為長度相等的塊,在每一個數據塊內,權值向量只更新一次,有效地降低了計算復雜度。另外,該算法通過輸出誤差控制更新步長的變化,與傳統的歸一化LMS(NLMS)和塊LMS(BLMS)算法相比,提高了收斂速度。仿真結果表明,該算法具有良好的收斂速度和回波干擾抑制性能。

數字地面電視廣播;同頻直放站;回波干擾抑制;自適應濾波;變步長LMS算法

1 引 言

無線同頻直放站能有效提高信號覆蓋范圍和減少盲區,與基站相比,其最大的優點是節省成本和安裝靈活,提高整個通信網的工作效率。無線同頻直放站已廣泛應用于數字地面電視廣播單頻網,它將基站接收信號放大后再轉發出去,但是由于其收發天線之間的耦合,部分轉發信號會返回接收天線形成回波干擾,并與基站信號一同被接收。此時,如果直放站增益大于收發天線間的隔離度,回波干擾信號將在直放站與回波信道組成的回路中被循環放大,導致系統自激;即使直放站增益小于收發天線間的隔離度,系統不產生自激,回波干擾也將影響通信質量。

為抑制回波干擾和降低自激風險,目前大多在數字基帶采用回波干擾抑制(Interference Cancellation System,ICS)的方法,即在直放站中安裝回波抵消器,在時域估計回波信道和回波干擾,然后從接收信號中減去回波估計值。回波抵消器一般由信道估計器、有限沖激響應(Finite Impulse Response,FIR)濾波器和減法器組成,回波信道估計是回波抵消的關鍵,自適應算法被廣泛用來解決回波信道和干擾估計。最小均方(Least Mean Square,LMS)算法由于其結構簡單、穩定性好、易于實時實現等優點,在回波抵消中被廣泛采用。文獻[1-4]采用傳統的LMS算法進行回波干擾抑制,但LMS算法收斂速度較慢,在回波抑制初期系統中仍存在較大的殘留回波,從而增加了自激的風險;文獻[5]采用自適應格型濾波,有效提高了收斂速度,但同時增加了計算復雜度,不利于硬件實現。另外,文獻[6]在直放站中插入一定長度的訓練序列對回波信道進行估計,此訓練序列功率應保證盡量小,且應周期性地加入以保證信道估計的實時更新。雖然文獻[6]仿真表明了此算法的有效性,但訓練序列的加入帶來的干擾仍不可避免。

結合變步長LMS(Variable Step-size LMS Algorithm,VSSLMS)算法[7]和塊歸一化LMS(Block Normalized LMS,BNLMS)算法[8],本文提出了一種改進的變步長塊歸一化LMS(Variable Step-size Block Normalized LMS Algorithm,VSSBNLMS)算法用于回波干擾抑制,此算法繼承了VSSLMS和BNLMS兩種算法的優點,既獲得了較快的收斂性能,又一定程度上節省了計算復雜度。

2 直放站回波干擾抑制系統模

圖1是具有自適應回波抵消功能直放站的基帶系統模型。

圖1 系統模型Fig.1 System model

真實回波信道(包含功放)采用FIR濾波器建模,其可表示為

式中,N為真實信道階數,[·]T表示轉置。

回波信道估計向量可表示為

式中,L為信道估計的階數,n表示離散時間。

n時刻接收端接收到的總信號為

式中,x(n)=[x(n),x(n-1),…,x(n-N+1)]T,y(n)為回波干擾,r(n)為接收到的來自基站的電視信號,v(n)為加性白噪聲,其均值都為0,方差分別為和。

從系統接收總信號中減去回波干擾估計值,即回波抵消后,可得誤差信號

式中,xL(n)=[x(n),x(n-1),…,x(n-L+1)]T為FIR濾波器的輸入信號,它由誤差信號反饋回濾波器而形成, y(n)為回波干擾估計。

信道估計根據LMS算法更新,即

式中,μ是LMS算法的步長。

3 回波干擾抑制VSSLMS和BNLMS算法

3.1 VSSLMS算法

回波干擾抑制除了采用LMS算法,還可以采用另外的自適應算法。為了提高信道估計的收斂速度,可采用變步長LMS算法。

變步長的算法的權值更新公式為

步長是根據輸出誤差來調整的,其更新公式為

式中,0<α<1,γ>0,μmax和 μmin分別是最大步長和最小步長。為了滿足算法初始時期有較快的收斂速度,μmax一般選擇靠近 1,μmin選擇較小以滿足算法的最小均方誤差。算法的初始步長設置為 μmax。

這種算法比固定步長LMS具有更可取的優越性:自適應初始階段,e(n)較大,對應 μ(n)較大,算法收斂速度較快;隨著算法逐漸進入穩態,e(n)減小,對應 μ(n)減小,因此在最佳權系數附近產生較小的失調。

3.2 BNLMS算法

為了提高LMS在回波抵消中的計算復雜度,可采用時域塊歸一化LMS(BNLMS)算法降低計算量。時域塊歸一化LMS算法的基本思想是把輸入參考信號分為長度相等的塊,在每一個數據塊內,權值向量只更新一次,即NLMS算法的更新方程只作用一次。這樣就大大節省了計算量,但是卻以降低算法的收斂速度為代價。

假設塊NLMS算法中每個數據塊包含N個采樣值,則經回波抵消的誤差信號可表示為

式中,N為數據塊長度,k為數據塊序號。式(8)表示在采樣時刻n回波抵消后的誤差信號,

在一數據塊中,算法的收斂性基本由輸出的最大誤差值決定,而其他較小的誤差值由于包含的信息較少,可以忽略,則在一個數據塊中算法權值更新的時刻由下式決定:

那么算法的更新方程為

式中,μ為步長因子;ε為規則因子,防止輸入信號過小而引起的算法不穩定;iu為一數據塊內算法更新時刻;μ(k)為變步長,每一數據塊步長調整一次。

4 VSSBNLMS算法

變步長LMS算法擁有收斂速度快但計算量相對較大的特點,而塊NLMS算法計算量較小但收斂速度較慢。根據這兩種算法各自的特點,下面介紹一種適用于回波抵消的變步長塊NLMS算法,此算法綜合了前兩種算法的優點,可在提高收斂速度的同時減少計算量,其算法流程如圖2所示。

圖2 算法流程Fig.2 Flowchart of algorithm

首先將自適應濾波器權系數初始值設置為0。假設塊NLMS算法中每個數據塊包含N個采樣值,則經回波抵消的誤差信號如式(8)所示。

步長根據輸出誤差來調整,其更新公式為

5 仿真實驗

仿真實驗中將提出的VSSBNLMS算法與NLMS和BNLMS算法作比較,考察此算法的性能和相比于另兩種算法的優勢。采用基于中國DTTB標準的數字電視信號[9],其調制方式為TSD-OFDM(時間同步-正交頻分復用),幀頭模式采用PN420,其帶寬為7.56 MHz,采樣頻率30 MHz;回波信道模型采用文獻[5]提到的COST207 RA6信道模型,如表1所示。多普勒頻移為0 Hz,信道實際階數N=16。直放站系統增益為60 dB,收發天線的隔離度為55 dB。其他仿真參數如表2所示。所有仿真結果都由100次蒙特卡羅實驗平均獲得。

表1 RA6 COST207信道參數Table 1 R A6 COST207 channel parameters

表2 仿真參數Table 2 Simulation parameters

將基站至直放站簡化為加性高斯白噪信道,則在直放站接收天線端的信噪比(SNR)定義為

采用系統歸一化殘留回波功率(Normalized Residual Echo Power,REP)考察算法的回波干擾抑制性能。系統歸一化殘留回波定義為

式中,M表示計算REP的時間跨度,仿真中取M=1 000。REP可評價回波抵消器回波抑制性能,其值越小,表明回波抑制性能越好。當LMS算法收斂后,REP相當于算法額外均方誤差(高信噪比下可忽略掉噪聲的影響)。

歸一化均方偏差(Normalized Mean Square Deviation,NMSD)用來考察算法的信道估計性能,其值越小,表明信道估計越準確,其定義式為

圖3表示3種算法的回波信道估計NMSD曲線。NLMS算法和BNLMS算法的步長都設置為0.01,而VSSBNLMS算法的初始步長設置為0.01。從圖中可以看出,由于VSSBNLMS算法采用變步長因子,其收斂速度快于另兩種算法;對于BNLMS算法,由于其權向量每隔一個數據塊才更新一次,其收斂速度最慢。

圖3 NMSD學習曲線Fig.3 NMSD learning curves

圖4表示3種算法的回波抵消性能。從圖中可以看出,3種算法用于回波干擾抑制后,最終的殘留回波REP都可達到-25 dB以下,表明3種算法都能有效地抑制直放站回波干擾。盡管如此,VSSBNLMS算法由于采取了變步長因子,其收斂速度明顯提高,相比于其他兩種算法,其REP最先達到-25 dB以下,這樣就更有效地減小了在回波抵消初期系統的回波干擾,降低了直放站自激的可能。

圖4 殘留回波(REP)曲線Fig.4 Residual echo power curves

圖5為直放站回波抑制前后功率譜密度的對比,采用VSSBNLMS算法進行回波抑制。從圖中可見,經VSSBNLMS算法回波抑制后,帶內15 dB左右的回波基本被消除,而帶外還有少許未抑制的回波干擾,可設計合適的濾波器將其抑制,因此該算法能有效地完成回波抑制功能。

圖5 輸入輸出信號功率譜比較Fig.5 Comparision of input and output power spectral density

6 結束語

本文在數字地面電視同頻直放站回波干擾抑制背景下,提出了一種改進的VSSBNLMS自適應算法。此算法將變步長NLMS算法和塊LMS算法相結合,將輸入信號分為長度相等的塊,在每一個數據塊內,權值向量只更新一次,同時通過輸出誤差控制更新步長的變化。與傳統的NLMS算法相比,該算法提高了收斂速度并降低了計算復雜度。仿真結果表明,該算法具有良好回波干擾抑制性能,能有效地應用于工程實現中。

[1]Salehian K,Guillet M,Caron B,et al.On-Channel Repeater for Digital Television Broadcasting Service[J].IEEE Transactions on Broadcasting,2002,48(2):97-102.

[2]Lee Y T,Park S I,Eum H M,et al.A Design of Equalization Digital On-Channel Repeater for Single Frequency Network ATSC System[J].IEEE Transactions on Broadcasting,2007,53(1):23-37.

[3]LeeM,Keum B,SHIM Y S,Lee H S.An Interference Cancellation Scheme for Mobile Communication Radio Repeaters[J].IEICE Transactions on Communication,2009,E92-B(5):1778-1785.

[4]Lee M,Keum B K,Lee H S,et al.A Radio Interference Cancellation Model for Mobile Communication Systems[C]//Proceedings of the 4th IEEE International Conference on Wireless and Mobile Communications.Tokyo,DC:IEEE,2008:376-381.

[5]Choi J Y,Hong J K,Lee S J.An Interference Cancellation for Digital On-Channel Repeaters in T-DMB System[C]//Proceedings of IEEE International Symposium on Broadband Multimedia Systems and Broadcasting.Washington,DC:IEEE,2009:317-321.

[6]Nasr K M,Cosmas J P,Bard M,et al.Performance of an Echo Canceller and Channel Estimator for On-Channel Repeatersin DVB-T/H Networks[J].IEEE Transactions on Broadcasting,2007,53(3):609-618.

[7]Kwong R H,Johnston E W.A Variable Step Size L MS algorithm[J].IEEE Transactions on Signal Processing,1992,40(7):1633-1642.

[8]Haykin S.Adaptive Filter Theory[M].4th ed.NJ:Prentice-Hall,2002:273-277.

[9]Zhang W,Guan Y,Liang W,et al.An introduction of the Chinese DTTB standard and analysis of the PN595 working modes[J].IEEE Transactions on Broadcasting,2007,53(1):8-13.

WANG Fei was born in Nanchong,Sichuan Province,in 1978.He received the B.S degree from Nanjing University of Aeronautics andAstronautics and the M.S.degree from Sichuan University in 2002 and 2006,respectively.He is now a lecturer.His research concerns signal processing.

Email:qifly@126.com

An Improved Adaptive Feedback Interference Cancellation Algorithm for Digital On-channel Repeaters

WANG Fei
(Department of Communication Engineering,Chengdu Technological University,Chengdu 611730,China)

A variable step-size block normalized least mean square(VSSBNLMS)algorithm is derived to cancel the feedback interference in a Digital On-Channel Repeater(DOCR)for the Digital Terrestrial Television Broadcasting(DTTB)networks.Its purpose is to improve the conventional adaptive algorithm′s convergence speed and decrease the computational complexity for the feedback interference cancellation.By dividing the input signal into blockswith the same length and updating the tapweights once per every block,the computational complexity can be decreased effectively.Furthermore,variable step-size is applied to increase the convergence speed.Compared with the NLMS and BLMS algorithms,VSSBNLMS algorithm achieves more rapid convergence.Simulations illustrate the computational complexity is reduced and the echo interference cancellation performance is satisfying.

DTTB;co-channel repeater;echo interference cancellation;adaptive filtering;VSSBNLMS algorithm

TN911.72

A

10.3969/j.issn.1001-893x.2012.06.019

1001-893X(2012)06-0928-05

2012-03-31;

2012-05-08

王 飛(1978—),男,四川南充人,2002年于南京航空航天大學獲學士學位,2006年于四川大學獲碩士學位,現為講師,主要研究領域為信號處理。