基于LMS 算法的自適應(yīng)均衡器仿真研究

田竹梅

(忻州師范學(xué)院物理電子系，山西忻州 034000)

無線通信信道具有隨機(jī)性和時變性，信道特性事先未知，要求濾波器能夠?qū)崟r地跟蹤通信信道時變特性，可以根據(jù)信道的時變響應(yīng)自動調(diào)整濾波器的抽頭系數(shù)，這種能自動調(diào)整濾波器抽頭系數(shù)的均衡器為自適應(yīng)均衡濾波器。隨著數(shù)字信號處理和超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，自適應(yīng)均衡已成為數(shù)字通信中抗碼間干擾的主要方法。

1 自適應(yīng)均衡器的結(jié)構(gòu)

1.1 線性橫向均衡器

線性橫向均衡器是指橫向濾波器中的加權(quán)系數(shù)為線性關(guān)系，線性橫向均衡器將輸入信號的過去值、當(dāng)前值及將來值經(jīng)過各抽頭系數(shù)加權(quán)后得到輸出值。抽頭系數(shù)可根據(jù)一定的自適應(yīng)算法用輸出值和理想值之間的差值進(jìn)行調(diào)整。線性橫向均衡器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 線性橫向均衡器結(jié)構(gòu)

線性橫向濾波器的結(jié)構(gòu)易于實現(xiàn)，在信道衰落不嚴(yán)重的場合得到應(yīng)用。但是線性橫向均衡器與接收信號的幅度關(guān)系密切，抽頭系數(shù)調(diào)整會相互影響，為達(dá)到較好的均衡效果需要更多的抽頭數(shù)目［1］。

1.2 判決反饋均衡器

非線性均衡器也稱為判決反饋均衡器，其抽頭加權(quán)系數(shù)為非線性關(guān)系。判決反饋均衡器結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中包括兩個抽頭延遲濾波器:一個是前向濾波器(FFF)，一個是反向濾波器(FBF)。判決反饋均衡器通過FFF和FBF分別補(bǔ)償信道將來和過去時刻的沖擊響應(yīng)產(chǎn)生的碼間干擾，反饋部分消除了由先前被檢測符號引起的碼間干擾，有較小的噪聲增益［2］。

圖2 非線性均衡器原理圖

2 自適應(yīng)均衡器的算法

自適應(yīng)均衡器的原理就是按照某種準(zhǔn)則和算法調(diào)整濾波器的抽頭系數(shù)，使濾波器的代價函數(shù)最小化，最終達(dá)到最佳均衡的目的。各種調(diào)整均衡器抽頭系數(shù)的算法就是自適應(yīng)算法，常用的算法有迫零算法，最小均方(LMS)算法和遞歸最小二乘(RLS)算法［3］。

迫零算法的實現(xiàn)需要一定條件，應(yīng)用場合比較局限。RLS 的收斂特性明顯優(yōu)于LMS 算法，但RLS 算法不如LMS 算法穩(wěn)定;從算法復(fù)雜度來看，LMS 算法的復(fù)雜度要比RLS 算法小得多，當(dāng)均衡器抽頭系數(shù)為N時，RLS 算法的運(yùn)算量正比于N2，而LMS 算法的運(yùn)算量正比于N［4］。

3 計算機(jī)仿真

在以下仿真過程中，信號通過高斯白噪聲信道，利用QAM 調(diào)制方式，通過設(shè)置不同的信噪比，對比基于LMS 算法的線性均衡器和判決反饋均衡器的性能。圖3為經(jīng)線性均衡器均衡模型圖，圖4為經(jīng)判決反饋均衡器均衡的模型圖。

圖3 QAM 信號經(jīng)線性均衡器均衡模型圖

圖4 QAM 信號經(jīng)判決反饋均衡器均衡模型圖

圖5為信源信號經(jīng)QAM 調(diào)制之后的星座圖。該調(diào)制信號經(jīng)過AWGN 信道傳輸后收到干擾，星座圖雜亂，如圖6所示。圖7和圖8分別為SNR=20時，受噪聲干擾信號經(jīng)過線性均衡器和判決反饋均衡器的星座圖，雖然線性均衡器的性能略遜于判決反饋均衡器，但信號經(jīng)均衡器后星座圖不再雜亂，而是有規(guī)律地排列。圖9和圖10分別為SNR=5時，受噪聲干擾信號經(jīng)過線性均衡器和判決反饋均衡器的星座圖，判決反饋均衡器仍然能達(dá)到很好的均衡效果，但此時線性均衡器的均衡效果變差，幾乎無法得出正確的星座圖。

圖5 QAM 調(diào)制信號星座圖

圖6 均衡器輸入端信號星座圖

圖7 線性均衡器均衡星座圖(SNR=20)

圖8 判決反饋均衡器均衡星座圖(SNR=20)

圖9 線性均衡器均衡星座圖(SNR=5)

圖10 判決反饋均衡器均衡星座圖(SNR=5)

4 結(jié)語

隨著數(shù)字通信技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了如短波通信這樣的快變化信道。為了能更好地跟蹤這些信道的特性，我們還需對具有快速收斂特性的算法和結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜的均衡器進(jìn)行深入研究。

［1］張力軍，錢學(xué)榮，張宗橙，等.通信原理［M］.北京:高等教育出版社，2008:91－137.

［2］尚小天.自適應(yīng)均衡技術(shù)的研究［D］.西安:西安電子科技大學(xué)，2006:15－19.

［3］啜鋼，王文博，常永宇.移動通信原理與應(yīng)用［M］.北京:北京郵電大學(xué)出版社，2002:99－108.

［4］刁樹林，鐘劍波.時域自適應(yīng)均衡技術(shù)的分析與應(yīng)用［J］.無線電工程，2009，39(9A):44－47.