均衡技术.

无线通信技术翟旭平[e-mail]2012-5-9均衡技术概述时域均衡技术频域均衡技术通信与信息工程学院信道均衡技术均衡技术4.1均衡技术概述均衡的概念•均衡的对象是什么？信道的传输特性。•均衡的目的是什么(或者说为什么需要均衡)？信道的传输特性由于各种原因不满足无码间串扰条件。符号间干扰是无线信道中传输高速率数据时的主要障碍，均衡是克服符号间干扰的一种技术。•均衡的实现原理是怎样的？在基带系统中插入一种可调（或不可调）滤波器，来补偿整个系统的幅频和相频特性，从而使包含该滤波器的传输系统的特性满足无码间串扰的条件。这个对系统校正的过程称为均衡，实现均衡的滤波器称为均衡器。无线通信系统中，由于移动衰落信道具有随机性和时变性，要求均衡器必须能够实时地跟踪信道的时变特性，因此这种均衡器又称为自适应均衡器。均衡技术4.1均衡技术概述均衡器的分类1、频域均衡频域均衡是从校正系统的频率特性出发，利用一个可调滤波器的频率特性去补偿信道或系统的频率特性，使包括可调滤波器在内的基带系统的总特性接近无失真传输条件。2、时域均衡直接校正已失真的响应波形，使包括可调滤波器在内的整个系统的冲激响应满足无码间串扰条件。均衡技术4.2均衡技术原理均衡技术4.2均衡技术原理均衡技术4.2均衡技术原理均衡技术4.2均衡技术原理横向滤波器均衡技术4.2均衡技术原理横向滤波器特性：•横向滤波器的特性将取决于各抽头系数Cn。•如果Cn是可调整的，则图中所示的滤波器是通用的；特别当Cn可自动调整时，则它能够适应信道特性的变化，可以动态校正系统的时间响应。•理论上，无限长的横向滤波器可以完全消除抽样时刻上的码间串扰，但实际中是不可实现的。因为，不仅均衡器的长度受限制，并且系数Cn的调整准确度也受到限制。如果Cn的调整准确度得不到保证，即使增加长度也不会获得显著的效果。因此，有必要进一步讨论有限长横向滤波器的抽头增益调整问题。均衡技术4.2均衡技术原理横向滤波器设一个具有2N+1个抽头的横向滤波器，如下图所示，其单位冲激响应为e(t)，则有设它的输入为x(t)，x(t)是被均衡的对象，并设它没有附加噪声，如下图所示。则均衡后的输出波形y(t)为均衡技术4.2均衡技术原理均衡技术4.2均衡技术原理例：设有一个三抽头的横向滤波器，其C-1=-1/4,C0=1,C+1=-1/2；均衡器输入x(t)在各抽样点上的取值分别为：x-1=¼,x0=1，x+1=1/2，其余都为零。试求均衡器输出y(t)在各抽样点上的值。均衡技术4.2均衡技术原理由此例可见:•除y0外，均衡使y-1及y1为零，但y-2及y2不为零。这说明，利用有限长的横向滤波器减小码间串扰是可能的，但完全消除是不可能的。•那么，如何确定和调整抽头系数，获得最佳的均衡效果呢？这就是下面要讨论的内容。均衡技术4.3均衡准则与实现有限长横向滤波器不可能完全消除码间串扰，其输出将有剩余失真。为了评价均衡效果，需要建立一个标准来度量剩余失真的大小。均衡准则•峰值失真准则•均方失真准则（1）峰值失真意义：除k=0以外的各值的绝对值之和反映了码间串扰的最大值。y0是有用信号样值，所以峰值失真D是码间串扰最大可能值（峰值）与有用信号样值之比。显然，对于完全消除码间干扰的均衡器而言，应有D=0；对于码间干扰不为零的场合，希望D越小越好。因此，若以峰值失真为准则调整抽头系数时，应使D最小。均衡技术4.3均衡准则与实现（2）均方失真意义：其物理意义与峰值失真相似。以最小峰值失真为准则，或以最小均方失真为准则来确定或调整均衡器的抽头系数，均可获得最佳的均衡效果，使失真最小。注意：以上两种准则都是根据均衡器输出的单个脉冲响应来规定的。另外，还有必要指出，在分析横向滤波器时，我们均把时间原点(t=0)假设在滤波器中心点处(即C0处)。如果时间参考点选择在别处，则滤波器输出的波形形状是相同的，所不同的仅仅是整个波形的提前或推迟。均衡技术4.3均衡准则与实现1）最小峰值失真准则下的迫零算法均衡技术4.3均衡准则与实现均衡技术4.3均衡准则与实现均衡技术4.3均衡准则与实现均衡技术4.3均衡准则与实现例：设计一个具有3个抽头的迫零均衡器，以减小码间串扰。已知x-2=0，x-1=0.1，x0=1，x1=-0.2，x2=0.1，求3个抽头的系数，并计算均衡前后的峰值失真。均衡技术4.3均衡准则与实现例：设计一个具有3个抽头的迫零均衡器，以减小码间串扰。已知x-2=0，x-1=0.1，x0=1，x1=-0.2，x2=0.1，求3个抽头的系数，并计算均衡前后的峰值失真。均衡技术4.3均衡准则与实现由上例可见，3抽头均衡器可以使两侧各有一个零点，但在远离y0的一些抽样点上仍会有码间串扰。这就是说抽头有限时，总不能完全消除码间串扰，但适当增加抽头数可以将码间串扰减小到相当小的程度。迫零均衡器的具体实现------预置式自动均衡器原理图：均衡技术4.3均衡准则与实现迫零均衡器的具体实现------预置式自动均衡器原理图：它的输入端每隔一段时间送入一个来自发端的测试单脉冲波形。当该波形每隔Ts秒依次输入时，在输出端就将获得各样值为yk(k=-N，-N+1，…，N-1，N))的波形，根据“迫零”调整原理，若得到的某一yk为正极性时，则相应的抽头增益Ck应下降一个适当的增量△；若yk为负极性，则相应的Ck应增加一个增量△。为了实现这个调整，在输出端将每个yk依次进行抽样并进行极性判决，判决的两种可能结果以“极性脉冲”表示，并加到控制电路。控制电路将在某一规定时刻(例如测试信号的终了时刻)将所有“极性脉冲”分别作用到相应的抽头上，让它们作增加△或下降△的改变。这样，经过多次调整，就能达到均衡的目的。可以看到，这种自动均衡器的精度与增量△的选择和允许调整时间有关。△愈小，精度就愈高，但调整时间就需要愈长。均衡技术4.3均衡准则与实现均衡技术4.3均衡准则与实现均衡技术4.3均衡准则与实现均衡技术4.3均衡准则与实现均衡技术4.3均衡准则与实现由于自适应均衡器的各抽头系数可随信道特性的时变而自适应调节，故调整精度高，不需预调时间。在高速数传系统中，普遍采用自适应均衡器来克服码间串扰。自适应均衡器还有多种实现方案，经典的自适应均衡器准则或算法有：迫零算法（ZF）、最小均方误差算法（LMS）、递推最小二乘算法（RLS）、卡尔曼算法等。另外，上述均衡器属于线性均衡器（因为横向滤波器是一种线性滤波器），它对于像电话线这样的信道来说性能良好，对于在无线信道传输中，若信道严重失真造成的码间干扰以致线性均衡器不易处理时，可采用非线性均衡器。均衡技术均衡技术的分类作业题7.67.9