結(jié)合數(shù)字鎖相環(huán)空間分集判決反饋盲均衡算法

郭業(yè)才　朱　婕

(安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

摘 要：為了克服常數(shù)模算法(Constant Modulus Algorithm,CM A)收斂速度慢、穩(wěn)態(tài)誤差大及復(fù)信道引起相位旋轉(zhuǎn)的缺點，提出了結(jié)合數(shù)字鎖相環(huán)的等增益 合并空間分集判決反饋盲均衡算法。該算法利用空間分集技術(shù)來提高信噪比，利用判決反饋 盲均衡器來克服碼間干擾，利用二階鎖相環(huán)來跟蹤信道的時變特性，具有糾正相位旋轉(zhuǎn)、收 斂速度較快、穩(wěn)態(tài)誤差小的優(yōu)點。時變多普勒頻移水聲信道的仿真結(jié)果，驗證了該算法的有 效性。

關(guān)鍵詞：空間分集；數(shù)字鎖相環(huán)；判決反饋；水聲信道

Spatial Diversity Decision Feedback Blind Equalization Algorithm with Digital Phase-Locked Loop Structure GUO Ye-cai，ZHU Jie

(School of Electrical and Information Enginee ring ,Anhui University of Science and Technology,Huainan Anhui 232001,China)

Abstract:In order to overcome the disadvantages of low convergent rate of Constant Modulus Algorithm(CMA), big steady-state error and carrier ph a se rotation caused by complex communication channel, spatial diversity decision feedback blind equalization algorithm with digital phase-locked loop structure w as proposed. The proposed algorithm can improve signal-to-noise by spatial di ver sity technique, overcame intersymbol interference by decision feed-back blind e q ualizer, and trace time-varying characteristic by two-order phase-locked loo p, w hich has ability to compensate carrier phase rotation, to improve the convergenc e rate, and to reduce steady-state error. The validity of the proposed algorit hm was proved by computer simulation of underwater acoustics channel with time-v arying Dopple frequency-shift.

Key words: spatial diversity; digital phase-locked loop; de cision feedback equalization; underwater acoustics channel

信號在信道中傳輸時，由于多徑效應(yīng)，會產(chǎn)生碼間干擾。為了有效地克服碼間干擾，常采用 常數(shù)模算法設(shè)計均衡器。傳統(tǒng)的CMA(Constant Model Algorithm)使用的是信號模值信息， 但對信號相位信息不敏感。因此，在對有相位偏移的信號進(jìn)行均衡時，無法克服相位旋轉(zhuǎn)。 目前，克服常相位旋轉(zhuǎn)主要有兩種方法［1-4］： ① 用能同時進(jìn)行信道均衡和載波相位恢復(fù)的修正CMA算法，該算法將CMA分成實部和虛部， 不增加鎖相環(huán)，能有效克服常相位旋轉(zhuǎn)，但不能克服以一個固定角頻率變化的非常相位旋轉(zhuǎn) ；② 在CMA中使用鎖相環(huán)技術(shù)，一階鎖相環(huán)也只能克服常相位旋轉(zhuǎn)，不能克服非常相位旋轉(zhuǎn) 。要克服非常相位旋轉(zhuǎn)，需使用高階鎖相環(huán)技術(shù)。

影響算法均衡性能的重要因素是多徑效應(yīng)。采用具有非線性結(jié)構(gòu)的判決反饋均衡器，是克服多徑效應(yīng)的重要手段［5-6］2 413，2 843。同時空間分集技術(shù)也能 利用多徑信號來改善系統(tǒng)的均衡性能［7］。因為分集技術(shù)利用多條傳輸相同信息且 具有近似相等的平均信號強度和相互獨立衰落特性的信號路徑，在接收端對這些信號進(jìn)行適 當(dāng)?shù)暮喜ⅲ蟠蠼档土硕鄰剿ヂ涞挠绊?，改善了傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

本文采用具有非線性結(jié)構(gòu)的判決反饋均衡器，利用分集合并技術(shù)，結(jié)合數(shù)字鎖相環(huán)，提出一 種結(jié)合數(shù)字鎖相環(huán)的等增益合并空間分集判決反饋盲均衡算法，以提高均衡性能和通信質(zhì)量 。

1 單信道判決反饋盲均衡器

在單信道均衡的情況下，常用判決反饋均衡器(Decision Feedback Equalizer, DFE)［ 5-6］2 414，2 843,因為它可以消除前饋濾波器的ISI。判決反饋的基本思想是：一 旦檢測 到某個信息符號，就可以估計出它對后續(xù)符號產(chǎn)生的干擾，從而事先將其減去。DFE由一個 前向濾波器和一個反饋濾波器構(gòu)成，反饋濾波器以判決器的輸出作為輸入，用來消除先前已 經(jīng)檢測到的符號所產(chǎn)生的干擾。從功能上講，反饋濾波器用來從當(dāng)前估值中濾除被檢測符號 引起的那部分符號間干擾，因此對發(fā)射信號的估計更為精確(見圖1)。

將前向濾波器輸入信號、前向濾波器及反饋濾波器的權(quán)系數(shù)向量及判決器輸入信 號設(shè)為

號a(k)的估計。

圖1 單信道判決反饋基帶等效模型

2 空間分集判決反饋盲均衡器

假設(shè)單個天線陣元的接收信號強度低于某個預(yù)定電平的概率為玴，則相互獨立的D個天線陣 元接收到的信號強度同時低于這個預(yù)定電平的概率為pD。當(dāng)D較大時，顯然p D遠(yuǎn)遠(yuǎn)的小于p,因此可以實現(xiàn)天線空間分集，抵抗空間選擇性衰落［8-9］ 。同時，在接收端采用適當(dāng)?shù)暮喜⒓夹g(shù)，將這些信號合并，從而提高接收 端的信噪比，降低誤碼率。在滿足一定誤碼率的條件下，可以采用冗余度較小的信道編碼來 提高有效數(shù)據(jù)速率；也可以在滿足一定誤碼率的條件下，降低信號的發(fā)送功率，節(jié)省功耗。 為了在信道均衡中采用空間分集技術(shù)，將基于單信道判決反饋盲均衡器擴(kuò)展為能進(jìn)行空間分 集的多信道判決反饋盲均衡器(見圖2)。在空間分集盲均衡器中每一路由子信道和子盲均衡 器組成。

對盲均衡器的輸出 進(jìn)行合并處理，處理后的結(jié)果經(jīng)判決器輸出后作為反饋濾波器的輸入。

圖2 空間分集判決反饋均衡器結(jié)構(gòu)3 鎖相環(huán)空間分集判決反饋結(jié)構(gòu)

在空間分集判決反饋盲均衡器結(jié)構(gòu)中， 引入鎖相環(huán)(Phase-Locked Loop， PLL)后， 得到 結(jié)合鎖相環(huán)的空間分集判決反饋盲均衡算法(Spatial Diversity Based Decis ion Feedback Equalization algorithm with Phase-Locked Loop structure，SD-DFE+PL L)(見圖3)。玵(k)為鎖相環(huán)或判決器輸入；θ[DD(-1*9]＾ (k)為對相位旋轉(zhuǎn)的估計值。

3.2 等增益合并技術(shù)ニ謂等增益合并(Equal Gain Combining, EGC)，就是在接收端有獶個分集支路，經(jīng)過相 位調(diào)整后，按照相同的增益系數(shù)，同相相加，再送入組合器進(jìn)行合并。同時,該分集技術(shù)要 求各分集支路信號不相干。

等增益合并的平均輸出信噪比為

因為最大比合并增益為獶，可見，當(dāng)獶較大時，等增益合并增益與最大比合并相 差不多，但是實現(xiàn)起來要比最大比合并容得多，設(shè)備也較簡單［5］2 413。

3.3 等增益空間分集判決反饋盲均衡器ピ諭3中，對各子路均衡器權(quán)向量用常數(shù)模算法

該算法采用等增益空間分集進(jìn)行合并處理，并在判決反饋結(jié)構(gòu)中引入了鎖相技術(shù)，故稱為基 于等增益合并空間分集判決反饋鎖相盲均衡算法(Equal Gain Combining Sp atial Diversity Decision Feedback blind equalization algorithm with Phase-Locke d Loop structure,EGCS-DFE+PLL)。該算法利用分集技術(shù)來提高信噪比，利用盲均衡技術(shù) 來提高帶寬利用 率，利用鎖相環(huán)來克服相位轉(zhuǎn)移，用判決反饋來消除先前已檢測到的信號產(chǎn)生的干擾。因而 具有克服相位旋轉(zhuǎn)，減少錯誤判決的能力。因而，具有收斂速度快、收斂后均方誤差小等特 點。バ枰指出：多種算法組合后的計算量，比單一算法的計算量要大。就本文而言，計算量雖有 增加，但還不至于影響實際應(yīng)用。

4 仿真實驗

為了驗證EGCS-DFE+PLL的性能，以判決反饋常數(shù)模盲均衡算法(CMA-DFE)、以等增益合并空 間分集判決反饋盲均衡算法(EGCS-DFE)為比較對象，并采用脈沖響應(yīng)為玞1=［e-0 .7 j,0,0,0.3e-1.8 j］的時變多普勒頻移水聲信道和 脈沖響應(yīng)為c2=［-0.005-0.004 j,-0.218+0.273 j,0.049-0.074

j,0.16+0.2 j］的復(fù)信道進(jìn)行仿真研究(見圖4)。發(fā)射信號為16

QAM，方差為1；信噪比為30 dB；CMA均衡器權(quán)長為9，中心抽頭初 始化，步長為0.000 002；EGCS-DFE均衡器，CMA權(quán)長為9，中心抽頭初始化，步長為0.000 0 01 8；EGCS-DFE+PLL均衡器，PLL步長α1=0.004,α2=0.000 4， 權(quán)長為9， 中心 抽頭初始化， 步長為0.000 045；反饋均衡器的權(quán)長為5。

圖4表明，EGCS-DFE收斂速度較快但卻無法補償相位旋轉(zhuǎn)，EGCS-DFE+PLL比CMA的收斂速度快 近3 000步，且穩(wěn)態(tài)誤差比CMA和EGCS-DFE都小了大約5 dB。由于相位旋轉(zhuǎn)給EGC S-DFE和CMA-DFE的均衡性能造成了影響。因此EGCS-DFE+PLL性能最好，均衡后星座圖更加緊 密集中，星座圖張開更加清晰，并且有效地克服了相位旋轉(zhuǎn)。