一種改進型Bussgang自適應頻域均衡方法
2023-05-12 05:55:26 1
專利名稱：一種改進型Bussgang自適應頻域均衡方法
技術領域：
本發明涉及通信技術領域，尤其涉及一種基於最小均方誤差的改進型Bussgang 自適應頻域均衡方法。
背景技術：
隨著三代後(B3G)或第四代移動通信系統GG)以及hternet的迅猛發展，未來移動通信系統的設計目標不僅要求通信速率的提高，還要求實現更大的系統容量和更好的通信質量，而且要能在全球範圍內更好地實現無縫漫遊及為用戶提供包括語音、數據和圖像等的多媒體業務。如何實現這個目標已成為世界通信和信息科學學術界研究的熱點。然而，惡劣的無線信道環境制約著通信速率以及質量的發展要求，許多物理層的新技術不斷被研究和應用，主要有多載波技術、新的編解碼技術、自適應編碼調製技術、多天線技術、 信道估計和均衡等接收檢測技術。為了緩解或克服無線信道環境對通信系統的影響，均衡技術是一種至關重要的技術。由於它能消除信道對發送信號的影響，從而改善接收端的性能，所以一直備受關注。目前採用的均衡方法主要分為兩大類一類是通過訓練序列進行信道估計，然後對信號進行均衡，這種方法需要傳輸訓練序列，犧牲了系統的帶寬資源；另一類是不需要訓練序列的盲均衡，盲均衡提高了系統的有效數據傳輸速率，但算法複雜，收斂速度較慢。把這兩類方法相結合所產生的半盲均衡算法逐漸成為一個研究熱點，成為均衡技術中的又一類方法。在已有的盲均衡研究中，主要是基於二階循環平穩統計量或高階統計量的盲均衡算法、基於神經網絡理論等的盲均衡算法，這些算法相對比較複雜，且已有的均衡方法大多從時域進行，頻域均衡主要用在OFDM系統中。
發明內容
鑑於上述現有技術所存在的問題，本發明的目的是提供一種算法較簡單易於實現的盲均衡方法，從而提高無線通信系統中均衡檢測的性能，提高無線通信系統的性能。本發明通過在系統接收端加一個FFT (快速傅氏變換)模塊，從而使得均衡過程可以在頻域進行，再通過均衡器權值初值的合理選取和誤差信號的設定，簡化了均衡算法，同時加快了收斂速度。本發明的目的是通過以下技術方案實現的一種改進型Bussgang自適應頻域均衡方法，包括如下步驟(1)接收端提取頻域接收信號，定義其相關的目標函數一最小均方誤差和相應的均衡器權值向量；(2)利用改進型Bussgang自適應頻域均衡算法恢復檢測信號；所述的步驟(1)包括在接收端使用FFT (快速傅氏變換)模塊得到頻域接收信號，然後定義頻域均衡器的權值向量，以恢復信號與原始信號之間的差值為基準得出目標函數一最小均方誤差的表
4達式。所述的步驟(2)包括A、初始化均衡權值向量；B、根據當前的均衡器權值及濾波器的輸入信號確定當前的恢復信號；C、計算誤差信號，此誤差信號利用Bussgang算法的判決指向法計算，即誤差信號由恢復信號與對恢復信號進行符號判決得到的信號之間的差值來表示；D、根據誤差信號和均衡器的當前輸入向量按照相應的關係進行均衡權值向量的更新，獲得下一次均衡過程所用的權值向量；E、重複執行上述步驟B、C和D，實現信號的均衡，恢復出原始信號。所述的改進型Bussgang自適應頻域均衡方法，且所述的均衡器為頻域均衡器，權值向量為頻域均衡器的抽頭係數。本發明中，步驟A所述的均衡權值向量的初始化過程包括利用一些已知的導頻信號，根據目標函數在梯度為零時取得最優值，計算出最優權值向量的表達式，最優權值計算過程中的統計平均(即數學期望)用有限次的算術平均來代替，計算出的權值向量作為初始值。所述的步驟B包括將均衡權值向量與對應的頻域接收信號相乘，然後將其變換到時域，得到恢復信號，即恢復信號d (i) = Wh⑴Y⑴F ；其中，W⑴為均衡權值向量，Y(i)為頻域接收信號，F為IFFT(快速傅氏反變換) 的變換矩陣，上標H表示共軛轉置。所述的步驟C包括誤差信號e ⑴=d (i) -sgn (d (i))；其中，所述的e(i)為當前的誤差信號，d(i)為步驟B中的恢復信號，sgn(·)表示符號函數。所述的步驟D包括下一次均衡所用的濾波權值向量W(i+1) =W(i)-yY(i)FeH(i)；其中，所述的W(i)為當前的權值向量，μ為步長因子，可為一常數或按某種方法優選的變量，Y(i)為頻域接收信號，e(i)為步驟C中的誤差信號。所述的改進型Bussgang自適應頻域均衡方法，還包括當系統開始工作時，發送端需要發送設定數量的已知符號作為訓練序列或導頻， 接收端需要利用這些導頻符號進行近似最優權值向量的計算，得到的近似最優權值作為權值向量的初始值。本發明中，該系統工作時採用的調製方式為BPSK ( 二進位相移鍵控)。本發明的半盲均衡方法簡單易於實現，可轉化用於採用BPSK調製的無線通信系統中，提高無線通信系統中均衡檢測的性能，提高無線通信系統的性能。本發明的改進型Bussgang自適應頻域均衡方法適用於各類系統，包括OFDM系統以及非OFDM系統。由上述本發明提供的技術方案可以看出，本發明通過在系統接收端加一個FFT模塊，使得均衡過程可以在頻域進行；採用改進的基於Bussgang判決指向法的LMS (最小均方誤差)算法對接收信號進行均衡，通過均衡器權值向量初值的選取和誤差信號的設定，使得算法收斂速度加快，同時算法實現簡單，解決了現有技術中盲均衡算法複雜且收斂慢的問題；本發明僅需要少量的導頻序列，實現過程簡單。
圖1是本發明適用系統的結構示意圖；圖2是本發明中改進型Bussgang自適應頻域均衡算法的原理框圖。
具體實施例方式本發明所述的方法是一種改進型Bussgang自適應頻域均衡方法，為實現本發明， 在系統開始進行均衡之前需要先發送一定數量的已知符號作為訓練序列，然後就可以進入反覆迭代的均衡過程，每次迭代共包含了均衡濾波、誤差計算和自適應更新均衡器權值向量三個步驟。在系統進行數據傳輸的過程中，除了最初的少量導頻序列以外，不再需要插入導頻或訓練符號，具有較高的頻譜效率。現對本發明所述的方法的具體實施方式
結合附圖進行說明系統結構圖參見圖1，輸入比特流代表輸入的數據信號，包括開始的導頻序列和之後的有效數據流，然後對輸入比特流進行BPSK映射，即每個輸入比特映射成相應的+1 或-1，之後信號經過信道到達接收端，接收端的FFT(快速傅氏變換)模塊將時域接收信號變換到頻域，然後進行均衡、判決、解映射等過程恢復出原始的比特流。其中，信號處理過程模塊和信號處理逆過程模塊是指該系統可添加其他的信號處理過程，只要在接收端進行相應的逆過程處理即可。本發明所述的均衡方法的具體實現過程包括如下步驟步驟1 在系統初始進入工作狀態時，為了使用改進的基於Bussgang判決指向法的LMS(最小均方誤差)算法進行均衡，首先需要發送端發送長為L個符號的訓練序列，L 為K*N(K為進行FFT的點數，N為一整數，通常小於10)，以便於接收端計算濾波器權值的初始值 W(O) = E[Y(i)FFHYH(i) ]^1-E[Y(i)Fz*(i)] = K · E[Y(i) Yh(i) Γ1 · E[Y(i)Fz*(i)]，其中，Y(i)為頻域接收信號作為其對角元素的對角矩陣，[Y(i) YhG)]-1簡單易求，F為歸一化的IFFT(快速傅氏反變換)的變換矩陣，其維數為KXK(K = 2η，η可以根據需要取值0、1、 2等正整數)，ζ (i)為導頻信號，這裡的數學期望E用所有導頻符號上的相應信號進行算術平均來近似得到。步驟2 接收端將均衡權值向量與對應的頻域接收信號相乘，然後將其變換到時域，得到恢復信號；W⑴為當前的均衡器權值向量，Y(i)為均衡濾波器的輸入，由當前時刻之前的K 個符號的K個頻域接收信號值作為其對角元素，維數為KXK，均衡濾波器的權值向量維數為KX1，i為迭代次數計數器的當前值。此外濾波之後的信號應從頻域變換到時域，F為 IFFT(快速傅氏反變換)的變換矩陣，恢復信號為d(i) =WH(i)Y⑴F。步驟3 接收端由恢復信號與對恢復信號進行符號判決得到的信號之間的差值計算出誤差信號；
使用Bussgang算法的判決指向算法計算誤差信號e(i) = d⑴-sgn (d⑴)，d⑴ 為上述步驟2中的恢復信號。步驟4 參見圖2，通過自適應濾波器權值控制機制對濾波權值進行調整，即自適應的根據e(i)值進行濾波器權值的調整更新，以獲得用於下一次均衡濾波的權值向量；具體為，下一次均衡過程中應用的濾波權值W(i+Ι) =1(1)-4￥(1汗#(1)，其中， 所述的W(i)為當前的均衡器權值，μ為步長因子，可為一常數或按某種方法優選的變量。 Y(i)為相應的頻域接收信號矩陣。本發明中，僅在訓練階段(即系統開始工作階段)需要發送L個已知符號作為訓練序列，而在之後的數據傳輸階段不再需要插入導頻或訓練符號，此時濾波器的輸入信號 Y(i)是頻域接收信號作為其對角元素的對角矩陣。在系統進行正常的數據傳輸過程中，本發明所述的方法主要包括三個處理過程 (1)參考上述步驟2根據當前的濾波器權值W(i)及濾波器的輸入信號Y(i)確定當前的信號均衡結果d(i) ； (2)參考上述步驟3計算當前信號均衡結果與其取符號函數後的差值 e(i) ； (3)參照上述步驟4進行濾波權值的調整。在系統中循環執行(1)、(2), (3)三個過程便可以實現信號的均衡。本發明中，通過在系統的發送端添加各種信號處理方式，在接收端對各種信號處理方式進行逆處理，本發明提供的改進型Bussgang自適應頻域均衡方法對於其他系統也是適用的。以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式
，但本發明的保護範圍並不局限於此， 任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換， 都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。因此，本發明的保護範圍應該以權利要求書的保護範圍為準。
權利要求
1.一種改進型Bussgang自適應頻域均衡方法，其特徵在於包括如下步驟(1)接收端提取頻域接收信號，定義其相關的目標函數-最小均方誤差和相應的均衡器權值向量；(2)利用改進型Bussgang自適應頻域均衡算法恢復檢測信號； 所述的步驟⑵包括A、初始化均衡權值向量；B、根據當前的均衡器權值及濾波器的輸入信號確定當前的恢復信號；C、計算誤差信號，此誤差信號利用Bussgang算法的判決指向法計算，即誤差信號由恢復信號與對恢復信號進行符號判決得到的信號之間的差值來表示；D、根據誤差信號和均衡器的當前輸入向量按照相應的關係進行均衡權值向量的更新， 獲得下一次均衡過程所用的權值向量；E、重複執行上述步驟B、C和D，實現信號的均衡，恢復出原始信號。
2.根據權利要求1所述的改進型Bussgang自適應頻域均衡方法，其特徵在於所述的步驟(1)包括在接收端使用FFT模塊得到頻域接收信號，然後定義頻域均衡器的權值向量，以恢復信號與原始信號之間的差值為基準得出目標函數-最小均方誤差的表達式。
3.根據權利要求1所述的改進型Bussgang自適應頻域均衡方法，其特徵在於所述的均衡器為頻域均衡器，權值向量為頻域均衡器的抽頭係數。
4.根據權利要求1所述的改進型Bussgang自適應頻域均衡方法，其特徵在於步驟A所述的均衡權值向量的初始化過程包括利用一些已知的導頻信號，根據目標函數在梯度為零時取得最優值，計算出最優權值向量的表達式，最優權值計算過程中的統計平均用有限次的算術平均來代替，計算出的權值向量作為初始值。
5.根據權利要求1所述的改進型Bussgang自適應頻域均衡方法，其特徵在於步驟B包括將均衡權值向量與對應的頻域接收信號相乘，然後將其變換到時域，得到恢復信號，即恢復信號 d(i) =ffH(i)Y(i)F；其中，W⑴為均衡權值向量，Y(i)為頻域接收信號，F為IFFT的變換矩陣，上標η表示共軛轉置。
6.根據權利要求5所述的改進型Bussgang自適應頻域均衡方法，其特徵在於步驟C中誤差信號 e(i) =d(i)-sgn(d(i))；其中，所述的e(i)為當前的誤差信號，d(i)為步驟B中的恢復信號，sgn(·)表示符號函數。
7.根據權利要求1所述的改進型Bussgang自適應頻域均衡方法，其特徵在於步驟D包括下一次均衡所用的濾波權值向量W(i+1) = W(i)-uF(i)FeH(i)； 其中，所述的W(i)為當前的權值向量，μ為步長因子，為一常數或優選的變量，Y(i)為頻域接收信號，e(i)為步驟C中的誤差信號。
8.根據權利要求1至7任一項所述的改進型Bussgang自適應頻域均衡方法，其特徵在於該方法還包括當系統開始工作時，發送端需要發送設定數量的已知符號作為訓練序列或導頻，接收端需要利用這些導頻符號進行均衡權值向量初始值的計算。
9.根據權利要求1至7任一項所述的改進型Bussgang自適應頻域均衡方法，其特徵在於，該系統工作時採用的調製方式為BPSK。
全文摘要
本發明公開了一種改進型Bussgang自適應頻域均衡方法，該方法通過在系統接收端加一個FFT模塊，使得均衡過程可以在頻域進行；再通過均衡器權值初值的合理選取和誤差信號的設定，可以簡化均衡算法，使得算法收斂速度加快，能夠解決現有技術中盲均衡檢測算法複雜且收斂慢的問題。本發明僅需要少量的導頻序列，實現過程簡單，適用於各類系統，包括OFDM系統以及非OFDM系統。
文檔編號H04L25/03GK102437980SQ20111044528
公開日2012年5月2日 申請日期2011年12月28日 優先權日2011年12月28日
發明者居美豔, 李嶽衡, 李旭傑, 譚國平 申請人:河海大學