均衡器及反饋均衡方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于水聲通信領(lǐng)域，具體設(shè)及一種低計(jì)算復(fù)雜度的反饋均衡方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 多徑傳輸是指一個聲源信號從不同方向經(jīng)過不同路徑到達(dá)接收端，從而引起接收 信號幅度的隨機(jī)起伏和信號的時(shí)間延遲擴(kuò)展。淺海聲信道的多途徑傳輸主要由海面和海底 的多次反射、海中聲速梯度的躍層結(jié)構(gòu)造成。信道均衡技術(shù)是指為了提高衰落信道中的通 信系統(tǒng)的傳輸特性而采取的一種抗摔落措施，主要是為了消除或者減弱寬帶通信時(shí)的多徑 傳輸帶來的碼間串?dāng)_(ISI)問題。
[0003] 在淺海水聲通信中，研究最多的信道均衡技術(shù)是非線性自適應(yīng)均衡和盲均衡，其 中CMA盲均衡算法應(yīng)用較多。自適應(yīng)判決反饋均衡就是利用自適應(yīng)算法對均衡器的抽頭系 數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)更新，W使其跟蹤信道特性的變化。現(xiàn)有的自適應(yīng)算法幾乎都是在最小均方 (LMS)算法和遞歸最小二乘(RLS)算法的基礎(chǔ)上提出來的。其中，LMS算法收斂速度慢、收斂 殘差大，但算法復(fù)雜度低?；疭算法的優(yōu)點(diǎn)是其收斂速度比一般LMS算法快一個數(shù)量級，但計(jì) 算復(fù)雜度較大。對于CMA盲均衡算法，計(jì)算簡單、容易實(shí)現(xiàn)，但是其收斂速度慢、收斂后剩余 誤差大。
[0004] 在化S算法中，W往通常采用一個固定的遺忘因子A來標(biāo)示有效記憶，跟蹤信道衰 落情況的緩慢變化。對于均衡時(shí)變頻率選擇衰落信道，缺點(diǎn)表現(xiàn)在：1)過程耗時(shí)，并且算法 捜索出的值可能離信道最佳值相差很遠(yuǎn);2)當(dāng)信道的最佳衰落率不是一個常量時(shí)，最佳遺 忘因是時(shí)變的，不適合應(yīng)用不變遺忘因子。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明鑒于現(xiàn)有技術(shù)的W上問題提出，用W消除或緩解現(xiàn)有技術(shù)的一個或更多個 缺點(diǎn)，至少提供一種有益的選擇。
[0006] 根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種均衡器，包括前饋濾波器、第一加法器、反饋 濾波器、第二加法器、濾波器抽頭系數(shù)確定單元，前饋濾波器對水聲通信訓(xùn)練序列進(jìn)行前饋 濾波;第一加法器將經(jīng)前饋濾波的水聲通信訓(xùn)練序列與所述反饋濾波器的輸出進(jìn)行相加， 并將相加的結(jié)果輸出到所述反饋濾波器;第二加法器將所述第一加法器的輸出與均衡器期 望輸出d(n)相加;濾波器抽頭系數(shù)確定單元根據(jù)所述第二加法器的輸出確定所述前饋濾波 器和所述反饋濾波器的抽頭系數(shù)。
[0007] 優(yōu)選地，濾波器抽頭系數(shù)確定單元使用變遺忘因子自適應(yīng)化S-CMA算法更新均衡 器的抽頭權(quán)系數(shù)。濾波器抽頭系數(shù)確定單元包括:初始化單元，用于獲取初始抽頭系數(shù)和初 始自相關(guān)矩陣；中間變量更新單元，利用所述反饋濾波器的輸出y(n)(觀測信號序列）、所述 反饋濾波器的當(dāng)前濾波系數(shù)w(n-l) W及迭代次數(shù)，更新中間變量;遺忘因子更新單元，根據(jù) 迭代次數(shù)，確定更新后的遺忘因子；自相關(guān)矩陣確定單元，根據(jù)所述更新后的遺忘因子、所 述中間變量和所述初始自相關(guān)矩陣確定更新后的自相關(guān)矩陣;先驗(yàn)誤差確定單元，根據(jù)所 述中間變量、所述自相關(guān)矩陣、和當(dāng)前濾波系數(shù)w(n-l)確定先驗(yàn)誤差;增益矢量k(n)確定單 元，根據(jù)當(dāng)前的自相關(guān)矩陣逆矩陣P(n-l)、更新后的中間變量、和更新后的遺忘因子，確定 增益矢量；自相關(guān)矩陣逆矩陣更新單元，根據(jù)當(dāng)前的自相關(guān)矩陣逆矩陣P(n-1 )、所述中間變 量、和所述增益矢量，更新自相關(guān)矩陣逆矩陣;濾波系數(shù)更新單元，根據(jù)當(dāng)前濾波系數(shù)w(n-1 )、所述增益矢量W及所述先驗(yàn)誤差更新濾波系數(shù)。
[000引優(yōu)選地，濾波器抽頭系數(shù)確定單元還包括均衡器權(quán)系數(shù)存留確定單元，用于確定 均衡器權(quán)系數(shù)能量，并將其與闊值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果確定濾波系數(shù)更新單元更新過 的濾波系數(shù)是否保留。
[0009] 根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種均衡器，包括前饋濾波器、第一加法器、判 決器、反饋濾波器、第二加法器、濾波器抽頭系數(shù)確定單元，前饋濾波器對水聲通信數(shù)據(jù)序 列進(jìn)行前饋濾波;第一加法器將經(jīng)前饋濾波的水聲通信數(shù)據(jù)序列與反饋濾波器的輸出進(jìn)行 相加，判決器對所述第一加法器的輸出進(jìn)行數(shù)據(jù)判決;反饋濾波器用于對所述判決器的輸 出進(jìn)行反饋濾波;第二加法器將所述第一加法器的輸出與所述判決器的輸出進(jìn)行相加;濾 波器抽頭系數(shù)確定單元根據(jù)第二加法器的輸出確定前饋濾波器和所述反饋濾波器的抽頭 系數(shù)。
[0010] 優(yōu)選的，濾波器抽頭系數(shù)確定單元使用LMS結(jié)合軟判決譯碼器的算法更新均衡器 的抽頭權(quán)系數(shù)。濾波器抽頭系數(shù)確定單元包括:均衡器輸出確定單元，根據(jù)當(dāng)前前饋濾波抽 頭系數(shù)、后饋濾波抽頭系數(shù)、T時(shí)刻進(jìn)入前饋濾波器的信號矢量及進(jìn)入后饋濾波器的信號矢 量，確定均衡器的輸出；均衡器誤差確定單元，根據(jù)均衡器的輸出、判決輸入碼元確定均衡 器的誤差;前饋濾波器抽頭系數(shù)確定單元，根據(jù)當(dāng)前前饋濾波抽頭系數(shù)、前饋濾波抽頭系數(shù) 調(diào)整步長、均衡器的誤差及T時(shí)刻進(jìn)入前饋濾波器的信號矢量，確定前饋濾波器抽頭系數(shù)； 后饋濾波器抽頭系數(shù)確定單元，根據(jù)當(dāng)前后饋濾波抽頭系數(shù)、后饋濾波抽頭系數(shù)調(diào)整步長、 均衡器的誤差及T時(shí)刻進(jìn)入后饋濾波器的信號矢量，確定后饋濾波器抽頭系數(shù)。
[0011] 優(yōu)選地，濾波器抽頭系數(shù)確定單元還包括抽頭系數(shù)調(diào)整單元，根據(jù)判決輸出碼元 是否為錯誤碼元，調(diào)整抽頭系數(shù)。
[0012] 根據(jù)本發(fā)明的又一個方面，提供了一種反饋均衡方法，包括W下步驟:前饋濾波步 驟，利用前饋濾波器對水聲通信訓(xùn)練序列進(jìn)行前饋濾波;第一加法步驟，將經(jīng)前饋濾波的水 聲通信訓(xùn)練序列與一反饋濾波器的輸出進(jìn)行相加，并將相加的結(jié)果輸出到所述反饋濾波 器;第二加法步驟，將所述第一加法步驟的輸出與均衡器期望輸出d(n)相加;抽頭系數(shù)更新 步驟，根據(jù)所述第二加法步驟的輸出確定前饋濾波器和反饋濾波器的抽頭系數(shù)。
[0013] 根據(jù)本發(fā)明的再一個方面，提供了一種反饋均衡方法，包括W下步驟:前饋濾波步 驟，利用前饋濾波器對水聲通信數(shù)據(jù)序列進(jìn)行前饋濾波;第一加法步驟，利用第一加法器將 經(jīng)前饋濾波的水聲通信數(shù)據(jù)序列與反饋濾波器的輸出進(jìn)行相加;判決步驟，利用判決器對 第一加法器的輸出進(jìn)行數(shù)據(jù)判決;反饋濾波步驟，利用反饋濾波器對判決器的輸出進(jìn)行反 饋濾波;第二加法步驟，利用第二加法器將第一加法器的輸出與判決器的輸出進(jìn)行相加;抽 頭系數(shù)更新步驟，利用濾波器抽頭系數(shù)確定單元根據(jù)第二加法器的輸出確定前饋濾波器和 反饋濾波器的抽頭系數(shù)。
[0014] 優(yōu)選地，對均衡器進(jìn)行稀疏化處理，利用闊值稀疏化方法，將均衡器權(quán)系數(shù)能量與 闊值進(jìn)行比較，如果均衡器權(quán)系數(shù)能量小于設(shè)定的闊值，那么認(rèn)為權(quán)系數(shù)為冗余系數(shù)，將其 置零;反之，則認(rèn)為權(quán)系數(shù)為重要系數(shù)，予W保留，繼續(xù)參加均衡的迭代計(jì)算。
[0015] 本發(fā)明的一些實(shí)施方式與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0016] 1、基于海洋混響結(jié)構(gòu)具有自然稀疏性運(yùn)一特性，簡化了信道模型，減少了設(shè)計(jì)均 衡器時(shí)的計(jì)算量；
[0017] 2、采用了變遺忘因子的實(shí)時(shí)稀疏化化S-CMA算法:變遺忘因子改善了算法的收斂 速度，使算法能夠W較小的收斂殘差收斂；
[0018] 3、采用稀疏化處理手段，利用闊值稀疏化方法，即將冗余系數(shù)置零，置零后的均衡 器系數(shù)不再參與迭代計(jì)算，W達(dá)到降低計(jì)算復(fù)雜度、提高均衡性能的目的；
[0019] 4、跟蹤模式下使用計(jì)算復(fù)雜度較低的LMS梯度算法結(jié)合軟判決譯碼器，有效減少 了碼間串?dāng)_的影響；
[0020] 5、訓(xùn)練模式下使用收斂速度快、收斂殘差小的變遺忘因子自適應(yīng)化S-CMA算法更 新均衡器的抽頭權(quán)系數(shù)，而在跟蹤模式下使用計(jì)算復(fù)雜度較低的LMS結(jié)合軟判決譯碼器的 算法更新均衡器的抽頭權(quán)系數(shù)，既能W較快速度，又能W較低的計(jì)算復(fù)雜度跟蹤淺海水聲 信道的變化。
[0021] 應(yīng)該注意，本發(fā)明的保護(hù)范圍不應(yīng)解釋為必須實(shí)現(xiàn)W上的運(yùn)些優(yōu)點(diǎn)。
[0022] W下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明作詳盡說明。
【附圖說明】
[0023] 圖1是可應(yīng)用本發(fā)明的水聲通信系統(tǒng)的示意圖；
[0024] 圖2是依據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式的均衡器訓(xùn)練模式下的結(jié)構(gòu)框圖；
[0025] 圖3是依據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式的訓(xùn)練模式下濾波器抽頭系數(shù)確定單元的結(jié)構(gòu) 示意圖；
[0026] 圖4示出了依據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式的訓(xùn)練模式下的反饋均衡方法；
[0027] 圖5是自適應(yīng)DFE和糾錯譯碼的聯(lián)合系統(tǒng)；
[0028] 圖6是依據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式的均衡器跟蹤模式下的結(jié)構(gòu)框圖；
[0029] 圖7是依據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式的跟蹤模式下濾波器抽頭系數(shù)確定單元的結(jié)構(gòu) 示意圖；
[0030] 圖8示出了依據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式的跟蹤模式下的反饋均衡方法。
【具體實(shí)施方式】
[0031] 下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的描述。
[0032] 在相干多途信道中，聲信號沿不用途徑的聲線，在不同時(shí)刻到達(dá)接收點(diǎn)，總的接收 信號是通過接收點(diǎn)的所有各聲線所傳送的信號的干設(shè)疊加，多途信道的沖激響應(yīng)函數(shù)Kt) 為
Cl)
[0034] 式中：N為通過接收點(diǎn)的本征聲線的數(shù)目；Ai、t日1分別為第i途徑到達(dá)接收點(diǎn)的信號 幅度及信號時(shí)延。
[0035] 由于海洋聲信道的混響結(jié)構(gòu)具有稀疏性，造成均衡器的權(quán)系數(shù)分布也具有稀疏 性。所謂稀疏性，是指信道響應(yīng)的能量集中在相隔較遠(yuǎn)的幾個抽頭上，而大多數(shù)抽頭的能量 很小。
[0036] 淺海水聲信道通常有一條主要到達(dá)路徑，兩條次要到達(dá)路徑。其信道的傳輸函數(shù) 可簡化為：
[0037] H'(f) = l+Ardi+Bf-d2 (2)
[003引A、B為到達(dá)接收點(diǎn)的信號幅度，di和Cb為兩條主要到達(dá)途徑的頻率的系數(shù)。
[0039