1、新疆大学科学技术学院毕业论文（设计）新疆大学科学技术学院College of science technology Xinjiang University学生毕业论文(设计)题 目：基于 LMS 算法的时域均衡器的设计及仿真指导教师: 学生姓名： 专 业： 通信工程班 级： 完成日期： 年 月 日新疆大学科学技术学院毕业论文（设计）摘 要本文介绍了自适应均衡器的发展历史，分析了信道，产生码间干扰的原因以及无码间干扰的条件； 阐述了时域均衡器的工作原理，介绍了如何用有限长横向滤波器来实现时域均衡的效果；阐述了lms算法的原理；最后结合时域均衡器的原理以及lms 算法原理在matlab 中设计了理
2、想效果的均衡器，并通过变步长，对所设计的均衡器效果进行判断。结果表明：1.步长为越长时，均衡器在收敛越快；但步长越大， 均衡器收敛效果不好，步长越短时，均衡器收敛越慢，但收敛效果较好；关键词：时域均衡器；lms算法；matlab仿真ABSTRACTThis paper introduces the development history of the adaptive equalizer, analyzes the channel, produce the isi reason and no interference between conditions; Describes the work
3、ing principle of the time-domain equalizer, and introduced how to use limited long horizontal filter to achieve the effect of time domain equilibrium; Expounds the principle of LMS algorithm; The last time the principle of combining the equalizer and LMS algorithm of the matlab design principle in t
4、he ideal effect equalizer, and through the variable step long, the design of equalizer effect judgment. The results show that: 1. Step of the long, equalizer in the faster convergence; But step length, the bigger the equalizer convergence result is bad, the longer the short-term, equalizer convergen
5、ce more slow, but convergence effect is better; Key ward： time-domain equalizer; lms-algorithm; matlab-simulation新疆大学科学技术学院毕业论文（设计）目录1 绪论 .11.1 课题研究的意义 .11.2 均衡器发展及研究状况 .11.3 均衡技术简介 .21.4 信道、码间干扰 .21.4.1 信道 .21.4.2 码间干扰 .31.5 本论文的主要研究内容 .32.时域均衡器的原理 .42.1 时域均衡器概括 .42.2 时域均衡器的工作原理 .42.3 有限长横向滤波器 .63
6、LMS 算法 .83.1 LMS 算法原理 .83.2 LMS 算法实现 .114 自适应均衡器在 matlab 的仿真 .124.1matlab 介绍 .124.2 自适应均衡器在 matlab 中的实现 .12结 论 .17致 谢 .18参考文献 .19新疆大学科学技术学院毕业论文（设计）11 绪论1.1 课题研究的意义在数字通信系统中，由于信道带宽的限制和多径传播的影响，会导致码间干扰，同时信号在传输中不可避免的会受到各种噪声的影响，使信号发生畸变，而均衡器的作用是在不加大噪声的情况下，消除码间干扰，从而提高数据传输的可靠性。在实际的通信系统中，信道特性是未知的并且是非理想的，传统的均衡
7、器无法满足系统的要求，必须使用能够实时快速跟踪信道变化、具有较强时变能力的均衡器，即自适应均衡器。随着3G的普及和4G时代的到来，通信技术正在迅猛的发展，数字化、宽带化成为当前发展主流，新技术层出不穷，许多以往的设计方法己经被淘汰或者已跟不上通信发展的步伐，基于matlab 实现的自适应均衡器能够更好地适应当前通信的发展要求，具有更广阔的应用前景。1.2 均衡器发展及研究状况 直到 20 世纪 60 年代初期，能消除码间干扰对数据传输恶化影响的电话信道均衡由固定均衡器或人工调整参数的均衡器来完成。1965 年，Lucky 在均衡问题方面取得了突破性进展，他提出迫零算法并用来自动调整横向均衡器的
8、抽头加权系数。Lucky 工作的显著特征是使用了极大一极小型性能准则，它对横向均衡器内的邻近脉冲所引起的码间干扰具有强迫为零的作用，从而得名为迫零算法。第二年，他又将此算法推广到跟踪方式。1965 年，DiToro 独立地把自适应均衡器应用于对抗码间干扰对高频链路数据传输的影响。1967 年，Austin 提出了判决反馈均衡器 (Decision Feed back Equalizer，DFE)，判决反馈均衡器包括前馈部分和反馈部分，判决反馈均衡的基本方法就是一旦信息符号经检测和判决以后，它对随后信号的干扰在其检测之前可以被估计并消减，这种反馈使得均衡器具有无限冲激响应，从而使它对信道的时延畸
9、变有良好的补偿作用。1969 年，Gersho 等人提出了根据最小均方误差准则的自适应均衡算法 (Least Mean Square，LMS)，1970 年，Brady 提出分数间隔自适应均衡器 (Fractionally Spaced Equalizer，FSE)方案。1972 年，Ungertboeck 使用 LMS 算法对自适应横向均衡器的收敛性能进行了详细的数学分析，1974 年，Godard 在卡尔曼滤波理论上推导出递推最小均方算法 (Recursive Least Squares，RLs)。LMs 类算法和 RLS类算法是自适应滤波算法的两大类，之后在此基础上提出了各种改进的算法。
10、1975 年，日本学者 Y.Sato 首次提出了盲均衡的概念，从此盲均衡成为国际研究热点。盲均衡是一种不需要发射机发送已知信号序列进行训练、仅利用信道输入和输出信号的基本统计特性就能对信道的色散特性进行均衡的一种特殊的均衡技术。1979 年，Satorius 等人提出了格型自适应均衡器。新疆大学科学技术学院毕业论文（设计）21.3 均衡技术简介均衡主要是用于消除码间干扰，其机理是对信道或整个传输系统特性进行补偿，从而达到系统传输的要求。基于对信号的研究角度或领域的不同，均衡有两种实现途径:频域均衡和时域均衡，顾名思义，频域均衡就是从频域上来补偿系统的频率特性，时域均衡是从时间响应的角度来校正信
11、号畸变。时域均衡的原理已在数字通信中占有重要的地位，得到广泛的应用，故本文的自适应均衡器的理论研究和实现均在时域均衡下进行。均衡技术可以分为线性均衡和非线性均衡两类，两者的差别主要在于自适应均衡器的输出被用于反馈控制的方法，如果判决输出没有被用于均衡器的反馈逻辑中，那么均衡器是线性的;如果判决输出被用于反馈逻辑中并帮助改变了均衡器的后续输出，那么均衡器是非线性的。1.4 信道、码间干扰1.4.1 信道信道是信号的传输媒质，是发射机向接收机传输信号的载体，它由有线和无线的电线路提供的信号通路。在无线通信系统(如公众移动通信网、卫星通信系统和微波视距中继通信系统)中，信道是大气或自由空间所使用的一
12、段射频频谱; 在有线通信系统中，信道可以是同轴电缆或光导纤维等。从研究消息传输的角度出发，将信道分为狭义信道和广义信道，狭义信道是发送设备和接受设备之间用以传输信息的物理介质，其分为有限信道和无限信道两类。而广义信道除包括狭义信道外，还包括发送设备和接收设备等有关部件和线路，因为在研究通信系统的过程中，人们关心的是经过接收机接收检测后，输出消息的质量和信息量，将信源和信宿之间的各个部分都看成信道，可简化分析的模型。广义信道按其所包含的功能，可以分为调制信道和编码信道。调制信道是从调制器输出端到解调器输入端信号所经过的所有电路设备和传输媒质，定义调制信道主要是为了考察调制解调器的特性，而不关心其
13、中间环节的工作过程。编码信道是从编码器的输出端到解码器的输入端信号所经过的所有电路设备和传输媒质，与调制信道类似，定义编码信道的目的是为了研究信道编解码器的特性，而不关心其中间的环节(如调制器和解调器等) 的工作过程。为了研究信道特性对通信质量的影响，通常还把调制信道又分为恒参信道和随参信道，恒参信道是指信道的参数不随时间变化，或其变化相对于信道上传输信号的变化极其缓慢，如以光导纤维作为传输介质的信道;而随参信道是指信道的参数随时间发生变化，如移动通信系统中的无线信道。其分类如下图：新疆大学科学技术学院毕业论文（设计）3有线信道无线信道恒参信道随参信道有记忆信道无记忆信道调制信道编码信道广义信
14、道狭义信道信道图 1.1 信道分类图1.4.2 码间干扰在实际上通信信道是一个特性复杂的函数且还是随时间变划的，使得接收到的信号己经发生了严重的畸变从而产生了码间干扰，信道一般可以用带限的线性滤波器描述，设这类信道的频率响应为:)()(fjeAfH（1.1）其中， 为幅频响应， 为相频响应。信道的相频响应还可以用群延迟来衡)(f)(f量，其定义如下:dff)(21)(（1.2）若一个信道在发射信号占据的带宽 内 和 均为常数，则称信道为无畸w)(fAf变信道或理想信道，信号通过该信道将实现无失真传输，实际中，理想信道是不可能完全严格实现的。若 和 在发射信号带宽内不为常数，则称信道为畸变信道，
15、)(fAf更具体地，若 不为常数，则称信道为幅度畸变信道，若 不为常数，则为时f )(f延畸变信道。1.5 本论文的主要研究内容本文主要研究了自适应均衡器的结构和原理和自适应均衡的算法，以及基于matlab自适应均衡器的设计与实现。首先，本文阐述了码间干扰的产生原因及其数学模型，进而给出了时域均衡器的原理;然后，介绍了最常用的自适应衡算法一 LMS算法，并且对基于该算法的时域均衡器进行了MATLAB 仿真，最后，通过对仿真结果的分析，得出了如何通过调整算法和算法里的参数，来实现自适应均衡器能够自动跟踪新疆大学科学技术学院毕业论文（设计）4信道变化、补偿信道畸变、减少误码，最终达到了设计的要求。
16、2.时域均衡器的原理2.1 时域均衡器概括根据时域均衡器可以分两大类：线性均衡器和非线性均衡器。如果接收机中判决的结果经过反馈用于均衡器的参数调整，则为非线性均衡器；反之，则为线性均衡器。在线性均衡器中，最常用的均衡器结构是线性横向均衡器，它由若干个抽头延迟线组成，延时时间间隔等于码元间隔 。非线性均衡器的种类较多，包括判决反馈均衡器(DFE)、最大似然(ML) 符号检测器和最大似然序列估计等。均衡器的结构可分为横向和格型等。2.2 时域均衡器的工作原理自适应时域均衡器的工作过程包含两个阶段，一是训练过程，二是跟踪过程。在训练过程中，发送端向接收机发射一组已知的固定长度训练序列，接收机根据训练
17、序列设定滤波器的参数，使检测误码率最小。典型的训练序列是伪随机二进制信号或一个固定的波形信号序列，紧跟在训练序列后面的是用户消息码元序列。接收机的自适应均衡器采用递归算法估计信道特性，调整滤波器参数，补偿信道特性失真，训练序列的选择应满足接收机均衡器在最恶劣的信道条件下也能实现滤波器参数调整，所以，训练序列结束后，均衡器参数基本接近最佳值，以保证用户数据的接收，均衡器的训练过程成功了，称为均衡器的收敛。在接收用户消息数据时，均衡器还不断随信道特性的变化连续地改变均衡器参数。均衡器的收敛时间受均衡算法、均衡器结构和信道特性的变化情况所决定。通常，均衡器需要通过重复性地周期训练保证能够一直有效地抑
18、制码间干扰。所以，用户数据序列需要被分割成数据分组或时隙分段发送。均衡器通常工作在接收机的基带或中频信号部分，基带信号的复包络含有信道带宽信号的全部信息，所以，均衡器通常在基带信号完成估计信道冲激响应和解调输出信号中实现自适应算法等。均衡的特性对象不同，均衡可以分为频域均衡和时域均衡两种，频域均衡是使包括均衡器在内的整个系统的总的传输函数满足无失真传输条件；时域是从时间响应的角度来思考，使包括均衡器在内的整个系统的冲击响应满足无 ISI 条件，频域均衡器多用于模拟通道，时域均衡多用于数字通信，这里主要讨论时域均衡。图 1 为加入时域的数字基带传输系统，均衡之前的所有设备的频率特性的用 H()表
19、示，它是发送滤波器、信道和接收滤波器的频率特性的乘积。新疆大学科学技术学院毕业论文（设计）5H ( )均衡器 T ( )输出信号输入信号图 2.1 数字基带传输系统模型由于信道的特性变化以及系统设计误差，在抽样时刻会存在 ISI，即 H()不能够满足消除 ISI 的条件。于是，在接收滤波器的输出端增加一个均衡器，其特性为 T(),令：T() H()= ，则 满足无码间的干扰的条件:)(H)(, , STi2- S（2.1）如果 T()是以 为周期的周期函数，即ST2)(2TiS（2.2）可得到：， _)2(STiHTS（2.3）还可以用傅里叶级数来表示即：)(TSjnTneT)(（2.4）其中
20、：deSSSTjnTn/-2（2.5）或者新疆大学科学技术学院毕业论文（设计）6deTiHTSSS jnissn/-22 （2.6）再对 求傅立叶反变换,即可得其单位冲击响应 为：SjnTneT)( )(thT)()(snTtth（2.7）上诉表明，借助横向滤波器实现均衡是可能的，并且只要用无限长的横向滤波器，就能做到消除码间串扰的影响，然而，横向滤波器的抽头无限多是无现实的，大多情况下也是不必要的。因为实际信道往往仅是一个码元脉冲波形对邻近的少数几个码元产生串扰。故实际只要一、二十个抽头的滤波器就可以了。抽头太多会给制造和使用都带来困难。2.3 有限长横向滤波器设在基带系统接收滤波器于判决器
21、之间插入一个具有 2N+1 个抽头的横向滤波器，如图 2.2 所示。它的输入为 x(t),是被均衡器的对象。若该有限长横向滤波器的单位冲击响应 e(t),响应的频率特性为 E(),则e(t)= )(-bNiTtxc（2.8）E()= BiwTiNie（2.9）下面我们考察该横向滤波器的输出 y(t)的波形。因为 y(t)是输入 x(t)于冲击响应 e(t)的卷积，故利用 e(t)为冲击序列的特点，可得：y(t)=x(t)*e(t)= )(-bNiTtxc（2.10）新疆大学科学技术学院毕业论文（设计）7T bT bT bT b T bC - i C 0 C 1C 1 C i+y ( t )X
22、( t )图 2.2 线性横向滤波器于是在抽样时刻 有0tkTtby(k)=y(k = = )0tb )(0bbNiitc )(0tTikxcbNi（2.11）简写为：)(ikNkxcy（2.12）上式表明，均衡器在第 k 抽样时刻得到的样道，将由 2N+1 个 与 乘积之和来确icikx定。我们希望抽样时刻无码干，即：当 k0，k=1，2., 0kyk=0, 常数ky但完全做到有一定的困难。这是因为，当输入波形想 x(t)给定，即各种可能的 确ikx定时，通过调整 使指定的 等于 0 是容易办到的，但同时要求 k=0 以外的所有icky都等于 0 却是一件很难的事。ky现在我们以只有三个抽头的横向滤波器为例，说明横向滤波器消除码间串扰的工作原理。假定滤波器的一个输入码元 x(t)在抽样时刻 达到最大值 ，而在相邻码0t10x元的抽样时刻 和 上的码间串扰值为 ， ,采用三抽样均衡器来均衡，1t 4/1x2/1x经调试，得此滤波器增益为 ， =+1，4/1c0c则调整后的三路波形相加得到最后输出波形 y(t),其在各抽样点上的值等于：
