一种自适应rls判决反馈均衡系统及其实现方法
【专利摘要】本发明公开了一种自适应RLS判决反馈均衡系统，其特征在于，包括：误码互相关模块、均衡模块、判决反馈单元、系数更新单元和自相关估计模块；本发明还公开了一种自适应RLS判决反馈均衡系统的实现方法，包括以下步骤：1)设置滤波系数的初始值c0；2)产生滤波输出信号yk；3)计算误码互相关结果Ik；4)将滤波系数ck-1更新为ck；5)根据遗忘常数因子w和均衡器输入信号序列rk将自相关逆矩阵估计结果Pk-1更新为Pk；6)重复步骤2)至5)，直至均衡器系数收敛为止。具有只需要少量的训练信号便可达到可观的系统性能以及适用于复杂水声环境下接收端的可靠传输和快速自适应均衡等优点。
【专利说明】一种自适应RLS判决反馈均衡系统及其实现方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种数字无线通信技术，特别涉及一种自适应RLS判决反馈均衡系统及其实现方法，本发明是一种水下接收端的信道自适应均衡技术，主要应用在复杂长信道响应水声系统中接收端的可靠传输，并实现在水声系统中时域或者频域的快速自适应均衡，用于消除信号的码间干扰或者子载波间干扰。
【背景技术】
[0002]海洋是一个广阔而丰富的世界，对海洋科学的探索引起众多科学工作者的极大关注，而其中水声通信及相关信息科学技术对海洋产业的发展有重要推动作用。但是，水声通信信道具有比较高的时间选择性和频率选择性，所以水声信道被普遍认为是最具挑战性的通信媒介之一。相比于陆地无线信道来说，典型的浅海水声信道表现出很强的时间色散效应，码间干扰非常严重。这时候就需要一种有效快速的均衡算法来消除水声信道严重的码间干扰或者采用正交频分多址技术使频率选择性衰落信道变为平坦性衰落信道。
[0003]由于水底环境复杂多变，海面的随机起伏变化使水声信号强度和相位不太稳定，由此造成的多径时延是比较严重的。对于陆地无线通信，信道的响应长度一般可认为是几个符号周期，比较容易均衡。但对于水声通信，信道的响应长达数百个符号周期，由此带来的码间干扰是很严重的。同时，水声信道的背景噪声功率也比较大，信噪比往往较低。水声信道的背景噪声主要包括海洋环境噪声和船舰自噪声，如风雨和潮汐引起的干扰噪声、船舶噪声、海底生物噪声等等，从而造成了水声信道噪声的复杂性。
[0004]水声通信系统的传输速率要比陆地通信系统的传输速率低很多，实时性要求不高。但是海水介质对水声信号的干扰吸收和海底信道环境的复杂多变，接收到的水声信号畸变严重。所以水声通信亟须解决的问题就是尽可能降低误码率，以保证可靠的通信。对于单载波水声系统而言，主要问题是码间干扰(ISI)问题，可以采用在时域上进行符号均衡，减少码间干扰。对于多载波水声系统而言，存在的主要问题是频率定时不准造成的子载波间干扰，则此时可以在频率域上对子载波进行均衡，减少子载波间干扰。这两种解决方式都可以在最小误码率准则下进行，本专利主要是针对水声通信系统时域上实现对符号的最小误码率均衡，其实现也可以类似地运用到水声通信系统的频率域中。
[0005]一种由华南理工大学提供的基于最小误码率准则的自适应信道均衡器及其实现方法(中国发明专利号:CN102916916A)，该专利主要特点是它有别于传统的自适应均衡算法，直接由最小误码率准则推导而来，将滤波输出信号映射成衡量误码程度的参量，作为下一次滤波系数修改的依据。该专利主要应用在信道响应比较少的无线信道，收敛速度比最小均方准则的自适应方法要快，运算量小，均衡器结构简单且易于实现，但是对于长信道响应的水声通信信道则不太适用。
[0006]另外由华南理工大学提供的一种双模自适应判决反馈均衡模块及其实现方法(中国发明申请号:20140041987.1)，提出了一种基于最小误码率准则的判决反馈实现方法。该均衡模块采用了判决反馈结构，并且可以在两种模式下切换工作。该专利适用在时不变或者变化极其缓慢的水声信道，收敛速度较无反馈结果的均衡器要快，但是对于信道变化变化比较快的水声信道，则难以收敛到理想的结果。
[0007]在实际水声通信通信系统中，评价自适应均衡模块可以根据均衡算法的误码性能、收敛速度和算法复杂度，而衡量通信系统传输的可靠性最主要是根据误码率。前面提到的专利实现方法能够满足尽量降低误码率的要求，但在实际的水声通信应用中，不希望迭代次数过多，即均衡模块收敛速度要求非常快，才能满足水声通信的实时性要求。同时，在时变的水声信道中，当收敛速度高于信道响应变化速度时，才有可能收敛到比较理想的结果，所以只有快速收敛的均衡模块才能适用于变化的水声信道。
[0008]现有的大部分自适应均衡算法存在很多的不足，无法同时兼顾极低误码率和极高收敛速度两个方面，难以直接应用在复杂的水下环境中，所以本发明实现最小误码率准则的自适应RLS判决反馈均衡系统具有快速收敛到极低的误码率的能力，更适合水声通信系统的应用。
【发明内容】
[0009]本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种自适应RLS判决反馈均衡系统，该自 适应RLS判决反馈均衡系统能够实现最小误码率结果，有效地消除码间干扰，并且以很快的速度收敛到最优值，占用带宽少；并且能够实现最小误码率结果，有效地消除码间干扰，自适应收敛速度快。
[0010]本发明的另一目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种自适应RLS判决反馈均衡系统的实现方法，该实现方法只需要极少的训练符号便可达到可观的系统性能，灵活性高，能够克服了大部分相关自适应均衡算法难以直接应用在复杂的水下环境中的不足。
[0011]本发明的首要目的通过下述技术方案实现:一种自适应RLS判决反馈均衡系统，包括:误码互相关模块、均衡模块、判决反馈单元、系数更新单元和自相关估计模块，所述误码互相关模块处理结果为将前一次滤波输出信号yk映射成误码指示信号ek和均衡器输入信号序列rk的数乘结果，作为均衡器参数调整的指示向量，对应关系如下所述:
[0012]Ik = (tanh ( β yk) ~sk_D).rk = ekrk,
[0013]其中，下标k表示当前时刻，下标D为均衡器输出信号相对于发送端信号的时延；sk-D为发送端导频信号中的期望信号；β为用于控制映射关系的常数因子；ek =tanh(^yk)-sk_D为误码指示符号；rk表示均衡器输入信号序列，由接收符号序列和判决反馈符号序列共同组成；
[0014]所述均衡模块包含滤波器和系数更新单元，滤波器对当前时刻输入信号序列rk进行滤波均衡，得到输出信号yk
[0015]V1- = f/—Jjt += C1 ，
[0016]其中，ck_!为未更新前滤波系数，包含前馈滤波L和反馈滤波Iv1两部分，上标T表示矩阵的转置；输入信号序列rk由接收符号序列Yk和判决反馈符号序组成；
[0017]所述判决反馈单元依据均衡后的输出信号直接进行判决，判决结果将作为均衡器的反馈输入信号，实现如下:
【权利要求】
1.一种自适应RLS判决反馈均衡系统，其特征在于，包括:误码互相关模块、均衡模块、判决反馈单元、系数更新单元和自相关估计模块，所述误码互相关模块处理结果为将前一次滤波输出信号yk映射成误码指示信号ek和均衡器输入信号序列rk的数乘结果，作为均衡器参数调整的指示向量，对应关系如下:
Ik = (tanh ( β yk)-sk_D).rk = ekrk, 其中，下标k表示当前时刻，下标D为均衡器输出信号相对于发送端信号的时延；sk_DS发送端导频信号中的期望信号；β为用于控制映射关系的常数因子；ek = tanh(i3yk)-sk_D为误码指示符号；rk表示均衡器输入信号序列，由接收符号序列和判决反馈符号序列共同组成； 所述均衡模块包含滤波器和系数更新单元，滤波器对当前时刻输入信号序列rk进行滤波均衡，得到输出信号yk:
2.根据权利要求1所述的自适应RLS判决反馈均衡系统，其特征在于，所述均衡器接收信号rk的元素从当前时刻开始，按时间递减排列。
3.根据权利要求1所述自适应RLS判决反馈均衡系统的实现方法，包括如下步骤: 1)设置滤波系数的初始值Co，所述Co为任意非零值；设置自相关逆矩阵的初始值Po，令P0 = σ E,其中，E为单位矩阵，O可选为常数,设置控制参数D、β、μ、w和ε的值； 2)利用当前未更新的滤波系数(V1对输入信号序列rk进行滤波，产生滤波输出信号Yk ； 3)由滤波输出信号yk、导频序列中的期望信号sk-D和输入信号序列rk，计算出误码互相关结果Ik; 4)根据步长U、遗忘常数因子W、误码互相关结果Ik、均衡器输入信号序列rk以及未更新前的自相关逆矩阵估计结果Plri，将滤波系数(V1更新为Ck ; 5)根据遗忘常数因子w和均衡器输入信号序列rk将自相关逆矩阵估计结果Plri更新为Pk ； 6)重复步骤2)至5)，直至均衡器系数收敛即:||ck+1-ck| | ≤ε为止。
【文档编号】H04L25/03GK103957176SQ201410180984
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年4月30日 优先权日:2014年4月30日
【发明者】陈芳炯, 郑倍雄, 林少娥, 罗梦娜, 季飞 申请人:华南理工大学