專利名稱：用于航空無線傳輸接收裝置的自適應均衡基帶裝置及方法
技術領域：
本發(fā)明屬于航空無線通信抗干擾設計與信號處理技術領域，特別涉及一種用于航空無線 傳輸接收裝置的自適應均衡基帶裝置及方法。
背景技術：
隨著航空無線通信技術的不斷發(fā)展，航空無線傳輸接收裝置對通信性能的要求日益提高。 在航空無線傳輸?shù)母咚贁?shù)字通信鏈路的建立過程中，無線信道的多徑衰落特性會在接收端造 成嚴重的碼間干擾，從而影響通信系統(tǒng)誤碼率的性能。信道自適應均衡是一項有效克服碼間 干擾的技術，能夠有效地提高解調器判決統(tǒng)計的信噪比。為了更好的滿足市場需求，我們設 計了這款基于LMS算法的自適應均衡開發(fā)軟件和獨特的FPGA開發(fā)板相結合的運用于航空無 線傳輸接收裝置的自適應均衡基帶模塊，以接近于航空領域的市場要求。自適應均衡技術是克服無線信道多徑衰落特性(造成碼間干擾)的關鍵技術，其基本思 路是對接收端的帶噪及受干擾信號進行自適應濾波處理，從而估計出發(fā)送端的發(fā)射信號并濾 除干擾及噪聲，實質是在某種優(yōu)化準則下實現(xiàn)隨機信號的最優(yōu)濾波。由于信道的隨機與時變 特性，濾波器的抽頭權系數(shù)需以自適應的方式逼近它的最優(yōu)解。基于最小均方誤差(MMSE)準 則的最小均方(LMS)算法是此部分設計的杰出代表。從類型方面而言，自適應均衡器可以分為線性與非線性兩類。線性均衡器用于彌散程度 較輕的信道。對于彌散程度較重的信道，需采用非線性均衡器。非線性均衡器主要分為判決 反饋均衡器(DFE)和最大似然序列估計均衡器(MLSE)。由于MLSE均衡器的復雜度隨受干擾符號 數(shù)的增長而增長，它適用于受干擾符號數(shù)小于10的彌散信道，例如歐洲的GSM通信系統(tǒng)。對于 受干擾符號數(shù)大于10的彌散信道應使用DFE均衡器。從結構方面而言，自適應均衡器可以分為直接橫向濾波器形式和格形濾波器形式。格形 均衡器的優(yōu)點是能夠提供更高的數(shù)值穩(wěn)定度及更快的收斂速度，同時，它獨特的結構允許均 衡器按照信道特性動態(tài)地分配格形均衡器的有效長度。但是格形濾波器的結構要比直接橫向 濾波器復雜。從自適應算法方面而言，最小均方算法(LMS)和遞歸最小二乘算法(RLS)及其變種是目前 航空領域研究及應用的主流。從發(fā)展趨勢而言，自適應均衡技術的發(fā)展有如下趨勢一、 隨著turbo碼的發(fā)展，人們試圖使用迭代最大后驗概率(MAP)算法對碼間干擾進行抑 制，這種技術被稱作turbo均衡，并期望被用在未來的通信系統(tǒng)中。二、 開發(fā)不需要訓練符的盲自適應算法是當前研究的一大熱點。這種盲均衡算法主要分 為三大類基于梯度下降法的算法；基于二階和高階統(tǒng)計量的算法；基于最大似然(ML)準則 的算法。隨著數(shù)字電路與計算機硬件技術的發(fā)展，復雜的航空無線通信鏈路設計理算法可以配以 高效的硬件設計平臺，以達到更高的設計效果。目前比較高效的硬件設計平臺是采用數(shù)字信 號處理器DSP和現(xiàn)場可編程門陣列FPGA項結合的硬件設計。DSP工作于串行模式，而FPGA工 作于并行模式，具有處理速度快的優(yōu)點，被廣泛應用于通信、雷達的實時信號處理，兩者配 合使用將有利于數(shù)據(jù)的最優(yōu)處理。無線信道的頻率選擇性衰落，或稱為多徑衰落，是降低航空無線通信領域高速數(shù)字通信 系統(tǒng)性能的一個重要因素。因此，通過使用先進的信號處理技術消除多徑衰落帶來的影響是 航空無線通信領域設計的重要挑戰(zhàn)。自適應均衡作為一種主流技術，理論界與工業(yè)界對其進 行了廣泛的研究。研究結果表明，自適應均衡技術可以在多徑環(huán)境下有效提高接收機的性能。 面對日益增長的航空高速無線通信鏈路的需求。同時，隨著超大規(guī)模集成電路(VLSI)的發(fā) 展，使自適應均衡器的硬件實現(xiàn)成為可能。目前，航空無線通信領域的最新產(chǎn)品大都涉及到高速無線通信鏈路的使用問題，因此信 道自適應均衡對于提高高速無線通信鏈路質量有著不可忽視的作用，是航空無線通信鏈路當 前及未來系統(tǒng)不可缺少的組成部分。發(fā)明內容本發(fā)明的目的在于提供一種運用于航空無線傳輸接收裝置的自適應均衡基帶模塊。本發(fā)明采用如下技術方案一種用于航空無線傳輸接收裝置的自適應均衡基帶裝置，包括依次連接的移位寄存器、 第一乘法器、加法器、第一有效截取模塊、誤差計算減法模塊、第二乘法器、抽頭權系數(shù)更 新模塊，所述抽頭權系數(shù)更新模塊與所述第一乘法器相連接，及與所述移位寄存器、字長轉 換模塊和抽頭權系數(shù)更新模塊相連接的時鐘模塊。所述時鐘模塊為所述移位寄存器和抽頭權 系數(shù)更新模塊提供工作時鐘。其中，在所述誤差計算減法模塊和所述第二乘法器之間還連接有第二有效截取模塊，用 于對減法后的誤差信號進行有效截取，這樣做的效果是可以控制自適應算法的步長因子。其中，還包括與所述誤差計算減法模塊和時鐘模塊相連接的字長轉換模塊，用于將期望 信號的字長加倍。本發(fā)明還提供一種用于航空無線傳輸接收裝置的自適應均衡方法，包括以下步驟1) 移位步驟，輸入信號經(jīng)過移位后輸出；2) 乘法步驟，經(jīng)過移位的輸入信號與抽頭權系數(shù)相乘；3) 加法步驟，將乘積信號累加，得到輸出信號；4) 第一有效截取步驟，將相乘累加后的輸出信號進行有效截??；5) 誤差計算減法步驟，計算經(jīng)過有效截取后的輸出信號與期望信號之間的誤差信號；6) 第二乘法步驟，將誤差信號乘以步長因子得到抽頭權系數(shù)更新的量；7) 抽頭權系數(shù)更新步驟，根據(jù)更新的量對抽頭權系數(shù)進行更新，轉步驟2); 上述步驟是全并行執(zhí)行。進一步地，在所述步驟5)與所述步驟6)之間還包括第二有效截取步驟，用于截取誤差 信號，所述步驟6)中將截取的誤差信號乘以步長因子得到抽頭權系數(shù)更新的量。進一步地，在所述步驟5)中還包括字長轉換步驟，并計算經(jīng)過有效截取后的輸出信號與 經(jīng)過字長轉換的期望信號之間的誤差信號。進一步地，所述字長轉換步驟中將期望信號的字長加倍。仿真和下載驗證結果表明，當均衡器輸入信號與期望信號為常數(shù)時，均衡器的抽頭權系 數(shù)可以迅速地收斂到理論值，誤差信號趨于穩(wěn)定，均衡器輸出信號可以很好地逼近期望信號。 當均衡器輸入信號與期望信號為基帶QPSK時，均衡器的抽頭權系數(shù)可以較快地收斂并逼近理 論值，誤差信號趨于穩(wěn)定，均衡器輸出信號可以很好地逼近期望信號。這些結果初步驗證了 均衡器FPGA實現(xiàn)的有效性。本發(fā)明的主要意義在于為航空無線通信自適應接收機的實現(xiàn)提供 了核心模塊，它與調制解調模塊，同步模塊，擴譜解擴模塊結合使用將進一步提高通信系統(tǒng) 性能。


圖1為本發(fā)明用于航空無線傳輸接收裝置的自適應均衡基帶裝置；圖2為本發(fā)明自適應均衡FPGA開發(fā)板；圖3為本發(fā)明LMS算法誤差信號收斂圖；圖4傳統(tǒng)接收機星座圖；圖5為本發(fā)明自適應接收機星座圖；圖6為本發(fā)明實測16位LMS算法QPSK星座圖；圖7、圖8為實測16位LMS算法QPSK眼圖；圖9為本發(fā)明的16位LMS算法Quartus在線處理波形。
具體實施方式
如圖1所示， 一種用于航空無線傳輸接收裝置的自適應均衡基帶裝置，包括依次連接的移 位寄存器、第一乘法器、加法器、第一有效截取模塊、誤差計算減法模塊、第二乘法器、抽 頭權系數(shù)更新模塊，所述抽頭權系數(shù)更新模塊與所述第一乘法器相連接，與所述移位寄存器 和抽頭權系數(shù)更新模塊相連接的時鐘模塊。其中，在所述誤差計算減法模塊和所述第二乘法器之間還連接有第二有效截取模塊，用 于對減法后的誤差信號進行有效截取，這樣做的效果是可以控制自適應算法的步長因子。其中，還包括與所述誤差計算減法模塊相連接的字長轉換模塊，用于將期望信號的字長 加倍。其中，所述時鐘模塊為所述移位寄存器、字長轉換模塊和抽頭權系數(shù)更新模塊提供工作 時鐘。其中，所述第一乘法器與所述加法器構成的乘累加模塊可調用乘法庫。 -其中，誤差計算減法模塊該模塊計算均衡器輸出信號與期望信號之間的誤差信號。做 減法時要注意小數(shù)點位置的對齊。上述用于航空無線傳輸接收裝置的自適應均衡基帶裝置其工作過程如下 首先，輸入信號經(jīng)過移位寄存器移位輸出，所述抽頭權系數(shù)更新模塊輸出的抽頭權系數(shù)， 所述第一乘法器將經(jīng)過移位的輸入信號與抽頭權系數(shù)相乘，所述加法器將乘積信號累加，得 到輸出信號。為了保證一定的小數(shù)部分精度及一定的信號字長，需要通過所述第一有效截取 模塊將相乘累加后的輸出信號進行有效截取，然后，通過誤差計算減法模塊計算經(jīng)過截取的 輸出信號與經(jīng)過所述字長轉換模塊轉換的期望信號之間的誤差信號。在計算誤差信號時要注 意小數(shù)點位置的對齊。對減法后的誤差信號也需要進行有效截取，這樣做的效果是可以控制 自適應算法的步長因子。本實施例中通過所述第二有效截取模塊進行有效截取。通過第二乘 法器將經(jīng)過截取的誤差信號乘以步長因子得到抽頭權系數(shù)更新的量，所述抽頭權系數(shù)更新模 塊根據(jù)該更新的量對抽頭權系數(shù)進行更新。上述過程是全并行執(zhí)行的，整個系統(tǒng)過程就是隨 著抽頭權系數(shù)在不斷更新而使收斂誤差逐漸趨于穩(wěn)定的。一種用于航空無線傳輸接收裝置的自適應均衡方法，包括以下步驟1) 移位歩驟，輸入信號經(jīng)過移位后輸出；2) 乘法步驟，經(jīng)過移位的輸入信號與抽頭權系數(shù)相乘；3) 加法步驟，將乘積信號累加，得到輸出信號；4) 第一有效截取步驟，將相乘累加后的輸出信號進行有效截??；5) 誤差計算減法步驟，計算經(jīng)過有效截取后的輸出信號與期望信號之間的誤差信號；6) 第二乘法步驟，將誤差信號乘以步長因子得到抽頭權系數(shù)更新的量；7) 抽頭權系數(shù)更新歩驟，根據(jù)更新的量對抽頭權系數(shù)進行更新，轉步驟2); 上述步驟是全并行執(zhí)行。其中，在所述步驟5)與所述步驟6)之間還包括一第二有效截取步驟，用于截取誤差信號，所述步驟6)中將截取的誤差信號乘以步長因子得到抽頭權系數(shù)更新的量。其中，在所述步驟5)中還包括字長轉換步驟，并計算經(jīng)過有效截取后的輸出信號與經(jīng)過字長轉換的期望信號之間的誤差信號。其中，所述字長轉換步驟中將期望信號的字長加倍。為了驗證上述用于航空無線傳輸接收裝置的自適應均衡基帶裝置的有效性，考慮到航空 無線通信系統(tǒng)設計的實用性，本發(fā)明申請人自主設計的運用于航空無線通信鏈路的開發(fā)平臺，將軟件設計并充分調試過的自適應均衡VHDL代碼加載到FPGA硬件設計平臺中時時觀測。如圖2所示，自適應均衡FPGA開發(fā)板硬件主要由FPGA、 DSP、 CPU及其外圍輔助電路、電源 等部分組成。其主要功能主要有適用于基于FPGA設計的硬件實現(xiàn)；適用于基于FPGA系統(tǒng)硬件設計的調試；完成軟件編程、仿真后的硬件加載調試。自適應均衡FPGA開發(fā)板采用的核心器件包括a)可編程邏輯(FPGA)芯片1) 型號EP1S25F672I7;2) 時鐘速率大于420MHz;3) 供電電壓1.5V/3.3V;4) 功耗小于500mW;5) 尺寸大小27mmX27mm;6) 邏輯門數(shù)60萬門。b) 數(shù)字信號處理(DSP)芯片1) 型號TMS320VC33;2) 運算速度60MIPS;3) 電源1.8V/3.3V;4) 功耗小于200mW;5) 外形尺寸23mmX23mm。c) 電源管理芯片1) 型號LT1764A ,可輸出3. 3V和1.5V (或1.8V)兩路電壓；2) 輸出電流3A;3) 尺寸大小TO-220封裝。d) 單片機芯片-1) 型號C8051F236;2) 電壓工作范圍2.7V~3.6V;3) 1280字節(jié)數(shù)據(jù)RAM;4) 具有看門狗功能；e) 模數(shù)轉換芯片(有工業(yè)級，無軍品級)1) 型號 AD9214;2) 采樣速率 大于80MSPS， 475M帶寬；3) 電源 +3.3VDC;4) 功耗 90mW/4.2mW;5) 外形尺寸 10mmX8mm;6) 變換位數(shù)單路10位；7) 其它 內含參考電壓，1Vpp電壓。在實驗過程中，系統(tǒng)時鐘設為100ns，均衡器階數(shù)取為9，輸入信號字長分別為8位和16位， 相應的步長因子為O. 25和0. 125。自適應均衡軟件設計采用線性均衡器結構，核心算法為最小均方誤差LMS算法。開發(fā)工具 采用MATLAB7.0作為系統(tǒng)仿真工具，QUARTUS5. O作為FPGA實現(xiàn)工具。整個程序綜合于ALTERA系 列的STRATIX芯片上，通過綜合仿真校驗，當均衡器輸入信號與期望信號為常數(shù)吋，均衡器的 抽頭權系數(shù)可以迅速地收斂到理論值，誤差信號趨于穩(wěn)定，均衡器輸出信號可以很好地逼近期望信號。并且當均衡器輸入信號與期望信號為基帶BPSK和QPSK時，均衡器的抽頭權系數(shù)可 以較快地收斂并逼近理論值，誤差信號趨于穩(wěn)定，均衡器輸出信號可以很好地逼近期望信號。 圖3為本發(fā)明在MATLAT仿真中LMS算法誤差信號收斂圖，由圖3可知，本發(fā)明中的LMS算法 設計是比較理想的。圖4為傳統(tǒng)接收機的星座圖，星座收斂圖發(fā)散，效果不理想。使用本發(fā)明的LMS算法設計 后，如圖5所示，盡管加了較大噪聲，自適應接收機星座圖收效較好，充分體現(xiàn)LMS算法的優(yōu)勢。在實驗中，將加載LMS算法軟件設計的硬件FPGA開發(fā)板實測的數(shù)據(jù)到入MATLAB后觀測其 QPSK星座圖，由圖6所示，系統(tǒng)設計的LMS算法QPSK星座圖收斂穩(wěn)定。將加載LMS算法軟件設計的硬件FPGA開發(fā)板實測的數(shù)據(jù)導入MATLAB后，觀測其QPSK眼圖， 由圖7、圖8所示，系統(tǒng)設計的LMS算法QPSK眼圖張開程度非常好，LMS算法收斂達到設計效果。圖9為16位LMS算法Quartus在線處理波形，整個程序綜合于ALTERA系列的STRATIX芯片上， 通過綜合仿真校驗，由圖9可以看出，當均衡器輸入信號與期望信號為基帶QPSK時，均衡器的 抽頭系數(shù)可以較快地收斂并逼近理論值，誤差信號趨于穩(wěn)定，均衡器輸出信號可以很好地逼 近期望信號。
權利要求
1、一種用于航空無線傳輸接收裝置的自適應均衡基帶裝置，其特征在于包括依次連接的移位寄存器、第一乘法器、加法器、第一有效截取模塊、誤差計算減法模塊、第二乘法器、抽頭權系數(shù)更新模塊，所述抽頭權系數(shù)更新模塊與所述第一乘法器相連接，及與所述移位寄存器和抽頭權系數(shù)更新模塊相連接的時鐘模塊。
2、 根據(jù)權利要求l所述的用于航空無線傳輸接收裝置的自適應均衡基帶裝置，其特征在 于在所述誤差計算減法模塊和所述第二乘法器之間還連接有第二有效截取模塊。
3、 根據(jù)權利要求l所述的用于航空無線傳輸接收裝置的自適應均衡基帶裝置，其特征在 于還包括與所述誤差計算減法模塊和所述時鐘模塊相連接的字長轉換模塊。
4、 一種用于航空無線傳輸接收裝置的自適應均衡方法，其特征在于包括以下步驟1) 移位步驟，輸入信號經(jīng)過移位后輸出；2) 乘法步驟，經(jīng)過移位的輸入信號與抽頭權系數(shù)相乘；3) 加法步驟，將乘積信號累加，得到輸出信號；4) 第一有效截取步驟，將相乘累加后的輸出信號進行有效截??；5) 誤差計算減法步驟，計算經(jīng)過有效截取后的輸出信號與期望信號之間的誤差信號；6) 第二乘法步驟，將誤差信號乘以步長因子得到抽頭權系數(shù)更新的量；7) 抽頭權系數(shù)更新步驟，根據(jù)更新的量對抽頭權系數(shù)進行更新，轉步驟2); 上述步驟是全并行執(zhí)行。
5、 根據(jù)權利要求4所述的用于航空無線傳輸接收裝置的自適應均衡方法，其特征在于 在所述步驟5)與所述步驟6)之間還包括一第二有效截取步驟，用于截取誤差信號，所述步驟6)中將截取的誤差信號乘以步長因子得到抽頭權系數(shù)更新的量。
6、 根據(jù)權利要求5所述的用于航空無線傳輸接收裝置的自適應均衡方法，其特征在于 在所述步驟5)中還包括字長轉換步驟，并計算經(jīng)過有效截取后的輸出信號與經(jīng)過字長轉換的期望信號之間的誤差信號。
7、 根據(jù)權利要求5所述的用于航空無線傳輸接收裝置的自適應均衡方法，其特征在于所述字長轉換步驟中將期望信號的字長加倍。
全文摘要
一種用于航空無線傳輸接收裝置的自適應均衡基帶裝置及方法，包括依次連接的移位寄存器、第一乘法器、加法器、第一有效截取模塊、誤差計算減法模塊、第二乘法器、抽頭權系數(shù)更新模塊，所述抽頭權系數(shù)更新模塊與所述第一乘法器相連接，還包括與所述誤差計算減法模塊相連接的字長轉換模塊，及與所述移位寄存器、字長轉換模塊和抽頭權系數(shù)更新模塊相連接的時鐘模塊。其中，在所述誤差計算減法模塊和所述第二乘法器之間還連接有第二有效截取模塊。本發(fā)明為航空無線通信自適應接收機的實現(xiàn)提供了核心模塊，它與調制解調模塊，同步模塊，擴譜解擴模塊結合使用將進一步提高通信系統(tǒng)性能。
文檔編號H04L25/03GK101404632SQ20081020210
公開日2009年4月8日 申請日期2008年10月31日 優(yōu)先權日2008年10月31日
發(fā)明者健 金, 濤 陳 申請人:中國航空無線電電子研究所