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自适应均衡器

自适应均衡器 摘要:近年来,自适应均衡技?术在通信系统中的应用日益广泛,利用自适?应均衡技术在多径∮环÷境中可…

自适应均衡器

摘要:近年来,自适应均衡技?术在通信系统中的应用日益广泛,利用自适?应均衡技术在多径∮环÷境中可以有效地提高数字接?收机的性能。为了*适应宽带数字接收机的高速率特点∧,本文阐述了自适应均衡器?的原理并对?其进行改进。最后使?用FPGA芯片和Verilo?g ∽HDL设计实现了自适应均※衡器并仿真验证了新方法的有效性。

本文引用地址:http://www.eepw.com.c?n/article/247?252.htm

信道均衡?技术(Channel equaliza㏒tion)是指为了提高衰落信道中的通信系统的传输性能而采取?的一≤种抗衰落措施?。它主要是减小信道的多径时延带来?的码间串扰(ISI)问题。其原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。在实际的通信系统中,信﹥道?的特性是未知的并♂且是不理μ想的,传?统的均衡器无法满足系统㎞的?要求,自适应均衡器直接从传输的信·号中,根据某种算法不断调整系统中滤波器的增益,∥来适应信道的随机变化,从而有更好的失?真自适应均衡器补偿性能,使均衡器总是保持最佳的工?作状态。FPGA以其处㈱理≠速度快、开发周期短、可?重复修改、开发工具智能、支持并行处理等优点成?为现代通信领域硬?件?设计的首选方式之一。基于×FPG℉A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。

∟最小均方误差算法(L∝MS)是较常用的一种实现自适应⊙均衡器的算∞法,也是FPGA实现自适应均衡器的最?理想的算法,所以本文选3择使用LMS算法设?计均衡器。?本文所设计的自适应均衡器是℃宽?带数字接收机≈的一部分,为了满足宽带系统的高速率?,实时性?的特点,在算法设计,对LM?S算法进行一定的改进。

1 LM∷S算法基本原理

LMS算法是⊥基于最小均方差准则的⌒维纳滤波器和最速?下降法℡(method of steep≯est descent)提出的,?其公式如下:

y(n)=uT(?n)w(n) ?(1)

e(n)=d(n)-y?(n) (2◎)

w(n+1)=w(n)+2μe(n)u(n) (3)

d∶(n)为期望?输入信号?,e(n)为>误差,其?中∈&mu?;为?步长因子,〒用以控制收敛速度×与稳定性,LMS算法£收≧敛‖的条件为:?0

LMS算法的基本步骤如下:

步骤1,初始√化w(0?)?=<0,n㎎=0;选≌择μ;

步骤?2/ml,根据式?(2)(3)计算∪误差e(n)和w(n¤+1);

步骤3,?若误差不∑满足要求,更新n=n+1,重复步?﹢骤2,?若满足要求则停?止迭代。

下图为最小均方误差算法的?原理框图。

2 ?LMS算??法改进

在宽带系统中,数据量大,㎡速率快,?因此对均衡器的处理速度要求高,签于此本?文把℅变步长LMS算法和符号LMS算法结?合§在一起,以满≒足上?述要求。

步长因子μ控制着算法的??收敛速度㏄和稳定性,当&mu?;较大时收敛速度快,稳定性较差,μ较小,稳定性好,收敛速度慢。变步长LMS算法可以兼顾收敛速度和稳定性两个方面。一种变步长算法的公式为:

μ(n)=β[1-ex?p(-α|e(n)¢|2)] (4)

&a㏑lpha;、β为参≥数。由上式看到随?着误差的减小,步长因子也在?减小,稳定性增∫加。

公式(3)中,?我们?看到,每?次迭代都会使用乘法器,运算量较大。符号LMS算法对公式(3)中?的误差e(n)进行缩放,每次迭代可减少使用一次?乘法器,公式如下:

由公式(5)可以看出,符号LMS算法会损失一定的精±度。变步长LMS算法可以改变步长以获得快∏的收敛速度,结合?符号LMS算法,可以≮大量减少运算量,提高系@统的效率。本文对两种算法的混合算法进行matlab仿真,选取64阶均衡器,数据?的训练长?度为1 00?0,跟踪变步长??计算的参数选择?&?alpha;=4,&be?t°a;=1/128。下?面对两种方法混合算法用matla№b仿真,mol并和传统算法比较,如∩图2所示。

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为了便于FPGA实现,按照变步长∠LMS算法思想,本文-不在对变步长LMS算法中步长μ进行跟踪″计算,?而是指定步长收敛之前为0.02,收敛之后步长0.15,其他参数不?变,使用Matlab仿真,如图3所∵示。

‰∷从图中我们看到混合算法的误差比传统算法有所增大?,但是在迭代300次后趋于稳定,比传统算法减少200次,因∣此混合算法更能满足实时性的要求。

图3中,由于收敛之1前步长且不随误差的减小而减小(迭代次数为2?00),♀所以收¥敛速度更快;收敛之后步?长较m?小,平均的稳态误差比混合算3法有所减?小?。

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3 基于FPGA自适应均㎜衡??器的实现

由仿真可知=,我们提㎏出的混合算法可以满足设计自适?应均衡器的要求。本章将基于此算法的用FPGA实现自适应均衡器≡。%

采用FPGA设计LMS自适应均衡器的结构图如图4所示。它主要分为FIR滤波器模块、误差计算模块?、权值更新模块和状态分配模块㎝4个*单元o。

文中为了方便实现,FIR滤波器模块实现18阶的FIR滤波㏕。误差计算模块中的基准信号d(k)事先可存在ROM里。权值更新部分?实现FIR滤波≦器⊿系﹣数的计算与调整,设定收敛﹢之前μ%=2-4,收敛﹤之后&2mu;=2-6。

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状态分¬配模?块功能包括初始?化各模块,它产生控制信号、控制实现各?个﹣模块完成特定功∨能;协调各个m模?块间的操作。′

由于FPGA?不支持浮点?数?运?算,而自适应滤£波器必然要涉及到小数的计算,因此我们将所有小?数化为二进制处理。本文设计+采用4..4格式,第一位为=符号位。∴

?根据以?上参数,按照LMS原理以及结构图,我?们即可?编写程序,主程$序流程图如图5所⊕示。

关于更多自适应均衡器内容,可以收藏本网页。马塞纳 基于FPGA的自适应均衡器算法实现

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作者: mgnqyz

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