一种适用于PCM-FM信号的分数间隔盲均衡算法

陈　静，曾海彬，徐秀成，孟　玮

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；2.北京跟踪与通信技术研究所，北京 100094；3.中国人民解放军63778部队，黑龙江 佳木斯 154003)



一种适用于PCM-FM信号的分数间隔盲均衡算法

陈静1，曾海彬2，徐秀成3，孟玮1

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；2.北京跟踪与通信技术研究所，北京 100094；3.中国人民解放军63778部队，黑龙江 佳木斯 154003)

针对遥测系统中频率选择性衰落造成的严重码间干扰问题，提出了一种适用于PCM-FM信号的分数间隔盲均衡算法。该算法利用PCM-FM信号的恒模特性，采用过采样技术提高了收敛速度，并对宽带遥测两径信道模型进行了均衡仿真。仿真结果表明，该方法能够较好地对抗频率选择性多径衰落，消除码间干扰。

恒模算法；盲均衡；分数间隔；多径衰落；码间干扰

0　引言

在遥测系统中，随着数据传输速率的极大提高，多径效应造成的码间干扰(ISI)问题越来越突出，严重影响了遥测通信的质量和可靠性。为了在接收端消除码间干扰，需要采用信道均衡技术[1]。传统的自适应均衡器通过发送训练序列对均衡器的抽头系数进行调整，最终使均衡器正好补偿信道特性，从而降低或消除ISI的影响[2]。但在实际应用中，训练序列的使用不仅占用了数据传输的时间，降低了信息的传输效率，而且在某些特殊的应用场合无法得到训练序列，如信息截获和侦察系统等[3]。盲均衡技术不需要发送训练序列，直接利用接收信号和发送信号的一些基本统计特性对信道进行均衡，因而成为近年来研究的热点。

1975年，Y.Sato[4]首次提出盲均衡的概念，此后这项技术得到广大学者的研究，并主要应用于QAM和PAM调制系统中。盲均衡算法主要有恒模算法(CMA)、基于高阶谱理论的算法、神经网络算法和基于信号检测理论的算法等[5]。其中，Godard[6]和Treichler等人提出的CMA算法以计算简单、鲁棒性强而闻名，是用于线性均衡器最成功的盲均衡算法。但传统的CMA算法是基于波特间隔的，存在收敛速度慢、稳态误差大等缺点[7]，为此，本文提出了一种适用于PCM-FM信号的分数间隔盲均衡算法，利用接收信号的过采样信息，避免了波特间隔对采样时间的敏感性，不仅可以补偿固有的信道失真，而且提高了收敛速度。针对遥测信道中频率选择性衰落造成的码间干扰，仿真结果证明了算法的有效性。

1　盲均衡系统模型

盲均衡系统的简化模型如图1所示。

图1　盲均衡系统模型

图1中，x(k)为发送的原始信号序列；h(k)为传输信道的冲激响应；n(k)为加性高斯白噪声，接收到的信号为：

y(k)=x(k)*h(k)+n(k)。

(1)

(2)

2　算法基本原理

2.1CMA盲均衡算法原理

CMA适用于所有具有恒定包络(简称恒模)的信号的均衡，也是应用最广泛的一种盲均衡算法，它的代价函数为：

(3)

式中，R2是该算法的模，

(4)

CMA算法误差信号为：

(5)

均衡器抽头系数更新方程为：

(6)

式中，μ为步长参数。

CMA算法具有计算复杂度低，易于实时实现等优点，代价函数只与接收序列的幅值有关，而与相位无关，故对载波相位不敏感，适用于PCM-FM信号。

2.2基于分数间隔盲均衡算法原理

基于分数间隔盲均衡算法是对图1所示的接收信号y(k)以T/M分数间隔进行采样，这样原来的单信道就等效为单输入多输出(SIMO)的多信道模型[8]，当M=8时，等效的T/8间隔多信道系统模型如图2所示。

图2　T/8间隔多信道系统模型

T/8分数间隔盲均衡器的输出为：

(7)

式中，均衡器的长度为8L。每个信道的输出可表示为：

y(i)(k)=h(i)(k)x(k)+n(i)(k)。

(8)

式中，

N为离散信道冲激响应h(i)(k)的长度。

式(8)中的h(i)(k)为N×(L+N-1)维的Toeplitz矩阵，

(9)

用CMA算法对f(i)(k)进行更新，可得更新公式为：

(10)

3　算法性能仿真及分析

本节通过计算机仿真对上述盲均衡算法的性能进行分析，仿真采用Michael Rice和Adam Davis等人建立的宽带遥测两径信道模型[9-10]，模型参数为：反射路径反射系数Γ1=0.80，两径时延差τ1=56.3 ns。该信道模型的频率特性曲线如图3所示。

图3　遥测两径信道频率特性

输入信号采用PCM-FM信号，码速率为10 Mbps，信噪比为20 dB，通过上述两径信道前后频谱变化如图4所示。由图3和图4可见，该信道表现出较强的频率选择性衰落和非线性相位失真。

图4　PCM-FM信号通过两径信道前后频谱变化

采用上述T/8分数间隔盲均衡算法对信号进行均衡，均衡器阶数L=10，步长μ=0.000 5，仿真数据长度为0.2 s，均衡前后信号的眼图变化和误码率曲线分别如图5和图6所示。

图5　均衡前后PCM-FM信号眼图

图6　均衡前后PCM-FM信号误码率曲线

由图5和图6的仿真结果可看出，均衡前的接收信号眼图“眼睛”闭合，误码率约1.8×10-2，说明信号受到两径信道的影响出现了严重的码间干扰，并导致解调性能下降；均衡后信号眼图中“眼睛”睁开了，误码率降低为0，表明本文提出的分数间隔盲均衡算法能够消除由频率选择性衰落造成的码间干扰，并大幅度提高了解调性能。

4　结束语

遥测信道中，多径干扰会造成基带PCM-FM信号波形的严重失真，时域上表现为眼图闭合，频域上表现为频谱凹陷，高信噪比下仍然存在大量误码，严重影响了遥测通信质量和可靠性。本文提出的基于分数间隔采样的盲均衡算法，能够补偿甚至消除频率性选择衰落带来的码间干扰，降低解调误码率。由于该算法利用了信号的恒模特性，不仅适用于PCM-FM信号，未来还可以扩展应用于PSK等恒模类信号，具有很强的实用性和应用前景。

[1]JOHN G,PROAKIS D.Digital Communications,Fourth Edition[M].New York:McGraw-Hill,2001.

[2]刁树林，钟剑波.时域自适应均衡技术的分析与应用[J].无线电工程，2009，39(9)：44-47.

[3]薛伟，杨小牛，张朝阳.一种新的双模盲均衡算法[J].计算机仿真，2011，28(3)：166-169.

[4]SATO Y.A Method of Self-recovering Equali-zation for Multilevel Amplitude-modulation System[J].IEEE Transactions on Communications,1975,23(6):679-682.

[5]杨慧彪，罗代升，余艳梅.一种改进的恒模盲均衡算法[J].计算机与数字工程，2011，39(5)：7-9.

[6]GODARD D N.Self-recovering Equalization and Carrier Tracking in Two-dimensional Data Communication Systems[J].IEEE Transactions on Communications,1980(28):1 867-1 875.

[7]张晓琴，张立毅.基于T/4分数间隔采样双模式盲均衡算法的研究[J].电路与系统学报，2012，17(1)：81-84.

[8]张建军，江漫.基于变步长的分数间隔盲均衡算法研究[J].无线电通信技术，2013，39(4)：43-46.

[9]RICE M,DAVIS A,BETTWIESER C.A Wideband Channel Model for Aeronautical Telemetry-Part 1:Geometric Considerations and Experimental Configuration[C]∥In Proceedings of the International Telemetering Conference,SAN DIGEO,2002:200-210.

[10]RICE M,DAVIS A,BETTWIESER C.A Wideband Channel Model for Aeronautical Telemetry-Part 2:Modeling Results[C]∥ In Proceedings of the Intern-ational Telemetering Conference,SAN DIGEO,2002:211-222.

陈静女，(1984—)，硕士，工程师。主要研究方向：航天测控、信道均衡。

曾海彬女，(1976—)，博士，高级工程师。主要研究方向：无线电遥测遥控技术。

A Blind Equalization Algorithm Based on FractionallySpaced Sampling for PCM-FM

CHEN Jing1,ZENG Hai-bin2,XU Xiu-cheng3,MENG Wei1

(1.The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China;2.BeijingInstituteofTrackingandTelecommunicationsTechnology,Beijing100094,China;3.Unit63778,PLA,JiamusiHeilongjiang154003,China)

To overcome the inter-symbol interference caused by the frequency-selective fading in the telemetry system,a blind equalization algorithm based on fractionally spaced sampling for PCM-FM is proposed in this paper.According to the constant modulus of PCM-FM,the proposed algorithm uses the over-sampling technology to increase the convergence rate.The algorithm is simulated on the wideband channel model for aeronautical telemetry.Simulation results show that the proposed algorithm can effectively equalize the ISI caused by the frequency-selective fading.

CMA;blind equalization;fractionally spaced;multi-path fading;ISI

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.09.12

2016-05-26

TN911

A

1003-3106(2016)09-0048-03

引用格式：陈静,曾海彬,徐秀成,等.一种适用于PCM-FM信号的分数间隔盲均衡算法[J].无线电工程,2016,46(9):48-50.