基于正交小波变换的变步长盲均衡算法

来源 :安徽理工大学学报·自然科学版 | 被引量 : 0次 | 上传用户:gutian163
下载到本地 , 更方便阅读
声明 : 本文档内容版权归属内容提供方 , 如果您对本文有版权争议 , 可与客服联系进行内容授权或下架
论文部分内容阅读
  摘 要: 提出了一种基于正交小波变换的变步长盲均衡算法。该算法将正交小波 变换理论引入到常数模盲均衡算法中,充分利用小波变换对信号的去相关性及指数型变步长 控制迭代过程的特性来加快收敛速度。与常数模算法及基于正交小波变换的盲均衡算 法相比,该算法收敛速度快、稳态误差小、均衡效果好。水声信道盲均衡的仿真 结果,验证了其的性能。
  关键词:正交小波变换;盲均衡;变步长;水声信道
  中图分类号:TN911.72文献标识码:A文章编号:1672-1098(2010)02-0060-04
  
  A Blind Equalization Algorithm Based on Variable Step-Size and
   Orthogonal Wavelet Transform
  SUN Ya-qing,HAN Ying-ge,YANG Chao
   (School of Science, Anhui University of Science and Technology,Huainan Anhui232001, China)
   Abstract: Blind equalization algorithm (VWT-CMA) based on variable step-size andorthogonal wavelet transform was proposed. The algorithm introduced wavelet tra nsform theory into constant modulus blind equalization algorithm. As for the pro posed VWT-CMA, its convergent rate can be improved by full use ofde-correla tio n ability of wavelet transform and controlling feature of variable step-size a ndits mean square error (MSE) can be reduced by employing variable step-size. A cc ordingly, the proposed VWT-CMA algorithm has faster convergence and smaller MS Ethan constant modulus algorithm (CMA) or blind equalization algorithm(WT-CMA)ba sed on orthogonal wavelet transform. The efficiency of the proposed VWT-CMA al go rithm was proved by computer simulation with two-path underwater acoustic chan nels.
  Key words:orthogonal wavelet transform; blind equalization; variable step-size;underwater acoustic channels
  
  水下通信系统中,带宽受限和多径传播会导致严重的码间干扰(Inter-symbol Interference, ISI),需要在接收端采用盲均衡技术来消除[1-2]。在盲均衡算法中,常数模算法(Constant Modulus Algorithm, CMA)因其简单且运算量小而被广泛使用,但其收敛速度慢、稳态误差大,影响了算法的工程可实现性。
  为了提高盲均衡算法的性能,研究人员做了大量的工作。研究表明,降低均衡器输入信号的自相关性能有效提高算法的收敛速度。而利用正交小波变换理论,对均衡器的输入信号进行正交小波变换,并对信号进行能量归一化处理,可以降低信号的自相关性[3-7]。由于正交小波变换是线性变换,故输入信号经过小波变换之后,噪声与信号依然统计独立。
  影响均衡器性能的另一个重要因素是其迭代步长。研究表明,在传统的CMA中,若采用固定大步长,则算法收敛速度和跟踪速度快,但会产生较大的稳态剩余误差;反之,若采用固定小步长,则算法收敛速度和跟踪速度慢,但稳态剩余误差较小。因此,步长对CMA算法的收敛性能起着决定性的作用[8-10]。解决这一矛盾的最好方法就是采用自适应均衡中的变步长思想,设计合适的变步长。即在算法收敛初期加大步长,以加快收敛速度,当算法收敛后,步长变小,以减小稳态剩余误差。
  本文利用正交小波变换的解相关性和变步长的控制性能,提出了一种基于正交小波变换的变步长盲均衡算法,以期获得良好的均衡性能。
  1 正交小波盲均衡算法
  由小波分析理论可知,当均衡器f(k)为有限冲击响应时,f(k)可用一组正交小波基函数来表示。假设均衡器的抽头数Nf=2J(J为小波分解的最大尺度),在有限尺度下,均衡器f(k)可以表示为
  f(k)=∑Jj=1∑kjm=0djm?φjm(k)+∑kjm=0vjm?φjm(k)(1)
  式中:k=0,1,…,Nf-1;φjm(k)和φjm(k)分别为小波函数和尺度函数;kj=Nf/2j-1(j=1,2,…,J);djm和vjm为均衡器的权系数。
  设均衡器的输入信号为y(k),根据信号传输理论,则均衡器z(k)的输出为
  z(k)=∑Nf-1i=0fi(k)?y(k-i)=∑Nf-1i=0y(k-
  i)[∑Jj=1∑kjm=0djm?φjm(k)+∑kjm=0vjm?φjm(k)]=
  ∑Jj=1∑kjm=0djm[∑Nf-1i=0y(k-i)?φjm(k)]+
  ∑kjm=0vjm[∑Nf-1i=0y(k-i)?φjm(k)]=
  ∑Jj=1∑kjm=0djm?rjm(k)+∑kjm=0vjm?sjm(k)(2)
  式中:rjm(k)=∑Nf-1i=0y(k-i)?φjm(k)
  sjm(k)=∑Nf-1i=0y(k-i)?φjm(k)
  式(2)表明,将小波变换引入均衡器的实质是,对均衡器的输入信号进行正交小波变 换,改变了均衡器的结构。在变换域中,利用小波变换后的信号对均衡器的权系数进行调整,就得到基于正交小波变换的盲均衡算法原理 (虚线框部分除外)(见图1)。图1 正交小波盲均衡算法原理
  图1中,Ψ(?)是均衡器输出信号z(k)的非线性变换,以产生误差信号e(k)。若令Q为正交小波变换矩阵,则
  Q=[G0;G1H1;G2H1H0;…;
  Gj-1Hj-2…H1H0;Hj-1Hj-2;…;H1H0]
  式中:Hj和Gj分别为由小波滤波器系数h(k)和尺度滤波器系数g(k)所构成的矩阵,且Hj和Gj中的每个元素分别为Hj(l,k)=h(k-2l),Gj(l,k)=g(k-2l )(l=1~Nf/2j+1,k=1~Nf/2j)。
  设 R(k)=[r1,0(k),r1,1(k),…,rJ,k J(k),sJ,0(k),…,sJ,kJ(k)]T
  f(k)=[d1,0(k),d1,1(k),…,dJ,kJ (k),vJ,0(k),
  …,vJ,kJ(k)]T
  则 R(k)=Qy(k)(3)
  z(k)=fT(k)R(k)(4)
  若图1中,Ψ(?)取为CMA中的非线性函数,这时就得用CMA对均衡器权向量进行更新的公式,即
  f(k+1)=f(k)+μR-1(k)e(k)R(k)z(k)(5)
  式中:e(k)=[R2-|z(k)|2]为常数模算法的误差函数,R2=E[|a(k)|4]/E[|a(k)|2]为输入信号序列的模;R-1(k)=diag[σ21,0(k),σ21,1(k),…,σ2J,kJ-1(k),σ2J+1,0(k),…,σ2J+1,kJ-1(k)],且
  σ2J,n(k+1)=ησ2J,n(k)+(1-η)|rj,n(k)|2(6)
  σ2J+1,n(k+1)=ησ2J,n(k)+(1-η)|sj,n(k)|2(7)
  式中:η为遗忘因子,0<η<1。
  该算法就是基于正交小波变换的常数模盲均衡算法(Orthogonal Wave-let Transform Bas ed Constant Modulus Blind Equali-Zation Algorithm, WT-CMA)。与CMA相比,WT-C MA具有较小的稳态误差和较快的收敛速度。
  2 变步长设计
  均衡器迭代过程采用变步长,可以改善均衡性能。变步长的基本思想就是寻找一个用来控制步长的参数,该参数能够反映均衡器的工作状态,即当均衡器工作不稳定时,用它来调整步长,使工作均衡器达到新的稳定状态。根据这一思想,这里设计一种以误差信号e(k)为自变量的指数型变步长,即
  μ(k)=β{1-exp[-α|e(k)|]}(8)
  式中:α、β为参数。
  参数α>0用来控制曲线形状;参数β>0,用来控制函数的取值范围。适当调整α、β的值,可以较好地控制迭代过程。
  由于
  0≤1-exp[-α|e(k)|]≤1(9)
  所以
  0≤μ(k)≤β(10)
  式(10)表明,不论信道中的干扰信号有多大,只要确保μ(k)的取值范围满足0≤μ(k)≤β,这样可以避免因突发噪声或其他干扰而导致步长增大,使算法产生误调、甚至发散的问题。
  为了确保算法收敛,步长因子必须满足
  0≤μ(k)≤2/3 tr(Rin)(11)
  式中:Rin为均衡器输入信号y(k)的自相关矩阵; tr(Rin)为Rin的迹。
  又由式(11)可知
  0<β≤2/3 tr(Rin)(12)
  3 正交小波变步长盲均衡算法
  为了进一步加快WT-CMA的收敛速度,以提高其工程可实现性。将式(5)中的固定步长μ换为变步长式(8),得到均衡器权向量更新公式为
   f(k+1)=f(k)+μ(k)R-1(k)e(k)R(k)z(k)(13)
  称由式(5)和式(8)所构成的式(13)为基于正交小波变换的变步长盲均衡算法(Variable step-size and ortho- gonal Wavelet Transform based Constant Modulus blind equalization Algorithm,VWT-CMA),其原理如图1所示(含虚线框部分)。该算法利用变步长对均衡器权向量进行调整,在收敛收度和均方误差方面的性能优于CMA和WT-CMA。
  4 性能仿真
  为了说明VWT-CMA的性能,以CMA和WT-CMA为比较对象。仿真中,采用两径水声信道c=[-0.350 01],该信道是一个最大相位信道。信噪比为20 dB;均衡器权长为1 6,功率初始化值为4。部分参数的设置如表1所示。
  表1 仿真参数设置
  算 法小波分解层数η初始化权值WT-CMADb220.99VWT-CMADb220.99第5个抽头值初始化为1,其余为0。
  下面通过两种不同的信号来仿真。
  【实验1】 4PSK信号,式(8)中的变步长参数α、β分 别取0.1、0.09。CMA步长取0.000 5;WT-CMA步长取0.002。1 500次蒙特卡诺仿真的结果如 图2所示。
  迭代次数
  a 均方误差曲线实部实部
  b 均衡器输入cCMA输出实部实部
  dWT-CMA输出e VWT-CMA输出
  图2 仿真结果图2a表明,VWT-CMA比CMA快约4 000步,比WT-CMA快约1 600步,且稳态误差比CMA算法小 约3dB,比WTCMA略小。图2(b~e)表明,均衡后星座图更加紧密集中,眼图张开更加清晰,且VWT-CMA与WT-CMA均衡后眼图比CMA更加清晰。
  【实验2】 4QAM信号,式(8)中的变步长参数α、β分 别取0.03、0.07;CMA步长取0.000 1;WT-CMA步长取0.000 8。1 000次蒙特卡诺仿真的结 果如图3所示。
  迭代次数
  a 均方误差曲线实部实部
  b 均衡器输入c CMA输出实部实部
  d WT-CMA输出e VWT-CMA输出
  图3 仿真结果
  图3a表明,VWT-CMA比CMA快4 000多步,比WTCMA快约2 000步,且稳态误差比CMA小约3 dB,比WTCMA略小。 图3(b~e)表明, 均衡后星座图更加紧密集中, 眼图 张开更加清晰, 且VWT-CMA与WT-CMA均衡后眼图比CMA更加清晰。
  5 结论
  为了进一步加快常数模算法(CMA)收敛速度,将正交小波变换理论引入到CMA中,得到基于正交小波变换的盲均衡算法(WT-CMA);将变步长思想引入用WT-CMA中,提出了基于正交小波变换的变步长盲均衡算法(VWT-CMA)。该算法充分利用小波变换对信号的去相关性,对均衡器输入信号进行正交小变换,改变了均衡器结构;利用变步长进一步加快了收敛速度并减小了均方误差。与CMA及WT-CMA相比,VWT-CMA具有收敛速度快、稳态误差小、均衡效果好等特点。水声信道盲均衡的仿真结果,验证了该算法的性能。
  参考文献:
  
  [1] 郭业才.自适应盲均衡技术[M].合肥:合肥工业大学出版社,2007:8-25.
  [2] 饶伟,郭业才.基于统计特性均衡准则联合盲均衡算法[J].安徽理工大学学报:自然科学版,2006,26(4):55-59.
  [3] 王军锋.小波和神经网络在自适应均衡算法中的研究[D].西安:西安电子科技大学,2003.
  [4] Cooklev T. An Efficient Architecture for Orthogonal Wavelet Transf orms [J].IEEE Signal Processing Letters, 2006,13(2):77-79.
  [5] Attallah S. The wavelet transform-domains LMS
  adaptive filter w ith partial sub-band coefficient updating[J].IEEE Trans Cricuits and Systems,2006,53(1):8-12.
  [6] 边海龙,陈光.基于小波和神经网络的时变谐波信号的检测[J].电子测量与仪器学报,2008,22(1):1-4.
  [7] 王学伟,田甜,王琳.基于最优小波包变换的功率测量算法研究[J]. 电子测量与仪器学报,2008,22(4):30-33.
  [8] 饶伟,郭业才.基于可变分段误差函数的常数模盲均衡算法[J].系 统仿真学报,2007,19(12):2 681-2 689.
  [9] 兰瑞明,唐普英.一种新的变步长LMS自适应算法[J].系统工程与电子技术,2005,7(7):1 307-1 310.
  [10] 赵宝峰.变步长盲均衡算法的研究[D].太原:太原理工大学,2003.
  
  (责任编辑:何学华)
其他文献
脊柱内固定的目的是矫正畸形、缓解疼痛、稳定脊柱和保护脊髓神经.随着材料学和生物力学发展,传统的脊柱内固定方法不断改进,新型内固定器械不断推出.脊柱的生物力学是内固定
随着信息技术的发展和计算机技术的进步,企业信息化建设正在各个方面发展和完善。在此基础上,大力推进企业信息化建设和提高企业生产效率,已成力当今企业信息化的重点工作。
随着脊柱外科的深入发展,脊柱手术越来越普遍,术后腰腿部残留疼痛也引起了临床医师的高度重视,自1998~2001年,作者采用中药内服加功能锻炼治疗此类疾病37例,疗效满意.现总结报
<正> 企业自己组装的2.0级单相电度表校验台,最简单的办法是:选用一台0.5级单相标准电度表和一台0.1级(或0.05级)标准电流互感器组成。输出电压为220V,输出电流可根据需要设
档案是对人类社会各项实践活动的真实记录,其作为一项基础性工作在经济建设和社会建设中将起到非常关键的作用。作者从档案管理信息化建设的重要意义、目前档案管理信息化建
经椎板显微内窥镜椎间盘切除术是目前治疗腰椎间盘突出症较好的方法.自1998~2002年,我院开展此项手术,在对其实施围手术期护理的过程中,积累了一定的经验.现总结报告如下.
肌腱粘连是导致肌腱修复术后疗效不佳的原因,自2002年1月~2002年8月,我院急诊收治31例屈肌腱损伤患者,其中14例修复手术中使用医用生物可吸收膜,取得了满意效果.现报告如下.
书院是中国古代一种重要的教育组织形式。自唐宋以来,书院肩负培养人才、传播文化、推动文化等重要任务。清代罗池书院作为柳州地区代表书院之一。考证罗池书院的由来、沿革
讨论组合网格法(Composite Grid Method,CGM)在有限元程序自动生成系统平台(Finite Element Program Generator,FEPG)上的具体实现。该算法在整个求解区域上采用粗细两套网格求解
随着构建和谐社会理念的提出,弱势群体已经成为我国当前社会服务的重点对象。目前,公共图书馆针对当前弱势群体文化生活单一的现状,提出了一系列的服务项目,有效地丰富了弱势