【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 aht ka是除第 個(gè)碼元以外的其他碼元波形在第 個(gè)碼元的抽[]nSkT??樣時(shí)刻上的總和，對(duì)當(dāng)前碼元 的抽樣判決起著干擾作用，因此稱為碼間串?dāng)_ka值；是加性噪聲 通過(guò)接收濾波器后輸出的噪聲， 表示輸出()Rnt()nt 0()RSnkTt?噪聲在第 個(gè)碼元的抽樣時(shí)刻的瞬間值，它是一種隨機(jī)干擾。k通過(guò)分析可知，由于實(shí)際的通信系統(tǒng)很難滿足無(wú)失真?zhèn)鬏敆l件(奈奎斯特第一準(zhǔn)則)，信道的頻率響應(yīng)偏離了理想的均勻幅值和線性相位，已傳輸?shù)拿}沖的兩個(gè)尾部(左邊和右邊)都會(huì)影響相鄰的脈沖，這種由于相鄰脈沖波形尾部重疊而引起的畸變稱為碼間串?dāng)_(ISI)，它會(huì)引起誤差的判決，增大出錯(cuò)的概率。對(duì)于背景噪聲小的帶限信道(如：電話的語(yǔ)音信道)，ISI 是高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕阅芟拗?。在無(wú)線信道和水聲信道中，ISI 是由于多徑傳輸?shù)慕Y(jié)果。碼間干擾存在于所有的脈沖調(diào)制系統(tǒng)中，包括移頻鍵控(FSK)、移相鍵控(PSK)和正交調(diào)幅(QAM)。 自適應(yīng)濾波技術(shù)在數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域，濾波器是語(yǔ)音與圖像處理、模式識(shí)別、雷達(dá)信號(hào)處理、頻譜分析等應(yīng)用中的一種基本處理部件，它從復(fù)雜的信號(hào)中提取有用的信號(hào),同時(shí)抑制噪聲和干擾信號(hào)?？偟膩?lái)說(shuō)，濾波器可以分為經(jīng)典濾波器和現(xiàn)代濾波器兩大類(lèi)。經(jīng)典濾波器，即一般的濾波器，特點(diǎn)是假定輸入信號(hào)中有用的頻率成分和希望濾除的頻率成分各占有不同的頻帶，即關(guān)于信號(hào)和噪聲應(yīng)具有一定的先驗(yàn)知識(shí)，這樣可以通過(guò)一個(gè)合適的選頻濾波器將無(wú)用的頻率成分濾除。對(duì)于經(jīng)典濾波器如果有用信號(hào)和噪聲的頻譜相互重疊，則無(wú)法完成對(duì)噪聲或干擾的有效濾除，這時(shí)需要采用另一類(lèi)所謂的現(xiàn)代濾波器，例如維納濾波器、卡爾曼濾波濾波器、自適應(yīng)濾波器等最佳濾波器。現(xiàn)代濾波器是把信號(hào)和噪聲都視為隨機(jī)信號(hào)，利用輸入信號(hào)內(nèi)部的一些統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律(如自相關(guān)函數(shù)、功率譜等)導(dǎo)出一套最佳的估計(jì)算法，從干擾中最佳地提取信號(hào)。 自適應(yīng)濾波理論所謂自適應(yīng)濾波器，就是當(dāng)環(huán)境條件發(fā)生變化時(shí)，利用前一時(shí)刻己獲得的濾波器參數(shù)等結(jié)果，自動(dòng)調(diào)節(jié)現(xiàn)時(shí)刻的濾波器參數(shù)，以適應(yīng)信號(hào)和噪聲未知的或隨時(shí)間變化的統(tǒng)計(jì)特性，從而使輸出性能達(dá)到最優(yōu)的效果。自適應(yīng)濾波器屬于現(xiàn)代濾波器的范疇。自適應(yīng)(Adaptive)濾波理論是近40年來(lái)發(fā)展起來(lái)的信號(hào)處理領(lǐng)域一個(gè)新的分支，是現(xiàn)代信號(hào)處理理論的重要組成部分。自適應(yīng)濾波理論是在維納(Weiner)濾波、卡爾曼(Kalman)濾波理論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種濾波技術(shù)，這三種濾波理論所研究的信號(hào)都是隨機(jī)數(shù)字信號(hào)，但是維納濾波需要已知輸入信號(hào)和噪聲的統(tǒng)計(jì)特性，而且維納濾波器的參數(shù)是固定的，所以只適用于平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)；卡爾曼濾波濾波器的參數(shù)是可調(diào)的，適用于平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)和非平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)，但同樣需要知道輸入信號(hào)和噪聲的統(tǒng)計(jì)特性，因此這兩種濾波器只有在輸入信號(hào)和噪聲的統(tǒng)計(jì)特性先驗(yàn)已知的條件下，才能達(dá)到最有濾波效果。實(shí)際工程應(yīng)用中，由于信號(hào)和噪聲的統(tǒng)計(jì)特性無(wú)法得到或者統(tǒng)計(jì)特性是隨之間在不斷變化的，因此，在許多情況下維納濾波器和卡爾曼濾波器就無(wú)法實(shí)現(xiàn)最佳濾波，而參數(shù)可調(diào)、無(wú)需預(yù)知信號(hào)和噪聲統(tǒng)計(jì)特性的自適應(yīng)濾波器正適用于這種場(chǎng)合，所以在實(shí)際的信息處理技術(shù)中自適應(yīng)濾波器的應(yīng)用非常廣泛。 均衡技術(shù)在數(shù)字通信系統(tǒng)中，碼間串?dāng)_和加性噪聲是造成信號(hào)傳輸失真的主要因素，為克服碼間串?dāng)_，在接收濾波器和抽樣判決器之間附加一個(gè)可調(diào)濾波器，用以校正(或補(bǔ)償)這些失真。對(duì)系統(tǒng)中線性失真進(jìn)行校正的過(guò)程稱為均衡，實(shí)現(xiàn)均衡的濾波器稱為均衡濾波器。由于信道特性是變化的，均衡器的參數(shù)也應(yīng)該隨之而改變，可以自動(dòng)調(diào)整參數(shù)以保持最佳工作狀態(tài)的均衡器就是自適應(yīng)均衡器(自適應(yīng)濾波器)。自適應(yīng)均衡器有頻域均衡和時(shí)域均衡之分。頻域均衡器只能均衡時(shí)變信道的幅頻特性，不能有效地均衡群時(shí)延特性，在數(shù)字信號(hào)中一般不采用。時(shí)域均衡器利用它所產(chǎn)生的響應(yīng)去補(bǔ)償已畸變的信號(hào)波形，可以有效地抑制碼間串?dāng)_和加性干擾。隨著數(shù)字信號(hào)處理理論和超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，時(shí)域均衡已廣泛應(yīng)用于數(shù)字通信的各個(gè)領(lǐng)域。在 信 息 日 益 膨 脹 的 數(shù) 字 化 、 信 息 化 時(shí) 代 ， 通 信 系 統(tǒng)擔(dān) 負(fù) 了 重 大 的 任 務(wù) ， 這 要 求 數(shù) 字 通 信 系 統(tǒng) 向 著 高 速 率 、 高 可 靠 性 的 方 向 發(fā) 展 。信 道 均 衡 是 通 信 系 統(tǒng) 中 一 項(xiàng) 重 要 的 技 術(shù) ， 能 夠 很 好 的 補(bǔ) 償 信 道 的 非 理 想 特 性 ，從 而 減 輕 信 號(hào) 的 畸 變 ， 降 低 誤 碼 率 在 高 速 通 信 、 無(wú) 線 通 信 領(lǐng) 域 ， 信 道 對(duì) 信 號(hào)的 畸 變 將 更 加 的 嚴(yán) 重 ， 因 此 信 道 均 衡 技 術(shù) 是 不 可 或 缺 的 。 自 適 應(yīng) 均 衡 能 夠 自動(dòng) 的 調(diào) 節(jié) 系 數(shù) 從 而 跟 蹤 信 道 ， 成 為 通 信 系 統(tǒng) 中 一 項(xiàng) 關(guān) 鍵 的 技 術(shù)在高速數(shù)字移動(dòng)通信、數(shù)字微波無(wú)線通信系統(tǒng)和作為重要的遠(yuǎn)程通信和軍事通信手段之一的短波通信系統(tǒng)中, 由于多徑與衰落現(xiàn)象引起碼間干擾,系統(tǒng)性能惡化。采用適當(dāng)有效的自適應(yīng)均衡技術(shù), 可以克服數(shù)據(jù)傳輸在頻帶利用率、誤碼率性能以及傳輸速率上的許多缺點(diǎn)。自適應(yīng)均衡就是通過(guò)接收端的均衡器產(chǎn)生與信道特性相反的特性以抵消信道時(shí)變多徑傳播引起的干擾，可消除波形疊加、碼間串?dāng)_，也能減小加性噪聲干擾，從而減小誤碼的技術(shù)。均衡分為頻域均衡和時(shí)域均衡。頻域均衡指總的傳輸函數(shù)滿足無(wú)失真?zhèn)鬏數(shù)臈l件。時(shí)域均衡是使總沖擊響應(yīng)滿足無(wú)碼間干擾的條件。在實(shí)際電路中，往往同時(shí)采用頻域和時(shí)域自適應(yīng)均衡器，最大限度地提高電路的抗衰落能力。 主要研究?jī)?nèi)容 論文的研究目標(biāo)論文針對(duì)數(shù)字通信系統(tǒng)中，由于碼間串?dāng)_(ISI)和信道加性噪聲的干擾，導(dǎo)致信號(hào)在接收端產(chǎn)生誤碼，設(shè)計(jì)了基于LMS算法的自適應(yīng)濾波器，并通過(guò)MATLAB軟件平臺(tái)仿真實(shí)現(xiàn)。在對(duì)自適應(yīng)濾波基本理論的研究過(guò)程中，論文重點(diǎn)分析了有關(guān)自適應(yīng)濾波器的結(jié)構(gòu)、最佳濾波準(zhǔn)則和各種自適應(yīng)算法，分析影響收斂性能的相關(guān)參數(shù)。 論文的研究意義自適應(yīng)濾波器在很多領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景，特別是在數(shù)字通信領(lǐng)域，自適應(yīng)均衡是對(duì)包括語(yǔ)音頻帶、微波、對(duì)流層散射無(wú)線通信、有線電視調(diào)制解調(diào)器在內(nèi)的數(shù)字通信系統(tǒng)有最大影響的成熟技術(shù) [4]。目前有關(guān)自適應(yīng)濾波器的研究一直以來(lái)是個(gè)熱點(diǎn)課題，研究工作主要包括自適應(yīng)算法和硬件實(shí)現(xiàn)。 論文的章節(jié)安排本論文主要研究?jī)?nèi)容及章節(jié)安排如下：第一章： 緒論，介紹時(shí)域均衡在無(wú)線通信系統(tǒng)中的作用。第二章： 介紹自適應(yīng)濾波器的基本原理與應(yīng)用，對(duì)常用的自適應(yīng)算法進(jìn)行歸納總結(jié)。第三章： LMS 算法和變步長(zhǎng) LMS 算法分析。應(yīng)用 MATLAB 軟件對(duì)其進(jìn)行仿真分析。第四章： LMS算法在信道條件突變的情況下的算法研究。推到分析如何合理設(shè)計(jì)迭代函數(shù)使通信性能達(dá)到最優(yōu)。第五章：總結(jié)。本章小結(jié) 本章主要為緒論和介紹時(shí)域均衡，緒論主要介紹了論文的研究?jī)?nèi)容和研究意義，對(duì)通信系統(tǒng)中的失真分析也做了大致詳細(xì)的分析。然后介紹了自適應(yīng)濾波技術(shù)。還有對(duì)論文的大致安排能夠讓讀者更好地閱讀本論文。2 自適應(yīng)濾波原理與應(yīng)用近年來(lái)，通信和生物醫(yī)學(xué)等技術(shù)的發(fā)展為自適應(yīng)濾波器提供了更為廣泛的應(yīng)用空間。在不同的應(yīng)用領(lǐng)域，自適應(yīng)濾波技術(shù)也不盡相同，也是人們一直以來(lái)所研究的熱點(diǎn)，本章在對(duì)自適應(yīng)濾波器基本原理分析的基礎(chǔ)上，詳細(xì)描述了自適應(yīng)濾波器的多種結(jié)構(gòu)形式和最佳濾波準(zhǔn)則，確定論文所設(shè)計(jì)的濾波器結(jié)構(gòu)，最后在對(duì)自適應(yīng)濾波器應(yīng)用的敘述中著重介紹了自適應(yīng)均衡器在通信系統(tǒng)中的應(yīng)用。 自適應(yīng)濾波原理所謂自適應(yīng)濾波器，就是當(dāng)環(huán)境條件發(fā)生變化時(shí)，利用前一時(shí)刻己獲得的濾波器參數(shù)等結(jié)果，自動(dòng)調(diào)節(jié)現(xiàn)時(shí)刻的濾波器參數(shù)，以適應(yīng)信號(hào)和噪聲未知的或隨時(shí)間變化的統(tǒng)計(jì)特性，從而使輸出性能達(dá)到最優(yōu)的效果。自適應(yīng)濾波器在數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域?qū)儆陔S機(jī)信號(hào)處理范疇，所研究的對(duì)象是平穩(wěn)和非平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)，通過(guò)利用隨機(jī)信號(hào)內(nèi)部的一些統(tǒng)計(jì)特性，從干擾中最佳地提取信號(hào)。 自適應(yīng)濾波器的分類(lèi)自適應(yīng)濾波器按照不同的分類(lèi)方法，有不同的分類(lèi)，一般來(lái)說(shuō)按照自適應(yīng)系統(tǒng)的分類(lèi)方法，自適應(yīng)濾波器可分開(kāi)環(huán)和閉環(huán)自適應(yīng)兩種類(lèi)型，如圖 所示： 自適應(yīng)算 法可編程濾 波器輸入 輸出自適應(yīng)算 法可編程濾 波器輸入 輸出 開(kāi)環(huán)和閉環(huán)兩種自適應(yīng)濾波器(1) 開(kāi)環(huán)自適應(yīng)系統(tǒng)：對(duì)輸入信號(hào)和環(huán)境進(jìn)行測(cè)量，并用測(cè)量得到的信息形成公式或算法，用以調(diào)整自適應(yīng)系統(tǒng)本身。如圖所示，控制該系統(tǒng)的自適應(yīng)算法僅由輸入決定。(2) 閉環(huán)自適應(yīng)系統(tǒng)：除了對(duì)輸入信號(hào)和環(huán)境進(jìn)行測(cè)量外，還利用系統(tǒng)調(diào)整所得結(jié)果的有關(guān)知識(shí)去優(yōu)化系統(tǒng)某種性能，即該系統(tǒng)是一種帶“性能反饋”的自適應(yīng)系統(tǒng)。如圖所示，控制改系統(tǒng)相應(yīng)的自適應(yīng)算法除取決于輸入外，同時(shí)還依賴于系統(tǒng)輸出的結(jié)果。 自適應(yīng)濾波器的基本構(gòu)成濾波結(jié) 構(gòu)（可編程濾 波器 ）自 適應(yīng)算法輸入信號(hào) 輸出信號(hào)濾波器參 數(shù)性能評(píng) 估 一般自適應(yīng)濾波器的基本單元，每個(gè)自適應(yīng)濾波器都包括濾波結(jié)構(gòu)、性能判據(jù)以及自適應(yīng)算法三個(gè)模塊：(1) 濾波結(jié)構(gòu)：一個(gè)按理想模式設(shè)計(jì)的可修改濾波系數(shù)的可編程濾波器，這個(gè)模塊利用對(duì)輸入信號(hào)的度量，形成濾波器的輸出。如果濾波器的輸出是輸入信號(hào)的線性組合，那么這個(gè)濾波器就是線性的；否則就是非線性的。例如，濾波模塊可能是用直接或格型結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的、可調(diào)的有限脈沖響應(yīng)數(shù)字濾波器，或者是用級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的遞歸濾波器。濾波結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)者固定了，而其參數(shù)可以用自適應(yīng)算法進(jìn)行調(diào)整。(2) 性能判據(jù)(COP)：COP模塊用自適應(yīng)濾波器的輸入和期望響應(yīng)去評(píng)價(jià)其質(zhì)量是否與特定應(yīng)用的要求相符合。規(guī)范的選擇是用戶可接受和數(shù)學(xué)易處理之間的折衷，我們可以用它推導(dǎo)自適應(yīng)算法。大多數(shù)自適應(yīng)濾波器使用平方誤差的某種平均形式，因?yàn)檫@在數(shù)學(xué)上是容易處理的，且有利于實(shí)際系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。(3) 自適應(yīng)算法：用來(lái)調(diào)節(jié)可編程濾波器濾波系數(shù)使濾波器性能帶到最佳。自適應(yīng)算法用性能標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)值、它的某些函數(shù)，及輸入信號(hào)和期望的響應(yīng)來(lái)決定如何修改濾波器的參數(shù)，以提高性能。自適應(yīng)算法的復(fù)雜性和特性是濾波結(jié)構(gòu)和性能判據(jù)的函數(shù)。 與普通濾波器的區(qū)別(1) 自適應(yīng)濾波器的濾波參數(shù)是可變的，它能夠隨著外界信號(hào)特性的變化而動(dòng)態(tài)地改變參數(shù)，保持最佳濾波狀態(tài)。自適應(yīng)濾波器除了普通濾波器的硬件設(shè)備以外還有軟件部分，即自適應(yīng)算法。(2) 自適應(yīng)算法決定了自適應(yīng)濾波器如何根據(jù)外界信號(hào)的變化來(lái)調(diào)整參數(shù)。自適應(yīng)算法的好壞直接影響濾波的效果。 自適應(yīng)過(guò)程根據(jù)信號(hào)運(yùn)行的環(huán)境不同(輸入信號(hào)的特性不同)，自適應(yīng)濾波器的自適應(yīng)響應(yīng)(自學(xué)習(xí))過(guò)程分為學(xué)習(xí)過(guò)程、跟蹤過(guò)程 [1][5]，如圖23所示：0 1000 2022 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000222324 代代代代代代代代代代代 x(n)代代代代代 MSE(db) 自適應(yīng)學(xué)習(xí)曲線(1) 學(xué)習(xí)過(guò)程：如果信號(hào)運(yùn)行環(huán)境是固定不變的，但未知的，那么自適應(yīng)濾波器的最佳濾波參數(shù)是固定的，這樣就要求自適應(yīng)濾波器找到使其輸出性能最佳的參數(shù)，然后停止調(diào)整。從濾波器開(kāi)始運(yùn)行直到其基本達(dá)到最佳性能的初始階段，被稱為捕獲或收斂模式，一般把參數(shù)收斂過(guò)程稱為“學(xué)習(xí)”過(guò)程。(2) 跟蹤過(guò)程：如果信號(hào)運(yùn)行環(huán)境的特性是隨時(shí)間改變的，那么自適應(yīng)濾波器的最佳濾波參數(shù)也是隨時(shí)間變化的，這樣就要求自適應(yīng)濾波器能盡快“反應(yīng)”過(guò)來(lái)，調(diào)整自己的參數(shù)，以跟隨信號(hào)特性的變化而變化。在這種情形下，濾波器開(kāi)始于捕獲階段，緊跟著跟蹤模式，一般稱這一過(guò)程為“跟蹤”過(guò)程。 自適應(yīng)濾波結(jié)構(gòu)自適應(yīng)濾波器根據(jù)可編程濾波器結(jié)構(gòu)單位脈沖響應(yīng)類(lèi)型、實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的不同可以分成許多種類(lèi)型。自適應(yīng)濾波器在選擇結(jié)構(gòu)時(shí)，除了要看用途和各種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)外，還要考慮特有的因素。自適應(yīng)濾波器是通過(guò)控制參數(shù)來(lái)使濾波器保持最佳濾波狀態(tài)的，而最佳濾波參數(shù)和信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性有關(guān)，所以最佳參數(shù)應(yīng)表示為信號(hào)統(tǒng)計(jì)特性的函數(shù)。如果濾波器的結(jié)構(gòu)合理，這個(gè)函數(shù)就簡(jiǎn)單，否則函數(shù)相當(dāng)復(fù)雜甚至無(wú)法表示。簡(jiǎn)單的函數(shù)使得濾波器能快速的更新濾波參數(shù)。 單位脈沖響應(yīng)類(lèi)型數(shù)字濾波器按照單位脈沖響應(yīng)特性可分為有限脈沖響應(yīng)(FIR)濾波器和無(wú)限脈沖響應(yīng)(IIR)濾波器兩種類(lèi)型。(1) 有限脈沖響應(yīng)(FIR)濾波器FIR網(wǎng)絡(luò)中一般不存在輸出對(duì)輸入的反饋，這類(lèi)網(wǎng)絡(luò)的單位脈沖響應(yīng) h(n)是有限長(zhǎng)的，其系統(tǒng)函數(shù)可表示為: ()10()()NnnHzhz???(2) 無(wú)限脈沖響應(yīng)(IIR)濾波器IIR網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中存在輸出對(duì)輸入的反饋之路，在信號(hào)流程中存在環(huán)路，這類(lèi)網(wǎng)絡(luò)的單位脈沖響 應(yīng)是無(wú)限長(zhǎng)的，其系統(tǒng)函數(shù)可表示為:()h ()01()MrrNkkbzHza???(3) FIR 濾波器與 IIR 濾波器的比較FIR 濾波器是全零點(diǎn)濾波器，它始終是穩(wěn)定的，且能實(shí)現(xiàn)線性的相移特性，允許設(shè)計(jì)多通帶和多阻帶濾波器，但要取得較好的通帶和阻帶衰減特性，要求濾波器的階數(shù)較高。FIR 濾波器在自適應(yīng)濾波器中的應(yīng)用最廣泛。IIR濾波器的傳輸函數(shù)既有零點(diǎn)又有極點(diǎn)，其首要優(yōu)點(diǎn)是可在相同階數(shù)時(shí)取得更好的濾波效果。這是用有限的系數(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)限沖擊響應(yīng)的輸出和反饋的結(jié)果。用具有零極點(diǎn)的自適應(yīng)IIR系統(tǒng)比只有零點(diǎn)的FIR系統(tǒng)得到更好的期望響應(yīng)。它可以用不同的階數(shù)實(shí)現(xiàn)具有陡峭通帶特性。其主要缺點(diǎn)是穩(wěn)定性不好，并且相位特性難于控制，也正是因?yàn)檫@些缺點(diǎn)限制了它在自適應(yīng)濾波器中的應(yīng)用，但由于它較容易實(shí)現(xiàn)陡峭通帶的特性，所以它在實(shí)現(xiàn)對(duì)多徑效應(yīng)的自適應(yīng)均衡等方面有很大的潛力。另外，由于I