基于MIL-STD-188-110标准的通信波形研究_高中生题库网|高考真题|高考试题-「密云二中」

-

2021年2月8日发(作者：laikan)

摘要

短波信道具有时变，多径，快速衰落等多种特点，使得接收到的短波信号存

在严重的符号间干扰（

Inter-symbol Interference,ISI

），这种干扰会导致通信的错误

或者严重失效。

信道均衡是抑制

ISI

的关键技术之一，

特别是在复杂多变的短波系

统中，对于高性能的均衡算法的研究就更加重要。优化均衡算法具有很高的复杂

度，一般而言，它是随延迟符号数成指数上升的。而一般的均衡器往往伴有很大

的性能失真。近年来，迭代均衡算法作为抵抗

ISI

的有效实现方式，能获得误码性

能及其实现复杂度的优化折中。

根据短波系统的特点，本文在经典短波

Watterson

信道基础上，针对特定的短

波通信技术标准，即

MI L-STD-188-110C

中的单音道串行模式，重点研究了

RLS

自适应均衡算法。利用递归最小二乘法（

Recurs ive

Least

Squares

，

RLS

）估计、

跟踪时变短波信道系数。并在经典的

Watterson

信道下，基于

MIL-STD-188-110C

标准的单音道串行波形设计方案，

给出了基于

RLS

算法的自适应均衡器的

BER

性

能。

通过对

MIL-STD-188-110C
中的单音道通信模式的仿真，分析了在

Watterson

信道下长交织和短交织对于系统性能的影响，对后续研究打下基础。

 关键词

：

短波系统，

MIL- STD-188-110C

标准，

Watterson

信道，

RLS

均衡，

ISI

。

I

ABSTRACT

ABSTRACT

Short-wave system is a time-varying, multipath,fading system,these characteristics

will

make

the

signal

a

serious

inter-symbol

interference

(ISI),such

interference

can

cause communication errors ,even communication failure. Channel equalization is one

of the key technologies of eliminating ISI,the high- performance equalization algorithm

is even more important in the volatile short-wave the optimized algorithm of

the

equalization

have

high

complexity,in

general,the

complexity

increased

by

the

exponentially of the delay complexity equalizer is often associated with

the

distortion

of

recent

years,iterative

equalization

algorithm

is

an

effective

way

to

achieve

a

resistance

ISI

which

can

obtain

the

trade-offs

of

the

BER

performance and the complexity of the optimization.

According

to

the

characteristics

of

short-wave

systems

,

in

the

classic

short

Watterson

channel

,

this

paper

based

on

the

specific

short-wave

communications

technology standard, that MIL-STD-188-110C , focus on the RLS adaptive equalization

algorithm .This paper use recursive least squares Algorithm (Recursive Least Squares,

RLS) to estimate , and track the time-varying coefficients of HF channel. We give BER

performance of RLS under the serial mode in MIL-STD-188-110C.

Finally,through

the

mode

simulation

of

serial

(single-tone)

mode

in

MIL-STD-188-110C,this

paper

carefully

analysed

the

performance

of

different

interleaving influence for further research.

Keywords:short-wave

systems,

MIL-STD-188-110C,Watterson

channel,

RLS

Equalizer,ISI

。

II

目录

目

录

第

1

章

绪论

......................... .................................................. .................................................. ...........

1

1.1

研究背景

......... .................................................. .................................................. ...................

1

1.1.1 MIL-STD-188-110

系列标准介绍

.......... .................................................. .................

1

1.1.2 MIL-STD-188-110C ................ .................................................. ..................................

1

1.2

短波系统

....................... .................................................. .................................................. ....

2

1.2.1

短波传播方式

.
................................................ .................................................. ..........

3

1.2.2

短波系统物理特点

.

............................. .................................................. .....................

3

1.2.3

短波系统传输特点

.

............................. .................................................. .....................

4

1.3

均衡技术的发展

...... .................................................. .................................................. ..........

6

1.4

本文研究的主要内容

.

............................................. .................................................. ............

7

1.5

本文内容安排

....... .................................................. .................................................. .............

7

第

2

章

MIL- STD-188-110C

系统波形方案

......... .................................................. ...........................

9

2.1 110C

波形相关参数

...... .................................................. .................................................. .....

9

2.2

编码

......................... .................................................. .................................................. ........

1

0

2.3

交织

.......... .................................................. .................................................. .......................

1

2

2.2.1

交织写入

....... .................................................. .................................................. ........

1

2


2.2.2

交织获取

............. .................................................. .................................................. ...

1

3

2.4

格雷编码

......... .................................................. .................................................. .................

1

4

2.5

符号形成

....................... .................................................. .................................................. ..

1

5

2.5.1

未知数据符号的形成



.

............................ .................................................. ................

1

5

2.5.2

已知符号的形成

.

.............................. .................................................. ......................

1

6

2.5.3

同步前导序列

.

............................... .................................................. .........................

1

6

2.6

加扰

........... .................................................. .................................................. .......................

1

8

2.6.1

随机序列发生器

.

............................... .................................................. ......................

1

8

2.7 PSK

调制

...................... .................................................. .................................................. ....

1

9

2.8

性能测试要求

....... .................................................. .................................................. ...........

2

0

2.9

本章小结

........ .................................................. .................................................. .................

2

0

第

3

章

均衡技术的研究

....................... .................................................. ..........................................

2

1

3.1

均衡的基本原理

..................... .................................................. ............................................

2

1

3.2

均衡器的结构和种类

.

............................... .................................................. .........................

2

1

3.3

自适应均衡

........ .................................................. .................................................. ..............

2

2

3.3.1

自适应均衡基本原理

.

............................. .................................................. ................

2

3

3.3.2

经典的自适应均衡算法

.

........................... .................................................. .............

2

4

3.4

本章小结

........ .................................................. .................................................. .................

3

0

III

目录

第

4

章

MIL- STD-188-110C

波形仿真链路

......... .................................................. .........................

3

1

4.1

整体链路

......... .................................................. .................................................. .................

3

1

4.2

发端链路

......... .................................................. .................................................. .................

3

2

4.2.1

数据产生链路


.

................................ .................................................. .........................

3

2

4.2.2 FEC

编码链路

... .................................................. .................................................. ....

3

2

4.2.3

交织链路

....... .................................................. .................................................. ........

3

3

4.2.4

格雷编码链路


.

................................ .................................................. .........................

3

4

4.2.5

符号形成链路


.

................................ .................................................. .........................

3

5

4.2.6

插入已知数据


.

................................ .................................................. .........................

3

6

4.2.7

随机序列产生链路

.

.............................. .................................................. ...................

3

7

4.2.8

序列加扰链路


.

................................ .................................................. .........................

3

8

4.2 .9

调制链路

...................... .................................................. ............................................

3

8

4.3

收端链路

....................... .................................................. .................................................. ..

3

8

4.3.1

均衡链路

....... .................................................. .................................................. ........

3

8


4.3.2

解扰链路

............. .................................................. .................................................. ...

4

1

4.3.3

帧对齐链路


.

................................ .................................................. ............................

4

2

4.3.4

符号提取链路


.

................................ .................................................. .........................

4

2

4.3.5

格雷解码链路

.

............................... .................................................. .........................

4

3

4.3.6

解交织链路

.

................................. .................................................. ............................

4

4

4.3 .7

译码链路

...................... .................................................. ............................................

4

4

4.3.8

误码率计算链路

.

............................... .................................................. ......................

4

5

4.4

链路性能分析

...................... .................................................. ...............................................

4

5

4.4.1

高斯信道链路性能分析



.

............................ .................................................. .............

4

5

4.4.2Watterson

信道下长交织与短交织的误码性能分析

.

............ ...................................

4

5

4.5

本章总结

......... .................................................. .................................................. .................

4

9

第

5

章

全文总结与展望

....................... .................................................. ..........................................

5

0

5.1

全文总结

......... .................................................. .................................................. .................

5

0

5.2

未来研究方向

...................... .................................................. ...............................................

5

0

参考文献

....................... .................................................. .................................................. .................

5

1

致谢

......................... .................................................. .................................................. .......................

5

2

外文资料原文

..................... .................................................. .................................................. ...........

5

3

外文资料译文

..................... .................................................. .................................................. ...........

5

6

IV

图表目录

图

表

目

录

图

1-1

短波的传输方式

.................... .................................................. ................................................

3

图

2-1 FEC

编码流程图

.

.............................................. .................................................. ....................

1

1

图

2-2

随机移位寄存器功能框图

................ .................................................. ..................................

1

9

图

2-3

星座图

........................ .................................................. .................................................. ........

1

9

图

3-1

均衡器的分类

..................... .................................................. .................................................

2

2

图

3-2

自适应均衡器的基本结构

................ .................................................. ..................................

2

4

图

4-1 MIL- STD-188-110C

波形仿真链路

................................................ .......................................

3

1

图

4-2 FEC

编码流程图

.

.............................................. .................................................. ....................

3

2

图

4-3

格雷解码器模型

.................... .................................................. ..............................................

3

4

图

4-4 D1

和
D2

产生器

.................... .................................................. ..............................................

3

6

图

4-5

插入已知数据后的整合形式

............... .................................................. ...............................

3

7

图

4-6

随机移位寄存器功能框图

................ .................................................. ..................................

3

7

图

4-7

随机序列产生模块

................... .................................................. ...........................................

3

7

图

4-8 8PSK

星座图

.
 ............................................... .................................................. .........................

3

8

图

4-9

均衡器

........................ .................................................. .................................................. ........

3

9

图

4-10

均衡器第一层

..................... .................................................. ...............................................

3

9

图

4-11

均衡器第二层

..................... .................................................. ...............................................

4

0

图

4-12

均衡器第三层

..................... .................................................. ...............................................

4

1

图

4-13

解扰器

........................ .................................................. .................................................. ......

4

2

图

4-14

信号提取模块

..................... .................................................. ...............................................

4

3

图

4-15

接收信号星座图

.................... .................................................. ............................................

4

3

图

4-16

格雷解码器模型

.................... .................................................. ............................................

4

3

图

4-17

高斯信道下链路的误码性能曲线

............. .................................................. .......................

4

5

图

4-18

好信道条件下的误码性能曲线

.............. .................................................. ..........................

4

6

图

4-19

中等信道条件下的误码性能曲线

............. .................................................. .......................

4

7

图

4-20

差信道下利用

RLS

进行均衡的误码曲线

......... .................................................. ..............

4

8

表

1-1 MIL- STD-188-110

系列标准比较

.

..................................... .................................................. ....

2

表

1-2

电离层分层结构

.................... .................................................. ................................................

4

表

1-3

短波信道的衰落类型

.................. .................................................. ..........................................

5

表

1-4 CCIR

推荐的

3

种信道参数表

.............................. .................................................. .................

6

表

2-1

短波宽带数据波形相关参数

............... .................................................. .................................

9

表

2-2

跳频操作波形特征

................... .................................................. ...........................................

1

0

表

2-3

固定频率操作波形特征

................. .................................................. .....................................

1

0

表

2-4

跳频操作的差错校验编码

................ .................................................. ..................................

1

1

表

2-5

固定频率操作的差错校验控制

.............. .................................................. ............................

1

2

表

2-6

交织矩的维度

..................... .................................................. .................................................

1

3

V

图表目录

表

2-7

每个信道符号的比特数

................. .................................................. .....................................

1

3

表

2-8

在

2400

和

4800bps

的改进的格雷解码

.

............ .................................................. ................

1

4

表

2-9 75bps

固定频率和

1200bps

格雷编码

....... .................................................. ..........................

1

4

表

2-10 75bps

信道符号映射

.

........................................... .................................................. ...............

1

6

表

2-11

诊断信号

D1

和

D2

的分配


.

.................... .................................................. ..........................

1

7

表

2-12 2

比特数值到

3

比特数值的转换

............. .................................................. .........................

1

7

表

2-13

同步前导序列信道符号的映射

.............. .................................................. ..........................

1

8

表

2-14

串行（单音道）模式最小性能要求

............ .................................................. ....................

2

0

表

4-1

交织写入表

...................... .................................................. .................................................. ..

3

3

表

4-2

格雷解码

....................... .................................................. .................................................. .....

3

4

表

4-3

两比特信息到三比特信息的映射

............. .................................................. .........................

3

5

表

4-4

诊断信号
 D1

和

D2

的分配

............................................ .................................................. ....

3

5

表

4-5

信道符号映射为前导序列

................ .................................................. ..................................

3

6

表

4-6

格雷编码

....................... .................................................. .................................................. .....

4

4

表

4-7

仿真所用的信道参数

.................. .................................................. ........................................

4

6

VI

缩略词表

缩略词说明

英文缩写

英文全称

AM

Amplitude Modulation

BER

Bit Error Rate

BPSK

Binary Phase Shift Key

BW

Bandwith

CCIR

International Radio Consulative Committee

CP

Correctness Proofs

DFE

Decision Feedback Equalization

FEC

Forward Error Correction

HF

High Frequency

ISI

Inter-symbol Interference

LE

Linear equalization

LMS

Least Mean Square

MAP

Maximum A Posteriori

MLSE

Maximum Likelihood Sequence Estimation

MMSE

Minimum Mean Square Error

PAPR

Peak to Average Power Ratio

PSK

Phase Shift Key

QAM

Quadrature Amplitude Modulation

QPSK

Quadrature Phase Shift Key

RLS

Recursive Least Squares

SNR

signal-to-noise ratio

TDMA

Time Division Multiple Access

ZF

Zero forcing

VII

中文释义

调幅

误比特率

二进制相移键控

带宽

国际无线电咨询委员会

正确性证明

判决反馈均衡器

前向纠错编码

高频

符号间干扰

线性均衡

最小均方算法

最大后验概率

最大概似函数估测

最小均方误差

峰值平均功率比

相移键控

正交幅度调制

正交相移键控

递归最小二乘法

信噪比

时分多址

迫零算法

第

1

章

绪论

第

1

章

绪论

1.1

研究背景

1.1.1 MIL-STD-188-110

系列标准介绍

MIL-STD-18 8-110

系列标准

[1]

自

1991

年发布第一版以来

,
 一直备受业界高度关

关注

,

我国也将其作为制定短波通信标准的基础和重要参考。随着应用需求的变化

和技术的不断成熟

,MIL-STD-188-110

系列标准也在不断地改进和完善

,

此后分别于

2000

年

4

月和

2011

年

9

月发布了该系列标准的第二版

MI-STD-188-110B(

以下简

110 B)

和第三版

MI-STD-188-110C

（以下简称

110C

）。在

M IL-STD-188-110

系列

标准的制定过程中

,

设计者们还参考了如

STANAG

4197

[

1

]

等其他通信标准和协议

,

使
 110

系列标准具有广泛的普适性。

MIL-STD-188-110A

（以下简称

110A

）

标准采用

1.5k Hz

带宽

,

调制方式为

8-PSK,

数据速率在不加编码的条件下只有

480 0bit/s

[

1

]
 ,

目前我国短波调制解调器标准大

多以该标准为基础而建立。

110B

标准是

110A

标准的升级版

,

加入了新的调制方式

种类

,

带宽增加到

3kH z,

数据速率在不加编码的条件下最高可达

12800bit/ s

[

2

]

,

基本

满足了当时的需求。

该标准采用了前向纠错编码

（

Forward Error Correcti on

，

FEC

）

与交织编码

,

提高了纠错能力。

与前两版相比较

,110C

标准在技术上有了质的飞跃。

该标准采用了宽带数据传输技术

,

最大带宽可达

24kHz,

最高数据速率也达到了

12 0kbit/s

[

3

]

,

大大提高了数据传输的效能和可靠性。经过

20

多年的不断积累和发

展

,MIL-STD- 188-110

系列标准已经成为了事实上的短波通信工业标准

,

对世界短

波通信的发展具有深远影响。

1.1.2 MIL-STD-188-110C

201 1

年

9

月

23

日

,

美国防部正式颁布了由

Harris

和

Rockwell Collin s

公司共同

参与设计的

MIL-STD -188-110

系列标准的最新版本

110C

。与

110B

标准中的短波

窄带调制系统相比

,110C

标准重新定义了以
 3kHz

为间隔、最大

24kHz

带宽、最高

1

电子科技大学学士学位论文

数据速率

120kbps(

共计

33

种速率

)

的

13

种宽带调制波形。

110C

标准对交织技术进

行了优化

,

取消了

Very Short

和

Very Long

两种交织类型

[

2

]

,

使交织深度的最短平均

值为
 0.12

s

、最长平均值为

7 .68s

。编码方面

,

采用了基于约束长度为

7

或

9

的卷积

码

[

3

]

,

利用去冗余和重复译码技术得到了最低
1/16

、最高

9/10

的编码率

[

4

]

。基于短

波信道特性

,

用户可以依据不同的需求选择带宽和调制波形

,

使调制解调器的效能
 达到最优。目前

Harris

公司已设计出能够完全适应新型短波宽带数据通信标准的

原型机

,

于

2010

年

6

月分别在

3kHz

、

6kHz

、

12kHz

和

24 kHz

的带宽上对

110C

标

准草案进行了模拟信道测试和空中性能测试

[

5

]

。

110C

标准的颁布

,

从根本上改变了

以窄带为主的短波数据通信体制

,

为短波通信全面跨入宽带通信时代打下了坚实的

基础。具体对比如表

1-1

所示。

表

1-1

MIL- STD-188-110

系列标准比较

标准

110A

带宽

1.5kHz

交织深度

分别是
0.12s

、

0.36s

、

1.08s

、

2.15s
、

4.31s

、

8.61s

分别是

0.12s

、

0.36s

、

1.08s

、

2.15s

、

4.31s

、

8.61s

调制方式

8PSK

最大传输

速率

4800bps

110B

3.0kHz

QPSK

、

8-PSK

、

16-QAM

、

32-QAM

、

64-QAM

12800bps

110C

以

3 kHz

为

QPSK

、

8-PSK

、

16-QAM

、

分别是

0 .12s

、

间隔、最大

32-QAM

、

64-QAM

、

Walsh

码、

1.08s

、

2.15s

、

4.31s

24 kHz

带宽

2-PSK

、

4-PSK

和

256- QAM

1200kbps

1.2

短波系统

根据国际无线电咨询委员会

(International Radio Consulative Committee

，

CCIR)

的划分，

短波是指频率为

3

～

30MHz

的无线电波，

因为它的波长短，

为

1 0m-100m

，

所以称之为短波。利用短波频段进行通信又简称为短波通信，或者高频

(High

Frequency 

，

HF)

通信。

2

第

1

章

绪论

1.2.1

短波传播方式

短波的传输分两种方式：

天波传输和地波传输。

如图

1-1

所示地波传输主要是

指电池波沿着地球的表面传播，根据衍射知识，波的传输过程中，只有在波长大

于或相当于障碍物的长度的时候，才会发生绕射，而短波的波长短，地面障碍物

变多的时候，沿地球表面传播的地波绕射能力差，传播的有效距离短。所以地波

传输是中频信号的主要传输模式，主要用于调幅（

Amplitude Modulation

，

AM

）广

播和海岸无线电广播的频段。在

AM

广播中，甚至大功率的地波传输范围都限于

150km

左右；天波传输是依靠电波经过电离层的反射（弯曲或折射）来进行传输，

电离层是由位于地球表面之上高度

50

～

4 00km

范围中的几层带电粒子组成，短波

以天波形式传播时，在电离层中所受到的吸收作用小，有利于电离层的反射。经

过一次反射可以得到

100

～

4000km

的跳跃距离。经过电离层和大地的几次连续反

射，传播的距离可达到更远。所以天波传输对于短波通信来说有着更加重要的意

义。但是电离层的环境不是一个稳定的环境，它受到各种因素的制约，比如说天

气情况，太阳的黑子运动，早晚时段也会呈现出不同的特征，所以天波信道是时

变的，需要利用随参信道来做研究。

电离层

天波

地表面波

直射波

地面发射波

图

1-1

短波的传输方式

1.2.2

短波系统物理特点

根据物理知识，对流层之上是电离层，而电离层的空气较为稀薄，由

D

层，

E

层，

F

层组成，这

3

个层是位于环绕着地球不同高度的导电层，这些导电层深深影

3

电子科技大学学士学位论文

响着短波的传输。

如表

1-1

所示展示出了不同的导电层对天波传输的影响，

以及各

层所处的高度

[6]

。

明显，

D

层最低，是吸收层，只有在白天会出现，在白天，太阳使得较低的

大气层加热引起高度在

90km

以下的电离层形成。

这种较低的电离层中的电子密度

非常低，不能达到反射短波的需要，当电波在

D

层穿过时，会被严重吸收，导致

信号衰减，频率越小，衰减得越多。所以，短波在白天传输时，严重受到

D

层的

制约，

D
层决定了发起良好传输所需要的功率和增益。

E

层出现在太阳刚升起的时候，

一直到中午阳光最强的时候保持最大，

然后电

离会慢慢减小，它位于

100~12 0km

，白天频率高于

1.5MHz

的电波可以在

E

层被

反射；对于晚上，

E

层的电离非常弱，对天波传输不起到任何作用。

F

层为反射层，

F

层又分为

F1

层和

F2

层，

F1

层较低，只出现在白天，到了

晚上对于传输无反射能力，

F2

层会一直存在，

而且在

F2

层中的电离仍然可以保持

短波的传输，但由于残留的电离浓度比较稀疏，短波通信系统工作频率要低于白

天。

表

1-2

电离层分层结构

电离层

D

E

F1

F2

高度

km

60-90

100-120

170-220

225-450

日间

有

有

有

有

反射层

对天波传输的作用

吸收层

可反射高于
 1.5MHz

频率的电波

夜间

无

有

无

有

对天波传输的作用

无作用

无作用

无作用

残留电离浓度低于白天，

工作频率低于白天

1.2.3

短波系统传输特点

短波系统传输特点主要包括多径效应，信号衰落，多普勒频移和多普勒频率

扩展等特点，这些特点的产生原因也与传统信道有所区别。

1.2.3.1

短波信道的多径时延

根据短波通信传输的方式，接收到的信号有直射波，反射波和绕射波，不同

的波的类型就决定了信号到达接收端的时间不同，而就算都是反射波，由于电波

经过电离层反射一次称之为一跳的话，同一的反射波可能会经过不同跳数才能到

达接收端，在反射的过程中就会引起信号不同程度的延时，这使得各路信号表现

4

第

1

章

绪论

出不同的幅度和不同的相位。最终表现在通信系统中叫做多径效应，多径可以导

致信号幅度衰落和码间串扰。总结出引起短波通信多径的原因大致为以下五种：

1)

不同的传输方式，天波和地波传输；

2)

多跳的传输特点；

3)

经过

D ,E,F1,F2

不同层的反射；

4)

发射时的不同角度；

5)

电离层不平整和不均匀引起多个散射体。

1.2.3.2

电离层的干涉衰落



衰落是指接收信号随着时间强弱变化的现象。短波系统中信号是经过电离层

的反射，由于电离层本省的不均匀性，而且电离层的密度和特征都是随着时间，

天气在不断的变化更新的过程，本身传播介质的不稳定必然导致传播的信号的不

稳定性，呈现出一定的随机性。表

1-2

是不同的衰落类型。


电离层的衰落有以下特点

[
3

]

：

1)

频率选择性较明显。一般遭受衰落的频率带宽小于

300Hz

，而频率差大于
 400Hz

，所以不同频率衰落的相关性很小，呈现频率选择性特点。


2)

假设考虑一条路径情况，信道冲击响应较为简单，为电离层中多个反射子

信号的简单叠加，

信号场强遵循瑞利分布，

以至接收信号幅度服从瑞利分

布。

3)

实验室测试显示：衰落有时候可达

40dB

，偶尔也会达到

80dB

，一般持续

衰落时间为

4ms-20ms

范围内，干扰速率大约可以到达

10-20

次

/min

。


表

1-3

短波信道的衰落类型

原因

F

层小尺度不规则性

电离层不规则运动

极化而旋转

最大可用频率改变

反射面呈现弧形

电离层吸收损耗时变

不同传播模式间衰落强

度比较

衰落类型

随机波动

散射、衍射、折射

极化

穿透出电离层

聚焦

吸收损耗

地波

/

天波

天波

不同仰角

5

衰落周期

10-100ms

10-20s

10-100s

通常无周期

15-30min

60min

2-10s

1-5s

0.5-2s

备注

与

F

层有关

呈瑞利分布

两个磁离子分量出现

合适选择发送频率可避

免

日落和日出时较大

电子科技大学学士学位论文

表

1-4

C CIR

推荐的

3

种信道参数表

信道条件

好信道

中等条件信道

差信道

差分延时

(ms)

[0 0.5]

[0 1]

[0 2]

信道增益

[0 0]

[0 0]

[0 0]

多普勒频移

0.1Hz

0.5Hz

1Hz

1.3

均衡技术的发展

近年来，对高速无线通信业务的需求呈快速增长的趋势，然而在高速无线通

信传输系统中，特别是在高速率的具有时变信道特性的短波系统中，还有很多问

题需要解决。例如，当比特传输率较高时，信道的发散问题将会非常突出，从而

导致严重的符号间干扰（

I SI

），信道均衡是抑制

ISI

的关键技术之一，传统的均

衡方法包括基最大后验概率（

Maximu m A Posteriori

，

MAP

）以及最大概似函数估

测

(Maximum

Likelihood

Sequence
 Estimation,MLSE)

的优化算法及具有相对低复杂

度的迫零算法（

Zero Forcing

，

ZF

），最小均方误差（

Minimum Mean Square Error

，

MMSE

）

等线性算法。

自从

20

世纪

90

年代

T urbo

码出现之后，

人们开始重新思考

迭代信号处理的应用问题。目前，迭代算法已广泛应用于包括纠错码在内的很多

信号处理中，如迭代均衡，迭代多用户信号检测，迭代信道估计等。而将均衡器

和信道译码器一起使用，可以进一步的改善系统的误码性能，如果对均衡器和译

码器联合进行的最大似然信号处理，

如

MAP

或

MLSE

检测，

可以获得最优的五码
 性能。可是它们的复杂度太高，几乎不可能实际实现。所以需要采用一些方法来

简化

MAP

均衡器带来的复杂度方法，

本文研究了一些比较常用和实用的均衡检测

算法，比如采用低复杂度的线性均衡器或判决反馈均衡器（

Decision

Feedback

Equalization

，

DFE

）来代替复杂度较高的

MAP/MLSE

均衡算法，并对这些做了一

一比较，为通信提供更加合适的检测。但是这些算法性能损失也是比较严重的，

为了改善这些算法的性能，又研究了一种基于软反馈干扰抑制技术以及软反馈干

扰抑制技术结合线性均衡（

Linear equalizati on

，

LE

）的迭代均衡算法

[8]

。对于信道

道的响应特性在短波通信的信道中是时变的，信号传输会受到昼夜和季节而随机

变化，这会引起严重的信号衰落，信号传输中的时间色散，频域色散，衰落，未

知噪声和人为环境干扰等各种各样的因素，会导致短波通信方式比起其他通信方

式，会严重降低信号的质量。所以短波数字通信方式一直要解决改善信道条件，

6

第

1

章

绪论

提高信号传输质量和速率，降低误码率等重大问题，这些问题很大程度上取决于

系统对信道传输中的补偿策略，因此采用何种实时自适应的信道估计方法和数据

信号检测的方法，就成为了一个亟不可待的问题。像前面所说的，短波信号的时

变特点，设计出的均衡器也会比较复杂，应该设计出对信道响应进行自动调整的

均衡器，以适应信道的时间变化，因此人们做了各种自适应均衡算法的研究。自

适应均衡算法中比较常用的有：迫零算法、最小均方算法（
 Least

Mean

Square
 ，

LMS

）

、
 递归最小二乘法

(RLS)

、

V iterbi

算法等。

1965

年，

自适应滤波技术被

Lucky

引进了均衡器，基于峰值失真准则，得出了迫零算法

[5]

，

1969

年，

Gersh

，

Proakis

和

Miller

又调整抽头权的系数，

提出了按照均方误差

(MSE)

准则的方法

[6]

，

1972

年，

Ungerboeck

将最小均方误差算法（

LMS

）算法

[7]

在均衡器中使用，该方法计算量

量小，但收敛缓慢，不适用于时变信道。

1974

年，
Godard

又利用

kalman

滤波器

推导出了

RLS

算法，

又称

Kalman

算法

[8]

在时变信道中它可以达到快速收敛，

但计

算量大，后来又相继提出了平方根

Kalman

和快速

Kalman

算法

[9]

，逐步的降低了

运算量。

1.4

本文研究的主要内容

本文主要研究了以下内容，首先研究短波信道的主要特点，包括物理特性和
传输上的一些特点，然后根据短波信道的特点，研究并实现了经典的短波信道模

型

Watterson

信道模型。

本文内容安排研究美国军标

110C

中单音道串行模式的特点和应用，

在经典的

W atterson

信道模型下，采用

RLS
自适应算法，以及基于

LMS

的自适应算法。获

得了上述算法在

Watterson

信道下的仿真性能，

分析研究这两种种迭代算法的收敛

性与复杂度，最终基于性能与杂度分析结果，确定

RLS

均衡为

110C

标准的单音

道串行模式的一种相对较优的检测算法。

1.5

本文内容安排

第一章，主要介绍短波信道的特点，包括物理特性和传输特性，简要的介绍

了一下课题提出的背景和研究的意义，以及均衡技术的发展过程。

7

电子科技大学学士学位论文

第二章，重点介绍美国军标

110C

的系统波形方案设计，从背景应用到具体的

调制，加扰，编码，打孔方式，交织和帧结构的特点做剖析。

第三章，主要是介绍了基本均衡算法，包括传统的迭代算法

RLS,

以及

LMS

。

并从原理，公式的推导两个方面进行了分析。

第四章，介绍介绍了仿真链路，并对仿真链路的性能进行了分析。

第五章，总结全文的主要工作，对该课题的下一步研究做出展望。

8

第

2

章

MIL- STD-188-110C

系统波形方案

第

2

章

MIL- STD-188-110C

系统波形方案

在美军标

110C

中，采用最小

3 kHz

、最大

24kHz

、

3kHz

叠加的宽带信号，信

号根据实际速率的要求采用多种调制方法。本章重点研究单音道模式，下面做进

一步详细讨论。

2.1 110C

波形相关参数

110C

标准作为最新颁布的短波数据传输波形标准，

其共有

8

种带宽，

以

3kHz

为间隔从

3kHz

增加至
24kHz

，

数据速率最高可达

1 20kbps

。

下表列出了

110C

定义

的全部波形及其基本参数，包括数据速率和所用的调制方式。

表

2-1

短波宽带数据波形相关参数

波形编号

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Walsh

BPSK

BPSK

BPSK

BPSK

BPSK

QPSK

8PSK

16QAM

32QAM

64QAM

带宽（

kHz

）

3

75

150

300

600

1200

1600

3200

4800

6400

8000

9600

12000

16000

2400

6

150

300

600

1200

2400

3200

6400

9600

12800

16000

19200

24000

32000

9

300

600

1200

2400

-

4800

9600

14400

19200

24000

28800

36000

48000

12

300

600

1200

2400

4800

6400

15

300

600

1200

2400

4800

8000

18

600

1200

2400

4800

-

9600

19200

28800

38400

48000

57600

72000

90000

21

300

600

1200

2400

4800

9600

19200

28800

38400

48000

57600

76800

24

600

1200

2400

4800

9600

12800

25600

38400

51200

64000

76800

96000

12800

16000

19200

24000

25600

32000

32000

40000

38400

48000

48000

57600

64000

76800

11

128QAM

12

256QAM

13

QPSK

115200

120000

在

110C

中有跳频和固定频率两种模式，对于不同的模式有不同的波形特征，

下面表

2-2

和表

2-3
对于不同的波形进行了详细的枚举。

9

电子科技大学学士学位论文

表

2-2

跳频操作波形特征

信息速率

2400

1200

600

300

150

75

码率

2/3

1/2

1/2

1/4

1/8

1/16

信道速率

3600

2400

1200

1200

1200

1200

每个信道符号的

比特数

3

2

1

1

1

1

8

相位信

道符号

1

1

1

1

1

1

跳频模式

*

*

*

*

*

*

表

2-3

固定频率操作波形特征

信息速

率

4800

2400

1200

600

300

150

75

信道

速率

4800

4800

2400

1200

1200

1200

150

每个信道符

号比特数

3

3

2

1

1

1

2

每个信道符号

所包含的

8

相

位符号数

1

1

1

1

1

1

32

未知数据

符号数

32

32

20

20

20

20

All

已知数据

符号数

16

16

20

20

20

20

0

码率

无编码

1/2

1/2

1/2

1/4

1/8

1/2

2.2

编码

使用

F EC

编码器的数据传输速率应该是

2400bps

。

跳频和固定频率操作的

FEC
编码器的框图示于图

2-1

中。

跳频操作，应通过

FEC

编码器功能由速率

75

，

150
，和

300bps

的约束长度为

7

的卷积编码器的重复编码完成。

图上的两个求和节点表示模

2

加法运算。

对于输

入到编码器每一比特，须采取作为从编码器的上部输出位，

T1

（

x

）的两个被采取

比特中的第一个。对于

2400bps

速率，每个第四个位
T2

（

x

）的第二值应被省略交

织器输出端，以形成凿孔率

2/3

卷积率。在所有其它的速率上，卷积编码器的编码

率应该为

1/2

。输入数据速率为

2400

，

1200

，和

600bps

产生编码数据速率应该为

分别为

3600,2400,

和

1200bps

。对于

300

，

150

，和

75bps

的输入数据速率，应将编

码比特流通过重复输出适当数量的次数以使传输速率为

1200bps

。对于

Tl(x)

的位

10

第

2

章

MIL- STD-188-110C

系统波形方案

应该成对地进行重复而不仅仅是重复第一位，紧接着重复

T2(x)

的第二位。跳频操

作的纠错编码应根据表

2-4

。

表

2-4

跳频操作的差错校验编码

数据速率

2400bps

1200bps

600bps

300bps

150bps

75bps

有效编码率

2/3

1/2

1/2

1/4

1/8

1/16

获得码率的方法

2/3

删余卷积编码

1/2

编码

1/2

编码

1/2

编码重复两次

1/2

编码重复四次

1/2

编码重复八次

T

（

1

x
）

+

转换率

为输入

数率的

两倍

3

输出

X

6

X

5

X

4

X

X
2

X

1

+

T

（

2

x

）

图

2-1

FEC

编码流程图

约束长度

=

生成多项式：

对于

T

1

X

6

?

X

4

?

X

3

?

X

?

1

对于

T

2

X

6

?

X

5

?

X

4

?

X

3

?

1

 对于固定频率操作，

FEC

编码功能应该由一个编码率为

1/2

的卷积码在

150bps

和

300bps

上的重复编码完成。

这两个求和节点将作为跳频操作

;

即，对于每个比特

输入到编码器，

须采取两个比特作为从编码器的输出。

对于输入速率为

2400

，

,1200

和

600bps

的输入编码产生的输出速率应该分别是

4800,2400

和

1200bps

的编码输

出。对于

300

和

150bps

数据速率的输入，重复输出比特的对适当数量的次数以生

成一个

1200bps

的编码比特流。。对于

Tl(x)

的位应该成对地进行重复而不仅仅是

重复第一位，紧接着重复

T2(x)

的第二位。在速率为

75bps

时，使用不同的发送格

11

电子科技大学学士学位论文

式以及有效编码率的

1/2

以产生一个

150b ps

的编码流。固定频率操作的纠错编码

应根据表

2-5

。

表

2-5

固定频率操作的差错校验控制

数据速率

4800bps

2400bps

1200bps

600bps

300bps

150bps

75bps

有效编码率

(

无编码

)

1/2

1/2

1/2

1/4

1/8

1/2

获得码率的方法

（无编码）

码率为

1/2

1/2

编码

1/2

编码

1/2

编码重复两次

1/2

编码重复四次

码率为

1/2

c
、

4800bps

固定频率操作时，

FEC

编码应被忽略。

2.3

交织

2.2.1

交织写入

在使用交织器时，应是一个矩阵的块类型，对输入比特进行操作。对于所有

需要的数据速率，矩阵的大小应容纳块存储

0.0

，

0.6
，或

4.8s

的接收位（取决于是

否为零，短，或长交织设置选择）。由于位是以不同的顺序进行下载和接收的，

所以两个不一样的交织器是必须的。

为了保持在一恒定值的交织延迟，

块的大小缩放应由位速率决定。

表

2- 5

列出

分配给每个所需的比特率和交织延迟的交织矩阵尺寸（行和列）。

注意：对于

300bps

、

150bps

和

75bps

的跳频操作的恒定时间延迟所需的比特

数，和由于重复编码形成的

600bps

是相同的。对于固定频率操作，使用重复编码

的速率只有

300bps

和

150bps

。

应写入未知的数据位的交织器矩阵开始的零序列如下：

第一个比特被装入第

0

行，第二比特被装入第

9
行，第三比特被装入第

18

行，第四比特被装入第

27

行。

这样，位的行位置以
 9

被增长，以

40

为模。重复这样的操作，直到

40

行全部被

装入。然后装入到第一列，重复操作直到交织块被填满。此过程应当遵循长交织

设置和短交织设置。

12

第

2

章

MIL- STD-188-110C

系统波形方案

注意：对于

4800bps

的固定频率操作，不采用交织。

在

75

个基点仅对于固定频率操作，应适用下面的描述：

当交织器的设置是长的，程序相同，只是行数以

7

增长，以
20

为模。

当交织设置为短交织时，行数应以

7

增长，以

10

为模。如果选择短交织，且

短交织的交织时间设定为
0.0

秒，则不采用交织。

表

2-6

交织矩的维度

比特率

2400

1200

600

300

150

75H

75N

长交织

行数

40

40

40

40

40

40

20

列数

576

288

144

144

144

144

36

行数

40

40

40

40

40

40

10

短交织

列数

72

36

18

18

18

18

9
注意：

H=

跳频操作

N=

固定频率操作

2.2.2

交织获取

所有速率的读取的第一位应该是第

0

行的第

0

列的数据。每个连续读取的比

特的位置应由一个递增的行和递减

17

的列数（交织器矩阵中列数的模）决定。这

样，对于速率为

2400bps

采用长交织设置的数据，第二比特来自第

1

行第

559

列，

第三比特来自第

2

行第

542

列。此交织器读取数据将继续下去，直到行数达到最

大值。当行数达到最大值后，行数置为

0

，当行数为

0

时列数被置为比此时的值大

1

的数，重复操作直到交织数据块被卸载完。跳频的数据读取是一样的，固定频率

的数据读取过程如下：

对于固定频率操作，

2400 bps

速率的删余过程通过省略每四个比特的最后一位

来完成。

对于在

75bps

的固定频率操作，

交织器的数据读取过程类似，

只是列的数量的

增加应该以

7

为模而不是

17

。

从交织矩阵得到的比特应当以一个，两个，或三个被组合在一起，被作为信

道码元符号。从每个信道读取的符号数目应是比特速率的函数，在表

2-7

中给出。

表

2-7

每个信道符号的比特数

13

电子科技大学学士学位论文

数据速率（

bps

）

2400

1200

600

300

150

75H

75N

每个信道符号的比特数

3

2

1

1

1

1

2

注意：

H=

跳频操作

N=

固定频率操作

2.4

格雷编码

在

4800

和

2400bps

速率时，

信道比特应以

8psk

格雷编码的信道符号进行有效

的传输。对于

120 0

和

75bps

（固定频率），信道比特应以

QPSK

格雷编码的信道

符号进行有效的传输。

注意

:

从交织矩阵解码的目的是保证当接收解调器出现在涉及相邻相位的符号

错误时只有一个比特出错。

对于数据速率为

2400bps

和

4800bps

，

75bps

（固定频率）和

1200bp s

的信道符

号速率，格雷编码应该分别和表
2-8

和表

2-9

一致。当信道符号只包含一个比特时

（

600bps-150bps

和

75bps

（跳频操作））格雷编码不修改未知数据流。

表

2-8

在

2400

和

4800bps

的改进的格雷解码

输入比特值

第一比特

0

0

0

0

1

1

1

1

中间比特

0

0

1

1

0

0

1

1

最后比特

0

1

0

1

0

1

0

1

格雷编码值

000

001

011

010

111

110

100

101

表

2-9

7 5bps

固定频率和

1200bps

格雷编码

输入信息

14

格雷解码值

第

2

章

MIL- STD-188-110C

系统波形方案

第一位

0

0

1

1

最后一位

0

1

0

1

00

01

11

10

2.5

符号形成

符号形成的功能是将

1

比特、

2

比特或

3

比特数据映射为一个符号，

从格雷编

码序列或从同步前导码序列到三比特数据与使用

8psk

的调制方案的信道符号，它

们的传输应该兼容。数据的映射过程和前导码的传输分开讨论。

2.5.1

未知数据符号的形成

在所有的频率跳运转率和

75bps

以上的固定频率操作，每
 1

比特，

2

比特，或

3

比特的信道符号应直接映射到一个

3

比特的

8

进制的状态星座图中，
 如图

2-3

所

示。当

1

比特的信道符号被应用时（

600-150bp s

，以及

75bps

（跳频）），符号形

成的输出应是

3

比特数字

0

和

4

。对于数据速率为

1200bps

的数据，双位信道符号

的形成应该用

3

比特数字的

0

，

2

，

4

和

6

。对于数据速率为

48 00

和

2400bps

的数

据信号，所有的

3

比特数字（
0-7

）必须用于符号的形成。对于

75bps

固定固定频

率操作，信道符号由两个比特组成

4

进制格雷编码的信道码元映射组成。不像较

高的数据速率，没有已知的符号（信道探针）被发送，重复的编码不应使用。相

反，使用的
32

三比特数，应使用来表示每一个的

4
 进制信道符号。使用的映射关

系在表

2-10

中给出。所有的

32

比特集应遵循表

2-10a

的映射关系，其中应用短交

织的每个第

45

集（同步序列后面），以及应用长交织的每个第

360

集（在同步序

列后面）

除外，

以上两种例外的集应该应用表

2-10b

中的映射关系。

在任何情况下，

所得到的输出是每个可能的双比特的信息产生正交的四个波形之一。和之前一样，

这些值将被加扰后取所有

8

相位状态。

注意：所有由

32

比特组成的集。接收调制解调器使用已知的数据同步在交织

的界限没有一个序言数据以及确定正确的数据速率和运作模式。


15

电子科技大学学士学位论文

2.5.2

已知符号的形成

在发送已知的（前导序列）符号期间内，信道符号的形成输出应被设置为

0

（

000

），除非两个已知符号的发送在发送每一个新的交织数据块之前。对于短交

织，交织块长度应该为

1440

的

3

比特信道符号，对于长交织块长度应该为

11520

的

3

比特信道符号。在发送每一个新的交织数据块之前发送已知数据时，两个已

知数据的

16

个

3

比特的符号应该分别根据表

2-10

和表

2-11

被设置为

D1
 和

D2

。

两个已知序列根据表

2-10

重复两次而不是重复

4

次，

以产生一组

16

个

3

比特数字。

当已知数据被减少到

20

个

3

比特的符号时，剩余的

4

个未利用的

3

比特符号应该

被设置为

0

（

000

）。

注意：当选择

0

交织设置时，应使用

0.6s

时长的块序列。当选择

4800bps

操

作时，应该选择短交织的序列。

表

2-10

75bps

信道符号映射

信道符号

a

、正常设置的映射

00

01

10

11

b

、特殊设置的映射

00

01

10

11

（

0000 4444

）重复

4

次

（

0404 4040

）重复

4

次

（

0044 4400

）重复

4

次

（

0440 4004

）重复

4

次

3

比特数值

（

0000

）重复

8
 次

（

0404

）重复

8

次

（

0044

）重复

8

次

（

0440

）重复

8

次

2.5.3

同步前导序列

对于所有数据速率，用于同步的波形基本上是相同的。同步模式应该包含

3

个或

24

个时长为
 200ms

的段，

取决于应用的是

0

交织、

短交织还是长交织。

200 ms

数据段应包括

15

个

3

比特的信道符号。信道符号序列应该是

0

，

1

，

3

，

0

，

1
 ，

3

，

1

，

2

，

0

，

D1

，

D1

，

C1

，

C2

，

C3

，

0

。

D1

和

D2

的

3

比特的值应指定发送调制解调器的比特率和交织设置。表

2-11

给出了这些值的赋值。


注意：

D1

，

D2

组合的

5,6
和

5,7

保留用于特定的应用程序。

16

第

2

章

MIL- STD-188-110C

系统波形方案

如果接收解调器接收到它不产生的

D1

和
 D2

组合，则它不进行同步而应该继

续寻找同步。

注意：短交织器可以选择

0

或

0.6s

，一般来说选择

0 .6s

。如果选择了

0s

的短

交织，应该在发送数据之前与远处的终端完成协调。

0.0

秒和

0.6

秒交织器的发射

器和接收器之间进行选择的自动功能是一个设计目标。

三个计数符号

C1

，

C2
，和

C3

应代表

200ms

段的数目

,

对于零交织和短交织，

计数符号设置从

2

开始计数；对于长交织的情况，从

23

开始计数。每一种情况下

的记数应该从设置的数开始往下记数，

直到每段记数为

0

。

这些值应该被解读为一

个

6

比特的数字（

C1

，

C2

，

C3

），其中

C1

包含两个最重要的位。

C
 （

C1

，

C2
 ，

C3

）的两个比特应该转换成一个
3

比特的值。在两个比特值之前加一个

“1”

，这样

这个

1

就变成了最重要的位。这个转换将会在表

2-12

中演示。
 

注意：记数

23

的转换在

C1

，

C2

和

C3

中应该分别包含

5,5,7

三个数字。

表

2-11

诊断信号

D1

和

D2
 的分配

短交织

D1

4800

2400

（数字语音）

2400

（数据）

1200

600

300

150

75

7

7

6

6

6

6

7

7

D2

6

7

4

5

6

7

4

5

D1

保留

保留

4

4

4

4

5

5

长交织

D2

保留

保留

4

5

6

7

4

5

比特速率

表

2-12

2

比特数值到

3

比特数值的转换

两比特值

00

10

01

11

三比特值

4

（

100

）

5

（

101

）

6

（

110

）

7

（

111

）

2.5.3.1

同步前导序列的产生

17

电子科技大学学士学位论文

同步前导序列应该是一组信道符号序列，每个信道包含符号

3

比特。这些信

道符号应该根据表

2.10

映射为一个

32

个

3

比特的数字。

注意：当两个已知符号序列在每一个新的交织块前传输，在表

2-13

中的序列

应该被重复两次而不是四次来获得

16

个

3

比特数字的

8psk

符号。

表

2-13

同步前导序列信道符号的映射

信道符号

000

001

010

011

100

101

110

111

3

比特数值

0000 0000

重复

4

次

0404 0404

重复

4

次

0044 0044

重复

4

次

0440 0440

重复

4

次

0000 4444

重复

4

次

0404 4040

重复

4

次

0044 4400

重复

4

次

0440 4004

重复

4

次

2.6

加扰

3

比特的信道符号，

先与随机序列发生器产生的随机序列进行加扰后，

在进行

模

8
加扰。

2.6.1

随机序列发生器

随机化的数据序列发生器应是一个

12

位的移位寄存器，图

2-2

示出功能配置

框图。数据阶段开始时，该移位寄存器应加载与初始图案显示在图

2-2

中

（

1

（二进制）或

BAD

（十六进制））和提高的八倍。如图所示，将

所得的

3

位，应被用来提供用从

0

到

7

的数字的加扰。该移位寄存器应移位

8

次，

每次需要一个新的
 3

比特数据（每个发送符号周期）。在发送

160

个符号后，在

8

次移位之前移位寄存器应该被重置为

BAD

（十六进制）。

注意：此序列产生周期性的序列，长度为

160

个发射符号。

18

第

2

章

MIL- STD-188-110C

系统波形方案

Middle

MSB

Bit

LSB

+

1

0

1

1

1

0

+

1

0

+

1

1

0

1

图

2-2

随机移位寄存器功能框图

注意：

1

、显示初始设置

2

、在输出之间移

8

位

2.7 PSK

调制



a

、

8

相位的调制过程，应该通过给

3

比特数字分配以

45

度为增益的

1800Hz

的正弦波来完成。这样，

0

（

000

）对应于

0

度，

1

（

001

）对应于

4 5

度，

2

（

0 10

）

对应于

90
度，等等。图

2-3

示出分配方案和图案的输出波的形成。

注意：由于传输信道的码元持续时间小于
1800Hz

的一个载波周期，必须对波

形控制的

sin

和

cos

组成进行滤波以防止严重的混叠。

b

、

1800Hz

载波产生的误差应该控制在正负

1Hz

以内。

90i

135i

3

（

011

）

2

（

010

）

45i

1

（

001

）

4

（

100

）

180i

0

（

000

）

0 i

7

（

111

）

5

（

101

）

225i

6

（

110

）

270i

315i

图

2-3

星座图

19

电子科技大学学士学位论文

2.8

性能测试要求

利用固定频率操作和最大交织周期的串行（单音道）模式的测量性能应该和

表

2-14

中编码

BER

性能一样或更好。性能验证测试应该利用在

Watterson

模型之

后通过基带

HF

模拟器。在表

2-14

中给出多径传播模型的值和衰落（两个标准差）

带宽

（

Bandwith,BW

）

值，

应该由两个独立且有相等平均功率的瑞利衰落信道组成。

对于跳频操作，信噪比（

Signal- to-Noise Ratio

，

SNR

）值应该附加一个

2dB

的值。

表

2-14

串行（单音道）模式最小性能要求

用户数据速率

4800

4800

2400

2400

2400

2400

1200

600

300

150

75

信道路径

一条固定路径

两条衰落信道

一条固定路径

两条衰落信道

两条衰落信道

两条衰落信道

两条衰落信道

两条衰落信道

两条衰落信道

两条衰落信道

两条衰落信道

多径时延

（

ms

）

-

2

-

2

2

5

2

2

5

5

5

多普勒扩展
 （

Hz

）

-

0.5

-

1

5

1

1

1

5

5

5

SNR(dB)

17

27

10

18

30

30

11

7

7

5

2

误码率

1.0E-3

1.0E-3

1.0E-5

1.0E-5

1.0E-3

1.0E-5

1.0E-5

1.0E-5

1.0E-5

1.0E-5

1.0E-5

注意：信号和噪声功率在

3kHz

带宽内测量

当测试一个嵌入无线电的调制解调器时，使唯一的无线电频率（

Radio

Frequency

，

RF

）信号是可用于测试，

RF

信号下变频到基带，用于信道模拟器的

处理，结果上变频到

RF

用于接收机。在这种情况下，内置的无线过滤器会影响调

制解调器的性能。因此，当测试嵌入式调制解调器，表

2-14

指定的

SNR

值中应增

加

1

分贝。

2.9

本章小结

本章主要介绍了

11OC

中相关波形，

详细研究了美国军用通信标准

110C

串行

单音道模式中的各项关键技术和标准。针对信号的编码，交织，加扰以及调制进

行了分析，为接下来链路的搭建以及分析打下了良好的基础。

20

第

3

章

均衡技术的研究

第

3

章

均衡技术的研究

在移动通信过程中，当数据在具有多径效应，频偏等现象的信道上传输时，

会产生一定的信道失真，接收到的符号之间会出现相互干扰，从而产生码间干扰

（

ISI

），使得通信质量的下降或者通信失败。

均衡技术的提出就是为了尽量减少或消除这种码间干扰，它定义是指对信道

特性做均衡，也就是使得接收端的均衡器产生的响应与信道响应刚好相反，就可

以补偿信道因为时变多径传播特性而引起的码间干扰

[

8

]

。而早期的信息传输速率

较慢，信道环境简单，变化比较固定，只需要采取较为简单的均衡技术。对于当

今高速无线通信系统来说，信道又环境非常复杂，就面临着如何降低码间干扰的

问题。其中一种抑制这种码间干扰的技术是

正交频分复用（

Orthogonal Frequency

Division Multiplex

，

OFDM

）技术，

OFDM

技术中有

CP
的加入可以有效的抵抗

多径效应，

从而很好的抑制了多径带来的

ISI

，

但

OFDM

技术自身存在很多缺陷，

比如较高的峰值平均功率比

(Peak to Average Power Ratio

，

PAPR)

和对时间，频率

同步精确度要求很高，从而产生了另外一种不依赖

OFDM

链路的抑制

ISI

技术

就是均衡技术，其中发展的最好的技术就是

Turbo

均衡。

3.1

均衡的基本原理

在基带系统中插入一种可调或不可调的滤波器，

用来减小码间干扰的影响，

这

种对系统传递函数的幅频和相频起补偿作用的滤波器通称为均衡器

[

10

]

。

如果补偿

是在时域进行的，则称为时域均衡器；如果补偿是在频域进行的，则称为频域均

衡器。时域均衡器着眼于抽样点上信号时域波形的补偿，而频域均衡器着眼于信

号频域波形的补偿。

3.2

均衡器的结构和种类

均衡器按照结构可以分为两大类：线性和非线性均衡器。这些种类是由自适

应均衡器的输出接下来如何控制均衡器来划分的。判决器的输出序列有没有用在

反馈路径中来调整均衡器的输出是其划分的主要依据。如果判决器的输出用来调

整均衡器的输出那么均衡器就是非线性的，否则认为是线性的。滤波器有多种结

21

电子科技大学学士学位论文

构，每种结构中又可以应用多种算法，所以均衡器根据不同的分类标准也会有许

多种

[

10

]

。其具体分类如图

3.1

所示。

均衡器

均衡器
 线性

线性

非线性

非线性

判决反馈

判决反馈

均衡器

均衡器

最大似然

最大似然

符号检测

符号检测

最大似然

最大似然

估计

估计

类

类

型

型

横向滤

横向滤

波器

波器

迫零

迫零

LMS

LMS

RLS

RLS

快速

快速

RLS

RLS

均方跟

均方跟

RLS

RLS

格型滤

格型滤
 波器

波器

横向滤

横向滤

波器

波器

LMS

LMS

RLS

RLS

快速
快速

RLS

RLS

均方根

均方根

RLS

RLS

格型滤

格型滤

波器

波器
 信道估计的横向滤

信道估计的横向滤

波器

波器

结构

结构

梯度

梯度

RLS

RLS

梯度

梯度

RLS

RLS

LMS

LMS

RLS

RLS

快速

快速

RLS

RLS

均方根

均方根

RLS
 RLS

算法

算法

图

3-1

均衡器的分类

3.3

自适应均衡

 均衡器去掉码间干扰的影响

,

通过滤波器或其他技术来重建原始信号

,

提高数

据传输的可靠性。由于无线信道通常是多径信道

,

在这种信道中
 ,

原始信号的延迟信

号进入信道

,

并在信道的输出端与原始信号进行叠加

,
利用自适应均衡技术消除无

线移动信道的码间干扰上

,

可用来有效地克服由于码间干扰引起的信号失真

动信道是时变的

,

传播环境中障碍物的移动

,

都会造成信道随时间而变化。

自适应均衡技术属于自适应滤波技术的一种

,

按结构划分主要的均衡器有以下

3

类

:

最大似然序列估值器、判决反馈均衡和线性均衡器。常用的均衡器为判决反

馈均衡器和最大似然序列估值器

,

线性均衡器的性能较差一般不常用。宽带无线通

信系统的主要缺陷在于由于信道多径效应的障碍使目前的通信系统不能提供高速
 22

[

11

]

。移

第

3
 章

均衡技术的研究

数据率

,

它们都属于非线性均衡器的范畴，不能满足因特网、多媒体等应用场合的

需求。

在未来的通信领域

,

自适应均衡技术也获得了广泛的研究和采纳

,

被认为是

4G

系统最有可能采用的克服码间干扰的方案。

3.3.1

自适应均衡基本原理

由于短波信道具有时变性以及具有高度的不确定性，这对均衡器提出了更高
 的要求，使得均衡器必须能实时地跟踪到移动信道变化，通过这些变化来重新设

置均衡器参数，这就是自适应均衡器。在无线短波信道中，已有多种多样的自适

应均衡器来尽量减小或者消除码间干扰。常见的自适应均衡器一般包含两种工作

方式，即训练模式和跟踪模式

[

9

]

。训练模式是指，发射机先发射一个已知的的训

练序列，然后在收端接收到这些经过信道后的这种训练序列，基于在这种序列身

上发生的变化，使用某些方法来估算信道的冲击响应值，以便接收机处的均衡器

来及时的调整自身的参数设置。最为典型的结构是一串预先制定的数据位或者一

串二进制伪随机序列的训练序列之后紧跟着被传输的是用户数据，就可以保证数

据接收的正确性。接收端的均衡器在一个递归算法的基础上评估的信道特性，校

正滤波器系数来补偿通道。在需要做的，即使在最坏的信道条件的训练序列的设

计，通过这个序列的均衡，也获得正确的滤波器系数。滤波器系数被均衡器不断

跟踪并及时调整，所以，在收到完整的训练序列后，均衡滤波器系数慢慢会接近

最佳值。自适应均衡器不断调整滤波参数致使收敛，这整个过程的时间消耗量是

一个基于均衡算法复杂度，算法结构和多径变化的函数。而为了能一直有效的消

除干扰，均衡器需要不间断的，周期性地作重复训练。自适应均衡器应用广泛，

例如被大量地用于数字通信系统中，比如均衡器特别适合应用在时分多址

(Time

Division Multiple Access ,TDMA)
 无线通信系统中，因为

TDMA

系统把数据分段，

在若干时间段中传送数据。均衡器算法通常应用于接收端的基带或中频部分。因

为基带信号的包络的一般以复数的形式表达，可以比较方便的描述带通信号波形，

而高频部分只有模拟量，是实数，不好做处理。所以通常也会在基带或者中频仿

真和实现信道冲击响应特征，调制解调信号特征以及自适应均衡器算法。

23

电子科技大学学士学位论文

3.3.2

经典的自适应均衡算法

3.3.2.1

最小均方误差算法



输入信号

y

k

z

?

1

y

k

?

1

z

?

1

f

y

k

?

2

y

k
 ?

N

...

z
 ?

1

f

f

0

k

f

1

k

2

k

Nk

.. .

?

-

修正每一个加权系数的自适应算法

误差

e

k

?

+

设置为

d

k

或已知的

发送序列

x
 k

图

3-2

自适应均衡器的基本结构

定义均衡器的输入信号为向量

y

k

，

y

k

?

?
 y

k

量为

f
k

?

?

f

1

k

y

k

?

1

y

k

?

2

...

y

k

?

N

?

，

权系数向

T

f

2

k

f

3

k

...

f

Nk

?

，均衡器的输出为：

?

?

d

?

f

nk

y

k

?

n

k

n

?

0

N

N

(3-1)

?

?

d

?

f

nk

y

k

?

n

k
 n

?

0

N

(3-2)

?

?

d

?

f

nk
 y

k

?

n

k

n

?

0

(3-3)

用向量可以表示为：

?

?

y

T
 f

?

f

T

y

d

k

k

k

k

k

假设

d

k

?

x

k

，则误差信号

e

k

可以表示为

24

(3-4)

第

3

章

均衡技术的研究

 ?

?

x

?

d

?

e

k

?

d

k

?

d

k

k

k

将式

(3-2)

带入式

(3-3)

可得：

(3-5)

T
e

k

?

x

k

?

y

k

f

k

?

x

k

?

f

k

T

y

k

(3-6)

为了计算最小均方误差

e

k

，将式

(3-4)
 带入可得：

2

T

T

e

k
 ?

x

k

?

f

k

T

y

k

y

k

f

k

?

2

x

k

y

k

f

k

2

2

(3-7)

?

k

的均值为

求

e

2

2

T

T

?

?

?

E

?

e

k

?

?
 E

?

x

k

?

f

k

T

E

?

y

k

y

k

f

k

?

2

E

?

x

k

y

k

?
 ?

?

?

?

?

f

k

?

?

2

(3- 8)

假定滤波器的权值

f

k

已经收敛到最佳值，不再随时间变化，故没有将权值包

含在时间平均中。

设互相关矢量

p
和输入相关矩阵

R

为：

P

?

E

?

x

k

y

k

?

?

E

?

x

k

y
 k

2

?

y

k

?

*

?

y

k

?

1

y

k

?

R

?

E

?

y

y

?

E

?

k
 k

?

?

...
 ?

?

?

y

k

?

N

y

k

x

k

y

k

?

1

x

k

y

k

?

1

...

x

k

y

k

?

N

?
 

y

k

y

k

?

1

2

y

k

?

1

...

(3-9)

y
k

y

k

?

2

y

k

?

1

y

k

?

2

...

y

k

?

N

y

k

?

2

y

k

?

N

y

k
?

1

y

k

y

k

?

N

?

?

...

y

k

?

1

y

k

?

N

?

?

...

. ..

?

...

y

k

2

?

N

?

?

...

(3-10)

将式

(3-7)

、

(3-8 )

带入式

(3-6)

得：

均方误差


2

T

?

MSE

?

?

?

?

E

?

?

x
k

?

?

?

f

Rf

?

2

P

T

f

(3-11)

对

f
 k

求最小，就能得到它的最佳值。为确定最小的

MSE( MMSE)

，可以利用

上式的梯度，只要

R

是非奇异矩阵，当

f

k

的取值使梯度为

0

，则

M SE

最小，

?

的

梯度可以定义为：

T

?

?

?

?

?

?

?

?
?

?

f

?

?

f

0

?

?

?

f

1

?

?

?

...

?

?

f

N

?

(3-12)

将式

(3-9)

带入式

(3-10)

可得：

?

?

2Rf

?

2

P

(3-13)

令

?

?

0

，则

MMSE

对应得到的
 f

k

最佳权值为

?

?

R

?

1

P

f

将上式带入

(3-9)

可得最小均方误差为：

25

(3-14)

-

-

-

-

-

-

-

-

本文更新与2021-02-08 02:37，由作者提供，不代表本网站立场，转载请注明出处：https://www.bjmy2z.cn/gaokao/611469.html

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