本發(fā)明涉及自適應(yīng)判決反饋信號(hào)處理技術(shù)領(lǐng)域,具體涉及一種基于星座限制的自適應(yīng)判決反饋濾波系統(tǒng),還涉及一種基于星座限制的自適應(yīng)判決反饋濾波方法,該方法可應(yīng)用于通信領(lǐng)域的自動(dòng)均衡、回波消除、天線陣波束形成。
背景技術(shù):
判決反饋(decisionfeedback,df)是一種傳統(tǒng)的濾波算法,該算法利用最小均方誤差(minimummeansquareerror,mmse)有效地減少信道間干擾,從而降低發(fā)送信號(hào)與接收信號(hào)之間的誤差,該誤差越小,我們稱該傳輸信號(hào)的可靠性越高。然而當(dāng)信道不斷變化時(shí),df算法在每一次信號(hào)傳輸過程中都要更正濾波器向量,并且需要追蹤信道數(shù)據(jù)信息,這個(gè)過程大幅度增加了計(jì)算復(fù)雜度,使算法很難在實(shí)際中使用。
為了降低計(jì)算復(fù)雜度,國(guó)內(nèi)外研究人員設(shè)計(jì)了自適應(yīng)濾波算法。它可以有效的解決傳統(tǒng)濾波算法中計(jì)算復(fù)雜度高的問題。如近年來(lái)開發(fā)的自適應(yīng)判決反饋(adaptivedecisionfeedback,adf)算法與傳統(tǒng)df算法相比,降低了計(jì)算復(fù)雜度,使算法在實(shí)際中可行。然而利用adf算法得到的信號(hào)的可靠性遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的df算法。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足,提供了一種基于星座限制的自適應(yīng)判決反饋濾波系統(tǒng)及方法,在維持低計(jì)算復(fù)雜度的同時(shí),提升信號(hào)檢測(cè)的成功概率,解決了現(xiàn)有技術(shù)中adf算法的信號(hào)可靠性低的問題。
為解決上述技術(shù)問題,本發(fā)明提供了基于星座限制的自適應(yīng)判決反饋濾波系統(tǒng),自適應(yīng)判決反饋系統(tǒng)包括濾波器模塊和參數(shù)更新模塊,濾波器模塊對(duì)當(dāng)前輸入信號(hào)r[i]進(jìn)行濾波均衡,得到估算信號(hào)uk[i];其特征是,還包括可靠性判定模塊和反饋信號(hào)糾錯(cuò)模塊;
可靠性判定模塊,用于對(duì)濾波器模塊輸出的估算信號(hào)uk[i]進(jìn)行可靠性判定;若判定結(jié)果為可靠,則星座圖a上距離估計(jì)信號(hào)uk[i]最近的星座點(diǎn)為最終的檢測(cè)信號(hào)
反饋信號(hào)糾錯(cuò)模塊,包括備選反饋信號(hào)生成器和最佳反饋信號(hào)選擇器,備選反饋信號(hào)生成器中生成一組由星座圖a中各星座點(diǎn)組成的備選信號(hào),最佳反饋信號(hào)選擇器計(jì)算每組備選信號(hào)通過信道傳輸?shù)玫降妮敵鲂盘?hào),選取該組備選信號(hào)對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)中與信號(hào)r[i]最接近的星座點(diǎn)作為最優(yōu)候選點(diǎn),此最優(yōu)候選點(diǎn)為最終的檢測(cè)信號(hào)
參數(shù)更新模塊,用于依據(jù)獲取的檢測(cè)信號(hào)
進(jìn)一步的,可靠性判定模塊對(duì)估算信號(hào)uk[i]進(jìn)行可靠性判定的過程為,若信號(hào)uk[i]滿足以下公式時(shí),此時(shí)稱信號(hào)為不可靠信號(hào),反之為可靠信號(hào);
(1)d>dth,此時(shí)
(2)
re(·)代表向量的實(shí)部,im(·)代表向量的虛部,d代表信號(hào)uk[i]與星座向量a中距離uk[i]最近的星座點(diǎn)的歐氏距離,且
進(jìn)一步的,最佳反饋信號(hào)選擇器從備選信號(hào)中獲取最優(yōu)候選點(diǎn)copt的具體過程為:
首先定義判決檢測(cè)向量
其中
則可以得出
已知:
重復(fù)以上步驟,可以依次得到
根據(jù)該最優(yōu)信號(hào)獲得的
則最終的檢測(cè)信號(hào)為:
相應(yīng)的,本發(fā)明還提供了基于星座限制的自適應(yīng)判決反饋濾波方法,方法包括以下步驟:
步驟s1,首先對(duì)接收信號(hào)r[i]采用adf算法進(jìn)行濾波,得到估算信號(hào)uk[i];
步驟s2,利用星座限制判決信號(hào)uk[i]是否為可靠信號(hào),規(guī)定若信號(hào)uk[i]滿足以下公式時(shí),此時(shí)稱信號(hào)為不可靠信號(hào),反之為可靠信號(hào);
(1)d>dth,此時(shí)
(2)
re(·)代表向量的實(shí)部,im(·)代表向量的虛部,d代表信號(hào)uk[i]與星座向量a中距離uk[i]最近的星座點(diǎn)的歐氏距離,且
步驟s3,若信號(hào)可靠,則星座圖a上距離估計(jì)信號(hào)uk[i]最近的星座點(diǎn)為最終的檢測(cè)信號(hào)
若信號(hào)不可靠,首先生成一組備選向量l={c1,c2,…,cm,…,cm}∈a,然后計(jì)算每組備選信號(hào)通過信道傳輸?shù)玫降妮敵鲂盘?hào),選取其對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)與信號(hào)r[i]最接近的星座點(diǎn)作為最優(yōu)候選點(diǎn)copt,則最終的檢測(cè)信號(hào)為:
步驟s4,基于以上獲得的檢測(cè)信號(hào)
進(jìn)一步的,步驟s3中,從候選向量l中獲取最優(yōu)候選點(diǎn)copt的具體過程為:
首先定義判決檢測(cè)向量
其中
則可以得出
已知:
重復(fù)以上步驟,可以依次得到
根據(jù)該最優(yōu)信號(hào)獲得的
則最終的檢測(cè)信號(hào)為:
進(jìn)一步的,步驟s4中,參數(shù)ξk[i]的更新公式為:
進(jìn)一步的,最優(yōu)濾波矩陣為:
與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明所達(dá)到的有益效果是:本發(fā)明維持低計(jì)算復(fù)雜度的同時(shí)提升自適應(yīng)判決反饋信號(hào)處理器的可靠性。
附圖說(shuō)明
圖1為本發(fā)明系統(tǒng)的框架圖;
圖2是本發(fā)明方法的流程圖;
圖3為以mimo為例的adfcc方法的原理框圖;
圖4為bpsk信號(hào)調(diào)制信號(hào)概率分布圖;
圖5為星座限制判定圖;
圖6為星座限制模塊中選擇算法流程圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。以下實(shí)施例僅用于更加清楚地說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案,而不能以此來(lái)限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
如圖1所示,本發(fā)明的基于星座限制的自適應(yīng)判決反饋濾波系統(tǒng),還包括可靠性判定模塊3和反饋信號(hào)糾錯(cuò)模塊4,已知自適應(yīng)判決反饋系統(tǒng)包括濾波器模塊和參數(shù)更新模塊5,濾波器模塊包括前向?yàn)V波器1和反向?yàn)V波器2,濾波器模塊對(duì)當(dāng)前輸入信號(hào)r[i]進(jìn)行濾波均衡,得到估算信號(hào)uk[i];
可靠性判定模塊3,用于對(duì)濾波器模塊輸出的估算信號(hào)uk[i]進(jìn)行可靠性判定;若判定結(jié)果為可靠,則星座圖a上距離估計(jì)信號(hào)uk[i]最近的星座點(diǎn)為最終的檢測(cè)信號(hào)
反饋信號(hào)糾錯(cuò)模塊4,包括備選反饋信號(hào)生成器6和最佳反饋信號(hào)選擇器7,備選反饋信號(hào)生成器6生成一組由星座圖a中各星座點(diǎn)組成的備選信號(hào),最佳反饋信號(hào)選擇器7計(jì)算每組備選信號(hào)通過信道傳輸?shù)玫降妮敵鲂盘?hào),選取該組備選信號(hào)對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)中與信號(hào)r[i]最接近的星座點(diǎn)作為最優(yōu)候選點(diǎn),此最優(yōu)候選點(diǎn)為最終的檢測(cè)信號(hào)
參數(shù)更新模塊5,用于依據(jù)獲取的檢測(cè)信號(hào)
本發(fā)明系統(tǒng),在現(xiàn)有的adf系統(tǒng)中增加對(duì)估算信號(hào)的可靠性判定以及對(duì)不可靠信號(hào)的糾錯(cuò)修正功能,從而獲得更準(zhǔn)確的自適應(yīng)濾波矩陣來(lái)達(dá)到提高信號(hào)可靠性的目的。本發(fā)明系統(tǒng)應(yīng)用廣泛,可運(yùn)用到任何使用到判決反饋過程的系統(tǒng)中,如通信領(lǐng)域的自動(dòng)均衡、回波消除、天線陣波束形成等等。
相應(yīng)的,本發(fā)明的基于星座限制的自適應(yīng)判決反饋濾波方法(adaptivedecisionfeedbackdetectionwithconstellationconstraints,簡(jiǎn)稱adfcc),如圖2所示,應(yīng)用廣泛,可運(yùn)用到任何使用到判決反饋過程的系統(tǒng)中,如通信領(lǐng)域的自動(dòng)均衡、回波消除、天線陣波束形成等等。本次發(fā)明實(shí)施例中,為了方便理解會(huì)以一個(gè)mimo系統(tǒng)為例進(jìn)行說(shuō)明,其過程為:
首先我們考慮一個(gè)由nt根傳輸天線和nr根接收天線組成的空間多路mimo系統(tǒng),并且nt≤nr。在發(fā)射端,每發(fā)射一個(gè)信號(hào),系統(tǒng)就會(huì)傳輸nt個(gè)符號(hào),生成一組nt×1的傳輸信號(hào)向量
r[i]=h[i]s[i]+v[i];(1)
其中v[i]代表nr×1的高斯噪聲向量,它的協(xié)方差矩陣e[v[i]vh[i]]=σv2i,e[·]代表數(shù)學(xué)期望,(·)h代表厄米共軛操作,σv是噪聲能量,i是單位矩陣。s[i]是均值為0的向量,其協(xié)方差為e[s[i]sh[i]]=σs2i,σs是信號(hào)能量。矩陣h[i]是nr×nt的高斯信道矩陣。
為了提高接收信息的可靠性,首先利用自適應(yīng)判決反饋(adaptivedecisionfeedback,adf)算法消除信道和噪聲對(duì)信號(hào)的影響。具體過程如下:
由nr條接收天線接收的接收信號(hào)r[i],經(jīng)過adf檢測(cè)之后,會(huì)變成nt個(gè)檢測(cè)信號(hào)
設(shè)檢測(cè)的信號(hào)向量為
(·)h代表厄米共軛操作,由圖3可知,負(fù)反饋濾波器ωb,k[i]和最終檢測(cè)信號(hào)
同理,可以將輸入關(guān)聯(lián)起來(lái),定義為
綜上,公式(2)可以改寫為:
從公式(5)可以看出,要得到最優(yōu)估計(jì)信號(hào)就是要得到最優(yōu)濾波矩陣
首先定義
λ為遺忘因子,kk[i]是利用rls算法得到的變化的系數(shù),qk[i],
最終得到的最優(yōu)濾波矩陣為:
但是由于信道的復(fù)雜多變和噪聲的不確定性,經(jīng)過adf檢測(cè)器中得到輸出信號(hào)uk[i]的信號(hào)可靠性有時(shí)并不能達(dá)到實(shí)際要求,即得到的自適應(yīng)濾波器并不是真正意義上的最優(yōu)濾波器。為了進(jìn)一步提高信號(hào)檢測(cè)的可靠性,本發(fā)明所提出的基于星座限制的自適應(yīng)判決反饋濾波方法將通過對(duì)不可靠的信號(hào)uk[i]進(jìn)行糾錯(cuò)修正,以便計(jì)算更精確的自適應(yīng)參數(shù)ξk[i],從而獲得更可靠的低復(fù)雜度自適判決反饋信號(hào)處理裝置。
因?yàn)橐唤M信號(hào)集可以用信號(hào)空間的一組矢量來(lái)表示,相應(yīng)的矢量集稱為星座點(diǎn),所以傳輸信號(hào)可以用來(lái)自星座a={a1,a2,…,ac}里的元素表示,相應(yīng)的,所得到的檢測(cè)信號(hào)也可以用星座a上的點(diǎn)表示。c代表星座點(diǎn)的數(shù)量,c的值根據(jù)所用調(diào)制方法決定。根據(jù)文獻(xiàn)j.g.proakis,digitalcommunications[m],newyork:mcgraw-hill,1995,通信系統(tǒng)的性能分析要求計(jì)算系統(tǒng)的錯(cuò)誤概率,在許多情況下,錯(cuò)誤概率以一個(gè)隨機(jī)變量超過某個(gè)值的概率,即p(x>α)。我們稱概率p(x>α)為尾部概率,即我們可以用尾部概率來(lái)表示信號(hào)出錯(cuò)的概率。圖4為二進(jìn)制相移鍵控(binaryphaseshiftkeying,bpsk)調(diào)制信號(hào)概率分布情況。由圖4所示,這兩個(gè)信號(hào)的尾部概率分別為p1(x<μ-ε或x>μ+ε)和p2(x>-μ+ε或x<-μ-ε),x為圖中坐標(biāo)系的橫軸,±μ為bpsk星座圖上的元素,ε為一個(gè)適量的正數(shù)。則我們可以稱當(dāng)信號(hào)落入x<μ-ε或x>μ+ε或x>-μ+ε或x<-μ-ε這些區(qū)域時(shí),信號(hào)為不可靠信號(hào)。
在此基礎(chǔ)上,本發(fā)明提出一個(gè)星座限制判別模型用來(lái)判斷本次發(fā)明的信號(hào)可靠性判斷方法,也是可靠性判定模塊3的具體處理過程,這個(gè)判決模型由圖5所示,在此實(shí)例中,所采用的調(diào)制方法為正交相移鍵控(quadraturephaseshiftkeyin,qpsk),所以此時(shí)c=4。圖中橫坐標(biāo)i是實(shí)坐標(biāo),縱坐標(biāo)q是虛坐標(biāo),a1,a2,…,a4是星座點(diǎn)。
本發(fā)明的可靠性判定模塊利用星座限制模塊對(duì)經(jīng)過adf檢測(cè)器后得到的信號(hào)uk[i]進(jìn)行一次判決,判斷該信號(hào)是否為可靠信號(hào)。由以上描述可知,當(dāng)檢測(cè)信號(hào)與星座圖上某兩個(gè)元素的距離相近時(shí),檢測(cè)信號(hào)為不可靠信號(hào)。所以規(guī)定若信號(hào)uk[i]落在如5圖所示的陰影區(qū)域,即滿足公式(11)公式(12)時(shí),此時(shí)稱信號(hào)為不可靠信號(hào),反之為可靠信號(hào),即
(1)d>dth,此時(shí)
(2)
re(·)代表向量的實(shí)部,im(·)代表向量的虛部,d代表信號(hào)uk[i]與星座向量a中距離uk[i]最近的星座點(diǎn)的歐氏距離,且
也就是說(shuō)可靠性判定的具體過程為,首先根據(jù)傳輸信號(hào)功率與噪聲功率的比值以及信號(hào)調(diào)制方法,確定劃分星座圖中不可靠星座點(diǎn)區(qū)域(即陰影區(qū)域)的參數(shù)取值(dth);然后,根據(jù)該陰影區(qū)域參數(shù)取值,在信號(hào)星座圖中劃出完整的陰影區(qū)域;最后,根據(jù)uk[i]與星座圖中各信號(hào)點(diǎn)間的歐氏距離以及陰影區(qū)域的范圍,判定前向?yàn)V波器的輸出信號(hào)是否是可靠的,即判定該輸出信號(hào)是否落入星座圖的陰影區(qū)域。
然后針對(duì)判決結(jié)果進(jìn)行以下操作:
(1)若信號(hào)可靠。根據(jù)文獻(xiàn)digitalcommunications[m]中關(guān)于星座點(diǎn)的定義,則星座圖a上距離估計(jì)信號(hào)uk[i]最近的星座點(diǎn)為最終的檢測(cè)信號(hào)
(2)若信號(hào)不可靠。利用反饋信號(hào)糾錯(cuò)模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行糾錯(cuò)修正處理。首利用備選反饋信號(hào)生成器先生成一組備選向量l={c1,c2,…,cm,…,cm}∈a,檢測(cè)信號(hào)也可以用星座a上的點(diǎn)表示。cm是l中的第m個(gè)元素,且1≤m≤m。m為l中元素的個(gè)數(shù),一般來(lái)說(shuō),m=c,也可以根據(jù)計(jì)算復(fù)雜度的要求適量減少,在本發(fā)明實(shí)施例中m=4。
然后利用最佳反饋信號(hào)選擇器從備選向量中選擇最優(yōu)候選點(diǎn),從候選向量l中獲取最優(yōu)候選點(diǎn)copt的具體實(shí)施過程如圖6所示,包括以下過程。
為了得到最優(yōu)候選點(diǎn),首先定義判決檢測(cè)向量
其中
結(jié)合公式(4),則可以得出
則根據(jù)公式(5)可得,待確定判決檢測(cè)向量為:
重復(fù)公式(15),(16),可以依次得到
至此,得到了m個(gè)判決檢測(cè)向量bl,通過最大似然(maximumlikelihood,ml)法求出最優(yōu)候選點(diǎn)下標(biāo)。ml為現(xiàn)有方法,參考文獻(xiàn)choys,kimj,yangwy,etal.mimo-ofdmwirelesscommunicationswithmatlab[m].wileypublishing,2010。則最優(yōu)候選點(diǎn)下標(biāo)為:
公式(17)表示把令
則最終的檢測(cè)信號(hào)為:
通過星座限制模塊中的選擇算法選擇出最優(yōu)的星座候選點(diǎn)copt,即最佳信號(hào)代替不可靠信號(hào)uk[i],成為新的估算信號(hào)
為了驗(yàn)證本發(fā)明方法的效果,在相同的試驗(yàn)條件下對(duì)信號(hào)分別采用本發(fā)明方法(adfcc)和現(xiàn)有adf方法進(jìn)行濾波,表1所描述的是在經(jīng)過100次訓(xùn)練模型后,本發(fā)明方法與adf算法濾波器在不同的信噪比的情況下均方誤差(meansquarederror,mse)的性能對(duì)比表。
表1:為本發(fā)明方法與adf算法對(duì)信號(hào)濾波的均方誤差對(duì)比表
均方誤差越小,則說(shuō)明可靠性越高。如表1所示,在迭代次數(shù)為200次時(shí),adf與adfcc的均方誤差在信噪比(signalnoiseratio,snr)為10db,15db,20db情況下的比較,db為信噪比的單位。由表1可知本發(fā)明方法明顯優(yōu)于adf算法。
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式,應(yīng)當(dāng)指出,對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō),在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下,還可以做出若干改進(jìn)和變型,這些改進(jìn)和變型也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。