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通信技术专题:信道均衡器

通信技术

通信技术发展至今,每个人都离不开它的存在。通信系统的核心主要在于物理层,物理层的关键在基带。在通信系统中,逻辑开发工程师主要工作就在基带和射频部分,甚至射频都不在从事的任务内。今天给大家简单讲讲基带接收机中的信道均衡技术,主要取材于sharetechnote。

01 什么是均衡器

无线通信中(实际上在任何通信中),信号在到达接收器之前总是要经过物理介质(在无线通信中主要是空气和发射器天线之外的任何东西)。在大多数情况下,这些通道往往不是在信号的最佳环境中,并对信号产生一些负面影响。结果,接收器将得到信道失真或损坏的信号,如下图所示。

如果信道的失真或损坏太严重,就无法进行正常的通信。那么,当信号被无线信道扭曲或损坏时,如何保证发送的信号(数据)能被接收器正常接收(解码)呢?一个最常见的解决方案是使用一个称为均衡器的特殊组件。该组件可以是硬件或软件的形式,也可以是两者的形式。均衡器是一种特殊的组件(块),它可以消除信道在信号通过信道时所造成的失真/损坏。

02 如何实现均衡?

当你第一次听说均衡器的作用时,它可能听起来像一个魔法,可能会问自己这样的魔法是如何发生的。

为了解释这一点,我将把上一节所示的方框图转换为如下所示的数学格式。(如果你想进一步了解这个方程中H的细节,请参考通道模型链接文章《通信技术笔记:如何构建信道模型》)。

正如上面提到的,H通常会失真或破坏信号,使接收方难以解码信号。均衡的目的是为了消除h的影响。从数学角度来看,这很简单。只需取H(信道)的倒数,并将其应用于接收的信号(Hx)。均衡器所做的基本上是计算信道矩阵的逆和校正(补偿)接收到的信号。

是不是很简单,一看就会,一做就废。

03 真的如此简单?

工程界的每个人都知道,没有什么事情像说的那么容易。就像信道估计一样,在DMRS位置不确定和FCDM多种选择情况下,一切变得复杂了,这同样也适用于均衡。如前一节所述,理想的均衡只是取信道矩阵的逆,并将其应用于接收信号,但有一些数学和技术上的挑战和前提条件。

为了得到信道矩阵的逆,信道矩阵需要满足以下特定条件。

信道矩阵应为方阵。这意味着Tx和Rx天线的数量应该是相同的。但在现实中,也有Tx和Rx天线不相同的情况。

信道矩阵应该是可逆的。它意味着矩阵不应该是0。'一个矩阵是0'意味着'它的行列式是0'。

为了克服这些数学上的限制,我们使用了许多其他的技术,可以应用于非方阵。大多数常用的均衡方法,如最小二乘、奇异值分解、最小方误差均可应用于非平方矩阵。

现在让我们假设我们有办法克服数学上的限制。但我们仍有一些实际的挑战需要克服。

从概念上讲,均衡就是得到信道矩阵的逆(或伪逆)。这意味着信道矩阵应该给均衡器。我(指接收方)如何知道信道矩阵?如果信道完全不变,我们可以在建立通信系统之前对信道进行研究,并将信道矩阵直接预编程到接收机中,但在无线通信中我们不能期望这种恒定(永不变化)的信道条件。无线环境中的信道特性是不断变化的。这意味着接收器必须自己动态地计算信道特性并构建信道矩阵。这个过程(即找出信道特性)称为信道估计。有各种各样的信道估计技术,其中一些技术在《SISO/MIMO信道估计原理详细图解》解释。

04 举例说明

ZF均衡

LS均衡

SVD分解

MMSE均衡

在工程实现过程中,我们需要在算法和资源中寻求平衡,尤其对于硬件实现基带单元的情况。随着5G及6G的发展,应用场景更加丰富,MIMO天线数量剧增,信道估计和均衡的实现变得越来越复杂,这对BBU的设计提出了严峻挑战。

---END---

       原文标题 : 通信技术专题:信道均衡器

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