超宽带信号带内平坦度的自适应补偿方法_张鹏.pdf

北大中文核心期刊国外电子测量技术 D O I:1 0.1 9 6 5 2/j.c n k i.f e m t.2 2 0 4 3 7 1超宽带信号带内平坦度的自适应补偿方法*张 鹏1,2 李 武3 张 超1 张亚洲1 戴永寿3(1.中电科思仪科技股份有限公司 青岛 2 6 6 5 5 5;2.中国电子科技集团公司第四十一研究所 青岛 2 6 6 5 5 5;3.中国石油大学(华东)海洋与空间信息学院 青岛 2 6 6 5 8 0)摘 要:对于宽带接收系统,前端器件增益不平衡由此导致宽带系统带内幅度平坦度的恶化,严重影响系统测量结果的准确性,因此需要对已失真的信道传输特性进行补偿以提高带内幅度平坦度。现有技术主要采用频域采样法设计补偿滤波器实现,但是这种方法设计的滤波器阶数过高,通常达到2 0 0阶以上。面向测试仪器的工程应用,针对传统的最小均方误差(LM S)和递推最小二乘(R L S)自适应滤波算法不能兼顾收敛速度和稳态误差的缺陷,分别设计了基于变步长因子的LM S超宽带信号平坦度补偿技术和基于变遗忘因子的R L S的超宽带信号平坦度补偿技术。实验结果表明,所提出的两种方法能在获得良好幅度平坦度优化效果的基础上将滤波器阶数降到1 0 0阶以下。关键词:平坦度补偿;频域采样法;最小均方误差;递推最小二乘中图分类号:TN 9 1文献标识码:A国家标准学科分类代码:5 1 0.5A d a p t i v e c o m p e n s a t i o n m e t h o d f o r i n-b a n d f l a t n e s s o f u l t r a-w i d e b a n d s i g n a lZ h a n g P e n g1,2 L i W u3 Z h a n g C h a o1 Z h a n g Y a z h o u1 D a i Y o n g s h o u3(1.C e y e a r T e c h n o l o g i e s C o.,L t d.,Q i n g d a o 2 6 6 5 5 5,C h i n a;2.T h e 4 1 s t I n s t i t u t e o f C E T C,Q i n g d a o 2 6 6 5 5 5,C h i n a;3.C h i n a U n i v e r s i t y o f P e t r o l e u m,C o l l e g e o f O c e a n o g r a p h y a n d S p a c e I n f o r m a t i c s,Q i n g d a o 2 6 6 5 8 0,C h i n a)A b s t r a c t:F o r b r o a d b a n d r e c e i v i n g s y s t e m s,t h e i m b a l a n c e d g a i n o f f r o n t-e n d d e v i c e s l e a d s t o t h e d e t e r i o r a t i o n o f i n-b a n d a m p l i t u d e f l a t n e s s o f b r o a d b a n d s y s t e m s,w h i c h s e r i o u s l y a f f e c t s t h e a c c u r a c y o f s y s t e m m e a s u r e m e n t r e s u l t.T h e r e f o r e,i t i s n e c e s s a r y t o c o m p e n s a t e t h e d i s t o r t e d c h a n n e l t r a n s m i s s i o n c h a r a c t e r i s t i c s t o i m p r o v e i n-b a n d a m p l i t u d e f l a t n e s s.T h e e x i s t i n g t e c h n o l o g y m a i n l y a d o p t s t h e f r e q u e n c y d o m a i n s a m p l i n g m e t h o d t o d e s i g n t h e c o m p e n s a t i o n f i l t e r,b u t t h e o r d e r o f t h e f i l t e r d e s i g n e d b y t h i s m e t h o d i s t o o h i g h,u s u a l l y r e a c h i n g m o r e t h a n 2 0 0 o r d e r s.A i m i n g a t t h e d e f e c t s t h a t t h e t r a d i t i o n a l LM S a n d R L S a d a p t i v e f i l t e r i n g a l g o r i t h m s c a nt t a k e i n t o a c c o u n t t h e c o n v e r g e n c e s p e e d a n d s t e a d y-s t a t e e r r o r,t h i s p a p e r d e s i g n e d t w o UWB f l a t n e s s c o m p e n s a t i o n t e c h n o l o g i e s r e s p e c t i v e l y b a s e d o n LM S w i t h v a r i a b l e s t e p s i z e f a c t o r a n d R L S w i t h v a r i a b l e f o r g e t t i n g f a c t o r f o r t h e e n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n o f t e s t i n s t r u m e n t s.T h e s i m u l a t i o n r e s u l t s s h o w e d t h a t t h e p r o p o s e d t w o m e t h o d s c a n r e d u c e t h e o r d e r o f t h e f i l t e r t o l e s s t h a n 1 0 0 o r d e r s o n t h e b a s i s o f e n s u r i n g g o o d a m p l i t u d e f l a t n e s s o p t i m i z a t i o n.K e y w o r d s:f l a t n e s s c o m p e n s a t i o n;f r e q u e n c y d o m a i n s a m p l i n g m e t h o d;LM S;R L S 收稿日期:2 0 2 2-0 9-2 7*基金项目:国家自然基金(4 1 9 7 4 1 4 4)项目资助0 引 言近年来5 G通信、宽带雷达等的快速发展对微波毫米波信号分析仪分析带宽的要求越来越高。宽带接收系统的前端器件增益不平衡导致信号带内幅度平坦度的恶化1-2,严重影响系统测量结果的准确性,因此需要对已经失真的信道传输特性进行补偿,以提高通带内幅度平坦度。现有技术主要采用频域采样法3设计补偿滤波器实现,但是这种方法设计的滤波器阶数过高,在实际工程实现将会占用大量的硬件处理资源,且随着带宽的增大,滤波器阶数和系统的复杂度将进一步升高。为了实现幅度平坦度补偿,张博等4在两级放大电路701 国外电子测量技术北大中文核心期刊间引入失配补偿电路对带内的增益进行反馈补偿提高带内平坦度,取得了高增益、高平坦度的效果,但是该方法不仅引入额外的硬件,还增加了硬件开发难度。李元5基于小波神经网络算法设计了幅度均衡器,对信号进行有效的分层补偿和融合,但并没有给出均衡器的具体参数提供参考。W u等6采用核递归类极大似然准则算法设计了核自适应滤波器处理非线性信道均衡问题,但是该方法的处理对象聚焦于非线性和非高斯信号。李畅等7采用复切比雪夫逼近法设计复系数F I R滤波器解决合成S A R系统通带内信号失真问题,虽然取得了很好的效果,但是处理的带宽仍然有限。S a u r a v等8采用最小二乘横模算法设计了一种盲自适应信道均衡滤波器来缓解信道的多径效应,但是均衡效果依赖于信噪比的大小。史聃等9采用最小二乘拟合的方法设计了1 2 0阶补偿滤波器,对带宽为1 0 0 MH z的信号进行了有效幅度补偿,但是相对来说滤波器阶数还是偏高。余中豪1 0采用频域补偿滤波的法设计了5 1 3阶的数字补偿滤波器,虽然能够获取到比较满意补偿结果,但是这种方法设计的滤波器阶数过高。综上,现有幅度补偿技术或操作繁琐,需要额外的硬件辅助,或只能处理特定原因引起的失真,或耗用大量硬件资源,鲜有以较低资源消耗校正超宽带信号1 1幅度为目标的研究。为了在获得良好幅度平坦度效果基础上降低补偿滤波器的阶数,以减少硬件处理资源的占用,本文面向测试仪器的工程应用,研究和开发了两种基于自适应方法的带内幅度平坦度补偿技术,将补偿滤波器阶数控制在1 0 0阶以下。并在对实际采集的1 GH z超宽带信号进行带内幅度平坦度补偿实验中,同传统的频域采样法补偿效果进行对比,验证方法的有效性和实际工程应用价值。1 基于频域采样法的超宽带信号带内平坦度补偿频域采 样 法 是 在 频 域 里 直 接 设 计 有 限 脉 冲 响 应(f i n i t e i m p u l s e r e s p o n s e,F I R)数字滤波器,基于频域采样理论,把目标频率响应进行等间隔采样1 2得到实际F I R滤波器频率响应,再作离散傅里叶反变换得到实际冲激响应。1)求目标补偿滤波器的幅频响应首先将实际采集的超宽带信号变换到频域,并对真实幅值取对数,得到采集信号的幅频响应|X(f)|。然后以信号谱线上某个点为基准,做出参考信号的幅频响应,图1所示为补偿滤波器和实际采集信号之间的关系,可得目标补偿滤波器幅频响应|Hd(f)|:|Hd(f)|=2R E F(f)-|X(f)|(1)2)求实际补偿滤波器的幅频响应确定采样点数M,对由式(1)求出的目标幅频响应|Hd(f)|进行等间隔采样得到实际的补偿滤波器幅频响应:图1 补偿滤波器和实际采集信号之间的关系|H(k)|=HdNMk+b()k=0,1,M-1(2)基于频域采样法的超宽带信号平坦度补偿是非自适应滤波,缺点是频率采样的间隔必须是相邻谱线间隔的整数倍,并且采样的点必须在有用信号上,其次在边界处会引入过渡带,在通带内会出现波纹。图2所示为采样点数和采样效果之间关系,当采样点数较小时,通带和阻带之间出现了很长的过渡带。增大采样点数后,过渡带变窄,但是会导致滤波器阶数增高。若想以较低的阶数实现超宽带信号平坦度补偿就需要探寻其他设计滤波器的方法。图2 采样点数和采样效果之间的关系时域自适应平坦度补偿是在时域里通过迭代算法不断缩减输出信号与期望信号之间的估计误差,使得输出估计误差最小,并以此得到一组最佳滤波器系数1 3,从而对输入信号进行平坦度补偿。在时域里采用自适应算法设计超宽带信号补偿滤波器原理如图3所示。最小均方误差法1 4(l e a s