基于OFDM和以DSP实现的地下高速电缆传输的时域均衡研究

基于OFDM和以DSP实现的地下高速电

缆传输的时域均衡研究

摘要

为了的满足人们无线通信服务或者有线通信的要求，高速通信业务正在逐步增加，近年来正交频分复用（OFDM）由于它的高带宽效率以及抗干扰和抗多径能力的优势逐渐受到广泛的关注；除此之外，它的技术也提高了测井电缆的传输速率。这文章基于信道估计技术和时间

在地下电缆的OFDM系统的频域均衡传输，并进行信道估计仿真与时域均衡算法在MATLAB软件测试其实用性。这两种算法是移植到硬件DSP算法的实现途径采集数据的时域均衡。模拟结果表明：信道估计和时域均衡方法可以恢复失真的信号高精度原始信号。

关键词正交频分复用；时域均衡；通道估计；抗干扰

一、 简介

测井技术的快速发展要求更准确的数据收集和传输系统，传统传输带宽有限的地下电缆阻碍了发展地下成像技术，而OFDM技术的应用可以改善井下数据传输速率，OFDM技术，由于其抗多径衰落、频谱效率高和高速的数据传输的优点，能够分解高速串行数据到多个并行和窄带数据流，经调制后相互正交然后在子载波上传输。子信道重叠频谱使得有可能发送大量的有限频带内的数据。OFDM在井下数据传输系统中的应用对于测井技术有十分中的大意义。

本文着重解决由于7000m以内的地下电缆传输过程中的信道衰落，符号间干扰（ISI），噪声和其他干扰。如果没有补偿，接收到的信号将难以恢复。对于一个干扰信号的补偿措施，由于大多数收到数据通信系统中传输速率的限制，将引导前缀（CP）到每个OFDM符号前被传输。它有助于避免由于消耗占用宝贵带宽资源和降低传输速率的信道拖尾而引起的符号间干扰。另一个方法是给接收机配备均衡器，通过均衡器，循环前缀的长度可以大大减少，传输速率可以有效提高。 然而,许多均衡器要求实时计算，其重计算负担使这种方法不切实际。因此，有

必要开发一种低复杂度和非实时计算的均衡器，作为一种方法来消除码间干扰，提高传输速率系统。 二、OFDM传输系统模型

如图1所示，基于OFDM的高速遥测系统由两部分组成：一个地下发射机和地面接收机。编码数据流映射到调制方式32psk（相移键控，然后通过傅立叶变换将时域信号转换成频域信号，并且最后最后，数据流是在OFDM的形式输出符号。因为这个过程是基于符号之间非干扰传输，所以在每个符号前面插入循环前缀，有效地抑制ISI（符号间干扰）。电缆通道的脉冲响应通常有一个长尾巴，电缆越长，越长

尾，因此，在本文中，时域均衡器被引入到接收器作为一种方式来控制信号迟延和电缆通道本身特性引起的拖尾。

接收到的信号将通过域间的均衡恢复到无码间干扰的时域信号。 然后其循环前缀将被转移到同步时机接收器的后面，进一步频域均衡

确保信号恢复32psk星座点。最后，数据流通过解映射、解码和去交织而输出。

图1. 基于OFDM的高速遥测系统示意图 二、 时域均衡的理论与算法 （1）.时域均衡的理论

均衡是指电缆信道引起的符号间干扰的校正或补偿。

本文提出的时域均衡一种离线算法，这种算法在发送之前数据发出单位脉冲作为训练序列。通过渠道，它会成为带有延迟和尾随冲动响应，这可以反映信道特性。从脉冲响应得到的时域均衡系数将被作为后续数据的滤波系数传输，在此期间，信道可以被视为在缓慢变化。

连接时域均衡器与信道会产生比单信号更短的联合信道的脉冲响应的尾随信号，然后用上面的滤波器系数过滤脉冲响应，我们将得到一组理想单脉冲信号 （2）.时域均衡算法

时域均衡器可以缩短通道畸变信号的尾随，然后时域均衡器系数（TEQ）可以根据接收到的信道脉冲响应而计算。TEQ所指的是一系列的时域均衡器的滤波系数。它显示为一个数组的长度，或滤波器系数的个数，可以根据渠道的特性而被设置。

发射机发送的时域信号序列方程（1） 𝑚𝑋𝑘是指在符号M中的子载波K进行的子信号. 它是规范1／2N总发射功率

的一种因素.

信道脉冲响应被假定为线性，用H（t）表示。通过对信号序列和信道脉冲响应做卷积计算得到接收的信号序列。接收信号可以用方程（2）表示。

公式（2）可以简化为公式（3），η（t）是附加的白带高斯噪声。

设置均衡器作为一系列确定的滤波器系数的TE𝑄𝑛。当采样信号𝑋n通过滤波系数被过滤时，结果几乎等同于原始发射序列。

从H的ℎ0表示采样的信道冲激响应的第一峰值的位置（CIR）。β*{0…1…1}表示平衡的信道脉冲响应。𝜀𝑘是一个错误的序列，包括过滤的外部噪声和非理想

信道均衡造成的噪声。它将被称为ε在下面的一部分的文件的观测误差[3].

在方程（4），H矩阵是Toeplitz矩阵。在这矩阵，每个元素等于左上的元素.角，也就是说，对角线中的元素是相等的，平行于领导的线条中的元素也是如此.对角线的.此外，该矩阵中的元素是小对角线对称的.方程（5）可以用更紧凑的形式表达形式[3]。

在方程（5），该TEQn是一个数组，包括时域均衡器的系数TEQ0,TEQ1…TEQk-1,α是接收信道脉冲响应的样本矩阵。一表示接收单元脉冲的最佳样本向量响应。ε代表观测误差矢量。这个恢复脉冲达到峰值点n0。鉴于通道延迟，峰值位置

′′

将移动当脉冲通过电缆时。如果偏移量为作为𝑛0，然后𝑛0是脉冲峰值的偏移量由

′信道延迟引起的。的𝑛0是时间滞后信道脉冲响应的第一峰值与平衡信道脉冲响应

′

的峰值。选定的𝑛0必须是一个可以最小化均方误差。在能量分布方面，均方误差

′

可以解释为以外的总能量𝑛0。

′

均方误差的偏移值变化𝑛0。我们可以得到的最终滤波器系数的最低均方误差。因此，我们可以得到一个最佳的均衡器滤波器系数从方程（5），然后原始信号通过卷积计算可以得到序列均衡器系数与信道脉冲响应之间。

三、 时间域的实现均衡 A． Matlab仿真

有限的传输媒体和制造业测井电缆技术，信号衰减幅度较大，传输和传输速率时受一定的限制。随着信号频率的增加，信道衰减显着。图2b是一个单位的冲动7公里电缆信道响应测试。它是如图2所示脉冲响应拖尾严重，若均衡不采取抑制尾随，将有符号相邻OFDM符号间干扰，严重影响信号传输质量[ 10 ]。一个超长的循环前缀将大大降低信号传输速率，使其难以恢复信号接收终端[ 11 ]。

图2.信道冲激响应的MATLAB仿真

图3.时域均衡器的滤波系数TEQn.

图3中的五阶滤波器系数计算采用时域均衡算法的matlab。该算法称为最小均方误差法基于Toeplitz矩阵。还有其他的时间算法域均衡[ 12 ]。 1） 线性均衡算法

补偿频率选择性衰落的方法增加对应于不同频率的增益。在增大增益的同时，增大噪声的干扰同时[ 13 ]。所以这种方法不能很严重频率选择性衰落信道。 2）训练算法的时域均衡器

在特征值该算法选择特征向量与最大特征值对应作为均衡器的系数矩阵。如图4所示，有延迟和拖尾信号经过电缆通道后，可以解释为信号与信道之间的卷积导致符号间干扰的脉冲响应，严重影响传输质量和效率。

图4。电缆通道通过后的时域信号 图5。均衡后的时域信号

图6。32psk散点图在时域均衡

图7。32psk时域均衡后的散点图

图5中的波形是卷积的结果.在通过电缆的时域信号之间时域均衡器的滤波系数。在图5、信号的延迟和拖尾问题比较少使用均衡前的信号。符号间干扰被消除作为信道脉冲的尾部均衡后的响应比循环前缀变短，提高变速器的速度。

在图6中，沟道长度比循环前缀长度。第一个OFDM符号引起的严重干扰第二符号，产生频域混淆散点图。相比图6，图7有更规则的散射图。根据到比较，时域均衡缩短信道脉冲响应的跟踪。最后，输出数据通过时域均衡恢复。

表一对算法的分析时域均衡

根据表1，时域均衡算法可以缩短信道的拖尾率，并能有效地减少信道开销。长度，避免ISI必要还可以缩短，从理论上提高了系统的传输速率。更多的TEQ数，更好的时间的结果频域均衡，较短的CP的最小长度. B. DSP中时域均衡的实现

这个信号处理器是浮点类型低功耗、高性能的TI TMS320C6748。它具有一个456兆赫处理器，丰富的逻辑结构和存储资源，和一个128M的外部存储空间。有一个大的数字高阶矩阵计算和数据变量计算时域均衡器的滤波系数存储数据需要一定的内存空间.和实时缓存变量。相比TMS320F2812，该芯片具有更快的处理速度和较大的存储空间，以满足加工需求目前的工作。

工作流DSP包括三个阶段：数据采集，信道训练和信道均衡。

该程序初始化后，上电复位，和数据采集模块采用模数转换器。一是渠道培训。

它开始信道冲激响应数据采集。时间域均衡算法已在芯片内部编程。收集的数据进行训练，时域均衡FIR滤波器抽头系数的算法。电缆固定的，所以是系数[ 14 ]

模式二是信道均衡。收集数据要通过7公里电缆通道通过FIR滤波器，其抽头系数已获得通道训练[ 15 ]，那么输出数据就是信号通过时域均衡恢复。DSP和FPGA通过EMIFA（外部存储器接口）信号同步后恢复，频域均衡和数据解码[ 16 ]。

图8。基于DSP的电缆通道时域信号

图9。DSP均衡后的时域信号

移植到DSP算法的MATLAB实现DSP中的时域均衡处理硬件，然后通过ccs5.5软件波形可以在图8和图9中看到图表.。

这两个图验证了算法的可行性硬件中的时域均衡。什么是显示在Fig.8是通过电缆和收集的信号通过TMS320C6748。该信号与图4相同。图9是时域信号波形图8中扭曲数据的均衡。经过比较，我们可以看到，信号延迟和拖尾不太明显，表明符号间干扰完全循环前缀的吸收和时域效应实现均衡。 四、 结论

测井电缆高速传输系统基于OFDM技术可以提高传输速率限的信道带宽。时域均衡器可以消除符号间干扰，保持持续时间信道脉冲响应不大于循环脉冲响应前缀.通过这种方式，码间干扰可以完全吸收的循环前缀，增加数据传输速率。本文对时间的模拟频域均衡的Matlab实现，理论上验证了该算法的可行性。时域均衡算法移植到数字信号处理器有效地处理收集到的数据，实际上理论算法与硬件相结合。