さまざまなイコライザーの BER 性能

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この例では、パスバンドにヌル値をもつ静的チャネルにある数種類のイコライザーの BER 性能を示します。この例は、線形イコライザーオブジェクトと判定フィードバックイコライザー (DFE) オブジェクトを構築し、実行します。また、最尤系列推定 (MLSE) イコライザーを初期化し、起動します。MLSE イコライザーでは最初に完全なチャネル認識法が呼び出され、次にわかりやすいが不完全なチャネル推定法が呼び出されます。

シミュレーションが進むと、BER プロットを更新してイコライズ方法の比較分析を行います。また、線形にイコライズされた信号と DFE でイコライズされた信号の信号スペクトルも示します。さらに、相対的なバースト誤りの状況も示して、BER が低いと MLSE アルゴリズムと DFE アルゴリズムの両方にバースト誤りが発生することを示します。特に、DFE の誤り性能はフィードバックされた正しいビットよりも検出されたビットでバーストが多くなります。最後に、"不完全な" MLSE 部分のシミュレーション時に、推定チャネル応答が示され動的に更新されます。

この例を実行するために、チャネルインパルス応答、イコライザーのタップ重みの数、再帰的最小二乗 (RLS) 忘却係数、最小平均二乗 (LMS) ステップサイズ、MLSE トレースバックの長さ、推定されたチャネル長での誤りや各 Eb/No 値で計算される最大誤り数などのパラメーターを変更することができます。

コードの構成

この例は、以下の補助スクリプトと関数に依存して Eb/No 値の範囲でのリンクシミュレーションを実行します。

eqber_adaptive.m - 線形および DFE イコライザーのリンクシミュレーションを実行するスクリプト

eqber_mlse.m - 理想的および不完全な MLSE イコライザーのリンクシミュレーションを実行するスクリプト

eqber_siggen.m - パルス整形を行わずに 2 位相シフトキーイング (BPSK) 信号を生成し、チャネルで処理してノイズを付加するスクリプト

eqber_graphics.m - 線形、DFE、および MLSE イコライザーの性能を示すプロットを生成し、更新する関数

スクリプト eqber_adaptive および eqber_mlse は、状態の情報がデータブロック間で保持されるように、複数のデータブロック全体で適応イコライザーと MLSE イコライザーを使用する方法について説明します。

信号パラメーターとチャネルパラメーター

信号とチャネルに関するパラメーターを設定します。パルス整形のない BPSK、および 5 タップの実数値対称チャネルインパルス応答を使用します (チャネルの詳細は、Digital Communications by J. Proakis, 4th Ed., の第 10.2.3 節を参照してください)。データとノイズジェネレーターの初期状態を設定します。Eb/No 範囲を設定します。

% System simulation parameters
Fs = 1;           % sampling frequency (notional)
nBits = 2048;     % number of BPSK symbols per vector
maxErrs = 200;    % target number of errors at each Eb/No
maxBits = 1e6;    % maximum number of symbols at each Eb/No

% Modulated signal parameters
M = 2;                     % order of modulation
Rs = Fs;                   % symbol rate
nSamp = Fs/Rs;             % samples per symbol
k = log2(M);               % Bits per symbol
Rb = Rs*k;                 % bit rate

% Channel parameters
chnl = [0.227 0.460 0.688 0.460 0.227]';  % channel impulse response
chnlLen = length(chnl);                   % channel length, in samples
EbNo = 0:14;                              % in dB
BER = zeros(size(EbNo));                  % initialize values

% Create BPSK modulator
bpskMod = comm.BPSKModulator;

% Specify a seed for the random number generators to ensure repeatability.
rng(12345)

適応イコライザーパラメーター

線形イコライザーと DFE イコライザーのパラメーターを設定します。31 タップ線形イコライザー、および 15 フィードフォワードおよびフィードバックタップ付きの DFE を使用します。最初のデータブロックに再帰的最小二乗 (RLS) アルゴリズムを使用して迅速なタップ収束を確保します。その後、最小平均二乗 (LMS) アルゴリズムを使用して実行速度を速めます。

% Linear equalizer parameters
nWts = 31;               % number of weights
algType = 'RLS';         % RLS algorithm
forgetFactor = 0.999999; % parameter of RLS algorithm

% DFE parameters - use same update algorithms as linear equalizer
nFwdWts = 15;            % number of feedforward weights
nFbkWts = 15;            % number of feedback weights

MLSE イコライザーとチャネル推定パラメーター、および初期可視化

MLSE イコライザーのパラメーターを設定します。トレースバックの長さにはチャネルインパルス応答の 6 倍の長さを使用します。イコライザーの状態を初期化します。イコライザーモードを [連続] に設定し、複数のデータブロックでシームレスなイコライズを行います。チャネル推定法でサイクリックプレフィックスを使用し、接頭語の長さを設定します。チャネルのインパルス応答を推定した長さを実際の長さより 1 サンプル分長くすることを前提にしています。

% MLSE equalizer parameters
tbLen = 30;                        % MLSE equalizer traceback length
numStates = M^(chnlLen-1);         % number of trellis states
[mlseMetric,mlseStates,mlseInputs] = deal([]);
const = constellation(bpskMod);    % signal constellation
mlseType = 'ideal';                % perfect channel estimates at first
mlseMode = 'cont';                 % no MLSE resets

% Channel estimation parameters
chnlEst = chnl;         % perfect estimation initially
prefixLen = 2*chnlLen;  % cyclic prefix length
excessEst = 1;          % length of estimated channel impulse response
% beyond the true length

% Initialize the graphics for the simulation. Plot the unequalized channel
% frequency response, and the BER of an ideal BPSK system.
idealBER = berawgn(EbNo,'psk',M,'nondiff');

[hBER,hLegend,legendString,hLinSpec,hDfeSpec,hErrs,hText1,hText2, ...
    hFit,hEstPlot,hFig,hLinFig,hDfeFig] = eqber_graphics('init', ...
    chnl,EbNo,idealBER,nBits);

RLS および LMS 線形および DFE イコライザーオブジェクトの構築

イコライザーのタップ重みを適応させるために RLS 更新アルゴリズムが使用され、リファレンスタップがセンタータップに設定されます。

linEq = comm.LinearEqualizer('Algorithm',algType, ...
    'ForgettingFactor',forgetFactor, ...
    'NumTaps',nWts, ...
    'Constellation',const, ...
    'ReferenceTap',round(nWts/2), ...
    'TrainingFlagInputPort',true);

dfeEq = comm.DecisionFeedbackEqualizer('Algorithm',algType, ...
    'ForgettingFactor',forgetFactor, ...
    'NumForwardTaps',nFwdWts, ...
    'NumFeedbackTaps',nFbkWts, ...
    'Constellation',const, ...
    'ReferenceTap',round(nFwdWts/2), ...
    'TrainingFlagInputPort',true);

線形イコライザー

線形イコライザーを実行し、各データブロックのイコライズされた信号スペクトル、BER、およびバースト誤りの性能をプロットします。Eb/No が増加すると、線形イコライズされた信号スペクトルのヌル値は徐々に大きくなることに注意してください。これは、線形イコライザーには、チャネルを大きなヌル値で適切にイコライズする多くのタップが必要になるという事実を明らかにします。エラーは短い間隔で発生し、そのことがこのような高いエラーレートになると予想されることにも注意してください。

適応イコライザーのシミュレーションコードのリストは、eqber_adaptive.m を参照してください。

firstRun = true;  % flag to ensure known initial states for noise and data
eqType = 'linear';
eqber_adaptive;

判定フィードバックイコライザー

DFE を実行し、各データブロックのイコライズされた信号スペクトル、BER、およびバースト誤りの性能をプロットします。スペクトルプロットと BER プロットに示すように、DFE は線形イコライザーよりも効果的にチャネルのヌルを緩和できます。特定の Eb/No 値でプロットされた BER ポイントは、すべてのデータブロックを更新するため、該当するブロックで収集された誤り数に応じて上下に移動します。DFE のバースト誤りは、正しいビットではなく検出されたビットをフィードバックすることで引き起こされる伝播エラーによることにも注意してください。バースト誤りのプロットは、BER が低下すると、エラー間隔が 5 ビット以下になったときに多数の誤り数が発生することを示します (DFE イコライザーを常時トレーニングモードで実行した場合、バースト誤りはかなり減少します)。

すべてのデータブロックの場合、プロットは、エラーがランダムに発生した場合には平均的なエラー間隔になることも示します。

適応イコライザーのシミュレーションコードのリストは、eqber_adaptive.m を参照してください。

close(hFig(ishghandle(hFig)));

eqType = 'dfe';
eqber_adaptive;

完全なチャネル認識の理想的な MLSE イコライザー

完全なチャネル推定を使用して MLSE イコライザーを実行し、各データブロックの BER とバースト誤りの性能をプロットします。エラーは非常に集中して発生することに注意してください。BER が低いと特に、エラー間隔が 1 または 2 ビットになるとエラーが多数発生することを確認してください。

MLSE イコライザーのシミュレーションコードのリストは、eqber_mlse.m を参照してください。

close(hLinFig(ishghandle(hLinFig)),hDfeFig(ishghandle(hDfeFig)));

eqType = 'mlse';
mlseType = 'ideal';
eqber_mlse;

不完全なチャネル推定の MLSE イコライザー

不完全なチャネル推定の MLSE イコライザーを実行し、各データブロックの BER とバースト誤りの性能をプロットします。これらの結果は理想的な MLSE 結果とかなりの程度で一致しています (送信されたデータブロックの FFT がヌル値をもたないように、チャネル推定アルゴリズムはデータから大きな影響を受けます)。推定チャネルプロットが実際のチャネルのスペクトルプロットとどのように比較されるかに注目してください。

MLSE イコライザーのシミュレーションコードのリストは、eqber_mlse.m を参照してください。