基带接收机中的信道均衡技术

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。

01 什么是均衡器  

均衡器，是一种可以分别调节各种频率成分电信号放大量的电子设备，通过对各种不同频率的电信号的调节来补偿扬声器和声场的缺陷，补偿和修饰各种声源及其它特殊作用。在无线通信中(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。

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。

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。

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