Алгоритмы адаптивной компенсации искажений в декаметровых радиоканалах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Алгоритмы адаптивной компенсации искажений в декаметровых радиоканалах

Чуев Александр Витальевич, кандидат технических наук, доцент,

Богачев Андрей Геннадьевич, адъюнкт Академии ФСО России

Одной из главных тенденций развития современных телекоммуникаций является стремительное увеличение скорости передачи информации по радиоканалам. Это связано как с ростом потребностей пользователей в высокоскоростных услугах, так и с разработкой новых технологий передачи. скорость коротковолновый модем связь

В коротковолновых каналах связи скорость передачи ограничена за счет возникновения явления межсимвольной интерференции, проявляющейся в наложении последовательно передаваемых символов. В декаметровых каналах связи при передаче информации на скорости 1200-4800 бит/с и более для устранения межсимвольных искажений используется либо параллельная передача на многих поднесущих с малой скоростью, либо последовательная передача на одной несущей с высокой скоростью и компенсацией искажений [1]. При этом последовательные модемы обладают большей потенциальной помехоустойчивостью, что объясняется использованием в одноканальном модеме эффекта разнесения по независимым лучам и меньшим пик-фактором сигнала [2]. В [1-3] показан энергетический выигрыш и преимущества при переходе от параллельных к последовательным модемам, поэтому далее будем рассматривать именно последовательные коротковолновые модемы.

Разработанные для последовательных модемов оптимальные процедуры поэлементного приема и приема в целом оказываются нелинейными и требуют, как правило, наличия априорных сведений о статистике сообщений и помех. Реализация этих процедур в системах передачи с большим значением относительной памяти канала связана со значительными техническими трудностями. Этим объясняется существование многочисленных субоптимальных алгоритмов демодуляции, предложенных в разное время для уменьшения требуемого объема памяти или числа арифметических операций [4]. Большим подклассом субоптимальных систем передачи можно считать системы, основанные на адаптивной линейной коррекции тракта передачи. Cистемы передачи с коррекцией канала или сигнала содержат на приемной стороне в явной или неявной форме оцениватель текущего состояния канала (импульсной характеристики или передаточной функции) и устройство, восстанавливающее утраченную форму системной характеристики (корректор канала) либо информационный (представляющий) параметр сигнала (корректор сигнала). Критерием точной настройки корректора сигнала является величина погрешности восстановления представляющего параметра в момент выборки.

Декаметровый канал связи можно представить в виде линейной цепи с меняющимися сравнительно медленно параметрами, характеризуемой переходной характеристикой или комплексным коэффициентом, передачи. Если в месте приема точно знать эти характеристики канала, то можно компенсировать переходный процесс в канале, и тем самым обеспечивать высокие скорости передачи.

Полагая канал связи с конечной памятью, можно его описать эквивалентной моделью с дискретным временем

где g(t) - импульсная реакция канала;

n(t)- аддитивный шум канала.

Поскольку в приемнике производится выборка последовательности импульсов, то в любой момент времени выборки пропорциональны сумме абсолютных значений реакций на одиночные импульсы, поступившие во все рассматриваемые моменты времени.

Для сведения этих искажений к минимуму предложены различные методы автоматической коррекции. Наибольшее распространение получили адаптивные линейные и нелинейные выравниватели (корректоры или эквалайзеры).

Работа адаптивного корректора состоит из двух фаз: фазы обучения и фазы коррекции. В фазе обучения осуществляется прием тестовой последовательности.

Тестовая последовательность представляет собой заранее известную в приемнике псевдослучайную последовательность символов заданной длины, которая периодически передается в определенные моменты времени. В процессе приема этой последовательности корректор сравнивает декодированные символы тестовой последовательности с заранее известными и изменяет свою частотную характеристику таким образом, чтобы минимизировать ошибку. Непосредственно за тестовой последовательностью в принимаемом пакете информации следует информационная часть.

Предполагается, что за короткое время после приема тестовой последовательности параметры радиоканала не изменяются. Вследствие этого прием информационной части пакета (фаза коррекции частотной характеристики радиоканала) осуществляется с той же самой частотной характеристикой эквалайзера, которая была установлена в фазе обучения. Каждый (или почти каждый) пакет информации предваряется тестовой последовательностью, что обеспечивает почти оптимальную коррекцию изменяющейся во времени частотной характеристики многолучевого радиоканала и соответственно минимизацию межсимвольной интерференции.

Линейный выравниватель представляет собой трансверсальный фильтр конечной длины с регулируемыми коэффициентами передачи в отводах (рисунок 1). Трансверсальному фильтру обычно предшествует низкочастотный фильтр, включаемый за дискретизатором, который выбирает фильтруемый сигнал через каждые Т (рисунок 2) [5].

Рисунок 1. Линейный корректор (выравниватель)

Рисунок 2. Схема радиоканала с корректором.

Затем выборка, накопленная в каждом отводе линии задержки, умножается на коэффициент передачи фильтра, соответствующий этому отводу, и образуется сумма произведений всех сигналов на каждом интервале, что и дает оценку информационного символа. Затем оценка квантуется и преобразуется в один из ближайших символов в алфавите из возможных символов. Коэффициенты отводов трансверсального фильтра могут быть отрегулированы автоматически, например, по критерию минимума среднеквадратической ошибки. Таким образом, коэффициенты Cjрегулируются так, чтобы минимизировать среднеквадратическую ошибку между символами и их оценками, т. е. трансверсальный фильтр адаптируется к изменению состояния канала, которое медленно изменяется по сравнению с интервалом Т. Однако линейный фильтр неудовлетворительно работает при наличии большой межсимвольной интерференции, что имеет место в многолучевых каналах.

Предположим теперь, что известны импульсная реакция канала в течение каждого интервала передачи сигнала и информационные символы. Тогда можно представить фильтр, который восстанавливает межсимвольную интерференцию, имеющуюся в каждом сигнальном интервале, и вычитает эту информацию из сигнала после детектирования. Один из способов, в котором результат решения на выходе детектора использован для устранения межсимвольной интерференции, показан на рисунке 3. В этом примере корректор состоит из двух рекурсивных фильтров. Функционально прямой фильтр используется для уменьшения межсимвольной интерференции в рассматриваемом интервале, вызванной последующими символами вследствие последействия в импульсной реакции. Обратный фильтр, содержащий прошлые решения, используется для устранения межсимвольной интерференции, вызванной ранее принятыми сигналами.

Таким образом, этот нелинейный фильтр формирует оценку межсимвольной интерференции, вызванной хвостами импульсной реакции канала, и вычитает "эту интерференцию" из продетектированного сигнала. Следовательно, интерференция, вызванная последействием, полностью устраняется, а преддействием -- минимизируется по критерию среднеквадратической ошибки. Очевидной проблемой эквалайзера такого типа является «размножение» ошибки неправильной идентификации текущего импульса. При неправильно определенном импульсе происходит вычитание неправильного вклада ошибочного импульса в последующий, что, в свою очередь, повышает вероятность неправильного определения следующего импульса и т. д. Однако реально возможно построение алгоритмов, обеспечивающих затухающее влияние ошибочно принятого решения.

Рисунок 3. Нелинейный корректор с обратной связью по решению

Для борьбы с межсимвольной интерференцией можно использовать алгоритм Витерби. Действительно, классическая теория приема по максимуму функции правдоподобия дает простое решение задачи борьбы с межсимвольной интерференцией: построить LN согласованных фильтров для всех LN возможных сообщений длиной L с N уровнями и принимать решение по максимальному отклику. Однако экспоненциальный рост сложности при увеличении числа возможных сигналов делает практически неприемлемым такое решение. Алгоритм Витерби позволяет более простыми средствами реализовать эту процедуру, и во многих случаях такой приемник использует для детектирования импульса всю содержащуюся в нем энергию и по существу приближается к результату, который можно было бы получить, если бы межсимвольная интерференция отсутствовала.

Работы в области использования декодера Витерби для приема в условиях воздействия межсимвольной интерференции в настоящее время продолжаются в направлении применения алгоритма Витерби совместно с адаптивными линейными выравнивателями. В работах отечественных ученых получен алгоритм, который обеспечивает примерно ту же помехоустойчивость, что и алгоритм Витерби, или алгоритм приема в целом с поэлементным принятием решения (алгоритм Кловского-Николаева) [5, 6].

Таким образом, в настоящее время разработано большое количество методов борьбы с искажениями в коротковолновых каналах связи. Одним из эффективных методов признано применение адаптивных корректоров.

Литература

1. Чесноков, М. Н. Современные методы приема цифровых сигналов в линиях радиосвязи. Л.: ВАС, 1988. 192 с.

2. Чесноков М. Н. Особенности расчета вероятности связи ионосферными волнами при использовании высокоскоростных модемов / М. Н. Чесноков, Ю. А. Гусельников / в сборнике "Вопросы расчета и проектирования антенн и радиолиний (технические и научно-методические материалы)" // Под ред. Серкова В.П. Л.: ВАС, 1989. С. 30-35.

3. Кловский, Д. Д. Поэлементный прием дискретных сообщений в каналах с межсимвольной интерференцией и обратной связью по решению / Д. Д. Кловский // Электросвязь. - 1992. - № 3. - С. 3-6.

4. Николаев Б. И. Последовательная передача дискретных сообщений по непрерывным каналам с памятью. -- М.: Радио и связь, 1988. -- 264 с.

5. Галкин В. А. Цифровая мобильная радиосвязь. Учебное пособие для вузов. - М.: Горячая линия-Телеком, 2007. - 432 с.

6. Кловский, Д. Д. Передача дискретных сообщений по радиоканалам. М.: Радио и связь, 1982. - 304 с.

Размещено на Allbest.ru