ИНИЦИАЛИЗАЦИЯ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ МОЧР И МОДЕМ ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ МОЧР
INITIALISATION OF OFDM DATA TRANSMISSION AND MODEM FOR OFDM DATA TRANSMISSION

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области передачи данных посредством мультиплексирования с ортогональным частотным разделением сигналов (МОЧР) (OFDM). Оно касается инициализации передачи данных МОЧР для оптимизации эффективности и, в частности, пригодно для связи по линии электропередачи (СЛЭ) (PLC) при связи по линиям электропередачи на высокое и среднее напряжение.
Уровень техники
Для передачи цифровых данных общеизвестной схемой гибкой модуляции является передача данных на нескольких несущих на основе мультиплексирования с ортогональным частотным разделением сигналов (МОЧР) (OFDM), известная также как цифровая многоканальная тоновая (ЦМТ) (DMT) модуляция. МОЧР распределяет подлежащие передаче данные по большому числу поднесущих или подканалов, заключенных в полосе передачи и отделенных друг от друга четко выраженным частотным интервалом. Последнее гарантирует ортогональность поднесущих и предотвращает взаимные помехи или перекрестные помехи между поднесущими, т.е. на демодулятор для одной поднесущей не воздействует модуляция остальных поднесущих, даже если отсутствует явная фильтрация и их спектры перекрываются. Отдельные символы модуляции МОЧР на каждой из несущих представляют несколько битов, которые зависят от выбора алфавита КАМ (QAM), т.е. размещения данных или точек созвездия в квадратурной амплитудной плоскости. Например, обычно используют 2 бит/символ для квадратурной фазовой манипуляции (КФМн) (QPSK) или 4 бит/символ для 16-КАМ (квадратурной амплитудной модуляции) (QAM). Комплексные процессы модуляции и демодуляции одновременно тысяч несущих эквивалентны операциям дискретного преобразования Фурье, для которого существуют эффективные алгоритмы преобразования Фурье.
Подходящая архитектура модема МОЧР содержит кодер для мультиплексирования, синхронизации и кодирования подлежащих передаче данных, а также модулятор для формирования цифрового многоканального тонового сигнала. Кодер переводит поступающий поток битов в синфазную и квадратурную компоненты для каждого из множества подканалов, т.е. кодер выводит несколько последовательностей подсимволов, число которых равно числу доступных для системы подканалов. Линейный монитор на приемном конце циклически проверяет качество линии подканалов путем определения уровня шума, усиления и фазового сдвига на каждом из подканалов во время использования. Частота битовых ошибок (BER) и отношение сигнал-шум (С/Ш) (SNR) затем используются для динамического определения скорости передачи битов, которую могут поддерживать подканалы.
МОЧР пригоден, в частности, для связи по линии электропередачи (СЛЭ) (PLC). На каналы передачи данных линии электропередачи на высокое или среднее напряжение воздействуют источники помех, потому что типы кабелей, которые используются для передачи электроэнергии, являются неэкранированными, а потому восприимчивыми к проникновению электромагнитных полей. Типичный проистекающий из этого шумовой сценарий на каналах линии электропередачи содержит источники узкополосных помех, т.е. сигналы с малой шириной полосы частот. Помимо этого, гетерогенная структура сети линий электропередачи с многочисленными ветвями и согласованием импедансов вызывает многочисленные отражения (эхо) и многопутевое распространение между передатчиком и приемником. При наличии многопутевого распространения комплексная передаточная функция h(i) канала на линии электропередачи между передатчиком и приемником представляет собой сумму по нескольким трактам. Помимо этого, силовые кабели обнаруживают ослабление сигналов, возрастающее с длиной, и селективное по частоте замирание.
OFDM
ORTH
GUARD
Межсимвольные помехи (МСП) (ISI) вызываются взаимодействием одного символа или колебания с другим символом во времени. Наведенные многопутевым распространением МСП можно снизить, предусмотрев защитный интервал. Каждый символ модуляции передается за полный символьный период T, который длиннее, чем активный символьный период T, на период, называемый защитным интервалом T. Это означает, что приемник не будет испытывать никакой межсимвольной помехи при условии, что любое эхо, присутствующее в сигнале, имеет задержку, которая не превышает защитный интервал. Естественно, добавление защитного интервала снижает информационную пропускную способность на величину, зависящую от его длины, что препятствует его применению в системе с одной несущей.
В патенте Германии №4402512 C1 раскрыт способ укорочения канального импульсного отклика (ИО) IR. Чтобы укоротить общий канальный ИО канала связи, содержащего фильтр отправки, физический канал линии электропередачи между передатчиком и приемником и входной или приемный фильтр, передаточная функция приемного фильтра синтезируется после оценки канала во время процедуры взаимного опознавания.
Сущность изобретения
Поэтому цель изобретения состоит в оптимизации эффективности передачи данных посредством мультиплексирования с ортогональным частотным разделением сигналов (МОЧР), в частности, для связи по линиям электропередачи. Эта цель достигается за счет способа инициализации передачи данных МОЧР и модема МОЧР согласно пп.1 и 8 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления очевидны из зависимых пунктов формулы изобретения, причем зависимость пунктов формулы изобретения не следует рассматривать как исключение дальнейших значимых комбинаций пунктов формулы изобретения.
Согласно изобретению длина или длительность защитного интервала или циклического префикса в символе МОЧР выбирается из стартовой метки на каждом запуске модема при инициализации или подготовке передачи данных МОЧР. Длина защитного интервала задается числом L отсчетов в представлении с дискретным временем, а значение L, которое сохраняется для последующей передачи данных, выбирается из множества заранее заданных возможностей. Этот выбор основан на оценке качества канала физической линии, с которой соединен модем. Следовательно, выбранная величина L зависит от реальных условий передачи и не является чрезмерно большой, как в случае, когда производитель модема заранее устанавливает этот параметр с запасом.
Предпочтительно, длина ортогонального интервала, заданная числом N отсчетов в представлении с дискретным временем, выбирается на основе значения, сохраненного для L, и согласно дальнейшим критериям или требованиям, относящимся к эффективности и задержке. Альтернативно, число N отсчетов интервала ортогональности выбирается заранее и учитывается при последующем выборе значения L. В любом случае, используется потенциал оптимизации, предлагаемый более гибким обращением с параметрами L и N системы, чтобы соответствовать изменяющимся условиям в физической линии.
В предпочтительном варианте изобретения длина защитного интервала выбирается так, чтобы быть как можно короче, но больше надлежащим образом определенной длины канального импульсного отклика (ИО) канала связи, содержащего физическую линию. Длина ИО преимущественно минимизируется посредством специально синтезированного или приготовленного входного или приемного фильтра во втором модеме или приемнике, каковой фильтр рассматривается как часть упомянутого канала связи.
В продолжение этого варианта выбирается первое значение L, соответствующее минимальному ориентировочному или целевому защитному интервалу, и на его основе готовится входной фильтр. Длина соответствующего ИО канала связи, включающего в себя упомянутый фильтр, вычисляется и сравнивается с длиной ориентировочного защитного интервала. Если удовлетворяется определенный критерий, первое значение L выбирается как окончательное значение, сохраняющееся для связи, в противном же случае процедура повторяется с увеличенной ориентировочной или целевой длиной защитного интервала до тех пор, пока эта длина не будет согласована с соответствующим ИО.
Краткое описание чертежей
Предмет изобретения будет поясняться более подробно в нижеследующем тексте со ссылкой на предпочтительные примерные варианты осуществления, которые иллюстрируются на приложенных чертежах, где:
Фиг.1 условно показывает компоненты модема МОЧР;
Фиг.2 показывает канал передачи с фильтром передачи, физической линией и приемным фильтром;
Фиг.3 представляет собой блок-схему алгоритма определения оптимальной длины защитного интервала;
Фиг.4 изображает укороченный импульсный отклик, а также оцененную и интерполированную передаточную функцию линии.
Используемые на чертежах ссылочные позиции и их значения перечислены в общем виде в перечне ссылочных позиций. В принципе идентичные части снабжены на чертежах одними и теми же ссылочными позициями.
Подробное описание изобретения
М
М
M
k
O
I
Q
Фиг.1 показывает цифровое воплощение способа модуляции посредством мультиплексирования с ортогональным частотным разделением сигналов (МОЧР) (OFDM). В основном модуляторе 10 МОЧР блок 11 векторных операций КАМ генерирует вектор частотных коэффициентов в соответствии с запараллеленными цифровыми входными битами из цифрового входного сигнала D. Согласно схеме отображения, такой как 2КАМ (квадратурная амплитудная модуляция) или, в качестве ее специального случая, 2ОФМн (относительная фазовая манипуляция), частотные коэффициенты в общем случае являются комплексными 2-ичными символами D. Из этого вектора частотных коэффициентов блок 12 обратного быстрого преобразования Фурье (ОБПФ) генерирует синфазную компоненту I и ортогональную квадратурную компоненту Q цифрового многоканального тонового сигнала. В блоке 13 каждую из этих компонент дополняют циклическим префиксом, что дает две последовательности действительных значений на частоте 1/T дискретизации, т.е. синфазную компоненту O(n) и квадратурную компоненту O(n) модулированного цифрового сигнала.
IO
IO
O
O
O
O
O
I
Q
O
Чтобы подготовить сигнал МОЧР к частотному сдвигу, этим компонентам повышают частоту дискретизации в m раз в блоке 14 повышения частоты дискретизации, где m>(2f+B)T при B, представляющим собой ширину полосы частот в полосе передачи МОЧР, и f, представляющим ее центр или частотный сдвиг, должно удовлетворяться для выполнения теоремы отсчетов. На следующем этапе модуляции в блоке 15 сдвига частоты в модуляторе МОЧР средние частоты спектра для O и O окончательно сдвигаются на ±f. Полученные сигналы суммируются в сумматоре 16 для создания передаваемого сигнала, который затем преобразуется в ЦАП 17 модулятора в аналоговый сигнал Y для усиления и передачи.
k
k
ORTH
s
ORTH
s
GUARD
g
OFDM
ORTH
GUARD
OFDM
ORTH
GUARD
s
s
В системе передачи МОЧР модуляция осуществляется на блоке из M битов данных одновременно, давая согласно схеме кодирования, как подробно изложено ниже, N комплексных чисел C, которые ставятся в соответствие N ортогональным частотам. Обратное быстрое или дискретное преобразование Фурье (ОПФ) (IFT) преобразует эти N комплексных чисел C в дискретный по времени символ или интервал ортогональности, имеющий длину T=t и содержащий N значений комплексных отсчетов, таких что T=t=NT, где T есть период тактирования или дискретизации передатчика. Сигнал для защитного интервала длиной T=t=LT, т.е. содержащий L значений комплексных отсчетов, предшествует в качестве его расширения каждому из символов ортогональности длиной T. Вкратце, каждый символ МОЧР состоит из интервала ортогональности длиной T и защитного интервала длиной T и имеет длину T=T+T=(N+L)/f, где частота f=1/T дискретизации равна частоте Найквиста для полосы передачи в канале.
s
Для оптимального использования доступной полосы частот в канале связи скорость или частота f=1/T дискретизации, с которой генерируются отсчеты передаваемого сигнала, должна быть выбрана близкой к полосе пропускания канала (к примеру, 4 кГц или 32 кГц), которая обычно не является конструктивным параметром, но задается практическим применением. Интервал или разнесение между соседними несущими или частотами передачи обозначается Δf и в дальнейшем предполагается равным символьной частоте, т.е. Δf=1/NT. Поэтому на практике выбор N также определяет Δf, как подробно описано ниже.
Фиг.2 изображает канал 2 связи, как он определен в контексте настоящего изобретения. Канал 2 понимается как содержащий все элементы между модуляцией и циклическим префиксом в модеме 1 отправителя/передатчика и выделение интервала ортогональности и демодуляцию в модеме 3 приемника. В частности, помимо физической линии 21 электропередачи между передатчиком и приемником, фильтр 16 передачи и входной фильтр 32, известный также как приемный фильтр, являются частью канала 2 связи по определению.
GUARD
g
В соответствии с изобретением при ручном или автоматическом выборе защитного интервала, т.е. определении числа N отсчетов, имеющего соответствующую длину T=t=LT, должны соблюдаться следующие требования:
GUARD
CHANNEL
CHANNEL
A) чтобы избежать межсимвольных помех (ISI) между символами МОЧР, длину T защитного интервала нужно выбирать по меньшей мере равной надлежаще определенной длине T функции канального импульсного отклика (ИО) заданного выше канала 2 связи, причем по упомянутому определению главная доля энергии функции канального импульсного отклика ИО содержится в интервале длины T.
B) Эффективность передачи представляет дальнейшее требование, относящееся к выбору целых чисел N и L. Поскольку приемник отбрасывает защитный интервал и выделяет интервал ортогональности для демодуляции, эффективность возрастает с уменьшением длины защитного интервала и может быть удобно определена отношением L/N.
DELAY
OFDM
OFDM
C) Задержка передачи представляет третье требование, влияющее на выбор чисел N и L. Эта задержка имеет место вследствие поблочной передачи обработки сигналов и данных и пропорциональна длине символов МОЧР, и эмпирически T≈5 T. Например, для полосы пропускания канала 4 кГц и N=64 эта задержка близка к 100 мс. В общем, эта задержка может не превышать некоторых верхних пределов вследствие ограничений основополагающего практического применения в реальном времени. Следовательно, если, к примеру, длина защитного интервала задана, максимально допустимая задержка накладывает верхний предел на T.
До настоящего времени известны модемы с фиксированной, заранее заданной или вручную выбираемой длиной интервала ортогональности и защитного интервала с примерными заводскими настройками N=128 или 64 и L=8. В преимущественном варианте осуществления настоящего изобретения и при соблюдении L/N≤1/8 по соображениям эффективности в качестве единственного ограничения могут быть выбраны следующие комбинации L и N:
N
L
64
8
128
8
16
256
8
16
32
512
8
16
32
64
CHANNEL
CHANNEL
GUARD
CHANNEL
Как следствие вышеприведенного требования A), установление минимальной длины защитного интервала тесно связано с длиной T канального импульсного отклика (ИО). Вследствие вышеприведенного определения канала 2 последняя содержит свертку импульсного отклика фильтров 16, 32 и комплексной канальной передаточной функции К физической линии 21 электропередачи. Упомянутый выше патент Германии №4402512, включенный сюда для всех целей посредством ссылки, раскрывает преимущественную процедуру для укорочения канального ИО. Согласно этой процедуре входной или приемный фильтр 32 приемника синтезируется так, чтобы канал связи имел ИО, который концентрирует главную долю энергии в небольшом временном диапазоне, которому для целей данного изобретения назначается длина T укороченного ИО. Успешное укорачивание канального ИО позволяет впоследствии снизить длину защитного интервала без нарушения вышеприведенного требования A), т.е. T≥T. В заключение длину N символа ортогональности можно выбрать в соответствии с вышеприведенной таблицей и требованиями B) и C).
0
MAX
MAX
MAX
1
1
1
Фиг.3 изображает блок-схему алгоритма процедуры адаптации длины защитного интервала. Результат этой процедуры зависит от свойств физической линии 21 канала 2 связи и, в частности, от качества канала, такого как канальная передаточная функция К физической линии 21. Соответственно на подготовительном этапе 40 приемник 3 принимает сигнал, который выдан отправителем 1, как заранее определенный опорный сигнал или последовательность с линейно модулированной частотой (ЛМЧ) (LFM) либо, альтернативно, как псевдошумовой сигнал, покрывающий все частоты канала, по которому можно точно оценить передаточную функцию К. Поскольку передаточная функция К достаточно длинна, начальную оценку опорного сигнала получают по большому числу отсчетов K(k), причем это число связано с максимальной символьной длиной N=512 и L=64 модема 3 и в дальнейшем предполагается равным 2*N. Далее определяется начальное значение L, соответствующее первой целевой длине ориентировочного защитного интервала. Эта первая целевая длина может быть либо наименьшим значением из L, обеспечиваемых модемом, к примеру L=8 или даже L=7, либо наименьшим значением в соответствии с заранее выбранной длиной интервала ортогональности.
MAX
1
0
MAX
1
MAX
MAX
1
На этапе 41 осуществляется вышеуказанная процедура укорочения канального импульсного отклика (ИО). Когда входной или приемный фильтр 32 выполнен общеизвестным способом «без перекрытия» для блочно ориентированной обработки, длина входного фильтра 32 будет ограничена до N-М+1 для минимального времени обработки. Соответственно входной фильтр 32, т.е. передаточную функцию входного или приемного фильтра, нельзя точно вычислить по неизменному числу (2*N) отсчетов из канальной передаточной функции К. Следовательно, синтез или подготовка входного фильтра 32 начинается с выбора L отсчетов путем децимации и, опционально, взвешивания отсчетов K(k) канальной передаточной функции в частотной области. Обратное преобразование Фурье, заполнение нулями и прямое преобразование Фурье дают снова 2*N отсчетов K(k) интерполированной канальной передаточной функции. Из последнего получается 2*N отсчетов синтезированной передаточной функции входного фильтра. Свертка с канальной передаточной функцией К и обратное преобразование Фурье дают в итоге 2*N отсчетов R(n) укороченного канального ИО.
1
1
1
GUARD
1
sel
2
2
1
1
i
3
4
На этапе 42, и как подробно пояснено ниже, определяется количественная мера F, указывающая количественно, до какой степени энергия укороченного импульсного отклика содержится в диапазоне целевой длины L защитного интервала. На этапе 43 принимается решение о том, является ли мера F приемлемой или нет. Иными словами, часть энергии канального импульсного отклика, содержащаяся в части длиной T, используется в качестве меры приемлемости. Если последняя считается достаточной, начальное значение L сохраняется в качестве оптимального значения L для длины L защитного интервала. В противном случае целевую длину увеличивают до следующего более высокого значения L, к примеру L=2*L. Этапы 41 и 43 затем повторяются. Если мера F снова неприемлема, эту процедуру повторяют с еще более увеличенным значением L для целевой длины, т.е. L=32, L=64.
1
1
i
i
Фиг.4 иллюстрирует примерный результат укорочения ИО на этапе 41 на основании чего на этапе 42 определяется мера F. На левой стороне Фиг.4 изображены 2N отсчетов R(n) представления во временной области i-го укороченного ИО в канале связи. Интервал ширины L представляет целевую длину. Посредством статистики Фишера энергия отсчетов внутри движущегося окна шириной W, равной L, вычисляется и сравнивается с полной энергией 2N отсчетов как
1
Максимальное значение для меры F(W), полученной для всех окон шириной W, сравнивается затем с порогом на этапе 43.
0
i
Альтернативно, на правой стороне Фиг.4 изображено представление в частотной области канальной передаточной функции K(k) и i-й интерполированной канальной передаточной функции K(k) в качестве аппроксимации предыдущей. Нормированная разность между двумя этими функциями, вычисленная как
0
i
i
1
определяет другую меру точности передаточной функции и укороченный канальный ИО синтезированного впоследствии фильтра. На деле чем меньше вышеуказанная разность, тем лучше приближение оцененной «истинной» канальной передаточной функции K интерполированной передаточной функцией K и тем короче ИО канала связи, содержащего фильтр, синтезированный на основе интерполированной передаточной функции K. Опять-таки мера F сравнивается с порогом на этапе 43, причем последний фактически может быть определен полуэвристическим образом, но с меньшей неопределенностью, нежели предусмотренный выше порог.
GUARD
sel
s
CHANNEL
MAX
MAX
sel
i
i-1
1
MAX
i
sel
В результате вышеописанной процедуры гарантируется, что длина защитного интервала превышает должным образом определенную длину укороченного импульсного отклика, т.е. T=L/f≥T. На конечном этапе определяется длина N интервала ортогональности путем рассмотрения остальных требований B) и C). Максимальная эффективность достигается для N=N=512. Однако если максимальная задержка для данной комбинации (N+L) не соблюдается, последовательно выбирают следующие меньшие значения N, т.е. N=N/2 при N=N, пока все еще соблюдается требование эффективности, т.е. пока комбинация N, L такая, как представлено в таблице выше.
1
Альтернативно вышеупомянутая процедура, гарантирующая, что длина защитного интервала превышает длину укороченного импульсного отклика, может исполняться после предварительного выбора N оператором на основе полной задержки и (или) критерия эффективности. При учете остальных требований B) и C) наинизшее значение L выбирается из вышеприведенной таблицы, а вход, как L в процедуре укорочения ИО. Если процедура укорочения ИО успешна для данного значения L, эта процедура останавливается, в противном случае проверяется большее L.
sel
sel
Автоматический выбор защитного интервала, как детализировано выше, обычно исполняется как часть процедуры инициализации, выполняемой при запуске модемов, подключенных к линии электропередачи, инициируемом, к примеру, после того как сработал переключатель в первичной сети. О начале этой процедуры сигнализируется посредством предполагаемого кодирования пилот-сигналов, транслируемых первым модемом 1, 3, подключенным к первому концу линии 21 электропередачи. Второй модем 3, 1, подключенный ко второму концу линии 21, извещает о приеме и передаче сигнала ЛМЧ. В первом модеме 1, 3 после оценки канальной передаточной функции укорочение ИО выполняется повторно, и первые оптимизированные значения N и L определяются предварительно. Этот результат затем передается во второй модем 3, 1 посредством устойчивой и избыточной модуляции КАМ4. За счет сравнения со вторыми предварительными оптимизированными значениями N и L определяется окончательная комбинация N, L. Если первые и вторые предварительные значения для N и L расходятся, выбирается более высокое значение для L, а N выбирается, как планируется модемом, предлагающим более высокое значение для L.
sel
Помимо этого, во второй фазе, следующей за запуском модема и в общем случае следующей за любым автоматическим выбором защитного интервала, проверяется сохраненное значение L. Для этой цели канальная передаточная функция повторно оценивается во время передачи данных. Если оказывается, что существующее в настоящий момент значение L недостаточно или субоптимально, инициируется процедура согласно предыдущему абзацу. При связи по линии электропередачи ожидается, что пока нет переключающих действий или отказов в первичной сети, качество канала меняется медленно, т.е. в масштабе часов, главным образом, вследствие погодных условий (влажность, температура). Соответственно такие изменения могут быть сразу учтены посредством непрерывной адаптации входного фильтра.
Перечень обозначений
1 - модем МОЧР
10 - модулятор МОЧР
11 - блок векторных операций КАМ
12 - обратное быстрое преобразование Фурье
13 - циклический префикс
14 - блок повышения частоты дискретизации
15 - блок сдвига по частоте
16 - сумматор
17 - цифроаналоговый преобразователь
2 - канал связи
21 - физическая линия
3 - модем МОЧР
31 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП)
32 - входной/приемный фильтр