ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЙ МОДЕМ С КОМБИНИРОВАННОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ
SERIAL MODEM WITH COMBINED FEEDBACK

Предлагаемое изобретение предназначено для использования в системах связи, применяемых для передачи информации по каналам связи с межсимвольной интерференцией (МСИ), например, по многолучевым коротковолновым (KB) каналам.
В настоящее время наиболее эффективным способом борьбы с МСИ является использование турбоэквалайзеров, представляющих собой устройства, состоящие из: 1) собственно эквалайзера с «мягким» входом и выходом - SISO эквалайзера; 2) SISO декодера с «мягким» входом и выходом. Турбоэквалайзер производит итеративную обработку реализации сигнала, соответствующей одному кодовому слову. Выходная информация о принятых из канала битах (или символах), полученная на каждой ступени обработки (на выходе SISO декодера или SISO эквалайзера), является входной информацией на каждой последующей ступени обработки.
На данном принципе основаны многие способы обработки сигнала и устройства, их реализующие, например, приведенные в статьях [1-4].
Недостатком известных способов является высокая вычислительная сложность алгоритмов обработки сигнала.
Поэтому задача снижения вычислительной сложности является крайне важной.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ, представленный в статье [5], принятый за прототип.
Способ-прототип заключается в следующем.
n
n
k
k
k
k
k
Принимаемый из канала связи сигнал у(t) (входная информация) демодулируется, формируется последовательность комплексных чисел у, соответствующих точкам в сигнальном созвездии (принятым символам). Демодулированный сигнал y подвергается эквалайзингу с учетом априорных «мягких» оценок символов  (на первой итерации равны нулю), формируется последовательность LLR символов . Последовательность LLR символов  преобразуется в последовательность LLR бит . Последовательность LLR бит  деперемешивается, формируется последовательность LLR бит . Последовательность LLR бит  депрокалывается, формируется последовательность LLR бит L, которая декодируется, формируется последовательность LLR бит M. Если заданное количество итераций эквалайзера еще не закончилось, последовательность LLR бит M прокалывается, формируется последовательность LLR бит . Последовательность LLR бит  перемешивается, формируется последовательность LLR бит . Последовательность LLR бит  преобразуется в последовательность LLR символов , которая используется для расчета надежности оцененных декодером символов, что необходимо при пересчете коэффициентов фильтров эквалайзера. Кроме того, последовательность LLR символов  преобразуется в последовательность «мягких» оценок символов , которая является априорной информацией для SISO эквалайзера. Если заданное количество итераций эквалайзера закончилось, последовательность LLR бит M детектируется, формируется последовательность оценок бит s.
Недостатком способа-прототипа является высокая вычислительная сложность алгоритмов обработки сигнала, не позволяющая использовать большое количество итераций эквалайзера в реальном времени, а также невозможность повышения помехоустойчивости в случае высокой надежности отдельных символов.
n
n
k
k
k
Для устранения указанных недостатков в способе, заключающемся в том, что принимаемый из канала связи сигнал y(t) демодулируется, формируется последовательность комплексных чисел y, соответствующих точкам в сигнальном созвездии, далее демодулированный сигнал y подвергается эквалайзингу с учетом априорных «мягких» оценок символов , которые на первой итерации равны нулю, формируется последовательность LLR символов , которая преобразуется в последовательность LLR бит , которая деперемешивается, формируется последовательность LLR бит , которая депрокалывается, формируется последовательность LLR бит L, которая декодируется, формируется последовательность LLR бит M, если заданное количество итераций эквалайзера еще не закончилось, то последовательность LLR бит M прокалывается, формируется последовательность LLR бит , которая перемешивается, формируется последовательность LLR бит , которая преобразуется в последовательность LLR символов , которая используется для расчета надежности оцененных декодером символов, что необходимо при пересчете коэффициентов фильтров эквалайзера, кроме того, последовательность LLR символов  преобразуется в последовательность «мягких» оценок символов , которая является априорной информацией для SISO эквалайзера, согласно изобретению, из последовательности LLR символов  формируют последовательность оценок символов , состоящую частично из «мягких» оценок символов , частично - из «жестких» , которая является априорной информацией для SISO эквалайзера, причем выбор между «мягкими» и «жесткими» оценками символов определяется на основе расчета надежности оцененных декодером символов.
Предлагаемый способ итеративной обработки сигнала для последовательного модема с комбинированной обратной связью заключается в следующем.
n
n
k
k
k
k
k
Принимаемый из канала связи сигнал y(t) (входная информация) демодулируется, формируется последовательность комплексных чисел у, соответствующих точкам в сигнальном созвездии (принятым символам). Далее демодулированный сигнал y подвергается эквалайзингу с учетом априорных оценок символов: «мягких» -  или «жестких» -  (на первой итерации равны нулю), формируется последовательность LLR символов . Последовательность LLR символов  преобразуется в последовательность LLR бит . Последовательность LLR бит  деперемешивается, формируется последовательность LLR бит . Последовательность LLR бит  депрокалывается, формируется последовательность LLR бит L, которая декодируется, формируется последовательность LLR бит M. Если заданное количество итераций эквалайзера еще не закончилось, последовательность LLR бит M прокалывается, формируется последовательность LLR бит . Последовательность LLR бит  перемешивается, формируется последовательность LLR бит . Последовательность LLR бит  преобразуется в последовательность LLR символов , которая используется для расчета надежности оцененных декодером символов, что необходимо при пересчете коэффициентов фильтров эквалайзера. Кроме того, последовательность LLR символов  преобразуется в последовательность оценок символов , состоящую частично из «мягких» оценок символов , частично - из «жестких» , которая является априорной информацией для SISO эквалайзера. В качестве оценок символов, надежность которых высока (больше некоторого порогового значения, определяемого экспериментально), формируются «жесткие» решения , иначе - «мягкие» решения  (как в прототипе). Если заданное количество итераций эквалайзера закончилось, последовательность LLR бит M детектируется, формируется последовательность оценок бит s.
Предлагаемое техническое решение позволяет заметно снизить требуемую вычислительную мощность и в ряде случаев добиться повышения помехоустойчивости модема.
Снижение вычислительной нагрузки происходит за счет отказа от выполнения расчета «мягких» оценок декодированных символов (формируемых в кольце обратной связи турбоэквалайзера) для тех символов, чьи правдоподобия превышают величину некоторого порогового значения. Данные оценки являются затратными в вычислительном отношении операциями, т.к. для каждого символа требуют вычислений экспоненциальных функций, количество которых соответствует количеству сигнальных точек в созвездии.
Повышение помехоустойчивости объясняется следующими причинами: введение «жестких» решений эквивалентно использованию ограничителя, а, как известно, ограничитель обладает свойством подавления на своем выходе слабого сигнала более сильным. Поэтому для достаточно надежных оценок символов целесообразно использовать «жесткие» решения вместо «мягких», а для ненадежных оценок символов - нет. Информация о надежности оценок, в любом случае, формируется декодером для расчета коэффициентов трансверсальных фильтров эквалайзера, и следовательно, она уже имеется, а значит, может быть использована и в данном случае.
Таким образом, предлагаемый способ является более устойчивым (робастным) по отношению к отклонению статистики помех от предполагаемой, что важно для практически применяемых устройств обработки сигнала, кроме того, предлагаемый способ за счет символов, надежность которых выше некоторого порогового значения, позволяет снизить вычислительные затраты, а также повысить помехоустойчивость.
Известны модемы [1-4], одной из основных проблем которых является высокая вычислительная сложность реализации соответствующих алгоритмов обработки сигнала. По этой причине во всех реализуемых схемах отказываются от использования теоретически оптимальных методов, заменяя их субоптимальными, требующими гораздо меньшего количества выполняемых операций. Таким образом, задача достижения необходимого компромисса между вычислительной сложностью и характеристиками является крайне важной.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство, описанное в [5], принятое за прототип.
Блок-схема устройства-прототипа представлена на фиг.1, где обозначено:
1 - согласованный фильтр демодулятора;
2 - SISO эквалайзер;
3 - блок преобразования LLR символов в LLR бит;
4 - деперемежитель;
5 - депрокалыватель;
6 - SISO декодер;
7 - блок расчета надежности оценок символов;
8 - формирователь «мягких» оценок символов;
9 - блок преобразования LLR бит в LLR символов;
10 - перемежитель;
11 - прокалыватель;
12 - переключатель;
13 - детектор;
у(t) - сигнал, принимаемый из канала связи;
n
y - последовательность комплексных чисел на выходе демодулятора;
- последовательность LLR символов на выходе SISO эквалайзера;
- последовательность LLR бит, полученная из последовательности LLR символов ;
- то же, после деперемежителя;
k
L - то же, после депрокалывателя;
k
M - то же, после SISO декодера;
- то же, после прокалывателя;
- то же, после перемежителя;
- последовательность LLR символов, полученная из последовательности LLR бит ;
- последовательность «мягких» оценок символов;
k
s - последовательность оценок бит после детектора.
Устройство-прототип содержит последовательно соединенные согласованный фильтр демодулятора 1, SISO эквалайзер 2, блок преобразования LLR символов в LLR бит 3, деперемежитель 4, депрокалыватель 5 и SISO декодер 6, выход которого соединен с входом переключателя 12, первый выход которого соединен с входом детектора 13, выход которого является выходом устройства. Второй выход переключателя 12 через последовательно соединенные прокалыватель 11, перемежитель 10, блок преобразования LLR бит в LLR символов 9 и блок расчета надежности оценок символов 7 соединен с третьим входом SISO эквалайзера 2. Выход блока преобразования LLR бит в LLR символов 9 соединен с входом формирователя «мягких» оценок символов 8, выход которого соединен со вторым входом SISO эквалайзера 2. Вход согласованного фильтра демодулятора 1 является входом устройства.
Устройство-прототип работает следующим образом.
n
k
k
k
k
k
Принятый из канала связи сигнал у(t), искаженный МСИ, в смеси с шумом поступает на согласованный фильтр демодулятора 1, где преобразуется в последовательность входных отсчетов в виде комплексных чисел у. Затем SISO эквалайзер 2 с учетом априорных «мягких» оценок символов  (на первой итерации равны нулю) формирует из них последовательность LLR символов . Затем блок преобразования LLR символов в LLR бит 3 формирует из них последовательность LLR бит . Деперемежитель 4 восстанавливает исходный порядок следования LLR бит , соответствующий исходной закодированной последовательности бит. Депрокалыватель 5 восстанавливает «проколотые» по заданному закону биты, заполняя их позиции нулями, формируя последовательность LLR бит L. SISO декодер 6 декодирует последовательность LLR бит L, формируя новую последовательность LLR бит M, более правдоподобную, благодаря исправляющим свойствам используемого помехоустойчивого кода. Последовательность LLR бит M через переключатель 12 подается на прокалыватель 11, который по определенному закону вновь «прокалывает» в ней биты, формируя последовательность LLR бит . Эта последовательность поступает на перемежитель 10, который формирует перемешанную последовательность LLR бит , которая подается на блок преобразования LLR бит в LLR символов 9, где преобразуется в последовательность LLR символов . Последовательность LLR символов  поступает на блок расчета надежности оценок символов 7, который на основе указанной надежности управляет расчетом коэффициентов фильтров в эквалайзере. Кроме того, последовательность LLR символов  с выхода блока преобразования LLR бит в LLR символов 9 подается на формирователь «мягких» оценок символов 8. Полученные оценки  подаются на второй вход SISO эквалайзера 2 в качестве априорной информации. SISO эквалайзер 2 вновь формирует (уже уточненные) LLR символов  и т.д. Данная итеративная процедура (турбоэквалайзинг) повторяется заданное количество раз, после чего переключатель 12 переводится в другое положение, и выход SISO декодера 6 подается на детектор 13, который формирует последовательность оценок бит s.
Недостатком устройства-прототипа является невозможность использования большого количества итераций эквалайзера в реальном времени из-за высокой вычислительной сложности алгоритмов обработки сигнала, а также невозможность повышения помехоустойчивости в случае высокой надежности отдельных символов.
Для устранения указанного недостатка в последовательный модем с комбинированной обратной связью, содержащий последовательно соединенные согласованный фильтр демодулятора, SISO эквалайзер, блок преобразования LLR символов в LLR бит, деперемежитель, депрокалыватель и SISO декодер, выход которого соединен с входом переключателя, первый выход которого соединен с входом детектора, выход которого является выходом устройства, причем второй выход переключателя через последовательно соединенные прокалыватель, перемежитель, блок преобразования LLR бит в LLR символов и блок расчета надежности оценок символов соединен с третьим входом SISO эквалайзера, а выход формирователя «мягких» оценок символов соединен со вторым входом SISO эквалайзера, причем вход согласованного фильтра демодулятора является входом устройства, согласно изобретению, введены формирователь «жестких» оценок символов и второй переключатель, первый вход которого соединен с выходом блока преобразования LLR бит в LLR символов, второй вход соединен с блоком расчета надежности оценок символов, первый выход - с входом формирователя «мягких» оценок символов, а второй выход - с формирователем «жестких» оценок символов, выход которого соединен со вторым входом SISO эквалайзера.
Блок-схема предлагаемого модема представлена на фиг.2, где обозначено:
1-11, 13 - как на схеме прототипа;
12.1, 12.2 - первый и второй переключатели;
14 - формирователь «жестких» оценок символов;
- последовательность оценок символов;
- последовательность «жестких» оценок символов;
остальные последовательности и сигналы - как на схеме прототипа.
Предлагаемое устройство содержит последовательно соединенные согласованный фильтр демодулятора 1, SISO эквалайзер 2, блок преобразования LLR символов в LLR бит 3, деперемежитель 4, депрокалыватель 5 и SISO декодер 6, выход которого соединен с входом переключателя 12.1, первый выход которого соединен с входом детектора 13, выход которого является выходом устройства. Второй выход переключателя 12.1 через последовательно соединенные прокалыватель 11, перемежитель 10, блок преобразования LLR бит в LLR символов 9 и блок расчета надежности оценок символов 7 соединен с третьим входом SISO эквалайзера 2. Выход блока преобразования LLR бит в LLR символов 9 соединен с первым входом переключателя 12.2, первый выход которого через формирователь «мягких» оценок символов 8 соединен со вторым входом SISO эквалайзера 2. Выход блока расчета надежности оценок символов 7 соединен со вторым входом переключателя 12.2, второй выход которого через формирователь «жестких» оценок символов 14 соединен со вторым входом SISO эквалайзера 2. Вход согласованного фильтра демодулятора 1 является входом устройства.
Предлагаемое устройство работает аналогично устройству-прототипу, за исключением одного момента.
Априорной информацией для SISO эквалайзера является не последовательность «мягких» оценок символов , а последовательность оценок символов , состоящая как из «мягких» (), так и из «жестких» оценок символов , причем формирование последних - гораздо менее затратная в вычислительном плане операция. Выбор, какую оценку формировать для каждого символа, определяется на основе расчета надежности оценки данного символа.
Особенно заметным может быть выигрыш по помехоустойчивости, когда статистика помех на входе модема отличается от той, которая была использована при расчете его параметров. Такое часто имеет место в реальном канале связи, когда на вход приемника могут воздействовать помехи различного происхождения, а расчет, как правило, всегда проводится по некоторой их усредненной модели, чаще всего исходя из предположения нормального распределения уровня и равномерного энергетического спектра помехи.
Таким образом, предлагаемое устройство повышает вероятность достоверного приема информации, улучшая помехоустойчивость аппаратуры связи за счет более рационального использования вычислительных ресурсов.
Источники информации:
1. Douillard, С., Jézéquel, M., Berrou, С., Picart, A., Didier, P. and Glavieux, A.: 1995, Iterative correction of intersymbol interference: Turboequalization, Eur. Trans. Telecommunications 6(5), 507-511.
2. Glavieux, A., Laot, C. and Labat, J.: 1997, Turbo equalization over a frequency selective channel, Proc. Int. Symp. on Turbo Codes & Related Topics, ENST Bretagne, Brest, France, pp.96-102.
3. Nieto, J.W.: 2005, Iterative equalization and decoding of STANAG 4539 9600 bps HF waveforms.
4. Otnes, R. and Tüchler, M.: 2001, Block SISO linear equalizers for turbo equalization in serial-tone HF modems.
5. Tüchler, M., Koetter, R. and Singer, A.C.: 2002, Turbo equalization: Principles and new results, IEEE Trans. Communications 50(5), 754-767.