УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ ПЕРЕДАЧИ ЦИФРОВЫХ СИГНАЛОВ В УСЛОВИЯХ МЕЖСИМВОЛЬНОЙ ИНТЕРФЕРЕНЦИИ

Устройство для повышения помехоустойчивости передачи цифровых сигналов в условиях межсимвольной интерференции относится к технике радиосвязи, в частности к системам, использующим метод OFDM (orthogonal ƒrequency division multiplexing - мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов) и предназначено для работы в двухсторонних каналах передачи с многолучевым распространением сигналов.
Многолучевое распространение вызывает при приеме взаимное наложение сигналов, пришедших по различным лучам и имеющих различную задержку при распространении, что приводит к неравномерности коэффициента передачи по частотной оси и при использовании цифровых сигналов вызывает наложение и интерференцию соседних символов. Двухсторонние каналы передачи применяются, когда передача информации производится одновременно в двух направлениях и каждая станция интервала передачи является одновременно и приемной, и передающей. Межсимвольная интерференция (МСИ) значительно ухудшает помехоустойчивость передачи сигналов вплоть до полного срыва связи.
Известны различные методы и устройства для борьбы с МСИ, описанные, например, в книгах: Системы мобильной связи, В.И. Ипатов и др. - М.: Горячая линия-Телеком, 2003. - 272 с. или Галкин В.А. Цифровая мобильная связь - М.: Горячая линия-Телеком, 2007. - 432 с.
Один из них заключается в использовании защитных интервалов между соседними символами. Защитные интервалы не несут полезной информации и отсекаются в приемнике. Если длительность защитного интервала будет больше, чем величина расширения символа за счет МСИ, то символы не будут накладываться друг на друга и МСИ не возникнет. Недостатком подобного метода является значительное уменьшение скорости передачи информационных сигналов.
Другой метод основан на использовании эквалайзеров (выравнивателей). Периодически определяется форма частотной характеристики канала передачи во время специальных тестовых сеансов, что легко реализуется в двухсторонних системах передачи. Далее на приемной стороне принятый сигнал пропускается через фильтр с частотной характеристикой, обратной форме частотной характеристики канала. В результате этого общая частотная характеристика более-менее выравнивается и уровень МСИ также уменьшается до приемлемого значения. Недостатком этого метода является то, что в тех местах полосы сигнала, где произошло глубокое замирание, такой фильтр осуществляет большое усиление. При этом значительно возрастает уровень шумов в этом участке. В результате искажения за счет МСИ уменьшаются, а за счет шума они возрастают, и общий результат существенно ухудшается.
Наиболее близким к заявляемому является техническое решение, реализуемое методом OFDM и описанное, например, в книге: Бакунина М.Г. и др. Технология OFDM. - М.: Горячая линия-Телеком, 2015, - 360 с. Оно содержит в передающей части многоканальный коммутатор, блок формирования видеосигналов, блок формирования поднесущих, многоканальный модулятор, сумматор, передатчик основного сигнала и передающую антенну, в приемной части приемник основных сигналов, многоканальный демодулятор, многоканальный коммутатор и приемную антенну.
При реализации метода вся рабочая полоса тракта передачи разбивается на N частных узкополосных каналов передачи, границы которых примыкают к соседним каналам. Непрерывный входной поток информационных символов разбивается на блоки по N символов. Каждый символ с помощью многоканального коммутатора направляется для передачи в своем частном узкополосном канале, при этом номер символа в блоке соответствует номеру частного узкополосного канала, отсчитанному по порядку расположения его спектральной полосы. С помощью блока формирования видеосигналов длительность каждого символа увеличивается в N раз.
В блоке формирования поднесущих вырабатывается N поднесущих частот таким образом, чтобы частота каждой поднесущая была расположена в середине своего частного узкополосного канала. В многоканальном модуляторе с помощью каждой поднесущей модулируется соответствующий символ. Полученные N промодулированных сигналов складываются в сумматоре и формируют общий групповой сигнал, который с помощью передатчика основного сигнала и передающей антенны передается на противоположную станцию
С обоих концов канала передачи станции идентичны. В приемной части с помощью приемной антенны, приемника основного сигнала и многоканального демодулятора сигналы в каждом узкополосном канале демодулируются. С использованием многоканального коммутатора восстанавливается исходный поток передаваемых символов. Уменьшение уровня МСИ происходит из-за того, что длительность каждого символа, передаваемого в своем узкополосном канале, увеличивается в N раз. Если N достаточно велико, то МСИ поражает только самое начало и самый конец каждого символа, и уровень интерференции становится незначительным.
Существенным недостатком данного прототипа является очень большой пик-фактор общего группового сигнала. Сигналы в каждом узкополосном канале независимы, в результате пик-фактор равен N, т.е. средний уровень группового сигнала в N раз меньше его максимального уровня. Таким образом, для передачи сигналов используется средняя мощность, составляющая всего 1/N часть от максимальной мощности передатчика.
В то же время общая помехоустойчивость передачи сигналов может ухудшится за счет двух мешающих факторов - и МСИ, и собственных шумов приемника. При OFDM уменьшается только уровень МСИ. А влияние шумов резко возрастает, поскольку в N раз снижается среднее отношение «сигнал/шум» по мощности. Это может привести к тому, что помехоустойчивость и надежность передачи сигналов окажется недостаточной.
Задачей предлагаемой полезной модели является повышение помехоустойчивости и надежности передачи цифровых сигналов за счет уменьшения пик-фактора используемых OFDM сигналов.
Поставленная задача решается тем, что в устройство для повышения помехоустойчивости передачи цифровых сигналов в условиях межсимвольной интерференции, содержащее первый и второй многоканальные коммутаторы, блок формирования видеосигналов, блок формирования поднесущих, многоканальный модулятор, многоканальный демодулятор, сумматор, передатчик основного сигнала, приемник основного сигнала, передающую антенну и приемную антенну, введены передатчик служебного канала, приемник служебного канала, генератор тестовых сигналов, коммутатор, блок сравнения, блок фильтров, блок коммутируемых фильтров, блок памяти и блок управления, при этом вход первого многоканального коммутатора подключен к входу устройства, его многоканальный выход через блок формирования видеосигналов соединен с многоканальным входом многоканального модулятора, а его многоканальный выход - с многоканальным входом сумматора, многоканальный выход блока формирования поднесущих подключен к другому многоканальному входу многоканального модулятора, выход сумматора соединен с одним из сигнальных входов коммутатора, другой его многоканальный сигнальный вход соединен с выходом генератора тестовых сигналов, а выход коммутатора через передатчик основного сигнала - с входом передающей антенны, выход приемной антенны подключен к входу приемника основного сигнала и входу приемника служебного канала, выход приемника основного сигнала подключен к входу блока фильтров и через последовательно соединенные блок коммутируемых фильтров, многоканальный демодулятор и второй многоканальный коммутатор подключен к выходу устройства, многоканальный выход блока фильтров соединен с многоканальным входом блока сравнения, а его выход через передатчик служебного канала - со входом передающей антенны, выход блока управления соединен с управляющими входами блока формирования поднесущих, блока формирования видеосигналов, коммутатора, и блока коммутируемых фильтров.
На чертеже фиг. 1 представлена структурная схема устройства для повышения помехоустойчивости передачи цифровых сигналов в условиях межсимвольной интерференции.
На чертеже фиг. 2 приведен пример распределения полос частных узкополосных каналов в предлагаемом устройстве.
На чертеже фиг 3. приведен пример получаемых частных видеосигналов во временной области.
На чертеже фиг. 1 обозначены: первый 1 и второй 2 многоканальные коммутаторы, блок формирования видеосигналов 3, блок фомирования поднесущих 4, многоканальный модулятор 5, сумматор 6, передатчик основного сигнала 7, передатчик служебного канала 8, приемник основного сигнала 9, приемник служебного канала 10, генератор тестовых сигналов 11, коммутатор 12, многоканальный демодулятор 13, блок фильтров 14, блок коммутируемых фильтров 15, блок сравнения 16, блок памяти 17, блок управления 18, передающая антенна 19 и приемная антенна 20.
0
Блоки устройства работают следующим образом. Схема станций на обоих концах канала передачи одинакова. Каждая из них содержит передающую часть и приемную часть. Поток информационных символов, который нужно передать по системе передачи, поступает на вход первого многоканального коммутатора 1. Длительность этих исходных символов равна Т. Здесь он разделяется на N отдельных подпотоков. Для этого непрерывный поступивший поток разделяется на блоки из N подряд идущих символов. Символы каждого блока последовательно подаются на вход блока формирования видеосигналов 3.
В блоке формирования видеосигналов формируются группы из нескольких подряд идущих символов. В любую из групп может входить от одного до N подряд идущих символов. Количество символов, включаемых в каждую группу, регулируется блоком управления 18.
0
0
В случае сильно изрезанной частотной характеристики канала передачи используется по отдельности все N узкополосных каналов, а в каждой группе присутствует только по одному символу, как и в «классическом» методе OFDM. Полоса пропускания всех фильтров имеет одинаковую ширину и равна П. Длительность каждого сформированного видеосигнала равна NT. В этом случае блок формирования поднесущих вырабатывает N поднесущих частот, каждая из которых расположена в середине полосы пропускания своего частного узкополосного канала. Символы и поднесущие подаются на многоканальный модулятор 5. В нем производится модуляция каждого символа на свою поднесущую. После этого все полученные промодулированные сигналы складываются в сумматоре 6, после чего полученный общий групповой сигнал подается на один из входов коммутатора 12.
0
В системе периодически определяется форма частотной характеристики канала передачи. Для этого периодически проводятся тестовые сеансы. Их периодичность зависит от скорости изменения формы характеристики канала. Тестирование производится излучением тестового сигнала, состоящего из N частных тестовых сигналов, представляющих собой одинаковые по уровню синусоидальные напряжения, частоты которых находятся в середине полос П всех частных узкополосных каналов. Набор соответствующих частот вырабатывается генератором тестовых сигналов 11, и полученный общий тестовый сигнал подается на другой вход коммутатора 12.
Коммутатор 12 на интервале тестирования подключает к своему выходу сигнал от генератора тестовых сигналов 11. На время передачи информационного потока коммутатор 12 подключает на свой выход выходной сигнал с выхода сумматора 6. Сигнал с выхода коммутатора 12 поступает на передатчик основного сигнала 7 и с помощью передающей антенны 19 излучается в канал передачи. Работа коммутатора управляется блоком управления 18.
В приемной части противоположной станции сигнал принимается приемной антенной 20 и обрабатывается приемником основного сигнала 9. После него сигнал поступает на входы блока фильтров 14 и блока коммутируемых фильтров 15. Блок фильтров 14 используется во время тестовых сигналов. Он состоит из N узкополосных фильтров, каждый из которых выделяет свою тестовую частоту. Набор выделенных частот поступает на блок сравнения 16. Там уровни полученных частот сравниваются, посредством чего измеряются коэффициенты передачи канала на тестовых частотах. Результаты измерения коэффициента передачи транслируются обратно на рассматриваемую станцию по служебному каналу с помощью передатчика служебного канала 8.
0
Между тестовыми сеансами, когда происходит передача информационного потока, сигнал, принятый приемником основного сигнала 9, используется блоком коммутируемых фильтров 15. Блок коммутируемых фильтров 15 состоит из N узкополосных фильтров с полосой ширины П, полосы соседних фильтров примыкают друг к другу.
0
0
Все фильтры можно использовать либо по отдельности, либо из нескольких фильтров с рядом расположенными полосами пропускания формировать один фильтр, полоса которого в несколько раз больше, чем П. Для этого выходы нескольких рядом расположены фильтров можно совместно подключать к необходимому выходу блока коммутируемых фильтров 15. Многоканальный выход блока коммутируемых фильтров соединяется с многоканальным входом многоканального демодулятора. В нем выходные сигналы фильтров демодулируются. Далее с помощью второго многоканального коммутатора 2 сигналы поочередно подключаются к выходу устройства. Коммутатор переключается через интервал времени Т, таким образом, на выход устройства подается последовательность символов с такими же параметрами, как и исходная передаваемая информационная последовательность.
В случае сильной изрезанности формы частотной характеристики канала передачи, уровни соседних тестовых частот значительно различаются, что определяется блоком сравнения 16 противоположной станции. При этом устройство в целом работает, как «классическая» система с OFDM. Каждый из N сигналов блока формирования видеосигналов 3 передается в своем узкополосном канале и имеет в N раз большую длительность, в результате он повреждается МСИ в небольшой мере. В приемнике все сигналы раздельно демодулируются и с помощью коммутации поочередно формируют принятую последовательность, подаваемую на выход устройства.
0
0
0
Однако форма частотной характеристики многолучевых каналов постоянно изменяется по времени. На длительных интервалах времени она бывает достаточно равномерной на отдельных участках полосы тракта передачи. В то же время МСИ возникают именно из-за неравномерности частотной характеристики. Если достаточно равномерные участки - протяженные по частотной оси, например, занимают полосу шириной КП, то нет необходимости на этих участках использовать несколько узкополосных фильтров, а можно использовать один фильтр с более широкой полосой пропускания, равной КП. Раз имеется в распоряжении такая более широкая полоса, то и в ней можно передавать более короткие символы длительностью (N/K)T.
В этой расширенной полосе передается не один, как ранее, а К входных информационных символов. Таким образом, в групповом сигнале присутствуют не Т независимых сигналов, а меньшее их число. В результате пик-фактор передаваемого сигнала снижается, возрастает среднее отношение «сигнал/шум» и увеличивается помехоустойчивость передачи. В общем протяженном по времени сеансе связи постоянно определяется наличие таких достаточно равномерных участков в общей полосе частот тракта передачи и адаптивно регулируется количество используемых поднесущих для снижения пик-фактора и увеличения помехоустойчивости передачи.
Наличие равномерных участков в полосе тракта передачи определяется во время тестовых сеансов блоком сравнения 16, который сравнивает уровни принятых соседних тестовых частот, принятых по каналу передачи, и выявляет соответствующие номера соседних узкополосных каналов, которые можно объединить в один канал. Эта информация транслируется по служебному каналу на противоположную станцию. Там она в блоке памяти 17 запоминается до следующего тестового сеанса и используется блоком управления 18 для управления блоком формирования видеосигналов 3 и блоком формирования поднесущих 4.
0
0
0
0
Если в каком-то участке полосы тракта передачи сигналов определено наличии равномерного участка, то выделяется группа из К входных информационных символов с номерами, которые соответствовали полосам узкополосных фильтров, расположенным на этом участке. Из них формируются символы длительностью не NT, как было в «классическом» OFDM, а меньшей длительности, равной (N/K)T. Кроме того, поскольку длительность этих символов уменьшается, поэтому для сохранения равенства энергии всех символов независимо от длительности, у символов этой группы увеличивается их уровень. Поскольку энергия символа зависит от его длительности, то у символов этой группы их уровень в  раз выше, чем одиночных символов длительности Т, передаваемых по отдельности в своих узкополосных каналах. Группа этих более коротких символов передается в более широкой полосе, равной КП, составленной из К узких полос.
0
В этих условиях уменьшается и количество поднесущих, формируемых блоком формирования поднесущих 4. Для модуляции и передачи группы символов в области используемого равномерного участка частотной характеристики канала поднесущая формируется в центре используемой более широкой полосы КП. Работой блока формирования видеосигналов 3 и блока формирования поднесущей 4 управляет блок управления 18.
10
1
2
6
9
10
2
3
4
7
8
Принцип работы заявляемого устройства заключается в следующем. В качестве примера рассмотрим графики фиг. 2. На верхнем графике представлена характерная форма частотной характеристики K(ƒ) многолучевого канала передачи. Пример приведен для случая разделения общей полосы тракта на десять полос с десятью возможными поднесущими на частотах ƒ1 ÷ ƒ. Форма частотной характеристики имеет выраженную изрезанность в районе частот ƒ, ƒ, ƒ, ƒ, ƒ. В районе же частот ƒ, ƒ, ƒ, а также частот ƒ, ƒ характеристика достаточно равномерная.
1
10
При использовании «классического» метода OFDM формируются блоки из десяти подряд идущих информационных символов. Для них используется все десять поднесущих частот ƒ÷ƒ, на каждой из них передается удлиненный в десять раз соответствующий информационный символ.
3
П3
5
П5
В предлагаемом устройстве используется не десять, а семь каналов передачи на семи поднесущих, как показано на нижнем рисунке фиг. 2. Третий, четвертый и пятый символы образуют группу. Для ее передачи используется полоса П, ранее занимаемая третьим, четвертым и пятым узкополосными фильтрами. Теперь длительность этих символов уменьшилась в три раза, и для их передачи необходима примененная полоса утроенной ширины. Для них формируется поднесущая ƒ, расположенная в центре утроенной полосы. Точно также участок частотной оси, ранее занимаемый седьмым и восьмым узкополосными фильтрами, используется единой полосой П. В ней передаются седьмой и восьмой символы блока. Поднесущая ƒ для них также расположена в середине объединенной полосы.
0
1
7
На рисунке фиг. 3 приведены графики получаемых сигналов во временной области. Сигнал S - исходный информационный поток символов. Теперь используется не десять, а семь частных каналов передачи S ÷ S. По первому, второму, четвертому, шестому и седьмому каналу передаются символы, не образующие группу. По третьему и пятому каналам передаются группы более коротких символов, но большего уровня. В данном случае, если уровень одиночных символов принять за единицу, то уровень символов, передаваемых по третьему и пятому каналам равен, соответственно,  и . При этом общая мощность группового сигнала не возрастает, а величина пик-фактора за счет уменьшения числа каналов уменьшается.
Рассчитаем выигрыш в общем случае в отношении «сигнал/шум» при применении предлагаемого устройства.
k
k
0
Пусть в результате анализа формы частотной характеристики канала имеющиеся N каналов будут объединены в М групп, к - номер каждой группы, k=1÷М, по n каналов в каждой группе, . (Каналы, оставшиеся одиночными, тоже для удобства считаем группой с n=1). Тогда, исходя из требования одинаковой вероятности ошибки во всех каналах, амплитуда k-то канала должна быть равна , где U - амплитуда одиночного канала. Максимальный уровень группового сигнала будет равен , его мощность: . Средняя мощность группового сигнала равна: . Пик-фактор при этом будет равен: .
1
2
4
6
7
3
5
Выигрыш в пик-факторе зависит от варианта объединения каналов в группы. При изменении формы частотной характеристики K(ƒ) устройство изменяет вариант объединения. Для рассмотренного примера N=10, М=7, n=n=n=n=n=1, n=3, n=2. Величина пик-фактора при этом будет равна 6,64. А без применения предлагаемого устройства при тех же условиях величина пик-фактора была равна 10. Использование устройства дает выигрыш по отношению «сигнал/шум», равное 1,51 раза или 1,8 дБ.
Таким образом, применение предлагаемого устройства в двухсторонних системах связи с OFDM позволяет за счет снижения пик-фактора сигналов повысить помехоустойчивость и надежность передачи цифровых сигналов.