КОРРЕЛЯЦИОННЫЙ АДАПТИВНЫЙ ИНВАРИАНТНЫЙ ЭХОКОМПЕНСАТОР

Предлагаемая полезная модель относится к области электросвязи и может быть использована при модернизации существующих и создания новых дуплексных систем передачи информации.
Известно, что эхосигналы в дуплексных каналах возникают из-за неидеальной работы устройств, разделяющих встречные направления передачи [1]. В результате этого между передатчиком и собственным приемником образуется паразитный эхотракт, влияние которого должно быть нейтрализовано дополнительными средствами - эхокомпенсаторами. В [2] был синтезирован инвариантный эхокомпенсатор, использующий в своей работе сохраняющиеся отношения длин векторов передаваемых сигналов с подобными формами (совпадающими с точностью до постоянного множителя). Это отношение является инвариантом для любой линейной системы, в том числе и эхотракта.
Недостатком известного инвариантного эхокомпенсатора является отсутствие адаптивности к изменениям параметров эхотракта, что может происходить при разбалансировке дифференциальной системы в следствие изменения характеристик канала связи после завершения этапа обучения эхокомпенсатора. При этом сигнал на выходе инвариантного эхокомпенсатора можно записать в виде
вых эк
пер
пр
S(t)=kS(t)+S(t),
пер
где S(t) - передаваемый сигнал;
пр
S(t) - принимаемый сигнал;
k - коэффициент передачи паразитного эхотракта;
пер
kS(t) - погрешность эхокомпенсации.
Адаптивность к изменениям параметров эхотракта реализована в полезной модели «Адаптивный инвариантный эхокомпенсатор [3]».
nep
В этой модели осуществляется непрерывное оценивание величины k, формирование компенсирующих сигналов kS(t) и вычитание их из суммы принимаемых и компенсируемых эхосигналов, что и обеспечивает адаптивность инвариантного эхокомпенсатора.
На фиг. 1 представлена структурная схема адаптивного инвариантного эхокомпенсатора (прототипа), которая состоит из контура вычисления управляющих сигналов, двух контуров эхокомпенсации и модуля адаптации.
1
2
Принцип работы этой схемы предполагает этап обучения, во время которого сигналы от противоположной стороны должны отсутствовать, а передатчик передает обучающий сигнал единичной амплитуды, записываемый в блок памяти БП а отклик эхотракта на него - в блок памяти БП.
1
1
2
В режиме передачи сообщений временные отсчеты передаваемых сигналов через ключ К поступают на вход блока памяти БП, где хранятся в течение временного интервала дискретизации, и на первый вход делителя 1, который вычисляет управляющий сигнал, равный отношению двух временных отсчетов сигнала передатчика, передаваемых в данный и предыдущий моменты времени. В следствие свойства инвариантности - сохранения величины такого же отношения для соответствующих отсчетов эхосигнала на выходе дифференциальной системы (т.е. на выходе паразитного эхотроакта) - умножение посредствам умножителя 1 эха от предыдущего отсчета передаваемого сигнала, хранящегося во втором блоке памяти БП, на управляющий сигнал дает величину эха от передаваемого в данный момент отсчета сигнала передатчика. При вычитании с помощью вычитателя 1 рассчитанной таким образом величины эха из суммы реального эха и принимаемого сигнала осуществляется компенсация эха первым контуром эхокомпенсатора.
3
Однако первый контур, устраняя сигналы эха, одновременно изменяет структуру принимаемых сигналов. Для ее восстановления служит второй (нижний) контур, который имеет зеркальную структуру, состоящую из сумматора 1, умножителя 2, блока памяти БП.
В результате изменения частотно-временных характеристик используемого канала связи после этапа обучения происходит разбалансировка дифференциальной системы, в результате чего во втором контуре возникают эхосигналы, повторяющие с точностью до неизвестного множителя k форму передаваемых сигналов. Для устранения возникших эхосигналов используется модуль адаптации, содержащий делитель 2, интегратор 1, делитель 3, умножитель 3, вычитатель 2. При этом посредством делителя 2, интегратора 1 и делителя 3 происходит вычисление оценки величины k
где Т- интервал интегрирования, превосходящий, как минимум, на два порядка длительность передаваемых и принимаемых сигналов.
пр
пер
При указанном условии и некоррелированности S(t) и S(t), что гарантированно обеспечивается процедурами скремблирования сигналов на обеих сторонах системы связи, последнее слагаемое в (1) будет вносить незначительную погрешность в оценку k.
пер
После определения k с помощью умножителя 3 происходит формирование компенсирующих эхосигналов kS(t), а затем в вычитателе 2 их компенсация.
0
Недостатком адаптивного инвариантного эхокомпенсатора является наличие погрешности эхокомпенсации, обусловленной помехами, поступающими на вход эхокомпенсатора из канала связи. Так, если в канале действует помеха типа белого шума со спектральной плотностью мощости G, то дисперсия погрешности оценки коэффициента передачи паразитного эхотракта, вызвана помехой, будет равна
0C
где Е -энергия обращенного передаваемого сигнала
обр
пер
S(t)=1/S(t)->вычисленная на интервале скользящего интегрирования длительностью Т.
Целью полезной модели является повышение точности эхокомпенсации адаптивного эхокомпенсатора путем уменьшения погрешности эхокомпенсации, обусловленной влиянием помехи в канале связи.
Поставленная цель достигается тем, что в схему адаптивного инвариантного эхокомпенсатора (фиг. 1) вместо делителя 2 введен умножитель 4, включены дополнительные блоки: интегратор 2 и квадратор Кв (блок возведения величин отсчетов сигналов во вторую степень).
На фиг. 2 представлена схема корреляционного адаптивного инвариантного эхокомпенсатора.
3
1
При этом первый вход умножителя 4 подключен к входу блока памяти БП второго контура эхокомпенсатора, а второй вход - к выходу ключа К, выход умножителя 4 подключен к входу первого интегратора, выход которого соединен с первым входом второго делителя.
1
Выход ключа К соединен с входом квадратора Кв, выход которого подключен к входу второго интегратора, а выход второго интегратора - ко второму входу второго делителя.
1
Выход второго делителя соединен с первым входом третьего умножителя, второй вход которого подключен к выходу ключа К.
3
Выход третьего умножителя соединен со вторым входом второго вычитателя, первый вход которого подключен к входу блока памяти БП.
Выход второго вычитателя является выходом корреляционного адаптивного инвариантного эхокомпенсатора.
3
эк
Предлагаемое устройство работает следующим образом. При изменении параметров канала связи и возникновении при этом разбалансировки дифференциальной системы, а также при одновременном воздействии из канала помехи n(t), на выходе второго контура эхокомпенсатора, а именно, на выходе блока памяти БП появится сигнал совокупной погрешности эхокомпенсации ΔS(t):
эк
пер
ΔS(t)=kS(t)+n(t),
где k - изменение коэффициента передела эхотракта, возникшее в следствие разбалансировки дифсистемы.
эк
Уменьшение погрешности эхокомпенсации ΔS(t) осуществляется выполнением операций, реализуемых в модуле адаптации.
пер
Вначале посредством четвертого умножителя и первого интегратора рассчитывается величина корреляции R(T) между передаваемыми сигналами S(t) и сигналами на выходе эхокомпенсатора
вых.эк
эк
пр
S(t)= ΔS(t)+S(t)+n(t):
Здесь- энергия передаваемых сигналов,
рассчитанная для интервала скользящего интегрирования длительностью Т. При этом Т выбирается не менее чем на два порядка больше длительности одного сигнала.
При некоррелированности последовательностей передаваемых и принимаемых сигналов, что обеспечивается процедурами скремблирования на передающей и приемной сторонах системы связи, последний интеграл будет равен нулю.
Одновременно с помощью квадратора Кв и второго интегратора вычисляется энергия Е(Т) передаваемой последовательности сигналов для интервала скользящего интегрирования длительностью Т.
Затем вторым делителем вычисляется оценка величины коэффициента передачи эхотракта :
пер
Величина  поступает на первый вход умножителя 3, на второй вход которого подаются отсчеты передаваемого сигнала S(t). В результате умножения этих величин формируется приближенная копия сигналов погрешности эхокомпенсации , которая поступает на второй вход второго вычитателя, при этом осуществляется компенсация эхосигналов на входе приемника системы связи.
Дисперсия погрешности вычисления , определяемая вторым слагаемым выше приведенного выражения, равна
пер
Как можно доказать аналитически, при предположении о равномерной плотности вероятности величин отсчетов передаваемых сигналов внутри диапазона значений -М≤ S(t)≤М (-М÷М - динамический диапазон изменений отсчетов сигналов) и воздействии помехи типа белого шума с учетом (2) и (3) выигрыш в повышении точности вычисления оценки коэффициента передачи эхотракта в данной полезной модели по отношению к прототипу составит
где β - минимальное значение отсчетов передаваемых сигналов.
Так при  выигрыш в точности эхокомпенсации составит
Для экспериментального доказательства работоспособности и сравнительной эффективности корреляционного адаптивного инвариантного эхокомпенсатора по отношению к прототипу была разработана компьютерная программа, моделирующая работу двух эхокомпенсаторов в условиях воздействия на сигналы белого шума и возникающих разбалансировках дифференциальной системы.
В качестве оценки качества эхокомпенсации использовалась величина отношения мощностей эха на входе и выходе эхокомпенсаторов, выраженная в децибеллах.
На фиг. 3 приведены результаты эксперимента для различных отношений сигнал-помеха в канале при длительности интервала скользящего интегрирования в сто раз превышающей длительность одного сигнала.
Кривая 1 отражает результаты исследования корреляционного адаптивного инвариантного эхокомпенсатора, а кривая 2 - прототипа.
Как следует из результатов эксперимента, предложенная схема корреляционного адаптивного инвариантного эхокомпенсатора показала свою эффективность при работе в условиях разбалансировки дифференциальной системы и воздействии помехи типа белого шума, что доказывает ее помехоустойчивость и, соответственно, работоспособность.
Список используемых источников.
1. Цыбулин М.К. Подавление электрического эха в телефонных каналах -М.: Радио и Связь, 1998. - 112 с.
2. Лебедянцев В.В. Практические приложения метода синтеза и инвариантных систем связи для дуплексной передачи данных: 5-й раздел докторской диссертации «Разработка и исследование методов анализа и синтеза инвариантных систем связи» СибГАТИ, Новосибирск, 1995 г.
3. Патент на полезную модель №148617 "Адаптивный инвариантный эхокомпенсатор". Приоритет полезной модели 23 июля 2014 г.Авторы: Лебедянцев В.В., Абрамов С.С., Морозов Е.В., Калачиков А.А.