Корректор межсимвольных искажений цифровых сигналов

Корректор межсимвольных искажений цифровых сигналов - это устройство, которое относится к технике радиосвязи и может быть использовано для приема сигналов с бинарной модуляцией в двухсторонних каналах с многолучевым распространением сигналов, вызывающим межсимвольную интерференцию. Двухсторонние каналы передачи применяются, когда передача информации производится одновременно в двух направлениях и каждая станция интервала передачи является одновременно и приемной, и передающей.
При бинарной модуляции каждый символ передаваемых цифровых сигналов может быть реализован одним из двух различающимися между собой состояниями, каждое из которых соответствует одному из двух возможных логических значений каждого символа. Одним из наиболее распространенных видов бинарной модуляции является бинарная фазовая манипуляция (BFSK. - binary phase shift keying). При ее использовании в зависимости от передаваемых символов начальная фаза несущей может принимать два различных значения, различающихся на 180°, при этом сигналы несущей противоположны по знаку.
При использовании различных систем передачи сигналы от передатчика достигают приемника, зачастую, сразу по нескольким путям. Число таких путей может быть значительным. Сигналы, проходящие по различным путям, испытывают задержку по времени, которая пропорциональна длине каждого пути. Эти длины могут заметно различаться, в результате величины задержки каждого сигнала, прошедшему по своему пути, также заметно различаются, если разброс-подобной временной задержки больше длительности одного символа, то в каждый момент времени на приемник приходит сумма данного передаваемого символа и еще нескольких предыдущих символов.
Как правило, первый приходящий символ является основным и используется для передачи информации. Уровни следующих за ним мешающих символов меньше, тем не менее, они суммарно накладываются на пето и могу т оказывать значительное негативное воздействие. Количество символов в этой суперпозиции определяется соотношением временной длительности одного символа в данной системе передачи и максимальной разности но времени задержки между сигналами, пришедшими различными путями и такое соотношение может достигать нескольких единиц.
Взаимные амплитудно-фазовые соотношения между уровнями сигналов, составляющих суммарный принимаемый сигнал, случайны по величине и случайно изменяются по времени, обычно со скоростью быстрых замираний. Также случаен и их взаимный фазовый сдвиг, поэтому в каждый момент времени весовые коэффициенты отдельных сигналов в суммарном сигнале после демодуляции могут иметь различные знаки. Передаваемая по каналу информация обычно является случайной равновероятной последовательностью логических нулей и единиц, появление которых можно считать равновероятным, и отклик демодулятора на каждый отдельный символ может равновероятно принимать как положительные, так и отрицательные значения.
Когда в результате межсимвольной интерференции к принимаемому символу прибавляется суммарный отклик от нескольких предыдущих символов, появляется межсимвольная интерференция (МСИ). В результате знак напряжения может принять противоположное значение, и демодулятор выдаст ошибочное решение о принятом символе. Таким образом, при появлении МСИ значительно возрастает средняя величина вероятности ошибки и снижается помехоустойчивость, надежность и качество передачи информации.
Известны различные устройства, корректирующие искаженный МСИ принимаемый сигнал и повышающие помехоустойчивость и надежность передачи сигналов в условиях многолучевого распространения, например, система «RAKE», описанная, например, в книге: «Системы мобильной связи» авторов Ипатова В.П. и др. - М.: Горячая линия-Телеком, 2003. - 272 с. Система содержит несколько корреляторов, которые состоят из перемножителя и интегратора, также она содержит генератор опорных сигналов и сумматор. Генератор опорных сигналов вырабатывает копии опорных сигналов с различными временными сдвигами. Количество опорных сигналов и величина временных сдвигов должны соответствовать наиболее сильным лучам, прошедшим по различным путям. При этом предполагается, что многолучевое распространение проявляется в виде небольшого числа достаточно сильных лучей. Кроме того, предполагается, что заранее известны относительные временные сдвиги этих лучей. Для использования этой системы необходимо, чтобы многолучевость носила выраженный дискретный характер. В случае непрерывной многолучевости, когда принимаемый сигнал состоит из множества лучей с небольшим относительным временным сдвигом, применение данного устройства-аналога не приводит к устранению МСИ.
Известны также устройства, выравнивающие частотную характеристику канала передачи - эквалайзеры. Они состоят их элементов задержки сигналов но времени, блока умножителей, сумматора и блоков управления. Межсимвольная интерференция возникает из-за частотно-селективных замираний, вызывающих сильную изрезанность частотной характеристики многолучевого канала. Если форма изрезанной частотной характеристики известна, то на приемной стороне можно применить фильтр, частотная характеристика которого является обратной по отношению к частотной характеристике канала. При прохождении сигнала через такой фильтр изрезанность спектра сигнала, возникшая в канале, частично компенсируется, а результирующая характеристика выравнивается, что приводит к уменьшению негативных последствий МСИ.
Недостатками подобных устройств является необходимость точного знания частотной характеристики канала передачи и применения относительно большого количества элементов задержки. Кроме того, при выравнивании частотной характеристики канала в областях ее провалов (что характерно для частотно-селективных замираний) происходит значительный подъем усиления корректирующих фильтров. Но в приемнике кроме МСИ всегда есть еще один негативный фактор - тепловые шумы, обычно имеющие достаточно равномерный спектр. Но в результате прохождения корректирующего фильтра некоторые участки спектра шума сильно возрастают, при этом возрастает и общий уровень шума. Это приводит к ухудшению помехоустойчивости, которая может даже превысить ее улучшение из-за снижения МСИ.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является устройство по патенту РФ №127563 U1 на полезную модель «Двухсторонняя адаптивная линия передачи разнесенных сигналов», МПК Н04В 7/04, авторы Полушин П.А., Матюха В.А., Синицин Д.В., Леммле Д.В.
Устройство содержит передатчики, приемники, коммутаторы, амплитудные детекторы, сдвиговые регистры, тактовые генераторы, блоки управления, аналого-цифровые преобразователи, блок комбинирования, блок декодирования, формирователь проверочной части, разделительный фильтр и приемопередающую антенну.
В системе применяется двукратное частотное разнесение. При работе устройства повышение помехоустойчивости достигается двояким использованием разнесенной передачи, при которой в разных разнесенных сигналах межсимвольная интерференция по-разному поражает каждый из принятых разнесенных сигналов. При этом система может работать в двух режимах. Один из режимов заключается в «классическом» использовании разнесенного приема, когда по обоим каналам разнесения передаются одинаковые копии сигнала. В каждом из них провалы в частотной характеристике канала передачи находятся в разных местах, поэтому после комбинирования двух сигналов глубина провалов уменьшается, уменьшается и уровень МСИ.
Другой из режимов заключается в применении блокового кодирования с размером проверочной части, равной информационной части кодового блока. При этом по одному каналу разнесения передается информационная часть блока, по второму каналу разнесения передается проверочная часть блока. В приемнике обе части объединяются в один блок и декодируются. Переключение из одного режима в другой основано на том, что кодирование эффективнее справляется с повышением помехоустойчивости, обусловленной также и воздействием МСИ, чем разнесение, но не работает при малом уровне принятых сигналов, а эффективность разнесения от уровня принятых сигналов не зависит. Поэтому если уровень принятых сигналов достаточен, включается режим кодирования, когда уровень недостаточен, включается режим разнесения.
Определение того, какой из режимов нужно включать, производится на основе информации с противоположной станции. На ней уровни принятых сигналов постоянно измеряются и по служебному каналу эта информация транслируются обратно на данную станцию. На ее основе включается нужный из двух режимов.
Недостатком данного устройства является ограниченная величина возможного уменьшения влияния межсимвольных искажений, при котором происходит только относительное снижение их уровня. Кроме того, для применения устройства необходимо использовать частотное разнесение, что не всегда возможно практически.
Задачей предлагаемой полезной модели является повышение помехоустойчивости и надежности передачи цифровых сигналов за счет коррекции межсимвольных искажений в многолучевых каналах распространения сигналов.
Поставленная задача решается тем, что в корректор межсимвольных искажений цифровых сигналов, содержащий передатчик, приемник, приемно-передающую антенну, блок управления, первый коммутатор, сдвиговый регистр и амплитудный детектор, введены второй и третий коммутаторы, блок умножителей, сумматор, формирователь, генератор тестовых сигналов, блок выделения служебного канала и блок памяти, при этом один из входов первого коммутатора подключен ко входу устройства, другой вход подключен к выходу формирователя, а выход - к последовательному входу сдвигового регистра, последовательный выход сдвигового регистра соединен с одним из входов второго коммутатора, параллельные выходы сдвигового регистра через блок умножителей соединены с параллельными входами сумматора, а его выход - с одним из входов формирователя, другой вход второго коммутатора подключен к выходу генератора тестовых сигналов, а выход - к входу основного канала передатчика, выход передатчика и вход приемника соединены с приемно-передающей антенной, выход основного канала приемника соединен со входом третьего коммутатора, один из выходов третьего коммутатора подключен к выходу устройства, а другой его выход через последовательно включенные амплитудный детектор и блок памяти подключен ко входу служебного канала передатчика, выход служебного канала приемника через блок выделения служебного канала соединен со входом блока умножителей и с другим входом формирователя, выходы блока управления подключены к управляющим входам первого, второго и третьего коммутаторов и к управляющему входу сдвигового регистра.
На чертеже фиг. 1 представлена структурная схема корректора межсимвольных искажений цифровых сигналов.
На чертеже фиг. 1 обозначены: передатчик 1; приемник 2; приемно-передающая антенна 3; первый 4, второй 5 и третий 6 коммутаторы; сдвиговый регистр 7; блок умножителей 8; сумматор 9; формирователь 10; блок памяти 11; амплитудный детектор 12; блок выделения служебного канала 13; генератор тестовых сигналов 14; блок управления 15.
Блоки устройства работают следующим образом. На каждой стороне интервала линии связи работает станция, устройство которой приведено на фиг. 1. По каналу передачи в каждом из направлений передается либо поток символов, переносящих передаваемую информацию, либо тестовые сигналы. Каждый тестовый сигнал передается во время тестового сеанса. Тестовые сеансы периодически повторяются. Период повторения определяется скоростью изменения параметров канала передачи. Во время тестовых сеансов информационный поток не передается. Каждый тестовый сеанс состоит из единичного символа, совпадающего по величине и длительности с информационным символом. Далее в тестовом сеансе никакие символы не передаются вообще. Длительность такой паузы не меньше, чем разница по времени между приходом первого и последнего из сигналов по различным каналам многолучевого распространения и кратна длительности одного символа. После окончания тестового сеанса передача информационного потока возобновляется. Для формирования тестового сигнала и паузы после него используется генератор тестовых сигналов 14. Он работает постоянно, но к передатчику 1 подключается с помощью коммутатора 2 в тот интервал времени, когда необходимо вместо информационного потока по каналу пропустить тестовый сигнал.
Обе станции и имеют одинаковую структуру. Они различаются лишь значениями несущей частоты излучаемых сигналов. Обозначим рассматриваемую станцию, как станцию А, а противоположную станцию, как станцию В. Принципы работы блоков обеих станций одинаковы.
На противоположной станции В ее приемник 2 получает принятый приемно-передающей антенной 3 сигнал от данной станции А, детектирует его и подает на входы блока выделения служебного канала 13 и коммутатора 3. Во время передачи информационного потока коммутатор 3 подключает свой выход на выход всего устройства для дальнейшего использования принятого сигнала. Во время тестовых сеансов коммутатор 3 подключает свой выход ко входу амплитудного детектора 12, который измеряет текущий уровень принимаемого сигнала. Величина этого измеренного уровня подается на блок памяти 11. Он запоминает измеренный амплитудным детектором 12 противоположной станции величины принятого сигнала в моменты времени, соответствующие приходу тестового сигнала, а также в моменты времени, отстоящие от тестового сигнала на величину, кратную длительности тестового сигнала.
Таким образом, по отдельности запоминаются уровни всех мешающих символов, которые при передаче информационных символов со стадии Л накладываются в канале на основной символ, интерферируют с ним и искажают его. Запомненные уровни подаются на служебный канал передатчика 1 станции В и по нему транслируются на станцию А. Таким образом, в приемнике 2 станции А по служебному каналу от противоположной станции В приходит информация об уровнях мешающих символов, которые накладываются на основной сигнал станции А, приходящий на противоположную станцию В. В результате, на станции А приобретается информация о соотношениях уровней мешающих символов, которые интерферируют с ее основным сигналом в процессе передачи на станцию В.
Соответственно и при приеме станцией А тестовых сигналов со станции В определяются параметры интерферирующих символов с основным сигналом, излучаемым станцией В и принимаемым станцией А. Эта информация тоже транслируется обратно на станцию В. Естественно, поскольку основные сигналы каждой станции передаются на разных несущих частотах, то и искажения в каждом из этих каналов (в одну и в другую сторону) будут различаться, как и уровни мешающих символов.
В каждой станции полученная информация об искажениях ее сигналов в каналах передачи используется следующим образом. Блок выделения служебного канала 13 получает информацию об уровнях мешающих символов, которые будут накладываться на излучаемый символ. Они были получены в последнем тестовом сеансе и будут постоянными до измерения в следующем тестовом сеансе. Их величина передается на блок умножителей 8.
i
i
Поток информационных символов x, который необходимо передан, с данной стороны линии, поступает от внешнего источника на один из входов первого коммутатора 4. На другой его вход поступает сигнал с выхода формирователя 10. Первый коммутатор 4 поочередно подключает на свой выход сигналы с первого и со второго своих входов, т.е. входной информационный сигнал x и выходной сигнал формирователя 10. Перекоммутацпя входов коммутатора 4 происходит в два раза быстрее, чем поступают информационные символы, т.о. между каждым информационным символом «вставляется» символ и формирователя 10. При этом на выходе коммутатора 1 образуется по ток сигналов в два раза быстрее, чем поток информационных символов. Эти сигналы с выхода коммутатора 4 поступают на последовательный вход сдвигового регистра 7 и записываются в его ячейки, причем записываются и уровни сигналов, и их знаки.
С поступлением на последовательный вход сдвигового регистра каждого нового сигнала он записывается в его первую ячейку, а все уровни предыдущих поступивших символов последовательно сдвигаются, так, чтобы каждый из сигналов из конкретной ячейки переписывался в ячейку следующего номера. Таким образом, вся последовательность записанных сигналов целиком сдвигается в сторону возрастающих номеров ячеек. При этом сдвиге сигнал из последней ячейки поступает на один из входов второго коммутатора 5. На второй вход коммутатора 5 поступают выходные сигналы генератора тестовых сигналов 14.
Генератор тестовых сигналов 14 работает непрерывно и вырабатывает напряжения для тестового сеанса, который состоит из тестового сигнала и следующие за ним несколько подряд идущих пауз, при этом длительность тестового сигнала равна длительности информационного символа, а суммарная длительность пауз кратна длительности информационного символа. Кроме этого, тестовые сигналы синхронны с сигналами, поступающими с выхода сдвигового регистра 7.
Во время передачи данной станцией информационного потока второй коммутатор 5 подключает на свой выход поступающий сигнал со сдвигового регистра 7. Во время тестовых сеансов этот коммутатор подключает на свой выход поступающий сигнал с генератора тестовых сигналов 14. Выходная последовательность сигналов со второго коммутатора 5 подается на передатчик 1, где модулируется и излучается основном канале передачи с помощью приемно-передающей антенны 3 на противоположную станцию.
Работа блоков станции управляется с помощью блока управления 15. Он переключает первый коммутатор 4 поочередно на входной сигнал и сигнал формирователя 4. Управляет сдвигом записанных напряжений в ячейках сдвигового регистра 7. Переключает второй коммутатор 5 в режим передачи информационного потока и тестового сеанса и переключает третий коммутатор 6 в режим приема информационного потока или в режим приема тестового сеанса.
В формирователе 10 формируется корректирующие символы, которые корректируют мешающие символы, интерферирующие с основным символом и искажающие его. В результате воздействие мешающих символов убирается и МСИ исключается. Для этого уровни напряжения, записанные во всех ячейках сдвигового регистра 7, кроме первых двух ячеек, умножаются с учетом знака в блоке умножителей 8. Коэффициенты, на которые умножается каждое из напряжений, равны уровням реальных мешающих символов, возникающих из-за интерференции при прохождении многолучевого канала. Эти коэффициенты поступают в блок умножителей из блока выделения служебного капала 13. Далее выходные сигналы блока умножителей арифметически суммируются в сумматоре 9 и поступают на вход формирователя 9. Формирователь 9 формирует корректирующий сигнал. Этот сигнал в виде символа с такой же длительностью, как и информационные символы, подается на один из входов коммутатора 4.
Каждый корректирующий символ следует перед соответствующим ему информационным символом и предназначен для коррекции (вычитания) суммарного уровня всех предыдущих символов, которые будут в канале накладываться на этот следующий за ним информационный символ. Для этого уровень корректирующего символа выбирается равным суммарному уровню всех; излученных предыдущих символов (включая и предыдущие корректирующие; символы, которые следовали между информационными символами). Знак корректирующего символа формируется противоположным знаку этого суммарного уровня предыдущих символов.
i
i
Принцип работы устройства состоит в следующем. Пусть передатчик излучает в многолучевой канал последовательность символов z, включающих в себя информационные и проверочные символы. В результате воздействия многолучевости принимаемый y, сигнал после демодуляции можно записать в виде:
a
j
где m - количество интерферирующих мешающих символов значимого уровня; , - коэффициенты МСИ, с которыми все символы входят в общую сумму.
a
а
a
а
1
2
m
1
C
Пусть коэффициент  определяет основной символ, а все остальные коэффициенты ÷ определяют уровни остальных интерферирующих с ним символов. Для удобства можно считать коэффициент  равным единице, а другие коэффициенты нормировать относительно его. Также длительность каждого символа будем считать равной T.
Величина всех коэффициентов МСИ в устройстве определяются во время тестовых сеансов в обоих направлениях передачи сигналов. Для того каждая станция во время тестового сеанса информационный поток не передает, а передает символ уровня, равного уровню информационного символа (пусть единичного) и равной ему длительности. После этого передача сигнала не производится (передается пауза). Длительность паузы должна быть не меньше, чем m длительностей символа.
C
C
j
a
Воздействие многолучевости приводит на приемной стороне к тому, что каждый принимаемый символ расширяется в несколько раз. В результате такие «хвосты» от предыдущих символов накладываются на последующие символы. Демодуляция символов производится обычно с помощью корреляционной обработки. При этом принимаемые сигналы домножаются на сигнал опорного генератора, частота и фаза которого совпадают с частотой и фазой несущей, и результат интегрируется на интервале времени T, равном длительности символа. Таким образом, во время передаваемой передатчиком паузы в приемнике пауза отсутствует, а принимается то напряжение «хвоста», которое вызывает интерференцию. При этом принимаемый сигнал также обрабатывается на каждом интервале времени, равном T, В результате на выходе приемника получаются «в чистом виде» коэффициенты , которые во время информационной передачи будут накладываться на информационные символы. Эти коэффициенты измеряются, запоминаются в блоке памяти 11 до следующего тестового сеанса и передаются на противоположную станцию.
Подавление МСИ производится следующим образом. При передаче информационных символов величина коэффициентов m известна. Также, естественно, в передатчике известны все предыдущие значения переданных информационных символов. Поэтому и та величина суммарной добавки от предыдущих символов, которые наложатся на текущий передаваемый символ и исказят его, может быть определена на основе формулы (1), т.е. будет известна заранее. Она равна:
C
i-1
2
m+1
3
m
a
a
Передаваемая в канал последовательность состоит в чередовании корректирующих символов и информационных символов. (В канал передаются символы с выхода сдвигового регистра 7, т.е. задержанные на величину mTотносительно входных информационных символов). Для каждого информационного символа используется свой корректирующий символ. Он передается перед каждым информационным символом. Пусть его величина равна k. Тогда величина суммарной интерферирующей добавки будет равна:  Как говорилось, с параллельных выходов сдвигового регистра 7 берется величина всех символов, которые будут переданы перед текущей парой «корректирующий символ - основной символ», т.е. zi÷zi. Они домножаются на коэффициенты ÷. Таким образом, с помощью сдвигового регистра 7 и блока сумматоров 8 величина  вычисляется. Потом на основе этой величины формируется величина корректирующего символа, равная  Таким образом, при передаче по многолучевому каналу в результате интерференции всех переданы предыдущих символов (с учетом и переданных корректирующих символов) с основным символом на основной символ наложится добавка, равная:
Корректирующий символ убирает мешающие символы, интерферирующие с основным символом. В результате коррекции интерференция не происходит, и искажения за счет многолучевого распространения удаляются.
Таким образом, применение корректора межсимвольных искажений цифровых сигналов позволяет убрать негативное интерференции передаваемых символов и, тем самым, повысить помехоустойчивость и надежность передачи цифровых сигналов.