Способ приема цифровой информации при наличии межсимвольной интерференции
DIGITAL INFORMATION RECEPTION METHOD WITH THE PRESENCE OF INTERSYMBOL INTERFERENCE

Изобретение относится к области передачи цифровой информации и предназначено для применения в приемных устройствах систем синхронной цифровой связи, работающих, в частности, в условиях многолучевого распространения.
Одним из существенных факторов, негативно влияющих на эффективность (скорость передачи и/или вероятность ошибки декодирования) систем цифровой связи, является наличие межсимвольной интерференции (МСИ), обусловленном многолучевым распространением и/или передачей нескольких символов одновременно в одном и том же диапазоне частот. Данное положение обусловлено тем, что наличие МСИ влечет за собой помехи, обусловленные временным перекрытием символов, передаваемых как последовательно, так и одновременно (далее именуем эти символы элементарными посылками (ЭП)). Указанные помехи именуем интерференционными помехами (ИП).
Известен способ приема в цифровых системах связи в целом [1, с. 636] при наличии МСИ межсимвольной интерференции. Недостатком данного аналога являются необходимые значительные вычислительные ресурсы реализующих этот способ аппаратно-программных средств, что обусловлено предусмотренной им реализацией множества каналов обработки, каждый из которых рассчитан на прием соответствующей комбинации ЭП (каждая возможная комбинация ЭП далее именуется альтернативой последовательности ЭП).
Указанный недостаток (необходимые значительные вычислительные ресурсы реализующих способ аппаратно-программных средств) свойственен также и способу-аналогу, описанному [2].
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу приема цифровой информации при наличии МСИ является объект, описанный в [3] (прототип) (практически эквивалентом указанного прототипа является и аналог, описанный в [4, с. 193, 194],]). В основе способа-прототипа лежит так называемый алгоритм Кловского-Николаева (АКН) (точнее, модифицированный алгоритм Кловского-Николаева (МАКН), что в свете описания заявляемого способа является несущественным). Описание АКН приведено также в [5].
Для упрощения описаний (имеются в виду описание как прототипа, так и заявляемого способа) далее полагается, что форма импульсной реакции канала (ИРК) многолучевого распространения h(t) на приемной конце системы связи известна. В обеспечение ее измерения на передающей стороне на r=0-м такте работы системы формируется и передается испытательный импульс, форма которого на приемной стороне известна; подобный принцип функционирования системы связи («система с испытательным импульсом и предсказанием») описан, в частности, в [4, 5]). Для упрощения описания совокупность операций, обеспечивающих измерение ИРК, опускается. Аналогичное положение имеет место и в описании прототипа [3], а так же и в источниках [4, 5].
Принцип действия прототипа состоит в следующем.
Предположение о том, какая из альтернатив последовательности ЭП принята (передана), далее именуется гипотезой последовательности ЭП. При известной на приемном конце системы связи совокупности символов алфавита передаваемых сообщений форма принимаемого или наблюдаемого на интервале времени приема сообщения (ИВПС) сигнала, посредством которого передается все сообщение, при справедливости каждой из упомянутых гипотез известна. При этом также известна и форма каждой возможной последовательности ЭП. Номер конкретной последовательности ЭП обозначается как i при i=1…I, где I - общее количество возможных последовательностей ЭП.
В связи с тем, что количество возможных последовательностей ЭП конечно (счетно), возможно формирование соответствующих всем гипотезам последовательностей ЭП реализаций сопровождающих компонент ИП, что и реализовано в прототипе (и точно также в заявляемом способе).
Примечание. В источнике описания прототипа (и во всех прочих источниках, в которых приведено описание метода приема, в основе которых лежит АКН) наряду с сопровождающей компонентой ИП фигурирует также и остаточная компонента ИП. В рамках настоящего описания остаточная компонента ИП опущена (обоснование этого приведено ниже), что не исключает ее учета при реализации заявляемого способа без изменения изобретательского замысла.
Пояснения терминологии.
r ост
r сопр
1. Остаточная компонента ИП (или остаточный сигнал МСИ) - помеха, имеющая место вследствие временного перекрытия с анализируемой ЭП тех ЭП, которые были переданы до нее; сопровождающая компонента ИП - помеха, имеющая место вследствие временного перекрытия с анализируемой ЭП тех ЭП, которые были переданы после нее [4, с. 193] (указанные компоненты ИП далее обозначены как q(t) и q(t) соответственно). Далее уточняем это определение сопровождающей компоненты ИП как помехи, имеющей место вследствие временного перекрытия с анализируемой ЭП тех ЭП, которые были переданы одновременно с этой анализируемой ЭП, а эффектами перекрытия с последней тех ЭП, которые были переданы после нее, пренебрежем.
и
и
2. Весь ИВПС делится на такты, длительность каждого их которых равна сумме длительностей ЭП τ и ИРК τ, а временной интервал между моментами начала смежных по времени тактов равен длительности ЭП τ. Процесс (совокупность операций) обработки сигнала на интервале времени каждого r-го такта далее именуется r-м тактом работы системы связи или просто r-м тактом. Этот r-й такт расположен в интервале времени (r-1)τ…rτ+τ (здесь τ - не только длительность ЭП, но и равный ей период следования ЭП в сообщении). При этом начало отсчета времени на приемном конце системы связи совпадает с моментом прихода первой (информационной) ЭП. Как было замечено выше, в обеспечение измерения ИРК на r=0-м такте работы системы в ней передается испытательный импульс.
3. Фактически в прототипе (а также и в заявляемом способе) имеют место операции, выполняемые не над компонентами ИП, а непосредственно над альтернативами принимаемых последовательностей ЭП. Таким образом, терминология, используемая в технической литературе при описании способов приема, в основе которых лежит АКН, весьма условна. В настоящем описании эта условность терминологии сохранена.
r ост
r ост
Сделанное выше уточнение определения сопровождающей компоненты ИП обусловлено тем, что заявляемый способ (в отличие от известных аналогов, в основе которых лежат АКМ или МАКМ) ориентирован главным образом на ситуацию передачи в одной и той же полосе частот нескольких ЭП одновременно. При этом особо актуально решение задачи эффективного декодирования применительно к МСИ, порождаемой временным наложением ЭП, передаваемых не столько в разных смежных по времени тактах ИВСП, сколько в одном и том же такте. При этом заявляемый способ остается актуальным также и применительно к традиционно рассматриваемой ситуации МСИ, порождаемой наложением ЭП, передаваемых в разных смежных по времени тактах ИВСП. По указанной причине в значительной степени теряет актуальность и учет остаточной компоненты ИП q(t). В связи с этим в приведенном ниже соотношении (1) слагаемое q(t) (имеющееся в аналогичной формуле в материалах описания прототипа) опущено.
Рассматриваемые компоненты ИП вычисляются, например, как результат свертки суммы передаваемых ЭП (соответствующей альтернативы последовательности этих ЭП) с ИРК. Исчерпывающее описание процедуры формирования компонент ИП приведено, в частности, в [4].
r
На каждом r-м такте ИВПС в прототипе в наблюдаемой на этом такте реализации сигнала s(t), осуществляют компенсацию каждого из сочетаний результатов формирования реализаций всех упомянутых выше компонент ИП, а именно вычисляют разности
причем индекс i характеризует номер гипотезы последовательности ЭП, расположенных в сообщении после r-1-го такта ИВПС (т.е. в r-м такте ИВПС).
ir
Далее на каждом r-м такте ИВПС вычисляют оценки энергии реализации разностного сигнала z(t) при каждом значении индекса i
ir
Величина n используется в прототипе в качестве PC, соответствующей приему (т.е. настроенной на прием) i-й альтернативы последовательности ЭП на r-м такте ИВПС.
ir
Решение о принятой последовательности ЭП в прототипе на каждом r-м такте ИВПС выносится в пользу той ее альтернативы (т.е. альтернативы последовательности ЭП), которой соответствует индекс i при PC n (2), являющейся среди всех сформированных на этом такте PC минимальной, т.е. путем нахождения оценки указанного индекса i вида
ir сопр
ir
r
ir
ir сопр
ir
Недостаток прототипа - сравнительно низкая помехоустойчивость приема (декодирования) - обусловлен следующим. Принцип его действия основан на том, что оценка энергии разностного сигнала при вычислении PC (см. (2) с учетом (1)), соответствующей действительно принятой альтернативе последовательности ЭП, меньше всех прочих PC только как тенденция, т.е. совсем не гарантировано. Это явление свойственно всем принципиально возможным вариантам формирования PC. Однако в данном случае указанный эффект проявляется в особой степени по следующей причине. В случае правильного угадывания принятой альтернативы последовательности ЭП имеет место совпадение принятой последовательности ЭП и ее сформированной при декодировании реализации q(t); в этом случае при вычислении разностного сигнала z(t), принимаемая последовательность ЭП (являющаяся компонентой сигнала s(t)) компенсируется, и за счет этого энергия разностного сигнала уменьшается. Но при сравнительно малом отношении сигнал/шум указанная тенденция нередко (а, возможно, и, как правило) может быть нарушена. Данный негативный эффект обусловлен тем, что прием сообщений осуществляется при мешающем действии (наряду с ИП) также и фонового шума. В случае радиосвязи это может быть электрический шум входных цепей приемных станций, а в случае звукоподводной (гидроакустической) связи - шум моря. При этом (т.е. при малом отношении суммарного уровня принимаемого сигнала и ИП к уровню фонового шума) реализации вычисления разностей (1) к существенному снижению уровня разностного сигнала z(t) (даже и при совпадении принятой последовательности ЭП со сформированной реализации q(t)) не приводит, поскольку в таких условиях указанный уровень определяется уровнем не столько ИП, сколько фонового шума. Фоновый же шум при формировании разностного сигнала z(t) не компенсируется.
Целью заявляемого способа является повышение помехоустойчивости приема цифровой информации.
Поставленная цель достигается тем, что в способе приема цифровой информации при наличии МСИ, при реализации которого
ir сопр
- применительно к каждой возможной i-й гипотезе последовательности ЭП принимаемого сообщения (при i=1…I) формируют соответствующие этим гипотезам реализации сопровождающих компонент ИП q(t);
r
ir
- на каждом r-м такте ИВПС осуществляют компенсацию в реализации сигнала s(t), наблюдаемой на этом такте, каждого из сочетаний результатов формирования реализаций всех упомянутых выше компонент ИП в соответствии с соотношением (1) (результаты указанной компенсации - z(t));
ir
- вычисляют оценку энергии n каждого результата указанной компенсации в соответствии с соотношением (2);
ir
- решение о принятой последовательности ЭП на каждом r-м такте ИВПС вырабатывают путем сравнения между собой решающих статистик (PC) z, выработанных на этом такте для каждой i-й из всех возможных гипотез последовательности ЭП,
дополнительно
ir
- вычисляют суммарные корреляционные PC ξ между сигналом, наблюдаемым на каждом r-м такте ИВПС, и каждой i-й совокупностью опорных функций, причем каждая опорная функция из i-й совокупности совпадает с соответствующей альтернативой принимаемой на этом такте ЭП;
ir
ir
i
- на каждом r-м такте ИВПС каждая i-я PC z вычисляется с одновременным учетом суммарной корреляционной PC ξ и энергии n.
Блок-схема, иллюстрирующая заявляемый способ, приведена на фиг. 1, где обозначены:
ir сопр
- 1 - формирование реализации сопровождающей компоненты ИП q(t) применительно к каждой возможной i-й гипотезе последовательности ЭП принимаемого сообщения (при i=1…I);
r
- 2 - компенсация в реализации сигнала s(t), наблюдаемой на этом такте, каждого из сочетаний результатов формирования реализаций компонент ИП на каждом r-м такте ИВПС;
- 3 - определение оценки энергии каждого результата компенсации на каждом r-м такте ИВПС;
- 4 - вычисления решающих статистик (PC) на каждом r-м такте ИВПС;
- 5 - выработка решения о принятой последовательности ЭП на каждом r-м такте ИВПС;
- 6 - вычисление суммарных корреляционных PC между сигналом, наблюдаемым на каждом r-м такте ИВПС, и каждой i-й совокупностью опорных функций.
ir сопр
Операция 1 (формирование реализации сопровождающей компоненты ИП q(t) применительно к каждой возможной i-й гипотезе последовательности ЭП принимаемого сообщения) выполняется, например, предварительно (т.е. до начала приема сообщения). Пусть временная реализация суперпозиции (или просто суммы) ЭП, составляющих i-ю альтернативу последовательности ЭП, представляет собой (на передающей стороне системы связи) сигнал вида
где l - индекс номера ЭП в последовательности ЭП (по этому индексу реализуется суммирование в (4)); L - количество ЭП в последовательности.
Запись (4) соответствует передаче одновременно L ЭП. В рамках настоящего описания именуем последовательностью именно эту совокупность из L ЭП. Следует заметить, что применение заявляемого способа актуально, в частности, и при L=1.
В случае распространения передаваемого сигнала в многолучевом канале с импульсной реакцией h(t) в точке приема имеет место сигнал (i-я альтернатива последовательности ЭП) вида
где ⊗ - операция вычисления апериодической или (что то же самое) линейной свертки.
Описанный вариант выполнения операции 1 связан с необходимостью реализации I-канальных операций 2…4, 6 (все связи между операциями заявляемого способа, по которым передаются массивы из I чисел, показаны на блок-схеме на фиг. 1 двойными линиями), что при имеющих место больших величинах параметра I технически затруднительно. Ниже будет описан вариант выполнения операции I, в значительной степени свободный от указанного недостатка.
r
Операции 2 (компенсация в реализации сигнала s(t), наблюдаемой на этом такте каждого из сочетаний результатов формирования реализаций компонент ИП на каждом r-м такте ИВПС) и 3 (определение оценки энергии каждого результата компенсации на каждом r-м такте ИВПС) выполняются точно также, как и аналогичные операции прототипа, а именно согласно соотношениям (1) и (2) соответственно.
Операция 4 (вычисление PC на каждом r-м такте ИВПС) выполняется над результатами выполнения операций 3 и 6.
Пояснение терминологии.
Решающая статистика (PC) - результат выполнения совокупности операций в общем случае пространственно-временной обработки сигналов. В каждой системе цифровой связи формируется массив PC, каждая из которых рассчитана (настроена) на прием конкретной альтернативы принимаемой ЭП. При этом массив PC используется для принятия решения.
ir
Вариант выполнения операции 4 предусматривает расчет искомых величин PC z (при каждом i=1…I) в соответствии с соотношением
ir
ir
где n - результаты (при i=1…I) выполнения на каждом r-м такте ИВПС операции 3 (соотношение (2)), а ξ - результаты (также при i=1…I) выполнения на каждом r-м такте ИВПС операции 6 (описание последней приведено ниже).
Возможен также и следующий вариант правила вычисления PC:
ir
ir
ir
z=ξ-n.
ir
Операция 5 (выработка решения о принятой последовательности ЭП на каждом r-м такте ИВПС) выполняется следующим образом. Решение о принятой последовательности ЭП на каждом r-м такте ИВПС выносится в пользу той ее альтернативы (т.е. альтернативы последовательности ЭП), которой соответствует индекс i при PC z (6), являющейся среди всех сформированных на этом такте PC максимальной, т.е. путем нахождения оценки указанного индекса i вида
Операция 6 (вычисление суммарных корреляционных PC между сигналом, наблюдаемым на каждом r-м такте ИВПС, и каждой i-й совокупностью опорных функций) выполняется путем вычислений по формуле
i
где каждая i-я (i=1…I) опорная функция Y(t) вычисляется согласно (5).
1
1
1
1
1
Возможен вариант реализации заявляемого способа (или его эквивалент), при котором анализируются не все I возможных гипотез последовательности ЭП, а только I наиболее вероятных гипотез. Последние определяются следующим образом. Вначале выполняется операция 6, и из I ее возможных результатов (т.е. из I сформированных в итоге ее выполнения PC) отбираются I<<I PC, являющихся наибольшими по уровню (т.е. отбираются I PC, являющихся старшими членами вариационного ряда, составленного из I возможных PC). Эта информация (т.е. совокупность индексов i, соответствующих указанным отобранным I PC) передается для учета при выполнении операции 1 (связь между операциями 6 и 1 на блок-схеме на фиг. 1 не показана, поскольку возможен описанный выше вариант реализации заявляемого способа, не содержащий такой связи). Далее все операции способа выполняются только для I<<I PC.
Все операции заявляемого способа реализуются универсальными программируемыми микропроцессорами. Возможно совмещение реализации нескольких операций способа в одном микропроцессоре.
Заявляемый способ, как и прототип, рассчитан на использование в синхронной системе связи. В такой системе на приемном конце известны моменты начала прихода каждой ЭП. Принципиально возможен, например, вариант работы передающей и приемной частей системы передачи в системе единого времени. При этом, что касается синхронизации работы устройств, реализующих операции обработки сигналов на приемном конце, то время распространения сигнала от передатчика до приемника известно, а в состав аппаратуры, реализующей операции приема, входит таймер, выдающий (генерирующий) синхросигналы, управляющие выполнением всех реализуемых при приеме операций.
Совокупность операций синхронизации в состав заявляемого объекта не включена, поскольку подавляющее большинство систем цифровой (дискретной) связи являются синхронными, а особенности заявляемого объекта с какой-либо спецификой указанной совокупности операций не связаны.
Приведенное выше описание совокупности признаков заявляемого способа фактически содержит и описание его работы в динамике.
i
ir ост
ir
ir
ir
ir
Технический эффект в заявляемом способе (повышение помехоустойчивости приема цифровой информации) достигается за счет сочетания следующих явлений. При совпадении действительно принятой альтернативы последовательности ЭП с той альтернативой последовательности ЭП, на которую настроен соответствующий ей канал приема (т.е. та совокупность операций способа, в которой с принятой альтернативой последовательности ЭП совпадает и опорная функция Y(t), и сформированная реализация компоненты ИП q(t) имеет место тенденция повышения уровня PC zкак за счет тенденции повышения уровня корреляционной PC ξ, так и ха счет тенденции снижения оценки энергии n реализации разностного сигнала z(t). В прототипе же на принятие правильного решения «работало» только одно (а именно второе) из указанных явлений.
Использованные источники
1. Финк Л.М. Теория передачи дискретных сообщений. - М.: Сов. радио. 1970. - 728 с.: ил.
2. Кловский Д.Д., Широков С.М. Способ оптимального приема дискретных сообщений в целом. А.С. СССР №930696.
3. Алышев Ю.В., Борисенков А.В.. Кловский Д.Д., Николаев Б.И. Цифровая обработка сигналов при мягком декодировании в каналах с многолучевостью и перемежением кодовых символов // 4-я Международная конференция DSPA-2002 (http://www.autex.spb.ru/download/dsp/dspa/dspa2002/tom1_03.pdf).
4. Зюко А.Г., Кловский Д.Д., Коржик В.И., Назаров М.В. Теория электрической связи. - М.: Радио и связь. 1999. - 432 с.: ил.
5. Кловский Д.Д. Передача дискретных сообщений по радиоканалам. - М.: Радио и связь. 1982. - 304 с.: ил.