Компенсация межсимвольной интерференции в цифровых каналах на основе дробно-интервальной предварительной коррекции
На правах рукописи
ЛЮБОПЫТОВ Владимир Сергеевич КОМПЕНСАЦИЯ МЕЖСИМВОЛЬНОЙ ИНТЕРФЕРЕНЦИИ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ НА ОСНОВЕ ДРОБНО-ИНТЕРВАЛЬНОЙ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ КОРРЕКЦИИ Специальность 05.12.13 – Системы, сети и устройства телекоммуникаций
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Уфа – 2013
Работа выполнена на кафедре телекоммуникационных систем ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет»
Научный консультант: д-р техн. наук Багманов Валерий Хусаинович
Официальные оппоненты: д-р техн. наук, профессор Мишин Дмитрий Викторович ФГОБУ ВПО «Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики», проректор по учебной работе д-р техн. наук, с.н.с.
Коровин Валерий Михайлович ОАО «Башнефтегеофизика», главный геофизик
Ведущая организация: ФГОБУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича»
Защита диссертации состоится «24» мая 2013 г. в 10:00 часов на заседании диссертационного совета Д-212.288. при Уфимском государственном авиационном техническом университете в актовом зале 1-го корпуса по адресу: 450000, г. Уфа, ул. К. Маркса, 12.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного авиационного технического университета.
Автореферат разослан «18» апреля 2013 года.
Ученый секретарь диссертационного совета д-р. техн. наук, доцент И.Л. Виноградова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования. Последние два десятилетия продемон стрировали стремительное развитие технологий широкополосного доступа, вы званное постоянным ростом потребности бизнеса и населения в мультисервисных информационных ресурсах, и в настоящее время наблюдается тенденция к даль нейшему увеличению числа пользователей широкополосных сетей. С другой сто роны, на всех этапах развития информационно-коммуникационных технологий основными критериями при разработке систем связи остаются надежность, каче ство и скорость передачи информации.
При организации абонентского широкополосного доступа во многих случа ях, особенно при невысокой плотности пользователей, наиболее экономически эффективным решением является применение беспроводных технологий переда чи данных, или использование существующей кабельной инфраструктуры. В том числе возможно использование линий электропитания в качестве направляющих систем для передачи цифрового сигнала благодаря применению широкополосной технологии PLC.
Однако для данных типов каналов в наибольшей степени характерны иска жения сигнала, вызванные частотной зависимостью параметров канала на ширине спектра передаваемого сигнала и эффектом многолучевого распространения. Если память канала оказывается больше длительности символа T, возникает эффект межсимвольной интерференции (МСИ), приводящий к росту вероятности ошибки и ограничивающий, таким образом, качество, скорость и расстояние передачи.
Таким образом, надежная высокоскоростная передача информации по беспровод ным каналам и линиям сетей PLC становится возможной благодаря внедрению современных методов модуляции, кодирования и коррекции сигнала.
Степень разработанности темы. Задача компенсации искажений в цифро вых каналах при воздействии помех возникла сразу с появлением цифровых сис тем связи и имеет обширное историческое прошлое. Исследованиям в данной об ласти посвящены работы таких ученых, как: Андреев В.А., Кисель В.А., Кловский Д.Д., Кульман Н.К., Курицын С.А., Мишин Д.В., Стратонович Р.Л., Тамм Ю.А., Тихонов В.И., Шахгильдян В.В., Ericson T., Fischer R.F.H., Forney G.D., Gerstacker W., Gitlin R.D., Harashima H., Haykin S., Huber J., Laroia R., Lucky R.W., Miyakawa H., Monsen P., Qureshi S.U.H., Rudin H.R., Tomlinson M., Ungerbck G., Weinstein S.B. и многих других.
Для компенсации МСИ возможно применение методов коррекции как на приемной, так и на передающей стороне канала, а также одновременное примене ние данных подходов. Причем коррекция на передающей стороне, благодаря об работке сигнала до наложения аддитивной помехи, позволяет избежать проблемы нежелательного усиления шума, возникающей в случае коррекции на приемной стороне.
Возможны два подхода к цифровой коррекции с точки зрения тактовой час тоты обработки сигнала: Т-интервальный (T-spaced) и дробно-интервальный (frac tionally spaced). Наиболее простую реализацию предполагает Т-интервальный подход, при котором тактовая частота цифровой обработки равна частоте следования символов 1/T. Однако в этом случае, поскольку спектр корректируе мого сигнала периодически накладывается с периодом 1/T, точность компенсации МСИ в реальных системах связи снижается по мере увеличения ширины спектра сигнала и неидеальности частотных характеристик канала.
Общим случаем с точки зрения выбора тактовой частоты является дробно интервальная коррекция, при которой частота дискретизации и цифровой обра ботки сигнала 1/ превышает частоту следования символов 1/T. При этом возника ет возможность компенсации искажений на частотном интервале заданной шири ны до периодического наложения спектров полезного сигнала, позволяющая адаптировать процесс коррекции к форме импульсов полезного сигнала и обеспе чивает точную компенсацию МСИ независимо от формы частотной характери стики канала на ширине спектра передаваемого сигнала. Кроме того в данном случае не требуется синхронизации корректора с полезным сигналом.
Впервые анализ эффективности дробно-интервальной коррекции осущест вил G. Ungerbck в 1976 году, показав ее преимущества по отношению к T-интервальной коррекции. В ряде последующих работ были представлены ре зультаты моделирования дробно-интервальной коррекции на приемной стороне, демонстрирующие более высокие отношения сигнал-шум, чем в случае коррекции с частотой следования символов. Однако дробно-интервальный подход не рас сматривается в известных источниках применительно к коррекции на передающей стороне канала. Таким образом, актуальной задачей в рамках повышения эффек тивности широкополосных систем передачи является разработка методов дробно интервальной предварительной коррекции сигнала, позволяющих реализовать од новременно преимущества обработки сигнала на передающей стороне и дробно интервального подхода к коррекции сигнала.
Объектом исследования являются проводные и беспроводные цифровые каналы сетей широкополосного доступа, характеризуемые частотной зависимо стью коэффициента передачи и эффектом многолучевого распространения, при водящими к возникновению межсимвольной интерференции.
Предметом исследования являются методы коррекции цифрового сигнала на передающей стороне канала на основе дробно-интервального подхода, пара метры и эффективность реализации данных методов.
Целью работы является повышение эффективности использования цифро вых каналов широкополосного доступа за счет компенсации межсимвольной ин терференции, возникающей в результате искажения цифрового сигнала при пере даче по данным каналам.
Задачи исследования.
1. Разработка метода, обеспечивающего снижение вероятности ошибки при приеме цифрового сигнала за счет компенсации межсимвольной интерференции, основанного на применении дробно-интервального подхода к коррекции сигнала на передающей стороне.
2. Разработка алгоритма реализации дробно-интервальной предварительной коррекции в цифровых системах связи и соответствующих программных и схемо технических решений.
3. Разработка метода совместного применения дробно-интервальной пред варительной коррекции и модуляции с расширением спектра, позволяющего в ус ловиях аддитивной помехи с сосредоточенным спектром без увеличения мощно сти передаваемого сигнала снизить вероятность ошибки за счет повышения поме хоустойчивости приема одновременно с компенсацией искажений.
4. Разработка методики расчета оптимальной ширины частотного интерва ла, на котором осуществляется предварительная коррекция, учитывающей форму импульсов передаваемого сигнала.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Разработан метод компенсации межсимвольной интерференции в цифро вых каналах, основанный на дробно-интервальной коррекции сигнала на пере дающей стороне, отличающийся возможностью компенсации искажений на час тотном интервале заданной ширины, позволяющий повысить эффективность ис пользования цифровых широкополосных каналов связи.
2. Разработан алгоритм реализации дробно-интервальной предварительной коррекции в системах связи, основанный на цифровой фильтрации сигнала, отли чающийся инвариантностью по отношению к методам модуляции и помехоустой чивого кодирования и позволяющий снизить вероятность ошибки без дополни тельной обработки сигнала на приемной стороне.
3. Разработан метод компенсации межсимвольной интерференции, основан ный на совместном использовании дробно-интервальной предварительной кор рекции и метода расширения спектра сигнала, отличающийся от известных воз можностью компенсации межсимвольной интерференции одновременно со сни жением средней мощности шума при детектировании сигнала, позволяющий при передаче сигнала по искажающему каналу с сосредоточенной по спектру адди тивной помехой обеспечить снижение вероятности ошибки без увеличения сред ней мощности передаваемого сигнала.
4. Разработана методика расчета оптимальной ширины частотного интерва ла предварительной коррекции, основанная на критерии минимума остаточной межсимвольной интерференции, отличающаяся возможностью компенсации ис кажений с учетом средней заданной мощности передаваемого сигнала, позволяю щая адаптировать процесс коррекции к форме исходного цифрового сигнала.
Теоретическая и практическая ценность полученных результатов состо ит в возможности использования разработанных методов предварительной кор рекции при проектировании передающего оборудования телекоммуникационных сетей широкополосного доступа, в том числе совместно с существующими техно логиям и протоколами передачи данных. За счет компенсации МСИ может быть уменьшена длительность символа передаваемого сигнала, и, следовательно, по вышена скорость передачи информации в канале. При заданной скорости, благо даря снижению вероятности ошибки, возникает запас отношения сигнал-шум при детектировании сигнала, который может быть использован для повышения каче ства и надежности передачи информации, увеличения максимального расстояния передачи, или повышения энергетической эффективности системы связи. Разра ботан алгоритм и программный код вычисления коэффициентов корректирующе го фильтра. Разработан аппаратный прототип предкорректора на базе FPGA.
Методология и методы исследования. Результаты работы получены с ис пользованием теории помехоустойчивости систем передачи дискретных сообще ний, теории случайных процессов, теории обратных и некорректных задач, теории систем с распределенными параметрами, теории цифровой обработки сигнала, теории функций комплексной переменной, операторного исчисления и численных методов. Применены методы математического моделирования, в том числе ком пьютерного. Проведены экспериментальные исследования на основе разработан ного аппаратного прототипа предкорректора.
Положения, выносимые на защиту:
1. Метод компенсации МСИ в цифровых каналах, основанный на дробно интервальной коррекции сигнала на передающей стороне.
2. Алгоритм реализации дробно-интервальной предварительной коррекции в цифровых системах связи на основе цифровой обработки сигнала на заданном частотном интервале.
3. Метод обработки сигнала на передающей стороне, основанный на приме нении дробно-интервальной предварительной коррекции совместно с методом расширения спектра сигнала.
4. Методика расчета оптимальной ширины частотного интервала, на кото ром осуществляется предварительная коррекция, на основе критерия минимума остаточной межсимвольной интерференции.
Достоверность полученных результатов основана на использовании в теоретических построениях законов и подходов, справедливость которых обще признанна, а также известного и корректного математического аппарата;
вводи мые допущения мотивированы фактами, известными из практики. Достоверность и обоснованность научных положений подтверждена соответствием результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Апробация результатов. Основные результаты работы обсуждались на:
VII Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов», посвященной 150-летию со дня рождения А.С.Попова, Самара, 2008;
Всероссийской молоджной научной конференции «Мавлютовские чтения», Уфа, 2009;
XI и XIII Международных научно технических конференциях «Проблемы техники и технологии телекоммуника ций», Уфа, 2010 и 2012;
17-й Международной конференции EUNICE «Energy-Aware Communications», Дрезден, Германия, 5-7 сентября 2011 г., а также на семинарах кафедры телекоммуникационных систем УГАТУ.
Результаты работы применены при выполнении научно-исследовательского проекта, реализуемого в рамках гранта Минобрнауки России по федеральной це левой программе «Научные и научно-педагогические кадры инновационной Рос сии» на 2009-2013 годы.
Публикации. Результаты диссертационной работы отражены в 12 публика циях, в том числе в 3 статьях в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК, и в 7 публикациях в сборниках материалов международных и всероссийских кон ференций. Также по результатам работы получены 2 свидетельства о государст венной регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из вве дения, четырех глав, заключения, библиографического списка и приложений. Со держит 188 стр. машинописного текста, из которых основной текст составляет стр., 24 рисунка, библиографический список из 101 наименования, приложения на 42 стр.
СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и ос новные задачи исследования, показаны научная новизна и практическая ценность работы, изложены основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе проанализирована структура современных и перспективных телекоммуникационных сетей в зависимости от используемой физической среды передачи сигнала, определено место проводных линий и беспроводных каналов в современных сетях передачи данных. Рассмотрена проблема искажений широкопо лосного сигнала вследствие частотной зависимости параметров канала и эффекта многолучевого распространения, приводящих к МСИ в принимаемом сигнале.
Описывается модель системы передачи, в рамках которой решается задача компен сации МСИ.
Приведены краткий обзор и характеристики основных подходов и методов, применяемых в настоящее время в цифровых системах связи для компенсации ис кажений сигнала в условиях аддитивных помех (детектирование последовательно стей по критерию максимального правдоподобия, линейная коррекция и коррекция с решающей обратной связью по критериям форсирования нуля и минимума сред неквадратичной ошибки, предкодирование Томлинсона-Харашимы, гибкое пред кодирование).
Применяемые в большинстве случаев методы компенсации МСИ основаны на T-интервальном подходе, при котором тактовая частота корректора совпадает с частотой следования символов исходного сигнала 1/T. Данный подход предъявляет минимальные требования к производительности корректора, но имеет ряд ограни чений с точки зрения эффективности компенсации МСИ. При рассмотрении Т-интервальной коррекции в частотной области видно, что полоса частот, внутри которой возможна компенсация искажений, лимитирована интервалом [f0–1/2T, f0+1/2T], где f0 –частота несущей. Однако в реальных системах связи ши рина спектра импульсов превышает ширину полосы Найквиста, и Т-интервальный корректор вынужден обрабатывать спектр дискретизированного сигнала, представ ляющий собой результат суммирования спектральных плотностей входного сигна ла с периодом 1/T. В случае существенно нелинейной ФЧХ, свойственной каналам с частотно-селективными замираниями и многолучевым распространением, в об ластях перекрытия спектров возникают резкие перепады модуля и аргумента спек тральной плотности входного сигнала. В результате из-за конечного порядка кор ректирующего фильтра спектральная плотность сигнала в областях перекрытия спектра не может быть выровнена до константы согласно условию Найквиста. По этому компенсация искажений в случае коррекции как на приемной, так и на пере дающей стороне, будет неточной, а образующиеся глубокие минимумы модуля спектральной плотности потребуют от корректора значительного усиления, что приведет к неоправданным энергетическим затратам. К тому же при T-интервальном подходе эффективность коррекции характеризуется высокой чув ствительностью к фазе дискретизации, даже небольшая неточность синхронизации с полезным сигналом приведет к значительному снижению эффективности коррек ции.
При дробно-интервальной коррекции цифровая фильтрация производится с тактовой частотой 1/ 1/T. В результате становится возможной компенсация ис кажений на заданном частотном интервале [f0–fm, f0+fm], где fm 1/2, что позволяет адаптировать процесс коррекции к форме импульсов цифрового сигнала. Посколь ку коэффициент передачи дробно-интервального корректора и спектр сигнала на его выходе будут иметь период 1/ 1/T, становится возможной независимая ком пенсация искажений на обеих сторонах спектра полезного сигнала, что обеспечива ет точность компенсации МСИ независимо от формы частотной характеристики канала в окрестностях частот (f0 – 1/2T) и (f0 + 1/2T). По этой же причине дробно интервальная коррекция не требует синхронизации корректора с полезным сигна лом.
Также возможность компенсации МСИ в заданном частотном диапазоне по зволяет реализовать дробно-интервальную коррекцию совместно с другими техно логиями обработки сигнала, в частности такими, как расширение спектра сигнала и мультиплексирование с ортогональным частотным разделением (OFDM).
Дробно-интервальный подход предъявляет более высокие требования к про изводительности корректора и предполагает больший объем вычислений при опре делении его коэффициентов. С другой стороны, текущий технологический уровень производства элементной базы для цифровой обработки сигнала и снижение стои мости вычислительных ресурсов позволяют реализовать дробно-интервальную коррекцию в сетях широкополосного доступа.
Во второй главе разрабатывается метод дробно-интервальной предвари тельной коррекции сигнала. Предложен метод совместного применения дробно интервальной предкоррекции и расширения спектра сигнала. Анализируется влия ние ширины частотного интервала предкоррекции на эффективность компенсации МСИ. Оценивается эффективность предкоррекции с точки зрения минимизации мощности передаваемого сигнала при заданном качестве передачи.
Предварительная коррекция предполагает установку корректирующего циф рового фильтра, обрабатывающего полезный сигнал f0(t) после помехоустойчивого кодирования и формирования импульсов цифрового сигнала. Рассмотрены два спо соба реализации предкоррекции, соответственно для систем, предусматривающих передачу низкочастотного сигнала, и для систем, в которых спектр передаваемого сигнала шириной s переносится на частоту несущей 0 s/2. Во втором случае предполагается обработка комплексной огибающей полосового аналитического сигнала до умножения на сигнал несущей. Учитывается, что при передаче широко полосного сигнала на частоте несущей получаемый после демодуляции эквива лентный низкочастотный сигнал, вследствие искажений в канале, является ком плексным независимо от метода модуляции. Поэтому в данном случае предусмат ривается раздельная цифровая обработка квадратурных составляющих с помощью соответствующих корректирующих фильтров (Рисунок 1). Также рассмотрен принцип применения дробно-интервальной предкоррекции совместно с OFDM с целью минимизации защитного интервала OFDM-символа.
В общем случае при пакетной передаче данных вычисление коэффициентов корректирующего цифрового фильтра осуществляется в результате тестирования канала некоторым сигналом g0 (t ) L 1{G0 ( p)}. Источником информации о пере даточной функции канала Kс(p) является сигнал gl(t), получаемый на его выходе в результате тестирования, дискретизируемый с частотой 1/ 1/ 1/T. Если в сис теме передачи спектр сигнала переносится на частоту 0, огибающая тестирующего сигнала на выходе канала является комплексной функцией, поэтому предусматри вается анализ обеих его квадратурных составляющих. Получаемые отсчеты, либо вычисленные коэффициенты фильтра, отправляются одним пакетом по обратному каналу.
В качестве модели тестирующего сигнала предполагается использование им пульса, представляющего символы полезного цифрового потока. При тестировании искажающего канала с памятью L символов длительность интервала, анализируе мого при приеме тестирующего импульса, должна быть не менее LT, но не более времени корреляции коэффициента передачи канала. В работе представлен алго ритм выделения тестирующего импульса без влияния МСИ из заданной последова тельности символов, содержащейся в заголовке кадра или внутри его информаци онной части.
Чтобы реализовать преимущества дробно-интервальной предкоррекции, процесс компенсации МСИ рассматривается в частотной области. Причем задача предварительной коррекции сигнала предполагает обращение причинно следственных связей и потому является обратной задачей. Как известно, обратные задачи, описываемые интегральными уравнениями типа свертки, в общем случае могут проявлять некорректность вследствие стремления к нулю ядра уравнения с ростом частоты. Так как канал связи характеризуется в целом убывающим модулем передаточной функции, попытка поиска неизвестного сигнала может приводить к неустойчивому решению или неоправданно высоким затратам энергии. К тому же предкоррекция планируется посредством цифровой обработки, а оптимальный прием предполагает фильтрацию сигнала для ограничения мощности шума. Таким образом, ширина частотного интервала, подлежащего предкоррекции, изначально ограничивается некоторой частотой m /.
Ограничение частотной области предкоррекции также позволяет избежать неопределенности при расчете коэффициентов фильтра, которая может возникать из-за отсутствия СПМ сигнала внутри частотного интервала [–/;
/] и приводить к неединственности набора коэффициентов корректирующего фильтра. В работе также учитывается, что для обеспечения физической реализумости и стабильности предкорректора, импульсаная характеристика (ИХ) канала должна быть аппрокси мирована функцией, представляющей собой ИХ минимально-фазового фильтра.
Для корректного детектирования сигнала не требуется полной компенсации затухания в канале, достаточно обеспечить отношение сигнал-шум, необходимое для достижения заданного порога вероятности ошибки. Поэтому отношение между максимальными амплитудами сигнала на входе приемника и на выходе источника определяется коэффициентом 1.
Рисунок 1 – Схема реализации предварительной коррекции сигнала в цифровой системе передачи На основании полученных при тестировании значений сигнала gl[m] осу ществляется приближенный поиск импульсной характеристики аналогового про тотипа предкорректора hp (t ) L 1{K p ( p)}, имеющей ненулевую частотную ха рактеристику только в окне [–m;
m] и используемой для синтеза корректирую щего фильтра. Такой подход позволяет получить достаточно простой и универ сальный алгоритм расчета коэффициентов фильтра независимо от вида переда точной функции канала. Задача поиска ИХ предкорректора в операторной форме определяется системой уравнений:
K c ( p)G0 ( p) Gl ( p) (1) p K c ( p) K p ( p) e где Kс() – коэффициент передачи канала;
– временная задержка, необходимая для физической реализуемости предкорректора и равная времени пробега пере даваемого сигнала по каналу связи. Поскольку линия является диспергирующей распределенной системой, значение определяется наиболее медленной час тотной составляющей.
Поскольку реакция канала на тестирующий сигнал до момента его прихода в точку приема при нулевых начальных условиях равна 0, тестирующий сигнал на выходе канала полностью описывается функцией gl (t ), представляющей со бой сигнал gl(t), сдвинутый влево по оси времени на. Сигнал gl (t ) после дис кретизации аппроксимируется рядом единичных функций Хевисайда, тогда в операторной форме получаем:
1 1M Gl ( p) gl [0] m1 gl [m] gl [m 1] e pm, (2) p p где выбор значения gl [0], которое является первым отсчетом среди принятых значений gl [m], обеспечивает аппроксимацию передаточной функции канала передаточной функцией минимально-фазового фильтра.
Таким образом, функция Gl ( p), представляющая собой ядро обратной за дачи (1), является затухающей периодической функцией с периодом 2/. Из (1) получаем:
G0 ( p) hp (t ) L 1 f ( p,m ), (3) Gl ( p) где f(p, m) – стабилизирующий множитель.
При дальнейших вычислениях в качестве g0(t) рассматривается трапецеи дальный импульс, являющийся достаточно общим случаем.
Рассмотрены два различных пути нахождения оригинала функции hp(t), яв ляющейся приближенным решением данной обратной задачи. В первом случае используется численное интегрирование с помощью составной квадратурной формулы Ньютона-Котеса, обладающее простой реализацией, но предполагаю щее дискретизацию функций в частотной области. Такой подход накладывает ограничения на длительность обрабатываемого временного интервала. Во вто ром случае при вычислении интеграла Меллина-Фурье применяется метод вычетов, позволяющий избежать дискретизации искомого сигнала по частоте, но требующий более сложных и объемных вычислений.
Получаемые дискретные комплексные значения приближенной ИХ анало гового прототипа hp[n] позволяют сразу вычислить комплексные коэффициенты трансверсального корректирующего фильтра, обладающего гарантированной ус тойчивостью.
Также рассмотрена модификация метода для задачи определения ИХ на основании априорной приближенной информации о передаточной функции ка нала. Данный случай имеет значение для совместного применения предвари тельной коррекции и самонастраивающейся коррекции на приемной стороне (blind equalization). При этом эффективная компенсация МСИ может быть реали зована без тестирования канала, то есть без снижения полезной пропускной спо собности.
Поскольку дробно-интервальная предкоррекция позволяет осуществлять компенсацию искажений в заданном частотном диапазоне, становится возмож ным ее применение совместно с технологией расширения спектра по методу прямой последовательности (direct sequence spread spectrum, DSSS). Как извест но, модуляция с расширением спектра позволяет значительно повысить помехо устойчивость системы передачи в условиях сосредоточенных по спектру помех и широко используется в стандартах беспроводной связи и системах PLC. Предпо сылкой к совместному использованию дробно-интервальной предкоррекции и расширения спектра является тот факт, что обе технологии предполагают дис кретизацию передаваемого сигнала с частотой 1/ = W, превышающей частоту следования символов сигнала 1/T. В результате возможно последовательное применение операций расширения спектра и предварительной коррекции (Рисунок 2). Оборудование на приемной стороне усложняется только необходи мостью демодуляции принятого сигнала с расширенным спектром.
Форми- a[i] Помехоустой- c[i] f0[i] y0[i] BPSK Корректи am(t) АЦП рующий чивое рующий фильтр модулятор фильтр кодирование f = Kp(z) G() Ks() (n, k) b[i] y0(t) a[mT] Генератор Информационная псевдослучайной hc(t), Kc() Канал связи h(t), последовательность последовательности Фhh() [i] c[i] f Согласованный АЦП (t ) Декодер fi фильтр a[mT ] (n, k) f = ri(t) G* () Оценка b[i] информационной Генератор последовательности псевдослучайной последовательности Рисунок 2 – Цифровая система передачи с дробно-интервальной предкоррекцией и расширением спектра сигнала При разработке метода совместного применения предкоррекции и расши рения спектра предполагается использование двоичной фазовой манипуляции (BPSK) сигнала с расширенным спектром. Учитывается, что дробно интервальная предкоррекция по отношению к исходному информационному сигналу выступает в качестве T-интервальной по отношению к сигналу с расши ренным спектром, поэтому для обеспечения отсутствия МСИ между импульсами в сигнале с расширенным спектром используется форма импульса расширяющей последовательности, удовлетворяющая условию Найквиста.
При использовании блокового кода (n, k) в условиях помехи, сосредото ченной в частотной полосе шириной h 2W, вероятность ошибки будет оп ределяться как 2k P PM Q 2 Lc av Rc wm, (4) N av m где Nav/Pav – запас помехозащищенности, то есть максимальное значение отно шения средних мощностей помехи и сигнала, при котором за счет доступного коэффициента расширения Lc еще достигается заданная вероятность ошибки;
wm – вес Хэмминга m-ого кодового слова;
Rc = k/n – скорость кода.
В результате одновременно реализуются преимущества двух технологий обработки сигнала в рамках обеспечения надежной передачи полезного сигнала по каналу со спектрально сосредоточенным аддитивным шумом и МСИ: DSSS позволяет повысить помехоустойчивость приема и устойчивость к многолучево му распространению, а предкоррекция компенсирует частотную зависимость па раметров канала на интервале сигнала с расширенным спектром. В результате компенсация многолучевого распространения осуществляться без частичной по тери энергии полезного импульса.
Проанализировано влияние, оказываемое на вероятность ошибки шириной частотного интервала, на котором осуществляется предкоррекция. Коэффициент и частота m обуславливают снижение величины вероятности ошибки за счет повышения помехоустойчивости приема и снижения остаточной МСИ соответ ственно. Если импульсы полезного сигнала на выходе передатчика удовлетво ряют второму условию Найквиста и ширина спектра импульсов соизмерима с шириной полосы Найквиста, например, амплитудный спектр имеет вид припод нятого косинуса, для детектирования символов принимаемого сигнала без влия ния МСИ достаточно применения предкоррекции при m=(1+)/T, где 0 – коэффициент ската. Если же ширина спектра полезного сигнала s значительно превышает ширину полосы Найквиста, оптимальное значение частоты m, огра ничивающей частотный интервал предкоррекции, определяется путем решения оптимизационной задачи:
1 m m K s ()Kr () e j(0 iT ) d mmin/, DN (m ) (5) 2 i N m G () K s () 0 d Eth, (ПК) E0 (6) 2 m Gl () где DN (m ) – максимальная остаточная МСИ от N символов, N=[(K–1)/T] – объ ем выборки, K – порядок фильтра, Ks() – коэффициент передачи формирующе го фильтра передатчика, Kr() – коэффициент передачи фильтра приемника, 0 – временное положение отсчета при детектировании символа, E0 – энергия им (ПК) пульса на выходе предкорректора, Eth – заданное пороговое значение энергии импульса передаваемого сигнала.
В работе решение данной задачи оптимизации рассмотрено на примере прямоугольной формы импульсов.
В случае совместного применения предкоррекции и расширения спектра, при заданной верхней границе вероятности ошибки коэффициент связан с час тотой m соотношением 2m = const.
Для оценки влияния компенсации МСИ на энергетическую эффективность передачи, оценивается величина запаса мощности 0 (ПК), равная отношению средних мощностей сигнала на выходе передатчика до и после применения предкоррекции при условии заданной вероятности ошибки. Показано, что в ре зультате компенсации МСИ, в условиях гауссовского шума может быть получен запас мощности передаваемого сигнала по отношению к передаче без предкор рекции 0 (ПК) 1. Данный запас может быть также использован для повышения надежности и расстояния передачи.
При совместном применении предкоррекции и расширения спектра, запас мощности передаваемого сигнала зависит от доступного коэффициента расши рения Lc и частотной характеристики канала. За счет коэффициента расширения Lc 1 в условиях сосредоточенной по спектру помехи может быть получен со ответствующий запас мощности 0 (РСПК) 1. Предкоррекция, в свою очередь, обеспечивает снижение вероятности ошибки за счет компенсации искажений в сигнале с расширенным спектром.
Третья глава посвящена разработке алгоритма и программного кода для расчета коэффициентов цифрового корректирующего фильтра. С целью имита ционного моделирования процесса цифровой обработки полезного сигнала раз работана программа для ЭВМ (язык программирования Object Pascal). Програм ма позволяет осуществлять приближенное вычисление ИХ предкорректора, предварительно скорректированного сигнала u0(t) для заданного импульсного сигнала g0(t) по дискретным значениям тестирующего импульса, получаемого на выходе канала, и определять коэффициенты корректирующего фильтра. В каче стве исходных данных вводятся: частота дискретизации тестирующего и полез ного сигналов;
амплитуда и временные параметры тестирующего импульса;
зна чения тестирующего импульса на выходе канала;
частота m;
временной интер вал, в течение которого осуществляется коррекция;
временной интервал, ограни чивающий длительность используемого для расчета тестирующего сигнала;
по роговое значение тестирующего импульса на выходе канала для обнаружения его переднего фронта;
коэффициент ;
масштаб квантования коэффициентов;
амплитуды входного и выходного сигналов корректора. Возможно вычисление коэффициентов фильтра по известным первичным параметрам проводной линии связи. Получаемые коэффициенты фильтра используются при последующей реа лизации аппаратного прототипа предкорректора.
С помощью программы может быть смоделирован процесс тестирования проводной линии, характеризуемой известными первичными параметрами. Кро ме описанных функций, программа производит расчет остаточной МСИ в зави симости от заданной частоты fm (МГц) согласно выражению (5), либо возможен поиск оптимального значения fm в заданном диапазоне. В главе приводится опи сание интерфейса и функциональных возможностей разработанной программы.
Программа может быть использована в учебном процессе для проведения лабораторных работ по курсам, изучающим процессы цифровой обработки сиг налов и коррекции цифровых сигналов.
В четвртой главе представлены экспериментальные результаты дробно интервальной предкоррекции цифрового сигнала в реальных каналах связи, а также рассмотрены вопросы практического применения предкоррекции в систе мах связи. Приводится описание разработанного аппаратного прототипа пред корректора, реализованного на базе FPGA Altera Cyclone II (HDL-описание вы полнено на языке VERILOG с помощью программного пакета Quartus II). В каче стве основного устройства экспериментальной установки использован лабора торный комплекс АПК-2008 производства Учебно-методического центра при Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича.
При экспериментальном исследовании формы выходного сигнала в каче стве среды передачи использовались сегменты сети электропитания, модели рующие условия распространения цифрового сигнала в широкополосных сетях PLC, где вследствие неидеальности частотной характеристики и многолучевого распространения существенно проявляется проблема МСИ, ограничивая качест во, скорость и расстояние передачи. В случае частотно-селективной модели ка нала дробно-интервальная предкоррекция позволила практически полностью устранить уширение длительности символа, измеряемой на половине его ампли туды. В проведенных экспериментах при передаче импульсов, соответствующих частоте символов 8 МГц, относительное уширение импульса снизилось с 72,8% до 0,84%. Также в значительной степени восстанавливается длительность зад него фронта импульса, уширение которого также является источником МСИ при детектировании сигнала.
Для моделирования неоднородной линии связи, в которой сигнал подвер гается многолучевому распространению, использовалась линия, содержащая точку разветвления. В этом случае для принимаемого сигнала характерно нали чие отраженных составляющих для каждого информационного символа. Прове денный в данных условиях эксперимент подтверждает возможность компенса ции отраженных импульсов на сопротивлении нагрузки: относительное ушире ние импульса после применения предкоррекции не превысило 7,2%, относитель ная амплитуда отраженных составляющих снизилась с 30,5% до 12,7%.
Для экспериментальной апробации методики вычисления оптимальной частоты fm, ограничивающей ширину полосы предкоррекции, и коэффициента, получены и проанализированы зависимости частоты битовых ошибок (BER) от данных параметров при использовании линейных кодов AMI и HDB3 в условиях белого гауссовского шума (Рисунок 3). В качестве полезного сигнала использо вался цифровой поток E1 2,048 Мбит/с, форма импульсов которого определяется Рек. ITU-T G.703. Данный сигнал был выбран исходя из производительности FPGA таким образом, чтобы экспериментально исследовать в достаточно широ ких пределах влияние значения fm на BER с помощью транспортного анализато ра. Пунктиром показана вероятность ошибки без предкоррекции. Эксперимен тальные результаты, полученные при оптимальных параметрах fm и, подтвер ждают эффективность применения предкоррекции с точки зрения минимизации вероятности ошибки.
а) б) BER BER 10–3,5 10–3, 10–4 10– fm=8 МГц fm=12 МГц fm=12 МГц fm=8 МГц 10–4,5 10–4, 10–5 10– 10–5,5 10–5, 10–6 10– fm=14 МГц 10–6,5 10–6, fm=14 МГц fm=4 МГц 10–7 10– fm=4 МГц 10–7,5 10–7, 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0, Рисунок 3 – Зависимости BER от и fm, предкоррекция потока E1 2,048 Мб/c в условиях АБГШ: а – линейный код AMI;
б – линейный код HDB3.
Также в главе рассмотрена функциональная схема реализации предвари тельной коррекции в цифровой системе связи, позволяющая производить тести рование канала, расчет и передачу коэффициентов корректирующего фильтра и соответствующую цифровую обработку полезного сигнала.
В заключении изложены основные результаты работы.
В приложениях приведены: краткое описание основных существующих методов коррекции цифровых сигналов, код разработанной программы для ЭВМ, а также акты внедрения результатов работы в проектах ЗАО «Учебно методический центр при Санкт-Петербургском государственном университете те лекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича» и в учебном процессе ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет».
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 1. Разработан метод коррекции цифрового сигнала на передающей сторо не, основанный на цифровой обработке сигнала с использованием дробно интервального подхода, отличающийся от известных возможностью компенса ции искажений в заданном частотном диапазоне, позволяющий за счет компенса ции межсимвольной интерференции получить запас отношения сигнал-шум при детектировании сигнала.
2. Разработан алгоритм реализации дробно-интервальной предварительной коррекции в цифровых системах передачи на основе цифровой обработки сигна ла, отличающийся инвариантностью по отношению к методам модуляции и помехоустойчивого кодирования, позволяющий снизить вероятность ошибки без дополнительной обработки сигнала на приемной стороне.
3. Разработан метод обработки сигнала на передающей стороне, основанный на совместном применении дробно-интервальной предварительной коррекции и расширения спектра цифрового сигнала, отличающийся от известных обеспечени ем компенсации межсимвольной интерференции одновременно с увеличением от ношения сигнал-шум на входе решающего устройства в число раз, равное коэф фициенту расширения спектра, что позволяет снизить вероятность ошибки при передаче сигнала в условиях аддитивной помехи с сосредоточенным спектром без увеличения мощности передаваемого сигнала, или уменьшить среднюю мощность передаваемого сигнала без снижения качества приема.
4. Разработана методика вычисления оптимальной ширины частотного ин тервала, подлежащего предварительной коррекции, основанная на критерии ми нимума остаточной межсимвольной интерференции, отличающаяся возможно стью компенсации искажений при минимальной мощности передаваемого сигнала, позволяющая повысить качество передачи информации в цифровых каналах связи.
5. В результате экспериментов на реальных линиях связи установлено, что благодаря применению предварительной коррекции относительное уширение им пульса цифрового сигнала как в случае прямолинейной, так и в случае разветвлен ной структуры канала, не превышает 7,2%. Результаты экспериментов по предкор рекции при оптимальных параметрах на примере потока Е1 в условиях аддитивно го гауссовского шума показали возможность снижения частоты битовых ошибок на величину до 43% без увеличения мощности передаваемого сигнала, а также продемонстрировали надежную связь в условиях линии связи с многолучевым распространением сигнала.
Перспективы дальнейшей разработки темы. В рамках дальнейших ис следований планируется разработка методов и алгоритмов совместного примене ния предварительной дробно-интервальной коррекции и мультиплексирования с ортогональным частотным разделением, а также разработка алгоритма тестирова ния для предварительной коррекции в проводных каналах с многолучевым рас пространением, который позволил бы автоматически определять его текущее со стояние на основе формы отраженного тестирующего воздействия, принимаемого на передающей стороне.
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ В рецензируемых журналах из списка ВАК 1. Анализ процесса распространения сигнала в поврежденной кабельной ли нии / Султанов А.Х., Тлявлин A.З., Гильманов Э.А., Зайнуллин P.Ф., Любопытов B.C. // Телекоммуникации: ежемесячный производственный, информационно аналитический и учебно-методический журнал. М: Издательство «Наука и Техно логии». 2010. №1. С. 7-9.
2. Метод предварительной коррекции сигнала для компенсации линейных искажений в металлических кабельных линиях / Султанов А.Х., Тлявлин А.З., Лю бопытов В.С. // Вестник УГАТУ: науч. журнал Уфимск. гос. авиац. ун-та. УГАТУ.
2011. Т. 15. № 1 (41). С. 182-187.
3. Метод совместного применения дробно-интервальной предварительной коррекции и расширения спектра цифрового сигнала для PLC-сетей и беспровод ных каналов связи / Багманов В.Х., Любопытов В.С., Султанов А.Х., Тлявлин А.З.
// Инфокоммуникационные технологии: периодич. науч.-техн. и информационно аналитический журнал. ПГУТИ. 2012. Том 10. № 3. С. 20-28.
В других изданиях 4. Повышение эффективности использования направляющих систем при пе редаче цифрового сигнала / Тлявлин А.З., Зайнуллин Р.Ф., Любопытов В.С. // Фи зика и технические приложения волновых процессов: VII Международная НТК.
Самара: СамГУ, 2008. С. 87-88.
5. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2008612899. Моделирование процесса распространения прямоугольного им пульса по однородной длинной линии / Любопытов В.С., Тлявлин А.З., Зайнуллин Р.Ф. Роспатент. М.: Зарег. в Реестре программ для ЭВМ 16.06.2008.
6. Повышение эффективности направляющих систем при передаче цифрово го сигнала / Тлявлин А.З., Багманов В.Х., Любопытов В.С. // Мавлютовские чте ния: материалы Всероссийской молоджной научной конференции. Уфа: УГАТУ, 2009. С. 136-137.
7. Метод предварительной обработки сигнала для коррекции линейных ис кажений в металлических кабельных линиях / Тлявлин А.З., Любопытов В.С. // Проблемы техники и технологии телекоммуникаций: XI Международная научно техническая конференция. Уфа: УГАТУ, 2010. С. 63-64.
8. Метод предыскажения сигнала для компенсации линейных искажений в металлических кабельных линиях / Любопытов В.С. // Актуальные проблемы нау ки и техники: Сборник трудов 6-й Всероссийской зимней школы-семинара аспи рантов и молодых ученых. Уфа: УГАТУ, 2011. С. 92-96.
9. Метод компенсации линейных искажений в проводных кабельных линиях / Султанов А.Х., Тлявлин А.З., Любопытов В.С. // EUNICE 2011 Energy-Aware Communications: Сб. докладов 17-й Международной Конференции, г. Дрезден.
Берлин: Изд-во Springer-Verlag, 2011. С. 195-198 (статья на англ. языке).
10. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2012618601. Расчет коэффициентов цифрового фильтра для предварительной коррекции сигнала / Любопытов В.С., Тлявлин А.З., Багманов В.Х. Роспатент. М.:
Зарег. в Реестре программ для ЭВМ 21.09.2012.
11. О совместном применении дробно-интервальной предварительной кор рекции и расширения спектра цифрового сигнала / Любопытов В.С. // Проблемы техники и технологии телекоммуникаций: XIII Международная научно техническая конференция. Уфа: УГАТУ, 2012. С. 56-58.
12. Оптимизация предварительной коррекции цифрового сигнала в частот ной области / Любопытов В.С. // Проблемы техники и технологии телекоммуника ций: XIII Международная научно-техническая конференция. Уфа: УГАТУ, 2012.
С. 58-61.
Диссертант В.С. Любопытов ЛЮБОПЫТОВ Владимир Сергеевич КОМПЕНСАЦИЯ МЕЖСИМВОЛЬНОЙ ИНТЕРФЕРЕНЦИИ В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ НА ОСНОВЕ ДРОБНО-ИНТЕРВАЛЬНОЙ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ КОРРЕКЦИИ Специальность 05.12.13 – Системы, сети и устройства телекоммуникаций АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Подписано к печати 16.04.2013. Формат 6084 1/16.
Бумага офсетная. Печать плоская. Гарнитура Таймс.
Усл.печ.л. 1,0. Уч.-изд.л. 0,9.
Тираж 100 экз. Заказ № 232.