УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАСТРОЙКИ КОРРЕКТОРА МЕЖСИМВОЛЬНОЙ ИНТЕРФЕРЕНЦИИ Российский патент 1995 года по МПК H04B3/04 

Изобретение относится к области электросвязи и может быть использовано при построении аппаратуры для высокоскоростной передачи данных.

Известно устройство для настройки корректора максимальной интерференции (МСИ), содержащее генератор псевдослучайной последовательности, канал связи, гармонический корректор, блок весового регулирования, согласованный фильтр, частотные характеристики которого комплексно сопряжены с частотными характеристиками псевдослучайной последовательности.

Известно также устройство автоматической настройки гармонического корректора, которое содержит на передающей стороне генератор импульсов настройки, на приемной стороне гармонический корректор, блок ключей, регистр сдвига, детектор, блок синхронизации, генератор эталонного напряжения, усилитель, первый и второй элемент задержки, два сумматора, двухполупериодный выпрямитель, два переключателя и канал связи. Недостатком известных устройств является низкая точность настройки при изменяющихся во времени параметрах канала и нарушение условия робастности алгоритмов их работы при воздействии негауссовых помех и нестационарности фазы передаваемых сигналов.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является выбранное в качестве прототипа устройство для настройки корректора межсимвольной интерференции [1] содержащее на передающей стороне передатчик сигнала настроечной комбинации, подключенный к каналу связи через переключатель, второй вход которого является входом устройства, а на приемной стороне приемник сигнала настройки и первый гармонический корректор (ГК), объединенные входы которых соединены с каналом связи, последовательно соединенные формирователь комплексного кепстра (КК), усреднитель, вычитатель, блок определения коэффициентов и второй ГК, вход которого соединен с выходом приемника сигнала настройки, блок постоянной памяти, выход которого соединен со вторым входом вычитателя, при этом выход первого ГК соединен с вторым входом второго ГК, а выход последнего является выходом устройства.

Устройство формирует коэффициенты усиления гармонических корректоров путем применения алгоритма быстрого преобразования Фурье к комплексному кепстру импульсной характеристики (МХ) канала связи. Кепстральный метод позволяет однозначно определить номер основного отсчета ИХ канала, в результате чего достигается максимальный эффект подавления МСИ при минимальной длине ГК.

Недостатком известного устройства является следующее.

В устройстве не обеспечивается требуемая точность настройки ГК за счет неизбежной погрешности определения КК на фоне аддитивных помех, а увеличение интервала усреднения КК приводит к резкому увеличению объема вычислений, что затрудняет реализацию алгоритма настройки в реальном масштабе времени. При наличии импульсных помех, нелинейных шумов от перегрузки линейного тракта системы передачи и других помех негауссового типа кепстральный алгоритм вычисления ИХ канала является неробастным. Вследствие негрубости оценок КК значительно ухудшается помехозащищенность устройства из-за неточности определения коэффициентов ГК. Существенное негативное влияние на настройку ГК оказывает нестационарность фазы передаваемого сигнала. При этом настройка ГК производится в нестационарном режиме и в большинстве случаев требуемое качество компенсации МСИ не обеспечивается. Образующиеся остаточные МСИ и другие мешающие воздействия ведут к нарушениям в работе системы синхронизации аппаратуры передачи данных, для использования в которой предназначается устройство, и потере фазовой синхронизации. При этом процесс настройки ГК нарушается и для его восстановления требуется повторное вхождение в связь.

Целью изобретения является повышение точности настройки корректора межсимвольной интерференции, обеспечение ее робастности в условиях негауссовых аддитивных помех и нестационарности фазы передаваемого сигнала.

Указанная цель достигается тем, что в устройство для настройки корректора межсимвольной интерференции, содержащее на передающей стороне передатчик сигнала настроечной комбинации, канал связи, на приемной стороне приемник сигнала настройки и первый гармонический корректор, объединенные входы которых соединены с каналом связи, вычитатель, первый блок постоянной памяти, последовательно соединенные формирователь комплексного кепстра, блок определения коэффициентов и второй гармонический корректор, при этом второй выход блока определения коэффициентов соединен со вторым входом первого гармонического корректора, выход которого соединен со вторым входом второго гармонического корректора, снабжено дополнительными на передающей стороне первым блоком коммутации, первый вход которого соединен с выходом передатчика сигнала настроечной комбинации, второй вход является входом устройства, а выход соединен с каналом связи, на приемной стороне определителем модуля сигнала, вход которого является выходом приемника сигнала настройки, а выход подключен к первому входу вычитателя, последовательно соединенными вторым блоком коммутации, оптимальным на классе негауссовых помех инвариантными к фазе сигнала идентификатором параметров канала связи и вторым блоком постоянной памяти, при этом первый вход второго блока коммутации соединен с выходом первого блока постоянной памяти, а выход второго блока постоянной памяти соединен со вторым входом идентификатора параметров канала, третий вход которого соединен с выходом вычитателя, а второй выход со входом формирователя комплексного кепстра, а также определителем модуля оценки сигнала, вход которого соединен с третьим выходом идентификатора параметров канала, а выход со вторым входом вычитателя, и решающей схемой, вход которой подключен к выходу второго гармонического корректора, а выход соединен со вторым входом второго блока коммутации и является выходом устройства.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием новых блоков: первого блока коммутации, определителя модуля сигнала, второго блока коммутации, оптимального на классе негауссовых помех инвариантного к фазе сигнала идентификатора параметров канала связи, второго блока постоянной памяти, определителя модуля оценки сигнала, решающей схемы и их связями с остальными элементами схемы.

Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию изобретения "новизна".

Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что блок коммутации, определитель модуля сигнала, блок постоянной памяти, определитель модуля оценки сигнала и решающая схема, являющаяся поэлементным пороговым решающим устройством, широко известны. Идентификатор параметров канала связи является оптимальным на классе негауссовых помех и инвариантным к фазе сигнала и представляет собой принципиально новое научно-техническое решение.

При введении в заявляемое устройство для настройки корректора межсимвольной интерференции перечисленных блоков в указанной связи с остальными элементами объемы путем учета статистических свойств аддитивных помех и использования при синтезе алгоритма функционирования идентификатора независящей от фазы функции потерь достигается существенное повышение точности компенсации МСИ и обеспечение робастности настройки корректора в каналах связи с помехами негауссового типа и нестационарной фазой сигнала. Это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию "существенные отличия".

На фиг.1 изображена структурная электрическая схема устройства для настройки корректора межсимвольной интерференции; на фиг.2 схема оптимального на классе негауссовых помех инвариантного к фазе идентификатора параметров канала связи; на фиг. 3 пример выполнения идентификатора; на фиг.4 пример реализации блока коммутации.

Устройство для настройки корректора межсимвольной интерференции (фиг.1) содержит передатчик 1 сигнала настроечной комбинации, первый блок 2 коммутации, подключенный ко входу канала 3 связи, вход 4 устройства, приемник 5 сигнала настройки, определитель 6 модуля сигнала, вычитатель 7, первый блок 8 постоянной памяти, второй блок 9 коммутации, идентификатор 10 параметров канала, второй блок 11 постоянной памяти, определитель 12 модуля оценки сигнала, формирователь 13 комплексного кепстра, блок 14 определения коэффициентов, первый гармонический корректор 15, второй гармонический корректор 16, решающую схему 17, передающую сторону 18 и приемную сторону 19.

Идентификатор 10 (фиг. 2) содержит нерекурсивный цифровой фильтр (НЦФ) 20, блок 21 модификации коэффициентов НЦФ, блок 22 синхронизации и управления, блок 23 оценивания статистических характеристик аддитивных помех.

Устройство для настройки корректора межсимвольной интерференции работает следующим образом.

Для настройки первого и второго гармонических корректоров 15 и 16 на передающей стороне 18 блок 2 коммутации подключает к каналу 3 связи передатчик 1 сигнала настроечной комбинации, чем обеспечивается передача в канале 3 электрического сигнала настройки. На приемной стороне этот сигнал поступает на первый гармонический корректор 15 и в приемник 5 сигнала настройки, где в отсчетные моменты времени n осуществляется его квантование по уровню. Электрические сигналы, соответствующие квантованному значению сигнала в отсчетные моменты времени с выхода приемника 5 сигнала настройки поступают на определитель 6 модуля сигнала, выходной сигнал которого подается на вычитатель 7, формирующий сигнал невязки
ε_n= y-exp(jΔθ_n)+- между выходными отсчетами модуля принимаемого сигнала и отсчетами модуля сигнала идентификатора 10, поступающего со второго выхода идентификатора 10 через определитель 12 модуля оценки сигнала на второй вход вычитателя 7; Δ θ_n фазовая ошибка слежения; ζ_n обозначает аддитивное мешающее воздействие. Вектор [d(n+k),d(n),d(n-k)] сигнала настроечной или принятой информационной последовательностей, поступает через второй блок 9 коммутации из первого блока 8 постоянной памяти (в автоматическом режиме) или с выхода решающей схемы (адаптивном режиме), соответственно. Вектор [r_-k(n(,r_o(n),r_k(n)] коэффициентов НЦФ 20 (фиг. 2) представляет оценки параметров (отсчетов импульсной характеристики r_opt}_n=-k^k канала связи, модифицируемые блоком 21 согласно алгоритму
= +μ_rsign() (1) где μ_r шаг адаптации, поступающий из второго блока 11 постоянной памяти; μ_r= 10^-3-10^-2; Δ⁽ⁱ⁾ величина порога различимости однородных (гауссовых) реализаций невязки ε_n, наблюдаемых на фоне негауссовых аддитивных помех, аппроксимируемых плотностью распределения P(ζ ) (1- α)Р_N(ζ ) + αP₃(ζ ); Р_N(ζ ) N(0, σ_N); P₃( ζ ) произвольная симметричная непрерывная унимодальная плотность распределения, α -вероятность "засорения" нормальной плотности распределения, вырабатываемая блоком 23 оценивания статистических характеристик аддитивных помех, реализующим критерий Смирнова Граббса применительно к входным сигналам невязки l ε_n l и среднеквадратического отклонения гауссового шума σ_N, поступающим из блоков 21 и 11, соответственно. Объем анализируемой выборки невязок l 50, чтобы при числе учитываемых отсчетов импульсной характеристики N 2k + 1 21-31 процентные точки критеpия определялись для наиболее приемлемого числа наблюдений l N + 1 20-30. Доверительная вероятность С _β 0,9 выбрана с учетом необходимой точности оценивания α (±2,5˙10^-2). Реализация оценок α начинается в установившемся режиме (t≥ 384T, Т длительность тактового интервала, 384 длительность настроечной комбинации, согласно рекомендации МККТТ У, 29) процесса идентификации параметров канала. При t < <384T принимается α 0,1, что гарантирует увеличение квадратичной погрешности идентификации E_n= - для возможных значений α ≅ 0,5 и σ_з / σ_N ≅ 3 (σ ₃ среднеквадратическое отклонение шума "засорения") не более, чем на 15-20% Величины порога Δ⁽ⁱ⁾ хранятся в матричном запоминающем устройстве блока 11. Их расчет осуществляется предварительно путем решения транцендентного уравнения Ф( Δ⁽ⁱ⁾/ σ_e⁽ⁱ⁾) 0,5(1- α) -[σ _e⁽ⁱ⁾/ Δ⁽ⁱ⁾ x x )]exp(-0,5 / ), i где Ф(·) нормированная функция Лапласса; σ_e⁽ⁱ⁾ [ σ_N² + E_n⁽ⁱ⁾ σ _d²]^1/2 среднеквадратическое отклонение невязки; σ_d² дисперсия последовательности передавае- мых данных d_n; E_n⁽ⁱ⁾= [ r,10^-1; 10^-2, 0] значения точности идентификации для четырех уровней аппроксимации параметра Δ (достаточность четырех уровней установлена путем моделирования на ЭВМ). Такая аппроксимация величины σ_е обеспечивает ступенчатое управление порогом Δ и акселерирует алгоритм при предварительной фазовой коррекции канала с точностью до 1-3 простых переприемных участков по тональной частоте. С учетом свойств сходимости алгоритма (1) уровням Е_n⁽ⁱ⁾ соответствуют моменты времени t⁽ⁱ⁾ n⁽ⁱ⁾T,
где (+)2(1-α)Φ(Δ⁽ⁱ⁾/σ(e

ⁱ⁾)+n′; =E(nⁱ⁾, m 2 для n ≅ 384 и m 1 для n > 384, n^l= 30 коэффициент, учитывающий априорную неточность задания σ_N и погрешность оценивания α. Номера градаций оценок α 10^-2, 5˙10^-2,5˙10^-1 из блока 23 оценки статистических характеристик аддитивных помех поступают во второй блок 11 постоянной памяти. Вместе с сигналами номеров тактовых интервалов n_Δ⁽ⁱ⁾, поступающих из блока 22 синхронизации и управления они образуют сигнал считывания порогового значения Δ⁽ⁱ⁾ и представляют собой код адреса, в соответствии с которым в блоке 11 однозначно определяются значения Δ⁽ⁱ⁾.

Таким образом, применение в алгоритме (1) инвариантной к фазе сигнала невязки ε_n= y- и использование порога Δ⁽ⁱ⁾ в блоке 21 модификации коэффициентов НЦФ в процессе выполнения алгоритма (1) обеспечивает оптимальную на классе негауссовых помех инвариантную к фазе сигнала идентификацию параметров канала связи.

Со второго выхода идентификатора 10 вектор оценок параметров канала связи поступает в формирователь 13 комплексного кепстра, где на его основе определяются значения КК (n),(n), (n) импульсной характеристики канала 3 связи, которые подаются в блок 14 определения коэффициентов b_-k и с_k гармонических корректоров 15 и 16, соответственно. В блоке 14 выполняются вычисления
b_k(n)
C_k(n) после чего значения коэффициентов b_-k(n) и c_k(n) поступают для установки в корректоры. После передачи настроечной комбинации (t 384Т) первый блок 2 коммутации коммутирует на вход канала 3 связи вход 4, а второй блок 9 коммутации подключает на первый вход идентификатора 10 выход решающей схемы 17, чем завершается автоматически режим работы устройства и обеспечивается возможность передачи информации в адаптивном режиме.

Идентификатор 10 параметров канала связи может быть выполнен, например, как это показано на фиг.3. Реализация формирователя 13 комплексного кепстра приведена в прототипе. Пример реализации блока коммутации (как первого, так и второго) показан на фиг.4. Второй блок 11 постоянной памяти представляет собой постоянное запоминающее устройство.

НЦФ 20 выполнен на линии задержки 24 с отводами, умножителях 25 и сумматоре 26, блок 21 модификации коэффициентов НЦФ на умножителях 27, 35, 36, 37, накапливающих сумматорах 28, определителе модуля невязки 29, схеме сравнения 30, ключевых элементах 31, 33, элементе ИЛИ 32, определителе знака невязки 34, определителе знака оценки сигнала 38.Если lε_nl ≅ Δ⁽ⁱ⁾, то схема сравнения 30 открывает ключ 31, выходной сигнал ε_nкоторого через элемент ИЛИ 32 поступает на умножитель 36 и, перемножаясь с значением шага адаптации μ_r (учитывающем знак оценки сигнала () и с вектором входного сигнала НЦФ 20 в умножителях 27 формирует градиент квадратичной функции потерь F() M(y-, накапливаемый сумматорами 28 для модификации вектора ИХ канала связи. При l ε_nl > Δ ⁽ⁱ⁾ модификация вектора осуществляется релейным алгоритмом стохастической аппроксимации, минимизирующим модульную функцию потерь F() M(). В этом случае сигналом со схемы 30 открывается ключ 33 и невязка ε_n, последовательно проходя определитель 34 знака невязки и умножитель 35, аппроксимируется величиной Δ⁽ⁱ⁾.

Блок 22 синхронизации и управления содержит последовательно включенные счетчик 39 и дешифратор 40 и формирует сигнал nΔ ⁽ⁱ⁾ номера тактового интервала, поступающий в блок 11 постоянной памяти для считывания порога Δ⁽ⁱ⁾.

Блок 23 оценивания статистических характеристик аддитивных помех выполнен на определителе 41 неоднородных реализаций невязки, счетчиках 42 объема l анализируемой выборки и 43 количества N неоднородных значений невязки, делителе 44, усреднителе 45, элементе задержки 46, сумматоре 47 и дешифраторе 48.

Определитель 41 осуществляет сравнение результата деления /σ_N с доверительной вероятностью C_β и состоит из последовательно соединенных делителя и схемы сравнения. На выходе дешифратора 48 по сигналам с сумматора 47, вычисляющем разность -, i n + jl, j 1,2,n, формируется сигнал номера градации вероятности α во второй блок 11 постоянной памяти.

Блок коммутации (фиг.4) содержит счетчик 49, дешифратор 5, и коммутатор 51. После передачи настроечной комбинации (t 384Т) по сигналу со счетчика 49 дешифратор 50 вырабатывает управляющий сигнал для коммутатора 51, который отключает вход 1 от выхода, и проключает вход 2 на выход блока, чем обеспечивается подача на вход канала 3 связи информационной последовательности и на первый вход идентификатора 10 сигнала с выхода решающей схемы.

Результаты исследований заявляемого устройства для настройки корректора межсимвольной интерференции путем машинного моделирования показали, что по сравнению с прототипом в каналах с негауссовыми помехами и нестационарной фазой сигнала оно обеспечивает значительное повышение точности коррекции сигналов путем реализации робастной, учитывающей статистические свойства аддитивных помех, инвариантной к фазе сигнала идентификации параметров канала связи.

Например, установившееся значения точности коррекции сигналов, передаваемых по каналу тональной частоты со скоростями 9,6-16 кбит/с при представляющих интерес параметрах негауссовых помех α ∈[10^-3 3˙10^-1] σ_з/σ _N∈[2, 5] и амплитуде дрожания фазы сигнала A_∂∈ [π /30; π /10] с частотой f_∂∈[2,300] Гц, в 3-7 раз превышает точность коррекции, обеспечиваемую устройством прототипом. Это дает применительно к методу передачи с квадратурно-амплитудной модуляцией КАМ-16 при вероятности ошибки Р_ош 10^-4 энергетический выигрыш в 3-5 дБ.

Использование: электросвязь, высокоскоростная передача данных. Сущность изобретения: устройство содержит один передатчик 1, два блока коммутации 2, 9, канал связи 3, один приемник 5, один определитель модуля сигнала 6, один вычитатель 7, два блока постоянной памяти 8, 11, один идентификатор 10, один определитель модуля оценки сигнала 12, один формирователь комплексного кепстра 13, один блок определения коэффициентов 14, два гармонических корректора 15, 16, один решающий блок 17, показаны передающая 18 и приемная стороны 19. 1-2-5-6-7-10-13-14-16-17-9-10-11, 2-15-16, 10-12-7, 14-15, 8-9. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАСТРОЙКИ КОРРЕКТОРА МЕЖСИМВОЛЬНОЙ ИНТЕРФЕРЕНЦИИ, содержащее на передающей стороне передатчик сигнала настроечной комбинации, на приемной стороне приемник сигнала настройки и первый гармонический корректор, объединенные входы которых соединены с каналом связи, вычитатель, первый блок постоянной памяти, последовательно соединенные формирователь комплексного кепстра, блок определения коэффициентов и второй гармонический корректор, при этом второй выход блока определения коэффициентов соединен с вторым входом первого гармонического корректора, выход которого соединен с вторым входом второго гармонического корректора, отличающееся тем, что введены на передающей стороне первый блок коммутации, первый вход которого соединен с выходом передатчика сигнала настроечной комбинации, второй вход является входом устройства, а выход соединен с каналом связи, на приемной стороне определитель модуля сигнала, вход которого соединен с выходом приемника сигнала настройки, а выход подключен к первому входу вычитателя, последовательно соединенные второй блок коммутации, идентификатор параметров канала связи и второй блок постоянной памяти, первый вход второго блока коммутации соединен с выходом первого блока постоянной памяти, а выход второго блока постоянной памяти соединен с вторым входом идентификации параметров канала, третий вход которого соединен с выходом вычитателя, а второй выход с входом формирователя комплексного кепстра, определитель модуля оценки сигнала, вход которого соединен с третьим выходом идентификатора параметров канала, а выход с вторым входом вычитателя, и решающий блок, вход которого подключен к выходу второго гармонического корректора, а выход соединен с вторым входом второго блока коммутации и является выходом устройства. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что идентификатор параметров канала содержит нерекурсивный цифровой фильтр, блок модификации коэффициентов, блок синхронизации и управления, блок оценивания статистических характеристик аддитивных помех, при этом первым входом идентификатора является вход нерекурсивного цифрового фильтра, первый выход которого соединен с первым входом блока модификации коэффициентов, а второй выход является третьим выходом идентификатора и подключен к второму входу блока модификации коэффициентов, первый выход которого подключен к второму входу нерекурсивного цифрового фильтра и является вторым выходом идентификатора, вторым входом идентификатора является третий и четвертый входы блока модификации коэффициентов, первый вход блока оценивания статистических характеристик аддитивных помех, третьим входом идентификатора являются объединенные входы блока синхронизации и управления и блока модификации коэффициентов, второй выход которого соединен с вторым входом блока оценивания статистических характеристик аддитивных помех, выход которого совместно с выходом блока синхронизации и управления является первым выходом идентификатора.