УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ СИГНАЛОВ ПЕРЕДАЧИ В ДУПЛЕКСНЫХ СИСТЕМАХ СВЯЗИ Российский патент 2004 года по МПК H04B3/20 

Изобретение относится к области электросвязи, преимущественно к дуплексной передаче сигналов по каналам связи.

Известно устройство для разделения сигналов двух направлений [1], состоящее из передающего устройства, вычитателя и приемного устройства. Принцип действия таких устройств основан на искусственном вырабатывании сигналов эха в формирующем адаптивном фильтре и в дальнейшем компенсации эхо-сигналов, проникающих на вход приемного устройства. Операция компенсации эхо-сигналов осуществляется с помощью вычитания из суммарного принимаемого сигнала и сигналов эха дополнительно сформированной копии сигналов эха.

Недостатками подобных устройств являются низкая помехоустойчивость принимаемых сообщений, большой уровень нескомпенсированного эхо-сигнала, большая критичность к корреляционным связям сигналов передачи и приема. Даже при частичной коррелированности сигналов двух направлений устройство начинает компенсировать принимаемый сигнал, делая дуплексный обмен сигналов невозможным.

Этот недостаток устранен в прототипе [2], содержащем последовательно соединенные (Фиг.1) входной блок 1, коммутатор 2, первый цифроаналоговый преобразователь 3, аналого-цифровой преобразователь 4, первый блок 6 памяти, вычитатель 8, вторым входом соединенный с выходом первого блока 6 памяти, сумматор 9, второй блок 10 памяти, выход которого соединен со вторым входом сумматора 9, а также последовательно соединенные генератор 7 и формирователь 5 обучающих сигналов, выходом соединенный со вторым входом коммутатора 2, управляющий вход которого объединен со входом обнуления второго блока 10 памяти, при этом выход генератора 7 соединен со вторыми входами соответственно входного блока 1, АЦП 4, первого 6 и второго 10 блоков памяти, а выход коммутатора соединен с третьим входами первого 6 и второго 10 блоков памяти.

Работа прототипа состоит из двух частей: предварительного обучения и дуплексного обмена сигналами. При предварительном обучении устройства под параметры канала связи блок обучения 5 выдает в цифровой форме все использованные цифровые комбинации, отклики от которых записываются в первом блоке 6 памяти. На период адаптации второй блок 10 памяти обнуляется. При обучении принимаемые сигналы должны отсутствовать.

По окончании предварительной адаптации начинается дуплексный обмен сигналами. Включаются оба блока памяти.

Используемая структура нерекурсивной и рекурсивной частей компенсатора зеркально симметричны. В нерекурсивной части производится компенсация сигналов передачи и модуляция сигналов приема. Рекурсивная часть полностью восстанавливает форму принимаемых сигналов.

Однако прототип может работать только на каналах с постоянными параметрами. При переходе параметров канала связи из одного состояния в другое во втором блоке 10 памяти накапливается сигнал надокомпенсации, который дополнительно не компенсируется. Это явление может привести к срыву дуплексного обмена и потребует нового переобучения. Если параметры канала связи изменяются с большой скоростью, то в таких условиях работа прототипа становится невозможной. При этом помехоустойчивость принимаемых сообщений будет достаточно низкой.

Целью настоящего изобретения является повышение помехоустойчивости принимаемых сообщений.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для разделения направлений передачи в дуплексных системах связи, содержащем последовательно соединенные входной блок, коммутатор, первый цифроаналоговый преобразователь, выходом соединенный с двухпроводным каналом связи, аналого-цифровой преобразователь, вычитатель, сумматор и второй цифроаналоговый преобразователь, а также первый и второй блоки памяти и последовательно соединенные генератор и блок обучения, выходом соединенный со вторым входом коммутатора, третий вход которого является управляющим, при этом выход генератора соединен со вторыми входами соответственно входного блока, аналого-цифрового преобразователя, первого и второго блоков памяти, третьи входы первого и второго блоков памяти подсоединены к выходу коммутатора, а первые входы первого и второго блоков памяти подсоединены соответственно к выходу аналого-цифрового преобразователя и выходу сумматора, введены первый и второй блоки адаптации, первый и второй аттенюаторы и одновибратор, при этом выход первого блока памяти подсоединен ко входу первого аттенюатора и первому входу первого блока адаптации, выходы которых соединены со вторым и третьим входами вычитателя соответственно, выход второго блока памяти соединен со входом второго аттенюатора и первым входом второго блока адаптации, выходы которых соединены со вторым и третьим блоками сумматора соответственно, при этом вторые и третьи входы первого и второго блоков адаптации соединены с одноименными входами первого и второго блоков памяти, выход одновибратора соединен с четвертым входом первого блока памяти, а также с четвертым входом первого блока адаптации, а вход одновибратора объединен со входом управления коммутатора и четвертыми входами второго блока памяти и второго блока адаптации соответственно.

Докажем соответствие предлагаемого решения критерию "Существенные отличия".

1. Отличительным конструктивным признаком предлагаемого решения является введение двух блоков адаптации, двух аттенюаторов и одновибратора. При этом блоки адаптации содержат 2•(М-1) дополнительных блоков памяти, сумматоры и три аттенюатора.

При этом введенные блоки представляют собой единую совокупность конструктивных признаков, так как элементы предложенной конструкции взаимосвязаны, соединены в единую систему, действие одного из них непосредственно влияет на другие, замена какого-либо блока на другие нарушает работу всего устройства в целом. Такая новая совокупность конструктивных признаков обеспечивает положительный эффект (повышение помехоустойчивости принимаемых сообщений), который соответствует всему устройству, а не отдельным его элементам.

Кроме того, предложена конструкция первого и второго блоков адаптации.

2. Заявителем просмотрена техническая документация по классификации МКИ H 04 L 27/19 и УДК 621.393.3, относящаяся ко всему устройству в целом. В результате анализа вышеуказанной литературы, который изложен в тексте описания и в справке о патентных исследованиях, заявителем не обнаружено технических решений, аналогичных предлагаемому.

Также можно доказать появление у объекта изобретения новых свойств, не присущих его частям. Каждый из введенных блоков выполняет в отдельности те же функции, что и в известных устройствах. Например, блоки памяти считывают и записывают сигналы, сумматоры суммируют, аттенюаторы уменьшают в М раз сигнал и т.д. Однако введение новых блоков и связей между ними, а также новые электрические связи между введенными узлами и узлами прототипа создают новый механизм взаимодействия, который обеспечивает разделение сигналов двух направлений при изменении параметров канала связи и автоматически ведут подстройку устройства.

Устройство содержит /Фиг. 2/: 1 - входной блок, 2 - коммутатор, 3 - первый цифроаналоговый преобразователь, 4 - аналого-цифровой преобразователь, 5 - блок обучения, 6 и 10 - соответственно первый и второй блоки памяти, 7 - генератор, 8 - вычитатель, 9 - первый сумматор, 11 - второй цифроаналоговый преобразователь, 12 - первый блок адаптации, 13 - второй блок адаптации, 14 - одновибратор, 15 и 16 - соответственно первый и второй аттенюаторы.

Первый блок 12 адаптации /Фиг.3/ содержит первый 17-1, второй 17-2,..., 17-(М-1) дополнительные блоки памяти, второй сумматор 18, третий аттенюатор 19.

Второй блок 13 адаптации /Фиг.4/ содержит первый 20-1, второй 20-2,..., 20-(М-1) дополнительные блоки памяти, пятый аттенюатор 21, третий сумматор 22, четвертый аттенюатор 23.

Коэффициенты передачи первого 15, второго 16, третьего 19 и четвертого 23 аттенюаторов одинаковы и равны 1/М, где М - порядок сложности эхо-компенсатора. Для уменьшения сложности вычислительных затрат значение М выбирается кратным 2, т.е. М=1, 2, 4, 8,.... В этом случае операции умножения заменяются сдвигами вправо. В общем случае значение М может быть любым целым числом.

Конструктивное выполнение одновибраторов известно. Конструктивное выполнение блоков памяти (блоки 6, 10, 17, 20) известно. Это, к примеру, м/схема 1002ИР1. Вычитатель 8, сумматоры 9, 18, 22 строятся на многоразрядных м/схемах, к примеру 564ИМ1, 155ИМ1, 155ИМ3 и т.д.

Аналого-цифровые преобразователи 4 - стандартные узлы. Аналогично цифроаналоговые преобразователи конструктивно также представлены соответствующими м/схемами. Конструктивное выполнение остальных узлов также известно.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Работу можно условно разбить на период предварительной адаптации к параметрам канала связи и рабочий цикл. Отметим, что в рабочем цикле производится автоматическая настройка под изменяющиеся параметры канала связи.

При предварительном обучении устройства на вход управления коммутатора 2 от оконечного оборудования данных ООД (на Фиг.2 не показан) поступает логический нуль. По данному сигналу коммутатор 2 подключает выход блока обучения 5 ко входу первого цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 3. Сигнал управления ООД обнуляет второй блок 10 памяти и все дополнительные блоки 20 памяти во втором блоке 13 адаптации.

Помимо этого появление логического нуля на входе управления приводит к срабатыванию одновибратора 14, который вырабатывает кратковременный обнуляющий сигнал для первого блока 6 памяти и для дополнительных блоков 17 памяти в первом блоке 12 адаптации. После этих операций устройство готово к предварительной адаптации.

При предварительной адаптации сигналы противоположной стороны могут отсутствовать либо присутствовать, от этого работоспособность устройства, в целом, не изменится. Однако для лучшего понимания процесса предварительной адаптации будем полагать, что принимаемые сигналы отсутствуют.

Блок обучения 5 циклически выдает все используемые цифровые комбинации U_i(nT). Здесь подстрочный индекс означает квантованный по уровню сигнал, а значение n - дискретное время.

Комбинации U_i(nT) превращаются в отсчеты аналогового сигнала.

На выходе аналого-цифрового преобразователя 4 наблюдаем отсчеты сигнала, определяемые свойствами подключения канала, которые равны
L_i(nT) = U_i(nT)*G_эхо(nT), (1)
где G_эхо(nT) - отсчеты импульсной реакции эхо-тракта;
* - означает операцию свертки.

Структура предлагаемого устройства такова, что двоичная цифровая комбинация U_i(nT) является адресом для первого 6 и второго 10 блоков памяти и дополнительных блоков 17 и 20 памяти в первом 12 и втором 13 блоках адаптации. Перечисленные выше блоки памяти работают синхронно. Порядок работы блоков памяти следующий: вначале по адресу U_i(nT) считывается прежнее содержимое, а затем по тому же адресу записывается входной сигнал соответствующего блока памяти. Так как во время начала адаптации все блоки памяти были обнулены, то считываются нули.

В первый блок 6 памяти записывается отклик канала связи с выхода АЦП 4. Дополнительные блоки 17 памяти первого блока 12 адаптации представляют собой многоразрядовые регистровые запоминающие устройства, следовательно, в первый дополнительный блок 17-1 памяти переписывается сигнал с выхода первого блока 6 памяти.

В последний дополнительный блок 17-(М-1) памяти переписывается сигнал с выхода дополнительного блока 17-(М-2) памяти.

Второй блок 10 памяти и все дополнительные блоки 20 памяти второго блока 13 адаптации обнулены и в начальный период и в работе не участвуют.

Все обучающие сигналы должны повторятся М раз. Таким образом, в момент времени от n=0 до n=N-1 первый обучающий сигнал U₁(nT) дополняет часть памяти первого блока 6 памяти. Если используется V обучающих сигналов, то спустя промежуток времени, равный N•V, первый блок 6 памяти полностью заполнится образцами эхо-сигналов. По окончании временного интервала, равного M•N•V, первый блок 6 памяти и все дополнительные блоки памяти 17 в первом блоке 12 адаптации заполняются образцами эхо-сигналов. При этом наблюдается связь между передаваемыми обучающими сигналами U_i(nТ) и записываемыми откликами. Так, в ячейку с адресом U₁(nT) записывается отклик канала связи L₁(nТ). При этом в дополнительном блоке 17-(М-1) памяти первого блока 12 адаптации записывается значение эхо-сигнала, равное L₁(1T). Соответственно по данному адресу в дополнительных блоках 17-2 и 17-1 памяти будут хранится образцы эхо-сигналов, равные L₁[N•V•(M-2)•T] и L₁[N•V•(M-1)•T]. В первом блоке 6 памяти будет хранится отклик, равный L₁[N•V•M•T]. Следует отметить, что по закону относительности значения откликов канала связи отличаются на малую величину На этом процесс адаптации заканчивается. С выхода ООД снимается управляющий сигнал, коммутатор 2 подключает выход входного блока 1 ко входу первого ЦАП 3. Помимо этого снимается обнуляющий сигнал со второго блока 10 памяти и всех дополнительных блоков 20 памяти второго блока 13 адаптации.

Начинается рабочий цикл. Входной блок 1 представляет собой либо аналого-цифровой преобразователь при аналоговой передаче, либо универсальный последовательно/параллельный регистр сдвига при цифровом обмене сигналов. В том и другом случае на входе первого ЦАП 3 будут двоичные комбинации U_i(nТ), которые использованы при обучении устройства под параметры канала связи.

Совокупность вычитателя 8, первого блока 6 памяти, первого аттенюатора 15 и первого блока 12 адаптации в дальнейшем будем называть прямой структурой (ПС). Совокупность первого сумматора 9, второго блока 10 памяти, второго аттенюатора 16 и второго блока 13 адаптации будем называть взаимно-обратной структурой (ВОС). Характеристики ПС и ВОС зеркально симметричны. Передаточная характеристика каскадного соединения ПС и ВОС определяется следующим соотношением:

где1/М - коэффициенты передачи первого 15, второго 16, третьего 9 и четвертого 23 аттенюаторов;
М - порядок эхо-компенсатора;
С - коэффициент передачи пятого аттенюатора 21, 0,1<C≤1.

Передаточная характеристика, представленная выражением (2), представляет собой высокодобротный фильтр верхних частот.

На Фиг. 5÷Фиг. 8 представлены амплитудно-частотные характеристики каскадного соединения ПС и ВОС при изменении коэффициента передачи пятого аттенюатора 21 в пределах от 0,1 до 1. При М=1 и С=1 предлагаемое устройство вырождается в структуру прототипа. Для этих параметров амплитудно-частотная характеристика частотно независима и устройство работоспособно на каналах с постоянными параметрами.

Как указывалось выше, в ячейки памяти первого блока 6 памяти и дополнительные блоки памяти 17 в первом блоке адаптации записываются отклики канала связи на соответствующие цифровые комбинации. Таким образом, на цифровую комбинацию U₁(nT) во всех перечисленных блоках памяти хранятся отклики L₁(nТ). Величины L₁(nТ) во всех блоках памяти ПС отличаются на малую величину. Следовательно, значение L₁(nТ) - это постоянная величина "в первом приближении". Аналогично по адресу U₂(nT) хранится сигнал L₂(nT) и т.д.

Следует заметить еще раз, что каскадное соединение ПС и ВОС - это фильтр верхних частот, который с большой точностью компенсирует постоянную составляющую.

На выходе АЦП 4 наблюдаем сумму двух составляющих - эхо-сигналов и принимаемых сигналов. В АЦП 4 аналоговый сигнал преобразуется в цифровой эквивалент. Так как работа предлагаемого устройства предполагает преобразование сигналов передачи в тракте приема в отчеты постоянной составляющей, то в ПС и перечисленных выше блоках памяти будет храниться значение постоянной составляющей совместно с отчетами принимаемых сигналов. На выходе ПС эхо-сигналы компенсируются, а принимаемые сигналы модулируются по закону сигналов передачи. В ВОС эта модуляция устраняется.

Для сигналов передачи (эхо-сигналов) каскадное соединение ПС и ВОС представляет собой высокодобротный фильтр - пробку.

Для принимаемых сигналов каскадное соединение ПС и ВОС в идеальном случае (при С=1) - это прямой провод с коэффициентом передачи, равным единице.

Однако в принимаемый сигнал вносятся амплитудно-частотные искажения, значения которых уменьшаются с увеличением коэффициента передачи пятого аттенюатора 21. При этом увеличение коэффициента передачи пятого аттенюатора 21 уменьшает скорость сходимости процесса настройки.

В качестве примера на Фиг.9 - Фиг.10 приведены кривые сходимости процесса настройки для эхо-компенсатора второго и четвертого порядков. Как видно из этих фигур, время сходимости заканчивается к 7 тактовому интервалу у компенсатора второго порядка.

С помощью моделирования на ЭВМ получены характеристики процесса сходимости, которые представлены в виде
T_сход≥Q•N•Z^r•T_{дискрет}, (3)
где
Т_{дискрет} - период дискретизации;
r - разрядность обработки;
N - количество отсчетов импульсной реакции.

Полной компенсации сигналов передачи не будет. Величина остаточного шума недокомпенсации определяется следующими значениями:

где Δ - шаг квантования;
С - коэффициент передачи пятого аттенюатора 21.

Устройство является адаптивным. При изменении параметров канала связи изменяются образцы эхо-сигналов, которые записываются в блоки памяти ПС и спустя M•N•V тактовых интервалов произойдет самонастройка предлагаемого устройства под новые условия передачи.

Оценим преимущества предлагаемого технического решения с прототипом, взятым за базовый объект. Величина защищенности у прототипа при изменении параметров канала связи определится следующим выражением:

где r - разрядность обработки;
k(τ) - коэффициент корреляции изменения параметров канала связи;
Р_c - уровень сигнала приема;
Р_ш.нед. - величина шума недокомпенсации эхо-сигнала.

Величина защищенности у предлагаемого устройства равна

где С - коэффициент передачи пятого аттенюатора 21;
N - количество циклов обращения к заданной ячейки памяти.

Взяв отношение

окончательно получим

При С < 1 и N > 100 данное выражение всегда больше единицы.

При k(τ)=0,9; С=0,9; N=100; r=10 выигрыш составит 12,4 раза.

Таким образом, качество работы предлагаемого устройства превосходит качественные показатели прототипа.

Устройство прошло предварительные испытания и его предлагается внедрить на радиосети стандарта GSM для борьбы с явлением электрического эха.

Литература
1. Адаптивные фильтры под редакцией К.Ф.Н. Коуэна и П.М. Гранта. - М.: Мир, 1988. - 298 с. (аналог).

2. АС 1133675. Устройство для разделения направлений передачи в дуплексных системах связи. / Малинкин В.Б., Лебедянцев В.В., опубл. в БИ 1, 07.01.85 г. - прототип.

3. Тарабрин В.Г. Справочник по микросхемам.

Изобретение относится к области электросвязи и может быть использовано в дуплексной передаче сигналов по каналам связи. Устройство содержит вычитатель, первый блок памяти, первый аттенюатор и первые (М-1) дополнительные блоки памяти, второй сумматор и третий аттенюатор, образующие прямую структуру (ПС), первый сумматор, второй блок памяти, второй аттенюатор, вторые (М-1) дополнительные блоки памяти, третий сумматор, четвертый и пятый аттенюаторы, образующие взаимообратную структуру ВОС. Каскадное соединение ПС и ВОС для эхо-сигналов образует фильтр-пробку, а для принимаемых сигналов - прямой провод с коэффициентом передачи, равным единице. Технический результат заключается в повышении помехоустойчивости принимаемых сообщений. 10 ил.

Устройство для разделения сигналов передачи и приема в дуплексных системах связи, содержащее последовательно соединенные входной блок, коммутатор, первый цифроаналоговый преобразователь, выходом соединенный с двухпроводным каналом связи, аналого-цифровой преобразователь, вычитатель, сумматор и второй цифроаналоговый преобразователь, а также первый и второй блоки памяти и последовательно соединенные генератор и блок обучения, выходом соединенный с вторым входом коммутатора, третий вход которого является управляющим, при этом выход генератора соединен со вторыми входами соответственно входного блока, аналого-цифрового преобразователя, первого и второго блоков памяти, третьи входы первого и второго блоков памяти, являющиеся адресными входами, соединены с выходом коммутатора, первые входы первого и второго блоков памяти, являющиеся сигнальными входами, соединены соответственно с выходом аналого-цифрового преобразователя и выходом сумматора, отличающееся тем, что введены первый аттенюатор, выход которого подключен к второму входу вычитателя, последовательно соединенные первые (М-1) дополнительных блоков памяти, выходы которых соединены со входами второго сумматора, выход которого через третий аттенюатор соединен с третьим входом вычитателя, при этом входы первого аттенюатора и первого из первых дополнительных блоков памяти подключены к выходу первого блока памяти, а также последовательно соединенные вторые (М-1) дополнительных блоков памяти, вход первого из которых подключен к выходу второго блока памяти и входу второго аттенюатора, подключенного к второму входу сумматора, выход последнего из которых подключен к входу пятого аттенюатора, выход которого, а также выходы остальных вторых (М-1) дополнительных блоков памяти подключены к входам третьего сумматора, выход которого через четвертый аттенюатор подключен к третьему входу первого сумматора, управляющий вход коммутатора подключен к входу одновибратора и четвертым входам второго блока памяти и вторых (М-1) дополнительных блоков памяти, а выход одновибратора подключен к четвертым входам первого блока памяти и первых (М-1) дополнительных блоков памяти, при этом управляющий сигнал коммутатора обнуляет второй блок памяти и вторые дополнительные (М-1) блоки памяти и приводит к срабатыванию одновибратора, который вырабатывает обнуляющий сигнал для первого блока памяти и первых (М-1) дополнительных блоков памяти.