Адаптивное моделирование многолучевого канала связи

Задача, связанная с многолучевым распространением и состоящая в том, что переданный сигнал поступает в приемник несколькими путями, тем самым создавая помеху в виде эха, поясняется рис. 9.5. Чтобы понять, как применить адаптивное моделирование к задаче многолучевого канала (т. е. к идентификации импульсной характеристики на рис. 9.5), рассмотрим сначала кратко метод широкополосной передачи двоичных сигналов по многолучевому каналу с высоким уровнем шумов [1, 13].

В широкополосной связи каждый вид информации, будь то нуль или единица, передается в виде последовательности закодированных символов. При этом единица может быть представлена конкретной последовательностью, например длиной 32 бита. Тогда нуль представляется другой последовательностью длиной 32 опта. Приемник находит корреляционные функции последовательностей и, в зависимости от максимумов этих функций, декодирует последовательности в единицы или пули. Кодовые последовательности единицы и нуля являются псевдослучайными и строятся таким образом, чтобы они были ортогональными и каждая имела автокорреляционные функции с максимальным значением при нулевом запаздывании и близким к нулю в остальных случаях.

Рис. 9.5. Типичный дисперсионный канал и его импульсная характеристика

Такими свойствами обладают последовательности максимальной длины, которые широко используются для решения задач связи [1]. Эти последовательности имеют очень широкий спектр даже при регулярном правиле чередования нулей и единиц (отсюда термин «широкополосная связь»). Системы такого вида являются очень эффективными при наличии мощной широкополосной аддитивной помехи.

Однако на широкополосную систему рассматриваемого вида оказывает отрицательное воздействие многолучевость. В результате многолучевого распространения, т. е. параллельного распространения сигнала от передатчика к приемнику по многим лучам, имеющим каждый свое время задержки, в точке приема последовательность символов искажается. В приемнике отклики от различных лучей линейно суммируются, что приводит к искажениям. Совместное использование адаптивных и широкополосных методов позволяет разделять лучи, т. е. по существу исключить влияние многолучевости.

На рис. 9.6 приведена блок-схема широкополосной системы связи, функционирующей в простом недисперснонном канале без многолучевости. Здесь предполагается наличие шума в канале В соответствии с передаваемой информацией в передатчике подключается псевдослучайная последовательность единицы или нуля и формируется информационный сигнал. Последовательности как единицы, так и нуля формируются одновременно, синхронизируются устройством синхронизации и повторяются в соответствии с информационной последовательностью.

Рис. 9.6. Структурная схема приемника и передатчика системы

До окончания передачи всей последовательности нуля или единицы ключ должен находиться в одном и том же состоянии. Затем в зависимости от следующего передаваемого бита информации ключ можно оставить в прежнем состоянии или перевести в противоположное. Информационный сигнал в виде чередующихся последовательностей единицы и нуля передается по каналу.

С учетом задержки на приемник поступает этот же сигнал, смешанный с аддитивным шумом канала. Устройство синхронизации приемника формирует временные отсчеты с точно такой же скоростью, как и устройство синхронизации передатчика, однако их импульсы сдвинуты по фазе друг относительно друга из-за задержки в канале. В приемнике вычисляются взаимокорреляционные функции последовательностей нуля и единицы с принятой зашумленной последовательностью и при правильной синхронизации на выходе одного из корреляторов формируется максимальное значение автокорреляционной функции. Поскольку в общем случае задержка в канале неизвестна, фазу устройства синхронизации приемника можно постепенно изменять, добиваясь максимального отклика на выходе коррелятора. Информационная последовательность на выходе системы формируется в решающем устройстве, которое периодически принимает решение, на выходе какого коррелятора имеется наибольший отклик. Если наибольший отклик появляется на выходе коррелятора единицы, то выходным сигналом системы является единица и т. д.

При правильной синхронизации в канале без шумов максимальный отклик формируется только на выходе одного из корреляторов, а выходной сигнал другого коррелятора имеет очень низкий уровень. Однако наличие шума на выходах обоих корреляторов приводит к необходимости принятия решения на основе выбора наибольшего отклика. При разработке такой системы обычно используют априорные сведения об отношении сигнал-шум в канале. Чем ниже отношение сигнал-шум, тем более длинные кодовые последовательности нуля и единицы необходимо формировать. Влияние шума канала уменьшается из-за его усреднения при вычислении корреляционных функций.

Такая широкополосная система обладает устойчивостью по отношению к шуму, преднамеренной помехе и другим видам помех. Кроме того, эта система обеспечивает скрытность связи, так как кодовые последовательности нуля и единицы могут быть известны только получателю информации.

Рассмотрим теперь случай, когда канал не только обладает шумом, но и является многолучевым. Предположим, например, что импульсная характеристика канала представляет собой задержанный, как показано на рис. 9.5, импульсный отклик, распределенный в конечном временном интервале. Положим, что длительность последовательности нуля или единицы сравнима с временным интервалом многолучевости.

Тогда после свертки переданного сигнала и импульсной характеристики канала в приемнике возникает сильная помеха в символах кодовой последовательности и между ними. Это явление называют межсимвольной интерференцией. Решить эту задачу можно методами адаптивной фильтрации с помощью моделирования параметров многолучевого канала.

На рис. 9.7 показана схема моделирования неизвестного канала, предназначенная для получения наибольшего приближения к его импульсной характеристике. В этом случае не передаются нули и единицы, а вместо этого в канал циклически передается одна известная псевдослучайная последовательность. На приемной стороне осуществляется наблюдение сигнала на выходе канала. Выходной сигнал адаптивного фильтра сравнивается с сигналом на выходе канала, который в данном случае является полезным откликом. Адаптация фильтра производится по критерию минимума, СКО, которая представляет собой разность между сигналами на выходах канала и адаптивной модели. Циклическое повторение псевдослучайной последовательности исключает проблему синхронизации, связанную с неизвестной большой задержкой канала. Однако для моделирования многолучевого канала адаптивным фильтром необходимо, чтобы устройства синхронизации передатчика и приемника работали с одной и той же скоростью. Длительность псевдослучайной последовательности должна быть больше временного интервала многолучевости (длительности импульсной характеристики канала за исключением времени задержки). Постоянная времени адаптивного фильтра должна быть, по крайней мере, не меньше временного интервала многолучевости. Заметим, что для системы на рис. 9.7 шум канала не влияет на оптимальные весовые коэффициенты модели канала. Для определения эффективности адаптивной модели, подстройки устройства синхронизации приемника и т. д. в схеме на рис. 9.7 используется коррелятор.

На рис. 9.8 приведена схема цифровой системы связи с заданными неадаптивными моделями канала.

Рис. 9.7. Адаптивное моделирование многолучевего канала

Рис. 9.8. Цифровая система связи с заданными неадаптивными моделями каналов

Здесь для облегчения понимания принято нереальное предположение, что в приемнике имеется точная модель канала. Как и в системе на рис. 9.6, обе псевдослучайные последовательности, соответствующие нулю и единице, выбраны одинаковыми как для передатчика, так и для приемника. В передатчике информационная последовательность также кодируется с помощью ключа, который выбирает соответствующую кодовую последовательность. В приемнике на входы идентичных устройств, моделирующих канал, поступают последовательности нуля и единицы. В процессе приема сигналов вычисляется взаимокорреляционная функция выходных сигналов, моделирующих канал, и принятых сигналов. Решающее устройство осуществляет выбор нуля или единицы по выходным сигналам корреляторов в моменты времени, определяемые скоростью передачи информации. Оба устройства синхронизации приемника синхронизированы между собой, а их фазы подстраиваются так, чтобы достигался максимум выходного отклика корреляторов.

В практических системах необходимо некоторым способом моделировать канал в приемнике. Способ, представленный на рис. 9.7, является работоспособным, за исключением того, что фактически невозможна передача информации, поскольку постоянно передается и повторяется только одна псевдослучайная последовательность. Более исчерпывающий подход к моделированию канала в процессе передачи информации реализован в схеме на рис. 9.9. Передаваемый сигнал формируется аналогичным образом.

Формируемые в приемнике синхронизированные кодовые последовательности нуля и единицы суммируются и подаются на вход адаптивного фильтра, выходной сигнал которого сравнивается с сигналом на выходе многолучевого канала. Адаптация фильтра осуществляется по критерию наилучшего среднеквадратического приближения к сигналу на выходе канала.

Поскольку входной сигнал адаптивного фильтра состоит из суммы обеих кодовых последовательностей, принимаемый сигнал является коррелированным с той или другой последовательностью в зависимости от того, что принимается в данный момент — нуль или единица. В схеме на рис. 9.9 адаптивный фильтр имеет тот же оптимальный вектор весовых коэффициентов, что и в схеме на рис. 9.7, за исключением масштабного множителя. Этот вектор равен (см. равенство (2.17) и т. д.). Сравнение обеих схем показывает, что матрицы R для них одинаковы, векторы Р отличаются множителем 2.

Пусть псевдослучайная последовательность в схеме на рис. 9.7 такая же, как последовательность единицы в схеме на рис. 9.9. Эта постоянно повторяемая последовательность имеет матрицу R. Компоненты вектора Р для системы на рис. 9.7 равны значениям взаимокорреляционной функции между повторяемой псевдослучайной последовательностью и сигналом на выходе многолучевого канала.

Рис. 9.9. Адаптивное моделирование каналов одновременно с передачей информации

Для схемы на рис. 9.9, несмотря на переключение последовательностей в передатчике, вектор Р тот же, поскольку сигнал на выходе канала коррелирован с входным сигналом адаптивного фильтра при передаче как последовательности единицы, так и последовательности нуля. (Напомним, что эти последовательности построены так, чтобы они, по существу, были некоррелированными.) С другой стороны, матрица R адаптивного фильтра схемы на рис. 9.9 отличается множителем 2 от матрицы для схемы на рис. 9.7, поскольку для схемы на рис. 9.9 матрица R равна сумме матриц одной повторяемой последовательности единицы и одной повторяемой последовательности нуля. (Напомним, что обе последовательности сформированы так, что они обладают одинаковыми автокорреляционными свойствами.)

Рис. 9.10. Адаптивная широкополосная система связи для многолучевого канала. Псевдослучайные последовательности 1 и 0 известны как на передающей, так и на приемной сторонах, и их можно использовать в качестве шифра. Передатчик и приемник синхронизированы

В результате этого оптимальный вектор весовых коэффициентов в схеме на рис. 9.9 равен половине вектора в схеме на рис. 9.7.

Поскольку в схемах, аналогичных приведенной на рис. 9.8 (в которой окончательное решение принимается решающим устройством), масштабный множитель в модели канала не играет роли, эффективность схем на рис. 9.9 и 9.7 одинакова, но схема на рис. 9.9 позволяет фактически передавать информацию. Эту схему адаптации в процессе передачи информации изобрел М. Дж. Болл.

Еще раз следует отметить, что шум в канале не влияет на вид процесса адаптации и вносит нулевую составляющую в адаптивные весовые коэффициенты. Поэтому для канала с высоким уровнем шума процесс адаптации должен быть медленным. При этом он эффективен, если канал является стационарным или нестационарным с медленноменяющимися параметрами. При быстром изменении характеристик многолучевого канала и высоком уровне шума в канале данная схема неработоспособна. На рис. 9.10 приведена система передачи информации с адаптивным моделированием канала по методу Болла. Здесь корреляторы представлены в виде последовательно включенных перемножителей и интеграторов.

Поскольку импульсная характеристика адаптивного фильтра в этой схеме строится таким образом, что его выходной сигнал имеет наилучшее приближение к сигналу на выходе канала, подстройки фазы устройства синхронизации приемника не требуется, а отклики на выходе корреляторов автоматически принимают свое максимальное значение. Испытания системы, представленной на рис. 9.10, в акустическом канале связи показали, что она работоспособна в многолучевом канале с медленноменяющимися параметрами при наличии шума.