Адаптивное выравнивание телефонных каналов

Дисперсия в телефонных каналах приводит к интерференции между соседними отсчетами (межсимвольной интерференции) и существенно усложняет задачу надежной передачи и приема цифровых сигналов. Адаптивное моделирование систем связи, рассмотренное в гл. 9, эффективно в случаях сильной многолучевости и низкого отношения сигнал-шум, при этом в системе с псевдослучайными сигналами вместо одного бита информации передается много символов. Здесь рассматривается важная область его применения в каналах с умеренной дисперсией и низким уровнем шума, когда не требуется кодирования псевдослучайными сигналами. К этому случаю относится передача цифровых данных по обычным телефонным каналам с применением схем обратного моделирования [11 —13, 15—17, 19, 28, 29]. Вместо псевдослучайной последовательности в данном случае каждый бит информации передается только одним символом.

С середины 1960-х годов опубликовано много работ по адаптивному выравниванию в системах передачи данных по телефонным каналам. В таких системах интерференция, возникающая из-за дисперсионных свойств протяженных телефонных каналов, приводит к необходимости ограничения скорости отсчетов до небольших значений относительно полосы канала. При адаптивном выравнивании (широко распространенном в коммерческих цифровых системах передачи информации) скорость передачи можно существенно повысить.

Как правило, шум в телефонных линиях имеет низкий уровень, и обычно основной проблемой здесь является межеимвольная интерференция. В идеале для полного решения этой проблемы необходимо, чтобы в приемнике было устройство выравнивания с передаточной функцией, обратной передаточной функции канала. На практике применение адаптивного выравнивания позволяет, например, в 5 раз повысить скорость передачи информации в заданном канале при той же вероятности ошибки.

Хотя обычно используются системы с многими несущими частотами, задачу адаптивного выравнивания можно рассмотреть на примере телефонного капала с одной несущей, модулированной цифровым сигналом. На рис. 10.12, а показана частотная характеристика идеального канала, имеющая некоторый постоянный коэффициент передачи в полосе пропускания и нулевой коэффициент передачи за ее пределами. Здесь частоты среза, а -полоса пропускания канала. Фазочастотная характеристика (на рисунке не показана) является идеальной, т. е. линейной, поэтому капал только вносит задержку и не является дисперсионным. Импульсная характеристика канала, равная обратному -преобразованию передаточной функции канала, представляет собой функцию вида и приведена на рис. 10.12, б (здесь не учитывается групповая задержка канала). Предположим, что данный канал предназначен для передачи одного цифрового потока информации, для которого отведена вся полоса пропускания

Обычно при кодировании двоичной информации положительный импульс соответствует нулю, а отрицательный — единице. Таким образом, информационный поток передается в виде последовательности положительных и отрицательных импульсов. С выхода канала, который является линейным, на вход приемника поступает аналоговый сигнал, представляющий собой свертку информационных импульсов с импульсной характеристикой канала. На рис. 10.12,в показан характерный отклик канала на конечный отрезок информации. На приемной стороне берутся отсчеты сигнала на выходе канала и восстанавливается двоичная информация. Предположим, что канал обладает идеальной частотной характеристикой и исходная информация передается точно со скоростью Найквиста для данного канала (т. е. со скоростью импульсов в секунду). Тогда при этой скорости отсчетов принятого сигнала и точном фазировании стробирующих импульсов считывания в приемнике относительно синхронизирующих импульсов передатчика с учетом задержки в канале при каждом стробирующем импульсе формируется отклик, соответствующий одному информационному импульсу. Поскольку импульсная характеристика идеального канала на рис. 10.12, б имеет нули, точно расположенные через интервал интерференция между соседними информационными импульсами не возникает.

(см. скан)

Рис. 10.12. Цифровая связь в идеальном канале: а — АЧХ канала; б — импульсная характеристика после демодуляции; в — выходной сигнал канала при скорости отсчета, равной бит/с (значение отсчета в каждой момент стробирования постоянно и не зависит от значений соседних отсчетов); г — схема обычной системы связи

Правильный выбор частоты и фазы импульсов отсчета в приемнике позволяет осуществить отсчет сигнала на выходе канала в момент пикового значения каждого отдельного импульса вида , в то время как все соседние импульсы вида проходят через нуль. Схема системы связи, основанной на этом принципе, приведена на рис. 10.12, г.

В действительности телефонные каналы являются неидеальными. Характеристики каждого канала отличаются друг от друга и при этом значительно, хотя и медленно, меняются во времени. Обычно импульсная характеристика приближается к идеальной (рис. 10.12, б), но ее нули в общем случае неравномерно расположены по оси времени. В соответствии с этим нельзя выбрать частоту и фазу стробирующих импульсов так, чтобы не возникала интерференция от соседних импульсов. Такой вид межсимвольной интерференции приводит к образованию ошибок в системе связи, особенно при наличии шума в канале. Поскольку даже неидеальная импульсная характеристика имеет, как видно из рис. 10.12, б, затухание в обе стороны, то, уменьшая скорость отсчетов ниже скорости Найквиста, можно снизить межеимвольную интерференцию за счет соответствующего разнесения импульсных откликов. Такой подход был распространен до изобретения адаптивных устройств выравнивания канала.

При применении адаптивного выравнивания в цифровой телефонной связи можно обеспечить большие скорости и надежности передачи информации. На рис. 10.13, а показана структурная схема системы связи с выравниванием канала. В полосе пропускания канала адаптивное устройство выравнивания формирует обратную относительно канала передаточную функцию, а вне полосы пропускания оно имеет малый или нулевой коэффициент передачи. Общий коэффициент передачи канала и устройства выравнивания, равный произведению их коэффициентов передачи, практически не зависит от частоты в полосе пропускания и равен нулю вне этой полосы. Кроме того, устройство выравнивания должно осуществлять коррекцию фазовых искажений в канале. Это означает, что общая ФЧХ (т. е. сумма фазочастотных характеристик) должна линейно зависеть от частоты в полосе пропускания от 0 до . При выполнении этих требований общая импульсная характеристика является функцией вида и возможно исключение межеимвольной интерференции. Поскольку характеристики самого канала неизвестны и меняются во времени, необходимо, чтобы устройство выравнивания было адаптивным.

На рис. 10.13, б представлена схема, реализующая адаптивный процесс. В описанной выше схеме обратного моделирования используется адаптивный трансверсальный фильтр, работающий по алгоритму наименьших квадратов. Поскольку полоса входного сигнала х ограничена полосой пропускания канала, адаптивный линейный сумматор осуществляет выравнивание коэффициента передачи и фазовой характеристики канала только в его полосе пропускания.

Рис. 10.13. Система связи с адаптивным выравниванием канала (а) и схема адаптивного устройства выравнивания с обучением по решению (б)

Однако для адаптации необходимо наличие полезного отклика . При известном входном сигнале канала с учетом его задержки можно было бы иметь , но, как правило, такой информации нет, поскольку если известен переданный сигнал, теряет смысл задача связи, хотя в некоторых системах в течение определенного промежутка времени переданный сигнал может быть известен. В таких системах передача информации периодически прерывается для того, чтобы передать известную кодовую последовательность и тем самым осуществить адаптацию в режиме с прерыванием.

Р. Лаки из фирмы Bell Telephone Laboratories предложил другой метод получения , при котором используется собственный выходной сигнал фильтра, что устраняет необходимость в априорных сведениях о переданном сигнале. Этот метод получил название «обучение с прямым решением». Он состоит в том, что «полезный» сигнал формируется квантованием выходного сигнала фильтра (см. рис. 10.13.6). Так как информация является двоичной, отсчеты сигнала на выходе правильно откорректированного канала в моменты стробирования принимают значения либо +1, либо —1, если исключить шум канала. При сравнении квантованного и неквантованного выходных сигналов фильтра формируется сигнал ошибки

Предполагается, что решение, принимаемое устройством квантования, является правильным и в большинстве случаев совпадает с истинным значением двоичного сигнала.

Поскольку выравненные выходные сигналы в моменты стробирования должны точно соответствовать отдельному импульсу вида процесс адаптации можно осуществлять только в моменты стробирования. При этом, как показано на рис. 10.13, б, сигнал ошибки стробируется импульсами, синхронизированными со скоростью передачи сигнала. В среднем, если квантованный полезный отклик является правильным и соответствует истинному значению, процесс адаптации идет в требуемом направлении. Этот метод является работоспособным в канале с относительно низким уровнем шума и незначительными искажениями АЧХ и ФЧХ. В [17] показано, что даже если изначально неправильными являются 25% квантованных решений, то адаптивный фильтр находит оптимальное решение.

Для весовых коэффициентов фильтра можно принять нулевые начальные условия, за исключением центрального весового коэффициента адаптивного линейного сумматора, который должен быть равен единице. Тогда начальное значение коэффициента передачи устройства выравнивания равно единице, а его импульсная характеристика в процессе адаптации изменяется так, чтобы осуществить выравнивание канала.

На практике адаптивные устройства выравнивания телефонных каналов являются цифровыми. Обычно их собственные скорости отсчетов в 4—16 раз превышают скорость передачи основной информации, а фильтр имеет от 32 до 64 весовых коэффициентов. Таким образом, общая память охватывает несколько циклов информационного импульса вида .

Процесс адаптивного выравнивания можно наблюдать по осциллограмме, которая формируется на экране осциллографа, синхронизированного сигналом стробирования, при подаче на его вход принятого сигнала таким образом, что на экране периодически повторяется цикл принятого сигнала. На рис. 10.14 приведены результаты, полученные до (а) и после (б) выравнивания. В процессе выравнивания, как видно из осциллограмм на рис. 10.14,а, наблюдается сильная размытость как положительных, так и отрицательных импульсов вида что указывает на их искажения, связанные с межеимвольной интерференцией. После выравнивания импульсы на осциллограммах рис. 10.14, б практически совпадают, положительные импульсы тесно сгруппированы. Значительно уменьшается межеимвольная интерференция, снижается вероятность ошибки при наличии шума в канале. Адаптивный процесс приводит к тому, что в моменты стробирования все положительные импульсы имеют амплитуду, близкую к +1, а отрицательные — к -1. При выравнивании канала таким способом адаптивный фильтр эффективно подавляет межеимвольную интерференцию.

(см. скан)

Рис. 10.14. Осциллограммы, полученные за цикл принятого сигнала до (а) и после (б) выравнивания

При таком подходе обычно вероятность ошибки в телефонном канале падает от в канале без выравнивания до и ниже в канале с выравниванием.