Адаптивная обработка сигналов qam в фантомных цепях симметричных кабелей связи

На правах рукописи

Комарова Ксения Александровна

Адаптивная обработка сигналов QAM
в фантомных цепях симметричных кабелей связи

05.13.13 – Телекоммуникационные системы и компьютерные сети

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Санкт-Петербург

2009

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете

телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича на кафедре Многоканальных систем передачи.

Научный руководитель – д.т.н., проф. С. А. Курицын

Официальные оппоненты: д.т.н., проф. В. Д. Лиференко,

к.т.н., ст.н.с. В. П. Васильев

Ведущее предприятие – ФГУП ЛОНИИС

Защита диссертации состоится « »_____________2009 г. в _____ час. на заседании диссертационного совета Д 219.004.02 при Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича по адресу: 191186, СПб, наб. р. Мойки, д.61.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью учреждения, просим направлять по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан « »____________ 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

к.т.н., доцент В. Х. Харитонов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Технический и научный прогресс последних лет привел к резкому возрастанию объемов передаваемой информации, что соответственно требует увеличения числа каналов сетей связи. Радикальным решением этой проблемы является замена существующих линий на основе медного симметричного кабеля на волоконно-оптические, а также создание цифровых радиорелейных и спутниковых систем. Вместе с тем, это требует существенных материальных затрат, кроме того, замена исправной кабельной линии на основе симметричного кабеля на волоконно-оптическую линию не всегда является экономически целесообразной. Следовательно, еще длительное время на сети будут существовать системы передачи, работающие по симметричным парам одного кабеля.

Более экономичным решением представляется модернизация систем передачи для более полного использования пропускной способности симметричных кабелей.

Увеличение пропускной способности существующих систем передачи сопряжено с неизбежным возникновением сильных переходных влияний между каналами. До недавнего времени невозможность реализовать алгоритмы компенсации этих воздействий сдерживала темпы увеличения пропускной способности симметричных кабелей связи.

Применение современных технологий обработки сигналов с использованием сигнальных процессоров позволяет реализовать потенциальные возможности симметричных кабелей связи. К настоящему времени широкое распространение получили методы адаптивной обработки сигналов, применяемые при передаче данных по каналам тональной частоты и при организации высокоскоростных цифровых абонентских линий xDSL).

Системы передачи, использующие методы xDSL, позволили максимально использовать пропускную способность абонентских линий городских телефонных сетей (АЛ ГТС), обеспечив организацию по одной физической паре абонентского кабеля высокоскоростного цифрового потока.

Абонентские кабели связи имеют большое число физических пар, поэтому проблему «цифровизации» и увеличения пропускной способности кабелей ГТС в значительной степени можно считать разрешенной. Сложнее аналогичная задача стоит при замене систем передачи, работающих по кабелям малой емкости (одночетверочные) на зоновых и магистральных сетях.

Поскольку полная замена всех «традиционных» систем передачи за короткое время невозможна, то на первом этапе представляется целесообразным замена устаревшего оборудования при тех же линейных сооружениях без врезки дополнительных промежуточных регенераторов с возможностью увеличения числа каналов. Данная задача может быть решена несколькими путями, один из которых заключается в применении однополосного двухпроводного дуплексного метода передачи с организацией искусственных (фантомных) цепей (ФЦ).

Вопросам построения высокоэффективных дуплексных цифровых систем передачи уделено значительное внимание и посвящен ряд работ. На сегодняшний день существуют алгоритмы адаптивной обработки сигналов применительно к технологиям амплитудно-импульсной модуляции (РАМ технология), квадратурной амплитудной модуляции (QAM технология), цифровой многочастотной модуляции (DMT технология).

В диссертации стоит задача разработки на основе искусственных цепей симметричных кабелей малой емкости дуплексных ЦСП ФЦ, обеспечивающих высокую удельную скорость передачи информации, с применением QAM-технологии. Сложность построения таких систем передачи заключается в наличии межсимвольной интерференции (МСИ), межканальных переходов (МКП), переходных влияний между соседними парами кабеля, переходных влияний между симметричными цепями и искусственной цепью, эхо сигналов, расхождений частот генераторов и гауссовского шума.

Цели и задачи диссертации. Целью диссертации является разработка высокоэффективных ЦСП, построенных на основе физических пар симметричных кабелей и искусственных цепей при наличии в трактах МСИ, взаимного влияния соседних симметричных цепей, взаимного влияния симметричных цепей и искусственной, электрического эха и гауссовского шума.

Указанная цель достигается путем построения алгоритмов оптимальной адаптивной обработки сигналов для ЦСП ФЦ на основе созданной модели взаимодействия основных симметричных цепей и искусственной с учетом оценки потенциальных возможностей искусственных цепей.

Вопросы построения ЦСП QAM на основе искусственных цепей симметричного кабеля рассматриваются впервые, поэтому в диссертационной работе ставятся для решения следующие задачи.

1. Построение моделей линейных трактов ЦСП ФЦ применительно к дуплексной передаче цифровых сигналов QAM в симметричных и искусственных цепях одночетверочного кабеля при наличии МСИ, переходных влияний между симметричными цепями, переходных влияний между искусственной и симметричными цепями, эхосигналов и гауссовского шума.

2. Оценка потенциальных возможностей ЦСП ФЦ по скорости передачи и допустимой вероятности ошибки.

3. Обоснование и выбор критерия оптимизации ЦСП ФЦ, построение на его основе алгоритма оптимальной обработки сигналов QAM.

4. Разработка и анализ алгоритмов адаптации оптимальных приемников-регенераторов ЦСП ФЦ.

5. Разработка программ статистического моделирования алгоритмов оптимальной адаптивной обработки сигналов QAM в ЦСП ФЦ для условий сложной помеховой обстановки.

Методы исследований. При выполнении исследований были использованы методы теории оптимальной линейной фильтрации дискретных и непрерывных процессов, теории адаптации, теории цепей и сигналов, теории информации, теории вероятностей, теории матриц, методы математической статистики и компьютерного моделирования.

Научная новизна. Основными результатами диссертации, обладающими научной новизной, являются:

- модель линейного тракта искусственной цепи, построенной на основе двух симметричных цепей одного кабеля для условий передачи цифровых сигналов QAM, при наличии в трактах МСИ, МКП, переходных влияний между симметричными цепями, переходных влияний между симметричными цепями и искусственной, сигналов эха, сдвига частот и флуктуационного шума;

- оценка потенциальных возможностей тракта ЦСП ФЦ по помехозащищенности и вероятности ошибки применительно к технологии QAM;

- алгоритмы оптимальной обработки сигналов QAM в трактах ЦСП ФЦ для условий сложной помеховой обстановки;

- алгоритмы адаптации оптимальных регенераторов ЦСП ФЦ.

Практическая ценность. В диссертационной работе созданы алгоритмы оптимальной адаптивной обработки сигналов QAM в ЦСП ФЦ, обеспечивающие реализацию скорости передачи информации, близкой к потенциально возможной.

Разработан программный пакет для моделирования алгоритмов оптимальной адаптивной обработки сигналов в регенераторах ЦСП ФЦ.

Реализация результатов работы. Результаты диссертации используются в учебном процессе Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций и на факультете повышения квалификации работников связи.

Апробация работы и публикации. Результаты диссертации обсуждались и были одобрены на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций. По результатам диссертации подготовлено 12 работ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения.

Работа содержит 143 страницы текста, 24 рисунка и список литературы из 82 наименований.

Основные положения, выносимые на защиту:

- разработанная математическая модель адекватно отражает линейный тракт ЦСП ФЦ применительно к QAM-технологии, учитывает действие в тракте МСИ, МКП, переходных влияний на ближнем и дальнем концах, ближнего эха и флуктуационного шума;

- существующие тракты аналоговых систем передачи по потенциальным возможностям позволяют реализовать в том же диапазоне частот не меньшее число цифровых каналов с качественно лучшими характеристиками;

- оптимальный приемник-регенератор сигнала ЦСП ФЦ должен содержать адаптивный компенсатор межсимвольной интерференции и межканальных переходов, адаптивные компенсаторы переходных влияний на ближнем и дальнем концах, компенсатор ближнего эха и экстраполятор текущей фазы;

- адаптация регенератора ЦСП ФЦ и реализация оптимальных характеристик возможны только при наличии взаимных связей по входам и выходам фильтров-оценивателей между основными цепями и фантомной;

- разработанные программы статистического моделирования оптималь-ного регенератора позволяют оценить потенциальные возможности синтези-рованных алгоритмов, обоснованно выбирать параметры адаптивного регене-ратора, служат основой построения автоматизированного рабочего места специалистов, занимающихся разработкой перспективных цифровых систем передачи и являются программным обеспечением сигнального процессора адаптивных ЦСП ФЦ.

Полученные в диссертации результаты могут быть использованы при построении перспективных адаптивных ЦСП, обеспечивающих существенное уменьшение вероятности ошибки, увеличение длины регенерационного участка и организацию передачи цифровых потоков по искусственным цепям симметричных кабелей связи.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность рассматриваемой проблемы, сформулирована цель и задачи исследований, приводятся основные научные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе диссертации предложено на основе двух симметричных пар одного кабеля создавать третью симметричную искусственную цепь. Установлено, что первичные, а соответственно и вторичные параметры искусственных цепей практически совпадают с параметрами основных цепей. Сделан вывод о принципиальной возможности передачи по искусственным цепям симметричных кабелей цифровых потоков информации.

С учетом оценки ожидаемой вероятности ошибки, применительно к передаче цифровых сигналов QAM, разработана модель совокупности трактов, созданной на основе двух симметричных цепей одного кабеля и одной искусственной цепи, учитывающая все мешающие факторы при работе каждой цепи в дуплексном режиме.

В существующих ЦСП обычно применяются единичные элементы сигнала (символы) в виде прямоугольных импульсов полутактовой длительности. Такой форме импульса соответствует бесконечно широкий спектр. Сужение спектра символов за счет ограничения полосы пропускания линии связи приводит к изменению их формы и длительности и, следовательно, к появлению МСИ. За счет уменьшения ширины спектра символов помехозащищенность сигнала на входе решающей схемы регенератора ЦСП падает на 5–6 дБ.

В современных высокоэффективных системах передачи, обеспечивающих удельные скорости 3–10 бит/Гц, всегда осуществляется специальное формирование символов со строго ограниченным спектром. Как правило, применяются символы, удовлетворяющие свойству отсчетности, спектры которых принадлежат классу спектров Найквиста.

Для описания полосовых каналов и трактов связи удобно пользоваться низкочастотным комплексным прототипом. Пусть тогда можно в рассмотрение ввести комплексный сигнал . Неидеальность АЧХ и ФЧХ трактов передачи приводит к тому, что в отсчетных (тактовых) точках мгновенные значения символов на выходе не будут равны нулю, т. е. соседние символы синфазного и квадратурного подканалов начинают влиять друг на друга. Кроме того, возникают межканальные переходы из синфазного подканала в квадратурный и наоборот. Следовательно, на входе решающей схемы в дискретные моменты времени наблюдается сигнал:

(1)

где комплексный вектор отсчетов отклика тракта передачи;

комплексный вектор информационных символов;

«память» канала, равная числу учитываемых отсчетов единичного элемента сигнала;

символ транспонирования матрицы;

0 – несущая частота.

Действительный полосовой сигнал определяется в форме

Эволюция вектора может быть полностью описана следующим уравнением состояния:

, (2)

где F – матрица сдвига; G = [1 0 … 0 ]T – вектор постоянных коэффициентов.

Кроме МСИ и МКП, возникающих из-за неидеальностей частотных характеристик, сигнал на выходе линейного тракта подвергается аддитивному воздействию помех переходных влияний, ближнего эха и шума . Гауссовский шум на выходе линейного тракта определяется флуктуациями электронов в проводниках и шумом линейных усилителей.

Моделью гауссовского шума является стационарный белый процесс

(3)

с параметрами

где символ Кронекера; дисперсия гауссовского шума.

В результате электромагнитного влияния рабочих цепей в сердечнике кабеля при широком спектре сигнала начинают проявляться переходные помехи, вызываемые относительно малыми значениями переходных затуханий на ближнем и дальнем концах линии.

Очевидно, что переходные влияния на ближнем конце будут преобладающими, поскольку при работе систем передачи в одном кабеле в дуплексном режиме на одном конце находятся симметричные пары, обеспечивающие передачу и прием сигналов. Поэтому влияниями на дальнем конце можно пренебречь. Если же системы передачи работают по двухкабельной схеме, когда по парам одного кабеля работают системы передачи направления , а по другому кабелю работают системы передачи направления , то следует учитывать только переходные помехи на дальнем конце.

Источниками переходных влияний на ближнем конце являются сигналы с выходов физических пар встречного направления передачи.

Из-за различия сопротивлений физических цепей и числа витков обмоток симметрирующих трансформаторов первой цепи и различия числа витков симметрирующих трансформаторов фантомной цепи происходит переход энергии из искусственной цепи в основную первую. Аналогичные переходы будут возникать и во вторую цепь, если сопротивления физических цепей и числа витков обмоток трансформаторов второй симметричной цепи различны, а также различны числа витков трансформаторов фантомной цепи.

Различие в числе витков трансформаторов фантомной цепи и любые различия параметров основных цепей приводят к переходным влияниям основных цепей на искусственную и к переходным влияниям основных цепей друг на друга через фантомную цепь.

Тракты передачи переходных помех представляет собой частотно-зависимые четырехполюсники с импульсными откликами , тогда для переходных помех из фантомной в основные цепи имеем:

(4)

где -мерный вектор отсчетов отклика переходных влияний от фантомной в первую основную цепь;

-мерный вектор отсчетов отклика переходных влияний из фантомной во вторую основную цепь;

-мерный вектор информационных символов в фантомной цепи;

номинальная частота несущего колебания;

сдвиги частот между фантомной и основными цепями (первой и второй соответственно).

Аналогичным образом для переходных помех из основных цепей в фантомную имеем:

(5)

где -мерный вектор отсчетов отклика переходных влияний от первой основной цепи в фантомную;

-мерный вектор отсчетов отклика переходных влияний от второй основной цепи в фантомную;

-мерный вектор информационных параметров в первой основной цепи;

-мерный вектор информационных параметров во второй основной цепи;

сдвиги частот между основными цепями (первой и второй соответственно) и фантомной.

Для переходных влияний основных цепей друг на друга имеем:

(6)

где -мерный вектор отсчетов отклика переходных влияний первой основной цепи на вторую основную;

-мерный вектор отсчетов отклика переходных влияний второй основной цепи на первую основную.

В дуплексных цифровых линейных трактах из-за неполной балансировки развязывающих устройств (РУ) возможно возникновение переходной помехи между направлениями передачи и приема одного и того же пункта - так называемых сигналов ближнего эха. Ближнее эхо проявляется в виде отклика сигнала направления передачи на входе приемной части. При известных частотных характеристиках тракта ближнего эха конкретная форма эхосигнала определяется с помощью преобразования Фурье. Тогда ближнее эхо:

(7)

где вектор отсчетов сигнала эха встречного направления;

вектор состояния источника эха встречного направления; информационный символ на выходе цепи встречного направления передачи.