Анализ и синтез адаптивных многочастотных систем передачи

На правах рукописи

Гришин Илья Владимирович

АНАЛИЗ И СИНТЕЗ АДАПТИВНЫХ МНОГОЧАСТОТНЫХ

СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ

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. Курицын Сергей Александрович

Официальные оппоненты: д.т.н., проф. Лиференко Виктор Данилович

к.т.н., ст.н.с. Васильев Виктор Павлович

Ведущая организация ФГУП «НИИ «Вектор»

Защита состоится “______”______________________ 2009 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 учёного секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан “______”_____________________ 2009 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета

к.т.н., доцент В.Х.Харитонов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Наблюдаемая в настоящее время революция в области компьютерных технологий и передачи данных сопровождается существенными структурными изменениями в телекоммуникационной индустрии. Осуществляется переход к глобальному информационному обществу. Одним из направлений развития виртуальных технологий является обеспечение максимально широкого доступа к информационным ресурсам общества, что приводит к модернизации всех современных систем связи. Переход от голосового трафика к трафику передачи данных, что ведет к перестройке самих основ систем связи. Предоставление широкополосного доступа является сегодня ключевым вопросом для большинства телекоммуникационных операторов – как традиционных, так и альтернативных. Решение данной проблемы позволит удовлетворить требования пользователей и получить наибольший доход от введения новых услуг. Рациональным подходом к обеспечению широкополосного доступа в процессе планомерного перехода к волоконно-оптическим технологиям является адаптация существующего абонентского кабельного хозяйства. Адаптация возможна путем синтеза многочастотных систем передачи дискретной информации. Разделение имеющейся в распоряжении полосы частот на множество каналов, так, что каждый канал почти идеален, позволяет оптимальным образом использовать пропускную способность канала передачи. С целью повышения эффективности использования данных многочастотных систем передачи дискретной информации требуется учитывать текущее состояние среды, по которой осуществляется передача данных, что приводит к необходимости управления параметрами оборудования передачи и приема на протяжении всего сеанса связи. Алгоритмы адаптивной обработки сигналов, разработанные до настоящего времени, позволяют эффективно решить только отдельные задачи, возникающие в процессе передачи многочастотных дискретных сигналов, вне связи друг с другом, либо требуют больших вычислительных мощностей. В связи с этим возникает задача разработки высокоэффективных алгоритмов адаптивной обработки сигналов при малых вычислительных мощностях.

Целью данной диссертационной работы является создание эффективного алгоритма компенсации дестабилизирующих факторов, возникающих в процессе передачи многочастотных дискретных сигналов по двухпроводным дуплексным каналам связи, что позволит решить указанную проблему и тем самым обеспечит возможность построения надежной и высококачественной многочастотной системы передачи.

Достижение данной цели осуществляется путем решения следующих задач:

1. Конкретизация математической модели многочастотной дискретной системы передачи с учетом аддитивного белого гауссовского шума (АБГШ), межсимвольной интерференции (МСИ), сигналов переходных влияний на ближнем конце и сигнала ближнего эха.
2. Синтез алгоритма компенсации мешающих факторов в общем виде применительно к полученной модели.
3. Модификация полученного алгоритма с целью уменьшения требуемого на его реализацию объёма вычислений.
4. Оценка вычислительной сложности и возможностей практической реализации полученного алгоритма.
5. Разработка пакета программ, позволяющего моделировать работу многочастотной системы передачи дискретных сообщений при проведении, как аналога натурных испытаний, экспериментальных исследований возможностей полученного алгоритма в условиях, максимально приближенных к реальным.

Предметом исследования являются алгоритмы адаптивной обработки сигналов, применяемые при восстановлении параметров информационных сигналов на приемной стороне многочастотных систем передачи дискретной информации.

Методы исследования. При проведении исследования были использованы методы теории адаптивной фильтрации дискретных процессов, теории передачи сигналов, теории вероятностей, теории матриц, а также методы математической статистики и машинного моделирования.

Достоверность полученных результатов обеспечена сопоставлением результатов теоретического анализа и имитационного моделирования, а также наличием программной реализации алгоритмов адаптивной обработки сигналов.

Научная новизна. Основными результатами диссертационной работы являются:

1. Уточнение математической модели дуплексного канала для передачи многочастотных дискретных сигналов при наличии таких дестабилизирующих факторов как АБГШ, МСИ, импульсные помехи, переходные влияния на ближнем конце и сигналы ближнего эха для симметричного и асимметричного режимов работы оборудования приема/передачи.
2. Синтез алгоритма оптимальной адаптивной обработки сигналов применительно к выбранной модели канала связи.
3. Модификация полученного алгоритма с целью уменьшения требуемого на его реализацию объёма вычислений.
4. Разработка программы статистического моделирования синтезированного алгоритма оптимальной обработки многочастотных дискретных сигналов при наличии гауссовского шума и мешающих факторов.

Практическая ценность. В диссертационной работе получены алгоритмы адаптивной обработки многочастотных дискретных сигналов для сложных условий передачи, которые могут стать основой программного обеспечения сигнального процессора адаптивного многочастотного модема.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе при дипломном проектировании в Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича.

Апробация работы и публикации. Результаты диссертационной работы обсуждались и были одобрены на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГУТ им. проф. М. А. Бонч-Бруевича в 20032009 гг.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 15-ти научных трудах.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Работа содержит 158 страниц машинописного текста, 32 рисунка и список литературы из 87 наименований.

Основные тезисы, выносимые на защиту: К защите представляются следующие тезисы:

1. Конкретизирована модель наблюдения, описывающая работу многочастотной системы передачи дискретных сообщений при наличии аддитивного белого гауссовского шума, межсимвольной интерференции, межканальной интерференции, сигналов переходных влияний на ближнем конце, сигналов ближнего эха, импульсных помех, вносимых линейным трактом и самой аппаратурой передачи.
2. Разработанный алгоритм цифровой обработки принимаемого сигнала предусматривает разложение матрицы отклика канала на две составляющие, что даёт возможность значительно уменьшить объём вычислений путём диагонализации одной из матриц.
3. Разработанный алгоритм оценивания параметров заранее неизвестного, но неизменного во времени канала по тестовой последовательности и последующей предварительной установки весовых коэффициентов адаптивного оценивателя позволяет значительно уменьшить время настройки параметров многоканального приёмника.
4. Разработанные алгоритмы компенсации сигналов ближнего эха и переходных влияний на ближнем конце, основанные на реализации алгоритмов адаптивной обработки сигналов в частотной и во временной областях, позволяют существенно уменьшить объём вычислений.
5. Разработанная программа статистического моделирования работы многоканального приемника позволяет оценить потенциальные возможности синтезируемых алгоритмов и является основой для программирования сигнального процессора, реализующего эти алгоритмы.
6. Созданный пакет программ, позволяющий полностью моделировать работу многочастотной системы передачи дискретных сообщений, может применяться для экспериментальных исследований адаптивной обработки сигналов с имитацией условий, максимально приближенных к реальным, что может рассматриваться как аналог натурных испытаний.
7. Полученные в диссертации результаты могут быть использованы как при разработке новых перспективных ЦСП, так и при модернизации уже существующих систем передачи, что позволит обеспечить надежность и высокое качество работы многочастотной системы передачи дискретной информации.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первой главе рассматривается процесс преобразования канала с межсимвольной интерференцией в канал с циклической сверткой, а затем в совокупность независимых гауссовских каналов без памяти. На основании полученного преобразования предлагается структурная схема многочастотной системы передачи дискретной информации.

Показано, что при недостаточной длине защитного интервала, вводимого между блоками данных (далее именуемыми многочастотными дискретными символами (МДС)), наблюдаемый во временной области сигнал на выходе двухпроводного дуплексного канала будет состоять из совокупности отсчетов искаженного многочастотного дискретного символа полезной информации в текущий момент времени , символа в предыдущий момент времени и аддитивного белого гауссовского шума :

, (1)

где , матрицы отклика канала связи для текущего и предыдущего моментов времени.

В приемной части многочастотной системы передачи дискретных сообщений на выходе устройства дискретного преобразования Фурье (ДПФ) формируется совокупность сигналов (далее именуемая комплексным кадром данных (ККД)). Каждый сигнал состоит из искаженного отсчета полезного сигнала, комплексного аддитивного гауссовского шума, сигнала межсимвольной интерференции для данного канала, сигнала межканальной интерференции (МКИ) от всех составляющих ККД текущего и предыдущего моментов времени:

, (2)

где – п-е векторы-столбцы матриц обратного и прямого ДПФ соответственно; – п-е скалярные элементы ККД передаваемого и принимаемого сигналов; – п-й скалярный элемент комплексного вектора АБГШ; индекс эрмитова сопряжения.

, – 2N2N матрицы отклика канала на символы текущего и предыдущего моментов времени; матрица добавления защитного интервала; матрица выделения блока полезной информации; NЗ длина защитного интервала; .

В двухпроводных дуплексных каналах связи подключение передающего и приемного устройств к физической линии осуществляется через развязывающее устройство (РУ). Недостаточная балансировка РУ приводит к появлению эхосигналов, вызванных отражением энергии в месте рассогласования РУ и линии. Сигнал ближнего эха проявляется в виде отклика сигнала направления передачи на входе приёмной части. Размерности матриц ОДПФ и ДПФ на передающей и приёмной сторонах оборудования требуют рассмотрения симметричного и ассиметричного режимов передачи данных. Для симметричного режима работы, когда модель сигнала ближнего эха описывается выражением:

, (3)

где вектор ККД сигнала ближнего эха; ; ; вектор импульсной характеристики канала ближнего эха с элементами, взятыми в обратном порядке; , – нулевые матрицы размерности и ; величина задержки прохождения эхосигнала от передатчика к приемнику; целочисленная величина временного сдвига между сигналами передачи/ приёма.

Для асимметричного режима работы, когда , модель сигнала ближнего эха описывается выражением:

, (4)

где матрица прореживания импульсов на приёмной стороне; единичная матрица размерности ; 01, 02,– нулевые матрицы размерностью и .

Для асимметричного режима работы, когда модель сигнала ближнего эха имеет вид:

, (5)

где ; 01, 02,– нулевые матрицы размерностью и .

В процессе передачи данных начинают проявляться переходные помехи на ближнем (ППБК) и дальнем конце (ППДК), обусловленные наличием паразитных индуктивных и емкостных связей между рабочими цепями. ППДК в силу их малости можно пренебречь, тогда математическая модель ППБК описывается выражением:

, (6)

где матрица откликов каналов ППБК для L влияющих цепей; вектор сигналов ППБК во временной области для L влияющих цепей; .

Рассмотрены причины возникновения импульсных помех (ИП) и АБГШ. Полученные математические модели мешающих факторов позволяют сформировать модель наблюдения:

во временной области

, (7)

в частотной области

, (8)

где , определяют один из режимов работы системы передачи (1), (3)(6); вектор ИП; ККД выходного сигнала; , – матрицы коэффициентов передачи канала для сигналов текущего и предыдущего моментов времени; – матрица коэффициентов передачи канала ближнего эха для одного из возможных режимов работы оборудования; – вектор ККД сигналов ППБК для L влияющих цепей; матрицы коэффициентов передачи канала ППБК для L влияющих цепей; ; ; – вектор комплексного АБГШ.

Во второй главе обоснован выбор критерия минимума среднего квадрата ошибки оценивания информационного вектора состояния, получено правило выбора решений, и на его основе разработана структура оптимального приемника многочастотных дискретных сигналов. Для условий полной определенности параметров основного тракта, тракта ближнего эха и трактов переходных влияний на ближнем конце получен алгоритм оптимальной обработки дискретных сигналов.

Необходимой основой для синтеза оптимального алгоритма являются уравнения состояния (1), (3)(6) всех участвующих процессов и модель наблюдения (8), определяющая взаимную связь этих объектов.

Задача оптимальной обработки сигнала на приёмной стороне сводится к различению дискретных сигналов в присутствии МСИ, МКИ, сигналов ближнего эха, ППБК, импульсных помех и АБГШ.

Оптимальный в гауссовском приближении апостериорной плотности вероятностей многоканальный оцениватель цифровых сигналов в общем случае состоит из линейного адаптивного фильтра Калмана-Бьюси с вложенными синтезаторами эхосигнала и переходных помех.

Оптимальный алгоритм оценивания сигналов, реализованный на основе теории линейной фильтрации Калмана-Бьюси

, (9)

где – -вектор обновлений, формируемый в i-й момент времени; оценка вектора информационного параметра, формируемая по совокупности i наблюдений; матрица весовых коэффициентов; – -матрица сдвига;

число весовых коэффициентов фильтра.

Алгоритм оптимальной с точки зрения минимума СКО обработки сигналов (9) обеспечивает коррекцию МСИ, МКИ, компенсацию сигналов эха и ППБК.