Эффективные устойчивые алгоритмы адаптации выравнивателей частотных характеристик каналов связи

Наиболее распространённым видом искажений сигнала в каналах систем передачи дискретной информации (СПДИ) являются линейные искажения. В зависимости от типа канала, их физическое происхождение различно. Для эфирных каналов — это многолучевое распространение радиоволн (например, вследствие ионосферного отражения, тропосферного рассеяния, многопутёвого распространения, переотражений). Иная причина свойственна электросвязи — зависимости модуля коэффициента передачи и группового времени задержки сигнала в кабеле от частоты, связанные с паразитными параметрами длинных линий, их неидеальным согласованием, неодпородпостями (стыки в кроссировочных шкафах, неидеалыюсть согласующих и регенерирующих модулей, неравномерность шага повива витой пары, связанные с технологическими допусками неоднородности в коаксиальном кабеле). В технике волоконно-оптической связи к линейным искажениям ведут множественные паразитные переотражения сигнала, особенно значительные в многомодовом оптическом кабеле, неидеальность сварки кабеля или его стыковки с применением соединительных оптических муфт и разъёмов, несовершенство конструкций регенераторов и оптического сопряжения лазеров со световодами. В оптических и акустических каналах линейные искажения могут возникать вследствие влекущего множественные переотражения сложного рельефа границы среды распространения, а также ввиду её локальных неод-нородностей (течения, вихревые потоки). Таким образом, линейные искажения обусловлены свойствами каналов, изменить которые в желательную сторону затруднительно, а часто невозможно вовсе.

Известно, что в реальных каналах имеет место постепенное изменение их свойств с течением времени В радиоканалах оно может быть связано с перемещением объектов (в мобильной связи), переменой погодных условий (в радиорелейной связи) и состояния атмосферы (в космической и дальней наземной связи через ионосферный канал, в основном в декаметровом и метровом диапазонах, и через тропосферный канал, начиная с метрового диапазона), влияющими на распространение радиоволн В проводной связи подобный эффект также присутствует вследствие старения и намокания кабелей (электросвязь) и резких перепадов температуры (волоконно-оптические системы). Вследствие перемещений объектов и изменения состояния среды распространения сигнала непостоянны параметры оптических и акустических каналов.

В [77] на основе множественных испытаний и экспериментов показано, что для широкого класса радиоканалов с большой степенью точности справедлива так называемая модель с «замороженными», т. е. постоянными во времени параметрами, поскольку временной дрейф обычно является чрезвычайно медленным процессом по сравнению с полезным сигналом. Так, например, для каналов с тропосферным рассеянием, с присущей им относительно быстрой динамикой изменения параметров, характерная постоянная времени вариации составляет не менее 100 мс [93]. В ещё большей степени такое квазистатическое приближение справедливо для медных проводных линий связи [93], где постоянные времени изменения характеристик обычно составляют не менее десятков минут. Самый медленный дрейф параметров присущ волоконно-оптическим линиям связи. Он очень мал, характерен в основном для линий на основе кабеля с полимерным волокном и связан с изменением температуры окружающей среды и медленным (иногда частотно-зависимым) помутнением среды распространения при старении. Более весомый вклад в нестационарность вносит достаточно быстрая деградация мощных полупроводниковых лазеров, до сих пор являющаяся заметной проблемой в технике волоконно-оптической связи. Всеми этими факторами обусловлены крайне большие постоянные времени — от десятков минут (прогрев аппаратуры и вход излучателей и фотоприёмников в стационарный тепловой режим) до нескольких месяцев (сезонные колебания температуры окружающей кабели среды) или даже лет (старение стабилизированных лазеров).

Результатом действия на сигнал СПДИ искажающего линейного канала с постоянными или медленно меняющимися параметрами является возникновение межсимвольных искажений (МСИ) вследствие наложения копий переданного сигнала с разными задержками друг на друга Нарушая структуру принимаемого сигнала, МСИ приводят к ухудшению качества связи, что применительно к СПДИ выражается на приёме в повышении вероятности ошибки, нарушении работы устройств синхронизации, а в особо неблагоприятных случаях, даже в невозможности правильного приёма информации [48], [67], что обусловливает необходимость и важность борьбы с МСИ. Поскольку.

• в линейных каналах величина МСИ, отнесенная к полезному сигналу, не зависит от энергетического потенциала линии;

• применение специальных типов кодирования передаваемой последовательности в передатчике не позволяет в достаточной степени устранить негативное влияние МСИ на принимаемую информационную последовательность (особенно, при сильных линейных искажениях);

• неизвестны сигнальные конструкции, инвариантные к произвольного вида МСИ, задача уменьшения уровня МСИ требует специальных методов решения.

Краткий обзор методов борьбы с МСИ приведён в приложении 1. Из него видно, что одним из наиболее перспективных направлений в этой области является создание адаптивных выравнивателей (АВ). Для обозначения таких устройств в литературе используются также термины «автоматически настраиваемые корректоры», «адаптивные корректоры», «самообучающиеся корректоры», «адаптивные эквалайзеры» и др.

Имеются два принципиально различных подхода к адаптивному выравниванию: выравнивание с привлечением обучающей последовательности и без него.

В рамках первого способа, перед началом сеанса связи, и возможно, в его перерывах передающая сторона посылает известную также на приёмной стороне специальную обучающую последовательность (называемую также «пилот-сигналом», англ. «training sequence», «pilot signal»). Зная её и анализируя фактически принятый сигнал, на приёмной стороне имеется возможность настройки АВ для коррекции искажений в канале. Такой механизм настройки АВ привлекается, например, в аппаратуре факсимильной связи, телефонных модемах для коммутируемых линий и многих типах высокоскоростных модемов для выделенных медных линий (VDSL, HDSL, ADSL), т. е. там, где не обязательно требуется быстрое вхождение в связь.

При отсутствии возможности передачи обучающей последовательности, например.

• при широковещательной трансляционной передаче, когда работа каждого из приемников может начаться в произвольный момент времени,.

• в технике оперативной радиосвязи вследствие требования очень быстрого вхождения в связь,.

• в случае невозможности или неоправданности передачи обучающего сигнала (из-за усложнения аппаратуры или протокола вхождения в связь, отсутствия обратного канала для осуществления приёмной стороной запроса на передачу обучающей последовательности), альтернативы настройке АВ по самому информационному сигналу нет. Из-за неизвестности последнего на приёмной стороне, сложность этой задачи многократно выше. Действительно, в приёмнике отсутствует априорная информация не только о переданном сигнале, но и о характере его искажений. По причине полной априорной неопределенности относительно свойств канала выравнивание без привлечения обучающей последовательности получило название адаптивного выравнивания вслепую (ABC, англ. blind adaptive equalization). Вследствие существенной практической значимости и большей привлекательности этого подхода для использования в новых поколениях аппаратуры, в дальнейшем рассматривается именно задача ABC.

В рамках классической международной модели телекоммуникационных систем (модель взаимодействия открытых систем, англ. Open Systems Interconnection, OSI) устройства выравнивания характеристик каналов действуют на физическом и канальном уровнях, которые в значительной степени определяют качество связи. Таким образом, системы ABC занимают важное место в современных телекоммуникационных технологиях, делая возможным создание систем связи с беспрецедентными техническими характеристиками (см., например, [18], [30]). Однако до сих пор отсутствует единый системный подход к созданию алгоритмов настройки АВ вслепую, а возможности улучшения характеристик этих систем далеки от исчерпания. Этим определяется актуальность диссертационной работы.

Цель работы состоит в построении и исследовании новых эффективных алгоритмов настройки АВ вслепую с повышенной скоростью адаптации и более высокой устойчивостью к шумам канала по сравнению с известными.

Для достижения поставленной цели был решён ряд исследовательских задач, определяющих научную новизну работы, заключающуюся в следующем:

• впервые предложен и применён систематический принцип построения алгоритмов ABC. Он позволяет для заданных сигнальных конструкций получать алгоритмы настройки с достаточно хорошими свойствами в смысле скорости сходимости, устойчивости и простоты реализации;

• предложены принципиально новые виды целевых функционов (ЦФ), определяющих меру минимизируемых МСИ и связывающих её с параметрами выравнивателя. При этом априорные сведения о виде манипуляции используются существенно более полно по сравнению с известными алгоритмами;

• с применением последовательного статистического анализа синтезирован алгоритм автоматического изменения шага адаптации АВ для ускорения его настройки;

• получены результаты, характеризующие корректирующую способность идеальных АВ на основе КИХ-фильтра в отсутствие шумов и помех. Они дают возможность определения качества работы реальных АВ применительно к искажающим каналам с известными свойствами,.

• впервые задача настроики АВ сформулирована в терминах теории некорректно поставленных задач и при её решении использованы методы регуляризации.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

• новый универсальный подход к созданию алгоритмов адаптации АВ с заданными свойствами позволяет улучшить такие тактико-технические характеристики приёмника в составе СПДИ, как время вхождения в связь и вероятность ошибки;

• в рамках этого подхода получены алгоритмы настройки с повышенной скоростью сходимости и устойчивостью к шумам в канале и погрешностям округления операндов, что подтверждается результатами компьютерного моделирования,.

• исследованы причины неустойчивой работы АВ (потеря решения, переход из области притяжения одного из допустимых решений в область притяжения другого, большая величина остаточного «болтания» вокруг решения под действием возмущений принимаемого сигнала) и предложены практически приемлемые методы стабилизации алгоритмов;

• даны практические рекомендации по эффективной реализации рассмотренных алгоритмов в разрабатываемой аппаратуре с применением современных цифровых сигнальных процессоров (ЦСП) и программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) оптимальное вычисление ЦФ и их обобщённых градиентов с учётом возможностей ЦСП, организация параллельной обработки, выбор начального приближения,.

• разработана методика и программное обеспечение для компьютерного моделирования работы АВ в составе СПДИ.

Основные научные положения работы:

• всякий итеративный метод настройки ABC может быть представлен как совокупность трех основных компонент: задающего критерии адаптации ЦФ, метода минимизации ЦФ и средств обеспечения устойчивости алгоритма (регуляризация, сглаживающая фильтрация). Это позволяет системно рассматривать известные алгоритмы адаптации и облегчает создание новых,.

• АВ с предложенными для сигналов с постоянной огибающей и (или) дискретно изменяющейся фазой (ФМн любой кратности, ФМн с непрерывной фазой, АФМн) принципиально новыми видами ЦФ обеспечивают повышение скорости настройки по сравнению с классическим ЦФ Д. Годара до 8 раз и допускают простую реализацию с применением современных средств цифровой обработки сигналов;

• использование набора ЦФ и введение адаптации шага настройки АВ с использованием последовательного статистического анализа А. Вальда ускоряют настройку до нескольких раз (зависит от неоптимальности выбора величины начального шага и отношения сигнал/шум) и повышают её устойчивость к воздействию шумов. Применение для адаптации выравнивателя алгоритмов минимизации нулевого порядка снижает трудоёмкость одного шага настроики при практическом сохранении суммарного количества операций в рамках всего процесса адаптации;

• задача настройки АВ на основе линейных фильтров как с конечной, так и с бесконечной импульсной характеристикой (соответственно КИХи БИХ-фильтров) относится к широкому и практически важному классу некорректно поставленных задач, часто возникающих при восстановлении искажённых и зашумлённых сигналов. Предложенные практические алгоритмы регуляризации задачи настройки АВ повышают устойчивость работы АВ по отношению к шумам в канале, обеспечивая сходимость в случаях, где иначе за практически приемлемое время она не была обнаружена;

• предложенный метод позволяет для известного вектора коэффициентов эк.

Бивалентного каналу КИХ-фильтра и заданного порядка Ь фильтра АВ теоретически определить точные предельные корректирующие возможности АВ в смысле минимума среднеквадратического отклонения результирующей импульсной характеристики от идеальной.

В рамках апробации работы результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях, сессиях и семинарах:

1. 2-ая Межвузовская научно-техническая конференция «Микроэлектроника и информатика-98» (Москва, 1998 г.),.

2 51-ая и 52-ая Научно-технические конференции МИРЭА (Москва, 2002, 2003 гг.),.

3 ЬУН и ЬУШ научные сессии, посвящёниые Дню радио (Москва, 2002, 2003 гг.),.

4. Международная научно-техническая конференция, посвященная 80-летию гражданской авиации России (Москва, 2003 г.),.

5. семинары кафедр радиоприёмных устройств и высшей математики МИРЭА.

Основное содержание диссертации опубликовано в тринадцати работах, включая тезисы докладов. Одна статья опубликована в издании, включённом в Перечень ВАК. Полученные при выполнении диссертационной работы результаты нашли отражение в отчётах по 6 НИР и использованы в ОАО «Концерн радиостроения «Вега», ЗАО «Альтаир-НТПЦ», а также внедрены в учебный процесс в Московском государственном институте радиотехники, электроники и автоматики (техническом университете).

Диссертация состоит из введения, пяти глав, списка сокращений, списка обозначений, заключения, списка литературы, включающего 102 работы и трех.

Заключение

.

В диссертационной работе получены следующие основные результаты:

1. Множество алгоритмов адаптации АВ сведено к различным сочетаниям трёх основных компонент: ЦФ, задающего критерий качества настройки, метода его минимизации и метода обеспечения единственности и гарантированной достижимости решения. Рассмотрено взаимодействие этих составляющих для конкретных алгоритмов.

2. Показано, что при использовании современной элементной базы алгоритмы настройки АВ во временной области имеют преимущество перед алгоритмами в частотной области.

3. Предложено обобщение классического ЦФ Годара-Трайхлера, призванное сделать алгоритм настройки лучше приспособляемым к различным соотношениям уровней МСИ и шумов в канале.

4. Введены и исследованы принципиально новые типы ЦФ, привлекающие для адаптации априорную информацию о дискретности значений фазы манипу-лированного сигнала. Показана их высокая эффективность. С применением имитационного моделирования исследована область применения этих ЦФ и выявлены их недостатки.

5. Синтезированы новые виды ЦФ, использующие всю доступную на приёмной стороне информацию об инвариантных к передаваемой информационной последовательности свойствах неискажённого манипулированиого сигнала. Исследована скорость настройки соответствующих алгоритмов адаптации средствами компьютерного моделирования.

6. Предложены и исследованы возможности многокритериальной настройки АВ с набором «кооперирующихся» или «состязающихся» ЦФ.

7. Выяснена возможность применения для адаптации выравнивателя нетрадиционных для задачи ABC методов минимизации. Сделан и подкреплён результатами компьютерного моделирования вывод о практической пригодности методов минимизации нулевого порядка.

8. Теоретически исследованы предельные возможности подавления МСИ с помощью АВ с КИХ-фильтром.

9. С применением ¿—преобразования показано, что задача ABC относится к классу некорректно поставленных задач. Рассмотрены аспекты нестабильности алгоритмов адаптации, связанные со структурой фильтров и с выбором ЦФ.

10. Исследованы возможности регуляризации алгоритма настройки выравнивателя. Приведён алгоритм классической регуляризации. Предложен алгоритм итеративной регуляризации и посредством имитационного моделирования продемонстрирован эффект от его применения, заключающийся в ускорении настройки АВ при малых отношениях сигнал/шум и повышении стабильности работы АВ.

11. Рассмотрены аспекты эффективной реализации АВ, связанные с применяемыми алгоритмами и архитектурой вычислителя.

12. Произведена основанная на расчёте трудоемкости алгоритма адаптации оценка максимальной скорости информационной последовательности в СПДИ с системой ABC на основе ЦСП и ПЛИС.

Полученные результаты свидетельствуют о перспективности и эффективности применения систем ABC для решения задачи подавления МСИ и могут быть использованы при проектировании и разработке аппаратуры СПДИ различного назначения.

Рассмотренный в диссертации достаточно широкий круг вопросов сконцентрирован главным образом вокруг ускорения сходимости и повышения устойчивости АВ, построенных на классических принципах. За рамками рассмотрения остались малоисследованные новые подходы к решению задачи ABC с привлечением критерия максимального правдоподобия, семиинвариантного анализа и нейронных сетей, разработка практических методов обеспечения устойчивости АВ с использованием перестраиваемых в режиме реального времени БИХ-фильтров, алгоритмы выравнивания каналов для многопозиционных сигналов с использованием решётчатого кодирования (англ. trellis coding), синтез оптимальных алгоритмов настройки АВ, использование обратной связи по решению в задаче ABC, исследование устойчивости алгоритмов по отношению к нефлуктуационной помехе и неидеальности тактовой синхронизации, введение взаимодействия АВ с системами синхронизации приёмника, решение задачи подавления МСИ в каналах с нелинейными искажениями и ряд других вопросов. Часть из них видится автором в качестве предмета дальнейших исследований.