RU221085U1 - Устройство для повышения устойчивости к межсимвольным искажениям цифровых сигналов - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к технике радиосвязи и предназначена для приема сигналов с квадратурной модуляцией (QPSK) в двухсторонних каналах с многолучевым распространением, вызывающим межсимвольную интерференцию. Технический результат - повышение помехоустойчивости передачи цифровых сигналов в системах с использованием квадратурной модуляции. Для этого принцип действия предлагаемого устройства состоит в том, чтобы перед передаваемым информационным символом излучать корректирующий символ, который состоит из двух частей. Одна часть равна суммарной величине предыдущих символов, накладывающихся на основной символ. Другая часть синфазна передаваемому информационному символу. Таким образом, использование предлагаемого устройства для коррекции межсимвольных искажений цифровых сигналов позволяет устранить или уменьшить негативное влияния межсимвольной интерференции, а также увеличить среднее отношение уровней полезного сигнала к шуму. 5 ил.

Description

Полезная модель относится к технике радиосвязи и предназначена для приема сигналов с квадратурной модуляцией (QPSK) в двухсторонних каналах с многолучевым распространением, вызывающим межсимвольную интерференцию. Двухсторонние каналы передачи применяются, при передаче одновременно в двух направлениях, и каждая станция интервала является одновременно и передающей, и приемной.

При квадратурной модуляции начальная фаза передаваемого сигнала может принимать четыре значения, причем соседние значения фазы разделяются углом в 90°. Каждый такой сигнал переносит по два бита информации.

При использовании различных систем передачи сигналы от передатчика часто достигают приемника сразу по нескольким путям. Число таких путей может быть значительным. Сигналы, проходящие по различным путям, испытывают задержку по времени, которая пропорциональна длине каждого пути. Эти длины могут заметно различаться, в результате величины задержки каждого сигнала, прошедшему по своему пути, также заметно различаются. Если разброс подобной временной задержки больше длительности одного символа, то в каждый момент времени на приемник приходит сумма данного передаваемого символа и еще нескольких предыдущих символов.

Как правило, первый приходящий символ является основным, уровни следующих за ним мешающих символов меньше, тем не менее, они суммарно накладываются на него и могут оказывать значительное негативное воздействие. Количество символов в этой суперпозиции определяется соотношением временной длительности одного символа в данной системе передачи и максимальной разности по времени задержки между сигналами, пришедшими различными путями, и такое соотношение может достигать нескольких единиц.

Взаимные амплитудно-фазовые соотношения между уровнями сигналов, составляющих суммарный принимаемый сигнал, случайны по величине и случайно изменяются по времени, обычно со скоростью быстрых замираний. Также случаен и их взаимный фазовый сдвиг, поэтому в каждый момент времени комплексные весовые коэффициенты отдельных сигналов в суммарном сигнале после демодуляции могут иметь различные модули и аргументы. Передаваемая по каналу информация обычно является случайной последовательностью логических нулей и единиц, появление которых можно считать равновероятным.

Когда в результате межсимвольной интерференции к принимаемому символу прибавляется суммарный отклик от нескольких предыдущих символов, появляется межсимвольная интерференция (МСИ). В результате фаза напряжения может принять любое значение, и демодулятор выдаст ошибочное решение о принятой паре символов. Таким образом, при появлении МСИ значительно возрастает средняя величина вероятности ошибки и снижается помехоустойчивость, надежность и качество передачи информации.

Необходимо также учитывать, что на помехоустойчивость передачи информации действуют одновременно два различных негативных фактора, Это межсимвольная интерференция и шумы приемника, которые обычно возникают в его входных цепях. Поэтому, даже если отклик от предыдущих символов и не изменит фазу основного импульса так, что она перейдет в зону, соответствующую другому передаваемому коду, но значительно приблизит его значение к границе раздела двух зон. И даже небольшое шумовое воздействие, которое без МСИ не вызывает появление ошибки, теперь будет вызывать ошибку. То есть, МСИ дополнительно увеличивает вредное влияние шума.

Известны различные устройства для борьбы с МСИ. Некоторые устройства, выравнивают частотную характеристику канала передачи - эквалайзеры. Они состоят их элементов задержки сигналов по времени, блока умножителей, сумматора и блоков управления. Межсимвольная интерференция возникает из-за частотно-селективных замираний, вызывающих сильную изрезанность частотной характеристики многолучевого канала. Если форма изрезанной частотной характеристики известна, то на приемной стороне можно применить фильтр, частотная характеристика которого является обратной по отношению к частотной характеристике канала. При прохождении сигнала через такой фильтр изрезанность спектра сигнала, возникшая в канале, частично компенсируется, а результирующая характеристика выравнивается, что приводит к уменьшению негативных последствий МСИ.

Недостатками подобных устройств является необходимость точного знания частотной характеристики канала передачи и применения относительно большого количества элементов задержки. Кроме того, при выравнивании частотной характеристики канала в областях ее провалов (что характерно для частотно-селективных замираний) происходит значительный подъем усиления корректирующих фильтров. Но в приемнике кроме МСИ всегда есть еще один негативный фактор - тепловые шумы, обычно имеющие достаточно равномерный спектр. Но в результате прохождения корректирующего фильтра некоторые участки спектра шума сильно возрастают, при этом возрастает и общий уровень шума. Это приводит к ухудшению помехоустойчивости, которая может даже превысить ее улучшение из-за снижения МСИ.

Также известно устройство по патенту РФ №200964 на полезную модель «Корректор межсимвольных искажений цифровых сигналов» МПК Н04В 7/04, авторы Полушин П.А., Белов А.Д., Никитин О.Р.

Устройство содержит передатчики, приемники, приемно-передающие антенны, коммутаторы, сдвиговые регистры, блоки умножителей, сумматоры, формирователи, блоки памяти, амплитудные детекторы, блоки выделения служебного сигнала, генераторы тестового сигнала, блоки управления.

В системе каждая из станций работает на своей частоте. Используется двоичная фазовая модуляция (BPSK - двоичная фазовая манипуляция). По каналу передачи в каждом из направлений передается либо поток символов, переносящих передаваемую информацию, либо тестовые сигналы. Каждый тестовый сигнал перелается во время тестового сеанса. Тестовые сеансы периодически повторяются. Период повторения определяется скоростью изменения параметров канала передачи. Во время тестовых сеансов информационный поток не передается. Каждый тестовый сеанс состоит из единичного символа, совпадающего по величине и длительности с информационным символом. Далее в тестовом сеансе никакие символы не передаются вообще. Длительность такой паузы не меньше, чем разница по времени между приходом первого и последнего из сигналов по различным каналам многолучевого распространения и кратна длительности одного символа. После окончания тестового сеанса передача информационного потока возобновляется.

На приемной стороне информация о канале используется следующим образом. При передаче информации перед каждым символом, переносящим информацию, вставляется вспомогательный корректирующий символ. Поскольку известно, какие предыдущие символы в результате интерференции наложатся на информационный символ, то амплитуда корректирующего символа выбирается таким образом, чтобы, сложившись с суммой мешающих символов, она ее уменьшила или вообще свела к нулю. Таким образом, негативное влияние МСИ уменьшается.

Недостатком данного устройства служит то, что непосредственно для модуляции QPSK его применять нельзя. В отличие от BPSK при QPSK передаются не только противоположные сигналы, но и сдвинутые на 90°. Сумма предыдущих мешающих символов может тоже оказаться с опасным фазовым сдвигом. Поэтому в корректирующем символе необходимо регулировать не только амплитуду, но и фазу, что в устройстве-аналоге не делается. В связи с этим коррекции мешающих символов не происходит, что ухудшает помехоустойчивость передачи сигналов.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является устройство по патенту на полезную модель №219035 на «Устройство для коррекции межсимвольных искажений цифровых сигналов» авторов Полушина П.А., Архипова Н.А., Шалиной В.В.

Устройство содержит формирователь информационных символов, коммутаторы, перемножители, регулируемые усилители, сдвиговые регистры, многоканальные блоки умножения, сумматоры, генератор тестовых импульсов, модуляторы, передатчик, приемник, приемно-передающую антенну, блок выделения синфазного сигнала, блок выделения ортогонального сигнала, блок памяти, фазовращатель, блок управления, генератор сигналов и квадраторы.

Принцип работы устройства-прототипа заключается в следующем. Работают одновременно две однотипные станции (пусть А и В), между которых осуществляется двухсторонняя связь на разных частотах. Периодически повторяются тестовые сеансы, в течение которых информация не передается, а передается со станции А специальный тестовый сигнал, известный на станции В, и после него производится пауза в передаче, равная общей длительности предыдущих мешающих сигналов.

На станции В производится измерение пришедшего сигнала и его значений в последующее моменты через интервалы времени, равные длительности символов. Таким образом измеряется отклик канала на передачу одного символа. Эта информация по служебному каналу передается обратно на станцию А и служит для формирования корректирующих символов. Каждый корректирующий символ формируется и передается перед информационным символом, который он корректирует. Коррекция заключается в том, что корректирующий символ убирает сумму всех предыдущих мешающих символов, которые вызывают искажения. Это возможно сделать, поскольку на станции А известны все предыдущие значения символов и коэффициенты передачи их по каналу. Для этого корректирующий символ формируется равным по величине и противоположным по знаку этой сумме мешающих символов. После его сложения с ней эта сумма убирается. В отношении станции В производится аналогичная процедура.

Недостатком устройства-прототипа является то, что возможности корректирующего символа недоиспользуются. Действительно, когда сумма мешающих символов меньше по величине, чем основной символ, перехода в зону, соответствующую передаче другого символа не происходит, т.е. МСИ не вызывает появления ошибки. Однако его все равно необходимо устранять, так как возрастает вероятность ошибки из-за шумов. Корректирующий символ устраняет эту сумму. Однако, так как величина суммы меньше основного символа, то и передатчик излучает корректирующий символ меньшей мощности, чем основной символ, т.е. возможности передатчика недоиспользуются, хотя могли бы быть использованы дополнительно для увеличения отношения «сигнал/шум», поэтому помехоустойчивость передачи информации может быть недостаточной.

Задачей предлагаемой полезной модели является повышение помехоустойчивости передачи цифровых сигналов с квадратурной модуляцией.

Поставленная задача решается тем, что в устройство для повышения устойчивости к межсимвольным искажениям цифровых сигналов, содержащее формирователь информационных символов, первый, второй, третий и четвертый коммутаторы, первый, второй, третий и четвертый перемножители, первый и второй регулируемые усилители, первый и второй сдвиговые регистры, первый и второй многоканальные блоки умножения, первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой сумматоры, генератор тестовых импульсов, первый и второй модуляторы, передатчик, приемник, приемно-передающую антенну, блок выделения синфазного сигнала, блок выделения ортогонального сигнала, блок памяти, фазовращатель, блок управления, генератор сигналов, первый и второй квадраторы, введены первый и второй элементы памяти, третий и четвертый регулируемые усилители, седьмой и восьмой сумматоры, определитель модуля и пороговый блок, при этом первый и второй выходы формирователя информационных символов подключены к входам, соответственно, первого и второго элементов памяти, выход первого элемента памяти соединен со входами третьего регулируемого усилителя и первого коммутатора, выход второго элемента памяти соединен со входами четвертого регулируемого усилителя и второго коммутатора, выходы первого и второго коммутаторов подключены к последовательным входам первого и второго сдвиговых регистров, последовательные выходы первого и второго сдвиговых регистров подключены ко входам первого и второго модуляторов, а их выходы ко входам шестого сумматора, выход шестого сумматора соединен с одним из входов третьего коммутатора, другой его вход соединен с выходом генератора тестовых импульсов, а выход с основным входом передатчика, служебный вход передатчика подключен к выходу блока памяти, а выход к приемно-передающей антенне, вход приемника подключен к приемно-передающей антенне, служебный выход приемника подключен ко входам блока выделения синфазного сигнала и блока выделения ортогонального сигнала, основные выходы приемника подключены ко входам четвертого коммутатора, выходы четвертого коммутатора подключены к выходам устройства и ко входам блока памяти, один из выходов блока выделения синфазного сигнала соединен со входом первого многоканального блока умножения, а другой выход со входом первого квадратора и со входами второго и четвертого перемножителей, один из выходов блока выделения ортогонального сигнала соединен со входом второго многоканального блока умножения, а другой выход со входом второго квадратора и со входами первого и третьего перемножителей, выходы первого и второго квадраторов подключены ко входам пятого сумматора, а его выход к управляющим входам первого и второго регулируемых усилителей, параллельные выходы первого сдвигового регистра соединены со входами первого многоканального блока умножения, а его выходы со входами третьего сумматора, параллельные выходы второго сдвигового регистра соединены со входами второго многоканального блока умножения, а его выходы со входами четвертого сумматора, выход третьего сумматора подключен ко вторым входам первого и второго перемножителей, а выход четвертого сумматора ко вторым входам третьего и четвертого перемножителей, выходы первого и четвертого перемножителей соединены со входами второго сумматора, а его выход со входом второго регулируемого усилителя, выходы второго и третьего перемножителей соединены со входами первого сумматора, а его выход со входом первого регулируемого усилителя, выход первого регулируемого усилителя подключен ко входу седьмого сумматора и ко входу определителя модуля, выход второго регулируемого усилителя подключен ко входу восьмого сумматора и к другому входу определителя модуля, выход определителя модуля через пороговый блок соединен с другими входами третьего и четвертого регулируемых усилителей, выход седьмого сумматора соединен с другим входом первого коммутатора, а выход восьмого сумматора соединен с другим входом второго коммутатора, выход генератора сигналов подключен к другому входу первого модулятора и через фазовращатель ко второму входу второго модулятора, выходы блока управления подключены к управляющим входам первого и второго сдвиговых регистров, первого и второго элементов памяти и первого, второго, третьего и четвертого коммутаторов.

На чертеже фиг. 1 представлена структурная схема устройства для повышения устойчивости к межсимвольным искажения цифровых сигналов. На чертеже фиг. 2 представлены графики, поясняющие метод модуляции QPSK. На чертеже фиг. 3 приведены графики, поясняющие принцип формирования корректирующего символа в устройстве.

На чертеже фиг. 1 обозначены: формирователь информационных символов 1; первый 2, второй 3, третий 4 и четвертый 5 коммутаторы; первый 6, второй 7; третий 8 и четвертый 9 перемножители; первый 10 и второй 11 регулируемые усилители; первый 12 и второй 13 сдвиговые регистры; первый 14 и второй 15 многоканальные блоки умножения; первый 16, второй 17 третий 18 четвертый 19 пятый 20 и шестой 21 сумматоры; генератор тестовых импульсов 22; первый 23 и второй 24 модуляторы; передатчик 25; приемник 26; приемно-передающая антенна 27; блок выделения синфазного сигнала 28; блок выделения ортогонального сигнала 29; блок памяти 30; фазовращатель 31; блок управления 32; генератор сигналов 33; первый 34 и второй 35 квадраторы; первый 36 и второй 37 элементы памяти; третий 38 и четвертый 39 регулируемые усилители; седьмой 40 и восьмой 41 сумматоры; определитель модуля 42 и пороговый блок 43.

Блоки устройства работают следующим образом. На каждой стороне интервала линии связи работает станция, устройство которой приведено на фиг. 1. По каналу передачи в каждом из направлений передается либо поток символов, переносящих передаваемую информацию, либо тестовые сигналы. Каждый тестовый сигнал передается во время тестового сеанса. Тестовые сеансы периодически повторяются. Период повторения определяется скоростью изменения параметров канала передачи. Во время тестовых сеансов информационный поток не передается.

Каждый тестовый сеанс состоит из одного символа с нулевым фазовым сдвигом, совпадающего по величине и длительности с информационным символом. (На фиг. 2 показано, что такой символ предназначен для переноса двух подряд идущих логических нулей, 00). Далее в тестовом сеансе никакие символы не передаются вообще. Длительность такой паузы не меньше, чем разница по времени между приходом первого и последнего из сигналов по различным каналам многолучевого распространения и кратна длительности одного символа. После окончания тестового сеанса передача информационного потока возобновляется.

Для формирования тестового сигнала и паузы после него используется генератор тестовых импульсов 22. Он работает постоянно, но к передатчику 25 подключается с помощью третьего коммутатора 4 в тот интервал времени, когда необходимо вместо информационного потока по каналу пропустить тестовый сигнал.

Обе станции имеют одинаковую структуру. Они различаются лишь значениями несущей частоты излучаемых сигналов. Обозначим рассматриваемую станцию, как станцию А, а противоположную станцию, как станцию В. Принципы работы блоков обеих станций одинаковы.

На противоположной станции В приемник получает по основному каналу либо тестовый сигнал, либо информационную последовательность, а также информацию по служебному каналу. По основному каналу передается синфазная I и ортогональная Q составляющие. С помощью четвертого коммутатора 5 они подаются либо на выход всего устройства, либо во время тестового сеанса подаются на блок памяти 30. Он запоминает значения двух компонент и хранит их до следующего тестового сеанса. Запоминаются значения в моменты времени, отстоящие от тестового сигнала на величину, кратную длительности тестового сигнала. Отдельно запоминаются все значения составляющих, синфазных тестовому сигналу и значения составляющих, ортогональных тестовому сигналу.

Таким образом, по отдельности запоминаются уровни обеих составляющих всех принятых мешающих символов и корректирующего символа, которые при передаче информационных символов со станции А накладываются в канале на основной символ, интерферируют с ним и искажают его. Запомненные уровни подаются на служебный канал передатчика 25 станции В и по нему транслируются обратно на станцию А. Таким образом, в приемнике 26 станции А по служебному каналу от противоположной станции В приходит информация об уровнях мешающих символов и корректирующего символа, которые накладываются на основной сигнал станции А, приходящий на противоположную станцию В. В результате, на станции А приобретается информация о соотношениях уровней мешающих символов и корректирующего символа, которые интерферируют с ее основным сигналом в процессе передачи на станцию В.

Соответственно и при приеме станцией А тестовых сигналов со станции В определяются параметры интерферирующих символов с основным сигналом, излучаемым станцией В и принимаемым станцией А. Эта информация тоже транслируется обратно на станцию В. Естественно, поскольку основные сигналы каждой станции передаются на разных несущих частотах, то и искажения в каждом из этих каналов (в одну и в другую сторону) будут различаться, как и уровни мешающих символов.

В каждой станции полученная информация об искажениях ее сигналов в каналах передачи используется следующим образом. Блоки выделения синфазного 28 и ортогонального сигналов 29 получают информацию от приемника 26 по служебному каналу об уровнях мешающих символов и корректирующего символа, которые будут накладываться на составляющие I и Q излучаемого символа. Они были получены в последнем тестовом сеансе и будут постоянными до измерения в следующем тестовом сеансе. Величины синфазных а₂÷a_m и ортогональных b₂÷b_m составляющих мешающих символов передаются на первый и второй многоканальные блоки умножения 14 и 15.

Отдельно величина синфазной составляющей a₁ корректирующего символа подается на первый квадратор 34, где определяется квадрат ее величины. Также и величина ортогональной составляющей b₁ корректирующего символа подается на второй квадратор 35, где также определяется квадрат ее величины. Выходные сигналы с обоих квадраторов складываются в пятом сумматоре 20, и его выходной сигнал управляет усилением первого 10 и второго 11 регулируемых усилителей. Коэффициент усиления этих регулируемых усилителей обратно пропорционален величине управляющего сигнала.

Синфазная составляющая a₁ также подается на первые входы второго 7 и четвертого 9 перемножителей, а ортогональная составляющая b₁ подается на первые входы первого 6 и третьего 8 перемножителей. На вторые входы первого 6 и второго 7 перемножителей подается выходной сигнал A_r третьего сумматора 18 и в них перемножается с сигналами на их первых входах. На вторые входы третьего 8 и четвертого 9 перемножителей подается выходной сигнал B_r четвертого сумматора 19 и в них перемножается с сигналами на их первых входах.

Выходные сигналы второго 7 a₁A_r и третьего 8 b₁B_r перемножителей подаются на первый сумматор 16, где определяется выражение b₁B_r-a₁A_r. Выходные сигналы первого 6 b₁A_r и четвертого 9 a₁B_r перемножителей подаются на второй сумматор 17, где определяется выражение -b₁A_r-a₁B_r. Выходной сигнал первого сумматора 16 подается на сигнальный вход первого регулируемого усилителя 10, а выходной сигнал второго сумматора 17 подается на сигнальный вход второго регулируемого усилителя 11, где уровень этих сигналов управляется с управляющего входа регулируемых усилителей.

Поток информационных символов x_k, который необходимо передать с данной стороны линии, поступает от внешнего источника на вход формирователя информационных символов 1. В нем на основе каждой пары подряд идущих информационных символов вырабатывается один из четырех вариантов сигналов, как показано на фиг. 2. При поступлении пары символов «00» будут выработаны сигналы: I_k=1, Q_k=0. При поступлении пары символов «01» будут выработаны сигналы: I_k=0, Q_k=1. При поступлении пары символов «11» будут выработаны сигналы: I_k=-1, Q_k=0. При поступлении пары символов «10» будут выработаны сигналы: I_k=0, Q_k=-1.

Символы I_k с выхода формирователя информационных символов 1 подаются на вход первого элемента памяти 36. Также символы Q_k с выхода формирователя подаются на вход второго элемента памяти 37. В обоих элементах памяти запоминается одна ортогональная компонента, соответствующая очередной паре передаваемых информационных символов. Сигнал с выхода первого элемента памяти 36 поступает на один из входов первого коммутатора 2 и на вход третьего регулируемого усилителя 38. Сигнал с выхода второго элемента памяти 37 поступает на один из входов второго коммутатора 3 и на вход четвертого регулируемого усилителя 39.

Выходные сигналы третьего 38 и четвертого 39 регулируемых усилителей подаются на первые ходы, соответственно, седьмого 40 и восьмого 41 сумматоров, где формируются корректирующие символы. На другие входы первого и второго коммутаторов поступают эти сформированные корректирующие символы. На другие входы седьмого 40 и восьмого 41 сумматоров поступают сигналы с выходов, соответственно, первого 10 и второго 11 регулируемых усилителей.

Выходные сигналы с выходов первого и второго регулируемых усилителей поступают также на входы определителя модуля 42. Сигналы на обоих его входах представляют собой ортогональные компоненты общего предварительного корректирующего символа. Соответственно, для определения модуля этого сигнала в блоке 42 определяется квадратный корень из суммы квадратов этих сигналов.

Далее сигнал с выхода определителя модуля 42 поступает на вход порогового блока 43. В нем поступивший модуль предварительного корректирующего символа сравнивается по величине с уровнем основного символа. Если уровень предварительного корректирующего символа больше или равен уровню основного символа, то пороговый блок 43 вырабатывает на своем выходе нулевое напряжение. Если уровень предварительного корректирующего символа меньше уровня основного символа, то пороговый блок на своем выходе вырабатывает сигнал, равный разнице между уровнями основного символа и предварительного корректирующего символа. Этот разностный сигнал поступает на регулирующие входы третьего 38 и четвертого 39 регулируемых усилителей и управляет напряжением на их выходах. На их входы поступают сигналы с первого и второго элементов памяти, а на выходах вырабатываются сигналы, равные доле от входных сигналов, пропорциональной управляющему напряжению, т.е. разностному сигналу с выхода порогового блока 43.

Первый 2 и второй 3 коммутаторы переключают на свои входы поочередно информационные сигналы с выходов первого и второго элементов памяти и сформированные корректирующие символы с выходов седьмого 40 и восьмого 41 сумматоров. Перекоммутация входов коммутаторов 2 и 3 производится в два раза быстрее, чем поступают информационные символы, при этом перед каждым информационным символом «вставляется» сформированный корректирующий его символ. Таким образом, между каждым информационным символом присутствует корректирующий символ. При этом на выходе первого коммутатора 2 образуется поток сигналов в два раза быстрее, чем поток информационных символов. Эти сигналы с выхода первого коммутатора 2 поступают на последовательный вход первого сдвигового регистра 12 и записываются в его ячейки, причем записываются и уровни сигналов, и их знаки.

Аналогично обрабатывается составляющая Q_k с выхода формирователя информационных символов 1. Здесь также перекоммутация входов коммутатора 3 происходит в два раза быстрее, чем поступают информационные символы с выхода второго элемента памяти 37, т.о. между каждым информационным символом «вставляется» свой корректирующий символ. При этом на выходе коммутатора 3 образуется поток сигналов в два раза быстрее, чем поток информационных символов. Эти сигналы с выхода коммутатора 3 поступают на последовательный вход второго сдвигового регистра 13 и записываются в его ячейки, причем записываются и уровни сигналов, и их знаки.

С поступлением на последовательный вход обоих сдвиговых регистров 12 и 13 каждого нового сигнала, этот поступивший сигнал записывается в его первую ячейку, а все уровни предыдущих поступивших символов последовательно сдвигаются, так, чтобы каждый из сигналов из конкретной ячейки переписывался в ячейку следующего номера. Таким образом, вся последовательность записанных сигналов целиком сдвигается в сторону возрастающих номеров ячеек. При этом сдвиге сигнал из последней ячейки первого сдвигового регистра поступает на вход первого модулятора 23. Одновременно сигнал из последней ячейки второго сдвигового регистра 13 поступает на вход второго модулятора 24.

На другие входы обоих модуляторов подается сигнал с выхода генератора сигналов 33, вырабатывающего сигнал несущей частоты, на модулятор 23 -непосредственно, а на модулятор 24 - через фазовращатель 31, где к фазе сигнала добавляется фазовый сдвиг, равный 90°. Сигналы обоих модуляторов складываются в шестом сумматоре 21 и подаются на третий коммутатор 4. На второй вход третьего коммутатора 4 подаются выходные сигналы с генератора тестовых импульсов 22.

Генератор тестовых импульсов 22 работает непрерывно и вырабатывает напряжения для тестового сеанса, который состоит из тестового сигнала и следующие за ним несколько подряд идущих пауз, при этом длительность тестового сигнала равна длительности информационного символа, а суммарная длительность пауз кратна длительности информационного символа. Кроме этого, тестовые сигналы синхронны с сигналами, поступающими с выходов сдвиговых регистров 12 и 13.

Сигналы с параллельных выходов сдвиговых регистров 12 и 13 (значения, записанные в его ячейках, a₁÷a_m и b₁÷b_m) параллельно поступают на параллельные входы, соответственно, первого 14 и второго 15 многоканальных блоков умножения.

Работа блоков станции управляется с помощью блока управления 32. Он переключает первый 2 и второй 3 коммутаторы поочередно на входные сигналы I_k и Q_k и на корректирующие сигналы с выходов, соответственно, первого 10 и второго 11 регулируемых усилителей. Также управляет сдвигом записанных напряжений в ячейках сдвиговых регистров 12 и 13. Переключает третий коммутатор 4 в режим передачи информационного потока или тестового сеанса и переключает четвертый коммутатор 5 в режим приема информационного потока или в режим приема тестового сеанса. Управляет запоминанием значений ортогональных компонент в первом 36 и втором 37 элементах памяти.

В третьем 18 и в четвертом 19 сумматорах арифметически складываются напряжения со второй по последнюю ячейку из первого и второго сдвиговых регистров 12 и 13.

Принцип работы устройства состоит в следующем. Частично он аналогичен работе схемы устройства-прототипа, отличия заключаются в формировании корректирующего символа, дающие положительный эффект и осуществляемые введенными блоками: первый 36 и второй 37 элементы памяти; третий 38 и четвертый 39 регулируемые усилители; седьмой 40 и восьмой 41 сумматоры; определитель модуля 42 и пороговый блок 42.

Перед каждым информационным символом в канал передачи излучается корректирующий символ. Его параметры регулируются так, чтобы он вычитался из суммы предыдущих мешающих символов и уменьшал, или полностью убирал их негативное воздействие. Кроме того, его остаточная мощность теперь используется для дополнительного увеличения уровня основного символа, что ведет к увеличению отношения полезного сигнала к уровню шумов.

Пусть передатчик излучает в многолучевой канал последовательность символов z_k, включающих в себя информационные и корректирующие символы. В результате воздействия многолучевости принимаемый y_i сигнал после демодуляции можно записать в виде:

где m - количество интерферирующих мешающих символов значимого уровня;

a _k и b_k ^_ действительный и мнимый коэффициенты МСИ, учитывающие их величины и фазовый сдвиг, с которыми все символы входят в общую сумму.

Пусть коэффициенты a ₀ и b₀ определяет основной символ, а все остальные коэффициенты а ₁÷a_m и b₁÷b_m определяют уровни остальных предыдущих интерферирующих с ним символов. Для удобства можно считать коэффициент а ₀ равным единице, b₀ равным нулю, а другие коэффициенты нормировать относительно их. Коэффициенты а ₁ и b₁ относятся к предыдущему перед информационным символом корректирующему символу. Также длительность каждого символа будем считать равной T_C.

Величина всех коэффициентов a _k и b_k МСИ в устройстве определяются во время тестовых сеансов в обоих направлениях передачи сигналов. Для этого каждая станция во время тестового сеанса информационный поток не принимает, а передает уровень символа, равного уровню информационного символа (пусть единичного) и равной ему длительности. После этого передача сигнала не производится (передается пауза). Длительность паузы должна быть не меньше, чем m длительностей символа.

Воздействие многолучевости канала приводит на приемной стороне к тому, что каждый принимаемый символ расширяется в несколько раз. При этом все составляющие мешающих символов в сумме имеют разные амплитуды и разный фазовый сдвиг. В результате такие суммы - «хвосты» от предыдущих символов накладываются на последующие символы.

Демодуляция символов в приемнике производится обычно с помощью корреляционной обработки. При этом принимаемые сигналы домножаются на два сигнала опорного генератора, сдвинутые по фазе на 90° один относительно другого. У одного из них частота и фаза которого совпадают с частотой и фазой несущей, у другого фаза сдвинута относительно фазы несущей на 90°. Это производится для выделения синфазной и квадратурной составляющих I и Q. Далее результаты умножения интегрируются на интервале времени T_C, равному длительности символа.

Таким образом, во время тестового сеанса после передачи тестового сигнала и передаваемой передатчиком паузы, в приемнике пауза отсутствует, а принимается те синфазное и квадратурное напряжения «хвоста», которые вызывает интерференцию. При этом принимаемый сигнал также обрабатывается на каждом интервале времени, равном T_C, В результате на выходе приемника получаются «в чистом виде» коэффициенты и b_k, которые потом во время информационной передачи будут определять мешающие сигналы, накладывающиеся на информационные символы. Эти коэффициенты измеряются, запоминаются в блоке памяти 30 до следующего тестового сеанса и передаются на противоположную станцию.

Подавление МСИ производится следующим образом. Без учета корректирующего символа у_с сумма предыдущих мешающих символов равна

Она в общем случае относительно основного принимаемого символа имеет синфазную ему и ортогональную ему составляющие, как показано на фиг. 3.

Каждому из возможных передаваемых символов с различными фазами соответствует своя область комплексной плоскости. (Обозначены А; В; С; D.). Попадание конца вектора, определяемого соотношением величин составляющих I и Q в соответствующую область, ведет к принятию решения о том, что принят сигнал с ответствующим фазовым сдвигом и передавалась та пара логических символов, которая соответствуют этому сдвигу.

Если в результате наложения мешающих символов на основной символ конец суммарного вектора попадет в другую область (например, в область В, как на фиг. 3), то будет принято неправильное решение, что передавалась пара символов 01, а не 00, т.е. возникнет ошибка. Чтобы этого не случилось, перед основным символом нужно передать такой корректирующий символ, чтобы он максимально убрал воздействие мешающих символов.

Разложим комплексную величину на ее действительную и мнимую составляющие, т.е.: Корректирующий символ до его регулировки совпадает с информационным символом, соответствующим передаче пары логических символов 00, т.е. равен единице. После прохождения канала передачи он становится равным Для того, чтобы он при сложении с «хвостом» мешающих символов нейтрализовал его, необходимо перед излучением подстроить его синфазную и ортогональную составляющие с некоторым комплексным коэффициентом таким образом, чтобы стало выполняться условие

Величина этого подстроечного коэффициента должна быть равна

Таким образом, на передающей стороне первоначально единичному значению корректирующего символа должны присваиваться следующие весовые коэффициенты:

- синфазной составляющей I коэффициент

- ортогональной составляющей Q коэффициент

После сложения подобного корректирующего символа с суммой мешающих символов они либо исчезают, либо их уровень значительно уменьшается, что увеличивает помехоустойчивость передачи информации.

Данная обработка реализуется следующим образом. Во время тестовых сеансов в качестве тестового сигнала со станции А по основному каналу передачи излучается символ с нулевым начальным фазовым сдвигом, соответствующим передаче пары символов 00. После него с передатчика ничего не передается в течение нескольких длительностей символов. Их количество определяется числом мешающих символов, накладывающихся на основной символ.

На приемной стороне на станции В по основному каналу приема приемником 26 принимается основной символ и ортогональные компоненты I и Q всех последующих символов. Символ, принимаемый за основным, показывает необходимые составляющие а _с и b_c коэффициента передачи корректирующего символа. Принимаемые далее символы определят коэффициенты передачи а ₂-a_m и b₂-b_m мешающих символов. Во время тестовых сеансов выходы I и Q коммутатора 5 подключены ко входам блока памяти 30, где до следующего тестового сеанс запоминаются измеренные параметры и передаются обратно на станцию А через служебный канал передатчика 25.

На станции А по служебному каналу приема приемника 26 принимается информация об измеренных параметрах канала передачи от станции А до станции В. При этом блок выделения синфазного сигнала 28 выделяет все полученные значения а ₀-a _m. Блок выделения ортогонального сигнала 29 выделяет все полученные значения b ₀ -b _m.

Значения а ₁ и b ₁ будут использоваться, как коэффициенты а _с и b _c корректирующего символа. Значения а ₂-a _m и b ₂-b _m будут использоваться для формирования коэффициентов A_r и B_r. Для этого эти значения подаются на первый 14 и второй 15 многоканальные блоки умножения соответственно. На эти блоки умножения поступают напряжения с параллельных выходов сдвиговых регистров начиная со второй ячейки от входа, то есть значения ранее переданных сигналов z_i-2÷z_i-m, которые умножаются на соответствующие коэффициенты а ₂÷a _m в многоканальном блоке умножения 14 и на коэффициенты b ₂÷b _m в многоканальном блоке умножения 15. После этого сигналы со всех выходов многоканального блока умножения 14 суммируются в третьем сумматоре 18, а со всех выходов многоканального блока умножения 15 сигналы суммируются в четвертом сумматоре 19. Таким образом, формируются сигналы A_r и B_r соответственно.

На первый перемножитель 6 подаются сигналы b_c и A_r, в нем перемножаются, образуя на выходе произведение b _cA_r. На второй перемножитель 7 подаются сигналы а _с и A_r перемножаются в нем, образуя на выходе произведение a _cA_r. На третий перемножитель 8 подаются сигналы b _c и B_r перемножаются в нем, образуя на выходе произведение b _cB_r. На четвертый перемножитель 9 подаются сигналы а _с и B_r перемножаются в нем, образуя на выходе произведение a _cB_r. Сигналы с выходов второго 7 и третьего 8 перемножителей складываются в первом сумматоре 16, образуя сигнал, равный - (a _cA_r+b_cB_r), Сигналы с выходов первого 6 и четвертого 9 перемножителей складываются во втором сумматоре 17, образуя сигнал, равный -(a _cB_r-b_cA_r).

Сигналы а _с и b _c с выходов блоков 28 и 29 подаются, соответственно, на первый 34 и второй 35 квадраторы. Там определяются их квадраты, и эти сигналы суммируются в пятом сумматоре 20. Выходной сигнал этого сумматора подается на управляющие входы первого 10 и второго 11 регулируемых усилителей, где управляет их усилением. Коэффициент передачи этих регулируемых усилителей устанавливается обратно пропорциональным управляющему напряжению, т.е. обратно пропорционально величине а _с ²+b _c ².

Символы из последних ячеек обоих сдвиговых регистров одновременно подаются на первый 23 и второй 24 модуляторы. На другие входы модуляторов поступает напряжение несущей частоты с генератора сигналов 33. На первый модулятор 23 непосредственно, а на второй модулятор 24 после прохождения через фазовращатель 31, где к несущей добавляется фазовый сдвиг, равный 90°. Выходные сигналы обоих модуляторов складываются в шестом сумматоре 21 после чего поступают на один из входов третьего коммутатора 4. На другой его вход поступают сигналы с генератора тестовых импульсов 22. Коммутатор подключает на свой выход сигналы с шестого сумматора 21 во время передачи информационного сигнала и тестовые сигналы во время тестовых сеансов.

С третьего коммутатора 4 сигналы поступают на основной канал передатчика 25, после чего с помощью приемно-передающей антенны 27 излучаются в канал передачи. К приемно-передающей антенне подключен также вход приемника 26.

Блок управления 32 управляет переключением коммутаторов 2 и 3 с информационных символов на корректирующие и обратно, а также записью и сдвигом информации в сдвиговых регистрах 12 и 13. Также управляет переключением коммутаторов 4 и 5 при переключениях между тестовыми и информационными режимами.

Сформированные ортогональные компоненты предварительного корректирующего символа с выходов первого и второго регулируемых усилителей подаются входы седьмого и восьмого сумматоров. Однако в процессе работы в зависимости от текущего состояния канала передачи «хвост» из мешающих символов может по величине быть как больше основного символа, так и меньше его. При этом надо учитывать, что максимальный уровень излучаемого корректирующего символа определяется возможностями передатчика и, обычно, не может быть больше, чем уровень основного символа. При этом коррекция хотя и не уберет мешающий «хвост» полностью, но значительно его уменьшит и поможет вернуться общему символу в «правильную» зону и правильно демодулироваться.

Даже если уровень мешающего «хвоста» меньше уровня основного символа и общий уровень не выходит за границы правильной зоны (как показано на фиг. 4), то коррекция его также даст положительный результат, потому, что общий уровень символа отодвинется от границы зоны, где даже малый уровень шума вызывет появление ошибки

В случае, если уровень мешающего «хвоста» меньше уровня основного символа, возникают дополнительные возможности повышения помехоустойчивости, реализуемые в предлагаемом устройстве. Действительно, как показано на фиг. 5, требуемый уровень корректирующего символа для полной коррекции МСИ должен быть равным причем Таким образом, остается «в запасе» неизрасходованный уровень передаваемого сигнала, равный Он используется для увеличения общей мощности передаваемого основного символа.

Для этого для каждого предварительно сформированного корректирующего символа в определителе модуля 42 определяется получившаяся его величина. Далее в пороговом блоке она сравнивается с будущей величиной основного символа. Если она больше или равна величине основного символа, то пороговый блок вырабатывает нулевое управляющее напряжение, на выходе третьего 38 и четвертого 39 регулируемых усилителей также присутствует нулевой сигнал, и компоненты предварительного корректирующего символа без изменений, проходя через седьмой 40 и восьмой 41 сумматоры, подаются на первый 2 и второй 3 коммутаторы.

Если же уровень предварительного корректирующего символа меньше уровня основного символа, то пороговый блок выделяет эту разницу и направляет ее в качестве управляющего сигнала на регулируемые усилители 38 и 39. Они в соответствии с ним регулируют долю ортогональных составляющих последующего за корректирующим информационного символа и добавляют к предварительному корректирующему символу. Так формируется окончательный корректирующий символ. Таким образом, в соответствии с фиг. 5 теперь уже корректирующий символ состоит из двух частей: Часть убирает МСИ, а часть увеличивает отношение «сигнал/шум».

На другие их входы подаются с первого 36 и второго 37 элементов памяти ортогональные компоненты I и Q передаваемых информационных сигналов. Коммутаторы поочередно подключают к последовательному входу первого 12 и второго 13 сдвиговых регистров информационные символы и предшествующие им корректирующие символы, которые исправят наложение мешающих сигналов ни информационные символы.

Таким образом, использование предлагаемого устройства для коррекции межсимвольных искажений цифровых сигналов позволяет устранить или уменьшить негативное влияния МСИ, а также увеличить среднее отношение уровней полезного сигнала к шуму. Это дает возможность повысить помехоустойчивость передачи цифровых сигналов в системах с использованием квадратурной модуляции.

Claims (1)

1. Устройство для повышения устойчивости к межсимвольным искажениям цифровых сигналов, содержащее формирователь информационных символов, первый, второй, третий и четвертый коммутаторы, первый, второй, третий и четвертый перемножители, первый и второй регулируемые усилители, первый и второй сдвиговые регистры, первый и второй многоканальные блоки умножения, первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой сумматоры, генератор тестовых импульсов, первый и второй модуляторы, передатчик, приемник, приемно-передающую антенну, блок выделения синфазного сигнала, блок выделения ортогонального сигнала, блок памяти, фазовращатель, блок управления, генератор сигналов, первый и второй квадраторы, отличающееся тем, что в него введены первый и второй элементы памяти, третий и четвертый регулируемые усилители, седьмой и восьмой сумматоры, определитель модуля и пороговый блок, при этом первый и второй выходы формирователя информационных символов подключены к входам, соответственно, первого и второго элементов памяти, выход первого элемента памяти соединен со входами третьего регулируемого усилителя и первого коммутатора, выход второго элемента памяти соединен со входами четвертого регулируемого усилителя и второго коммутатора, выходы первого и второго коммутаторов подключены к последовательным входам первого и второго сдвиговых регистров, последовательные выходы первого и второго сдвиговых регистров подключены ко входам первого и второго модуляторов, а их выходы - ко входам шестого сумматора, выход шестого сумматора соединен с одним из входов третьего коммутатора, другой его вход соединен с выходом генератора тестовых импульсов, а выход - с основным входом передатчика, служебный вход передатчика подключен к выходу блока памяти, а выход - к приемно-передающей антенне, вход приемника подключен к приемно-передающей антенне, служебный выход приемника подключен ко входам блока выделения синфазного сигнала и блока выделения ортогонального сигнала, основные выходы приемника подключены ко входам четвертого коммутатора, выходы четвертого коммутатора подключены к выходам устройства и ко входам блока памяти, один из выходов блока выделения синфазного сигнала соединен со входом первого многоканального блока умножения, а другой выход - со входом первого квадратора и со входами второго и четвертого перемножителей, один из выходов блока выделения ортогонального сигнала соединен со входом второго многоканального блока умножения, а другой выход - со входом второго квадратора и со входами первого и третьего перемножителей, выходы первого и второго квадраторов подключены ко входам пятого сумматора, а его выход - к управляющим входам первого и второго регулируемых усилителей, параллельные выходы первого сдвигового регистра соединены со входами первого многоканального блока умножения, а его выходы - со входами третьего сумматора, параллельные выходы второго сдвигового регистра соединены со входами второго многоканального блока умножения, а его выходы - со входами четвертого сумматора, выход третьего сумматора подключен ко вторым входам первого и второго перемножителей, а выход четвертого сумматора - ко вторым входам третьего и четвертого перемножителей, выходы первого и четвертого перемножителей соединены со входами второго сумматора, а его выход - со входом второго регулируемого усилителя, выходы второго и третьего перемножителей соединены со входами первого сумматора, а его выход - со входом первого регулируемого усилителя, выход первого регулируемого усилителя подключен ко входу седьмого сумматора и ко входу определителя модуля, выход второго регулируемого усилителя подключен ко входу восьмого сумматора и к другому входу определителя модуля, выход определителя модуля через пороговый блок соединен с другими входами третьего и четвертого регулируемых усилителей, выход седьмого сумматора соединен с другим входом первого коммутатора, а выход восьмого сумматора соединен с другим входом второго коммутатора, выход генератора сигналов подключен к другому входу первого модулятора и через фазовращатель ко второму входу второго модулятора, выходы блока управления подключены к управляющим входам первого и второго сдвиговых регистров, первого и второго элементов памяти и первого, второго, третьего и четвертого коммутаторов.