Анализ и синтез адаптивных многочастотных систем передачи

Информационная революция последних лет во многом обуслс**^^ внедрением компьютерных технологий во все отрасли телекоммуни^—-^ аций.

Последние годы отмечены не только интенсивным развитием оптовоз^г—

О конных и проводных систем, На сегодняшний день разработки систем свззс—-^ и используют не только возможности современных технологий, вызванньг ным развитием микроэлектроники, но и достижения современной бурсвязи, позволяющие повысить как объёмы передаваемой информация так и качество передачи данных.

Очевидно, что для высокоэффективного функционирования .гг-^

ННЫХ систем, необходим чёткий учёт текущего состояния среды передачи д,^,

По мере изменения параметров канала связи необходимо осуществляв^ п стройку параметров системы связи с целью минимизации мощности п^^ чика, требуемой для поддержания заданного качества связи. Извесгг^г^ о, что максимальная скорость передачи данных по каналу определяется по

— ореме

Шеннона полосой частот канала и отношением сигнал/шум. Таким о^^^ пропускная способность в канале имеет свой предел, в связи с тем пример, симметричные кабели связи имеют ограниченную полосу

Частот пропускания, и в самом канале наблюдается вполне определённый аддитивного белого гауссовского шума. Помимо аддитивного белого

— Чума в канале присутствуют эхосигналы и сигналы переходных влияний, °<5уСл ленные неидеальностью характеристик оконечного оборудования и индуктивных и емкостных связей между симметричными парами внУтри беля. Отсюда возникает задача управления параметрами передатчика., в q ве которой лежит оптимизационный критерий обеспечения максщуг^Л1ь суммарной пропускной способности для всех пользователей систег^х^ ^ шедший в последнее время широкое применение многочастотный Ме-т> передачи данных позволяет существенно упростить реализацию сОотВе вующего оптимизационного алгоритма, а также позволяет использовать при анализе систем достаточно простых математических моделей.

Тем не менее, проблема наличия мешающих факторов в канале всё ещё остаётся актуальной. Возможность решения данной проблемы заложена в управлении параметрами приёмника, а именно, адаптивной обработке сигналов на приемной стороне. Существенный вклад в решение данной задачи внесли отечественные и зарубежные специалисты: Котельников В. А. [1], Колмогоров А. Н. [2], Харкевич А. А. 3], Тихонов В. И. [4, 5], Калман Р. [6], Бьюси Р. [7], Витерби Э. Д. [8], Ван Трис Г. [9].

На данный момент времени решены многие задачи линейной и нелинейной оптимальной фильтрации дискретных и аналоговых сигналов при условиях полной априорной информации о статистических свойствах сигналов, помех и параметров систем передачи. В то же время на практике в большинстве случаев встают задачи синтеза адаптивных оптимальных систем в условиях априорной неопределённости. Вопросам анализа и синтеза алгоритмов работы систем в условиях априорной неопределённости посвящено множество работ. Среди монографий отечественных авторов следует отметить работы Цыпкина Я.3 [10,11], Розова А. К. [12, 13], Шахгильдяна В. В. [14], Сосу-лина Ю.Г. [15], Курицына С. А. [16−20], а также множество статей, касающихся различных аспектов адаптации.

Задачу организации высокоскоростной дуплексной передачи данных многочастотными дискретными сигналами по симметричным кабелям связи следует считать актуальной, поскольку, как было показано выше, осуществляется переход от голосового трафика к трафику передачи данных, что ведет к перестройке самих основ систем связи. В настоящее время появились понятия транспортной сети, обеспечивающей передачу трафика и предоставления услуг, и сети доступа, обеспечивающей доступ абонентов к ресурсам транспортной сети, которые являются менее формализованными, чем сеть первичная и вторичная, что, в свою очередь, породило многообразие решений обоих типов.

Однако если транспортная сеть создается оператором системно и запланировано, ее развитие является первостепенной задачей, то сети доступа создаются «по месту», исходя из представленных условий. В настоящее время оптимальным решением для организации сетей доступа явилась адаптация существующего абонентского кабельного хозяйства: это позволяет организовать широкополосный доступ к ресурсам транспортной сети по уже существующим и повсеместно распространенным симметричным кабелям связи, что, в свою очередь, значительно снижает финансовые затраты, связанные с модернизацией инфраструктуры.

Несмотря на то, что вопросу организации широкополосного доступа по симметричным кабелям связи телефонной сети общего пользования (ТФОП) посвящено множество диссертационных работ [21−28] и монографий [29−34], пока нельзя сказать, что задача организации высокоскоростной передачи данных многочастотными дискретными сигналами в дуплексных каналах полностью решена.

Это объясняется тем, что в известных работах решаются отдельные задачи вне связи друг с другом, или же предлагаемые решения требуют чрезвычайно больших объёмов вычислений.

Поэтому в диссертационной работе ставятся для решения следующие задачи:

1. Конкретизация математическая 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, вносимых линейным трактом.

2. Синтез алгоритма компенсации мешающих факторов в общем виде применительно к полученной модели.

3. Модификация полученного алгоритма в соответствии с условиез^ч^^ минимизации вычислительных мощностей

4. Оценки вычислительной сложности и возможностей практическое^ реализации полученного алгоритма

5. Разработка пакета программ, позволяющего моделировать рабо-х^^ многочастотной системы передачи дискретных сообщений для проведенц^—^ как аналога натурных испытаний, экспериментальных исследований ченного алгоритма компенсации межсимвольной интерференции, нальных переходов и прочих мешающих факторов при условиях передач ^^^ максимально приближенных к реальным.

При проведении исследования были использованы методы теор^з—^ адаптивной фильтрации дискретных процессов, теории передачи сигнало-^ теории вероятностей, теории матриц, а также методы математической стики и машинного моделирования.

К защите представляются следующие тезисы:

1. Конкретизирована модель наблюдения, описывающая работу гочастотной системы передачи дискретных сообщений при наличии межсщ^^ вольной интерференции, межканальных переходов, сигналов переходнь.^^, влияний на ближнем конце, сигналов ближнего эха, вносимых линеИнь-х^ трактом и самой аппаратурой передачи.

2. Разработан алгоритм оценивания принимаемого сигнала, которь, г^ предусматривает разложение матрицы отклика канала на две составляющие что даёт возможность значительно уменьшить объёмы вычислений пут^^ диагонализации одной из матриц.

3. Разработан алгоритм оценивания параметров заранее неизвестного, но стационарного или медленно меняющегося во времени канала по тестовой последовательности и последующей предварительной установки весовых коэффициентов адаптивного оценивателя, что позволяет значительно снизит^ время настройки параметров многоканального приёмника.

4. Разработаны алгоритмы компенсации сигналов ближнего эха и переходных влияний на ближнем конце, основанные на реализации алгоритмов адаптивной обработки сигналов в частотной и во временной областях, которые позволяют существенно снизить объём вычислений.

5. Разработана программа статистического моделирования работы многоканального приемника, которая позволяет оценить потенциальные возможности синтезируемых алгоритмов и является основой 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.

Результаты диссертации обсуждались и были одобрены на различных симпозиумах и научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Санкт-Петербургского Государственного университета телекоммуникаций им проф. М. А. Бонч-Бруевича.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в научных работах.

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и приложений.

3.6. Выводы по главе

В данной главе было осуществлено преобразование оптимального в га-уссовском приближении АПФ алгоритма обработки дискретных сигналов к новой канонической структуре. Модифицированный оцениватель состоит из каскадно включённых компенсаторов ближнего эха и переходных влияний на ближнем конце, состоящих из нерекурсивных фильтров во временной и частотной областях с коэффициентами усиления Калмана-Бьюси, и компенсатора МСИ и МКИ в частотной области приёмного оборудования.

Было показано, что влияние импульсных помех на помехоустойчивость сигналов в каждом подканале многоканального приёмника уменьшается с увеличение количества поднесущих.

Построены алгоритм идентификации постоянных параметров канала связи, позволяющий значительно снизить время адаптивной настройки, и алгоритм адаптации коэффициентов Калмана-Бьюси.

МОДЕЛИРОВАНИЕ АЛГОРИТМОВ ОПТИМАЛЬНОГО ПРИЕМА ДЛЯ МНОГОКАНАЛЬНОГО УСТРОЙТВА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ

СИГНАЛОВ.

Для применения количественных методов исследования в любой области всегда требуется создание некоторой математической модели. При построении модели реальный процесс неизбежно упрощается и схематизируется, а затем описывается при помощи того или иного математического аппарата. Чем точнее будет подобрана математическая модель, тем точнее будет она отображать характерные черты исследуемого процесса. Вместе с тем математическая модель должна быть по возможности простой и не «засоренной» множеством второстепенных факторов.

При построении математической модели может быть использован математический аппарат различной степени сложности. В наиболее простых случаях явление описывается матричными алгебраическими уравнениями. При необходимости рассмотреть процесс в динамике применяется аппарат дифференциальных матричных и уравнений для непрерывного времени и разностных матричных уравнений для дискретного времени. В наиболее сложных случаях, когда развитие процесса зависит от случайных факторов, применяется аппарат стохастических дифференциальных или разностных уравнений. При этом получаемые уравнения имеют такую степень сложности, что без применения вычислительных средств получение каких-либо конечных результатов не представляется возможным. Здесь мы подходим к понятию имитационной модели, сопутствующей данной математической, с помощью которой может быть осуществлён вычислительный эксперимент. Так для стохастических процессов соответствующая имитационная модель строится с помощью статистического моделирования. Идея данных методов может быть описана следующим образом:

1. Развитие процесса со всеми сопровождающими его случайностями реализуется имитационной программой на ЭВМ. В результате получается одна реализация процесса со случайным протеканием и исходом. Сама по себе она не дает конечного результата, но при наличии множества таких реализаций моделируемый процесс может быть обработан как обычный статистический материал, при этом будут найдены средние характеристики данного процесса. Именно поэтому из всех существующих видов имитационного моделирования наиболее эргономичным является статистическое моделирование. Поэтому необходима особая тщательность при построении математической модели.

2. Практические исследования показали, что чисто стохастическая модель не является оптимальной, а зачастую она просто не реализуема из-за нехватки машинных и временных ресурсов. Следовательно, исходная модель должна содержать не только стохастический, но и аналитический аппарат.

4.1. Алгоритмы обработки сигнала в многочастотных системах передачи данных

В третьем разделе диссертации были получены модифицированные алгоритмы адаптивной фильтрации сопутствующих параметров, реализованные на основе взаимоувязанной структуры оптимального фильтра Калмана-Бьюси с вложенными синтезаторами эха и переходных влияний на ближнем конце.

Для построения структурной схемы многоканального адаптивного оце-нивателя приведем окончательную сводку всех полученных соотношений в комплексной форме.

Алгоритм формирования оценок информационных векторов состояния: для симметричного режима работы

X =к w v v у' -x|-u,+1M3k^-t*ru,+, M/kj 1 для асимметричных режимов работы

XК W у'-х^Мзк^-ХхГ'^'м.к- 1

— diag^^-tdiag^-^;

4.2)

XК W

VDx^M^ -txru,+1 м, к-Л

V V /=1 у

—Ordiag^^-tdiag^-^-, (4.3) у /=1 J

Вычисление коэффициентов усиления Калмана-Бьюси осуществляется согласно алгоритму k-+1 =к- + цЁгх'*, (k¹)' = -(K-+1)'(si)rw0((s0)rw0)" 1. (4.4)

Алгоритм адаптации компенсатора сигнала ближнего эха: для симметричного режима работы в частотной области

4.5) для симметричного режима работы во временной области

M?w//ks (4.6) для асимметричного режима работы Nf /NF = 2N/2yN = 1 / у в частотной области во временной области

— MgW^Kg,

4.7)

4.8) для асимметричного режима работы Nf / NF = 2уN / IN = у в частотной области

Й^Й^+М^э'Ц'', (4.9) во временной области k^MjW^fc,. (4.10)

Алгоритм адаптации компенсатора переходных влияний на ближнем конце: в частотной области

4.11) во временной области kCry=MfWwK^. (4.12)

ГЭС: к

YV

Рис. 4.1 Структурная схема многоканального оценивателя Упрощённая структурная схема адаптивного многоканального оценивателя приведена на рис. 4.1. Все обозначения на структурной схеме полностью соответствуют обозначениям в алгоритмах 4.1−4.12.

4.2. Структура программы имитационного моделирования

Реализовать, разработанные в диссертации алгоритмы аппаратными методами не представляется возможным, в связи с чем подобные алгоритмы реализуются только методами цифровой обработки сигналов.

Основным продуктом для реализации адаптивно многочастотной системы передачи данных является программное обеспечение, которое может быть разработано на основе полученных алгоритмов. Сама процедура синтеза данной адаптивной многочастотной системы передачи сводится по существу к записи всех алгоритмов в сигнальный процессор [86, 87].

Текст программ приведён в приложениях, А и Б. Для разработки программного обеспечения была использована среда разработки Adobe Flash и язык программирования ActionScript 2.0, являющийся диалектом языка ECMAScript. Среда Adobe Flash ориентирована в частности на разработку интерактивных обучающих приложений, имеет обширные средства для работы с растровой и векторной графикой как посредством графического интерфейса среды, так и средствами языка программирования ActionScript. Среда позволяет существенно сократить время разработки ПО, предоставляя необходимый каркас и функционал для приложения, и дает возможность разработчику сосредоточить свою деятельность на создании интерфейса и логики приложения. Среда Adobe Flash позволяет создавать полноцепные приложения для настольных систем, обладающие перечисленными достоинствами и предъявляющие умерершые требования к вычислительным возможностям современных персональных компьютеров.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Сформулируем основные научные и практические результаты, полученные в диссертации.

Конкретизирована с точки зрения передачи данных на многих подне-сущих частотах математическая модель двухпроводного дуплексного канала связи. Предложенная модель учитывает возникновение переходных влияний на ближнем конце, наличие сигнала ближнего эха, межсимвольной и межканальной интерференции, а также возникновение импульсного шума.

С учётом введённой модели получен, оптимальный в гауссовском приближении АПВ, алгоритм обработки многочастотных дискретных сигналов. Алгоритм адаптивной обработки дискретных сигналов в двухпроводных дуплексных каналах связи, полученный во второй главе диссертации, в теоретическом плане полностью решает поставленную задачу, если на приёме имеется эталонная модель наблюдения, что имеет место только в период передачи обучающей последовательности.

На основе изучения состояния теории и практики цифровой обработки сигналов (ЦОС), особенностей её алгоритмов, сформулирован и обоснован критерий оптимальности в виде показателя вычислительной сложности, характеризующего эффективность алгоритма ЦОС. Показано, что основные характеристики алгоритмов и устройств ЦОС в значительной мере определяются числом выполняемых арифметических операций.

Исходя из условий минимизации объемов вычислений в процессе реализации, были разработаны алгоритмы адаптивной компенсации сигналов эха и переходных влияний на ближнем конце, объединяющие методы обработки сигналов в частотной и временной областях. Поскольку основной объём вычислений приходится на осуществление фильтрации во временной области, было определено оптимальное число весовых коэффициентов фильтра-компенсатора во временной области, позволяющее свести количество операций к минимуму.

Был разработан алгоритм оценивания информационного вектора состояния в частотной области, основанный на компенсации МСИ и МКИ в каналах, не используемых для передачи данных, что позволяет значительно снизить вычислительную сложность алгоритма. Выигрыш по уменьшению объёма вычислений возрастает пропорционально увеличению количества каналов, используемых для передачи данных. Применительно к полученному алгоритму оценивания информационного вектора состояния был разработан алгоритм предварительной идентификации параметров неизвестного канала связи, позволяющий значительно снизить время адаптивной настройки устройства.

Была произведена оценка влияния импульсных помех на помехозащищённость принимаемых дискретных сообщений в многочастотных системах передачи, показавшая, что увеличение количества каналов в заданной полосе частот приводит к уменьшению влияния импульсной помехи на сигналы в каждом канале.

На основе алгоритмов, полученных в третьей главе диссертации, построена структурная схема многоканального адаптивного оценивателя сигналов в двухпроводном дуплексном канале связи.

Был разработан пакет программ для имитационного моделирования синтезированных алгоритмов. Результаты моделирования подтверждают правильность сделанных теоретических выводов, главный из которых заключается в целесообразности применения разработанных алгоритмов приёма при работе с многоканальным устройством преобразования сигналов, являющимся оптимальным по скорости передачи информации.

Диссертация в целом представляет собой научно-квалификационную работу, в которой содержится решение задачи повышения алгоритмов и устройств адаптивной обработки сигналов в системах связи путём разработки методов их построения, оптимизирующих использование программных и аппаратных средств, имеющей существенное значение для отрасли телекоммуникаций.