3.7 Эквалайзер в мобильной станции
Межсимвольные искажения в передаче цифровых сигналов возникают, главным образом, за счет появления разностей хода между отраженными радиоволнами при многолучевом их распространении [1, 3].
Стремление уменьшить, скомпенсировать эти искажения привели к разработке метода выравнивания – эквалайзинга (equalizing), смысл которого состоит в компенсации той разности хода между составляющими лучами при многолучевом распространении радиоволн, которая и приводит к межсимвольным искажениям.
Эквалайзер (equalizer) – по своей сути это адаптивный (приспосабливающийся) фильтр, настраиваемый таким образом, чтобы сигнал на его выходе был в возможно большей степени очищен от межсимвольных искажений, содержащихся в принимаемом входном сигнале. Простейшая реализация эквалайзера приведена на рис. 19.
Эквалайзер в данной схеме представляет трансверсальный фильтр, подобный тому, который может использоваться в кодере речи, но с принципиально иным алгоритмом настройки.
Рассмотрим
принцип действия схемы рис. 19 и покажем
условия частичного ослабления только
одного дополнительного сигнала (из
многолучевого распространения выберем:
главный луч и один мешающий, называемый
копией главного, но радиоволна которого
по времени сдвинута на
–
длительность одного бита).
Рисунок
19 –
Линейный эквалайзер на базе трансверсального
фильтра с трехэлементной линией задержки
при следующих условиях:
На рис. 20 приведена временная диаграмма сигналов, последовательно распространяющихся вдоль линий задержек и умножителей.
1. Пусть на вход эквалайзера (рис. 19) поступает два сигнала:
- основной
цифровой сигнал
,
- копия
сигнала
,
сдвинутая
во времени на
(длительность одного бита).
Эти два сигнала подаются: на вход первой линии задержки (ЛЗ) и на вход сумматора.
2. При
прохождении первой линии задержки (Л31)
и после перемножения с сигналом
основной сигнал превращается в
(в),
а помеховый в
(г).
3. При
прохождении второй Л32: основной сигнал
сдвигается на
и уменьшается по величине в
раза, то есть
(д),
а копия сигнала:
(е).
4. При
прохождении третьей ЛЗЗ: основной сигнал
сдвигается на
и уменьшается по величине в
раза, а копия сигнала, имевшая величины
1 и 0 не столь большие, на рисунке не
показана,
.
5. Таким
образом, в сумматор поступают 6 сигналов,
сдвинутых во времени на величины
,
и в результате их суммирования на выход
подается:
- основной
цифровой сигнал
,
- ослабленная
копия сигнала (помеха), начиная с момента
времени
и далее по временной шкале.
Итак, в
рассматриваемой схеме эквалайзера
добавление каждого следующего элемента
линии задержки с соответствующим
значением коэффициента
приводит к ослаблению искажающего
сигнала втрое и к дополнительной задержке
его во времени на
.
Данная схема эквалайзера построена на основе трансверсального фильтра и является линейной, так же, как и соответствующая ей схема с решетчатым фильтром.
Такой линейный эквалайзер достаточно прост по устройству, но имеет недостатки, проявляющиеся при больших искажениях сигналов.
В реальных условиях все значительно сложнее, чем в приведенном примере.
Число лучей естественно больше двух, задержки лучей едва ли будут кратны дискрету ЛЗ, и амплитуды помеховых сигналов не могут быть заранее определены или известны. Кроме того, при перемещении MS вся картина рис. 20 будет непрерывно меняться.
Поэтому настройка фильтра эквалайзера должна производиться адаптивно, в соответствии с изменяющейся ситуацией, в отдельности для каждого сегмента речи, передаваемого в одном слоте радиоинтерфейса, с использованием обучающейся последовательности, передаваемой в каждом слоте.
Простейшим алгоритмом настройки трансверсального фильтра, минимизирующим среднеквадратическую ошибку на его выходе, является стохатический градиентный алгоритм, в соответствии с которым вектор С коэффициентов фильтра обновляется в результате последовательного применения рекуррентной процедуры [3]:
,
где
(10)
при
этом
–
номер шага итерационного процесса
настройки фильтра,
–
вектор выборок входного сигнала фильтра,
–
сигнал ошибки, то есть разность между
переданным символом и его оценкой на
выходе фильтра,
–
коэффициент пропорциональности (величина
шага), определяющий скорость сходимости
итерационного процесса и запас
устойчивости. Алгоритм (4.23)
обладает медленной сходимостью.
Рисунок 20 – Временная диаграмма сигналов, последовательно распространяющихся вдоль линий задержек и умножителей в эквалайзере
Более удобен на практике рекурсивный алгоритм минимума среднеквадратической ошибки, и, в частности, его эффективные в вычислительном отношении модификации, обеспечивающие более высокую скорость сходимости.
В заключение рассмотрения эквалайзеров следует отметить, что более совершенными являются нелинейные эквалайзеры [3]:
- схема с обратной связью по решению;
- схема максимально правдоподобного обнаружения символов;
- схема максимально правдоподобной оценки последовательности и др.
Если в первой схеме могут использоваться трансверсальные и решетчатые фильтры, то во второй и третьей – трансверсальные.
Общая
длина линии задержки фильтров должна
соответствовать той разности хода
лучей, для которой желательно компенсировать
искажения, а дискрет линии задержки (то
есть
)
должен быть меньше длительности символа.
Блок эквалайзера входит в состав приемника (см. рис. 3) и его устройство никак не влияет на состав и форму представления информации, передаваемой по радиоинтерфейсу и по кадрам ТОМА.
Поэтому схема и характеристики эквалайзера не только не регламентируются никакими стандартами, но вообще блок эквалайзера может не включаться в тракт приемника.
Выбор схемы эквалайзера и его включения являются исключительно делом компании- изготовителя.