Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,021

ОБНАРУЖЕНИЕ И ОЦЕНКА УРОВНЯ СИГНАЛОВ НЕДОКОМПЕНСАЦИИ ЭХА ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ КОРРЕЛЯЦИИ С ПЕРЕДАВАЕМЫМИ СИГНАЛАМИ

Абрамов С.С. 1 Лебедянцев В.В. 1 Павлов И.И. 1 Абрамова Е.С. 1
1 ФГБОУ ВО «Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики»
Разработка методов и устройств инвариантной адаптивной эхокомпенсации в дуплексных системах связи является, безусловно, актуальной задачей современной науки и техники. Связано это с тем, что современные системы связи в большинстве случаев являются дуплексными, а для них существует проблема подавления электрического эха, решаемая применением эхозаградителей, эхокомпенсаторов и т.п. Известные схемы эхокомпенсаторов основаны на применении трансверсальных фильтров и табличных методов записи эхосигналов в память и имеют ряд недостатков, связанных в первую очередь со сложностью реализации. Для их упрощения были предложены инвариантные эхокомпенсаторы, в которых используется свойство неизменности соотношений между параметрами сигналов, несмотря на их искажения в канале связи. Однако известные инвариантные эхокомпенсаторы не обладают свойствами адаптивности, что не позволяет использовать их в реальных системах связи с изменяемыми во времени параметрами эхотракта. Помимо отсутствия эффективных методов адаптивной инвариантной эхокомпенсации, не разработана и общая теория дуплексных систем передачи сообщений. Целью данной работы является повышение точности компенсации эхосигналов, вносимых собственным передатчиком в принимаемый сигнал, при разбалансировке дифференциальной системы и воздействии помех. Для этого предлагается ввести в схему адаптивного инвариантного эхокомпенсатора дополнительные блоки, которые обнаруживают, вычисляют и устраняют эхосигналы, возникающие вследствие разбалансировки дифференциальной системы и воздействии помех, с большей точностью по сравнению с известными вариантами схем. Результаты исследования доказали, что разработанное устройство обнаруживает, вычисляет и устраняет возникающие из-за разбалансировки дифференциальной системы эхосигналы, благодаря их сходству с передаваемыми сигналами, а повышение точности эхокомпенсации обеспечивается за счет замены процедуры деления суммы принимаемых сигналов, помехи и эхосигналов на передаваемые сигналы на процедуру вычисления величины корреляции этой суммы с передаваемыми сигналами. Таким образом, разработанная схема реализует способ адаптации инвариантного эхокомпенсатора, который позволяет компенсировать эхосигналы в условиях воздействия помех с большой точностью по сравнению с существующими.
эхокомпенсатор
дуплексный канал
недокомпенсация эха
эхотракт
корреляция
1. Артюшенко В.М., Воловач В.И. Алгоритмы адаптивной нелинейной обработки сигналов блоками нелинейного преобразования дискриминаторов с прямой и обратной связью // Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2018. № 3. Режим доступа: http://jre.cplire.ru/jre/mar18/10/text.pdf (дата обращения: 17.07.2018). DOI 10.30898/1684-1719.2018.3.3.
2. Корф К.С., Шаврин С.С. Оптимизация эхокомпенсатора для защищенных каналов // Вестник связи. 2014. № 7. С. 37–38.
3. Душин С.В., Шаврин С.С. Влияние параметрических изменений эхотракта на работу взаимокорреляционного эхокомпенсатора // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2011. Т. 5. № 8. С. 47–49.
4. Душин С.В., Шаврин С.С. Алгоритм адаптивной настройки механизмов эхокомпенсации по критерию минимальной корреляции виртуальных сигналов // Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения. 2017. Т. 17. № 4. С. 935–938.
5. Цыбулин М.К. Подавление электрического эха в телефонных каналах. М.: Радио и связь, 1990. 112 с.
6. Душин С., Коршунов В. Компенсационный принцип подавления эхосигналов // Первая миля. 2017. № 7 (68).
С. 58–62.
7. Гордиенко В.Н., Шаврин С.С., Мусатова О.Ю. Оценка эффективности подавления эхосигналов // Вестник связи. 2014. № 2. С. 15–18.
8. Лебедянцев В.В. Разработка и исследование методов анализа и синтеза инвариантных систем связи: дис. ... докт. техн. наук: 05.16.02. Новосибирск, 1995. 378 с.
9. Абрамов С.С., Лебедянцев В.В., Морозов Е.В., Калачиков А.А. Адаптивный инвариантный эхокомпенсатор. Патент РФ на полезную модель № 148617. Заявитель и правообладатель ФГОБУ ВПО «СибГУТИ», зарег. 16.06.2014.
10. Абрамов С.С. Повышение помехозащищенности дуплексных систем на основе инвариантной адаптивной эхокомпенсации: дис. ... докт. техн. наук: 05.12.13. Новосибирск, 2016. 263 с.

Современные высокоскоростные распределенные системы передачи информации требуют возрастающей пропускной способности подсистемы передачи как пользовательской, так и служебной информации, причем в цифровой форме и в полнодуплексном режиме. Такая форма информационного обмена предполагает одновременную передачу цифровых сигналов через один и тот же физический канал связи в обоих направлениях в реальном масштабе времени [1–3]. И это является самой ресурсосберегающей и оправданной с экономической точки зрения основой увеличения пропускной способности распределительной сети между управляющей подсистемой и объектами управления [4].

Это позволяет обеспечить ощутимую экономию затрат на линейные сооружения, но связано с применением как аппаратного, так и вычислительного ресурса всей системы на организацию дуплексного режима передачи управляющих сигналов. Реализация дуплексного информационного обмена связана с необходимостью подавления сигналов собственного передатчика на входе приемного устройства и предполагает наличие механизма эхокомпенсации с адаптацией к изменяющимся условиям передачи [5–7].

Разработанный эхокомпенсатор [8] использовал для работы отношения длин векторов передаваемых сигналов с одинаковыми формами.

Цель исследования: повышение точности компенсации эхосигналов, вносимых собственным передатчиком в принимаемый сигнал, при разбалансировке дифференциальной системы и воздействии помех.

Материалы и методы исследования

Известный инвариантный эхокомпенсатор обладает недостатком, это отсутствие адаптивности к изменениям параметров эхотракта, которые возникают при неправильной работе дифференциальной системы в результате изменения параметров канала связи. Выходной сигнал инвариантного эхокомпенсатора определяется по формуле

Sвых эк(t) = kSпер(t) + Sпр(t),

где Sпер(t) – передаваемый сигнал; Sпр(t) – принимаемый сигнал; k – коэффициент передачи паразитного эхотракта; kSпер(t) – погрешность компенсирующего сигнала.

Реализация адаптивности к изменениям параметров эхотракта была представлена в полезной модели «Адаптивный инвариантный эхокомпенсатор [9]».

Адаптивность исследуемого эхокомпенсатора достигается за счет оценки коэффициента передачи паразитного эхотракта, а также расчета сигналов компенсации.

Представленная структурная схема адаптивного инвариантного эхокомпенсатора (рис. 1) состоит из контуров управляющих сигналов, эхокомпенсации и модуля адаптации.

abr1.tif

Рис. 1. Структурная схема адаптивного инвариантного эхокомпенсатора

Для успешной работы этого устройства предполагается процесс обучения, в период которого встречные сигналы должны отсутствовать, а обучающий сигнал единичной амплитуды от передающего устройства записывается в первый блок памяти, а отклик эхотракта – во второй блок памяти.

Во время передачи сообщений отсчеты передаваемых сигналов через ключ К1 поступают на вход первого блока памяти, где и хранятся в течение интервала дискретизации, и на первый вход делителя 1, который определяет управляющий сигнал, равный отношению двух временных отсчетов сигнала передатчика, передаваемых в данный и предыдущий моменты времени. За счет обладания свойств инвариантности – это сохранение величины такого же отношения для отсчетов эхосигнала на выходе дифференциальной системы, то есть на выходе паразитного эхотракта. Далее происходит умножение с помощью первого умножителя эха от предыдущего отсчета передаваемого сигнала, который хранится во 2 блоке памяти, на управляющий сигнал. В результате таких преобразований получилась величина эха от передаваемого в данный момент отсчета сигнала передатчика. При вычитании с помощью вычитателя 1 полученной таким образом величины эха из суммы реального эха и принимаемого сигнала и осуществляется компенсация эха первым контуром эхокомпенсатора.

В результате таких мероприятий первый контур, ликвидируя сигналы эха, также меняет структуру принимаемых сигналов. Для восстановления структуры принимаемых сигналов служит второй контур, который имеет зеркальную структуру, состоящую из первого сумматора, второго умножителя и третьего блока памяти.

При изменении частотно-временных характеристик канала связи после этапа обучения происходит разбалансировка дифференциальной системы, в результате чего во втором контуре возникают эхосигналы, повторяющие с точностью до неизвестного множителя k форму передаваемых сигналов. Для устранения возникших эхосигналов используется модуль адаптации, содержащий делитель 2, интегратор 1, делитель 3, умножитель 3 и вычитатель 2. В результате с помощью делителя 2, интегратора 1 и делителя 3 вычисляется оценка величины k

abr01.wmf

abr02.wmf (1)

где Т – интервал интегрирования.

При некоррелированности Sпр(t) и Sпер(t), что обеспечивается процедурами скремблирования сигналов на обеих сторонах системы связи, слагаемое в (1) будет вносить незначительную погрешность в оценку множителя k.

После определения k с помощью умножителя 3 происходит формирование компенсирующих эхосигналов kSпер(t), а далее во втором вычитателе будет происходить компенсация эхосигналов.

Наличие погрешности эхокомпенсации, вносимой помехами, поступающими на вход эхокомпенсатора из канала связи, является существенным недостатком этого инвариантного адаптивного эхокомпенсатора. Если в канале действует помеха типа белого шума со спектральной плотностью мощности G0, то дисперсия погрешности оценки коэффициента передачи паразитного эхотракта, вносимая помехой, будет равна

D(Δk) = G0E0С/T2, (2)

где E0C – энергия передаваемого сигнала.

Sобр(t) = 1/Sпер(t), величина, вычисленная на интервале скользящего интегрирования длительностью T.

Результаты исследования и их обсуждение

Для достижения поставленной цели было разработано новое устройство. В схеме исследуемого эхокомпенсатора (рис. 1) были добавлены новые блоки (интегратор, квадратор), а также умножитель 4 заменен на делитель 2.

На рис. 2 изображена разработанная новая схема адаптивного инвариантного эхокомпенсатора с корреляцией.

abr2.tif

Рис. 2. Структурная схема адаптивного эхокомпенсатора с коррелляцией

Работа исследуемой схемы будет заключаться в следующим. В результате разбалансировки дифференциальной системы канала связи, а также при воздействии помехи n(t), на выходе эхокомпенсатора, появится погрешность эхокомпенсации ΔSэк(t):

ΔSэк(t) = kSпер(t) + n(t),

где k – коэффициент передачи эхотракта,

При выполнении математических операций в модуле адаптации уменьшается погрешность эхокомпенсации ΔSэк(t).

Произведем расчет значения корреляции R(T) между передаваемым сигналом и выходным сигналом эхокомпенсатора Sвых.эк(t) = ΔSэк(t) + Sпр(t) + n(t):

abr05.wmf

abr06.wmf

где abr07.wmf – энергия передаваемых сигналов.

При отсутствии корреляции передаваемых и принимаемых сигналов последний интеграл будет равен нулю.

Для интервала скользящего интегрирования длительностью T с помощью квадратора Кв и интегратора 2 определим энергию E(T).

Потом делителем 2 вычисляется оценка величины коэффициента передачи эхотракта abr08.wmf:

abr09.wmf

В результате умножения коэффициента передачи abr10.wmf и передаваемого сигнала Sпер(t), образуется копия сигналов погрешности эхокомпенсации abr11.wmf, при этом осуществляется компенсация эхосигналов на входе приемника системы.

Дисперсия погрешности будет равна

abr12.wmf (3)

Если допустить, что плотность вероятности величин отсчетов передаваемых сигналов внутри диапазона значений будет равномерной –M ≤ Sпер(t) ≤ M, где, (–M÷M – динамический диапазон изменений отсчетов сигналов) и влиянии помехи типа белого шума, то выигрыш в точности вычисления оценки коэффициента передачи эхотракта в данной полезной модели по отношению к прототипу составит

abr13.wmf

где β – значение отсчетов передаваемых сигналов.

Так при abr15.wmf выигрыш в точности эхокомпенсации составит

abr16.wmf

Для проведения доказательства работоспособности и эффективности адаптивного инвариантного эхокомпенсатора (рис. 1), по отношению к адаптивному инвариантному эхокомпенсатору посредством деления сигналов контура 2 на передаваемые сигналы, с последующим интегрированием (рис. 2), была разработана модель работы двух эхокомпенсаторов при неправильной работе дифференциальной системы и влияния помех типа белый шум.

При оценке качества эхокомпенсации использовалась величина отношения мощностей на входе и выходе исследуемых устройств.

Результаты эксперимента для различных отношений сигнал-шум в канале связи при длительности интервала скользящего интегрирования приведены на рис. 3.

abr3.tif

Рис. 3. График зависимости отношений сигнал-шум в канале при длительности интервала скользящего интегрирования: 1 – результаты исследования адаптивного инвариантного эхокомпенсатора с корреляцией, 2 – результаты исследования адаптивного инвариантного эхокомпенсатора (прототипа) [10]

Выводы

Результаты исследования доказали, что разработанное устройство обнаруживает, вычисляет и устраняет возникающие из-за разбалансировки дифференциальной системы эхосигналы, благодаря их сходству с передаваемыми сигналами. Повышение точности эхокомпенсации обеспечивается за счет замены процедуры деления суммы принимаемых сигналов, помехи и эхосигналов на передаваемые сигналы на процедуру вычисления величины корреляции этой суммы с передаваемыми сигналами, что доказывает ее помехоустойчивость и работоспособность.


Библиографическая ссылка

Абрамов С.С., Лебедянцев В.В., Павлов И.И., Абрамова Е.С. ОБНАРУЖЕНИЕ И ОЦЕНКА УРОВНЯ СИГНАЛОВ НЕДОКОМПЕНСАЦИИ ЭХА ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ КОРРЕЛЯЦИИ С ПЕРЕДАВАЕМЫМИ СИГНАЛАМИ // Современные наукоемкие технологии. – 2018. – № 10. – С. 9-13;
URL: http://top-technologies.ru/ru/article/view?id=37186 (дата обращения: 20.06.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074