RU204499U1

RU204499U1 - DEVICE FOR INCREASING THE IMMUNITY OF DIGITAL SIGNAL TRANSMISSION IN CONDITIONS OF INTER-SYMBOL INTERFERENCE

Info

Publication number: RU204499U1
Application number: RU2021106395U
Authority: RU
Inventors: Петр Алексеевич Полушин; Валерий Олегович Лось; Улугбек Маликович Раджабов
Priority date: 2021-03-11
Filing date: 2021-03-11
Publication date: 2021-05-28

Abstract

Полезная модель относится к технике радиосвязи, в частности к системам, использующим метод OFDM (orthogonal ƒrequency division multiplexing - мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов), и предназначена для работы в двухсторонних каналах передачи с многолучевым распространением сигналов. Технический результат - повышение помехоустойчивости и надежности передачи цифровых сигналов за счет уменьшения пик-фактора используемых OFDM сигналов. Для этого предложено устройство для повышения помехоустойчивости передачи цифровых сигналов в условиях межсимвольной интерференции. Принцип работы устройства основан на уменьшении пик-фактора передаваемого OFDM сигнала и увеличении среднего отношения «сигнал/шум». Для этого на участках относительно равномерной формы коэффициента передачи канала узкополосные каналы объединяются, в результате чего эффективность борьбы с межсимвольными искажениями не уменьшается, а за счет снижения количества независимых потоков символов в групповом сигнале OFDM пик-фактор сигнала уменьшается и возрастает среднее отношение «сигнал/шум». 3 ил.The utility model relates to radio communication technology, in particular to systems using the OFDM (orthogonal frequency division multiplexing) method, and is designed to operate in two-way transmission channels with multipath propagation of signals. The technical result is an increase in noise immunity and reliability of digital signal transmission by reducing the crest factor of the used OFDM signals. For this purpose, a device has been proposed for increasing the noise immunity of digital signal transmission in conditions of intersymbol interference. The principle of operation of the device is based on decreasing the crest factor of the transmitted OFDM signal and increasing the average signal-to-noise ratio. For this, in the sections of a relatively uniform channel gain, narrowband channels are combined, as a result of which the efficiency of combating intersymbol distortion does not decrease, and due to a decrease in the number of independent symbol streams in the OFDM baseband signal, the crest factor of the signal decreases and the average signal-to-noise ratio increases. ". 3 ill.

Description

Устройство для повышения помехоустойчивости передачи цифровых сигналов в условиях межсимвольной интерференции относится к технике радиосвязи, в частности к системам, использующим метод OFDM (orthogonal ƒrequency division multiplexing - мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов) и предназначено для работы в двухсторонних каналах передачи с многолучевым распространением сигналов.The device for increasing the noise immunity of digital signal transmission in the conditions of intersymbol interference refers to radio communication technology, in particular, to systems using the OFDM method (orthogonal frequency division multiplexing) and is intended for operation in two-way transmission channels with multipath signal propagation.

Многолучевое распространение вызывает при приеме взаимное наложение сигналов, пришедших по различным лучам и имеющих различную задержку при распространении, что приводит к неравномерности коэффициента передачи по частотной оси и при использовании цифровых сигналов вызывает наложение и интерференцию соседних символов. Двухсторонние каналы передачи применяются, когда передача информации производится одновременно в двух направлениях и каждая станция интервала передачи является одновременно и приемной, и передающей. Межсимвольная интерференция (МСИ) значительно ухудшает помехоустойчивость передачи сигналов вплоть до полного срыва связи.Multipath propagation causes, upon reception, the overlap of signals arriving on different beams and having different propagation delays, which leads to uneven gain along the frequency axis and, when digital signals are used, causes overlap and interference of adjacent symbols. Two-way transmission channels are used when information is transmitted simultaneously in two directions and each station of the transmission interval is both receiving and transmitting. Intersymbol interference (ISI) significantly degrades the noise immunity of signal transmission up to a complete breakdown of communication.

Известны различные методы и устройства для борьбы с МСИ, описанные, например, в книгах: Системы мобильной связи, В.И. Ипатов и др. - М.: Горячая линия-Телеком, 2003. - 272 с. или Галкин В.А. Цифровая мобильная связь - М.: Горячая линия-Телеком, 2007. - 432 с.There are various methods and devices for combating ISI, described, for example, in the books: Mobile communication systems, V.I. Ipatov and others - M .: Hotline-Telecom, 2003 .-- 272 p. or V.A. Galkin Digital mobile communication - M .: Hotline-Telecom, 2007. - 432 p.

Один из них заключается в использовании защитных интервалов между соседними символами. Защитные интервалы не несут полезной информации и отсекаются в приемнике. Если длительность защитного интервала будет больше, чем величина расширения символа за счет МСИ, то символы не будут накладываться друг на друга и МСИ не возникнет. Недостатком подобного метода является значительное уменьшение скорости передачи информационных сигналов.One of them is to use guard intervals between adjacent symbols. Guard intervals carry no useful information and are cut off at the receiver. If the duration of the guard interval is greater than the amount of expansion of the symbol due to the ISI, then the symbols will not overlap each other and the ISI will not occur. The disadvantage of this method is a significant decrease in the transmission rate of information signals.

Другой метод основан на использовании эквалайзеров (выравнивателей). Периодически определяется форма частотной характеристики канала передачи во время специальных тестовых сеансов, что легко реализуется в двухсторонних системах передачи. Далее на приемной стороне принятый сигнал пропускается через фильтр с частотной характеристикой, обратной форме частотной характеристики канала. В результате этого общая частотная характеристика более-менее выравнивается и уровень МСИ также уменьшается до приемлемого значения. Недостатком этого метода является то, что в тех местах полосы сигнала, где произошло глубокое замирание, такой фильтр осуществляет большое усиление. При этом значительно возрастает уровень шумов в этом участке. В результате искажения за счет МСИ уменьшаются, а за счет шума они возрастают, и общий результат существенно ухудшается.Another method is based on the use of equalizers (equalizers). The form of the frequency response of the transmission channel is periodically determined during special test sessions, which is easily implemented in two-way transmission systems. Further, on the receiving side, the received signal is passed through a filter with a frequency response inverse to the channel frequency response. As a result, the overall frequency response is more or less equalized and the ISI level is also reduced to an acceptable value. The disadvantage of this method is that in those parts of the signal band where deep fading occurs, such a filter performs a large gain. At the same time, the noise level in this area increases significantly. As a result, distortions due to ISI are reduced, and due to noise they increase, and the overall result is significantly degraded.

Наиболее близким к заявляемому является техническое решение, реализуемое методом OFDM и описанное, например, в книге: Бакунина М.Г. и др. Технология OFDM. - М.: Горячая линия-Телеком, 2015, - 360 с. Оно содержит в передающей части многоканальный коммутатор, блок формирования видеосигналов, блок формирования поднесущих, многоканальный модулятор, сумматор, передатчик основного сигнала и передающую антенну, в приемной части приемник основных сигналов, многоканальный демодулятор, многоканальный коммутатор и приемную антенну.The closest to the claimed is a technical solution implemented by the OFDM method and described, for example, in the book: M.G. Bakunina. and others. OFDM technology. - M .: Hot line-Telecom, 2015, - 360 p. It contains in the transmitting part a multichannel switch, a video signal shaping unit, a subcarrier shaping unit, a multichannel modulator, an adder, a main signal transmitter and a transmitting antenna, a main signal receiver in the receiving part, a multichannel demodulator, a multichannel switch and a receiving antenna.

При реализации метода вся рабочая полоса тракта передачи разбивается на N частных узкополосных каналов передачи, границы которых примыкают к соседним каналам. Непрерывный входной поток информационных символов разбивается на блоки по N символов. Каждый символ с помощью многоканального коммутатора направляется для передачи в своем частном узкополосном канале, при этом номер символа в блоке соответствует номеру частного узкополосного канала, отсчитанному по порядку расположения его спектральной полосы. С помощью блока формирования видеосигналов длительность каждого символа увеличивается в N раз.When implementing the method, the entire working band of the transmission path is divided into N private narrowband transmission channels, the boundaries of which are adjacent to adjacent channels. The continuous input stream of information symbols is divided into blocks of N symbols. Each symbol is directed by a multi-channel switch for transmission on its private narrowband channel, with the symbol number in the block corresponding to the private narrowband channel number, counted in the order of its spectral band. With the help of the video signal generating unit, the duration of each symbol is increased by N times.

В блоке формирования поднесущих вырабатывается N поднесущих частот таким образом, чтобы частота каждой поднесущая была расположена в середине своего частного узкополосного канала. В многоканальном модуляторе с помощью каждой поднесущей модулируется соответствующий символ. Полученные N промодулированных сигналов складываются в сумматоре и формируют общий групповой сигнал, который с помощью передатчика основного сигнала и передающей антенны передается на противоположную станциюIn the subcarrier shaping unit, N subcarriers are generated so that the frequency of each subcarrier is located in the middle of its private narrowband channel. In a multichannel modulator, a corresponding symbol is modulated with each subcarrier. The received N modulated signals are added in an adder and form a common group signal, which is transmitted to the opposite station using the main signal transmitter and the transmitting antenna.

С обоих концов канала передачи станции идентичны. В приемной части с помощью приемной антенны, приемника основного сигнала и многоканального демодулятора сигналы в каждом узкополосном канале демодулируются. С использованием многоканального коммутатора восстанавливается исходный поток передаваемых символов. Уменьшение уровня МСИ происходит из-за того, что длительность каждого символа, передаваемого в своем узкополосном канале, увеличивается в N раз. Если N достаточно велико, то МСИ поражает только самое начало и самый конец каждого символа, и уровень интерференции становится незначительным.At both ends of the transmission channel, the stations are identical. In the receiving part, the signals in each narrowband channel are demodulated using the receiving antenna, the main signal receiver and the multi-channel demodulator. Using a multichannel switch, the original stream of transmitted symbols is restored. The decrease in the ISI level occurs due to the fact that the duration of each symbol transmitted in its narrowband channel increases by a factor of N. If N is large enough, then ISI affects only the very beginning and the very end of each character, and the level of interference becomes negligible.

Существенным недостатком данного прототипа является очень большой пик-фактор общего группового сигнала. Сигналы в каждом узкополосном канале независимы, в результате пик-фактор равен N, т.е. средний уровень группового сигнала в N раз меньше его максимального уровня. Таким образом, для передачи сигналов используется средняя мощность, составляющая всего 1/N часть от максимальной мощности передатчика.A significant drawback of this prototype is the very large crest factor of the total group signal. The signals in each narrowband channel are independent, as a result, the crest factor is equal to N, i.e. the average level of the group signal is N times less than its maximum level. Thus, an average power of only 1 / N of the maximum transmitter power is used for signal transmission.

В то же время общая помехоустойчивость передачи сигналов может ухудшится за счет двух мешающих факторов - и МСИ, и собственных шумов приемника. При OFDM уменьшается только уровень МСИ. А влияние шумов резко возрастает, поскольку в N раз снижается среднее отношение «сигнал/шум» по мощности. Это может привести к тому, что помехоустойчивость и надежность передачи сигналов окажется недостаточной.At the same time, the overall noise immunity of signal transmission may deteriorate due to two interfering factors - both ISI and the receiver's own noise. With OFDM, only the ISI level decreases. And the influence of noise increases sharply, since the average signal-to-noise ratio in terms of power is reduced by a factor of N. This can lead to the fact that the noise immunity and reliability of signal transmission is insufficient.

Задачей предлагаемой полезной модели является повышение помехоустойчивости и надежности передачи цифровых сигналов за счет уменьшения пик-фактора используемых OFDM сигналов.The objective of the proposed utility model is to increase the noise immunity and reliability of digital signal transmission by reducing the crest factor of the OFDM signals used.

Поставленная задача решается тем, что в устройство для повышения помехоустойчивости передачи цифровых сигналов в условиях межсимвольной интерференции, содержащее первый и второй многоканальные коммутаторы, блок формирования видеосигналов, блок формирования поднесущих, многоканальный модулятор, многоканальный демодулятор, сумматор, передатчик основного сигнала, приемник основного сигнала, передающую антенну и приемную антенну, введены передатчик служебного канала, приемник служебного канала, генератор тестовых сигналов, коммутатор, блок сравнения, блок фильтров, блок коммутируемых фильтров, блок памяти и блок управления, при этом вход первого многоканального коммутатора подключен к входу устройства, его многоканальный выход через блок формирования видеосигналов соединен с многоканальным входом многоканального модулятора, а его многоканальный выход - с многоканальным входом сумматора, многоканальный выход блока формирования поднесущих подключен к другому многоканальному входу многоканального модулятора, выход сумматора соединен с одним из сигнальных входов коммутатора, другой его многоканальный сигнальный вход соединен с выходом генератора тестовых сигналов, а выход коммутатора через передатчик основного сигнала - с входом передающей антенны, выход приемной антенны подключен к входу приемника основного сигнала и входу приемника служебного канала, выход приемника основного сигнала подключен к входу блока фильтров и через последовательно соединенные блок коммутируемых фильтров, многоканальный демодулятор и второй многоканальный коммутатор подключен к выходу устройства, многоканальный выход блока фильтров соединен с многоканальным входом блока сравнения, а его выход через передатчик служебного канала - со входом передающей антенны, выход блока управления соединен с управляющими входами блока формирования поднесущих, блока формирования видеосигналов, коммутатора, и блока коммутируемых фильтров.The problem is solved by the fact that a device for increasing the noise immunity of digital signal transmission under intersymbol interference conditions, containing the first and second multichannel switches, a video signal shaping unit, a subcarrier shaping unit, a multichannel modulator, a multichannel demodulator, an adder, a main signal transmitter, a main signal receiver, a transmitting antenna and a receiving antenna, a service channel transmitter, a service channel receiver, a test signal generator, a switch, a comparison unit, a filter unit, a switched filter unit, a memory unit and a control unit are introduced, while the input of the first multichannel switch is connected to the device input, its multichannel the output through the video signal generating unit is connected to the multichannel input of the multichannel modulator, and its multichannel output is connected to the multichannel adder input, the multichannel output of the subcarrier generation unit is connected to another multichannel input multichannel modulator, the output of the adder is connected to one of the signal inputs of the switch, its other multi-channel signal input is connected to the output of the test signal generator, and the output of the switch through the main signal transmitter is connected to the input of the transmitting antenna, the output of the receiving antenna is connected to the input of the main signal receiver and the receiver input service channel, the output of the receiver of the main signal is connected to the input of the filter block and through a series-connected block of switched filters, a multichannel demodulator and the second multichannel switch is connected to the output of the device, the multichannel output of the filter block is connected to the multichannel input of the comparator, and its output through the transmitter of the service channel is with the input of the transmitting antenna, the output of the control unit is connected to the control inputs of the subcarrier forming unit, the video signal forming unit, the commutator, and the switched filter unit.

На чертеже фиг. 1 представлена структурная схема устройства для повышения помехоустойчивости передачи цифровых сигналов в условиях межсимвольной интерференции.In the drawing, FIG. 1 shows a block diagram of a device for increasing the noise immunity of digital signal transmission under intersymbol interference conditions.

На чертеже фиг. 2 приведен пример распределения полос частных узкополосных каналов в предлагаемом устройстве.In the drawing, FIG. 2 shows an example of the allocation of bands of private narrowband channels in the proposed device.

На чертеже фиг 3. приведен пример получаемых частных видеосигналов во временной области.The drawing Fig. 3. shows an example of the received private video signals in the time domain.

На чертеже фиг. 1 обозначены: первый 1 и второй 2 многоканальные коммутаторы, блок формирования видеосигналов 3, блок фомирования поднесущих 4, многоканальный модулятор 5, сумматор 6, передатчик основного сигнала 7, передатчик служебного канала 8, приемник основного сигнала 9, приемник служебного канала 10, генератор тестовых сигналов 11, коммутатор 12, многоканальный демодулятор 13, блок фильтров 14, блок коммутируемых фильтров 15, блок сравнения 16, блок памяти 17, блок управления 18, передающая антенна 19 и приемная антенна 20.In the drawing, FIG. 1 denotes: the first 1 and the second 2 are multi-channel switches, a video signal forming unit 3, a subcarrier framing unit 4, a multi-channel modulator 5, an adder 6, a main signal transmitter 7, a service channel transmitter 8, a main signal receiver 9, a service channel receiver 10, a test generator signals 11, a switch 12, a multichannel demodulator 13, a filter bank 14, a switched filter bank 15, a comparison unit 16, a memory unit 17, a control unit 18, a transmitting antenna 19 and a receiving antenna 20.

Блоки устройства работают следующим образом. Схема станций на обоих концах канала передачи одинакова. Каждая из них содержит передающую часть и приемную часть. Поток информационных символов, который нужно передать по системе передачи, поступает на вход первого многоканального коммутатора 1. Длительность этих исходных символов равна Т₀. Здесь он разделяется на N отдельных подпотоков. Для этого непрерывный поступивший поток разделяется на блоки из N подряд идущих символов. Символы каждого блока последовательно подаются на вход блока формирования видеосигналов 3.The device blocks work as follows. The station layout at both ends of the transmission channel is the same. Each of them contains a transmitting part and a receiving part. The stream of information symbols, which must be transmitted through the transmission system, arrives at the input of the first multichannel switch 1. The duration of these initial symbols is T ₀ . Here it is split into N separate substreams. To do this, the continuous incoming stream is divided into blocks of N consecutive symbols. The symbols of each block are sequentially fed to the input of the video signal forming block 3.

В блоке формирования видеосигналов формируются группы из нескольких подряд идущих символов. В любую из групп может входить от одного до N подряд идущих символов. Количество символов, включаемых в каждую группу, регулируется блоком управления 18.In the video signal generating unit, groups of several consecutive symbols are formed. Any of the groups can include from one to N consecutive characters. The number of characters included in each group is regulated by the control unit 18.

В случае сильно изрезанной частотной характеристики канала передачи используется по отдельности все N узкополосных каналов, а в каждой группе присутствует только по одному символу, как и в «классическом» методе OFDM. Полоса пропускания всех фильтров имеет одинаковую ширину и равна П₀. Длительность каждого сформированного видеосигнала равна NT₀. В этом случае блок формирования поднесущих вырабатывает N поднесущих частот, каждая из которых расположена в середине полосы пропускания своего частного узкополосного канала. Символы и поднесущие подаются на многоканальный модулятор 5. В нем производится модуляция каждого символа на свою поднесущую. После этого все полученные промодулированные сигналы складываются в сумматоре 6, после чего полученный общий групповой сигнал подается на один из входов коммутатора 12.In the case of a very jagged frequency response of the transmission channel, all N narrowband channels are used separately, and in each group there is only one symbol, as in the "classical" OFDM method. The passband of all filters has the same width and is equal to P ₀ . The duration of each generated video signal is NT ₀ . In this case, the subcarrier generating unit generates N subcarriers, each of which is located in the middle of the bandwidth of its private narrowband channel. Symbols and subcarriers are fed to the multi-channel modulator 5. It modulates each symbol to its own subcarrier. After that, all the received modulated signals are added in the adder 6, after which the received common group signal is fed to one of the inputs of the switch 12.

В системе периодически определяется форма частотной характеристики канала передачи. Для этого периодически проводятся тестовые сеансы. Их периодичность зависит от скорости изменения формы характеристики канала. Тестирование производится излучением тестового сигнала, состоящего из N частных тестовых сигналов, представляющих собой одинаковые по уровню синусоидальные напряжения, частоты которых находятся в середине полос П₀ всех частных узкополосных каналов. Набор соответствующих частот вырабатывается генератором тестовых сигналов 11, и полученный общий тестовый сигнал подается на другой вход коммутатора 12.The system periodically determines the shape of the frequency response of the transmission channel. For this, test sessions are periodically conducted. Their frequency depends on the rate of change in the shape of the channel characteristic. Testing is performed by emitting a test signal consisting of N private test signals, which are sinusoidal voltages of the same level, the frequencies of which are in the middle of the P ₀ bands of all private narrowband channels. A set of corresponding frequencies is generated by the test signal generator 11, and the resulting common test signal is fed to another input of the switch 12.

Коммутатор 12 на интервале тестирования подключает к своему выходу сигнал от генератора тестовых сигналов 11. На время передачи информационного потока коммутатор 12 подключает на свой выход выходной сигнал с выхода сумматора 6. Сигнал с выхода коммутатора 12 поступает на передатчик основного сигнала 7 и с помощью передающей антенны 19 излучается в канал передачи. Работа коммутатора управляется блоком управления 18.During the testing interval, the switch 12 connects to its output the signal from the test signal generator 11. During the transmission of the information flow, the switch 12 connects to its output the output signal from the output of the adder 6. The signal from the output of the switch 12 is fed to the transmitter of the main signal 7 and by means of the transmitting antenna 19 is emitted into the transmission channel. The operation of the switch is controlled by the control unit 18.

В приемной части противоположной станции сигнал принимается приемной антенной 20 и обрабатывается приемником основного сигнала 9. После него сигнал поступает на входы блока фильтров 14 и блока коммутируемых фильтров 15. Блок фильтров 14 используется во время тестовых сигналов. Он состоит из N узкополосных фильтров, каждый из которых выделяет свою тестовую частоту. Набор выделенных частот поступает на блок сравнения 16. Там уровни полученных частот сравниваются, посредством чего измеряются коэффициенты передачи канала на тестовых частотах. Результаты измерения коэффициента передачи транслируются обратно на рассматриваемую станцию по служебному каналу с помощью передатчика служебного канала 8.In the receiving part of the opposite station, the signal is received by the receiving antenna 20 and processed by the main signal receiver 9. After that, the signal is fed to the inputs of the filter bank 14 and the switched filter bank 15. The filter bank 14 is used during test signals. It consists of N notch filters, each of which allocates its own test frequency. The set of selected frequencies is fed to the comparison unit 16. There, the levels of the received frequencies are compared, whereby the channel transmission coefficients are measured at the test frequencies. The results of measuring the transmission coefficient are transmitted back to the station under consideration via the service channel using the transmitter of the service channel 8.

Между тестовыми сеансами, когда происходит передача информационного потока, сигнал, принятый приемником основного сигнала 9, используется блоком коммутируемых фильтров 15. Блок коммутируемых фильтров 15 состоит из N узкополосных фильтров с полосой ширины П₀, полосы соседних фильтров примыкают друг к другу.Between test sessions, when the information flow is transmitted, the signal received by the receiver of the main signal 9 is used by the switched filter bank 15. The switched filter bank 15 consists of N narrow-band filters with a bandwidth P ₀ , the bands of adjacent filters are adjacent to each other.

Все фильтры можно использовать либо по отдельности, либо из нескольких фильтров с рядом расположенными полосами пропускания формировать один фильтр, полоса которого в несколько раз больше, чем П₀. Для этого выходы нескольких рядом расположены фильтров можно совместно подключать к необходимому выходу блока коммутируемых фильтров 15. Многоканальный выход блока коммутируемых фильтров соединяется с многоканальным входом многоканального демодулятора. В нем выходные сигналы фильтров демодулируются. Далее с помощью второго многоканального коммутатора 2 сигналы поочередно подключаются к выходу устройства. Коммутатор переключается через интервал времени Т₀, таким образом, на выход устройства подается последовательность символов с такими же параметрами, как и исходная передаваемая информационная последовательность.All filters can be used either individually or from several filters with adjacent passbands to form one filter, the bandwidth of which is several times greater than P ₀ . For this, the outputs of several nearby filters can be jointly connected to the required output of the switched filter unit 15. The multichannel output of the switched filter unit is connected to the multichannel input of the multichannel demodulator. In it, the output signals of the filters are demodulated. Then, using the second multichannel switch 2, the signals are alternately connected to the output of the device. The switch switches over the time interval T ₀ , thus, a sequence of symbols with the same parameters as the original transmitted information sequence is sent to the output of the device.

В случае сильной изрезанности формы частотной характеристики канала передачи, уровни соседних тестовых частот значительно различаются, что определяется блоком сравнения 16 противоположной станции. При этом устройство в целом работает, как «классическая» система с OFDM. Каждый из N сигналов блока формирования видеосигналов 3 передается в своем узкополосном канале и имеет в N раз большую длительность, в результате он повреждается МСИ в небольшой мере. В приемнике все сигналы раздельно демодулируются и с помощью коммутации поочередно формируют принятую последовательность, подаваемую на выход устройства.In the case of a strong irregularity of the frequency response of the transmission channel, the levels of neighboring test frequencies differ significantly, which is determined by the comparison unit 16 of the opposite station. In this case, the device as a whole works as a "classical" system with OFDM. Each of the N signals of the video signal forming unit 3 is transmitted in its narrowband channel and has N times longer duration, as a result, it is damaged by the ISI to a small extent. In the receiver, all signals are separately demodulated and, by means of switching, alternately form the received sequence supplied to the output of the device.

Однако форма частотной характеристики многолучевых каналов постоянно изменяется по времени. На длительных интервалах времени она бывает достаточно равномерной на отдельных участках полосы тракта передачи. В то же время МСИ возникают именно из-за неравномерности частотной характеристики. Если достаточно равномерные участки - протяженные по частотной оси, например, занимают полосу шириной КП₀, то нет необходимости на этих участках использовать несколько узкополосных фильтров, а можно использовать один фильтр с более широкой полосой пропускания, равной КП₀. Раз имеется в распоряжении такая более широкая полоса, то и в ней можно передавать более короткие символы длительностью (N/K)T₀.However, the shape of the frequency response of multipath channels is constantly changing over time. Over long time intervals, it is quite uniform in certain sections of the transmission path band. At the same time, ISIs arise precisely because of the unevenness of the frequency response. If sufficiently uniform sections - extended along the frequency axis, for example, occupy a bandwidth with a width of CP ₀ , then there is no need to use several narrow-band filters in these sections, but one filter with a wider bandwidth equal to CP ₀ can be used. Since such a wider bandwidth is available, then shorter symbols of duration (N / K) T ₀ can be transmitted in it.

В этой расширенной полосе передается не один, как ранее, а К входных информационных символов. Таким образом, в групповом сигнале присутствуют не Т независимых сигналов, а меньшее их число. В результате пик-фактор передаваемого сигнала снижается, возрастает среднее отношение «сигнал/шум» и увеличивается помехоустойчивость передачи. В общем протяженном по времени сеансе связи постоянно определяется наличие таких достаточно равномерных участков в общей полосе частот тракта передачи и адаптивно регулируется количество используемых поднесущих для снижения пик-фактора и увеличения помехоустойчивости передачи.In this extended band, not one is transmitted, as before, but K input information symbols. Thus, the group signal contains not T independent signals, but a smaller number of them. As a result, the crest factor of the transmitted signal decreases, the average signal-to-noise ratio increases, and the transmission noise immunity increases. In a common long-term communication session, the presence of such sufficiently uniform sections in the total frequency band of the transmission path is constantly determined and the number of used subcarriers is adaptively adjusted to reduce the crest factor and increase the transmission noise immunity.

Наличие равномерных участков в полосе тракта передачи определяется во время тестовых сеансов блоком сравнения 16, который сравнивает уровни принятых соседних тестовых частот, принятых по каналу передачи, и выявляет соответствующие номера соседних узкополосных каналов, которые можно объединить в один канал. Эта информация транслируется по служебному каналу на противоположную станцию. Там она в блоке памяти 17 запоминается до следующего тестового сеанса и используется блоком управления 18 для управления блоком формирования видеосигналов 3 и блоком формирования поднесущих 4.The presence of uniform sections in the transmission path band is determined during test sessions by the comparison unit 16, which compares the levels of the received neighboring test frequencies received over the transmission channel and identifies the corresponding numbers of neighboring narrowband channels that can be combined into one channel. This information is broadcast over the service channel to the opposite station. There it is stored in the memory unit 17 until the next test session and is used by the control unit 18 to control the video signal generation unit 3 and the subcarrier generation unit 4.

Если в каком-то участке полосы тракта передачи сигналов определено наличии равномерного участка, то выделяется группа из К входных информационных символов с номерами, которые соответствовали полосам узкополосных фильтров, расположенным на этом участке. Из них формируются символы длительностью не NT₀, как было в «классическом» OFDM, а меньшей длительности, равной (N/K)T₀. Кроме того, поскольку длительность этих символов уменьшается, поэтому для сохранения равенства энергии всех символов независимо от длительности, у символов этой группы увеличивается их уровень. Поскольку энергия символа зависит от его длительности, то у символов этой группы их уровень в

раз выше, чем одиночных символов длительности Т₀, передаваемых по отдельности в своих узкополосных каналах. Группа этих более коротких символов передается в более широкой полосе, равной КП₀, составленной из К узких полос.If the presence of a uniform section is determined in some section of the signal transmission path band, then a group of K input information symbols with numbers that correspond to the narrow-band filter bands located in this section is allocated. From them, symbols are formed with a duration not NT ₀ , as was the case in the "classic" OFDM, but of a shorter duration equal to (N / K) T ₀ . In addition, since the duration of these symbols decreases, therefore, in order to preserve the equality of the energy of all symbols, regardless of the duration, their level increases for the symbols of this group. Since the energy of a symbol depends on its duration, the symbols of this group have their level in

times higher than single symbols of duration T ₀ transmitted separately in their narrowband channels. A group of these shorter symbols is transmitted in a wider bandwidth equal to KP ₀ composed of K narrow bands.

В этих условиях уменьшается и количество поднесущих, формируемых блоком формирования поднесущих 4. Для модуляции и передачи группы символов в области используемого равномерного участка частотной характеристики канала поднесущая формируется в центре используемой более широкой полосы КП₀. Работой блока формирования видеосигналов 3 и блока формирования поднесущей 4 управляет блок управления 18.Under these conditions, the number of subcarriers formed by the subcarrier shaping unit 4 is also reduced. For modulation and transmission of a group of symbols in the region of the used uniform portion of the channel frequency response, the subcarrier is formed in the center of the wider used bandwidth CP ₀ . The operation of the video signal forming unit 3 and the subcarrier 4 forming unit is controlled by the control unit 18.

Принцип работы заявляемого устройства заключается в следующем. В качестве примера рассмотрим графики фиг. 2. На верхнем графике представлена характерная форма частотной характеристики K(ƒ) многолучевого канала передачи. Пример приведен для случая разделения общей полосы тракта на десять полос с десятью возможными поднесущими на частотах ƒ1 ÷ ƒ₁₀. Форма частотной характеристики имеет выраженную изрезанность в районе частот ƒ₁, ƒ₂, ƒ₆, ƒ₉, ƒ₁₀. В районе же частот ƒ₂, ƒ₃, ƒ₄, а также частот ƒ₇, ƒ₈ характеристика достаточно равномерная.The principle of operation of the proposed device is as follows. As an example, consider the graphs in FIG. 2. The upper graph shows the characteristic shape of the frequency response K (ƒ) of a multipath transmission channel. An example is given for the case of dividing the total channel bandwidth into ten bands with ten possible subcarriers at frequencies ƒ1 ÷ ƒ ₁₀ . The shape of the frequency response has a pronounced irregularity in the region of frequencies ƒ ₁ , ƒ ₂ , ƒ ₆ , ƒ ₉ , ƒ ₁₀ . In the region of frequencies ƒ ₂ , ƒ ₃ , ƒ ₄ , as well as frequencies ƒ ₇ , ƒ _{8, the} characteristic is quite uniform.

При использовании «классического» метода OFDM формируются блоки из десяти подряд идущих информационных символов. Для них используется все десять поднесущих частот ƒ₁÷ƒ₁₀, на каждой из них передается удлиненный в десять раз соответствующий информационный символ.When using the "classical" OFDM method, blocks of ten consecutive information symbols are formed. All ten sub-carriers of frequencies ƒ ₁ ÷ ƒ ₁₀ are used for them, on each of them the corresponding information symbol extended ten times is transmitted.

В предлагаемом устройстве используется не десять, а семь каналов передачи на семи поднесущих, как показано на нижнем рисунке фиг. 2. Третий, четвертый и пятый символы образуют группу. Для ее передачи используется полоса П₃, ранее занимаемая третьим, четвертым и пятым узкополосными фильтрами. Теперь длительность этих символов уменьшилась в три раза, и для их передачи необходима примененная полоса утроенной ширины. Для них формируется поднесущая ƒ_П3, расположенная в центре утроенной полосы. Точно также участок частотной оси, ранее занимаемый седьмым и восьмым узкополосными фильтрами, используется единой полосой П₅. В ней передаются седьмой и восьмой символы блока. Поднесущая ƒ_П5 для них также расположена в середине объединенной полосы.The proposed device uses not ten, but seven transmission channels on seven subcarriers, as shown in the lower figure of FIG. 2. The third, fourth and fifth characters form a group. For its transmission, the band P _{3 is used} , previously occupied by the third, fourth and fifth narrow-band filters. Now the duration of these symbols has been reduced by three times, and for their transmission, an applied bandwidth of three times the width is required. For them, a subcarrier ƒ _{P3 is formed} , located in the center of the triple band. In the same way, the section of the frequency axis, previously occupied by the seventh and eighth narrow-band filters, is used by a single band P ₅ . It transmits the seventh and eighth characters of the block. The subcarrier ƒ _P5 for them is also located in the middle of the combined band.

На рисунке фиг. 3 приведены графики получаемых сигналов во временной области. Сигнал S₀ - исходный информационный поток символов. Теперь используется не десять, а семь частных каналов передачи S₁ ÷ S₇. По первому, второму, четвертому, шестому и седьмому каналу передаются символы, не образующие группу. По третьему и пятому каналам передаются группы более коротких символов, но большего уровня. В данном случае, если уровень одиночных символов принять за единицу, то уровень символов, передаваемых по третьему и пятому каналам равен, соответственно,

и

. При этом общая мощность группового сигнала не возрастает, а величина пик-фактора за счет уменьшения числа каналов уменьшается.In the figure of FIG. 3 shows the graphs of the received signals in the time domain. Signal S ₀ - original information stream of symbols. Now, not ten, but seven private transmission channels S ₁ ÷ S _{7 are used} . The first, second, fourth, sixth and seventh channels transmit symbols that do not form a group. On the third and fifth channels, groups of shorter symbols are transmitted, but at a higher level. In this case, if the level of single symbols is taken as one, then the level of symbols transmitted through the third and fifth channels is equal, respectively,

and

... In this case, the total power of the group signal does not increase, and the value of the crest factor decreases due to a decrease in the number of channels.

Рассчитаем выигрыш в общем случае в отношении «сигнал/шум» при применении предлагаемого устройства.Let's calculate the gain in the general case in the signal-to-noise ratio when using the proposed device.

Пусть в результате анализа формы частотной характеристики канала имеющиеся N каналов будут объединены в М групп, к - номер каждой группы, k=1÷М, по n_k каналов в каждой группе,

. (Каналы, оставшиеся одиночными, тоже для удобства считаем группой с n_k=1). Тогда, исходя из требования одинаковой вероятности ошибки во всех каналах, амплитуда k-то канала должна быть равна

, где U₀ - амплитуда одиночного канала. Максимальный уровень группового сигнала будет равен

, его мощность:

. Средняя мощность группового сигнала равна:

. Пик-фактор при этом будет равен:

.Let, as a result of analyzing the shape of the frequency response of the channel, the existing N channels will be combined into M groups, k is the number of each group, k = 1 ÷ M, n _k channels in each group,

... (For convenience, the channels that remain single are also considered to be a group with n _k = 1). Then, proceeding from the requirement of the same error probability in all channels, the amplitude of the kth channel should be equal to

, where U ₀ is the amplitude of a single channel. The maximum level of the group signal will be equal to

, its power:

... The average power of the group signal is:

... In this case, the crest factor will be equal to:

...

Выигрыш в пик-факторе зависит от варианта объединения каналов в группы. При изменении формы частотной характеристики K(ƒ) устройство изменяет вариант объединения. Для рассмотренного примера N=10, М=7, n₁=n₂=n₄=n₆=n₇=1, n₃=3, n₅=2. Величина пик-фактора при этом будет равна 6,64. А без применения предлагаемого устройства при тех же условиях величина пик-фактора была равна 10. Использование устройства дает выигрыш по отношению «сигнал/шум», равное 1,51 раза или 1,8 дБ.The gain in crest factor depends on the option of combining channels into groups. When changing the shape of the frequency response K (ƒ), the device changes the combining option. For the considered example, N = 10, M = 7, n ₁ = n ₂ = n ₄ = n ₆ = n ₇ = 1, n ₃ = 3, n ₅ = 2. In this case, the value of the crest factor will be equal to 6.64. And without using the proposed device under the same conditions, the crest factor was 10. Using the device gives a gain in the signal-to-noise ratio equal to 1.51 times or 1.8 dB.

Таким образом, применение предлагаемого устройства в двухсторонних системах связи с OFDM позволяет за счет снижения пик-фактора сигналов повысить помехоустойчивость и надежность передачи цифровых сигналов.Thus, the use of the proposed device in two-way communication systems with OFDM allows, by reducing the crest factor of signals, to increase the noise immunity and reliability of digital signal transmission.

Claims

A device for increasing the noise immunity of digital signal transmission in conditions of intersymbol interference, containing the first and second multichannel switches, a video signal forming unit, a subcarrier forming unit, a multichannel modulator, a multichannel demodulator, an adder, a main signal transmitter, a main signal receiver, a transmitting antenna and a receiving antenna, which differs by the fact that it includes a service channel transmitter, a service channel receiver, a test signal generator, a switch, a comparison unit, a filter unit, a switched filter unit, a memory unit and a control unit, while the input of the first multichannel switch is connected to the device input, its multi-channel output through the video signal generating unit is connected to the multichannel input of the multichannel modulator, and its multichannel output to the multichannel input of the adder, the multichannel output of the subcarrier generation unit is connected to another multichannel input of the multichannel module torus, the output of the adder is connected to one of the signal inputs of the switch, its other multi-channel signal input is connected to the output of the test signal generator, and the output of the switch through the transmitter of the main signal is connected to the input of the transmitting antenna, the output of the receiving antenna is connected to the input of the receiver of the main signal and the input of the receiver of the service channel, the output of the receiver of the main signal is connected to the input of the filter block and through a series-connected block of switched filters, a multichannel demodulator and a second multichannel switch is connected to the output of the device, the multichannel output of the filter block is connected to the multichannel input of the comparator, and its output through the transmitter of the service channel is connected to the input of the transmitting antenna, the output of the control unit is connected to the control inputs of the subcarrier forming unit, the video signal forming unit, the commutator, and the switched filter unit.