Навигация
Поиск
Разработки
Инструменты для исследования компенсации эхо-сигналов

1. Постановка задачи

Разработка виртуальных инструментов в среде LabVIEW для исследования характеристик адаптивных компенсаторов эхосигналов.

2. Описание решения .

Развитие современного информационного общества сегодня во многом определяется уровнем развития и многообразием телекоммуникационных технологий. Эти технологии постоянно усовершенствуются в направлении повышения скорости передачи данных. Высокая скорость достигается за счет различных приемов, среди которых важную роль играет компенсация эхо- сигналов. Эхо-сигналы являются шумом, компенсация которого позволяет повысить качество связи. Поэтому разработка средств, обеспечивающих проведение исследований, связанных с эхокомпенсаторами, является актуальной задачей. Представленные в настоящей работе виртуальные инструменты дают возможность разработчикам связного оборудования проводить исследования в части адаптивных устройств компенсации эхо- сигналов.

Инструменты реализованы с использованием двух языков программирования. Основным является язык LabVIEW [1]. Богатые графические возможности LabVIEW позволяют создавать наглядные и удобные элементы управления. С их помощью создается виртуальная . приборная панель, на которой отображаются переключатели, средства ввода-вывода цифровых данных, а также средства вывода графических данных -осциллографы. Вычислительные процедуры: алгоритмы адаптивной фильтрации, расчет импульсных откликов, формирование сигналов, оценка параметров сигналов и показателей качества работы адаптивных фильтров реализованы на языке MATLAB [2]. При использовании двух языков моделирование выполняется в несколько раз быстрее, чем при использовании только языка MATLAB. Это обусловлено тем, что при моделировании в оперативное запоминающее устройство компьютера загружаются не все приложения языка MATLAB. Кроме того, осуществляется оптимизация переменных в соответствии с их типом.

На рис. 1 показана типовая схема организации телефонной связи. Связь между абонентами и телефонной станцией, а также между телефонными станциями осуществляется по проводным каналам. Расстояния между абонентами и телефонной станцией обычно небольшие, сигналы в проводниках ослабляются незначительно, и их не требуется усиливать. Поэтому из-за экономии проводников передача сигналов между абонентами и телефонной станцией осуществляется по двухпроводным линиям одновременно в обоих направлениях. Телефонные станции, как правило, располагаются на больших расстояниях. Передаваемые между станциями сигналы ослабляются из-за потерь в проводниках, поэтому эти сигналы необходимо усиливать. Из-за усилителей передача сигналов между телефонными станциями должна быть однонаправленной. Она осуществляется по четырехпроводным (двум двухпроводным) линиям.

Переходы между двух- и четырехпроводными линиями связи выполняются с помощью так называемых гибридных схем - в общем случае простых резистивных мостов (рис. 2), в одно из плеч которых включается развязывающий трансформатор с комплексным входным импедансом. Этот импеданс зависит от конструкции трансформатора и от параметров двухпроводной линии связи. Гибридная схема не может быть сбалансированной во всей интересуемой полосе частот А/*, так как i?j Ф2{ и

Zb=Rb. Поэтому образуется утечка сигнала в сторону удаленного абонента, в результате чего абонент слышит свой голос.

Обратное преобразование Фурье от передаточной функции гибридной схемы H(f) = UCD /UAB = Zi(f) [R1 + Zi(f)] - Zb(f) [R2 + Zb(f)] - это линейный импульсный отклик w. Его свертка с сигналом удаленного абонента x(k) образует эхо-сигнал d(k), где к - индекс дискретного времени. Чем больше величина задержки между телефонными станциями, тем сильнее требуется подавлять эхо-сигнал (рис. 3) [3]. Принцип компенсации эхо-сигналов, возникающих в телефонной линии, показан на рис. 4.

Неотъемлемыми компонентами связного оборудования являются модемы, в которых также используются гибридные схемы. Принцип компенсации эхо-сигналов, возникающих в модемах, показан на рис. 5.

Компенсация сигналов акустического эха, возникающего в устройствах голосовой связи, показана на рис. 6. Импульсный отклик на этом рисунке представляет собой свертку импульсных откликов помещения (акустического отклика), усилителя, громкоговорителя и микрофона. Его форма и длительность в основном определяются акустическими параметрами помещения и взаимным расположением источника и приемника звука.

Подавление эхо-сигналов (рис. 4 - рис. 6) осуществляется с помощью адаптивных фильтров. В качестве алгоритмов адаптивной фильтрации обычно используется простейший с вычислительной точки зрения нормализованный алгоритм по критерию наименьшего среднеквадратичного отклонения (Normalized Least Mean Squares, NLMS) или используются более сложные, но и более эффективные, рекурсивные адаптивные алгоритмы по критерию наименьших квадратов (Recursive Least Squares, RLS) [5].

Адаптивный фильтр, характеризуемый вектором весовых коэффициентов

hN(k), моделирует эхо-сигнал как d~(k) = hTN(k-1)xN(k), где xN(k) -вектор входных сигналов, а N - число весовых коэффициентов фильтра. Сигнал d~(k) вычитается из эхо-сигнала d(k), в результате чего образуется неподавленное остаточное эхо е(к). Весовые коэффициенты адаптивного фильтра меняются так, что е(к) → 0. Качество эхокомпенсатора - параметр Echo Return Loss Enhancement (ERLE) определяется как

где В - длина скользящего окна в отсчетах, на котором производится оценка энергии сигналов. Достижимые значения этого параметра зависят от соотношения длин импульсных характеристик w и hN, вида обрабатываемого сигнала и типа алгоритма.

При проектировании эхокомпенсатора требуется проводить моделирование его работы с целью определения параметров адаптивного фильтра (числа весовых коэффициентов и вида используемого алгоритма), обеспечивающих требуемое значение ERLE. Для этого используются импульсные отклики w, представленные в стандартах [6], полученные путем расчетов или измерений. Расчеты электрических импульсных откликов можно выполнять с помощью калькулятора [7].

В разработанном калькуляторе акустического импульсного отклика (рис. 7) используется метод зеркальных отображений, описание и моделирующая программа которого на языке Fortran приведены в [8]. В калькуляторе применен аналог этой программы на языке MATLAB. В качестве параметров для расчета идентифицируемого импульсного отклика задаются размеры помещения, коэффициенты отражения его поверхностей, координаты источника и приемника звукового сигнала, коэффициент передачи усилителя и скорость распространения звука. Длительность моделируемого акустического импульсного отклика определяется частотой дискретизации сигналов и числом точек используемой процедуры быстрого преобразования Фурье. Импульсный отклик «громкоговоритель + микрофон» хранится в виде таблицы. Используемые и рассчитанные импульсные отклики, а также соответствующие им амплитудно-частотные (АЧХ) и фазочастотные (ФЧХ) характеристики отображаются на графиках. Результаты расчетов могут быть сохранены в виде файлов.

Для исследования эффективности компенсации сигналов электрического и акустического эха разработан виртуальный инструмент, представленный на рис. 8. Данный инструмент реализует модели (рис. 4 - рис. 6). Алгоритмы адаптивной фильтрации реализованы на языке программирования MATLAB. В качестве тестового сигнала используется речевая запись или шумовой сигнал, вырабатываемый моделирующей программой. Инструмент имеет средства ввода параметров файла входного сигнала и выбора импульсного отклика w. Можно выбирать вид тестового сигнала (речь или шум), задавать отношение сигнал-шум на входе сигнала d(k), выбирать тип алгоритма (NLMS или RLS), а также задавать параметры адаптивного фильтра.

Продолжение...

Контакты
an image
НПП Центральная лаборатория автоматизации измерений
111250 Москва, Энергетическая улица, д.7, офис 311
(495) 134-03-49
E-mail: Данный адрес e-mail защищен от спам-ботов, Вам необходимо включить Javascript для его просмотра.

Инструменты для исследования выравнивания электрических каналов

1. Постановка задачи

Разработка виртуальных инструментов в среде LabVIEW для исследования характеристик адаптивных эквалайзеров каналов связи.

2. Описание решения

Сегодня информационные технологии - это неотъемлемый элемент жизнедеятельности современного человека. Например, наличие высокоскоростного доступа к глобальной сети Интернет на работе, в дороге и дома уже давно стало нормой. Этому способствует большое разнообразие современных средств связи, которые постоянно развиваются в направлении повышения скорости передачи данных. Для передачи цифровых данных в связном оборудовании используются модемы. В составе большинства модемов имеется адаптивный выравниватель (эквалайзер) канала связи [1]. Он уменьшает уровень помех, обусловленных особенностями канала, в результате чего скорость передачи данных повышается. Параметры эквалайзеров во многом зависят от свойств канала связи. Поэтому при проектировании модемов часто приходится проводить исследования, связанные с определением этих параметров.

Представленные в настоящей работе виртуальные инструменты позволяют проводить такие исследования. Инструменты реализованы на языке графического программирования LabVIEW [2]. Графические возможности этого языка позволяют создавать наглядные переключатели, средства ввода-вывода цифровых данных, а также средства вывода графиков. Вычислительные процедуры: алгоритмы адаптивной фильтрации, расчет импульсных откликов канала связи, формирование сигналов, оценка параметров сигналов и показателей качества работы адаптивных фильтров реализованы в виде программ на языке математического моделирования MATLAB [3].

Принцип выравнивания канала связи

Рис. 1. Принцип выравнивания канала связи

Совместное использование двух языков программирования позволяет выполнять моделирование в несколько раз быстрее по сравнению с аналогичным моделированием на языке MATLAB. Ускорение моделирования достигается за счет того, что в оперативное запоминающее устройство компьютера загружаются не все приложения языка MATLAB и осуществляется оптимизация переменных в соответствии с их типом.

При передаче цифровых данных по каналам связи с ограниченной полосой пропускания возникает явление, называемое межсимвольной интерференцией. Межсимвольная интерференция, наряду с шумом z(k) (рис. 1), сказывается на правильности решения о соответствии принятого информационного символа s~(k) символу s(k), переданному по каналу связи с импульсным откликом w.

Импульсный отклик канала связи

Рис. 2. Импульсный отклик канала связи

Импульсный отклик: канал связи + эквалайзер

Рис. 3. Импульсный отклик: канал связи + эквалайзер

Если бы канал связи представлял собой просто линию задержки на время t0, то принимаемый сигнал (информационные символы) можно было бы легко оценивать (различать). Однако большинство каналов связи с математической точки зрения представляют собой фильтр с импульсным откликом w (рис. 2). Поэтому в каждый отсчет времени к, совпадающий с моментом смены информационных символовТ, на выходе канала образуется взвешенная сумма передаваемых подряд символов:

В данной сумме только один символ несет интересуемую информацию, а остальные являются шумом - межсимвольной интерференцией. Шум не позволяет правильно различать символы на приемной стороне. Чтобы повысить вероятность правильного решения относительно принимаемых символов используются устройства, именуемые эквалайзерами [1]. Эквалайзер функционирует таким образом, что его амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) становится близкой к обратной АЧХ канала связи. Другими словами, совместная АЧХ канала связи и эквалайзера становится близкой к равномерной. Это означает, что свертка импульсных откликов канала связи w и эквалайзера h в моменты времени кТ близка к дельта-функции (рис. 3), в результате чего межсимвольная интерференция уменьшается. В этом случае выходной сигнал эквалайзера определяется как y(t0 + kT) = σ(to)s(k) + 0, т.е. может быть правильно оценен.

Адаптивный эквалайзер без обратной связи

Рис. 4. Адаптивный эквалайзер без обратной связи

Существуют два основных типа адаптивных эквалайзеров. Это эквалайзер без обратной связи (Feed-Forward, FF) (рис. 4) и с обратной связью (Feed-Backward, FB) (рис. 5). В начале сеанса связи передается известная последовательность информационных символов, которая используется для обучения. После обучения эквалайзер функционирует на основе символов, которые оцениваются по значениям его выходного сигнала.

Адаптивный эквалайзер с обратной связью

Рис. 5. Адаптивный эквалайзер с обратной связью

Эквалайзеры строятся на основе адаптивных фильтров. В таких фильтрах на каждой итерации к изменяются весовые коэффициенты hN(k) = f{xN(k),hN(k-l),d(k)}. Здесь d(k) -требуемый сигнал, hN(k) - вектор весовых коэффициентов, xN(k) - вектор входных сигналов и N - число весовых коэффициентов адаптивного фильтра. Одноканальный адаптивный фильтр используется для построения эквалайзеров без обратной связи, а для построения эквалайзера с обратной связью используется двухканальный адаптивный фильтр.

В качестве алгоритмов адаптивной фильтрации обычно применяется простейший с вычислительной точки зрения нормализованный алгоритм по критерию наименьшего среднеквадратичного отклонения (Normalized Least Mean Squares, NLMS) или используются более сложные, но и более эффективные рекурсивные адаптивные алгоритмы по критерию наименьших квадратов (Recursive Least Squares, RLS) [4].

Для эквалайзера требуется определять ряд таких параметров, как число весовых коэффициентов адаптивного фильтра (в случае FF-эквалайзера), соотношение между числом весовых коэффициентов в прямой hF и обратной ветвях эквалайзера hB (в случае FB-эквалайзера), алгоритм адаптивной фильтрации. Эффективность работы эквалайзера зависит от вида передаточной функции канала связи (ее обратимости) и уровня шума z(k).

Передаточная функция и импульсный отклик связаны между собой преобразованием Фурье. Они вычисляются на основе параметров канала связи.

Калькулятор электрического импульсного отклика

Рис. 6. Калькулятор электрического импульсного отклика

Импульсный отклик проводного канала связи описывается линейными четырехполюсниками из сосредоточенных (резисторы, конденсаторы, индуктивности) и распределенных (проводные линии связи) элементов [5, 6]. В основе работы калькулятора электрического импульсного отклика (рис. 6) находится теория линейных четырехполюсников, характеризуемых ABCD-параметрами.

Напряжения и токи на выводах четырехполюсника, (рис. 7) зависят от напряжения источника Us, импеданса источника Zs и импеданса нагрузки ZL. Они всегда удовлетворяют соотношению

где ABCD-параметры находятся путем анализа режимов короткого замыкания и холостого хода четырехполюсника как А = U1/U2 |I2=0. В = U1/I2 |V2=0, C= I1/U2 |I2=0 и D= I1/I2 |V2=0;

Линейный четырехполюсник

Рис. 7. Линейный четырехполюсник

Четырехполюсники, характеризуемые ABCD-параметрами, широко используются при моделировании каналов связи, так как такие каналы всегда можно представить в виде последовательного соединения различных четырехполюсников, а матрица ABCD-параметров последовательного соединения (рис. 8) равна произведению матриц отдельных четырехполюсников:

Последовательное соединение линейных четырехполюсников

Рис. 8. Последовательное соединение линейных четырехполюсников

При вычислении импульсного отклика в калькуляторе (рис. 6) с помощью графических средств задаются частота дискретизации, импеданс источника сигнала и нагрузки четырехполюсника. Длительность моделируемых электрических импульсных откликов определяется частотой дискретизации сигналов и числом точек используемой процедуры преобразования Фурье. Топология и параметры отдельных четырехполюсников задаются в моделирующей программе. В калькуляторе визуализируются входной импеданс (действительная и мнимая части), импульсный отклик, АЧХ и фазочастотная характеристика (ФЧХ) функции потерь, а также импульсный отклик, АЧХ и ФЧХ передаточной функции четырехполюсника. Импульсные отклики могут быть сохранены в mat-файле, а также использованы в инструменте (рис. 9).

Виртуальный инструмент для исследования адаптивного эквалайзера: результаты моделирования эквалайзера с обратной связью

Рис. 9. Виртуальный инструмент для исследования адаптивного эквалайзера: результаты моделирования эквалайзера с обратной связью.

Виртуальный инструмент (рис. 9) для исследования характеристик эквалайзера разработан в среде LabVIEW с использованием основных вычислительных процедур, реализующих модели передаваемых сигналов, эквалайзера, расчета вероятности принятых ошибочно информационных символов и ошибочных бит (Symbol Error Rate, SER, и Bit Error Rate, BER) на языке MATLAB. В инструменте реализована квадратурная амплитудная модуляция. Можно выбирать алгоритм адаптивной фильтрации (NLMS или RLS), тип эквалайзера (FF или FB), задавать параметры адаптивного фильтра, алфавит (созвездие) передаваемых символов, отношение сигнал-шум на входе эквалайзера, задержку обучающей последовательности относительно передаваемой последовательности, число обучающих символов и число символов, передаваемых после обучения. Параметры SER и BER оцениваются на основе символов, передаваемых после обучения эквалайзера.

В качестве результатов моделирования в виртуальном инструменте выводятся численные значения SER и BER. В графическом виде выводятся созвездия: передаваемых информационных символов, символов на выходе канала связи без шума и с шумом, а также символов на выходе эквалайзера. Созвездия позволяют определять расстояние между передаваемыми и принимаемыми символами. На панели инструмента также отображаются импульсный отклик и АЧХ канала связи, эквалайзера, свертка импульсных откликов канала связи и адаптивного эквалайзера, общая АЧХ канала связи и эквалайзера.

Дополнительные сведения о рассмотренных инструментах приведены в работах [7, 8].

3. Используемое оборудование и ПО

Проекты инструментов реализованы на языках LabVIEW 7.0 и MATLAB 7.0. Для выполнения проектов требуется программное обеспечение указанных или более высоких версий. Специальные требования к ресурсам используемого персонального компьютера не предъявляются. Эти требования определяются указанным программным обеспечением.

4. Перспективы внедрения и развития решения - отрасли, названия предприятий, и т.п.

Представленные в работе инструменты использованы в Государственном унитарном предприятии г. Москвы «Научно-производственный центр «Электронные вычислительно-информационные системы», в Московском физико-технический институте (государственном университете) и Самарском государственном университете путей сообщения.

Инструменты могут применяться при исследовании и проектировании выравнивателей каналов связи, а также при проведении лабораторных работ.

Инструменты являются открытыми, что позволяет модифицировать и расширять их функциональные возможности: применять различные типы модуляции, различные алгоритмы адаптивной фильтрации, и т.п.

Список литературы

1. S. Qureshi. Adaptive equalization // IEEE Signal Processing Magazine. - 1982.-№3.-P. 9-16.

2. Л.Г. Белиовская, А.Е. Белиовский. LabVIEW — школьный курс. - M.: National Instruments, 2006. - 200 с. v > ^ ^ ;

3. E.P. Алексеев. MATLAB 7. - M: HT Пресс, 2006. - 464 с.

4. Б. Уидроу, С. Стирнз. Адаптивная обработка сигналов. Пер. с англ. под ред. Шахгильдяна В.В. - М.: Радио и связь, 1989. -440 с.

5. W.Y.Chen. Simulation techniques and standards development for digital subscriber line systems. - IN: Indianapolis, Macmillan Technical Publishing, 1998.-644 p.

6. Cable reference models for simulating metallic access networks // Document 970p02r3. ETSI STC TM6 Meeting. Luea, Sweden, 22-26 June 1998. - 40 p.

7. Л.Г. Белиовская, М.В. Джиган, О.В. Джиган. Калькуляторы импульсных откликов // Материалы 15-й Международной конференции «Информационные средства и технологии». - Москва, 2007. - Том 1. - С. 72-75.

8. Л. Белиовская, М. Джиган, О. Джиган. Совместное использование пакетов LabVIEW и MATLAB в задачах эхокомпенсации и выравнивания каналов связи // Современная электроника. - 2007. - №3. - С. 56-60.

..............................................................................................................................