Выравнивающие фильтры
Для того, чтобы понять, в каком контексте используются выравнивающие фильтры, взглянем на Рис. 3. Он схематически представляет процесс демодуляции и детектирования цифровых сигналов. На вход подаётся принимаемый от физической среды сигнал (совокупность амплитуд на наборе частот), который сформирован путём фильтрации исходного импульса в передатчике и в канале. К неидеальной фильтрации, вызывающей межсимвольную интерференцию (ISI), добавляется, как видно из схемы, гауссов шум (AWGN). Таким образом, принятая последовательность импульсов искажается и появляется в виде аморфного «смазанного» сигнала, не совсем готового к дискретизации и детектированию. Задачей демодулятора (принимающего фильтра) является восстановление исходного импульса с максимально возможным отношением сигнал/шум без какой-либо межсимвольной интерференции.
Рисунок 3. Два основных этапа в процессе демодуляции/детектирования цифровых сигналов
Сейчас мы более детально остановимся на функции выравнивающих фильтров. Их функцией является борьба с межсимвольной интерференцией.
Def. Межсимвольная интереференция – процесс «размывания» импульса на соседние интервалы передачи символов.
Откуда она возникает? Дело в том, что в системе – передатчике, приемнике и канале – используется множество разнообразных фильтров. В передатчике информационные символы, описываемые как импульсы или уровни напряжения, модулируют импульсы, которые затем фильтруются заградительным фильтром для согласования с определенными ограничениями полосы. В низкочастотных системах канал (кабель) имеет распределенное реактивное сопротивление, искажающее импульсы. А некоторые полосовые системы, такие как беспроводные, являются, по сути, каналами с замираниями, что непосредственно вызывает межсимвольную интерференцию.
Совокупность методов обработки (или фильтрации) сигнала, направленных на устранение или снижение межсимвольной интерференции, именуется как «выравнивание».
Рисунок 4. Классификация методов выравнивания
Первая категория, MLSE, позволяет детектору произвести точную оценку демодулированной искаженной последовательности импульсов. При использовании приемника MLSE искаженные выборки не изменяются и не проходят этап непосредственной компенсации последствий помех. Выравнивание Витерби является ярким примером MLSE-метода выравнивания (используются априорные оценки последовательностей напряжений).
Вторая категория, выравнивание с помощью фильтров, включает использование фильтров для компенсации искажения импульсов. В этом случае детектору предоставляется последновательность демодулированных выборок, модифицированных или «очищенных» эквалайзером (выравнивающим фильтром) от последствий межсимвольной интерференции. Фильтры могут быть линейными устройствами, содержащими только элементы с прямой связью (трансверсальные) или нелинейными, включающими элементы с обратной связью (эквалайзеры с обратной связью по решению).
Схематично трансверсальный фильтр изображен на Рисунке 5. Особенности различных фильтров заключаются в разных алгоритмах, используемых для подгонки коэффициетов, с тем, чтобы скомпенсировать ISI.
Рисунок 5. Трансверсальный фильтр
При желании с двумя алгоритмами можно ознакомиться в [1]. На самом деле, иногда коэффициенты {cn} устанавливаются согласно усредненным знаниям о канале. В таком случае, выравнивание называется заданным.В противном случае – адаптивным. Адаптивное выравнивание может включать периодическую или непрерывную «подборку» весовых коэффициентов отводов.
Преимуществом фильтров с обратной связью является возможность использовать знание о том, какое решение принял детектор относительно предыдущих символов.
Еще один момент, на который стоит обратить внимание – это частота обновления фильтра. Выравнивающие фильтры классифицируются по частоте дискретизации входного сигнала. Трансверсальный фильтр с отводами, размещенными через T секунд, где T – длительность передачи символа, называется эквалайзером с символьным разделением. Процесс дискретизации выхода эквалайзера с частотой 1/T приводит к наложению, если полоса сигнала не ограничена строго велициной 1/T Гц, т.е. спектральные компоненты сигнала, не разделенные промежутком 1/T Гц, накладываются. Частота обновления фильтра, превышающая скорость передачи символов, помогает смягчить эту проблему.
Def. Эквалайзеры, использующие частоту обновления фильтра, превышающие скорость передачи символов, называются эквалайзерами с фракционным разделением.
Моделирование эквалайзеров в телефонных линиях с удвоенной частотой обновления фильтра показывает, что эквалайзеры с фракционным разделением превосходят эквалайзеры с символьным разделением [2].