Что такое межсимвольная интерференция

OFDM — технология цифровой модуляции в сетях WiMax и LTE

Мы представляем вторую статью из цикла постов о беспроводной передачи данных.

В комментариях к первой из них: «Модуляция радиосигнала» уважаемый nerudo посоветовал рассказать о таком важном моменте как OFDM. Что мы c удовольствием и делаем.

Что такое OFDM?

OFDM (англ. Orthogonal frequency-division multiplexing — ортогональное частотное разделение каналов с мультиплексированием)

Это схема модуляции, использующая множество несущих. Канал делится на несколько субканалов или subcarrier (русский аналог «поднесущая» кажется мне немного смешным, я постараюсь избегать этого слова, употребляя где необходимо «вспомогательная несущая»)
В OFDM высокоскоростной поток данных конвертируется в несколько параллельных битовых потоков меньшей скорости, каждый из которых модулируется своей отдельной несущей.
Все это множество несущих передается одновременно.

Главное преимущество OFDM заключается в том, что продолжительность символа во вспомогательной несущей значительно больше в сравнении с задержкой распространения, чем в традиционных схемах модуляции. Это делает OFDM гораздо устойчивее к межсимвольной интерференции (ISI, intersymbol interference).

ISI – Межсимвольная интерференция

Межсимвольная интерференция это форма искажения сигнала, которая вызвана воздействием одного символа на другой. Этот эффект наблюдается как в проводных, так и в беспроводных системах передачи данных.
Магистерская диссертация вашего покорного слуги как раз была посвящена борьбе с межсимвольной интерференцией , поэтому объясню на примере кабельной линии. Кабель представляет собой распределенную RC-цепочку, и высокочастотные компоненты сигнала в нем подвержены затуханию. Самый критичный случай — это одиночная единица после серии нулей или одиночный ноль после единиц:

При передачи данных «по воздуху» нет RC составляющей, но включается другой механизм, приводящий к тому же эффекту. Он называется многолучевое распространение.
В следствие этого эффекта беспроводной сигнал от передатчика достигает приемника через несколько разных путей. Причины этого отражения (например от зданий) — рефракция (преломление при прохождению через кроны деревьев) и атмосферные эффекты.
Так как все пути разной длинны, а некоторые из описанных выше эффектов приводят к задержке сигнала, в результате разные версии сигнала придут к приемнику в разное время. Из-за взаимного наложения всех этих сигналов результирующий сигнал будет искажен.
Я возьму пример искажения сигнала при многолучевом распространении из Википедии.
Исходный сигнал:

Сигнал подвергшийся эффекту многолучевого распространения:

Возможно уважаемый хабрачитатель при виде этих картинок сделал удивленное лицо. Сейчас поясню.
Это так называемая глазковая диаграмма. Она строится очень просто: все источники взаимодействия или сигналы накладываются друг на друга. Под «глазом» подразумевается область в середине, по форме напоминающая глаз. На первой картинке «глаз широко откры
т», на второй «глаз прищурен». Если «глаз закроется» или будет меньше определенной величины, то такой сигнал уже нельзя будет принять.
Интуитивно понятно, что чем выше частота сигнала, тем меньше будет «глаз».

Ключевым принципом OFDM является использование охранного интервала. Это возможно благодаря тому, что продолжительность каждого символа достаточно велика.
Приведу пример из англоязычной Википедии:
«Если кто-то передает миллион символов в секунду, используя однонесущую модуляцию по беспроводному каналу, то продолжительность каждого символа будет равна одной микросекунде или меньше. Из этого вытекают определенные требования к синхронизации и необходимость подавлять многолучевую интерференцию. Если тот же миллион символов в секунду распределяется между тысячей субканалов, продолжительность каждого символа может быть увеличена на три порядка (т.е. до одной миллисекунды) при приблизительно той же пропускной способности. Предположим, что мы можем вставить охранный интервал равный 1/8 продолжительности символа между каждым символом. Межсимвольная интерференция может быть терпима, если время между приемом первого и последнего эха меньше охранного интервала (т.е. 125 микросекунд). Это соответствует максимальной разнице в 37.5 километров между длиной пути сигнала.

Другим преимуществом является устойчивость к частотно-зависимому затуханию. Такой тип затухания может оказывать очень негативное влияние при многолучевом распространении сигнала, особенно если источник и приемник не находятся в прямой видимости. При OFDM модуляции данные распределяются между множеством вспомогательных несущих, поэтому информация пострадавшая в нескольких субканалах может быть восстановлена с помощью ЕСС.

Источник

Межсимвольная интерференция

До сих пор мы пренебрегали эффектами межсимвольной интерференции, поскольку основное внимание уделялось приемнику отдельных изолированных посылок (см., например, рис. 3.4). Даже в случае ОФМ-сигнала, когда информация передается посредством изменения или сохранения полярностей двух последовательных посылок, эти посылки полагались достаточно длинными или достаточно разнесенными по времени, благодаря чему временная дисперсия, обусловленная многолучевостью канала, приводила лишь к незначительному ухудшению рабочих характеристик или же вообще на них не влияла (см. рис. 3.12).

Предположим теперь, что каждая посылка имеет длительность Т, а последовательная передача любых посылок осуществляется с интервалом Т_s. В соответствии с (3.23) отклики согласованных фильтров в рассмотренных выше приемниках на каждую посылку длиной Т будут длиться 2Т+D, что может привести к межсимвольной интерференции.

Для того чтобы наглядно проиллюстрировать возникновение межсимвольной интерференции в широкополосном случае (TW>>1), на рис. 3.14 показана последовательность огибающих откликов отдельного согласованного фильтра на периодически повторяемый входной сигнал при двух значениях T_s.

На рис. 3.14 а показаны огибающие откликов согласованного фильтра на три последовательные посылки для случая, когда T_s ³ T +D. Для наглядности показаны также линия задержки приемника «Рейк» длиной D с и сумматор (см. рис. 3.11). Межсимвольная интерференция в данном случае полностью отсутствует. Указанная последовательность огибающих выходных напряжений фильтра «заморожена» в тот момент времени, когда пики центрального (n-го) многолучевого входного сигнала точно соответствуют отводам линии задержки и «готовы» для взятия отсчетов. Заметим, что в данный момент(n—1)-й и(n+1)—й отклики «находятся» вне линии задержки, и, следовательно, не могут интерферировать с n-м откликом.

Рис.3.14. a) Межсимвольная интерференция отсутствует; b) T_s=T; D=2T – умеренная межсимвольная интерференция

На рис. 3.14 b показан случай умеренной межсимвольной интерференции. Здесь Т_s = Т, а D=2T, так что Т_s=(Т+D)/3. Огибающие откликов показаны для семи последовательных посылок, которые зафиксированы в тот момент времени, когда пики n-го многолучевого входного сигнала точно соответствуют отводам линии задержки. Однако в данном случае два предшествующих ((n—2)-й и (n—1)-й) сигнала еще частично не вышли из линии задержки, а два последующих ((n+1)-й и (n+2)-й) уже частично вошли в нее, и это обстоятельство приводит к возникновению межcимвольной интерференции. В общем случае с каждым символом будет интерферировать 2[D/T] предшествующих и последующих символов, где [х]— наименьшее целое число, большее или равное х.

Для того чтобы полностью устранить межсимвольную интерференцию, необходимо выполнить условие T_s³T+D. Поскольку величина D для данного канала фиксирована, то остается лишь несколько уменьшить величину Т (однако выбор Т зависит от требования TW>>1и ограничений, налагаемых на ширину полосы W). Следовательно, в бинарных системах мы не можем полностью устранить межсимвольную интерференцию, если скорость передачи данных превышает величину, равную примерно 1/D бит/с. Так, например, при работе такой системы в городских условиях (эффективное значение D=5 мкс) со скоростью, большей примерно 200 кбит/с, межсимвольная интерференция будет возникать даже в том случае, когда используются широкополосные сигналы.

Используемый в данном случае подход основан на том факте, что, хотя в момент принятия решения о принятом символе, многолучевые сигналы, соответствующие предыдущему и последующему символам, частично находятся в линии задержки (см. рис. 3.14 b), вероятность того, что их пики будут точно соответствовать активированным отводам линии, весьма мала. Напомним, что отводы у линии задержки сделаны через каждые 1/W c. Так как TW>>1и так как мы теперь полагаем D/T>1, то WD>>1 и это означает, что линия задержки должна иметь большое число отводов. Например, при TW=100 и D/Т=5линия задержки будет иметь WD=500 отводов. Однако при приеме сигнала активируются только те отводы, на которых ожидаются пики этого сигнала, поэтому в рассмотренном выше примере даже при наличии, скажем, 20 лучей будет активироваться всего 20/500= =2,5% от общего числа отводов. Эти отводы будут соответствовать пикам центрального n-го отклика на рис. 3.14 b; при этом весьма маловероятно, что пики смежных с ним откликов также попадут на эти активированные отводы.

Рис.3.15. Реакция ТФ приемника «Рейк» на 7 сигналов рис. 3.14.

Последовательность импульсов после семи таких сверток и соответствующего их объединения будет иметь примерно такой вид, как показано иа рис. 3.15. Каждый из главных пиков соответствует здесь точному согласованию одной последовательности импульсов с активированными отводами линии задержки, и именно по ним берутся далее отсчеты. Пьедестал, на котором расположены эти пики, состоит из таких же небольших побочных пиков, как и на рис. 3.12, и смеси боковых лепестков. Этот пьедестал мы будем называть «помехой, обусловленной многолучевостью». Способность приемника системы «Рейк» выделять именно ту часть отклика согласованного фильтра, которая соответствует принимаемому в данный момент символу, обусловлена структурой применяемой в нем линии задержки с отводами.

Суммируя изложенное выше, нетрудно видеть, что приемники системы «Рейк» могут работать со значительно более высокими, чем 1/D бит/с, скоростями передачи данных без заметного ухудшения характеристик.

Ниже будут рассмотрены другие приемники многолучевых ОФМ-сигналов, структура которых проще приемника «Рейк».

Источник

В телекоммуникации, межсимвольная интерференция (ISI) является формой искажение из сигнал в каком символ мешает последующим символам. Это нежелательное явление, поскольку предыдущие символы имеют такой же эффект, как и шум, что снижает надежность связи. Распространение импульса за пределы отведенного ему временного интервала заставляет его мешать соседним импульсам. [1] ISI обычно вызывается многолучевым распространением или присущей линейной или нелинейной частотной характеристике канал связи заставляя последовательные символы «размываться» вместе.

Наличие ISI в системе вносит ошибки в устройство принятия решения на выходе приемника. Следовательно, при разработке фильтров передачи и приема цель состоит в том, чтобы минимизировать влияние ISI и тем самым доставлять цифровые данные к месту назначения с наименьшей возможной частотой ошибок.

Способы уменьшить межсимвольные помехи включают: адаптивная коррекция и коды исправления ошибок. [2]

Содержание

Причины

Многолучевое распространение

Одна из причин межсимвольной интерференции: многолучевое распространение в котором беспроводной сигнал от передатчика достигает приемника по нескольким путям. Причины этого включают отражение (например, сигнал может отражаться от зданий), преломление (например, через листва дерева) и атмосферные эффекты, такие как атмосферный воздуховод и ионосферное отражение. Поскольку разные пути могут иметь разную длину, это приводит к тому, что разные версии сигнала поступают в приемник в разное время. Эти задержки означают, что часть или весь данный символ будет распространяться на последующие символы, тем самым мешая правильному обнаружению этих символов. Кроме того, различные пути часто искажают амплитуда и / или фаза сигнала, тем самым вызывая дальнейшие помехи принятому сигналу.

Каналы с неограниченным диапазоном

Другой причиной межсимвольных помех является передача сигнала через ограниченный диапазон канал, т. е. тот, где частотный отклик равен нулю выше определенной частоты (частоты среза). Прохождение сигнала через такой канал приводит к удалению частотных составляющих выше этой частоты среза. Кроме того, компоненты частоты ниже частоты среза также могут ослабляться каналом.

Эта фильтрация передаваемого сигнала влияет на форму импульса, приходящего на приемник. Эффекты фильтрации прямоугольного импульса не только изменяют форму импульса в пределах первого периода символа, но также распространяются на последующие периоды символа. Когда сообщение передается через такой канал, импульс расширения каждого отдельного символа будет мешать следующим символам.

Каналы с ограниченным диапазоном частот присутствуют как в проводной, так и в беспроводной связи. Ограничение часто налагается желанием передавать несколько независимых сигналов через одну и ту же зону / кабель; из-за этого каждой системе обычно выделяется часть общей пропускная способность имеется в наличии. Для беспроводных систем им может быть выделена часть электромагнитный спектр передать в (например, FM радио часто транслируется в диапазоне 87,5–108МГц ассортимент). Этим распределением обычно занимается государственное агентство; в случае Соединенных Штатов это Федеральная комиссия связи (FCC). В проводной системе, такой как оптоволоконный кабель, распределение будет определяться владельцем кабеля.

Системы связи, которые передают данные по каналам с ограниченной полосой пропускания, обычно реализуют формирование импульса чтобы избежать помех, вызванных ограничением полосы пропускания. Если частотная характеристика канала плоская, а формирующий фильтр имеет конечную полосу пропускания, можно вообще обмениваться данными без ISI. Часто ответ канала заранее неизвестен, и адаптивный эквалайзер используется для компенсации частотной характеристики.

Влияние на структуру глаз

Один из способов изучить ISI в PCM или система передачи данных экспериментально заключается в подаче принятой волны на вертикальные отклоняющие пластины осциллографа и подаче пилообразной волны с передаваемой символьной скоростью R (R = 1 / T) на горизонтальные отклоняющие пластины. Получающийся в результате дисплей называется глазковой диаграммой из-за его сходства с человеческим глазом для двоичных волн. Внутренняя часть глазного рисунка называется глазным отверстием. Глазковая диаграмма дает большой объем информации о производительности соответствующей системы.

Эффекты ISI показаны на втором изображении, которое является глазковой диаграммой той же системы при работе по многолучевому каналу. Эффект от приема задержанных и искаженных версий сигнала можно увидеть в потере четкости переходов сигналов. Это также уменьшает как запас шума, так и окно, в котором сигнал может быть дискретизирован, что показывает, что производительность системы будет хуже (т.е. коэффициент битовых ошибок).

Источник

Что такое межсимвольная интерференция

Особенностью радиосвязи на большие расстояния часто является передача информации в условиях общих замираний и межсимвольной интерференции.

Межсимвольная интерференция (МСИ) это искажения сигнала за счет откликов на более ранние символы, которые могут проявлять себя как помехи. МСИ зависит от вида АЧХ и ФЧХ фильтров в тракте передаче, структуры и параметров кодовой последовательности.

7.3.1. Причины возникновения и сущность межсимвольной интерференции

Спецификой многих линий дальней радиосвязи (тропосферных, спутниковых и др.) является многолучевый характер распространения радиосигнала (рис. 7.1). Сигнал в точке приема представляет собой сумму большого числа элементарных сигналов с разными амплитудами и случайным временем запаздывания. Отдельные лучи могут запаздывать друг относительно друга на значительную величину, что и вызывает МСИ. В зависимости от степени искажения формы импульса различают большие (рис. 7.12) и малые (рис. 7.13) межсимвольные помехи.

Степень искажения формы импульса при наложении сигналов зависит от разности времен распространения радиоволн по различным путям. Обычно разность времени распространения по максимальному и минимальному путям называют временем многолу чевости (). Для расстояний связи величина лежит в пределах 0,2—0,5 мкс. Если длительность импульса () меньше времени многолучевости то возникают большие межсимвольные помехи. Если же длительность импульса намного превышает время многолучевости, то межсимвольные помехи мало влияют на прием, т.к. в данном случае лишь небольшая часть элемента оказывается пораженной помехой.

Копирование информации со страницы разрешается только с указанием ссылки на данный сайт

Источник

Причины возникновения и сущность межсимвольной интерференции

Степень искажения формы импульса при наложении сигналов зависит от разности времен распространения радиоволн по различным путям. Обычно разность времени распространения по максимальному и минимальному путям называют временем многолу чевости ( ). Для расстояний связи величина лежит в пределах 0,2—0,5 мкс. Если длительность импульса ( ) меньше времени многолучевости то возникают большие межсимвольные помехи. Если же длительность импульса намного превышает время многолучевости, то межсимвольные помехи мало влияют на прием, т.к. в данном случае лишь небольшая часть элемента оказывается пораженной помехой.

1. Как можно уменьшить вероятность попадания помехи на вход решающей схемы?

2. На сколько и на какие действия делится борьба с помехами?

3. Что надо сделать для уменьшения сосредоточенных и импульсных помех?

4. На чём основана частотная избирательность?

5. На чём основаны методы компенсации импульсных помех?

6. В чём недостаток обобщённой структурной схемы компенсатора импульсных помех?

7. Какой более эффективный путь одновременной защиты от сосредоточенных и импульсных помех?

8. Какие бывают межсимвольные помехи и от чего зависят?

1. Вероятность попадания помехи на вход решающей схемы можно уменьшить, воздействуя на источники помех либо на структуру приемного устройства.

2. Все действия по борьбе с помехами подразделяются на три группы :

· борьба с помехами в месте их возникновения;

· защита от попадания помех на вход решающей схемы;

· повышение помехоустойчивости системы связи путем выбора соответствующих форм сигналов.

3. Для уменьшения уровней сосредоточенных и импульсных помех

· уменьшение уровня и ширины спектра побочных излучений передающих устройств при строгой регламентации допустимой ширины полезной части спектра сигнала, а также ограничение излучаемой мощности;

· экранировка излучающих блоков аппаратуры связи, постановка схем искрогашения на различных энергетических устройствах промышленной, научной, медицинской или бытовой аппаратуры;

· целесообразное размещение электрических систем, в частности, средств связи на местности, при одновременной регламентации работы системы по времени;

· оптимальное распределение и назначение частот всем видам радиотехнических систем, обеспечивающее минимально возможные взаимные помехи.

4. Частотная избирательность основана на том, что каскады приемника до решающей схемы обладают частотной характеристикой, пропускающей только ту часть спектра, где расположена основная мощность сигнала, и сильно подавляющей остальные участки спектра, в которых может находиться помеха.

5. Методы компенсации импульсных помех, несмотря на все их многообразие, основаны на широкополосности спектра помехи расстроенный относительно частоты сигнала.

6. Недостаток схемы заключается в том, что наличие компенсационного тракта приводит к ухудшению помехоустойчивости относительно флуктуационных и сосредоточенных по спектру помех.

7. Более эффективными путями одновременной защиты от сосредоточенных и импульсных помех, являются комбинированные методы разнесенного приема, например, разнесенный прием, одновременно по времени и по частоте.

8. В зависимости от степени искажения формы импульса различают большие и малые межсимвольные помехи.

Источник