Межсимвольная интерференция

В телекоммуникациях , межсимвольная интерференция ( ISI ) — это форма искажения сигнала символ при которой один мешает последующим символам. Это нежелательное явление, поскольку предыдущие символы имеют эффект, аналогичный шуму , что делает связь менее надежной. Распространение импульса за пределы отведенного ему временного интервала приводит к тому, что он создает помехи соседним импульсам. ^[1] ISI обычно вызывается многолучевым распространением или собственной линейной или нелинейной частотной характеристикой канала связи, вызывающей размытие последовательных символов.

Наличие ИСИ в системе вносит ошибки в устройство принятия решения на выходе приемника. Таким образом, при разработке передающих и приемных фильтров цель состоит в том, чтобы минимизировать влияние ISI и тем самым доставить цифровые данные к месту назначения с наименьшим возможным коэффициентом ошибок.

Способы уменьшения межсимвольных помех включают адаптивные коды коррекции и коррекции ошибок . ^[2]

Причины

Многолучевое распространение

Одной из причин межсимвольных помех является многолучевое распространение , при котором беспроводной сигнал от передатчика достигает приемника по нескольким путям. Причинами этого являются отражение (например, сигнал может отражаться от зданий), преломление (например, через листву дерева) и атмосферные эффекты, такие как атмосферные каналы и ионосферное отражение . Поскольку различные пути могут иметь разную длину, это приводит к тому, что разные версии сигнала приходят к приемнику 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 амплитуду и/или фазу сигнала, тем самым вызывая дополнительные помехи принимаемому сигналу.

Каналы с ограниченной полосой пропускания

Другой причиной межсимвольных помех является передача сигнала через канал с ограниченной полосой пропускания , т. е. такой, в котором частотная характеристика равна 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, поступающего на приемник. Эффекты фильтрации прямоугольного импульса не только изменяют форму импульса в течение первого периода символа, но также распространяются на последующие периоды символа. Когда сообщение передается по такому каналу, расширенный импульс каждого отдельного символа будет мешать последующим символам.

Каналы с ограниченной полосой пропускания присутствуют как в проводной, так и в беспроводной связи. Ограничение часто накладывается желанием передавать несколько независимых сигналов через одну и ту же зону/кабель; из-за этого каждой системе обычно выделяется часть общей доступной полосы пропускания . Для беспроводных систем им может быть выделен участок электромагнитного спектра для передачи (например, FM-радио часто транслируется в диапазоне 87,5–108 МГц ). Этими ассигнованиями обычно управляет правительственное учреждение ; в случае США это Федеральная комиссия по связи (FCC). В проводной системе, такой как оптоволоконный кабель , распределение будет определяться владельцем кабеля.

Ограничение полосы также может быть связано с физическими свойствами среды - например, кабель, используемый в проводной системе, может иметь граничную частоту, выше которой практически ни один передаваемый сигнал не будет распространяться.

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 ограниченную полосу пропускания, то можно вообще обмениваться данными без ISI. Часто характеристика канала заранее неизвестна, и адаптивный эквалайзер для компенсации частотной характеристики используется .

Влияние на рисунок глаз

Один из способов экспериментального изучения ISI в PCM или системе передачи данных состоит в том, чтобы применить полученную волну к пластинам вертикального отклонения осциллографа и применить пилообразную волну со скоростью передаваемых символов R (R = 1/T) к горизонтальному отклонению. тарелки. Полученное изображение называется глазковым узором из-за его сходства с человеческим глазом для бинарных волн. Внутренняя область рисунка глаз называется глазным отверстием. Глазковый рисунок предоставляет много информации о работе соответствующей системы.

Ширина «глазка» определяет временной интервал, в течение которого принимаемая волна может быть измерена без ошибок ISI. Очевидно, что предпочтительным временем для отбора проб является тот момент, когда глаз открыт наиболее широко.
Чувствительность системы к ошибке синхронизации определяется скоростью закрытия глаза при изменении времени выборки.
Высота отверстия глаза в заданное время выборки определяет запас по шуму.

Глазковая диаграмма бинарной системы PSK
Глазковая диаграмма той же системы с добавленными эффектами многолучевого распространения.

Глазковая диаграмма, накладывающая множество образцов сигнала, может дать графическое представлениехарактеристики сигнала. Первое изображение выше представляет собой глазковый шаблон для системы двоичной фазовой манипуляции (PSK), в которой единица представлена амплитудой -1, а ноль - амплитудой +1. Текущее время выборки находится в центре изображения, а предыдущее и следующее время выборки — по краям изображения. На диаграмме хорошо видны различные переходы от одного времени выборки к другому (например, «один к нулю», «один к одному» и т. д.).

Запас шума — количество шума, необходимое для того, чтобы приемник получил ошибку, — определяется расстоянием между сигналом и точкой нулевой амплитуды во время выборки; другими словами, чем дальше от нуля во время выборки сигнал, тем лучше. Чтобы сигнал был правильно интерпретирован, его необходимо отбирать где-то между двумя точками, где пересекаются переходы от нуля к единице и от одного к нулю. Опять же, чем дальше друг от друга эти точки, тем лучше, поскольку это означает, что сигнал будет менее чувствителен к ошибкам синхронизации выборок на приемнике.

Эффекты ISI показаны на втором изображении, которое представляет собой глазковую диаграмму той же системы при работе по многолучевому каналу. Последствия приема задержанных и искаженных версий сигнала можно увидеть в потере четкости переходов сигнала. Это также уменьшает как запас по шуму, так и окно, в котором сигнал может быть дискретизирован, что показывает, что производительность системы будет хуже (т. е. у нее будет больший коэффициент ошибок по битам ).

Противодействие ISI

Последовательные импульсы повышенного косинуса, демонстрирующие свойство нулевого ISI.

и хранении данных существует несколько методов В телекоммуникациях , которые пытаются обойти проблему межсимвольных помех.

Спроектируйте системы так, чтобы импульсная характеристика была достаточно короткой, чтобы очень мало энергии от одного символа попадало в следующий символ.
Разделяйте символы по времени с помощью защитных периодов .
Примените эквалайзер на приемнике, который, вообще говоря, пытается отменить эффект канала, применяя инверсный фильтр.
Примените детектор последовательности на приемнике, который пытается оценить последовательность передаваемых символов с помощью алгоритма Витерби .

Преднамеренная межсимвольная интерференция

Также существуют системы кодированной модуляции, которые намеренно встраивают контролируемую величину ISI в систему на стороне передатчика, известную как сигнализация быстрее, чем сигнал Найквиста . Такая конструкция компенсирует снижение вычислительной сложности в приемнике за счет прироста мощности по Шеннону всей приемопередающей системы. ^[3]

См. также

Критерий Найквиста ISI

Ссылки

^ Лати, БП; Дин, Чжи (2009). Современные цифровые и аналоговые системы связи (Четвертое изд.). Oxford University Press, Inc. с. 95. ИСБН 9780195331455 .
^ Цифровые коммуникации Саймона Хейкина, Университет Макмастера
^ Андерсон, Джон Б.; Русек, Фредрик; Овалль, Виктор (август 2013 г.). «Сигнализация быстрее, чем Найквист» (PDF) . Труды IEEE . 101 (8): 1817–1830. дои : 10.1109/JPROC.2012.2233451 .

Дальнейшее чтение

Уильям Дж. Далли и Джон В. Поултон (1998). Цифровая системная инженерия . Издательство Кембриджского университета. стр. 280–285 . ISBN 9780521592925 .
Эрве Бенуа (2002). Цифровое телевидение . Фокальная пресса. стр. 90–91. ISBN 9780240516950 .

Внешние ссылки

[1] Лати, БП; Дин, Чжи (2009). Современные цифровые и аналоговые системы связи (Четвертое изд.). Oxford University Press, Inc. с. 95. ИСБН 9780195331455 .

[2] Цифровые коммуникации Саймона Хейкина, Университет Макмастера

[3] Андерсон, Джон Б.; Русек, Фредрик; Овалль, Виктор (август 2013 г.). «Сигнализация быстрее, чем Найквист» (PDF) . Труды IEEE . 101 (8): 1817–1830. дои : 10.1109/JPROC.2012.2233451 .

[1]

[2]

[3]