Турбо-эквалайзер

В цифровой связи турбоэквалайзер — это тип приемника, используемый для приема сообщения, поврежденного каналом связи с межсимвольной интерференцией (ISI). Он приближается к производительности приемника с максимальным апостериорным (MAP) методом итеративной передачи сообщений между эквалайзером soft-in-soft-out (SISO) и декодером SISO. ^[1] Он связан с турбокодами тем, что турбоэквалайзер можно считать типом итеративного декодера, если канал рассматривается как неизбыточный сверточный код . Однако турбоэквалайзер отличается от классического турбоподобного кода тем, что «канальный код» не добавляет избыточности и, следовательно, может использоваться только для удаления негауссовского шума.

История

Турбокоды были изобретены Клодом Берру в 1990–1991 годах. В 1993 году турбокоды были представлены общественности в статье, в которой перечислены авторы Берру , Главье и Титимайшима . ^[2] В 1995 году новое расширение принципа турбо было применено к эквалайзеру Дуйяром, Жезекелем и Берру . ^[3] В частности, они сформулировали проблему приемника ISI как проблему декодирования турбокода, где канал рассматривается как сверточный код со скоростью 1, а кодирование с исправлением ошибок является вторым кодом. В 1997 году Главье , Лаот и Лабат продемонстрировали, что линейный эквалайзер может использоваться в структуре турбоэквалайзера. ^[4] Это открытие сделало турбоэквализацию достаточно эффективной с вычислительной точки зрения, чтобы ее можно было применять в широком спектре приложений. ^[5]

Обзор

Обзор стандартной системы связи

Прежде чем обсуждать турбоэквалайзеры, необходимо понять базовый приемник в контексте системы связи. Это тема данного раздела.

На передатчике информационные биты кодируются . Кодирование добавляет избыточность, отображая информационные биты в более длинный битовый вектор — вектор кодовых битов . Затем закодированные биты перемежаются . Перемежение изменяет порядок кодовых битов, в результате чего получаются биты . Основная причина этого — изолировать информационные биты от импульсного шума. Затем преобразователь символов отображает биты в сложные символы . Затем эти цифровые символы преобразуются в аналоговые символы с помощью цифро-аналогового преобразователя . Обычно затем сигнал преобразуется с повышением частоты до частот пропускания полосы пропускания путем смешивания его с несущим сигналом. Это необходимый шаг для сложных символов. Затем сигнал готов к передаче по каналу . ${\displaystyle a}$ ${\displaystyle b}$ ${\displaystyle b}$ ${\displaystyle b}$ ${\displaystyle c}$ ${\displaystyle c}$ ${\displaystyle x}$

На приемнике операции, выполняемые передатчиком, меняются местами для восстановления , оценки информационных битов. Понижающий преобразователь смешивает сигнал обратно в полосу частот. Затем аналого-цифровой преобразователь дискретизирует аналоговый сигнал, делая его цифровым. На этом этапе восстанавливается. Сигнал — это то, что было бы получено, если бы он был передан через цифровой эквивалент полосы частот канала плюс шум . Затем сигнал выравнивается . Эквалайзер пытается распутать межсимвольную интерференцию в полученном сигнале, чтобы восстановить переданные символы. Затем он выводит биты, связанные с этими символами. Вектор может представлять жесткие решения по битам или мягкие решения. Если эквалайзер принимает мягкие решения по битам, он выводит информацию, касающуюся вероятности того, что бит будет равен 0 или 1. Если эквалайзер принимает жесткие решения по битам, он квантует мягкие решения по битам и выводит либо 0, либо 1. Затем сигнал деинтерливируется, что является простым преобразованием перестановки, которое отменяет преобразование, выполненное перемежителем. Наконец, биты декодируются декодером. Декодер оценивает из . ${\displaystyle {\hat {a}}}$ ${\displaystyle y}$ ${\displaystyle y}$ ${\displaystyle x}$ ${\displaystyle {\hat {c}}}$ ${\displaystyle {\hat {c}}}$ ${\displaystyle {\hat {a}}}$ ${\displaystyle {\hat {b}}}$

Ниже представлена ​​схема системы связи. На этой схеме канал является эквивалентным каналом основной полосы, что означает, что он охватывает ЦАП, повышающий преобразователь, канал, понижающий преобразователь и АЦП.

Обзор турбо-эквалайзера

Ниже представлена ​​структурная схема системы связи, использующей турбоэквалайзер. Турбоэквалайзер включает в себя эквалайзер, декодер и блоки между ними.

Разница между турбоэквалайзером и стандартным эквалайзером заключается в контуре обратной связи от декодера к эквалайзеру. Благодаря структуре кода декодер не только оценивает информационные биты , но и обнаруживает новую информацию о закодированных битах . Таким образом, декодер может выводить внешнюю информацию о вероятности того, что был передан определенный поток кодовых битов. Внешняя информация — это новая информация, которая не выводится из входной информации в блок. Затем эта внешняя информация преобразуется обратно в информацию о переданных символах для использования в эквалайзере. Эти внешние вероятности символов, , подаются в эквалайзер как априорные вероятности символов. Эквалайзер использует эту априорную информацию, а также входной сигнал для оценки внешней информации о вероятности переданных символов. Априорная информация, подаваемая в эквалайзер, инициализируется до 0, что означает, что начальная оценка, сделанная турбоэквалайзером, идентична оценке, сделанной стандартным приемником. Затем информация преобразуется обратно в информацию о для использования декодером. Турбоэквалайзер повторяет этот итерационный процесс до тех пор, пока не будет достигнут критерий остановки. ${\displaystyle a}$ ${\displaystyle b}$ ${\displaystyle {\tilde {b}}}$ ${\displaystyle x}$ ${\displaystyle {\tilde {x}}}$ ${\displaystyle y}$ ${\displaystyle {\hat {a}}}$ ${\displaystyle {\hat {x}}}$ ${\displaystyle b}$

Турбоэквализация в практических системах

В практических реализациях турбоэквализации необходимо рассмотреть еще один вопрос. Информация о состоянии канала (CSI) , с которой работает эквалайзер, поступает из некоторой техники оценки канала и, следовательно, ненадежна. Во-первых, для повышения надежности CSI желательно включить блок оценки канала также в цикл турбоэквализации и анализировать оценку канала, направленную на мягкое или жесткое решение, в каждой итерации турбоэквализации. ^{[6] [7]} Во-вторых, включение наличия неопределенности CSI в конструкцию турбоэквализации приводит к более надежному подходу со значительным приростом производительности в практических сценариях. ^{[8] [9]}

Ссылки

1. Koetter, R.; Singer, AC; Tuchler, M. (2004). "Турбоэквализация". Журнал обработки сигналов IEEE . 21 (1): 67–80. Bibcode : 2004ISPM...21...67K. doi : 10.1109/MSP.2004.1267050. S2CID  14036611.
2. Берру, Клод; Главье, Ален; Титимайшима, Пунья (1993). "Кодирование и декодирование с исправлением ошибок вблизи предела Шеннона: турбокоды. 1". Труды ICC '93 - Международная конференция IEEE по коммуникациям . Том 2. С. 1064–1070. doi :10.1109/ICC.1993.397441. ISBN 0-7803-0950-2. S2CID  17770377.
3. Дуйяр, Катрин; Жезекель, Мишель; Берру, Клод (1995). «Итеративная коррекция межсимвольной интерференции: турбовыравнивание» (PDF) . European Transactions on Telecommunications . 6 (5): 507. doi :10.1002/ett.4460060506.
4. Glavieux, A.; Laot, C. & Labat, J. (1997). "Турбоэквализация по частотно-селективному каналу". Proc. Int. Symp. Turbo Codes, Брест, Франция . С. 96–102. CiteSeerX 10.1.1.143.6389 . 
5. Tüchler, M.; Koetter, R. & Singer, AC (2002). «Турбовыравнивание: принципы и новые результаты». IEEE Transactions on Communications . 50 (5): 754–767. CiteSeerX 10.1.1.16.8619 . doi :10.1109/tcomm.2002.1006557. 
6. Нефедов, Н.; Пуккила, М.; Висос, Р.; Бертет, АО (2003). «Итеративное обнаружение данных и оценка канала для современных систем TDMA». IEEE Transactions on Communications . 51 (2): 141. doi :10.1109/TCOMM.2003.809218.
7. Park, SY; Kang, CG (2004). "Итеративный приемник MAP с уменьшенной сложностью для подавления помех в системах пространственного мультиплексирования на основе OFDM". Труды IEEE по транспортным технологиям . 53 (5): 1316. doi :10.1109/TVT.2004.832383. S2CID  32816930.
8. Нисар, Мухаммад Даниш; Утшик, Вольфганг (2011). «Минимаксное надежное выравнивание каналов с учетом априорной информации». Труды IEEE по обработке сигналов . 59 (4): 1734. Bibcode : 2011ITSP...59.1734N. doi : 10.1109/TSP.2010.2101068. S2CID  15803557.
9. Калантарова, Наргиз; Козат, Сулейман С.; Эрдоган, Альпер Т. (2011). «Надежная турбо-эквализация в условиях неопределенности канала». Симпозиум IEEE по радио и беспроводной связи 2011 г. стр. 359. doi :10.1109/RWS.2011.5725469. ISBN 978-1-4244-7687-9.

Дальнейшее чтение

• Koetter, R.; Singer, AC; Tuchler, M. (2004). "Турбоэквалайзер" (PDF) . Журнал обработки сигналов IEEE . 21 (1): 67–80. Bibcode :2004ISPM...21...67K. doi :10.1109/MSP.2004.1267050. S2CID  14036611.— учебник по турбоэквализации. Поскольку он был написан для сообщества обработки сигналов в целом, он относительно доступен.
• Тухлер, М.; Кёттер, Р.; Сингер, А.С. (2002). «Турбоэквализация: принципы и новые результаты» (PDF) . IEEE Transactions on Communications . 50 (5): 754–767. doi :10.1109/TCOMM.2002.1006557.— предлагает подробное и понятное объяснение турбоэквализации.

Смотрите также

• Эквалайзер (связь)