Helsinki University of Technology Laboratory of Telecommunications Technology

Transkriptio

1 Helsinki University of echnology Laboratory of elecommunications echnology S Signaalinkäsittely tietoliikenteessä I Signal Processing in Communications (2 ov) Syksy Luento: Kaiunpoisto prof. imo Laakso Vastaanotto torstaisin klo 1011 Huone G210, puh Sähköposti: timo.laakso@hut.fi KAIUNPOISO (LM19) avallinen puhelinyhteys käyttää yhtä johtopariaksisuuntaiseen lähetykseen. Oma puhe kuuluu myös omasta mikrofonista, mutta se ei häiritse kunhan se ei sisällä riittävän viiveen päästä saapuvaaukopään kaikua (esim. satelliitin kautta siirrettävät ulkomaan puhelut). oiminta on itse asiassa lähempänä simplexlähetystä kuin fullduplexia hyviin tapoihinhan kuuluu puhua vuorotellen. Puheensiirrossaiunpoistoa voidaan käyttää häiritsevän kaikusignaalin vaimentamiseen Datasiirrossaiunpoisto mahdollistaa samaan tapaan samanaikaisen, kaksisuuntaisen tiedonsiirron samalla taajuuskaistalla datayhteyksillä. Näin säästetään taajuuskaistaa eletekniikan laboratorio Sivu 2 1 Kaiunpoisto Kaiunpoistaja toimii kaksisuuntaisen linkin molemmissa päissä ja sen toimintaidea on seuraava: 1) unnetaan (opitaan adaptiivisesti) siirtofunktio omasta lähettimestä omaan vastaanottimeen 2) Muodostetaan kaiun kopio 3) Vähennetään kopio vastaanotetusta signaalista jolloin jäljelle jää toisen lähettimen lähettämä signaali. X RX Kaksisuuntainen johtotransmissio EC HYBRIDI HYBRIDI EC Kuvassa 191 on kaiunpoistomenetelmä kaksisuuntaiselle tiedonsiirrolle. Hybridi on moduuli, joka toteuttaa virtuaalisen nelijohdinkytkennän. Kaiunpoistaja (echo canceler, EC) on adaptiivinen FIRsuodatin, joka oppii hybridin vasteen ja muodostaa lähetetyn signaalin kopion. RX X eletekniikan laboratorio Sivu eletekniikan laboratorio Sivu 4 2

2 Kaiunpoistajan matemaattinen malli FIRsuodinrakenne kaiunpoistoon Paikallislähetin y(t) X EC HYBRIDI Kaukolähetin Kaikusignaali haluttu signaali Kuvassa 192 on kaiunpoistajan signaalitason tarkastelu. Näemme, että paikallinen vastaanotin saaukolähettimen signaalin, jos malli on konvergoitunut () = () () () ( ) ( ) = () et rt rt xt xt r t = r t eletekniikan laboratorio Sivu 5 x(t) y i c 0 c 1 c 2 c N1 e i =r i r i x i r i eletekniikan laboratorio Sivu 6 x i r i KAIKU SIGNAALI Kuvassa 193 on kaiunpoistoon soveltuva FIRsuodatin, jonka kertoimien adaptointi voidaan tehdä stokastisella gradienttialgoritmilla. 3 Rx Data x Data Vast.ottosuodin akaisinmuokkain Kaiunpoistovastaanottimen lohkokaavio Muokkain Ilmaisin Näytt.otto Ajastus Kello Paikallisvast.otin RX e(t) = r (t)x(t) Kaiunpoisto r (t) x(t) Kaiunpoistaja _ Lähetyssuodin Johtokoodaus Hybridi Kuvassa 194 on kaaviokuvaksisuuntaisesta, digitaalisesta tilaajaliittymästä eletekniikan laboratorio Sivu 7 x(t) Kaiunpoistovastaanottimen lohkokaavio Muokkain (scrambler) muokkaa signaalia sellaiseksi, että ajoituksen muodostus onnistuu vastaanottimessa Johtokoodauksella vaikutetaan signaalin spektriin, (vaikkapa poistetaan DCkomponentti), Lähetyssuodatin vaimentaorkeita taajuuksia (RFI, ylikuuluminen) Kaiunpoistaja sijoitetaan kohtaan, jossaikureitti on lineaarinen Vastaanottosuodatin estää laskostumisen Seuraavaksi signaali näytteistetään Kaiunpoiston jälkeen suoritetaan ilmaisu Ilmaistu bittijono viedään lopuksi takaisinmuokkaimelle eletekniikan laboratorio Sivu 8 4

3 Näytteenottotaajuuden valinta Näytteenottotaajuutta valittaessa on huomioitavaksi asiaa: kaiunpoistajan monimutkaistuminen ja ajoituksen muodostuksen helppous. Datan kannaltatsoen symbolitaajuinen näytteenotto on riittävä, mutta ajoituksen muodostus tarvitsee yleensä symbolitaajuuteen nähden kaksinkertaisen taajuuden. ästä syystä kaiunpoistajalla on usein eri näytteenottotaajuudet sisäänmenossa ja ulostulossa. Kantataajuinen kanava (LM 19.2) Kantataajuisen kanavan kaiunpoisto eroaa huomattavasti päästökaistakanavan kaiunpoistosta. arkastelemme seuraavaksi lähetettyä PAMsignaalia () = ( ) yt amgt m ( 19. 1) m= Kaikureitin siirtofunktio on F(jω). Määritellään lisäksi h(t) = g(t)*f(t), jolloin saamme kaikuvasteen muotoon () = ( ) rt aht m m ( 19. 2) m= eletekniikan laboratorio Sivu eletekniikan laboratorio Sivu 10 5 Kantataajuinen kaiunpoistaja Kantataajuinen kaiunpoistaja a) g(t) y(t) EC f(t) b) EC g(t) y(t) f(t) Koska lähetetyn signaalin jaiun kaistaleveys on suurempi kuin puolet symbolinopeudesta, niin Kuvan 195a tapauksessa tarvitaan näytetaajuus, joka on yli kaksi kertaa symbolitaajuus. Kuvan 195b tapauksessa sisäänmenon näytteenotto on symbolitaajuista, mutta ulostulon näytetaajuuden pitää olla korkeampi! Kuvassa 195 on esitetty kaksi vaihtoehtoantataajuisen kanavan kaiunpoistoon: eletekniikan laboratorio Sivu eletekniikan laboratorio Sivu 12 6

4 Lomitettu kaiunpoistaja Lomitetut kaiunpoistajat ovat ratkaisu näytetaajuuksien yhteensopivuusongelmaan. Koska lähetyskello on saatavilla, on luonnollista näytteistää kaikusignaalia taajuudella, joka on symbolitaajuuden kokonaiskerrannainen (= R). Vastaanotetun kaikusignaalin näytteet ovat nyt r () l = l r k R l R k, 0 1 ( 19. 3) missä k edustaa symbolin näytteenottohetkeä. ämä esitysmuoto johtaa luontevasti lomitettuun kaiunpoistajaan (Kuva 196): h () l = l h k R l R k, 0 1 ( 194. ) () () rk l = hm l ak m ( 19. 5) m= eletekniikan laboratorio Sivu 13 EC0 EC1 EC(R1) Lomitettu kaiunpoistaja k (k1/r) (k(r1)/r) e k (0) e k (l) eletekniikan laboratorio Sivu 14 e k (1) Kuva 196. Lomitettu kaiunpoistaja e k (R1) 7 Lomitettu kaiunpoistaja Kaikukanavan näytteet voidaan näin tulkita R:n riippumattoman kanavan näytteiksi. Jokaiseen kuviteltuun kanavaan syötetään identtinen symbolisekvenssi. Yhden haaran FIRsuodin muodostaaikuestimaatin N 1 k = m k m m= 0 r c a ( 19. 6) Adaptiivisen lomitetun kaiunpoistajan kaikki FIRhaarat konvergoituvat itsenäisesti. ästä on mm. se hyöty, että kokonaisuuden konvergoituminen tapahtuu rinnakkaisesti (=nopeasti). Ulostulon näytetaajuuden valinta perustuu siis toteutuksen monimutkaisuuden minimoimiseen. Lomitettu kaiunpoistaja Kuvan 195b mukaisella lomitetusti toteutetulla kaiunpoistajalla on siten kiistattomia etuja Kuvan 195a rakenteeseen verrattuna: 1) Lomitetun kaiunpoistajan sisäänmenona on symbolisekvenssi, jonka bittitarkkuus voi olla hyvin pieni ==> tarvittavat kertojat ovat yksinkertaisia 2) Lomitetut FIRkaiunpoistajat ovat lyhyitä ja toisistaan riippumattomia ==> nopea adaptointi 3) Lomitettujen rakenteiden vaatimertolaskuintensiteetti on pienempi eletekniikan laboratorio Sivu eletekniikan laboratorio Sivu 16 8

5 Esimerkki 197 Lomitettu kaiunpoistaja Jos vastaanotetun signaalin näytteenottotaajuus on R näytettä per symboli jaikureitin impulssivasteen tehollinen pituus on N symboliväliä, Kuvan 195onvoluutiosummassa on NR kerrointa, jotka lasketaan R kertaa per symboli (kertolaskutiheys on NR 2 *symbolinopeus). Kuvan 195b kullakin R:llä lomitetullaiunpoistajalla on N kerrointa (kertolaskutiheys on NR). Siksi jälkimmäinen rakenne on yleisimmin käytössä. Adaptointi (LM 19.4) Adaptiivisellaiunpoistajalla on kaksi keskeistä suorituskykyä kuvaavaa ominaisuutta: adaptointinopeus ja adaptoituneen järjestelmän kaiunpoistotarkkuus Nämä ominaisuudet korreloivat yleensä negatiivisesti, eli kun kaiunpoistotarkkuus huononee, adaptointinopeus kasvaa. Käytännön järjestelmiin pitää löytää hyvä kompromissi. Koska johtimien ominaisuudet muuttuvat yhteyden aikana yleensä hyvin hitaasti, adaptointinopeus on tärkeä lähinnä järjestelmän käynnistystilanteessa (äänitaajuusmodeemi) eletekniikan laboratorio Sivu eletekniikan laboratorio Sivu 18 9 Adaptointi Modeemeissäytetäänkin usein yhteyden alussa nopeasti konvergoituvaa (ja epätarkempaa) adaptointialgoritmia. arkkaaiunpoistoa tarvitaan vasta opetusjakson jälkeen. Yleisin adaptointialgoritmi kaiunpoistosovelluksissakin on stokastinen gradienttialgoritmin (SG). Optimaalinen MMSEratkaisu voidaan johtaa samaan tapaan kuin korjaimille, josta saadaan suoraan SGalgoritmi. Pidättäydymme jälleen yksityiskohtien tarkastelusta. Kaukopään kaiku (LM 19.5) Äänitaajuusmodeemeissaikua voi syntyä myös heijastuksenauempauin lähetyspäästä. ällöin puhumme lähikaiun sijastaukokaiusta. Kaukokaiut syntyvät puhelinverkon erilaisissytkentäpisteissä ja ne ovat voimakkaammin vaimentuneituin lähikaiku. Siksi niiden poistoon riittää pienempi tarkkuus. oisaaltaukokaiut voivat sisältää taajuusvärinää ja jopa taajuusoffsetia, minkä takia niiden vaimentaminen on ongelmallisempaa eletekniikan laboratorio Sivu eletekniikan laboratorio Sivu 20 10

6 Kaukopään kaiun mallintaminen Lähi jaukokaiun poistaja Iso viive DELAY h(t) X e jφ(t) a^ k Lähipään kaiunpoistaja Kaukopään kaiunpoistaja Lähikaikuun verrattuna Kuvan 1911 malli kaukopään kaiulle sisältää kaksi lisäominaisuutta: lisäviive, joka edustaa etenemisviivettä lähettimen ja siirtokanavassa olevan kaikupisteen välillä aikavariantti modulaattori, joka edustaantoaallon vaihevärinää ja taajuusvirhettä eletekniikan laboratorio Sivu 21 PLL e jφ(t) Vastaanottimeen Hybridistä Kuvassa 1912 on esitetty lähikaiun jaukokaiun poistava järjestelmä modeemisovellutukseen eletekniikan laboratorio Sivu 22 X 11 Kaiunpoisto tänään Kaiunpoistajien tutkimus jehitystyö kohdistuu nykyisin adaptointinopeuden kasvattamiseen ja epälineaaristen kaikukanavien kumoamiseen. Epälineaarisiaiunpoistajia voidaan toteuttaa esim. neuraaliverkoilla eletekniikan laboratorio Sivu 23 12