Адаптивная частотная коррекция: будьте осторожны с выравниванием

Бен Зарлинго (Ben Zarlingo)

Эквалайзер может сделать характеристику канала “плоской”, но это ли вам нужно на самом деле?

Теоретически адаптивная частотная коррекция позволяет приёмнику полностью скорректировать погрешности частотной характеристики канала и приёмопередающего оборудования, и обеспечить равномерность амплитудной характеристики и групповой задержки.

Прекрасно! Идеально скорректированные сигналы для демодуляции! Увы, это слишком хорошо, чтобы быть правдой, и если бы вселенная была устроена именно так, вам бы не пришлось столько работать. 

Если речь идёт о реальном канале и обучающей последовательности, восстановленной на приёмной стороне, то можно найти веские причины против идеальной коррекции.
Например, давайте начнём с сигнала OFDM 802.11a, который я захватил, используя в качестве антенны канцелярскую скрепку, вставленную в переходник BNC^*. Использовав стробирование, я выделил обучающую последовательность в том виде, в каком её восстановил приёмник.

Стробированное измерение спектра обучающей последовательности канала (вверху) показывает частотную характеристику ВЧ канала на частоте 5,8 ГГц в условиях офиса. Вертикальный масштаб равен 5 дБ/дел, и частотная характеристика меняется в пределах от 12 до 15 дБ.

Частотная характеристика канала на частоте 5,8 ГГц состоит из пиков поднесущих, которые можно использовать для коррекции амплитуды/фазы или I/Q. Однако существуют ограничения на применение обучающей последовательности, и в основном они связаны с шумами.
Во-первых, заметьте, что частотная характеристика канала меняется примерно от 12 до 15 дБ. Если в качестве опорной использовать поднесущую с максимальным уровнем, то поднесущие с минимальным уровнем возрастут с 12 до 15 дБ, и на столько же увеличится связанный с ними шум. Поскольку эти слабые поднесущие относительно близки к уровню шума, эквалайзер существенно увеличит мощность шума. А если в результате многолучевого распространения некоторые поднесущие обратятся в ноль, что иногда и происходит, то эквалайзер поднимет шум на этих частотах ещё больше, в сущности, заменяя модулированные поднесущие шумом.
Шум также вносит неопределённость в проектирование выравнивающего фильтра. Каждая принятая поднесущая обучающей последовательности содержит малую долю общей энергии, полученную в очень короткое время, поэтому построение хорошего выравнивающего фильтра по столь ограниченной информации может оказаться весьма непростой задачей. Ошибки, вызванные плохой коррекцией, могут породить ошибки демодуляции.
Эти проблемы можно смягчить несколькими способами, включая интеллектуальное и динамическое ограничение усиления фильтров эквалайзера. Фильтры можно обучать последовательно по нескольким пакетам, реализовав некоторое подобие усредняющей функции, постоянная времени которой зависит от скорости, с которой предположительно может изменяться канал. Кроме того, в отделении несущих от шума может помочь правильный выбор алгоритмов фильтрации.
Поскольку в описанной ситуации энергия и информация связаны между собой, больше информации можно получить, обучая эквалайзер не только на обучающей последовательности, но и на полезном сигнале. Такая комбинация потребует большей вычислительной мощности, но для современных приёмников это не проблема.
Эквалайзеры, сколь бы продвинутыми они ни были, и как бы их ни обучали, не могут исправить все поднесущие. При возникновении ошибки модуляции на одной или нескольких поднесущих, на помощь может прийти кодирование, позволяющее восстановить потерянные данные по другим поднесущим. Система может даже изменять схемы кодирования на лету в соответствии с динамическим состоянием канала.
Кроме того, частотная коррекция может помочь в диагностике. В таких инструментах, как программное обеспечение 89600 VSA, для сигналов OFDM можно выбирать разные методы обучения. Фильтр эквалайзера можно создать на основе одной только обучающей последовательности или на основе обучающей последовательности и принимаемых данных, причём фильтр может контролироваться непосредственно. Переключение между этими технологиями при одновременном контроле амплитуды вектора ошибок (EVM) и фильтра эквалайзера может дать представление о паразитных воздействиях на канал и о характеристиках системы.
^* Не смейтесь. Обрезанная до нужной длины канцелярская скрепка отлично работает в качестве антенны на 5,8 ГГц, а применение недорогого переходника на BNC уберегло от повреждения входной разъём моего анализатора.