Межсимвольная интерференция в телекоммуникациях

Введение

Форма искажения, влияющая на достоверность связи.

В телекоммуникациях, интерсимвольная интерференция (ISI) – это форма искажения сигнала, при которой один символ влияет на последующие символы. Это нежелательное явление, поскольку предыдущие символы оказывают воздействие, аналогичное шуму, что снижает надежность связи. Распространение импульса за пределы выделенного ему временного интервала приводит к его влиянию на соседние импульсы. ISI обычно вызывается многолучевым распространением или неотъемлемой линейной или нелинейной частотной характеристикой канала связи, из-за чего последовательные символы размываются. Присутствие ISI в системе приводит к возникновению ошибок в устройстве принятия решений на выходе приемника. Следовательно, при проектировании передающих и принимающих фильтров целью является минимизация влияния ISI и, таким образом, обеспечение доставки цифровых данных в пункт назначения с минимально возможной частотой ошибок. Методы уменьшения интерсимвольной интерференции включают адаптивную эквализацию и коды коррекции ошибок.

Многопутевое размножение

Одной из причин интерсимвольной интерференции является многолучевое распространение, при котором беспроводной сигнал от передатчика достигает приемника по нескольким траекториям. Причины этого включают отражение (например, сигнал может отражаться от зданий), преломление (например, через листву деревьев) и атмосферные эффекты, такие как атмосферное волновождение и ионосферное отражение. Поскольку различные траектории могут иметь разную длину, это приводит к тому, что различные версии сигнала достигают приемника в разное время. Эти задержки приводят к тому, что часть или весь символ растягивается во времени и накладывается на последующие символы, тем самым затрудняя их корректное обнаружение. Кроме того, различные траектории часто искажают амплитуду и/или фазу сигнала, что дополнительно ухудшает качество принимаемого сигнала.

Канал с ограниченной пропускной способностью

Другой причиной интерсимвольной интерференции является передача сигнала через канал с ограниченной полосой пропускания, то есть канал, у которого частотная характеристика равна нулю выше определенной частоты (частоты среза). Прохождение сигнала через такой канал приводит к удалению частотных компонентов выше этой частоты среза. Кроме того, компоненты частоты ниже частоты среза также могут быть ослаблены каналом. Эта фильтрация передаваемого сигнала влияет на форму импульса, достигающего приемника. Эффекты фильтрации прямоугольного импульса не только изменяют форму импульса в течение первого периода символа, но и приводят к его распространению на последующие периоды символов. Когда сообщение передается через такой канал, растянутый импульс каждого отдельного символа будет создавать интерференцию для следующих символов. Канал с ограниченной полосой пропускания присутствует как в проводных, так и в беспроводных системах связи. Ограничение часто накладывается стремлением обеспечить передачу нескольких независимых сигналов по одной и той же территории/кабелю; в связи с этим 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 вещает в диапазоне 87,5–108 МГц). Это распределение обычно регулируется государственным органом; в случае Соединенных Штатов это Федеральная комиссия по связи (FCC). В проводных системах, таких как оптоволоконный кабель, распределение определяется владельцем кабеля. Ограничение полосы может также быть обусловлено физическими свойствами среды – например, кабель, используемый в проводной системе, может иметь частоту среза, выше которой практически ни один из передаваемых сигналов не будет распространяться. Системы связи, передающие данные по каналам с ограниченной полосой пропускания, обычно используют формирование импульсов для предотвращения интерференции, вызванной ограничением полосы. Если частотная характеристика канала плоская, а фильтр формирования имеет конечную полосу пропускания, возможно осуществление связи без интерсимвольной интерференции. Часто частотная характеристика канала неизвестна заранее, и для компенсации частотного отклика используется адаптивный эквалайзер.

Another cause of intersymbol interference is the transmission of a signal through a bandlimited channel, i. e., one where the frequency response is zero above a certain frequency (the cutoff frequency). Passing a signal through such a channel results in the removal of frequency components above this cutoff frequency. In addition, components of the frequency below the cutoff frequency may also be attenuated by the channel. This filtering of the transmitted signal affects the shape of the pulse that arrives at the receiver. The effects of filtering a rectangular pulse not only change the shape of the pulse within the first symbol period, but it is also spread out over the subsequent symbol periods. When a message is transmitted through such a channel, the spread pulse of each individual symbol will interfere with following symbols. Bandlimited channels are present in both wired and wireless communications. The limitation is often imposed by the desire to operate multiple independent signals through the same area/cable; due to this, each system is typically allocated a piece of the total bandwidth available. For wireless systems, they may be allocated a slice of the electromagnetic spectrum to transmit in (for example, FM radio is often broadcast in the 87.5–108 MHz range). This allocation is usually administered by a government agency; in the case of the United States this is the Federal Communications Commission (FCC). In a wired system, such as an optical fiber cable, the allocation will be decided by the owner of the cable. The bandlimiting can also be due to the physical properties of the medium for instance, the cable being used in a wired system may have a cutoff frequency above which practically none of the transmitted signal will propagate. Communication systems that transmit data over bandlimited channels usually implement pulse shaping to avoid interference caused by the bandwidth limitation. If the channel frequency response is flat and the shaping filter has a finite bandwidth, it is possible to communicate with no ISI at all. Often the channel response is not known beforehand, and an adaptive equalizer is used to compensate the frequency response.

Противодействие ИСИ

Существует несколько методов в телекоммуникациях и хранении данных, направленных на решение проблемы межсимвольной интерференции. При проектировании систем стремятся сделать импульсную характеристику достаточно короткой, чтобы энергия одного символа минимально перекрывала соседний символ. Разделяют символы во времени с помощью защитных интервалов. На приемной стороне применяют эквалайзер, который, по сути, пытается компенсировать влияние канала, используя обратный фильтр. Также на приемной стороне может использоваться детектор последовательности, который оценивает последовательность переданных символов с применением алгоритма Витерби.

Намеренное вмешательство между символами

Существуют также системы кодированной модуляции, которые намеренно вводят контролируемое количество межсимвольной интерференции (ISI) в систему на стороне передатчика, что известно как сигнализация со скоростью, превышающей частоту Найквиста. Такая конструкция позволяет обменять увеличение вычислительной сложности приемника на прирост пропускной способности Шеннона всей системы приемопередатчика.