Отбеливающие фильтры помогают низко

Oct 07, 2023

В современном быстро меняющемся взаимосвязанном мире маломощные системы беспроводной связи играют все более важную роль. Они позволяют таким устройствам, как носимые устройства, датчики Интернета вещей и гаджеты для умного дома, эффективно передавать и получать данные, сохраняя при этом энергию. Однако в этих системах может возникнуть специфическая проблема: передача длинных последовательностей идентичных битов в потоке данных.

Когда радиостанция отправляет непрерывный поток когерентных битов по каналу связи, это может привести к различным проблемам, включая проблемы синхронизации и усиление эффектов межсимвольной интерференции (ISI). Эти проблемы могут ухудшить точный прием передаваемых данных, влияя на общую производительность системы.

Чтобы решить эту проблему, инженеры часто используют метод обработки сигналов, называемый «отбеливанием». В следующих разделах мы углубимся в основы отбеливающих фильтров, их преимущества и применение в различных протоколах беспроводной связи.

Когда мы говорим об «отбеливании», мы, по сути, говорим о процессе, который делает сигнал более случайным. Представьте, что вы слушаете песню. Если бы вы могли видеть звуковые волны песни, они выглядели бы как повторяющийся во времени узор. Этот повторяющийся паттерн и есть то, что мы называем корреляцией сигнала.

Напротив, если вы слушаете статический шум ненастроенного радио, он звучит совершенно случайно, без какой-либо закономерности — это то, что мы бы назвали белым или выбеленным сигналом.

Почему мы хотим преобразовать данные в более случайную форму перед их отправкой? Дело в том, что реальные системы связи несовершенны. На передаваемый сигнал могут влиять различные факторы во время его пути от передатчика к приемнику. Например, он может отражаться от зданий (явление, называемое многолучевым распространением) или искажаться из-за характеристик среды передачи (например, присутствия шума).

Когда через такую ​​систему передается длинная строка одинаковых символов (например, длинная строка из единиц или нулей), любое искажение одинаково влияет на все эти символы. В результате воздействие искажения усугубляется.

С другой стороны, если данные более случайны (как в случае после отбеливания), влияние любого данного искажения с меньшей вероятностью повлияет на несколько последовательных символов одинаковым образом. Это может помочь уменьшить влияние ISI, облегчая получателю правильную интерпретацию каждого символа.

Отбеливание также помогает равномерно распределить мощность сигнала по полосе частот, гарантируя, что ни одна конкретная частота не несет слишком большой мощности. Это важно, поскольку регулирующие органы часто имеют правила относительно того, какая мощность может передаваться на той или иной частоте.

Для получения «белых» данных полезные данные подвергаются операции XOR с псевдослучайной последовательностью, которая постоянно меняется (рис. 1). Эта псевдослучайная последовательность обычно генерируется с помощью регистра сдвига с линейной обратной связью (LFSR).

Для начала немного предыстории о LFSR:

LFSR — это сдвиговый регистр с линейной функцией предыдущего состояния на входе. На каждом шаге (или «тактовом цикле») каждый бит в регистре сдвигается на следующую позицию, и новый бит, который сдвигается, является выходом линейной функции предыдущего состояния регистра. Эта функция часто представляет собой просто XOR (исключающее ИЛИ) нескольких «нажатых» позиций в регистре.

Давайте углубимся в практический пример, где мы генерируем белые данные путем XOR данных с последовательностью PN9.

Последовательность PN (псевдослучайный шум) — это последовательность битов, которая выглядит случайной, но генерируется детерминированным образом. Он имеет заданную длину, после которой повторяется, и эта длина определяется как 2n-1.

В случае последовательности PN9 это 29 – 1 = 511 состояний. При синхронизации последовательность PN9 генерирует все значения от 1 до 511 в псевдослучайном порядке перед повторением.

PN9 представлен полиномом x9+ x5+ x0. Полином определяет обратную связь или точки «отвода» в LFSR (9-й и 5-й биты). Это означает, что при каждом тактовом импульсе данные в девяти регистрах смещаются вправо один раз, и из регистра выводится одно значение PN, а бит 0 (младший бит) и бит 5 подвергаются операции XOR для создания нового бита, который сдвигается в MSB на следующих часах.