Nové přístupy k řešení ekvalizace v moderních číslicových přenosových systémech

Projekt byl zaměřen na návrh a implementaci nových metod ekvalizace přenosového kanálu v moderních přenosových systémech. Jedná se o problematiku, která není normalizována, a tak výsledky projektu je možno využít i ve stávajících normalizovaných přenosových technologiích. Hlavní oblastí byl výzkum ekvalizačních algoritmů využívaných ve vícetónových modulacích typu DMT a OFDM. Vícetónové modulace jsou stále častěji využívány v systémech přenosu dat v přístupových sítích telefonních ústředen v ADSL, VDSL a WLAN. Tyto technologie jsou dnes plně normalizovány, a tak optimalizace ekvalizace přenosového kanálu je jedinou cestou zefektivňování těchto přenosových technologii. Zejména pak bylo cílem optimalizovat návrh tzv. TEQ ekvalizéru, jež minimalizuje vliv mezisymbolových přeslechů. Úkolem tohoto ekvalizéru je zkrátit impulsní odezvu přenosového kanálu k délce tzv. cyklické předpony, která je poté v přijímači odstraněna, a tak zcela odstranit vliv mezisymbolových přeslechů. Úkolem inicializace tohoto ekvalizéru, která probíhá během inicializace vlastní datové komunikace, je navrhnout koeficienty tohoto ekvalizéru, který je zpravidla řešen jako číslicový filtr typu FIR. Na základě analýzy vlivu mezisymbolových přeslechů na datový přenos pomocí DMT modulace stávajících metod byly navrženy nové návrhové metody koeficientů TEQ ekvalizérů SIRCH-CC-UTC, SIRCH-CC-UNC, SIRCH-CC-UEC, SIRCH-CC-UTCT a MIN-ISI-CC. Rozdíl oproti stávajícím je zejména v odlišné definici korelačních matic oproti stávajícím metodám. Podařilo se dokázat, že při přenosu dochází vlivem realizace vlastní modulace DMT k cyklické konvoluci na místo lineární. Navržené metody byly společně s existujícími testovány. V programovém prostředí MATLAB byly vytvořeny testovací nástroje ve formě grafických rozhraní GUI. Vytvořené testovací prostředky byly zpřístupněny na webové stránce a umožňují porovnat výsledky algoritmů, určit potřebný řád filtru a optimální zpoždění při výpočtu vzájemné korelační matice, které je při implementaci nastaveno na pevnou hodnotu. Vybrané metody byly implementovány v jazyce C na vývojových kitech ADSL modemu Fujitsu KeyWave. V oblasti výzkumu ekvalizací jsme měli několik ohlasů, z nichž nejvíce si vážíme ohlasu v americkém patentu United States Patent 7212595 - Reduced complexity time-frequency trained equalizer for discrete multi-tone based DSL systems, jejimž vlastníkem je kanadská firma Conexant Inc., výrobce modemů. Práce v posledním roce byly věnovány i alternativní modulaci FMT (Filtered MultiTone). Pro porovnání byly realizovány implementace FMT a DMT modulace na vývojovém Kitu se signálovým procesorem TI TMS320C6713. Na webovské stránce byl zpřístupněn nástroj pro návrh a analýzu prototypových filtrů užívaných v FMT modulaci. Pro zajištění pokračováním výzkumu v oblasti FMT modulací se podařilo získat grantový projekt GAČR 102/09/1846, který bude využívat výsledků i pořízeného materiálního zabezpečení z tohoto projektu.

New approaches to solving equalization in modern digital transmission systems

The project focused on the design of new approaches to solving transmission channel equalization in modern transmission technologies. This part has not been normalized and so the results of the project can also be used in the existing normalized transmission technologies. The project was mainly focused on the equalization algorithms used in multitone modulations, mainly on DMT and OFDM. Multitone modulations are increasingly used for data transmission in telephone access networks by ADSL, VDSL technologies and in the WLAN wireless transmission systems. These technologies are fully standardized and so optimizing the equalization of transmission channel is the only way how to optimize these transmission technologies. The goal was mainly to optimize the design algorithms of TEQ equalizer coefficients. The TEQ equalizer minimizes inter-symbol interferences (ISI). The task of equalizer is to shorten the channel impulse response to the length of cyclic prefix, which is then removed in the receiver. The initialization of the equalizer, which is realized during the data communication initialization, contains the FIR filter coefficients of the equalizer design. Based on the analyses of the effects of inter-symbol interferences on the DMT-based data transmission and of the existing design algorithms We have proposed new design algorithms of TEQ equalizer coefficients (SIRCH-CC-UTC, SIRCH-CC-UNC, SIRCH-CC-UEC, SIRCH-CC-UTCT and MIN-ISI-CC). They differ from the current algorithms mainly in the different definition of individual correlation matrices. We have also shown that within the data transmission a cyclic convolution instead of linear convolution between the transmitted signal and the channel occurs due to the realization of DMT system. The design algorithms were tested together with the current methods. With the help of the MATLAB programming environment testing tools with the graphic user interface (GUI) have been realized. The realized testing tools have been published on the Website. The tools enable comparing algorithms results, determining the necessary filter order and finding the optimum delay, which is a parameter during the computation of cross-correlation matrix computation. The delay is implemented fixedly. The selected methods have been implemented with the help of the C programming language on the Fujitsu KeyWave ADSL developments kit. In the area of equalization research we have several responses, from which we most appreciate the response in US patent 7212595 - Reduced complexity time-frequency trained equalizer for discrete multi-tone based DSL systems, the owner of which is the Canadian company Conexant Inc., modem manufacturers. In the last year the work was concentrated on the alternative modulation FMT (Filtered MultiTone). To compare FMT and DMT modulation we implemented both of them on development kits with DSPs TMS320C6713. The tool, which enables the design and analysis of the prototype filter used in FMT modulation, has been published on the Website. To support the research into FMT modulation we received GAČR project No. 102/09/1846, which will use the results and the facilities purchased during this project.

Vybrané publikační výstupy:

[1] ŠILHAVÝ, P. Time domain equalization in modern communication systems based on discrete multitone modulation. In Sixth International     Conference of Networking. Sante-Luce, Martinique, France, IARIA, LCN 2006941010. 2007. p. 1 - 5. ISBN 0-7695-2805-8.
[2] ŠILHAVÝ, P. Practical experience of implementation of time domain equalization used in ADSL systems. Telecomunication and signal processing - TSP -2006, 29th International Conference. Brno 2006, s. 107 - 110, ISBN 80-214-3226-8.
[3] ŠILHAVÝ, P. Utilization of a new time domain equalization algorithm SIRCH in VDSL technology. RESEARCH IN TELECOMMUNICATION TECHNOLOGY-RTT 2006. Brno, 2006, ISBN 80-214-3243-8.
[4] ŠILHAVÝ, P. Ekvalizace v časové oblasti v modulačních systémech využívajících vícetónovou modulaci. ELEKTROREVUE. 2007/5 . s. 1 - 13. ISSN 1213-1539.
[5] KRAJSA, O. Implementation of FMT modulation on signal processor with using Matlab. In 8-th International Conference - Research in Telecommunication Technology RTT - 2007. Žilinská Univerzita. 2007. p. 1 - 4. ISBN 978-80-8070-735-4.
[6] ŠILHAVÝ, P.; KRAJSA, O. Nové přístupy k řešení ekvalizace v moderních číslicových přenosových systémech - Průběžná zpráva grantu GAČR PostDoc číslo 102/06/P160, 2006-2007. Brno, VUT v Brně. 2007. p. 1 - 82 (výzkumná zpráva).
[7] ŠILHAVÝ, P. Analyzační Tool TEQ návrhových algoritmů pro ADSL (software).
[8] ŠILHAVÝ, P. Half-overlap subchannel Filtered MultiTone Modulation with the small delay. In The Seventh International Conference of Networking. 1. Cancun, Mexico, IARIA, LCN 2007941923. 2008. p. 1 - 5. ISBN 978-0-7695-3106-9.
[9] KRAJSA, O.; ŠILHAVÝ, P.; HOŠEK, J. FMT modulation and its implementation within a signal processor. In Proceedings of Multi Conference on Computer Science and Information Systems 2008. 1. Amsterdam, IADIS. 2008. p. 151 - 153. ISBN 978-972-8924-67-6.
[10] ŠILHAVÝ, P. Utilization of DFE Equalizer in Systems Using Half-overlap subchannel FMT Modulation. In 9-th International Conference - Research in Telecommunication Technology RTT - 2007. 1. Bratislava, FEI STU Bratislava. 2008. p. 1 - 5. ISBN 978-80-227-2939-0.
[11] KRAJSA, O.; KOUTNÝ, M. Possibilities of utilization of the FMT modulation inPCL systems. In 9-th International Conference - Research in Telecommunication Technology RTT - 2008. 1. Bratislava, FEI STU Bratislava. 2008. p. 1 - 3. ISBN 978-80-227-2939-0.
[12] Ondra Valencie (přijato k publikaci)
[13] ŠILHAVÝ, P.; KRAJSA, O. Nové přístupy k řešení ekvalizace v moderních číslicových přenosových systémech - Závěrečná zpráva grantu GAČR PostDoc číslo 102/06/P160, 2008. Brno, VUT v Brně. 2008. p. 1 - ? (výzkumná zpráva).
[14] ŠILHAVÝ, P. Analyzační Tool TEQ návrhových algoritmů pro ADSL. (software) 2007.
[15] ŠILHAVÝ, P.Tool pro návrh filtrů a výpočet koeficientů polyfázových filtrů využívaných v FMT modulaci (software) 2008.
[16] ŠILHAVÝ, P. Analyzační Tool TEQ návrhových algoritmů pro VDSL (software) 2008.