equalização adaptativa rede móvel

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Cadernos dePós-Graduaçãoem EngenhariaElétrica

MACKENZIE

Cad. de Pós-Graduação em Eng. Elétrica São Paulo, v. 3, n. 1, p. 13-27, 2003.

Técnicas de equalização adaptativa usadas emsistemas de comunicação digital

Antonio Newton Licciardi JuniorMestre em Engenharia Elétrica pela Universidade Presbiteriana Mackenzie

Maria D. MirandaProfessora do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da

Universidade Presbiteriana Mackenzie

RESUMO

Este trabalho tem como principal objetivo identificar quais as técni-cas de equalização adaptativa se destacam nos padrões e sistemasde comunicação usados comercialmente. Na Seção 1, efetuam-seconsiderações sobre o processo de transmissão da informação e suaslimitações físicas. Na Seção 2, são apresentados vários esquemas deequalização adaptativa como forma de compensar efeitos indesejá-veis do meio de transmissão. Finalmente, nas Seções 3 e 4, apresen-tam-se possibilidades práticas de aplicações da equalização adaptativae o que está sendo usado em equipamentos comerciais.

Palavras-chave: Equalização adaptativa. Transmissão digital. Apli-cações da equalização autodidata. Interferênciainter-simbólica.

1 O PROCESSO DE TRANSMISSÃO DE INFORMAÇÃO ESUAS LIMITAÇÕES FÍSICAS

Os sistemas de comunicação podem ser caracterizados a partir de três ele-mentos básicos: a fonte emissora de informações codificadas, o canal de comunicaçãoe o receptor das informações transmitidas pela fonte através do canal (HAYKIN,1996). Em um processo ideal de comunicação, toda informação codificada chega aoreceptor através do canal de comunicação sem sofrer qualquer alteração. Na prática,devido a limitações físicas inerentes existentes neste sistema, o processo de transmis-

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são de informação não ocorre de forma ideal. Como limitações físicas do sistema,pode-se citar:

¨ A capacidade de realizar a fonte transmissora e o receptor. Entenda-se como apossibilidade de implementação prática de modelos teóricos estudados e planeja-dos.

¨ O ruído inerente do sistema de comunicação. A forma mais básica e inseparável deruído existente em sistemas eletrônicos de comunicação é o térmico. Embora sejapossível tratá-lo, não é possível eliminá-lo dos sistemas eletrônicos (HAYKIN,1996; TAUB; SCHILLING, 1986). A existência de ruído no processo de comuni-cação pode fazer com que um símbolo emitido por uma fonte sofra alterações, nãosendo entendido ou corretamente decodificado pelo receptor do sistema.

¨ A potência finita do transmissor. Uma maneira de reduzir a interferência provocadapor certa potência de ruído inerente ao processo de comunicação é elevar a potên-cia do sinal codificado a ser transmitido. Entretanto, existem fatores práticos quelimitam a potência do transmissor.

¨ Sensibilidade finita do receptor. Um aumento da sensibilidade do sistema de recep-ção pode ser conseguido através de uma implementação prática do receptor quebusque melhor eficiência, ou dotando o mesmo de melhores condições de identifi-car o sinal codificado do ruído do sistema.

¨ Resposta em freqüência do canal de comunicação. Um canal ideal permite a passa-gem de todas as componentes de freqüência do sinal, promovendo alterações cons-tantes de fase e de amplitude. Em situações físicas reais, os canais de comunicaçãopermitem a passagem de certos intervalos de freqüências com limites tipicamentefinitos. Nesse intervalo, as componentes do sinal costumam sofrer alterações defase e de amplitude distintas entre si, devido às características particulares de cadacanal. A resposta em freqüência do canal pode possuir característica estacionáriaou não estacionária. Como exemplo desta última pode-se citar um canal de comu-nicação celular, com o receptor se movimentando em relação a fonte. Quando éestudado um novo sistema, verifica-se qual a melhor faixa de freqüências aproveitáveldo canal de comunicações. Na seqüência projetam-se o transmissor e o receptorpara que operem preferencialmente dentro dessa faixa.

2 TÉCNICAS DE RECUPERAÇÃO DO SINAL

O canal possui características físicas próprias independentes das do sinal trans-mitido sobre o qual atua, dentro da faixa de freqüências em que operam os sistemas decomunicação. Tal aspecto pode acarretar certas distorções da informação. Tal fenô-meno de distorção acaba por provocar alterações nos símbolos emitidos pela fonte oupelo transmissor através do canal, bem como interferência entre símbolos emitidos poresta, também chamada de interferência inter-simbólica (ISI). Esses dois últimos são osprincipais efeitos causados pelo canal de comunicação. Essas alterações e interferên-cias podem causar entendimentos errôneos dos símbolos pelo receptor.

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As alterações e interferências citadas devem, dentro da viabilidade física e dacapacidade de realização, ser compensadas no receptor, em geral, antes da decodificaçãodo sinal. Faz-se necessário então o uso de equalizadores de sinais nos receptores. Afinalidade destes é compensar os efeitos comentados, minimizando a alteração simbó-lica e a interferência inter-simbólica na recepção. No Diagrama 1, é apresentado umdiagrama de blocos básico de um sistema de comunicação de canal. O sinal a(t)representa a seqüência simbólica emitida pela fonte no decorrer do tempo, enquantom(t) representa o sinal a(t) de comunicação após ser submetido a um canal com certaresposta em freqüência e largura de faixa finita, e u(t) o sinal de saída do canal decomunicação m(t) adicionado de ruído sistêmico indesejável. Pode-se dizer que odesafio básico que leva à implementação de um equalizador é a necessidade de apartir do sinal u(t) disponível no receptor recuperar-se um sinal ã(t). Deseja-se queeste sinal ã(t) seja o mais similar possível ao sinal a(t) emitido pela fonte. Em situaçãoideal de equalização, o sinal ã(t) deve ser idêntico ao sinal a(t) adicionado de ruídodo sistema, considerando um fator de escala e uma defasagem constante.

Fonte Canal(Largura de Faixa Finita)

Receptor+

Ruído

a(t) u(t)m(t) ã(t)

Diagrama 1 – Diagrama de blocos básico do sistema de comunicação e os sinaisde interesse no processo de equalização.

Os equalizadores podem ser classificados quanto ao modo de funcionamentocomo: adaptativos ou não-adaptativos. Os equalizadores não-adaptativos são aque-les que efetuam compensações nas componentes dos sinais de forma preestabelecida,sendo incapazes de modificar suas condições de operação ou de equalização. Essesforam os primeiros a surgir em implementações de sistemas de comunicação, sendoadequados para canais que possuem características estacionárias e bem conhecidas,ou ainda para aqueles cujas características de transmissão não sofram desvios grandesou alterações com o passar do tempo. Tais tipos de equalizadores foram utilizados atéo fim da década de 60 (HAYKIN, 1996). Na década de 70, começaram a aparecerno mercado as primeiras implementações eletrônicas práticas de equalizadoresadaptativos. Isso foi possível graças à evolução de processadores e microprocessadoresintegrados em pastilhas de semicondutores.

2.1 A EQUALIZAÇÃO ADAPTATIVA

Os equalizadores adaptativos são implementados usando algoritmos que têmcondições de verificar periodicamente características do canal de transmissão e com-pensar ou equalizar, dentro de sua capacidade e de sua limitação física, variaçõesproduzidas por este sobre os símbolos emitidos pela fonte.

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Em relação à maneira de implementar o tratamento dos símbolos recebidosnesses equalizadores, diz-se que os algoritmos adaptativos podem ser de processamentode blocos de dados ou de processamento em tempo real. Por algoritmo de tempo realentenda como aquele cuja velocidade de cálculo de correções dos coeficientes dofiltro é pelo menos igual à velocidade de recepção de símbolos pelo mesmo.

Nos algoritmos adaptativos que tratam blocos de dados, os símbolos recebi-dos são previamente armazenados até que formem um conjunto ou bloco de tamanhopreestabelecido. Somente então o algoritmo do equalizador processa esse bloco dedados para obter as condições de ajuste necessárias dos coeficientes do equalizador,a fim de compensar os efeitos do canal de comunicação sobre os símbolos recebidos.Esse processo pode ser repetido consecutiva e iterativamente, com o objetivo demanter os coeficientes do equalizador atualizados em relação às alterações de caracte-rísticas que possam ocorrer com o canal de comunicação, de interesse em diversassituações reais não-estacionárias.

Nos algoritmos adaptativos de tempo real, a cada recepção de novo símbolodo canal é promovido o cálculo recursivo dos coeficientes do mesmo, buscando oponto ótimo de operação do equalizador. Por ponto ótimo entenda como o conjuntode coeficientes que melhor compensam os efeitos do canal de comunicação naquelemomento, dentro do critério de equalização preestabelecido (HAYKIN, 1996;WIDROW; STEARNS, 1985). De uma maneira geral, pode-se dizer que é possívelexecutar cálculos matemáticos mais elaborados nos algoritmos de equalização em blo-co, enquanto nos algoritmos de tempo real tende-se a buscar uma maior simplicidadecomputacional nos cálculos, para que os mesmos possam ser processados em temporeal com a recepção simbólica pelo sistema equalizador. Por outro ponto de vista,estes últimos exigem menos capacidade de memória para armazenagem de informa-ção dos símbolos recebidos nos circuitos equalizadores, resultando em implementaçõesmais simples que os de processamento de bloco. Se adicionalmente é necessária acompensação de variações de características do canal que ocorrem rapidamente emambientes não estacionários, o algoritmo adaptativo de tempo real pode ser uma apli-cação bem mais interessante e eficaz que o de processamento de blocos.

Os equalizadores adaptativos podem ser implementados utilizando duas téc-nicas: a de equalização supervisionada ou a de equalização autodidata.

2.2 A EQUALIZAÇÃO ADAPTATIVA SUPERVISIONADA

Na técnica de equalização supervisionada, faz-se com que periodicamente,ou quando identificada à necessidade, a fonte emita uma seqüência de símbolos queseja previamente conhecida pelo receptor (GODARD, 1980; HAYKIN, 1996;WIDROW; STEARNS, 1985). Através de comparações entre os sinais recebidosatravés do canal e o sinal conhecido de treinamento, o algoritmo do equalizador doreceptor pode ajustar os coeficientes deste, para melhor compensar ou equalizar osefeitos provocados pelo canal. Esse processo digital supervisionado é mostrado noEsquema 1. Os sinais a

n, m

n e u

n correspondem aos sinais a(t), m(t) e u(t) do

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Diagrama 1 devidamente amostrados ou na forma discreta no tempo. No Esquema 1,observa-se d(n), que corresponde ao sinal de treinamento usado no processo deequalização. O sinal y(n) é a seqüência simbólica recebida e equalizada. O sinal e(n)corresponde ao erro desse processo. A seqüência e(n) é obtida comparando o sinalde treinamento esperado d(n) com o sinal equalizado y(n). A partir da informação deerro e(n), o algoritmo implementado efetua a correção dos coeficientes do filtro doequalizador, com o objetivo de minimizar a média quadrática de e(n) , por exemplo.

Para testes e verificações da eficiência do algoritmo supervisionado, pode-seusar como sinal d(n) o sinal original a(n) devidamente defasado. Essa defasagem tem oobjetivo de compensar atrasos dos sinais provocados pelo canal e pelo filtro do equalizador.Na prática, é comum o uso de sinais de treinamento d(n) pré-armazenados no receptor.Durante o processo de ajuste do equalizador, a fonte emite a seqüência a(n) de treinamen-to e o algoritmo do equalizador então compara, através de e(n), o sinal recebido e equalizadoy(n) com a seqüência armazenada d(n). Após o término do processo de treinamento doscoeficientes do filtro, o equalizador passa a operar em modo dito de decisão direta. Nessasituação, o sinal y(n) após ser tratado por um decisor é utilizado como sinal de treinamentod(n). Por decisor entenda como o módulo do receptor que compara os símbolos da se-qüência y(n) com o alfabeto simbólico possível de ser produzido pela fonte. A seguir, eleescolhe o símbolo desse alfabeto que estiver mais próximo do fornecido por y(n), apontan-do este como sua decisão ou saída. São exemplos desse tipo de equalização: o algoritmodo gradiente estocástico, conhecido como LMS - Least Mean Squares (WIDROW;STEARNS, 1985), e o algoritmo dos mínimos quadrados recursivo, conhecido comoRLS - Recursive Least Squares (HAYKIN, 1996).

Esquema 1 – Esquema básico do processo de equalização adaptativa supervisionado.

2.3 A EQUALIZAÇÃO ADAPTATIVA AUTODIDATA

Na técnica de equalização autodidata, assume-se a impossibilidade de queperiodicamente (ou quando necessário) o equalizador seja treinado com uma seqüên-cia simbólica preestabelecida do transmissor (GODARD, 1980; SHALVI;

Fonte Canal(Largura de Faixa Finita)

Filtro do Equalizador+

Ruído

a(n) u(n)m(n)

Atraso ouArmazenamento Prévio

(da seqüência de treinamento)+

_

+

Algoritmo de Equalizaçãopara Correção de

Coeficientes do Filtro

y(n)

d(n) e(n)

Recepção

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WEINSTEIN, 1990). Em tais condições, a partir das características estatísticas dosinal emitido a(n) e o sinal no receptor u(n), o método estima o sinal que foi transmi-tido. Então é possível compensar, ou equalizar, os efeitos do canal de comunicaçãosobre os símbolos emitidos pela fonte. O Esquema 2 apresenta o diagrama de blocosbásico desse processo autodidata.

Os métodos de equalização autodidatas podem ser classificados em dois gru-pos. Os que efetuam o processo de equalização determinando as características esta-tísticas de segunda ordem (variância ou potência) dos sinais transmitidos, compensan-do suas alterações, chamados de métodos autodidatas de segunda ordem (HAYKIN,1996). Outros métodos, chamados de HOS ou EOS (high order statistics ou estatís-ticas de ordem superior) efetuam o processo de equalização determinando as caracte-rísticas estatísticas de ordem superior a dois dos sinais transmitidos, compensandosuas alterações (HAYKIN, 1992). Estas estatísticas normalmente são conceituadasmatematicamente através das definições de cumulantes estatísticos e de funções espe-rança (HAYKIN, 1996). Exemplos de algoritmos de métodos que trabalham nestamodalidade: de Godard (1980) e de Shalvi e Weinstein (1990). As técnicas deequalização são mostradas de forma simplificada no Esquema 3.

Esquema 2 – Esquema básico do processo de equalização adaptativa autodidata.

Esquema 3 – Classificação de técnicas de equalização.

Equalizador

Não Adaptativo Adaptativo

Assistido Autodidata

De ordem 2 De Ordem Superior

Fonte Canal (Largura de Faixa Finita)

Filtro do Equalizador +

Ruído

a(n) u(n) m(n)

Algoritmo de Equalização para Correção de

Coeficientes do filtro

y(n) Recepção

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3 APLICAÇÕES DA EQUALIZAÇÃO AUTODIDATA E SEUSDESAFIOS

A equalização supervisionada muitas vezes é inviável, parcialmente eficienteou complexa de ser implementada. Como exemplo pode-se destacar:

a) equalização de sinais em telefonia celular móvel e em transmissões/recepções mó-veis mais genericamente;

b) equalização e identificação de sinais sísmicos;

c) melhor equalização do sinal de ECG (eletrocardiograma) recebido através detransdutores elétricos fixados sob a pele humana;

d) equalização de sinais captados por microfones que podem ser movimentados livre-mente em ambientes.

No escopo de comunicação digital, a necessidade da equalização autodidatadestaca-se em duas situações:

¨ Compensação de alterações na comunicação digital entre rádio bases e satélites ousondas de comunicação. Nessa situação, a transmissão de informação é efetivadacom a fonte emissora movimentando-se em relação ao receptor, o que provocaalterações dinâmicas nas características do canal de transmissão (SOARES; LE-MOS; COLCHER, 1995; TANENBAUM, 1997). Pode ser utilizado então umalgoritmo para equalização do canal, autodidata ou supervisionado, com boa ca-pacidade de busca recursiva do ponto ótimo de operação. Essa busca ou ajuste doponto ótimo de operação pelo equalizador necessita ocorrer em velocidade maiorque a de variação de coeficientes do canal a ser equalizado.

¨ Equalização de sinais em telefonia celular móvel e em transmissões e recepçõesmóveis, mais genericamente. Constitui-se um desafio comum para a construção desistemas baseados em rádio comunicação, o tratamento da interferência inter-sim-bólica provocada pela propagação de sinais eletromagnéticos por múltiplos cami-nhos ou percursos. Esse fenômeno ocorre basicamente devido à existência de obs-táculos entre o transmissor e receptor, que provocam reflexões e refrações dasondas transmitidas. Isso faz com que a antena do receptor capte sinais oriundos decaminhos diversos e, por conseqüência, com atrasos de propagação diferentes.Esses diversos sinais recebidos de forma superposta pela antena podem provocaralterações nos símbolos emitidos originalmente pela fonte ou ainda interferênciaentre os mesmos. Tais alterações simbólicas podem ser agravadas se for conside-rado o movimento relativo entre a fonte e o receptor, alterando as condições dereflexão de múltiplo percurso de maneira dinâmica. Esse fenômeno é conhecido naliteratura como fading ou desvanecimento do sinal (CHISHTIE, 1997; HOOLE,1994; PROAKIS, 1989).

As alterações simbólicas do sistema descrito limitam a capacidade de trans-missão do canal. Por capacidade do canal entenda como a taxa de máxima de trans-missão simbólica possível de ser realizada livre de erros, considerando as limitações

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físicas inerentes dos sistemas de comunicação (SHANNON, 1948). Existem duascorrentes de estudos, cujos resultados são aplicados nos sistemas de rádio comunica-ções, para o tratamento de alterações simbólicas. A primeira atua na origem da trans-missão, estudando as formas mais eficazes de codificação simbólica para o canal decomunicação. Tais técnicas são, em geral, calcadas em conceitos da Teoria de Infor-mação, oriunda dos estudos iniciais de Shannon (SHANNON, 1948). A segunda atuana recepção dos símbolos transmitidos pelo canal, estudando, em geral, técnicas ealgoritmos eficientes e eficazes de equalização.

Nas caracterizações de comunicação móvel, o fenômeno de interferência inter-simbólica por reflexões de múltiplos percursos é agravado pela característica não es-tacionária do mesmo. Isso é devido à possibilidade de transmissão de informaçõescom o movimento do receptor em relação ao transmissor, fazendo com que os trajetosde múltiplos percursos e as características do canal de comunicação sofram alteraçõescom o tempo. Um problema teórico enfrentado é o projeto de equalizadores adaptativosque operem de forma eficiente para tais situações. É muito importante, então, obterum algoritmo com boa capacidade de busca do ponto ótimo de operação, em funçãode alterações dinâmicas de parâmetros do canal. Também é extremamente desejávelque o mesmo seja autodidata, para evitar a necessidade de retreinar periodicamente oequalizador com seqüências simbólicas específicas, aspecto que reduziria o ciclo detrabalho útil do sistema de comunicação.

4 O USO DE ALGORITMOS DE EQUALIZAÇÃO EMEQUIPAMENTOS DE COMUNICAÇÃO DIGITAL

Efetuou-se pesquisa das especificações técnicas de diversos tipos de equipa-mentos de comunicação digital usados comercialmente, como MODEMS de comuni-cação de dados. O objetivo básico foi verificar os métodos de equalização que têmsido utilizados nos equipamentos disponibilizados para uso nessa área. Como estraté-gia de pesquisa, partiu-se das especificações técnicas de fabricantes de equipamentose levantamentos de modelos de processadores de sinais digitais (DSPs - digital signalprocessors) existentes em equipamentos comerciais. Em seqüência, foram levantadasas especificações de funcionamento dos DSPs e os relatórios técnicos de fabricantesde processadores. Em tais especificações, buscou-se identificar o algoritmo deequalização utilizado. Dentre os materiais pesquisados, destacam-se pela didática epelo conteúdo os da Texas Instruments.

Até a década de 1960, o processo de equalização de canais de comunicaçãotelefônicos era efetivado com equalizadores fixos ou ainda equalizadores cujosparâmetros ou coeficientes eram ajustados manualmente (HAYKIN, 1996). Na dé-cada de 60 tem-se a divulgação de inúmeros trabalhos de pesquisadores (GERSHO,1969; LUCKY, 1965; UNGERBOECK, 1972) que reformularam a questão deequalização adaptativa usando o critério de erro médio quadrático. Em 1972,Ungerboeck apresentou uma análise matemática sobre a convergência do algoritmoLMS para filtros transversais adaptativos (UNGERBOECK, 1972). A partir dos es-

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tudos e pesquisas conduzidos basicamente na década de 1960, desenvolveram-se eaperfeiçoaram-se os métodos e algoritmos de equalização adaptativa que, por suamelhor eficiência e eficácia, passaram então a ser usado em equipamentos comerciais.Por exemplo, o algoritmo adaptativo LMS para filtros transversais é ainda muito utili-zado nos equipamentos de comunicação atuais, em função de sua simplicidade erobustez de implementação.

A seguir, é apresentado um resumo de uma pesquisa feita a partir dasespecificações e relatórios técnicos de equipamentos comerciais e de DSPs.

4.1 MODEMS DE COMUNICAÇÃO SOBRE LINHASTELEFÔNICAS

O objetivo básico de um MODEM de comunicação é viabilizar a comunica-ção digital através de um canal telefônico, que possui limitação de banda entre 300 e3400 Hz, usando esquemas de modulação e demodulação específicos. Para velocida-des de comunicação de dados entre 2400 a 4800 bps, é comum a utilização de modu-lações por deslocamento de fase de portadora ou PSK (Phase Shift Keying). Paravelocidades maiores que 4800 bps, é usual a utilização de modulação combinada defase e de amplitude da portadora ou QAM (Quadrature Amplitude Modulation).Informações complementares sobre modems podem ser obtidas em (PROAKIS, 1989;TAUB; SCHILLING, 1986). Os padrões sobre modems de comunicação em linhastelefônicas são ditados pelas normas da série V do ITU-T - InternationalTelecommunication Union, organismo de padronização. Como exemplo é possívelcitar: o V32 que especifica padrões de comunicação de modems a dois fios paravelocidade de até 9600 bps e o V34 que especifica modems a dois fios para velocida-des de até 33600 bps.

De acordo com especificações dos fabricantes, para modems que obedecema padrões anteriores ao V34 ITU-T, é utilizado o algoritmo do gradiente estocástico(LMS) de equalização adaptativa supervisionada em filtros transversais (TREICHLER;FIJALKOW; JOHNSON, 1996). O alfabeto simbólico desses MODENS, basea-dos tipicamente em modulação QAM, possui símbolos representados no plano com-plexo, por possuírem informações de amplitude e de fase. Dessa forma, os coeficien-tes dos filtros utilizados no processo de equalização também são complexos, para queseja possível compensar eficientemente distorções de amplitude e de fase dos sinais(TREICHLER; FIJALKOW; JOHNSON, 1996). É relativamente comum a utiliza-ção de filtros transversais com aproximadamente 80 coeficientes a serem treinados(MASSEY; IYER, 1997; TREICHLER; FIJALKOW; JOHNSON, 1996). Durantea fase de treinamento do equalizador, uma seqüência previamente conhecida do re-ceptor é enviada pelo transmissor. Após a etapa inicial de treinamento, os modemspassam a operar em modo de decisão direta ou DDA (Decision Direct Adaptation),em que o sinal de treinamento do equalizador é obtido a partir da saída do módulodecisor. Operando dessa maneira, o equalizador mantém certa capacidade de com-pensação de variações do canal telefônico (tracking) sem a necessidade deretreinamento (HAYKIN, 1996; TREICHLER; FIJALKOW; JOHNSON, 1996).

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Para MODENS que operam no padrão V34 ou posterior a este como o V90,que especifica até 56 Kbps para recepção e até 33,6 Kbps para transmissão, éutilizada, em geral, a equalização através de decisão realimentada ou DFE (DecisionFeedback Equalizer) (HAYKIN, 1996; MASSEY; IYER, 1997; TREICHLER;FIJALKOW; JOHNSON, 1996). O Esquema 4 representa o equalizador, sendo u(n)o sinal recebido do canal e y(n) a saída equalizada. Esse equalizador possui umaseção direta e uma seção de realimentação. A seção direta consiste de um filtro trans-versal que recebe como entrada o sinal a ser equalizado. Em tal seção é usado oalgoritmo LMS supervisionado conforme também já foi mencionado, para modems depadrão anterior ao V34. A saída do filtro da seção direta é aplicada ao decisor. A saídado decisor alimenta o filtro da seção de realimentação. Essa última seção geralmentepode ser implementada como um filtro transversal, usando o mesmo algoritmo daseção direta. Tal seção tem por objetivo básico de retirar a porção de ISI, produzidapelos símbolos passados previamente detectados, das estimativas dos futuros símbo-los (saída do equalizador da seção direta). O DFE é mais utilizado em sistemas deequalização de canais de rádio que sofrem de severa ISI ocasionada por fenômenosde fading (CHISHTIE, 1997; HAYKIN, 1996).

Algoritmos que possuem melhores características de convergência como oRLS e seus derivados (HAYKIN, 1996, Seção 1.7.1) não são em geral utilizados nosmodems de comunicação para canais de telefonia. A possível razão para isso é o fatodesses últimos algoritmos implicarem uma complexidade de implementação nos DSPsconsideravelmente maior que o LMS. Outro aspecto é de que o equalizador baseadono algoritmo LMS, em geral, possui capacidade adequada de tracking para o canaltelefônico (MASSEY; IYER, 1997).

Seção Direta Decisor+u(n)

_

+

Seção deRealimentação

y(n) Recepção

Esquema 4 – Esquema básico do DFE (Decision Feedback Equalizer).

4.2 SISTEMAS CELULARES

Em 1992, os organismos de padronização EIA - Eletronics IndustriesAssociation - e TIA - Telecommunications Industry Association - adotaram o pa-drão IS-54 para viabilizar sistemas celulares digitais de alta capacidade baseados emtécnica de múltiplo acesso por divisão no tempo conhecida como TDMA - TimeDivision Multiple Access. O objetivo básico foi viabilizar a substituição e a melhoriadas redes celulares analógicas então existentes. Outro padrão, também baseado em

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TDMA, que surgiu na mesma época na Europa e está igualmente difundido hoje, é oGSM - Global System for Mobile Communications - padronizado pelo ETSI -European Telecommunications Standards Institute. Em 1993, o organismo de pa-dronização TIA aprovou a norma IS-95 que regulamenta como sistemas celularesoperam baseados em técnica de múltiplo acesso por divisão de código conhecidocomo CDMA (Code Division Multiple Access). O objetivo dessa norma, assim comoo IS-54, é a de competir com o padrão GSM lançado.

O direto espalhamento de seqüência empregado pelo CDMA (IS-95) eliminaa necessidade de utilização de equalizadores tradicionais (SMALLEY, 1994). Poroutro lado, os sistemas que utilizam a técnica TDMA, como o IS-54 e o GSM, fazemuso intenso de sistemas equalizadores, a fim de compensar a severa ISI que podeocorrer provocada por reflexões de múltiplos percursos do sinal emitido pelo trans-missor. As normas não especificam a obrigatoriedade de uso de certo método oualgoritmo de equalização, mas sugerem que sejam utilizados equalizadores como o dotipo DFE, por motivos já comentados. O RLS ou algum derivado deste é o algoritmode equalização da seção direta usualmente recomendado (HOOLE, 1994; MOSTAFA;TRIPATHI; REED, 1997; SMALLEY, 1994). Esses últimos são utilizados no lugar doalgoritmo LMS por convergirem mais rapidamente ao ponto ótimo de operação.

Uma dificuldade introduzida por se trabalhar com algoritmos de equalizaçãosupervisionada é a necessidade de envio periódico de seqüência de treinamento parao equalizador do receptor. Isso é viabilizado pelos sistemas celulares TDMA da se-guinte maneira. Um certo trecho de voz a ser transmitido é digitalizado e comprimido.Uma seqüência de treinamento é então agregada a esse conjunto de bits compondoum pacote, que é enviado ao receptor, em freqüência binária maior que a da vozdigitalizada (CHISHTIE, 1997). Tal aspecto é necessário a fim de evitar interrupçõesna voz digitalizada entre as recepções dos pacotes. Após a utilização da seqüênciainicial de treinamento enviado em cada pacote, o equalizador do receptor passa aoperar em modo DDA, para tentar manter uma boa recuperação dos símbolos querepresentam a voz digitalizada neste caso. Observe que caso fosse utilizado um algoritmode equalização autodidata, ou seja, algoritmos que não usam seqüências de treinamen-to, esse procedimento seria desnecessário, possibilitando um melhor aproveitamentoda capacidade do canal.

4.3 PADRÃO IEEE 802.3 E 802.11

O padrão de redes locais especificado pelo subcomite 802.3 do IEEE, co-nhecido como Ethernet (em par trançado), não especifica a necessidade de equalizaçãode símbolos transmitidos em velocidades de até 10 Mbps. Além disso, para as veloci-dades de 100 Mbps (conhecida comercialmente como Fast Ethernet) e superiores,faz-se necessário o uso de equalização adaptativa. Os chipsets da 3Com e TexasInstruments verificados (como o TNETE2101) implementam internamente mecanis-mos de equalização adaptativa, para compensar os efeitos do meio de transmissão.

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O padrão de rede locais sem fio especificado pelo subcomite 802.11 do IEEE(Wireless LAN) para velocidades de transmissão de dados de 11, 5 ou 1 Mbps, reco-menda a utilização de equalização adaptativa baseada em algoritmos como o DFE. Oobjetivo é o de fazer com que o equalizador seja capaz de compensar eventual ISIintensa causada por reflexões de múltiplo percurso do sinal transmitido.

4.4 RÁDIO-ENLACE DIGITAL E SISTEMAS DE TV A CABO

Equipamentos para estabelecimento de rádio enlace digital de alta velocidadehabitualmente trabalham com modulações PSK ou QAM (GRAY, 1994; TREICHLER;FIJALKOW; JOHNSON, 1996). Tais equipamentos operam acoplados a antenasdirecionais em visada direta. Dessa forma, pode-se afirmar que, em geral, são bemestudadas as condições de instalação dos referidos por técnicos e engenheiros. Oequalizador do canal desses equipamentos deve então ser capaz de compensar so-mente variações que podem ocorrer por fenômenos atmosféricos. Tais equalizadoressão relativamente simples, se comparados com os de sistemas celulares (TREICHLER;FIJALKOW; JOHNSON, 1996). Eles habitualmente são construídos em filtros trans-versais com um número reduzidos de coeficientes ou TAPS (10 a 20) e utilizamalgoritmos adaptativos autodidatas como o CMA (Constant Modulus Algorithm)de Godard (1980, Seção 1.7.2) durante o estabelecimento da comunicação inicial(GRAY, 1994). Estabelecida a condição de regime de operação, é usual que essealgoritmo seja trocado no DSP pelo supervisionado em DDA, a fim do equalizador sercapaz de compensar pequenas variações do canal e, ao mesmo tempo, reduzir o es-forço de processamento. Aplicação semelhante é encontrada nas aplicações de TV aCabo, em que os DSPs responsáveis pela equalização do sinal trabalham da mesmamaneira (GRAY, 1994; TREICHLER; FIJALKOW; JOHNSON, 1996). É válidocomentar que, em sistemas digitais de alta velocidade, a utilização de equalizadores dotipo DFE não é adequada, pelo tratamento da seção de realimentação dos mesmos.Isso porque é relativamente comum a necessidade de efetuar pipelining de informa-ções nos equipamentos digitais. Entenda por pipe uma estrutura eletrônica dearmazenamento temporário de bits de forma que o primeiro bit a entrar é o primeiro asair da mesma. Em tal situação, os equalizadores baseados em filtros lineares transver-sais são desejáveis (TREICHLER; FIJALKOW; JOHNSON, 1996).

4.5 UTILIZAÇÃO DE EQUALIZAÇÃO ADAPTATIVA

Observa-se, em todos os equipamentos comerciais pesquisados, o uso dealgoritmos de equalização adaptativa, a fim de compensar efeitos de ISI. Os algoritmossupervisionados são mais utilizados que os autodidatas atualmente. Alguns motivadorespodem ser enumerados:

¨ Os algoritmos de equalização supervisionados são pesquisados há mais tempo (desdea década de 1960) que os autodidatas (desde a década de 1980).

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¨ O algoritmo supervisionado LMS é bastante simples e robusto de serimplementando, embora não possua características ótimas de convergência. É pos-sível notar que é utilizado em várias soluções comerciais de comunicação de dados.

¨ Os métodos de equalização autodidatas são, em sua concepção, mais interessantesque os supervisionados, por dispensarem a utilização de seqüência de treinamento.Por outro lado, os algoritmos atuais exigem uma maior capacidade de processamentodos DSPs que alguns algoritmos supervisionados, como o LMS.

¨ Os algoritmos autodidatas possuem desafios ainda não bem resolvidos analitica-mente. Como exemplo, é válido citar a questão do processo de inicialização dofiltro do equalizador. Ele determina o desempenho do processo de equalização e,hoje, ainda não possui solução determinista, que garanta sempre o melhor desem-penho de equalização possível.

Os aspectos exemplificados e abordados, sobre a utilização comercial emcomunicação digital de algoritmos de equalização adaptativa, enfatizam a importânciae a necessidade de estudos e pesquisas que busquem esclarecer e melhorar o desem-penho dos métodos e algoritmos autodidatas de equalização.

5 CONCLUSÕES

Ao longo do presente trabalho foi dado um tratamento conceitual à equalizaçãode sinais e aspectos pertinentes. Descreveu-se o processo de transmissão da informaçãoe suas características. Destacou-se, entre estas, as do canal de comunicação, que comosão próprias e independentes das do sinal transmitido sobre o qual atuam, podem provo-car distorções da informação e conseqüentes entendimentos errôneos pelo receptor.Tais efeitos podem ser compensados em parte com a utilização de equalizadores nosreceptores. Na Seção 1 conceituou-se a equalização adaptativa. Verificou-se que a mesmapode ser implementada nos receptores valendo-se de seqüências de treinamento emiti-das pelo transmissor, o que caracteriza os métodos supervisionados; ou pela utilizaçãode estatísticas dos símbolos emitidos, o que caracteriza os métodos autodidatas. NaSeção 3, apresentou-se possibilidades práticas de aplicação, como a equalização decanais de comunicação móveis sem fio. Na Seção 4, foram organizados e apresentadosos resultados de pesquisa realizada sobre especificações técnicas de equipamentos co-merciais e DSPs, com o objetivo de elucidar como as técnicas de equalização estãosendo aplicadas hoje. Por exemplo, foram comentados os processos de equalizaçãoutilizados em modems de comunicação para linhas telefônicas, em sistemas celulares erádio enlaces. Tais aspectos deixam claras a importância e relevância atual sobre estudosdentro do tema, em particular os das técnicas autodidatas.

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Adaptive equalization techniques used in digital communicationsystems

ABSTRACT

In the present work, it is aimed to identify the adaptive equalizationtechniques commercially used in patterns and communication systems.In Section 1, the information transmission process and its physicallimitations are considered. In Section 2, one presents several adaptiveequalization schemes to compensate the undesired effects producedby the channel. Finally, in sections 3 and 4, practical possibilitiesand commercial utilization of adaptive equalization are presented.

Keywords: Adaptive equalization. Digital transmission. Applicationof blind equalization. Intersymbol interference.

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equalização adaptativa rede móvel

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