Формирование пилотных каналов в сверхширокополосных системах с ортогональным частотным мультиплексированием для снижения пик-фактора в условиях частотных ограничений

Размещено на http://www.allbest.ru/

Формирование пилотных каналов в сверхширокополосных системах с ортогональным частотным мультиплексированием для снижения пик-фактора в условиях частотных ограничений

Рудько Александр Сергеевич

канд. техн. наук

доцент кафедры математики и информатики

Московский университет им. С.Ю. Витте

г. Москва

В современных цифровых системах радиопередачи данных широко используются сигналы с ортогональным частотным мультиплексированием (OFDM), которые позволяют достичь высокой скорости передачи данных, сохраняя высокую помехоустойчивость приёма даже в условиях многолучевого распространения.

В настоящее время мультиплексирование с ортогональным частотным уплотнением каналов - наиболее широко используемая технология в современных широкополосных системах связи. Ортогональное частотное мультиплексирование применяется в таких системах передачи данных как WiFi, WiMAX, LTE, и вещательных системах DVB-T, DVB-T2, ISDB-T, ISDB-S, DTMB, DAB, DRM.

OFDM представляет собой метод передачи данных, при котором поток передаваемых данных распределяется по множеству частотных несущих и передается параллельно (рисунок 1). Каждая несущая может модулироваться независимо от других различными способами. Существенным преимуществам OFDM-сигналов является высокая стойкость к многолучевому распространению. Это обусловлено относительно большими длительностями импульсов в каждом ортогональном частотном канале (ширина отдельного канал уже всей выделенной полосы частот), что позволяет уменьшить потенциальную полосу когерентности каждого канала, возможностью выделения одного или нескольких пилотных каналов для зондирования задержек и амплитудных ослаблений каждой из ветвей распространения, возможность адаптивно перераспределять информационные потоки между ортогональными несущими, в зависимости от внешних факторов. Применение Rake-приемников для OFDM-сигналов позволяет снизить влияние замираний, которые способны существенно ухудшить качество информационного обмена для подвижных объектов.

Рисунок 1. Спектр сигнала с ортогонально-частотным мультиплексированием

Одним из главных недостатков систем передачи данных, основанных на ортогональном частотном мультиплексировании, является высокий пик-фактор OFDM-сигнала. В отличие от систем с одночастотной модуляцией, в системах с ортогональной частотной модуляцией выходной сигнал, поступающий на усилитель мощности, состоит одновременно из многих одночастотных сигналов, передаваемых на ортогональных частотах. В результате в отдельные моменты времени большое количество несущих колебаний может сложиться в фазе, что приведет к большому по амплитуде выбросу сигнала относительно его среднего уровня. Это, в свою очередь, приводит к высоким требованиям к линейности амплитудной характеристики усилителя мощности, необходимости использовать УМ с большим запасом по мощности. Не выполнение этих требований приводит к искажениям и, как следствие, повышению уровня межканальной интерференции.

Известны различные методы снижения пик-фактора, такие как:

методы, основанные на ограничении амплитуды;

методы, основанные на кодировании;

вероятностные методы, в том числе метод селективного отображения;

метод резервирования тона;

метод инжектирования тона;

метод активного расширения созвездия.

Анализ приведенных методов показывает высокую эффективность метода резервирования тона, позволяющего при достаточной частотной избыточности снижать пик-фактор сигнала для требуемого уровня. Суть метода резервирования тона заключается в том, что в полосе сигнала выделяется набор зарезервированных несущих с индексами j=1,2....N, которые не будут использоваться как информационные или служебные. Этот набор несущих должен быть заранее известным приёмнику, который, в сущности, будет игнорировать сигнал на этих частотах.

После того, как сформирован OFDM-символ, формируется корректирующий сигнал, который в частотной области имеет ненулевые составляющие только на резервированных несущих. Корректирующий сигнал формируется итеративно, при этом он добавляется к исходному сигналу, за счет чего происходит снижение пик-фактора. С точки зрения частотного ресурса сигнал, излучаемый в эфир, содержит на резервированных несущих бесполезные для приёмника компоненты. Следовательно, при применении метода резервирования тона происходит размен полосы сигнала на снижение пик-фактора. Также необходимо учитывать, что средняя мощность сигнала после добавления корректирующего сигнала вырастает.

Резервирование частотных составляющих для уменьшения пик-фактора в системах, требующих передачи данных с высокими скоростями и низкой вероятностью ошибки на бит, возможно, в условиях частотной избыточности (часть ортогональных частотно разделенных каналов отводится не для передачи данных, а для корректировки пик-фактора). Один из путей достижения высокой частотной избыточности является применение сверхширокополосных сигналов для систем, передающих данных на небольшие расстояния.

Несмотря на достаточно большой частотный ресурс, решение государственной комиссии по радиочастотам Российской Федерации (ГКРЧ РФ) № 09-05-02 от 19 марта 2009 года разрешает использовать для работы занятые диапазоны частот в сантиметровом диапазоне (рисунок 2). Ограничения на эквивалентную изотропно-излучаемую мощность для сверхширокополосных сигналов достаточно жесткие и для обеспечения требований совместной работы различными радиоустройствами необходим размен частотного на энергетический ресурс. В этой связи необходимо применять сигналы, которые максимально используют весь выделенный ресурс.

Рисунок 2. Ограничения на эквивалентную изотропно-излучаемую мощность для сверхширокополосных сигналов

Рассмотрим предельный (идеальный случай), когда каждый из ортогональных сверхширокополосных каналов формируется путем прохождения дельта импульса через идеальный полосовой фильтр (ИПФ).

Поскольку ИПФ является линейной системой, то для него применим принцип суперпозиции сигналов, и эквивалентной схемой такого фильтра будет являться схема, состоящая из двух идеальных фильтров нижних частот (ИФНЧ) и вычитающего устройства (рисунок 3). Выходной сигнал во временной области в этом случае описываться выражением:

Рисунок 3. Эквивалентная схема идеального полосового фильтра

где /в, /н - частоты среза ИФНЧ1 и ИФНЧ2 соответственно.

В результате ортогонального комплексирования можно сформировать 14 каналов по 500 МГц каждый, приведённых на рисунке 4.

Рисунок 4. Частотное распределение сверхширокополосных каналов

Отношение частот среза формирующих фильтров каждого канала составляют примеры двух идеальных ортогональных сверхширокополосных импульсов, полученных при прохождении дельта импульсов через ИПФ с частотами среза 3 ГГц - 3,5 ГГц и 3,5 ГГц - 4 ГГц (рисунок 5).

Рисунок 5. Ортогональные сверхширокополосные импульсы

Анализ положений нулей предложенных ортогональных сигналов позволяет сделать вывод, что классические методы формирования и передачи сигналов, сформулированные В. Котельниковым и Г. Найквистом, не позволят достичь высокой скорости передачи информационных посылок при условии отсутствия межсимвольной интерференции. Аналитическое моделирование показало возможность передачи информационных посылок при помощи квазипериодической передачи, при этом освободившийся время-частотный ресурс можно использовать для формирования пилотных каналов.

В настоящее время широкое применение в радиосвязи получили сигналы с ортогональным ча-стотным мультиплексированием.

Для эффективного снижения пик-фактора сигнала с ортогональным частотным мультиплексированием необходимо применять метод резервирования тона.

Сверхширокополосные сигналы могут применяться для расширения время-частотного ресурса, необходимого для резервирования тона.

Метод резервирования тона может применяться для формирования пилотных каналов дополнительной синхронизации сигналов.

Классические методы формирования и передачи сигналов не позволят достичь максимума скорости передачи информационных посылок в условии отсутствия межсимвольной интерференции.

Список литературы

частотный сигнал радиопередача мультиплексирование

1. Левченко А.С., Митягин К.С. Модифицированный метод резервирования тона для OFDM сигнала с малым числом несущих [Электронный ресурс] // Журнал Радиоэлектроники. - М.: 2017. - 6. - Режим доступа: http://jre.cplire.ru/jre/jun17/9/text.pdf.

2. Рудько А.С., Мацыкин С.В., Осипов В.В. Особенности работы сверхширокополосных систем информационного обмена в арктических районах Российской Федерации // Современные проблемы управления природными ресурсами и развитием социально-экономических систем: материалы XII международной научной конференции; в 4-х ч. - М.: изд. ЧОУВО «МУ им. С.Ю. Витте», 2016. - Ч. 1.

3. Рудько А.С., Филатов В.И., Немчанинов А.С. Способ передачи данных по радиоканалу сверхширокополосным импульсным сигналом в космических системах связи // T-Comm Телекомуникации и транспорт. - 2017. - т. 11. - № 2. - С. 4-9.

Размещено на Allbest.ru