Исследование OFDM модуляторов и демодуляторов в сетях телекоммуникации. БАК 2022 Елеулов Алибек. Исследование ofdm модуляторов и демодуляторов в сетях телекоммуникации
 Скачать 3.75 Mb.
|
|
1.7 Реализация с использованием алгоритма БПФ Ортогональность позволяет эффективно реализовывать модулятор и демодулятор, используя algorithm БПФ на стороне и in БПФ на стороне отправителя. Хотя принципы и некоторые из преимуществ известны с 1960-х годов, OFDM популярен сегодня для широкополосной связи посредством недорогих компонентов цифровой обработки сигналов, которые могут эффективно вычислять FFT. Время для вычисления преобразования в БПФ или БПФ должно занимать меньше времени для каждого символа, что, например, для DVB-T означает, что вычисление должно быть выполнено в или меньше. Для -point FFT это может быть приближено к: - MIPS = миллион инструкций в секунду Вычислительная потребность примерно линейно масштабируется с размером FFT, поэтому FFT с двойным размером требует удвоенного количества времени и наоборот. В качестве сравнения CPU Intel Pentium III при частоте 1,266 ГГц может рассчитать FFT при использовании FFTW. Intel Pentium M при частоте 6 ГГц делает это в Intel Core Hпри частоте 3.0. 1.8 Защитное взаимодействие для межсимвольного взаимодействия Один из ключевых принципов ОМДМ заключается в том, что, поскольку схемы модуляции с низкой скоростью передачи символов (то есть, где символы относительно длинны по сравнению с характеристиками времени канала) меньше страдают от межсимвольной помехи, вызванной распространением потока, предпочтительно передавать ряд потоков с низкой скоростью параллельно вместо одного потока с высокой скоростью. Поскольку длительность каждого символа велика, то между символами OFDM может быть вставлено защитное взаимодействие, таким образом, межсимвольное взаимодействие. Защитный интерфейс также требует фильтра формирования импульсов и уменьшает чувствительность к проблемам синхронизации по времени. Простой пример: Если отгрузить миллион символов в секунду, используя традиционную модуляцию с одной несущей по беспроводному каналу, то длительность каждого символа будет составлять одну микросекунду или меньше. Это накладывает серьезные затруднения на синхронизацию и требует удаления помех. Если один и тот же миллион символов в секунду распределены по тысяче подканалов, длительность каждого символа может быть больше в тысячу раз (то есть одну секунду) для ортогональности с приблизительно одинаковой полосой пропускания. Предположим, что между каждым символом установлена защитная внутренняя граница длиной 1/8 длины символа. Межсимвольная интерференция может быть, если время расширения (время между приемом первого и последнего эхо-сигнала) является более коротким, чем защитная интерференция (то есть 125 микросекунд). Это соответствует максимальной разнице в 37,5 между длинами дорожек. Cyclic prefix, который передается во время защитного интервала, состоит из конца символа OFDM, копируемого в защитный интервал, и защитный интервал передается с последующим символом OFDM. В некоторых стандартах, таких как Ultrawideband, в интересах передаваемой мощности, cyclic prefix является и ничего не отправляется во время защитного взаимодействия. Затем устройство должно будет смешивать функцию cyclic prefix, копируя конечную часть символа OFDM и добавляя ее в начальную часть. 1.9 Расширение OFDM с множественным доступом OFDM в своей первичной форме рассматривается как цифровая модуляция que, а не как способ многопользовательского доступа к каналу, поскольку он используется для передачи одного битового потока по одному каналу связи с использованием одной последовательности символов OFDM. Однако OFDM может комбинироваться с множественным доступом с использованием разделения пользователей по времени, частоте или кодированию. При множественном доступе с ортогональным частотным разделением каналов (OFDMA) множественный доступ с частотным разделением каналов достигается путем классификации различных подканалов OFDM различным пользователям. OFDMA поддерживает дифференцированное качество обслуживания, распределяя различное количество поднесущих по разным пользователям таким же образом, как в CDMA, и, таким образом, сложные схемы планирования пакетов или управления доступом к среде могут быть. OFDMA используется в: - режим мобильности стандарта IEEE 802.16 Wireless MAN, обычно называемый WiMAX; - стандарт IEEE 802.20 mobile Wireless MAN, обычно называемый MBWA; - downlink стандарта мобильной широкополосной связи четвертого поколения 3GPP Long Term Ev (LTE). Радиоинтерфейс был назван High Speed OFDM Packet Access (HSOPA), теперь - Evolved UMTS Terrestrial Radio Access (E-U); - 3GPP 5G NR (New Radio) стандарта сети мобильной связи пятого поколения downlink и uplink. 5G NR является преемником LTE; - теперь дефектный проект ультрамобильного широкополосного доступа (UMB) Qualcomm/3GPP2, предназначенный как преемник CDMA2000, но замененный LTE. OFDMA также является возможным способом доступа для беспроводных региональных сетей IEEE 802.22 (WRAN). Проект направлен на разработки первого кодового радиостандарта, работающего в УКВ-низком УВЧ-спектре (TV spect); Последняя поправка к стандарту 802.11, а именно 802.11ax, включает OFDMA для высокой эффективности и одновременной связи. В многостанционном множественном доступе с кодовым разделением каналов (МС-МДКР), известном также как ОМДМ-МДКР, ОМДР объединяется с расширенным спектром МДКР для кодового разделения пользователей. Межканальные помехи могут быть изменены, что означает, что планирование частоты с ручным фиксированным выделением каналов (FCA) упорядочено, или схемы комплексного динамического распределения каналов (DCA). Космическое разнообразие В глобальной широковещательной передаче, основанной на OFDM, могут извлечь выгоду из приема сигналов от нескольких пространственно диспергированных трансмиттеров одновременно, так как трансмиттеры будут только активно взаимодействовать друг с другом на ограниченном количестве субнесущих, тогда как в целом они будут фактически усиливать охват на широкой площади. Это очень выгодно во многих странах, так как позволяет работать национальным одночастотным сетям (SFN), где многие передатчики посылают один и тот же сигнал одновременно по одной и той же частоте канала. SFN используют доступный спектр более эффективно, чем традиционные многочастотные широковещательные сети (MFN), где содержание программы на различных частотах несущей. SFN также приводят к усилению разнесения в, расположенных посередине между передающими устройствами. Зона покрытия увеличивается, и вероятность отключения уменьшается по сравнению с MFN из- за увеличения уровня принимаемого сигнала, усредненного по всем поднесущим. Хотя защитный интерфейс содержит только избыточные данные, что означает, что он уменьшает пропускную способность, некоторые системы на основе OFDM, такие как некоторые системы широковещательной передачи, использовать длинный защитный интерфейс для того, чтобы позволить передающим устройствам располагаться дальше друг от друга в SFN, а более длинные защитные интерфейсы позволяют большие размеры ячеек SFN. Правило большого пальца для максимального расстояния между передающими устройствами в SFN равно расстоянию, на котором проходит сигнал во время защитного интервала, например, защитный интервал в 200 микросекунд позволит передающим устройствам быть разнесенными на 60 км друг от друга. Одночастотная сеть является формой трансмиттерного макроразнесения. Эта концепция может быть дополнительно использована в динамических одночастотных сетях (DACN), где группирование SFN изменяется с временного интервала на временной интервал. OFDM может быть объединен с другими формами пространственного разнесения, например, каналами antenna arrais и MIMO. Это делается в стандартах IEEE 802.11 Wireless LAN. Сигнал OFDM демонстрирует высокое отношение пиковой мощности к средней мощности (PAPR), поскольку независимые фазы поднесущих означают, что они часто объединяются активно. Обработка этого высокого PAPR требует: - Цифроаналоговый преобразователь высокого разрешения (ЦАП) в трансмиттере; - Аналого-цифровой преобразователь высокого разрешения (АЦП) в; - Линейная сигнальная цепь; Любая нелинейность в сигнальной цепи вызовет интермодуляционное искажение, которое; - Поднимает шумовой пол; - Может вызвать взаимные помехи между несущими; - Генерирует внеполосное паразитное излучение. Требование к линейности является требованием, особенно для выходной RF-схемы передатчика, где амплификаторы часто проектируются как нелинейные, чтобы минимизировать энергопотребление. В практических системах OFDM небольшое количество пиковых позволяет ограничить PAPR в разумном компромиссе с вышеуказанными последствиями. Однако выходной фильтр трансмиттера, который требуется для уменьшения внеполосных отроков до допустимых уровней, имеет эффект восстановления пиковых уровней, которые были, так что не является эффективным способом снижения PAPR. Хотя спектральная эффективность ОФДМ является эффективной как для наземной, так и для космической связи, высокие требования к ЭПВОР до сих пор ограничивали применение ОФДМ к наземным системам. Коэффициент креста CF (в дБ) для системы OFDM с n некоррелированными поднесущими равен где CFc - коэффициент креста (в дБ) для каждого поднесущего (CFc - 3,01 дБ для синусоидальных пластин, используемых для модуляции BPSK и QPSK). Например, сигнал DVB-T в режиме 2K состоит из 1705 поднесущих, которые модулированы с помощью QPSK, что дает коэффициент роста 35,32 дБ. Например, были разработаны многие методы снижения PAPR (или фактора роста), основанные на интертайве. Динамический диапазон, необходимый для FM ver, является, в то время как DAB требует только около как сравнение, каждый дополнительный бит на выборку увеличивает динамический диапазон на Сравнение эффективности одного носителя и нескольких носителей Производительность любой системы связи может быть измерена с точки зрения ее энергоэффективности и пропускной способности. Эффективность мощности описывает способность системы связи сохранять частоту битовых ошибок (BER) передаваемого сигнала на низких уровнях мощности. Эффективность полосы пропускания отражает, насколько эффективно используется выделенная полоса пропускания, и определяется как пропускная скорость передачи данных на единицу длины полосы пропускания в данной полосе пропускания. Обеспечивается экономия ширины полосы пропускания за счет использования модуляции с множеством несущих с ортогональным частотным разделением. Таким образом, ширина полосы пропускания для системы с несколькими несущими меньше по сравнению с системой с одним несущим устройством, и поэтому эффективность ширины полосы пропускания системы с несколькими несущими устройствами больше, чем у системы с одним несущим устройством. Есть только 1 дБм увеличение мощности ver, но мы получаем 76,7% улучшение эффективности полосы пропускания с использованием передачи с несколькими несущими. 1.10 Применение технологии OFDM OFDM используется в: - Цифровое радио Mondiale (DRM); - Цифровое аудио вещание (DAB); - Цифровое телевидение DVB-T/T2 (terrestrial), DVB-H (handha), DBB- T/H, DVB-C2 (cable); - Беспроводные LAN IEEE 802.11a, IEEE 802.11g, IEEE 802.11n, IEEE 802.11ac и IEEE 802.11ad; - WiMAX; - Ли-Фи; - ADSL (G.d /ITU G.992.1); - Мобильные сети LTE и LTE Advanced 4G; - Безкордовые телефоны DECT; - Современная узкая и широкополосная связь ЛЭП. Беспроводные локальные сети (LAN) и сети (MAN) OFDM широко используется в беспроводных приложениях LAN и MAN, включая IEEE 802.11a/g/n и WiMAX. IEEE 802.11a/g/n, работающий в диапазонах 4 и 5 ГГц, скорости передачи данных по воздуху для каждого потока варьируются от 6 до 54 Мбит/с. Если оба устройства могут использовать "режим НТ" (с добавлением 802.11n), то максимальная скорость передачи данных 20 МГц на поток увеличивается до 72,2 Мбит/с, с опцией скорости передачи данных от 150 МГдо 150 МГ. Используются четыре различные схемы модуляции: BPSK, QPSK, 16-QAM и 64-QAM, наряду с набором скоростей ошибок (1/2 - 5/6). Множество вариантов позволяет системе адаптировать оптимальную скорость передачи данных для текущих условий сигнала. Беспроводные персональные сети (PAN) OFDM также в настоящее время используется в стандарте WiMedia/Ecma- 368 для высокоскоростных беспроводных персональных сетей в спектре ultrawideband 3.1 - 10.6 ГГц (см. MultiBand-OFDM). Эфирное цифровое радио и телевидение Большая часть Европы и Азии приняла OFDM для наземного вещания цифрового телевидения (DVB-T, DVB-H и T-DMB) и радио (EUREKA 147 DAB, Digital Radio Mondiale, HD Radio и T-DBB). DVB-T Согласно директиве Европейской комиссии, все телевизионные услуги, передаваемые зрителям в Европейском сообществе, должны использовать систему передачи, которая была стандартизирована признанным европейским органом стандартизации, и такой стандарт был разработан и кодифицирован DVB Project, Digital Video Broadcasting (DVB); Framing structure, channel coding и modulation для цифровых терастриальных вызовов Dvm. DVB-T в настоящее время широко используется в Европе и els для террестрального цифрового ТВ. Ключевые особенности стандартов DVB-T/DVB-T2 Рисунок 1.1 - Ключевые особенности стандартов DVB-T/DVB-T2 COFDM и VSB Вопрос об относительных технических достоинствах COFDM и 8VSB для наземного цифрового телевидения был предметом некоторого контроля, особенно между европейскими и североамериканскими деятелями и регуляторами. Соединенные Штаты отклонили несколько предложений о принятии системы DVB-T на основе COFDM для своих услуг цифрового телевидения и вместо этого выбрали операцию 8VSB (vestigial sideband modulation). Одно из основных преимуществ, обеспечиваемых COFDM, заключается в том, что радиопередачи Рени относительно несущественны, чтобы искажение и затухание сигнала из-за атмосферных условий или прохождения самолета. Сторонники COFDM утверждают, что он изменяет размер намного лучше, чем 8VSB. Ранний 8VSB DTV (цифровое телевидение) часто имел трудности с получением сигнала. Также COFDM допускает одночастотные сети, что невозможно с 8VSB. Тем не менее, новые 8VSB намного лучше справляются с ath, поэтому разница в производительности может уменьшиться с улучшениями в дизайне выравнивателя. Цифровое радио COFDM также используется для других стандартов радио, для цифрового аудио вещания (DAB), стандарта для цифрового аудио вещания на частотах ОВЧ, для цифрового радио Mondiale (DRM), стандарта для цифрового вещания на коротковолновых и средних частотах (ниже 30 МГц) и для DRM + более недавно введенного стандарта для цифрового аудио вещания на частоте 17HF. В США снова используется альтернативный стандарт, проприетарная система, разработанная компанией iBiquity под названием HD Radio. Тем не менее, он использует COFDM как низменную технологию вещания для добавления цифрового аудио в AM (средние волны) и FM вещание. Как Digital Radio Mondiale, так и HD Radio классифицируются как внутриполосные внутриканальные системы, в отличие от Eureka 147 (DAB: Digital Audio Broadcasting), которая использует отдельные диапазоны частот ОВЧ или УВЧ. BST-OFDM используется в ISDB Система широкополосного ортогонального частотного разделения передачи (BST-OFDM), предложенная для Японии (в ISDB-T, ISDB-TSB и системах широковещания ISDB-C), улучшает работу COFDM, используя тот факт, что некоторые несущие OFDM могут быть модулированы в пределах других. Некоторые формы COFDM уже предлагают такой вид иерархической модуляции, хотя BST-OFDM призван сделать его более гибким. Следовательно, телевизионный канал 6 МГц может быть "сегментированным", причем различные сегменты модулируются по-разному и используются для различных услуг. Возможно, например, посылать аудиосервис в сегменте, который включает в себя сегмент, состоящий из нескольких несущих, сервис данных в другом сегменте и телевизионный сервис в еще одном сегменте все в пределах того же телевизионного канала 6 МГц. Кроме того, они могут быть модулированы с различными параметрами, так что, например, аудио- и информационные услуги могут быть оптимизированы для мобильного приема, в то время как телевизионная служба оптимизирована для стационарного приема в среде с высоким передачи. Ультраширокополосный Технология ультраширокополосной (UWB) беспроводной персональной сети также может использовать OFDM, например, в многополосной OFDM (MB- OFDM). Эта специализация UWB поддерживается WiMedia Alliance (ранее как Multiband OFDM Alliance [MBOA], так и WiMedia Alliance, но теперь они слились), и является одним из конкурирующих радиоинтерфейсов UWB. Развитие технологий мобильных устройств, беспроводных локальных сетей (WLAN) и стремительный рост Интернет вызывают всё возрастающую потребность в увеличении ёмкости мобильных сетей. Возникает потребность во всё большей интеграции сотовых сетей с сетями передачи данных, например, GPRS в GSM сетях, а также сети 3G и 4G. Однако существующие технологии не могут удовлетворить новых потребностей по ёмкости сети, скорости передачи и стоимости услуг. OFDM — ортогональное частотное мультиплексирование — это схема модуляции, которая позволяет быстро и эффективно передавать данные даже в каналах с многолучевым распространением сигнала. Передача ведется одновременно на большом количестве несущих частот. Эти несущие имеют небольшое разнесение по частоте и их спектры образуют групповой спектр OFDM сигнала. Использование технологий ортогонального частотного (OFDM) и пространственного (MIMO) разнесения в современных беспроводных системах связи широкополосного доступа позволяет достичь увеличения информационной эффективности в условиях многолучевого распространения сигнала и, как следствие, повысить помехоустойчивость рассматриваемых систем. При этом значительное влияние на эффективность помехоустойчивого приема в условиях частотной и временной избирательности каналов оказывает точность фазовой синхронизации и оценивания канальных характеристик. Существующие подходы к моделированию сигнала и оцениванию его параметров имеют либо высокую вычислительную сложность, либо недостаточную точность для использования в MIMO-OFDM системах, характеризующимися высокой чувствительностью к ошибкам синхронизации и оценивания. Математическая модель MIMO-OFDM сигнала, учитывающая частотную и временную избирательность канала связи и условие неполной синхронизации, установленной в приемнике, позволяет повысить точность оценивания коэффициентов передачи канала и смещения частоты, несущей на приемной стороне. В результате сравнительного анализа представленных алгоритмов в многолучевых каналах были сделаны выводы о точности получаемых оценок смещения несущей частоты и о возможностях практического применения подобных методов в системах с OFDM. |