Исследование OFDM модуляторов и демодуляторов в сетях телекоммуникации. БАК 2022 Елеулов Алибек. Исследование ofdm модуляторов и демодуляторов в сетях телекоммуникации
 Скачать 3.75 Mb.
|
|
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН Казахский национальный исследовательский технический университет имени К. И. Сатпаева Институт автоматики и информационных технологий Кафедра «Электроники, телекоммуникации и космических технологий» Елеулов Алибек Ажбаевич Тема: «Исследование OFDM модуляторов и демодуляторов в сетях телекоммуникации» ДИПЛОМНАЯ РАБОТА Специальность 5B071900 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации Алматы 2022 АҢДАТПА Бұл дипломдық жұмыста ЖЖ радиоарналары бойынша дискретті хабарламаларды жіберуші және қабылдаушы жақтары арасында максималды мүмкін болатын жиілікті реттеу болған жағдайда жоғары жылдамдықты және төмен жылдамдықты жоғары сенімді (жасырын) тарату үшін OFDM технологиясына негізделген модем әзірленеді. кең диапазондағы хабар жылдамдығының өзгеруіне байланысты байланыс жағдайларына бейімделуге қабілетті Доплер эффектісіне байланысты радиобайланыс. Қойылған міндеттерді шешу үшін математикалық және спектральды талдау әдістері, статистикалық радиотехника, радиотолқындардың таралу теориясы, хабарламаларды дискретті тарату және цифрлық сигналдарды өңдеу теориясы қолданылды. АННОТАЦИЯ В данной дипломной работе будет проведена разработка модема на основе технологии OFDM для высокоскоростной и низкоскоростной высоконадежной (скрытной) передачи дискретных сообщений по КВ радиоканалам при наличии предельно возможной расстройки по частоте между передающей и приемной сторонами радиолинии обусловленной эффектом Доплера, способного адаптироваться к условиям связи за счет изменения скорости передачи сообщений в широких пределах. Для решения поставленных задач были использованы методы математического и спектрального анализа, статистической радиотехники, теории распространения радиоволн, теории передачи дискретных сообщений и цифровой обработки сигналов. ANNOTATION In this thesis, a modem based on OFDM technology will be developed for high- speed and low-speed highly reliable (covert) transmission of discrete messages over HF radio channels in the presence of the maximum possible frequency detuning between the transmitting and receiving sides of the radio link due to the Doppler effect, capable of adapting to communication conditions due to changes in the message rate over a wide range. To solve the tasks set, the methods of mathematical and spectral analysis, statistical radio engineering, the theory of radio wave propagation, the theory of transmission of discrete messages and digital signal processing were used. СОДЕРЖАНИЕ Введение 9 1 Анализ OFDM модуляторов и демодуляторов в сетях телекоммуникации 10 1.1 Основные понятия OFDM 10 1.2 Применение OFDM модуляторов и демодуляторов 11 1.3 Разработка OFDM 12 1.4 Пример применения 13 1.5 Ключевые функции 14 1.6 Характеристики и принципы работы 15 1.7 Реализация с использованием алгоритма БПФ 16 1.8 Защитное взаимодействие для межсимвольного взаимодействия 17 1.9 Расширение OFDM с множественным доступом 17 1.10 Применение технологии OFDM 20 1.11 Общие принципы построения модемов, реализованных по технологии OFDM 24 2 Выбор параметров модема, реализованного по технологии ofdm, для цифровой дуплексной системы связи 29 3 Расчеты основных параметров OFDM модуляторов и демодуляторов 34 Заключение 43 Список использованной литературы 44 ВВЕДЕНИЕ В настоящее время для каналов связи декаметрового диапазона радиоволн активно разрабатываются модемы, в которых используется технология OFDM (англ. Orthogonal frequency-division multiplexing — мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов). OFDM–сигналы позволяют создавать как предельно высокоскоростные модемы, так и модемы с большой базой, обладающие высокой помехоустойчивостью и скрытностью. Высокоскоростные модемы необходимы для передачи факсимильных сообщений, цифровой передачи речи, экстренных команд управления и другого рода сообщений, требующих срочной доставки адресату. Высокопомехоустойчивые модемы требуются в каналах обратной связи, каналах дистанционного управления, каналах передачи сигналов тревоги и т. п. Для передачи конфиденциальной информации используются модемы, обладающие энергетической скрытностью, т. е. способные передавать сообщения малой мощностью, когда на приемном конце радиолинии имеет место отношение сигнал/помеха много меньше единицы. 1АНАЛИЗ OFDM МОДУЛЯТОРОВ И ДЕМОДУЛЯТОРОВ В СЕТЯХ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ 1.1 Основные понятия OFDM На сегодняшний день большое развитие в области передачи данных получили беспроводные сети — сети радиосвязи. Это связано с удобством их использования, экономичностью и приемлемой пропускной способностью. Исходя из текущей динамики развития инфокоммуникационных систем, следует, что по количеству и распространенности беспроводные сети в скором времени превзойдут проводные сети. Эта динамика непосредственным образом влияет на требования к защите информации в беспроводных сетях. Одним из наиболее перспективных методов построения надежных и высокоскоростных систем связи является использование сигналов OFDM (Orthogonal frequency division multiplexing — ортогональное частотное разделение подканалов). Сигналы OFDM широко используются при передаче данны Фх в условиях многолучевого распространения, это позволяет решить проблемы межсимвольной интерференции (МСИ) и частотно-селективных замираний (ЧСЗ). При этом эффективно используется выделенная полоса частот канала и сохраняется высокая скорость передачи информации. OFDM основан на идее FDM, но все потоки являются частями одного исходного потока. Битовый поток разделяется на несколько параллельных потоков данных, каждый из которых передается через свою собственную поднесущую с использованием некоторой традиционной схемы цифровой модуляции. Модулированные поднесущие суммируются для формирования сигнала OFDM. Во временной области поток данных делится на отрезки некоторой длины (OFDM-символы), содержащие в качестве префикса специальный защитный интервал. Из определенного числа OFDM-символов формируются кадры, которые, в свою очередь, образуют суперкадры. Помимо информационных данных в символах передаются служебные данные о режиме работы, а также заранее известные на приемной стороне — пилот-сигналы. Они служат для оценки качества канала передачи и синхронизации приемопередающего оборудования. Значения параметров в этих ячейках, тщательно выбираются в целях оптимизации характеристик системы, особенно синхронизации и надежности приёма сигнала. Применение в составе OFDM-сигнала большого набора поднесущих частот определяет такие его свойства, как высокая потенциальная помехоустойчивость, эффективность использования частотного спектра, простота реализации технических решений методами цифровой обработки. Влияние многолучевого распространения сигнала учитывается при обработке путем введения защитного интервала, длительности которого больше, чем предполагаемое запаздывание копий сигнала. На протяжении защитного интервала сигнал продолжается, повторяясь во времени, поэтому операцию введения защитного интервала часто называют образованием циклического префикса. Этот интервал позволяет исключить искажения сигнала, вызванные многолучевым распространением в канале связи, т. е. устранить влияние запаздывающих копий предыдущего символа на обработку текущего информационного символа. Чтобы надлежащим образом осуществить демодуляцию сигнала, приемные устройства должны произвести его выборку во время полезного периода символа. Помехоустойчивое кодирование введено в систему для устранения влияния частотных селективных замираний в радиоканале, в результате чего отношение сигнал/шум на разных несущих различается. 1.2 Применение OFDM модуляторов и демодуляторов Природа таких замираний связана с интерференцией сигналов прямого и отраженного лучей на одной и той же несущей частоте. При нарушении временной и частотной синхронизаций снижается качество изображения и звука, воспроизводимого телевизионной системой. В связи с этим необходимо проанализировать и скорректировать принятый сигнал. Для демодуляции OFDM-сигнала с минимальным числом ошибок приемные устройства должны выделить полезные части OFDM-символов без защитных интервалов, а также настроиться на несущую частоту спектра, поэтому необходима синхронизация в работе передатчика и приемника. И для этой цели используются пилот-сигналы, именуемые иногда «пилотами». Одной из первостепенных задач OFDM-системы является повышение эффективности использования OFDM-сигнала в системах радиосвязи и радиовещания Электроника 7 на основе разработки и исследования алгоритмов оценки и восстановления параметров. Многие вопросы исследуются разработчиками для повышения рабочих характеристик алгоритмов и их аппаратной реализации. Самые сложные и неоднозначные с научной точки зрения алгоритмы в OFDM-системах связаны с синхронизацией. При алгоритмическом подходе к решению задачи синхронизации приемопередающих систем используют защитный интервал и пилот-сигналы. Основные практические алгоритмы синхронизации цифровых телевизионных систем построены интуитивно, недостаточно исследованы условия их применения, не учтено влияние канала передачи. Многие теоретические алгоритмы не имеют прикладного значения, так как их реализация требует знания неизвестных статистических характеристик. Комплекс нерешенных проблем составляет задачу для исследования и построения высокоточной системы синхронизации. Во многих работах по изучению OFDM сигналов в телекоммуникационных системах приведено решение основной и наиболее актуальной научно-технической проблемы цифрового вещания — разработки рациональной структуры схемы синхронизации, имеющей прикладное значение и универсальной по условиям применения. Одним из наиболее эффективных способов передачи информации в каналах с многолучевым распространением сигналов (например, коротковолновом (КВ) канале) является использование OFDM-систем. Применение в системах передачи цифровой информации сигналов OFDM позволяет решить проблему межсимвольной интерференции (МСИ) за счет разделения высокоскоростного потока данных на несколько десятков (сотен, тысяч) низкоскоростных потоков и введения циклического префикса. Величина частотного интервала между поднесущими Δf выбирается минимальной и равной частоте 1/T. Наличие многих несущих с минимальным частотным разносом приводит к тому, что форма спектра результирующего сигнала становится близкой к прямоугольной. Таким образом, эффективно используется выделенная полоса частот канала и сохраняется высокая скорость передачи полезной информации. OFDM рассматривается как модуляция que, а не как que, поскольку он передает один битовый поток по одному каналу связи, используя одну последовательность так называемых символов OFDM. OFDM может быть расширен до многопользовательского способа доступа к каналу в схемах множественного доступа с ортогональным частотным разделением каналов (OFDMA) и множественного доступа с кодовым разделением каналов с множеством несущих (MC-CDMA), что позволяет нескольким пользователям совместно использовать одну и ту же физическую среду посредством предоставления различных поднесущих или расширения кодов различным пользователям. В телекоммуникациях ортогональное частотное разделение (OFDM) является типом цифровой передачи и способом кодирования цифровых данных на множественных частотах несущих. OFDM развился в популярную схему широкополосной цифровой связи, используемую в таких приложениях, как цифровое телевидение и аудио трансляция, доступ в интернет DSL, беспроводные сети, сети линий электропередачи и мобильная связь 4G/5G. 1.3 Разработка OFDM OFDM - схема с частотным разделением (FDM), которая была введена Робертом Чангом из Bell Labs в 1966 году. В OFDM множество близко расположенных ортогональных сигналов под несущих с перекрывающимися спецификациями передаются для переноса данных параллельно. Демодуляция основана на быстрых алгоритмах преобразования Фурье. OFDM был улучшен Штайном и Эбертом в 1971 году с введением защитного межсетевого интерфейса, обеспечивая лучшую ортогональность в каналах передачи, на которые влияет распространение. Каждая под несущая (сигнал) модулируется с помощью обычной схемы модуляции (такой как амплиментная модуляция или фазовая манипуляция) с низкой скоростью передачи символов. Это поддерживает общие скорости передачи данных, аналогичные обычным схемам модуляции с одной несущей в той же полосе пропускания. Основным преимуществом OFDM перед схемами с одной несущей является его способность перекрываться с тяжелыми условиями канала (например, настройка высоких частот в длинном coppere, узкополосная помеха и частотно-выборочное замирание из-за lath) без сложных выравнивающих фильтров. Выравнивание канала усиливается, поскольку ОМДЧ может рассматриваться как использование множества медленно модулированных узкополосных сигналов, а не одного быстро модулированного широкополосного сигнала. Низкая скорость передачи символов делает возможным использование защитного взаимодействия между символами, что позволяет межсимвольные взаимодействия (ISI) и использовать эхо-сигналы и расширение времени (в аналоговом телевидении, видимом как gho и размытие, соответственно) для достижения усиления разнесения, то есть улучшения отношения сигнал/шум. Этот механизм также облегчает создание одночастотных сетей (SFN), в которых несколько смежных передающих устройств одновременно посылают один и тот же сигнал на одной и той же частоте, так как сигналы от множества дистанционных передающих устройств могут быть повторно объединены активно, помехи традиционной системы с одной несущей. 1.4 Пример применения Ниже приводится краткое описание существующих стандартов и продуктов, основанных на OFDM. Дополнительные сведения см. в разделе Использование в конце статьи. Версия Wired, в основном известная как Discrete Multi-tone Transmission (DEA) - Широкополосный доступ ADSL и VDSL через POTS copper - DVB-C2, усовершенствованная версия стандарта цифрового кабельного телевидения DVB-C - Связь по линии электропередачи (ПЛК) - ITU-T G., стандарт, обеспечивающий высокоскоростную локальную сеть существующих домашних сетей (линий электропередач, телефонных линий и коаксиальных кабелей) - Модемы телефонных линий МР - Домашняя сеть Multimedia over Coax Alliance (MoCA) - DOCSIS 3.1 Широкополосная доставка Беспроводная связь - Беспроводная радиостанция LAN взаимодействует с IEEE 802.11a, g, n, ac, ah и HIPERLAN/2 - Цифровые радиосистемы DAB/EUREKA 147, DAB +, Digital Radio Mondiale, HD Radio, T-DBB и ISDB-TSB - Террестриальные системы цифрового телевидения DVB-T и ISDB-T - Наземные мобильные телевизионные системы DVB-H, T-DMB, ISDB- T и MediaFLO прямой линии связи - Реализация беспроводной персональной сети (PAN) сверхширокополосной (UWB) IEEE 802.15.3a, предложенная WiMedia Alliance - Технология множественного доступа OFDMA на основе OFDM также используется в нескольких сотовых сетях 4G и до 4G, стандартах мобильной широкополосной связи и следующем поколении: - Режим мобильности беспроводного MAN/широкополосного беспроводного доступа (BWA) стандарта IEEE 802.16e (или Mobile- WiMAX) - Стандарт мобильного широкополосного беспроводного доступа (MBWA) IEEE 802.20 - Нисходящая линия 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); - ТIEEE 802.11ax 1.5 Ключевые функции Преимущества и недостатки, перечисленные ниже, дополнительно рассматриваются в разделе "Характеристики и принципы работы" ниже. Резюме преимуществ: - Высокая спектральная эффективность по сравнению с другими схемами двойной модуляции sideband, спектрами распределения и т.д.; - Может легко адаптироваться к тяжелым условиям канала без сложного выравнивания во временной области; - Robust против узкополосных межканальных помех; - Робуст против межсимвольных помех (ISI) и замирания, вызванного распространением; - Эффективная реализация с использованием быстрого преобразования Фурье; - Низкая чувствительность к ошибкам синхронизации по времени; - Настроенные подканальные фильтры не требуются (в отличие от традиционных FDM); - Способствует созданию одночастотных сетей (SFN) (например, трансмиттерное макроразнесение); Краткая информация о недостатках: - Чувствительный к сдвигу Doppler; - Чувствительны к проблемам синхронизации частот; - Высокое отношение пиковой мощности к средней мощности (PAPR), требующее линейной трансмиттерной циркуляции, которая страдает от низкой энергоэффективности; - Потеря эффективности, вызванная циклическим взаимодействием prefix/guard. 1.6 Характеристики и принципы работы Ортогональность Концептуально OFDM представляет собой специализированный метод FDM с частотным разделением каналов (FDM), с дополнительным ограничением того, что все сигналы поднесущих в канале связи ортогональны друг другу. В OFDM частоты поднесущих выбираются таким образом, чтобы поднесущие были ортогональны друг другу, что означает, что поперечные помехи между подканалами и защитные полосы между несущими не требуются. Это великолепно конструкции как трансмиттера, так и |; в отличие от обычного FDM, отдельный фильтр для каждого подканала не требуется. Ортогональность требует, чтобы расстояние между поднесущими было Her, где TU секунд - полезная длительность символа (размер окна на стороне носителя), а k- положительное целое число, обычно равное Это предусматривает, что каждая частота несущего канала подстилает k более полных циклов за период символа, чем предыдущая несущая. Ортогональность также обеспечивает высокую спектральную эффективность с полной скоростью передачи символов, близкой к скорости передачи Ny st для эквивалентных и сигнала (то есть близкой к половине скорости передачи Ny st для двухстороннего полосного физического сигнала полосы пропускания). Можно использовать практически всю доступную полосу частот. OFDM, как правило, имеет почти "белый" спектр, придавая ему мягкие свойства электромагнетических помех по отношению к другим пользователям совместного канала. Простой пример: Полезная длительность символа TU = 1 мс потребует для ортогональности разнесения поднесущей (или целого числа, кратного этому). N = 1,000 поднесущих приведет к общей ширине полосы пропускания NΔf = 1 МГц. Для этого времени символа требуемая ширина полосы пропускания в теории согласно Ny st равна (половине достигнутой ширины полосы пропускания, требуемой нашей схемой), где R - скорость передачи битов и где N = 1,000 les на символ по FFT. Если применяется защитная полоса пропускания, требование ширины полосы пропускания Ny st было бы еще ниже. БПФ приводит к N = 1,000 л на символ. Если бы не было применено защитное взаимодействие, это привело бы к комплексному сигналу базовой полосы с частотой дискретизации 1 МГц, что потребовало бы и ширины полосы пропускания 0,5 МГц согласно Ny st. Однако сигнал RF полосы пропускания генерируется путем мультипликации и сигнала с волнообразной структурой, несущей (то есть двойной модуляцией амплиитности sideband), что приводит к ширине полосы пропускания 1 МГц. Схема модуляции односторонней полосы частот (SSB) или вестигиального sieband (VSB) достигала бы почти вдвое большей ширины полосы для одной и той же скорости передачи символов (то есть вдвое большей спектральной эффективности для одной и той же длины буквенного кода символа). Однако он более чувствителен к пересечению. OFDM требует очень точной синхронизации частоты между и трансмиттером; при отклонении частоты поднесущие больше не будут ортогональными, вызываяинтерференцию между несущими (ICI) (т.е. перекрестные помехи между поднесущими). Частотные смещения, как правило, вызваны несоответствием передающих и осциллаторов или сдвигом Doppler из- за движения. В то время, как только сдвиг Doppler может быть компенсирован ver, ситуация ухудшается в сочетании с ath, так как отражения будут появляться при различных частотных смещениях, которые гораздо труднее исправить. Этот эффект обычно ухудшается по мере увеличения скорости и является важным фактором, ограничивающим использование OFDM в высокоскоростных транспортных средствах. Для того чтобы изменить ICI в таких сценариях, можно сформировать каждую поднесущую для того, чтобы минимизировать взаимную помеху, приводящую к перекрытию не ортогональных поднесущих. Например, низкокомпитентная схема, называемая WCP-OFDM (A Cyclic Prefix Orthogonal Frequency Division), состоит из использования коротких фильтров на выходе передатчика для того, чтобы выполнить потенциально не ректангулярное формирование импульсов и почти идеальное восстановление с использованием одинарной выборки на выравнивание поднесущих. Другие методы подавления ICI обычно резко увеличивают композицию. |