2. Алгоритм синхронизации в частотной области приёмо-передающих устройств системы с ортогональным частотным уплотнением.
В последние годы повышенный интерес проявляется к системам OFDM. Такие системы нашли применение в беспроводных системах связи благодаря высокой пропускной способности и эффективному использованию полосы спектра[13,14]. Например, системы digital audio broadcasting (DAB), digital video broadcasting (DVB), а также стандарт digital subscriber line (DSL) используют ортогональное частотное уплотнение. Основным достоинством OFDM является высокая помехозащищённость при передаче в канале с многолучевым распространением.
Суть метода состоит в разделении передаваемой цифровой информации на параллельные низкоскоростные потоки, каждый из которых передаётся на отдельной поднесущей. Совместно с полезной информацией таким же образом могут передаваться сигналы синхронизации и различные служебные данные.
Как известно, для когерентной демодуляции на приёмном конце необходимо восстановить начало передачи информации и скорость её передачи. Аналогично в системах OFDM необходимо определить начало символа и частоту дискретизации сигнала на передающем конце. Синхронизации в системах OFDM посвящено множество исследований, однако до сих пор задачи однозначно не решены разработчиками и исследуются с точки зрения повышения эффективности алгоритмов и их аппаратной реализации. Поэтому в настоящей статье рассмотрены основные причины, вызывающие ошибки синхронизации, предложены алгоритмы синхронизации OFDM-сигналов по времени и частоте, способы оптимизации их параметров и получены рабочие характеристики.
2.1. Синхронизация приёмо-передающих устройств в ofdm-системах.
Рассмотрим обобщенную функциональную схему системы передатчик – канал - приемник, использующей OFDM, представленную на рис. 10.
Для формирования и выделения ортогональных поднесущих в OFDM-системах используется пара преобразований Фурье. Поэтому сигналы формируются и передаются в виде временных отрезков определенной структуры, называемых OFDM-символами. В [15] показано, что OFDM - сигнал состоит из последовательности символов и имеет вид:
(16),
где
- количество
гармоник (поднесущих),
- комплексная
амплитуда, определяемая законом модуляции
данных (QAM4,
QAM16,
QAM64
– для стандарта DVB-T),
- длительность
символа без защитного интервала,
;
- период дискретизации;
- расстояние по
частоте между гармониками;
- количество
отсчетов в БПФ (2048 или 8192 для стандарта
DVB-T),
при этом
,
а амплитуды гармоник, не входящих в
,
принимаются равными нулю [18],
- длительность
символа после введения защитного
интервала,
.
Для минимизации влияния эффектов межсимвольной интерференции между отдельными символами вводятся паузы - защитные интервалы. На приемной стороне изначально не известен момент прихода очередного символа. Кроме того, во избежание потери ортогональности поднесущих при демодуляции, требуется точное фазовое и частотное согласование приемника и передатчика во всей полосе принимаемых сигналов. Фазовое и частотное рассогласование обусловлено разбросом и нестабильностью частот опорных генераторов передатчика и приемника при переносе спектра и доплеровским сдвигом - в подвижной связи. Влияние ошибок синхронизации возрастает с ростом числа поднесущих. Поэтому для минимизации фазовых искажений сигнала на приемной стороне, а, следовательно, вероятности ошибки при демодуляции, в OFDM-системах необходима как временная, так и частотная синхронизация.
Известны также искажения, обусловленные различием частоты дискретизации сигналов в передатчике и приемнике. Они приводят к изменению масштаба сигнала по времени и ширине спектра. Однако, как показала численная оценка, при выборе опорных генераторов высокой точности в приемопередающей аппаратуре, данные искажения имеют ничтожно малую величину и компенсируются трактами синхронизации.
Рис. 10. Функциональная схема системы передатчик-канал-приемник, использующей OFDM, где S/P – преобразователь последовательных данных в параллельные, IFFT – блок обратного быстрого преобразования Фурье, +GI – формирователь защитного интервала, P/S – преобразователь параллельных данных в последовательные, D/A – цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), TX и RX – передаваемые и принимаемые данные соответственно.