курсач / материалы / Радиоприемные_устройства_систем_радиосвязи_и_радиодоступа_1_2_16

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ПО КУРСОВОМУ ПРОЕКТИРОВАНИЮ

В качестве курсового проекта студентам предлагается разработка структурной схемы и составление архитектуры радиотракта приёмника системы широкополосного радиодоступа стандарта, указанного в задании на проектирование.

ВЫБОР ВАРИАНТА ЗАДАНИЯ

Задания на курсовое проектирование составлены по многовариантной системе. Вариант задания выбирается по двум последним цифрам номера зачётной книжки студента. Предпоследняя цифра определяет диапазон приемника: если цифра нечётная, следует использовать данные табл. 1, чётная – табл. 2. По последней цифре номера зачётной книжки определяются технические параметры приёмника, которые должны быть обеспечены при проектировании.

21

22

23

Тип структурной схемы приёмника, а также её реализация выбирается произвольно, по желанию студента. В архитектуре радиотракта можно использовать как рекомендации данного пособия по применению микросхем, содержащихся в Приложении, так и другую элементную базу, пригодную для проектирования приёмника, соответствующего техническому заданию.

ТРЕБОВАНИЯ К ОФОРМЛЕНИЮ

Пояснительная записка к выполненному курсовому проекту в напечатанном или рукописном виде на стандартном листе формата А4 в сброшюрованном виде оформляется в соответствии с требованиями ЕСКД [6] на изображение электрических схем и должна содержать:

1)техническое задание на проект;

2)обоснование и расчёт структурной схемы приёмника;

3)окончательную структуру приемной части терминала, содержащую сведения на основные показатели применяемых ИС;

4)справочные данные, структурную схему, а также типовое включение применяемых ИС;

5)перечень использованных источников информации.

24

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО КУРСОВОМУ ПРОЕКТИРОВАНИЮ

1. Технология OFDM в современных радиотехнических системах

1.1. Основные понятия и определения

Проектируемые устройства являются составной частью радиотехнических систем, предназначенных для передачи (приема) аналоговых и цифровых сигналов радиотехническими средствами. Передаваемые (принимаемые) радиосигналы включают информацию, отражающую в электрической форме сообщение о произошедшем событии (физическом процессе). Средой передачи является открытое пространство между источником и получателем, которое включает только область радиочастот (выше звукового диапазона).

Некоторая часть частотного диапазона направляющей среды, используемого для передачи радиосигналов (от выхода антенны передатчика БС до антенны приемника АТ), называется радиоканалом.

Переход к цифровой форме передаваемых сигналов позволил сделать язык описания сообщения или его части универсальным – логическим (событие произошло – лог. 1, не произошло – лог. 0). При таком упрощении появилась возможность строить системы (радиотехнические и проводные, кабельные и спутниковые), обладающие различными способами формирования сигнала, объединять их между собой без применения дополнительных сопрягающих устройств.

Сопряжение различных типов систем должно удовлетворять требованиям модели взаимодействия открытых систем OSI (Open System Interconnection), обладающей многоуровневой структурой. Верхние включают уровни более высокого порядка: канальный, сетевой. Канальный уровень является транспортной средой, обеспечивающей управление сетевыми ресурсами и поддержку протоколов, определяющих требования по достоверности передаваемых данных, качеству обслуживания и времени ожидания. На сетевом уровне обеспечивается управление ресурсами сети (установление соединения и разъединение, переконфигурирование в каналах сигнализации и радиодоступа при хэндовере).

Взаимодействие БС и АТ, происходящее на физическом уровне с помощью интерфейса Uu, является лишь малой частью процесса, обеспечивающего передачу информации от одного АТ1 другому АТ2, и включает обширный комплекс оборудования подключаемых сетей и систем и интерфейсов. Под интерфейсом в системах связи понимают общую границу между взаимодействующими системами или ее компонентами.

Физические каналы являются вещественной средой передачи для любых сообщений между АТ и БС. Под термином канал на физическом уровне понимают ресурс в частотно-временной области, выделенный для

25

передачи/приема символов группового сигнала, предназначенных для выполнения конкретной задачи. Например, PDSCH (Physical Downlink Shared Channel) - совместный физический канал на линии «вниз», предназначен для передачи данных и мультимедиа с высокой скоростью, PDCCH (Physical Downlink Control Channel) физический канал управления на линии «вниз», организован для передачи специфических сигналов. Для передачи служебной вещательной информации организован ССPCH (Common Control Physical Channel) общий физический канал управления на линии «вниз». Каждому физическому каналу во временной области выделены определенные OFDM символы с указанием их размещения в определенном слоте радиокадра (фрейма). Таким образом формируется структура физического ресурсного блока, основной единице частотно-временной области, включающей в системе LTE 12 ортогональных поднесущих, разнесенных на 15 кГц, на которых передаются шесть или семь OFDM символов. На каждой поднесущей на временном отрезке в 0,5 мс (один слот) вместе с OFDM символами передается циклический префикс, обеспечивающий их взаимную ортогональность.

Основными направлениями развития сетей радиодоступа и связи являются: расширение списка предоставляемых услуг и повышение скорости передачи данных. Однако, простое повышение скорости передачи цифровых последовательностей, полученных на выходе, например, ИКМ модулятора речевого сигнала, уменьшением длительности бита приводит к возрастанию межсимвольной интерференции. Применение сложных видов манипуляции nQAM требует увеличения мощности передатчика базовой станции (БС) для сохранения на выходе приемника АТ той же вероятности ошибки. Повышение мощности передатчика (увеличение отношения С/Ш на входе демодулятора/детектора) приемника вызывает новые проблемы в усложнении управления наземной сетью радиодоступа и электромагнитной совместимости в каждой соте.

В основе технологии OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex)

ортогонального частотного разделения каналов с мультиплексированием, применяемой во всех вариантах заданий, предлагаемых к проектированию радиоприемных устройств, лежит формирование в радиоканале спектра, состоящего из большого числа ортогональных поднесущих. Каждая из таких поднесущих модулирована медленной символьной последовательностью, взаимно ортогональной другим модулирующим последовательностям. Разнесение поднесущих определяется длительностью модулирующего символа и зависит от рабочей частоты, полосы частот, выделенной каналу, и особенностей алгоритма формирования модулирующих последовательностей.

Использование для передачи информации в радиоканале вместо обычно используемой одной несущей большого числа ортогональных поднесущих позволило повысить скорость передачи при сохранении вероятности ошибки и ширины занимаемой полосы частот. Это усложнило алгоритм формирования на передатчике и обработки в приемнике канальных последовательностей. Спектры модулированных поднесущих остаются независимыми (ортогональными) на

26

составляющих радиосигнала на длительности каждого модулирующего символа. Применение сложных видов манипуляции сделало возможным изменять в динамическом режиме полосу частот, выделяемую абоненту, а значит и скорость

передачи информации при изменении загрузки сети.

1.2. Структурная схема приемопередатчика

Приёмопередатчик (трансивер) абонентского терминала (АТ) или базовой станции (БС) систем радиодоступа, объединенных технологией OFDM

(Orthogonal Frequency Division Multiplex) – Ортогональным Частотным Разделением и Мультиплексированием (ОЧРМ), относятся к разряду одноканальных (на выходе воспроизводится одно сообщение) имеет укрупнённую структурную схему, приведенную на рис. 1.

Рисунок 1

Архитектура трансивера включает антенну (А), входной радиочастотный модуль (ВРЧМ), тракт передатчика, тракт приемника, тракт синтеза частот (ТСЧ), цифровой тракт приемника ЦТПр и передатчика ЦТПер, а также источник сигнала (ИС) и воспроизводящее устройство (ВУ).

Совмещение функций передачи и приема сигнала усложнило конструкцию терминала, почти в два раза, т.к. часть его структуры – синтезатор (тракт синтеза частот ТСЧ, рис. 1), используется для формирования гармонических и импульсных сигналов с частотами, одинаковыми для передатчика и приемника.

Последовательности на выходе цифрового тракта передатчика ЦТПер формируются из групповой цифровой последовательности, созданной от всех источников сигналов ИС (трафик, служебные символы, управляющие команды и др.)

27

Для передачи радиосигналов одновременно во встречных направлениях между АТ ↔ БС необходимо, чтобы каждое из этих устройств обладало передатчиком и приемником, т.е. было приемопередатчиком (трансивером). ВРЧМ (рис. 1) используется для подключения антенны к входу приемника или выходу передатчика, а также служит при частотном дуплексировании для разделения полос принимаемых и передаваемых частот с помощью дуплексных фильтров верхних (ДФ ФВЧ) и нижних (ДФ ФНЧ) частот, соответственно. При этом антенна трансивера на длине одного радиокадра (фрейма) в 10 мс работает как передающая или принимающая, оставаясь по своим свойствам настроенной даже при большом дуплексном разносе полос приема/передачи. Это объясняется небольшим относительным изменением полосы приема/передачи из-за высокой средней полосы рабочих частот системы.

Технология OFDM используется во всех типах разрабатываемых приемников, определяемых техническим заданием ТЗ. В ее основе лежит использование большого числа ортогональных поднесущих, модулированных индивидуальной цифровой последовательностью, сформированной по некоторому алгоритму из группового (общего) цифрового потока от всех источников сигналов. Это позволяет сформировать сигнал, содержащий большое число поднесущих с неперекрывающимися спектрами, который затем в радиотракте передатчика переносится в рабочий диапазон частот (частотный диапазон передачи, см. табл. ТЗ). При этом радиопередатчик, например, БС излучает сигнал в полосе частот, предназначенной абонентскому терминалу (АТ) в ее зоне обслуживания (соте). Для АТ она является полосой принимаемых частот.

При временнóм дуплексировании полоса рабочих частот для режима передачи и приема сигналов остается неизменной (общей). Переход из одного режима в другой происходит на длине одного фрейма каждые 5 мс. Для этого радиокадр разбивается на два отрезка по 5 мс, и в начале, и конце каждого подкадра вставляют защитные интервалы и маркеры, указывающие на направление передачи информации «вверх» или «вниз» (рис. 2).

Рисунок 2

28

Это усложняет алгоритм обработки сигнала в оконечных устройствах, но

манипуляции 3,84 Мчип/с.

В сети E-UTRAN (Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network -

Усовершенствованная универсальная наземная сеть радиодоступа) кадровая структура радиоинтерфейса соответствует изначальной структуре радиоинтерфейса UTRAN/TDD для низкоскоростного режима LCR (Low Chip Rate) 1,28 Мбод и основана на использовании временных слотов длительностью 675 мкс. Каждый из полукадров длительностью 5 мс разделен на семь (TS0, TS1 – TS6) временных слотов TS (Time Slot) защитными интервалами длительностью 75 мкс GP (Guard Period) между ними.

На длине полукадра может произойти два переключения в точке: DUSP «вверх» и UDSP «вниз». На линии UDSP «вниз» полукадры содержат сигналы синхронизации и системной информации. Если положение первой точки DUSP (Down Up Switch Point - Точка переключения «снизу-вверх») фиксировано, вторая точка UDSP (Up Up Switch Point - Точка переключения «сверху вниз») зависит от типа канального трафика. В точке переключения (UDSP) из линии «вверх» в точку «вниз» слот может быть исключен, если действующая система синхронизации устраняет временную задержку на распространение сигнала.

При этом на длине одного субфрейма (двух слотов) в каждом направлении вводится защитный интервал и два интервала, содержащих пилот-сигналы: служебная информация каналов для линии «вниз» и «вверх» DwPTS (Downlink

Pilot Timeslot, длительностью 75 мкс) и UpPTS (Uplink Pilot Timeslot,

длительностью 125 мкс), соответственно, а также защитный интервал GP между ними. Они указывают начало и окончание полуфрейма, содержащего информацию, передаваемую в направлении «вверх» или «вниз», разделенных защитным интервалом. Описанное распределение частотно-временных ресурсов сохраняется в направлениях «вверх» и «вниз» на длительности одного слота.

Введение в структуру слотов защитных интервалов GР является эффективным способом борьбы с межсимвольной интерференцией, вызванной многолучевостью распространения радиоволн. Нулевой слот TS0 всегда предназначен для передачи служебной информации по линии «вниз» по вещательному каналу управления BCH (Broadcast Channel), а временной слот TS1 - по линии «вверх».

Врадиопередатчике источник сигнала ИС (например, микрофон) подключен

кцифровому тракту (ЦТПер), преобразующему аналоговый сигнал в цифровую форму и осуществляющему операции, повышающие его помехозащищенность применением речевого и линейного кодирования.

29

Полученные цифровые последовательности от микрофона и других источников формируются в групповой сигнал. Из него для борьбы с многолучевостью при распространении сигнала в сети создаются по некоторому алгоритму медленные взаимно ортогональные последовательности. В модуляторе передатчика или на его входе формируются ортогональные поднесущие, каждая из которых затем модулируется своей медленной последовательностью, взаимно ортогональной к другим, и потом осуществляется перенос спектра видеосигнала на промежуточную частоту. В зависимости от интенсивности трафика и назначения передаваемого сигнала каждая поднесущая в модуляторе подвергается квадратурной фазовой (QPSK) или многоуровневой амплитудно-фазовой (16QAM, 64QAM) манипуляции.

Для повышения защищенности передаваемого сигнала в радиоканале цифровые последовательности от различных источников подвергаются в передатчике многоэтапным преобразованиям. Основная помеха, характерная для мобильных систем с неперестраиваемой входной цепью – это межсимвольная интерференция, вызванная многолучевостью, когда на входе приемника, кроме основного сигнала, действуют одновременно его несколько эхо-копий. Воздействие сигналов, обладающих различной временной задержкой (фазой), приводит при их сложении к увеличению или уменьшению (снижению до нуля) мощности принимаемого полезного сигнала, т.е. к возрастанию ошибки при приеме при заданном отношении С/Ш.

Борьба с многолучевостью при использовании технологии OFDM, основана на передаче в радиоканале большого числа ортогональных несущих (до нескольких тысяч), содержащих информацию о фрагментах исходного цифрового сигнала. Фрагменты цифровой последовательности группируются в виде OFDM символов, взаимная ортогональность между которыми обеспечивается введением циклического префикса СP (рис. 2).

Сигнал на выходе модулятора передатчика, выполняющего модуляцию каждой поднесущей программными или схемотехническими методами, обладает параллельной структурой и теоретически неограниченной полосой.

Медленные ортогональные последовательности, модулирующие ортогональные поднесущие, формируют в частотно-временном домене, физический ресурсный блок PRB (Physical Resource Block), входящий в ресурсную сетку (рис. 3).

30