курсач / материалы / Радиоприемные_устройства_систем_радиосвязи_и_радиодоступа_1_2_16

Рисунок 3

Внем содержатся семь (или шесть) OFDM символов, разделенных циклическим префиксом СР (Cyclic Prefix.) Каждый из символов включает 12 смежных поднесущих частот, разнесенных на 15 кГц (для системы LTE) при суммарной полосе, выделенной ресурсному блоку 12×15 = 180 кГц и, соответственно, 12×7 = 84 ресурсных элемента.

После выполнения последовательно/параллельного преобразования сигнал, обладающий последовательной структурой, пропускается через фильтр Найквиста. На его выходе формируется множество ортогональных откликов, обладающих ограниченной полосой частот с сохранением ортогональности между модулированными поднесущими.

Вструктуре каждого таймслота TS при организации сетей с небольшим размером сот (стандартный кадр) для разделения OFDM символов в конце каждого из семи символов вставляется циклический префикс СP: для первого OFDM символа длиной 5,21 мкс, а между остальными - длиной 4,69 мкс. При большой зоне обслуживания для борьбы с межсимвольной интерференцией ресурсный блок состоит из длинного циклического префикса 16,67 мкс и шести OFDM символов.

31

При использовании интерфейса UTRAN/TDD для передачи символов с низкой скоростью LCR может формировать в радиоканале распределение временных слотов в отношении 3:3 («вверх»:«вниз»), что приводит к переключению антенны в два раза чаще из режима передачи в режим приема – через каждые три таймслота (рис. 2).

После этого они группируются в слоты, создавая радиокадр, число слотов в

введением между ними во временной области защитных промежутков GP. Введение этих мер приводит к незначительным нарушениям ортогональности между поднесущими на длине модулирующих символов, т.е. возрастанию числа ошибочно принятых символов BER (Bit Error Rate) в приемнике.

Фильтр Найквиста на выходе модуляторов сужает полосу частот, занимаемую групповым сигналом, и восстанавливает ортогональность отдельных поднесущих. Корректирующий фильтр с частотной характеристикой вида x/sinx, включенный на входе преобразователя «вверх» передатчика, вместе с фильтром Найквиста обеспечивает постоянство частотной характеристики радиоканала в полосе частот передачи.

Дополнительной мерой, применяемой на передающей стороне, является помехоустойчивое кодирование, обладающее способностью не только обнаруживать ошибки, но и исправлять (блочные и древовидные коды) их. К разновидности кодирования можно отнести и перемежение символов информационной последовательности на передаче (и деперемежение на приеме), обеспечивающее рассеяние групповых ошибок и перевод их в одиночные.

32

1.3.Приемный тракт трансивера

1.3.1.Процедура обработки сигнала на

приемной стороне

Ограничимся рассмотрением процедур, выполняемых на физическом уровне, что определяет структуру приемников и передатчиков и функции, выполняемые его отдельными каскадами. На этом уровне осуществляется формирование, передача и прием радиосигнала, включая модуляцию/демодуляцию, предварительное и помехоустойчивое кодирование/декодирование. На физическом уровне также происходит поиск соты, доступ к каналу, передача команд регулирования мощности, излучаемой АТ, синхронизация и управление задержкой в направлении «вверх», измерение параметров канала и организация запроса на повторную передачу сигнала при превышении установленного значения вероятности ошибки Pош = Nош/Nполн – числа ошибочно принятых символов к общему числу переданных символов. Другой часто используемой единицей оценки качества канала является BER.

Процедура поиска соты включает синхронизацию АТ и БС по времени и частоте и выделение идентификатора соты (Cell ID). Поиск базовой станции происходит с помощью синхросигналов и тестовых (опорных) сигналов RF (Reference Signal), передаваемых в физическом канале. Взаимная синхронизация БС и АТ обеспечивается при любой ширине полосы (1,3 ÷100 МГц) канала радиотракта, так как синхросигналы расположены вблизи центральной частоты

мощностей, принимаемых БС сигналов. Предел изменения излучаемых мощностей зависит от типа модуляции в каждом ресурсном элементе и составляет 10 дБ при использовании QPSK модуляции и 6 дБ для 16QAM, что соответствует максимальной излучаемой мощности АТ 23 дБм и минимальной - минус 40 дБм. Такая опция обладает особой важностью при использовании многоантенной технологии MIMO.

Для оптимизации интерфейса БС и АТ проводят систематические измерения (мощности принимаемого АТ сигнала, величины интерференции, качества принимаемого опорного сигнала и др.), что прежде всего, необходимо для выполнения хэндовера (эстафетной передачи АТ) в собственной сети и сетям других стандартов. Информация об изменении мощности, излучаемой передатчиком АТ, передается по выделенному каналу на АТ по результатам оценки вероятности ошибки (BER) принимаемого БС сигнала. Одновременно на БС передается показатель качества канала QoS (Quality of Service) на основе мониторинга состояния канала «вниз», задающий скорость передачи и вид модуляции для АТ.

Получившая в последнее время широкое распространение технология многоантенных систем, обозначаемая MIMO (Multi Input Multy Output, много входов и много выходов в радиоканал), активно используется при разработке оконечных устройств БС и АТ в системе LTE. Основная ее идея состоит в

33

организации в радиоканале нескольких независимых радиопотоков, работающих в одной полосе частот и переносящих часть информации группового сигнала, действующего на входе модулятора передатчика. Принципы обработки сигнала в приемнике, включающего информацию всего группового сигнала или ее части, не изменяются. Отличие возникает лишь в появлении параллельных структур в приемном тракте до демодулятора, число которых определяется количеством используемых антенн (одна, две, четыре).

Использование большого числа поднесущих у принимаемого сигнала находит отражение в изменении функций отдельных каскадов, свойственных традиционным структурам базовых видов модуляции. При сохранении функций каскадов радиотракта, свойственных базовым архитектурам, в приемниках цифровых систем радиосвязи и радиодоступа, детекторы, формирующие сигнал с частотой манипуляции (базовый тракт - base band), встраиваются в структуру демодулятора. Создаваемая последовательность символов обычно является последовательностью корреляционных функций на выходе согласованного фильтра или когерентного детектора, из которой формируется цифровая последовательность. При этом решение о принятом информационном бите принимается не по одному символу, а в результате обработки группы символов полученной последовательности, длительность которой определяется алгоритмом декодирования (обычно максимального правдоподобия, алгоритм Витерби).

1.3.2. Функциональная схема приемной части трансивера

Следует заметить, что структурная схема аналоговой части приемника, его радиотракта, не зависит от технологии формирования радиосигнала, способа дуплексирования, назначения радиосистем и местом аппаратуры в сети (АТ или БС), а определяется в основном технологическими возможностями разработчиков больших интегральных схем (БИС).

Входной сигнал приемника подвергается в радиотракте преобразованиям, во многом обратным тем, которые выполнены в передатчике (модуляции/демодуляции, мультиплексирование/демультиплексирование, кодирование/декодирование и др.). Они дополняются преобразованиями, учитывающими особенности прохождения сигнала в радиоканале, наземной сети радиодоступа (E-UTRAN), применяемой технологии формирования группового сигнала и способ разделения каналов.

Разрабатываемый приемник стандарта LTE и других систем радиодоступа,

применяющих технологию ортогонального частотного мультиплексирования и разделения каналов (OFDM), для передачи/приема сигнала в радиоканале использует не одну, а большое число поднесущих, обладающих взаимной ортогональностью.

Для увеличения скорости передачи информации и повышения помехоустойчивости передаваемого сигнала АТ как и БС могут использовать одну или несколько приемо-передающих антенн (А). Радиотракт (РТ) приемника

включает входной радиочастотный модуль (ВЧРМ, рис. 1), который

34

обеспечивает коммутацию антенны к выходу передатчика или входу приемника,

поскольку АТ выполняется как приемопередатчик (трансивер). В случае использования многоантенной технологии MIMO (Multi Input Multi Output) общий последовательный информационный поток на входе радиоканала разбивается на несколько ортогональных подпотоков, содержащих некоторую часть исходной последовательности. Формирование таких частных

скорости передачи данных.

При использовании режима частотного дуплексирования (FDD, Frequency Division Duplex), когда АТ для приема и передачи сигналов выделяются различные полосы частот, структура ВЧРМ кроме антенного переключателя, может содержать дуплексные фильтры. Они предназначены для разделения полос частот прием и передачи, а также уменьшают уровень сигнала на входе приемника от собственного передатчика в режиме излучения.

Рассмотрим процесс обработки сигнала в приемном тракте трансивера

обрабатывающие сигнал на радиочастоте - это усиление полосы принимаемых сигналов, обеспечение частотной избирательности и ослабление внеполосных помех. Архитектура РТ может быть реализована по схеме: прямого преобразования принятого сигнала, супергетеродинной с одним или двумя

устройство, технологическими возможностями на построение специализированных БИС по единой технологии и номенклатурой комплектующих изделий, предлагаемых производителями.

Радиосигнал, полученный с выхода одной из антенн АТ (при использовании технологии MIMO), поступает в переселектор. Входная цепь и усилители преселектора, содержат полосовые фильтры, основной функцией которых при использовании супергетеродинной архитектуры приемника является подавление побочных каналов приема, возникающих из-за включения в структуру приемника преобразователя «вниз». Одновременно преселектор должен обеспечивать выделение полосы рабочих частот системы при неравномерности АЧХ, задаваемых требованиями стандартов на приемную аппаратуру.

Характеристики переселектора определяют такие важные показатели приемника, как чувствительность, подавление наиболее опасного канала в супергетеродинном приемнике – зеркального канала и снижение уровня интермодуляционных искажений. Одновременно его конструкция должна быть технологически наиболее простой, не перестраиваемой и обеспечивающей

35

36

работу во всей рабочей полосе выделенной системе, а при работе в сетях с различными стандартами – поддерживать работу АТ в различных полосах частот и видах модуляции. Фильтрующая система преселектора может быть реализована в зависимости от применяемой технологии с использованием дискретных или распределенных компонентов.

Часть этих функций возложена на ВЧРМ (включается на входе преселектора, рис. 1), который снижает уровень мощности сигнала от собственного передатчика на входе приемника с помощью антенного коммутатора. Введение дополнительного сдвига интервала приема сигнала на несколько радиокадров по отношению к работе трансивера на передачу увеличивает развязку между передатчиком и приемником. Кроме дуплексных фильтров, разделяющих полосы принимаемых и передаваемых частот системы, ВЧРМ может включать также диплексеры, выделяющие в полосе принимаемых частот от БС, с которой АТ в данный период взаимодействует, в том числе полосу частот другого стандарта.

Преобразование принятого сигнала на более низкую, по сравнению с частотой принимаемого сигнала, промежуточную частоту, повышает устойчивость характеристик радиотракта. В новой, пониженной полосе частот радиотракта выполняется основная операция - выделение полосы рабочих частот АТ (канала) и подавление соседнего канала. На промежуточной частоте оказывается конструктивно проще реализовать фильтры с коэффициентом прямоугольности, близким к единице. Это уменьшает количество дискретных компонентов в радиотракте, повышая надежность устройства, снижая его стоимость.

Последовательный информационный поток, полученный от базовой станции, в АТ проходит идентификацию ресурсных блоков, предназначенных для него, и проводит оценку качества нисходящего канала по принятым опорным сигналам. После подавления соседнего канала с помощью полосовых фильтров принятый сигнал, обладающий последовательной структурой, переформатируется в параллельную форму (параллельно-последовательное преобразование). Это позволяет выполнять одновременную обработку OFDM символов, принадлежащих одной поднесущей каждого ресурсного блока.

Предварительная коррекция вида x/sinх, введенная на передающей стороне на приемной стороне устраняется включением в радиотракт фильтра Найквиста, обладающего частотной характеристикой вида приподнятого косинуса RC . Одновременно фильтр Найквиста формирует отклики на входное воздействие вида sinх/х, восстанавливая ортогональность поднесущих принимаемого сигнала.

Для выполнения демодуляции (формирования символов медленной модулирующей последовательности) группового сигнала предварительно

удаляются циклические префиксы СР и с помощью эквалайзера выравнивают мощности сигналов на каждой поднесущей. После удаления СР, разделяющие OFDM символы, остаются только информационные символы на каждой поднесущей, обладающие одинаковой мощностью, что снижает опасность межсимвольной интерференции.

37

В цифровом сигнальном процессоре (ЦСП) над входным сигналом выполняется прямое преобразование Фурье программным или схемотехническим (перемножением сигнала каждого из подканалов на ортогональную поднесущую с частотой своего подканала) методом.

Результатом демодуляции (синхронного детектирования) каждой из поднесущих является формирование синфазной I(t) и квадратурной Q(t) составляющих. Каждый символ на выходе такого демодулятора, несущий два бита, не является информационной последовательностью. Каждая такая последовательность корреляционных символов представляют собой кодовое слово помехоустойчивого кода, позволяющее восстановить переданную информационную последовательность.

Последовательность корреляционных символов с выходов отдельных демодуляторов формируется в виде блока параллельных цифровых последовательностей, содержащих информацию о законе изменения фазы на каждой поднесущей. В цифровых системах радиосвязи и радиодоступа, использующих сложные виды манипуляции (квадратурной фазовой, многоуровневой амплитудно-фазовой), детектор является составной частью когерентного демодулятора.

Детектор (Д) предназначен для формирования на его выходе напряжения, изменяющегося пропорционально закону модуляции одного из параметров принимаемого сигнала (амплитуде, частоте, фазе).

Преобразование символьной последовательности в информационную выполняется в детекторе (декодере) с использованием алгоритма Витерби (по максимуму правдоподобия) на основании данных о всей принятой последовательности, а не отдельного информационного символа. Суть действия алгоритма состоит в поиске кратчайших путей к искомому состоянию в n-й момент на основе состояния на решетчатой диаграмме на предыдущем шаге в (n-1) момент времени, также полученного в процессе поиска кратчайшего пути на (n-2) шаге.

Решение на выходе декодера о принятой информационной последовательности принимается на основе анализа группы символов и выбором ближайшей к ней эталонной последовательности, по минимуму кодового расстояния (декодер максимального правдоподобия).

Процесс формирования битовой последовательности из полученной символьной последовательности на выходе когерентного демодулятора выполняется в последетекторном тракте (ПДТ) приемника. Результатом являются, в зависимости от характера переданного сообщения, цифровая информационная последовательность или значения дискретных отсчетов в тактовых точках, поступающие на воспроизводящее устройство.

Демультиплексированный сигнал подается в цифровой тракт приемника

(ЦТПр, рис. 1), где подвергается операциям канального речевого декодирования, перемежения и, наконец, после преобразования в форму, удобную для его воспроизведения, поступает в воспроизводящее устройство (ВУ, рис. 1).

38

Описанная процедура обработки сигнала в АТ не отличается от применяемой на базовой станции (БС). Дополнительно БС должна обеспечивать разделение принятых радиосигналов от различных АТ (синхронизации передаваемых и принимаемых пакетов), выравнивание на входе приемника БС мощности радиосигналов, принимаемых от различных АТ, управление роумингом АТ и др.

Архитектура приемников высокоскоростных широкополосных систем радиодоступа Wi-Fi, WiMAX, также использующих технологию OFDM, принципиально не отличается от структуры АТ системы LTE. Отличие проявляется лишь при реализации ЦСП, где необходимо учитывать количество поднесущих, их разнесение по частоте, количество точек преобразования Фурье (количество перемножителей в демодуляторе).

Применение таких сложных алгоритмов обработки принимаемых сигналов позволяет достичь скорости передачи в цифровых радиосистемах, близкой к предельной по Шеннону при отношении С/Ш на входе приемника ниже на 10÷15 дБ по сравнению с существующими аналоговыми системами.

2.Разработка структурной схемы радиотракта приёмника стандарта LTE/LTE Advanced с однократным преобразованием частоты

2.1. Структурная схема приемника АТ супергетеродинного типа

Приемный тракт можно условно разделить на две части по виду обрабатываемого сигнала: аналоговую и цифровую. Для упрощения формирования архитектуры радиотракта приемника супергетеродинного типа с сохранением общности методики для приемников, применяющих технологию OFDM. В качестве примера рассмотрим методику формирования архитектуры приемника только одного стандарта LTE (LTE Advanced) при использовании в АТ одной приемо-передающей антенны.

Антенна, являющаяся преобразователем электромагнитного поля в ЭДС, создает на входе радиотракта приемника напряжение от всех внешних источников излучения, обладающих достаточной мощностью (рис. 5). Антенна АТ относится к типу настроенных, что обусловлено сохранением постоянства ее характеристик в полосе частот системы.

Рисунок 5

В архитектуре АТ, являющегося приемо-передатчиком (TRANmitter reCEIVER, трансивер), используется одна антенна, подключаемая на одном

39

временном интервале, равном одному радиокадру, к выходу передатчика, а на другом - к входу приемника с помощью электронного коммутатора (блока ВЧРМ). Входной радиочастотный модуль (ВЧРМ) будет обладать более сложной структурой при работе приемо-передатчика в нескольких стандартах, различных диапазонах частот и применяемых способах дуплексирования.

Радиотракт – часть структурной схемы приемника (рис. 6), в котором происходит фильтрация, усиление, преобразование частоты принятого радиосигнала. Основным свойством радиотракта является линейность его характеристик на частоте полезного сигнала, т.е. отсутствие гармоник сигнала на рабочей частоте. Это позволяет считать радиотракт линейной структурой, обладающей принципом суперпозиции.

Рисунок 6

Первым каскадом, включаемым к выходу ВЧРМ, является входная цепь (ВЦ)

подавлении побочных каналов преобразования. Одновременно ВЦ выделяет полосу частот системы, позволяющей использовать любой АТ для приема сигналов БС вне зависимости от полосы частот, выделенной оператору (канала).

Входная цепь, являющаяся пассивной фильтрующей цепью резонансного типа, которая может быть реализована из отрезков полосковых линий короткозамкнутых или разомкнутых длиной / 4 или планарных индуктивностей и паразитной емкости входных цепей подключаемых каскадов. В современных конструкциях ВЦ часто используют дискретные полосовые фильтры из пьезокерамики, реализующие избирательные свойства, основанные на особенностях распространения поверхностных акустических волн (ПАВ) в таких структурах и позволяющие получать АЧХ любого вида, в том числе, близкую к П-образной.

При высоких требованиях к техническим показателям АТ приемника (чувствительность, селективность по зеркальному каналу, каналу прямого усиления) дополнительно к ВЧРМ и входной цепи может быть включен

малошумящий усилитель (МШУ), а также усилитель радиочастоты (УРЧ),

обладающий регулируемым коэффициентом усиления. Такая группа каскадов

40