OFDM в современных технологиях связи. Выбор параметров OFDM сигнала. Учебное пособие

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ

Федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение высшего профессионального образования

Московский технический университет связи и информатики

____________________________________________________________________________

каф. Радиопередающих устройств

В.А. ВЛАСОВ

OFDM В СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЯХ СВЯЗИ. ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ OFDM СИГНАЛА

Учебное пособие

Для специальностей: 201100, 201800,200700, 071500

МОСКВА 2012

1

большая вычислительная мощность. Однако непрерывное развитие технологий обработки сигналов привело к тому, что эту причину уже нельзя считать препятствием на пути внедрения OFDM, и теперь эта технология образует основу нисходящего канала LTE. Другим фактором, сдерживающим применение OFDM в мобильных системах, были присущие этой технологии сигналы с высоким отношением пикового значения к среднему (PAR), которые порождаются параллельной передачей нескольких сотен тысяч близко расположенных поднесущих. Для мобильных устройств сигналы с большим PAR создают целый ряд проблем, связанных с конструкцией

канала связи предусматривается отдельная полоса радиочастот, зависящая от используемого вида модуляции несущей частоты и от требуемой пропускной способности. При этом каждый передаваемый символ “скругляется” импульсно-Shaping фильтром для уменьшения помех соседним каналам, для снижения межсимвольных помех (Inter-Symbol InterferenceISI). В системе FDM каждый канал находится на расстоянии примерно 25% от ширины канала – см. рис.1. В системе FDM ширина канала связи (Bw) может обеспечить скорость передачи символов в соответствии с соотношением: Bw = 2/Symbol Rate (Rs).

Рис.1.Принцип распределения частотного ресурса в системах FDM

В системах широкополосного беспроводного доступа (ШБД) основным разрушающим фактором для цифрового канала являются помехи от многолучевого приема. Этот вид помех весьма характерен для эфирного приема в городах с разноэтажной застройкой из-за многократных отражений радиосигнала от зданий и других сооружений.

Радикальным решением этой проблемы является применение технологии ортогонального частотного мультиплексирования OFDM, которая специально

4

разработана для борьбы с помехами при многолучевом приеме. Разновидность технологи – метод COFDM (сочетание канального кодирования C и OFDM) - хорошо известен и широко используется в цифровых системах радиовещания DAB, радиодоступа и сотовой радиосвязи в Европе, Америке и Японии.

При OFDM последовательный цифровой поток преобразуется в большое число параллельных N потоков (субпотоков), каждый из которых передается на отдельной несущей (к примеру, в новом стандарте наземного цифрового телевидения DVB-T2 N=32000). Частотный разнос f между любыми соседними поднесущими fк и fк+1 ... ∆f в групповом радиоспектре OFDM выбирается из условия возможности выделения в демодуляторе индивидуальных поднесущих. При этом возможно применение двух методов частотного разделения (демультиплексирования) несущих. Во-первых, с помощью полосовых фильтров и, во-вторых, с помощью ортогональных преобразований сигналов. В первом случае частотный разнос между поднесущими выбирается таким, чтобы их соседние боковые полосы взаимно не перекрывались. Это условие будет выполнено, если величину частотного разноса выбрать равной Δf > 2/T , где T - рабочий интервал (длительность) информационного символа. Однако при этом эффективность использования радиоспектра будет невысокой.

Рис.2. Принцип распределения частотного ресурса при OFDM

.

Напротив, стандарт OFDM характеризуется сильным перекрытием спектров соседних поднесущих, что позволяет уменьшить в два раза значение частотного разноса и во столько же раз повысить скорость передачи цифровой информации (бит/с)/Гц [2,4].

При OFDM в качестве элементарного модулирующего импульса для каждой из множества поднесущих используется импульс вида sin x/x, спектр которого представлен на рис.3а.; а на рис.3.б. – спектр OFDM символа (для упрощения рисунка здесь используется малое количество поднесущих частот N=5). На каждой из множества поднесущих OFDM спектра происходит компенсация помех от соседних частот из-за ортогональности принимаемых сигналов, хотя их боковые полосы взаимно перекрываются. Для выполнения условий ортогональности необходимо, чтобы частотный разнос между

5

несущими был постоянен и точно равен значению ∆f= 1/Т, то есть на интервале T должно укладываться целое число периодов разностной частоты ∆f между любыми соседними поднесущими частотами OFDM символа.

Благодаря ортогональному методу демодуляции поднесущих группового спектра происходит компенсация помех от соседних частот, несмотря на то, что их боковые полосы взаимно перекрываются. Для выполнения условий ортогональности необходимо, чтобы частотный разнос между соседними поднесущими был постоянен и точно равен значению ∆f=1/T, т.е. на интервале Т должно укладываться целое число периодов разностной частоты (fn+1- fn) =∆f. Выполнение этого соотношения достигается введением в модеме OFDM двух видов сигналов синхронизации: сигналов для синхронизации несущих частот группового спектра и сигналов для синхронизации тактовых частот функциональных блоков демодулятора [1,4].

Группа несущих частот, которая в данный момент времени переносит биты параллельных цифровых потоков, называется "символом OFDM". Благодаря тому, что используется большое число параллельных потоков,

Рис.3. Спектральная плотность одного элементарного символа sin x /x импульса sin x/x и одного OFDM символа

длительность символа в параллельных потоках оказывается существенно больше, чем в последовательном потоке данных. Это позволяет в декодере задержать оценку значений принятых символов на время, в течение которого изменения параметров радиоканала из-за действия эхо-сигналов прекратятся, и канал станет стабильным.

Таким образом, при OFDM временной интервал символа субпотока Tс делится на две части - защитный интервал Tg, в течение которого оценка значения символа в декодере не производится, и рабочий интервал символа принятого символа Т =∆t– см. рис 4.

6

Рис.6. Иллюстрация обработки сигнала в модуляторе передатчика

OFDM

Это несоответствие поднесущих частот приѐмника и передатчика, в том числе из-за доплеровского смещения, из-за фазовых шумов канала связи нарушает ортогональность сигналов на поднесущих, что приводит к росту межсимвольных помех ISI - рис.7.

Рис.7. Иллюстрация возрастания ISI в OFDM при сдвиге частот

Известно, что в системах связи и передачи данных, использующих единственную несущую частоту, для борьбы с отрицательным воздействием многолучѐвости (см. рис.8) вынуждены использовать весьма сложные устройства, называемые эквалайзерами.

8

уменьшения межсимвольного вмешательства и обозначаемых как NULL субперевозчики (Guard Sub-Carriers), используется в виде сторожевых полос – см. рис.10.

Рис.10. Пример использования канального частотного ресурса

OFDM сигнала IEEE 802.16.e. с

тремя типами поднесущих

Количество субносителей каждого типа может обеспечить очень гибкий подход в ситуациях быстро изменяемых условий связи (пропускная способность, ресурсы канала связи, требуемое качество

связи). Именно гибкость использования OFDM наряду с пакетной формой упаковки IP передаваемой информации обеспечивают столь популярное и универсальное использование OFDM практически во всех современных системах связи и передачи данных. Для уменьшения пик-фактора умощняемых в УМ OFDM используется много методов: мягкое или жѐсткое ограничение по максимуму (клиппирование), вставки активированных сигналов в неиспользуемые или защитные поднесущие, модификации QAM созвездий или использование двоичных последовательностей Голея в УолшАдамара преобразовании OFDM сигналов [8], кодирования с исправлением ошибок и кодов Рида-Мюллера [7] при PSK и т.д. Каждому из используемых методов свойственны свои достоинства и недостатки [2,4].

Выбор параметров OFDM сигнала

Как уже ранее отмечалось, OFDM сигнал представляет собой сумму поднесущих гармонических колебаний, каждая из которых модулируется своим подпотоком передаваемых бит с использованием ФМ или квадратурной амплитудной модуляции (КАМ) [5]. Если один OFDM символ содержит N поднесущих колебаний, то можно говорить, что один OFDM символ переносит блок di , i=0,1,2,…..,N-1 ФТ или КАМ символов. При этом комплексная огибающая одного OFDM символа длительностью Т, который начинается в момент времени tk, представляется выражением

Вне этого времени OFDM символ с номером k равен нулю. Последняя формула описывает видеоэквивалент OFDM радиосигнала. Для получения реального OFDM символа радиосигнала с прямоугольной огибающей и частотой f0 несущего гармонического колебания необходимо вещественную и мнимую части огибающей (1), соответствующие синфазной и квадратурной

10