Формирование и обработка сигнала в системах мобильной связи с технологией OFDM (имитационное моделирование в системе MATLAB&SIMULINK) (MatLab 2011a).

Важно понимать, что изменение некоторых параметров отдельных блоков может повлиять на параметры других блоков. Например, изменение времени дискретизации Sample Time только в одном блоке приведет к полной неработоспособности модели.

Также важно знать, что для чисел вида A 10 n в системе MATLAB существует запись Ae n (например, число 106 можно записать как 1e 6 , а число 5 10 3 как 5e 3 ). Такая форма записи чисел часто используется в данной работе. Вместо ввода значений параметров блоков можно вводить формулы, по которым эти значения вычисляются, соблюдая правила записи формул, допустимые в MATLAB.

Контрольные вопросы

1.Перечислите основные параметры радиосигнала с квадратурной амплитудной модуляцией (КАМ).

2.Объясните принцип «ортогонального частотного разделения каналов».

3.Что представляет собой комплексная огибающая одного OFDM-символа?

4.Поясните содержание термина «сигнальное созвездие». Нарисуйте возможные варианты сигнального созвездия.

5.Поясните способ выбора частотного интервала между значениями частот соседних поднесущих колебаний OFDM сигнала.

6.Что представляет собой префикс одного OFDM символа, каким образом он формируется?

7.Из каких соображений выбирается длительность защитного интервала времени между двумя соседними OFDM символами?

8.Что представляет собой процедура циклического продолжения поднесущих колебаний и какова цель этой процедуры?

9.Поясните принцип обеспечения ортогональности любых двух поднесущих одного OFDM символа при его формировании.

10.Поясните смысл термина “спектральная плотность мощности радиосигнала”.

11.Что означает термин «мультиплексирование»?

12.Как определяется ширина спектра OFDM радиосигнала?

13.Как определяется пик-фактор OFDM радиосигнала?

14.Объясните смысл термина «доплеровское расширение спектра». В чем причина доплеровского смещения частоты сигнала базовой станции на входе приемника МА?

15.Как влияет изменение доплеровского расширения спектра сигнала на свойства канала передачи?

16.Какие каналы связи называют многолучевыми?

17.Назовите виды замираний в канале связи и поясните причины их возникновения.

11

поднесущая, которая обычно размещается в центре отведенной полосы частот, зарезервирована для частоты несущего колебания, на которой размещается первый коэффициент ДПФ комплексной огибающей OFDM-символа, равный

8. Частоты поднесущих для передачи пилот-сигналов (пилот-символов) выберем так, как указано на рис. 1: по возможности равномерно в полосе частот системы и симметрично относительно центральной поднесущей.

поднесущих, как это изображено на рис. 2.

13

ней поднесущей значение КАМ-символа принимаем равным 0; тогда повторяем вычисления пп. 16 – 18:

15

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Функциональная схема модели OFDMmodel1

16

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Краткое описание блоков и подсистем модели

Bernoulli Binary – блок, который генерирует псевдослучайную последовательность символов из алфавита {0, 1}. Вероятность появления нуля на выходе блока равна 0 , вероятность появления единицы равна 1 , 0 1 1 . Зна-

чение 0 в блоке задается с помощью параметра Probability of a zero, в данной

модели устанавливается равным 0.5. Также в этом блоке устанавливаются период выдачи одного бита Sample Time и число информационных бит , переносимых одним канальным символом. Число переносимых бит одним канальным символом может меняться в зависимости от скорости коди-

рования и используемого способа модуляции.

Convolution Encoder – сверточный кодер. Блок кодирует двоичные вектора, поступающие на его вход. На выходе также получается последовательность двоичных векторов, но длина каждого вектора увеличивается за счет того, что один входной информационный бит кодируется несколькими битами. Блок имеет параметр Trellis structure, с помощью которого задается структура кодера, в данной модели используется код с длиной кодового ограничения равной 7 и задается полиномами 133 и 171 (восьмеричная система счисления). Скорость кодирования R = ½, т.е. один бит на входе блока преобразуется в два бита на выходе блока. С помощью параметра Operation mode можно задать режим работы кодера: непрерывный, усеченный и др., в данной работе используется непрерывный режим. Блок также позволяет задавать вектор выкалывания с помощью параметра Puncture vector, в данной работе не используется.

Puncture – блок, используемый для увеличения скорости кодирования. Увеличение скорости достигается за счет того, что некоторые биты на выходе кодера удаляются. Например, увеличение скорости кодирования от ½ до ¾ достигается удалением двух из каждых шести бит на выходе кодера. Такое удаление задается в параметре Puncture vector с помощью вектора [1 1 0 1 0 1] (0 – указывает на биты, которые будут удалены). Удаленные биты будут добавлены в приемнике.

Matrix Interleaver – матричный перемежитель. Задача перемежения состоит в том, чтобы перед декодированием ошибочные биты распределялись равномерно по всей битовой последовательности, а не образовывали группы. Чередование осуществляется с помощью записи и чтения данных в различном порядке. Биты заносятся в прямоугольную матрицу по столбцам, а считываются по строкам. В блоке требуется указать только размерность матрицы с помощью параметров Number of rows – число строк и Number of columns – число столбцов.

Rectangular QAM Modulator Baseband – сигнальный кодер. В блоке задается число точек сигнального созвездия (параметр M-ary number). Параметр Normalization method определяет способ масштабирования сигнального созвездия, в данной работе используется способ минимального расстояния

17

между символами Min. Distance between symbols. Параметр Minimum distance,

определяющий минимальное расстояние между точками, в данной работе равен 2. В качестве способа отображения групп бит комплексными символами (параметр Constellation ordering) выбрано кодирование Грея. Тип входного сигнала задается с помощью параметра Input type, используется значение Bit. Тип выходного сигнала задается с помощью параметра Output data type, используется значение double. Параметр Phase offset в данной работе равен нулю.

Normilize – подсистема, выполняющая функцию нормировочного множителя. Используется для получения одинаковой средней мощности сигнала при различных видах сигнального кодирования. При использовании КАМ16 нормировочный множитель равен 1/ 10 , при использовании КАМ64 равен 1/ 42 . Подсистема содержит блок Gain, который имеет параметры: Gain – задает значение нормировочного множителя; Multiplication – задает вид умножения, в данной работе используется Element-wise(K*u).

OFDM Transmitter – подсистема, в которой моделируется процесс формирования отсчетов комплексной огибающей OFDM символа. Подсистема состоит из следующих блоков: Selector, Matrix Concatenation, Zero Pad, IFFT, Add Cyclic Prefix, PN Sequence Generator, Unipolar to Bipolar Converter. Блок Selector выбирает из поступающего блока КАМ символов 6 векторов и подает каждый вектор на свой выход. Matrix Concatenation выполняет объединение выходных векторов блока Selector в матрицу, здесь же происходит добавление символов, которые будут передаваться на пилотподнесущих, и добавление нуля на основной несущей частоте. Блок Zero Pad увеличивает длину комплексного вектора, поступающего на его вход, путем добавления к нему нулевых элементов. Нулевые элементы добавляются в конец вектора. IFFT – блок ОБПФ, который формирует отсчеты комплексной огибающей OFDM-символа. Завершающим этапом в получении отсчетов комплексной огибающей OFDM символа является вставка отсчетов защитного интервала. Для этого блок Add Cyclic Prefix копирует последние элементов комплексного вектора и вставляет их в начало. Таким образом, на выходе блока получается вектор из отсчетов комплексной огибающей OFDM символа. Заметим, что вставка защитного интервала оправдана только при наличии многолучевого канала. Массивы, которые передаются на пилотподнесущих, формируются с помощью блоков PN Sequence Generator и Unipolar to Bipolar Converter. Блок PN Sequence Generator генерирует по-

следовательность псевдослучайных двоичных чисел, используя линейный регистр сдвига с обратной связью. Блок Unipolar to Bipolar Converter преобразует униполярный входной сигнал в биполярный выходной сигнал.

AWGN и Rayleigh Fading – блоки, имитирующие аддитивный белый гауссовский шум и релеевское замирание в канале. Блок Rayleigh Fading имеет следующие параметры: Maximum Doppler shift, Delay vector и Gain vector. Па-

раметр Maximum Doppler shift задает максимальное смещение частоты переда-

18

ваемого сигнала в Герцах вследствие эффекта Допплера, положительная величина. Delay vector задает количество и задержки лучей в секундах. Average path Gain vector определяет интенсивность каждого луча в децибелах. Блок AWGN имеет следующие параметры: Mode определяет способ задания уровня шума, в данной работе используется значение SNR; SNR - отношения мощности сигнала к мощности шума в децибелах; мощность сигнала задается с помощью параметра Input signal power, в данной работе равна 0.01 Вт.

Phase Noise – блок добавляет фазовый шум к комплексной огибающей входного сигнала. Фазовый шум задается с помощью параметров Phase Noise Level - уровень спектральной плотности мощности в дБс/Гц при частотном смещении Frequency Offset в Гц. Фазовый шум связан с девиацией частоты ГУН и вызванной ею флуктуацией фазы сигнала. Уровень фазового шума – величина, показывающая, насколько быстро убывает спектральная мощность сигнала со смещением частоты. Фазовый шум вычисляется как отношение мощности сигнала в полосе 1 Гц, отстоящей от несущей частоты на заданное смещение (для ФАПЧ-синтезаторов обычно 1 кГц), к мощности сигнала в той же полосе 1 Гц рядом с несущей.

Phase/Frequency Offset – блок добавляет фазовый и частотный сдвиг к комплексной огибающей входного сигнала. Фазовый сдвиг задается в градусах с помощью параметра Phase offset. Частотный сдвиг задается в Гц с помо-

щью параметра Frequency offset.

OFDM Receiver – подсистема, в которой моделируется процесс выделения КАМ-символов из отсчетов комплексной огибающей принятого OFDM сигнала. Подсистема состоит из следующих блоков: Remove Cyclic Prefix,

FFT, Remove zero-padding and reorder, Select Rows. Данные блоки выпол-

няют операции, обратные операциям, выполняемым блоками подсистемы

OFDM Transmitter.

Denormilize - подсистема, выполняющая функцию, обратную для под-

системы Normilize.

Rectangular QAM Demodulator Baseband – сигнальный декодер.

General Block Deinterleaver - основной блоковый деперемежитель. Восстанавливает исходную последовательность элементов во входном массиве, действуя обратным образом по отношению к блоку General Block Interleaver.

Matrix Deinterleaver – матричный деперемежитель. Блок восстанавливает исходную последовательность элементов во входном массиве, действуя обратным образом по отношению к блоку Matrix Interleaver.

Unipolar to bipolar converter – преобразует входную последовательность к биполярному виду для последующей обработки.

Viterbi Decoder – декодер Витерби. Блок декодирует переданную последовательность информационных битов, используя алгоритм Витерби.

Error Rate Calculation – сравнивает переданные и принятые информационные битовые последовательности. Результаты блока выводятся на дис-

19

плей – Display. Он показывает общее число принятых бит, число ошибочных битов и оценку вероятности появления ошибочного бита.

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Модели радиоканалов для современных стандартов

Ниже приведены модели радиоканалов в виде линий задержек с отводами, рекомендованные для использования в стандартах IEEE 802.11 и HiperLan (рис. 3). Каждый луч с номером i формируются аналогичным имитатором, а лучи отличаются друг от друга только относительным временем задержки i и

интенсивностью i .

Рис. 3. Цифровой имитатор многолучевого релеевского канала

Модель А – для типовых офисных условий, при отсутствии прямого сигнала, при среднеквадратическом значении расширения задержки 50 нс.

Модель B – для типовых офисных условий и открытого пространства, при отсутствии прямого сигнала, при среднеквадратическом значении расширения задержки 100 нс.

Модель С – для большого открытого пространства (внутри и вне помещений), при отсутствии прямого сигнала, при среднеквадратическом значении расширения задержки 150 нс.

Модель D – для большого открытого пространства, присутствует прямой сигнал, среднеквадратическое значение расширения задержки 140 нс.

Модель E – для типового большого открытого пространства (внутри и вне помещений), при отсутствии прямого сигнала, при среднеквадратическом значении расширения задержки 250 нс.

Параметры лучевых компонент указаны в таблице 2. Все лучевые компоненты имеют классический доплеровский спектр за исключением первого луча модели D с пиком 10 дБ [1].

20