tosms_ekzamen

Рис. 3.16. Когерентный приемник OFDM сигнала

На рис. 3.16 представлена структурная схема когерентного приемника. Полагаем, что в

приемнике обеспечена идеальная частотная, фазовая и тактовая синхронизация. В этом случае точно известны моменты начала OFDM-символов. После выделения комплексной огибающей ( )

принимаемого сигнала с помощью АЦП формируется последовательность отсчетов ( ) , t s < t l < t c +(1 + β)TC. Все отсчеты, соответствующие защитному интервалу T g (префиксу),

отбрасываются; для дальнейшей обработки выделяется толькоN s отсчетов, расположенных на основном интервале интегрирования T. Отсчеты, поступающие последовательно во времени,

накапливаются в устройстве, выполняющем последовательно-параллельное преобразование, на

Основная операция демодуляции — выделение или оценивание КАМ-символов — выполняется с помощью БПФ, посредством которого формируется оценка вектора .

Компоненты оценки последовательно передаются в блок сигнального декодирования. Пред-

ставленный здесь алгоритм приема следует несколько уточнить.

Действительно, многолучевой канал можно характеризовать импульсной характеристикой ( ). Поэтому вектор отсчетов уна выходе канала (на входе приемника)

представляется сверткой сигнала и импульсной характеристики канала. Поскольку в блоке БПФ вычисляется преобразование Фурье этого вектора, то для компоненты справедливо представление:

(3.51)

где ηl— случайная величина, являющаяся преобразованием Фурье от аддитивного шума на входе приемника, а

(3.52)

представляет собой коэффициент передачи канала на частоте поднесу щей с номером i .

Поскольку коэффициент — комплексная величина, то КАМ-символ t отличается от пе-

реданного символа и по амплитуде, и по фазе, даже при отсутствии шума. Поэтому до передачи

символа t в блок сигнального декодирования канальный множитель необходимо оценить и скомпенсировать.

Для оценки канального множителя используется «обучающий» сигнал либо в виде известной модулирующей последовательности на каждой поднесущей, либо в виде

немодулированной поднесущей. Если параметры канала изменяются во времени сравнительно

медленно, то обучающий сигнал может вставляться поочереди в последовательности переда-

ваемых КАМ-символов каждой поднесущей или по заранее определенному алгоритму их оче-

редности. Формируемые при этом оценки канальных коэффициентов будут отслеживать из-

менения импульсной характеристики канала, так что система OFDM становится адаптивной.

При появлении глубоких замираний на частоте поднесущей с номером i, когда

оказывается значительно ниже своего среднего значения, в данном частотном канале возможно значительное увеличение вероятности ошибки. Для борьбы с такими замираниями

могут быть использованы методы помехоустойчивого кодирования с разнесением по частоте для

систем с широкополосными сигналами и псевдослучайной прыгающей рабочей частотой.

18. Множественный доступ при технологии OFDM.

OFDMA (OrthogonalFrequencyDivisionMultipleAccess).Множественный доступ с ортогональным частотным разделением каналов - сотовый радиоинтерфейс, используемый в телекоммуникационных сетях 4G, основанных на OFDM, таких, как WiMAX и LTE. OFDMA имеет несколько преимуществ, такие как, улучшенная производительности и помехоустойчивость. Передача информации от нескольких пользователей, используя назначение подканалов, может происходить одновременно, таким образом уменьшая эффект известный, как интерференция множественного доступа - MultipleAccessInterference (MAI). Кроме того, разделение на каналы позволяет осуществить концентрацию передаваемой мощности через меньшее число поднесущих. В результате снижается затухание на краях соединения (link), что в свою очередь,приводит к увеличению дальности.

Множественный доступ с ортогональным частотным разделением (OFDMA) представляет собой улучшенную технологию OFDM и применяется в MobileWiMAX, также являясь основой для систем мобильного широкополосного доступа следующих поколений. Так же эту технологию можно назвать многопользовательской версией OFDM. Различие состоит в том, что OFDMA приписывает наборы поднесущих отдельным пользователям, тем самым позволяя одновременную низкоскоростную передачу данных для нескольких абонентов.

С точки зрения формирования модуляционных символов OFDMA аналогичен OFDM: OFDMAсимвол включает собственно зону передачи данных и предшествующий ему защитный интервал

(повтор начального фрагмента символа), предназначенный для предотвращения межисмвольной интерференции). Сам символ – это совокупность модулированных ортогональных несущих.

В режиме OFDMA несущих значительно больше, чем в OFDM – до 2048 вместо 256, соответственно и число подканалов становится достаточным для организации работы сети: в разных режимах их от 32 до 70, по 24 или 48 информационных несущих в каждом. Используются не все 2048 несущих – около 200 нижних и 200 верхних частот составляют защитный интервал канала и не модулируются. Также не используется центральная частота канала (частота с индексом 1024). Кроме того, часть несущих – пилотные, предназначенные для служебных целей, а не для передачи информации. Точное число пилотных несущих и частот в защитных интервалах незначительно варьируется в зависимости от режимов OFDMA.

Метод OFDMA позволяет получить большую гибкость при управлении различными пользовательскими устройствами с разными типами антенн. Он уменьшает взаимные помехи для устройств со всенаправленными антеннами и улучшает прием в условиях непрямой видимости, что весьма существенно для мобильных пользователей. Подканалы могут быть распределены между разными абонентами в зависимости от условий передачи и требуемой пропускной способности. Этим достигается более эффективное использование ресурсов.

Разбиение на подканалы для восходящего потока улучшает производительность, так как мощность передаваемого пользовательским устройством сигнала крайне ограничена. При применении OFDM устройство передает данные, используя весь набор поднесущих. OFDMA поддерживает множественный доступ, посредством которого передача ведется только на поднесущих выделенного пользователю подканала. К примеру, если OFDMA использует 2048 поднесущих и 32 подканала и пользователю выделяется только один подканал, то вся мощность передатчика будет сконцентрирована в 1/32 доступного спектра и может быть на 15 дБ больше, чем при OFDM.

Метод OFDMA с неполным набором несущих припередачи данных может использоваться не только в восходящем канале Uplink от абонента к базовой станции, но и в обратном направление – Downlink (от базы к абоненту).

Такой двухсторонний метод OFDMA используется в мобильномWiMAX и носит название SOFDMA –масштабируемый доступ с разделением по ортогональным несущим.

19 Вопрос

Концепция технологии кодового разделения каналов и широкополосная передача

В стандарте CDMA передаваемую информацию кодируют и код превращают в шумоподобный широкополосный сигнал (ШШС) так, что его можно выделить снова, только располагая кодом на приемной стороне. При этом одновременно в широкой полосе частот можно передавать и принимать множество сигналов, которые не мешают друг другу.

Широкополосной называется система, которая передает сигнал, занимающий очень широкую полосу частот, значительно превосходящую ту минимальную ширину полосы частот, которая фактически требуется для передачи информации. В широкополосной системе исходный модулирующий сигнал (например, сигнал телефонного канала) с полосой всего несколько килогерц распределяют в полосе частот, ширина которой может быть несколько мегагерц. Это осуществляется путем двойной модуляции несущей передаваемым информационным сигналом и широкополосным кодирующим сигналом. Основной характеристикой широкополосного сигнала является его база B, определяемая как произведение ширины спектра сигнала F на его период Т. В результате перемножения сигнала источника псевдослучайного шума с информационным сигналом энергия последнего распределяется в широкой полосе частот, т.е. его спектр расширяется.

Информация может быть введена в широкополосный сигнал (ШПС) несколькими способами. Наиболее известный способ заключается в наложении информации на широкополосную модулирующую кодовую последовательность перед модуляцией несущей для получения ШШС (рис. 7). Узкополосный сигнал умножается на псевдослучайную последовательность (ПСП) с периодом Т, состоящую из N бит длительностью t0 каждый. В этом случае база ШПС численно равна количеству элементов ПСП.

Рис. 7. Схема расширения спектра частот цифровых сообщений

Этот способ пригоден для любой широкополосной системы, в которой для расширения спектра высокочастотного сигнала применяется цифровая последовательность.

Сущность широкополосной связи состоит в расширении полосы частот сигнала, передаче ШПС и выделении из него полезного сигнала путем преобразования спектра принятого ШПС в первоначальный спектр информационного сигнала.

Принцип работы CDMA

На рис. 6.5 показана структурная схема системы передачи с кодовым разделением каналов

ИС – источник сообщений;

ЛС – линия связи;

РУ – решающее устройство;

ПС – приемник сообщений;

Ген ПСП – генератор псевдослучайных последовательностей;

– интегратор;

n – источник помех (шума);

Ck – передаваемое сообщение;

Pk – расширенная последовательность (после перемножения с ПСП);

G – групповой (линейный) сигнал;

Ck – принятое сообщение;

G' – принятый групповой (линейный) сигнал.

Рис. 6.5. Структурная схема CDMA

На примере простейшей системы CDMA с двумя источниками сообщений покажем принципы передачи.

Пусть с первого источника сообщений (ИС1) передается сигнал 1, что соответствует прямоугольному импульсу длительностью T и амплитудой 1 B. Со второго источника (ИС2) передается сигнал 0, что соответствует прямоугольному импульсу длительностью T и амплитудой

–1 B.

В качестве расширяющей последовательности для ИС1 используется последовательность

[+1 –1 +1 –1], для ИС2 – [+1 –1 –1 +1].

На рис. 6.6 показано формирование группового сигнала G.

Рис. 6.6. Формирование группового сигнала в CDMA

Для извлечения информации из группового сигнала G (G') его перемножают на расширяющую последовательность. Полученный сигнал поступает на интегратор. Если на выходе интегратора формируется "положительный" импульс, то передавалась 1, а если "отрицательный" – то 0 (см. рис. 1.3). Сравнение импульса с нулем (является ли импульс "положительным" или "отрицательным") происходит в решающем устройстве (РУ).

Рис. 6.7. Определение передаваемого сигнала из принятого группового сигнала

20 Вопрос. Ортогональные последовательности для прямого расширения спектра. Функции Уолша

Важным свойством метода прямого расширения спектра можно считать то, что ширина спектра сигнала, модулирующего опорную частоту, определяется главным образом параметрами псевдослучайно последовательности. Элементарный импульс ПСП называют чипом. Каждый информационный бит после перемножения с ПСП будет отображаться многими чипами. Скорость в радиоканале определяется как произведение скорости передачи на выходе канального кодера и количества чипов за интервал одного бита. Обычно скорость передачи в радиоканале измеряют в мегачипах в секунду (Мчип/с).

Сигналы с расширенным спектром являются псевдослучайными, т. е. имеют свойства, аналогичные свойствам случайного процесса или шума, хотя формируются по вполне детерминированным алгоритмам. ПСП чаще всего является бинарной с элементами 0 и 1 и обладает свойствами, схожими со свойствами случайной бинарной последовательности.

Псевдослучайные последовательности обычно формируются с помощью логических цепочек, реализующих детерминированные алгоритмы. На рисунке ниже приведен пример такой цепи, которая содержит регистр сдвига из последовательно соединенных элементов с двумя устойчивыми состояниями и некоторую логическую схему в цепи обратной связи:

Начальное состояние ячеек регистра и структура логической цепи обратной связи полностью определяют последующее состояние ячеек регистра. Если принять некоторое состояние регистра сдвига за исходное, то через N тактов это состояние вновь повторится. Если при этом регистрировать последовательность символов на выходе ячейки с номером 1, то длина этой последовательности будет равна N. На последующих N тактах эта последовательность вновь повторится и т. д. Число N называется периодом последовательности.

Известно достаточно большое число способов формирования псевдослучайных последовательностей, статистические свойства которых хорошо изучены. У них автокорреляционная функция имеет ярко выраженный максимум, а взаимокорреляционная функция носит случайный шумоподобный характер с малым уровнем значений. Новые способы реализации ПСП получают и в настоящее время.

Прямое расширение спектра осуществляется путем перемножения информационного сигнала Uинф(t) на сигнал ПСП r(t)), формируемый из псевдослучайной последовательности в течение всего сеанса связи. В результате модулирующий сигнал можно записать:

На рисунке показан примерный вид участка исходной битовой последовательности, сигнала ПСП и их соответствующие спектры:

Важной характеристикой широкополосного сигнала является его база, смысл которой заключается в относительном увеличении полосы частот передаваемого сигнала в радиоканале по сравнению с полосой частот битового (исходного) сигнала. Величина базы сигнала:

Обычно базу сигнала определяют в децибелах:

На практике удобнее определять базу сигнала как произведение ширины спектра исходного сигнала на длительность элементарного символа ПСП (чипа):

На приемной стороне удобно использовать понятие выигрыш обработки, величина которой численно равна величине базы сигнала и означает выигрыш за счет обратного сужения спектра от расширенного к исходному:

Некоторые свойства сигналов с прямым расширением спектра, наиболее важные с точки зрения организации множественного доступа в системах связи с подвижными объектами:

-множественный доступ;

-многолучевая интерференция;

-узкополосная помеха;

-вероятность перехвата.

Достоинства широкополосных сигналов:

-генерирование необходимых псевдослучайных сигналов может быть обеспечено простыми устройствами (регистрами сдвига);

-операция расширения спектра может быть реализована простым умножением или сложением цифровых сигналов по модулю 2;

-генератор несущего колебания является простым, так как необходимо генерировать гармоническое несущее колебание только с одной частотой;

-может быть реализован когерентный прием сигнала с прямым расширением спектра;

-нет необходимости обеспечивать синхронизацию между абонентами системы.

Недостатки широкополосных сигналов::

-выравнивание и поддержание синхронизации междугенерируемым в приемнике и содержащимся в принимаемом сигнале псевдослучайными кодами является трудной задачей. Синхронизация должна поддерживаться с точностью до малой доли длительности элементарного символа;

-правильный прием информации обеспечивается только при высокой точности временной синхронизации, когда ошибка составляет малую долю длительности элементарного символа, что ограничивает возможность уменьшения длительности этого символа и, следовательно, возможность расширения полосы лишь до 10...20 МГц. Таким образом, существует ограничение на увеличение коэффициента расширения спектра;

-мощность сигнала, принимаемого от близких к БС абонентов, намного превышает мощность сигнала далеких абонентов. Следовательно "близкий" абонент постоянно создает очень мощную помеху "далекому" абоненту, часто делая прием его сигнала невозможным.

Функция Уолша

Графики первых восьми функций Уолша

Функциями Уолша называется семейство функций, образующих ортогональную систему, принимающих значения только 1 и -1 на всей области определения.

В принципе, функции Уолша могут быть представлены в непрерывной форме, но чаще их определяют как дискретные последовательности из элементов. Группа из функций Уолша образует матрицу Адамара.

Функции Уолша получили широкое распространение в радиосвязи, где с их помощью осуществляется кодовое разделение каналов (CDMA)

Система функций Уолша является ортонормированным базисом и, как следствие, позволяет раскладывать сигналы произвольной формы в обобщѐнный ряд Фурье .