Содержание к диссертации
Список сокращений 4
Введение 6
Глава 1 .Сигналы с ортогональным частотным мультиплексированием в системах
передачи информации 14
1.1. Развитие систем радиодоступа 14
1.1.1. Этапы развития систем радиодоступа 14
Сети третьего поколения 15
Сети четвертого поколения 16
1.1.2. Сигналы на основе ортогонального частотного мультиплексирования. . 18
1.2. Канал связи 20
1.3.OFDM сигнал 25
Ортогональность частот 25
Циклический префикс 28
Синхронизация 30
1.3.3.1.Пилотные поднесущие 30
1.3.3.2. Тренировочные последовательности 31
1.4.Структурная схема приемопередатчика OFDM сигнала 35
1.5. Недостатки OFDM сигналов 38
1.5.1. Межчастотная интерференция 38
1.5.2.Пик-фактор 39
1.5.3. Аппаратная реализация 40
Выводы 41
Глава 2.Синтез оптимального в отношении сигнал/шум квантователя OFDM
сигнала при равномерном квантовании 42
2.1.Плотность вероятности отсчетов OFDM сигнала 43
2.2.Квантование отсчетов OFDM сигнала 47
Оптимальный шаг квантования 47
Влияние эффектов округления/усечения двоичного представления сигнала на уровень искажений 50
2.3. Оптимизация квантователя 52
Приведение максимального отсчета выборки символа к максимальному уровню квантователя 52
Использование представления чисел в формате с плавающей точкой для формирования OFDM символа 55
Приведение дисперсии каждого символа к оптимальной при фиксированном шаге квантования 58
Квантование OFDM сигнала в условиях аддитивного белого гауссовского шума 61
Программная реализация 64
Макетирование работы квантователя 67
Выводы 71
Глава З.Оценка линейных фазочастотных искажений OFDM сигнала 73
Распределение вероятности амплитуды и фазы суммы сигнала и белого гауссова шума 74
Распределение вероятности амплитуды и фазы суммы сигнала и узкополосного шума 77
OFDM сигнал, смещенный по частоте 82
Оценка параметра компенсации линейных фазовых искажений 85
Оценка параметра компенсации линейных фазовых искажений в отсутствии априорных данных о точности временной синхронизации 85
Оценка параметра компенсации линейных фазовых искажений при известной точности временной синхронизации 89
Оценка аддитивного фазового сдвига 91
Оценка параметра компенсации линейных фазовых искажений 92
Моделирование 93
Аппаратная реализация 96
Выводы 98
Глава 4.OFDM модем 99
4.1. Структурная схема 99
Передатчик 99
Приемник 104
Преобразование спектра в тракте передачи 106
4.2. Характеристики модема 111
Выводы 115
Заключение 116
Список литературы 117
Приложение А 123
Приложение Б 125
Приложение В 127
Приложение Г 129
Приложение Д 132
Приложение Е 134
Приложение Ж 136
Приложение 3 145
Приложением 148
Приложение К 157
Приложение Л 164
Приложением 177
Приложение Н 201
Список сокращений
АЦП Аналого-цифровой преобразователь
БПФ Быстрое преобразование Фурье
ДПФ Дискретное преобразование Фурье
КАМ Квадратурная амплитудная модуляция
ОСШ Отношение сигнал/шум
ПАВ Поверхностные акустические волны
ПЛИС Программируемая логическая интегральная схема
ЭВМ Электронная вычислительная машина
СБИС Сверх большая интегральная схема
СКО Среднеквадратичное отклонение
ФАПЧ Фазовая автоподстройка частоты
ФПВ Функция плотности вероятности
ЦАП Цифро-аналоговый преобразователь
ADSL Asymmetric Digital Subscriber Lines
AHDL Altera Hardware Description Language
AMPS Advanced Mobile Phone Services
BPSK Binary Phase Shift Keying
CDMA Code Division Multiple Access
CORDIC Coordinate Rotation Digital Computer
DAB Digital Audio Broadcasting
DVB Digital Video Broadcasting
FFT Fast Fourier Transform
GSM Global System for Mobile Communications
HDSL High-bit-rate Digital Subscriber Lines
HiperLAN High PErformance Radio LAN
ICI Inter Carrier Interference
IEEE The Institute of Electrical and Electronics Engineers
IFFT Inverse Fast Fourier Transform
ISI Inter Symbol Interference
IS-95 Interim Standard 95
IMT International Mobile Telecommunications
LTE Long Term Evolution
LOS Line-Of-Sight
MCM Multi Carrier Modulation
NLOS Non Line-Of-Sight
NMT Nordic Mobile Telephone
OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing
PDP Power Delay Profile
PSK Phase Shift Keying
QAM Quadrature Amplitude Modulation
QoS Quality of Service
QPSK Quadrature Phase Shift Keying
SCA Schmidle and Cox Algorithm
UMTS Universal Mobile Telecommunications System
USB Universal Serial Bus
VDSL Very-high-speed Digital Subscriber Lines
VHDL Very High Speed Integrated Circuits (VHSIC) Hardware Description
Language
W-CDMA Wide-band Code Division Multiple Access
WLAN Wireless Local Area Network
WMAN Wireless Metropolitan Area Network
Введение к работе
В процессе развития сетей передачи данных постоянно увеличиваются требования к скорости передачи информации и качеству предоставляемых сервисов. Данная тенденция прослеживается и для сетей передачи данных, средой передачи в которых является радиоканал. В связи с этим в значительной степени усложняются используемые для передачи информации сигналы. Одним из перспективных видов сигнально-кодовых конструкций является ортогональное частотное мультиплексирование (OFDM — Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Основная идея метода заключается в расположении набора «независимых» подканалов таким образом, чтобы, с одной стороны один подканал не являлся помехой другому, а с другой стороны, спектры подканалов перекрывались.
При делении основного потока на подканалы скорость в каждом из них уменьшается, что позволяет снизить межсимвольную интерференцию, один из основных мешающих факторов. С учетом ортогональности подканалов, в линейных системах каждый из них может рассматриваться независимо от других, и поэтому возникновение ошибок, вследствие помех, в одном из подканалов не приводит к возникновению ошибок в другом. В результате лишь небольшая часть передаваемой информации оказывается искаженной и при использовании помехоустойчивого кодирования может быть восстановлена.
Выбор числа поднесущих осуществляется на основе знания статистических свойств канала связи, а также требований предъявляемых, к системе связи. Исходя из современных требований к пропускной способности линии радиосвязи, работающей в сложных условиях распространения радиоволн, число подканалов должно быть от нескольких сотен до нескольких тысяч. Однако сложность аппаратной реализации алгоритмов обработки сигналов приводит к выбору числа поднесущих на
уровне от нескольких десятков до нескольких сотен. Именно сложность реализации является основным фактором, ограничивающим широкое применение данных сигналов.
Предложения по использованию многочастотных сигналов были выдвинуты еще в 60-е — 70-е годы 20-го века, но до 90-х годов 20-го века многочастотные сигналы находили применение лишь в системах связи военного назначения. С развитием микроэлектроники и появлением недорогих СБИС появилась возможность реализации сравнительно недорогих цифровых устройств, реализующих цифровую обработку принятого сигнала. В результате этого в 1999 году был принят первый из семейства стандартов IEEE 802.11 (WiFi). Количество поднесущих используемого OFDM сигнала в данном стандарте равняется 64. С появлением стандарта началась разработка устройств, удовлетворяющих ему. В результате, лишь в последние 3-4 года данные устройства стали широко применяться. Следующим этапом развития данных систем является принятие в 2004 году стандарта IEEE 802.16 (WiMAX). Сигнал содержит 256 поднесущих. Однако, несмотря на то что стандарт принят уже 4 года назад, устройства на его основе мало распространены и имеют высокую цену, что говорит о до сих пор не разрешившейся проблеме с аппаратной реализацией алгоритмов обработки сигналов.
Увеличение числа поднесущих в сигнале приводит к усложнению реализации алгоритмов обработки и как следствие уменьшению полосы частот занимаемой сигналом. Данная тенденция прослеживается и в стандартах: 802.11 - ширина полосы 20 МГц, 802.16 - ширина полосы выпускаемых устройств составляет до 10 МГц, хотя стандарт допускает и большую полосу сигнала. Требуемая полоса частот на данном этапе развития составляет десятки МГц.
Целью работы является синтез эффективных и реализуемых на базе интегральных логических микросхем алгоритмов обработки сигналов с
ортогональным частотным мультиплексированием. Данные алгоритмы должны позволять реализовывать системы на основе OFDM сигналов с числом поднесущих несколько тысяч и шириной спектра сигнала в десятки мегагерц.
Основные задачи исследования.
Поставленная цель исследований требует решения следующих задач:
Получение аналитических выражений плотности распределения сигнальных точек созвездия OFDM сигнала при воздействии на сигнал узкополосного и широкополосного аддитивного шума.
Получение аналитических выражений плотности распределения сигнальных точек созвездия OFDM сигнала при неточности восстановления несущей частоты в приемнике и при доплеровском сдвиге частот.
Оценка вероятности битовой ошибки, получаемой в результате работы фазовой синхронизации при отсутствии и наличии априорных знаний о точности временной синхронизации.
Разработка алгоритма квантования OFDM сигнала и оценка вносимых им искажений. Оценка эффективности применения данного алгоритма по сравнению с классическим оптимальным квантованием Ллойда-Макса.
Реализация имитационной модели приемопередатчика OFDM сигнала с изменяющимися параметрами.
Методом статистических испытаний выполнение анализа эффективности предлагаемых алгоритмов.
Разработка цифрового сигнального процессора на основе СБИС программируемой логики и оценка эффективности используемых аппаратных средств.
Методы исследования.
Решение поставленных задач проводилось с использованием математического аппарата теории вероятностей, статистической радиотехники и математической статистики. Проверка полученных теоретических результатов проводилась имитационным моделированием с использованием ЭВМ, а также экспериментальными исследованиями, включающими в себя проведение стендовых испытаний лабораторных макетов.
Основные положения, выносимые на защиту.
Масштабирование каждого OFDM символа к максимальному уровню квантователя позволяет снизить искажения, вносимые квантователем, по сравнению с оптимальным равномерным квантователем Ллойда-Макса. Для современных систем связи выигрыш составляет порядка 3 дБ.
Замена операции усечения на операцию округления, при представлении отсчетов OFDM сигнала в дополнительном коде, приводит к уменьшению шума квантования на 6 дБ, что равносильно увеличению разрядности числа на один разряд.
Априорные данные о точности временной синхронизации, а также аппроксимация плотности распределения фазы поднесущих OFDM сигнала нормальным законом распределения позволяют значительно упростить алгоритм фазовой синхронизации, а также повысить его точностные характеристики.
Достоверность результатов.
Аналитические выражения, полученные при синтезе квантователя OFDM сигнала, базируются на центральной предельной теореме теории вероятности и работах Дж. Макса (Joel Мах) (1960), П. Ллойда (P. Lloyd) (1982). Достоверность численных результатов и полученных аналитических выражений, подтверждающих первое выносимое на защиту положение,
подтверждается результатами компьютерного моделирования и лабораторных испытаний действующего макета приемопередатчика OFDM сигнала, реализующего стандарт широкополосного доступа IEEE 802.16d — 2004.
Достоверность численных результатов, полученных при замене операции округления на операцию усечения, подтверждается совпадением результатов имитационного моделирования и лабораторных испытаний приемопередатчика OFDM сигнала.
Правомерность использования гауссовой аппроксимации случайных процессов при анализе воздействия шумов на OFDM сигнал опирается на работы Тихонова В.И. (1966), Ахманова С.А. (1981). Полученные характеристики алгоритмов временной синхронизации совпадают с результатами работ Alfonso Luis Troya Chinchilla (2004), M. Josie Ammer и Jan Rabaey и др. Полученные результаты подтверждаются качественным совпадением работы имитационной модели и макета приемопередатчика OFDM сигнала.
Научная новизна. В ходе исследований впервые были получены следующие результаты:
Предложен и практически реализован алгоритм обработки OFDM сигнала, исключающий искажения ограничения сигнала и приводящий к выигрышу в шумах квантования по сравнению с классическим оптимальным равномерным квантователем Ллойда-Макса. Определены границы эффективности применения данного метода.
На основе полученных аналитических выражений о функции плотности вероятности амплитуды и фазы поднесущих OFDM сигнала в условиях различного рода помех показано, что метод наименьших квадратов является оптимальным при использовании его в фазовой синхронизации.
Научная ценность.
В ходе работы получила развитие теория оптимальной и
квазиоптимальной обработки OFDM сигналов для каналов связи с аддитивными шумами. Результаты работы позволяют сделать ряд заключений о предельных возможностях систем на основе OFDM сигналов в части его формирования и приема.
Практическая значимость.
Проведенные исследования и полученный алгоритм квантования OFDM сигнала позволяет повысить эффективность использования цифро-аналоговых преобразователей с равномерным шагом квантования, используемых в радиомодемах для генерирования OFDM сигналов. Для современных систем связи выигрыш при использования предложенного алгоритма составляет порядка 3 дБ.
Разработанный алгоритм фазовой синхронизации в совокупности с его аппаратной реализацией может быть применен в любых системах связи на основе OFDM сигналов с равномерно распределенными по спектру пилот сигналами. Вместе со схемами временной и частотной синхронизации может быть построена и аппаратно реализована схема синхронизации с заданными параметрами.
Результаты диссертационной работы используются в организации ЗАО НПФ «Микран» (г. Томск) при разработке аппаратуры радиодоступа, удовлетворяющей стандартам семейства IEEE 802.16, а также могут быть рекомендованы для создания оригинальных систем радиосвязи.
Реализация работы.
Результаты работы использованы при разработке радиомодемов широкополосного доступа стандарта IEEE 802.16d-2004 (WiMAX). Радиомодемы прошли серию успешных испытаний в составе стендов ЗАО НПФ «Микран» (Томск 2007-2008) при совместных лабораторных испытаниях ТУ СУР (г. Томск) и ЗАО НПФ «Микран» (г. Томск).
По результатам диссертации, а также работам проводимым в ЗАО НПФ «Микран», был разработан сигнальный процессор, реализованный в
виде действующего цифрового модуля на микросхеме программируемой логики, обеспечивающий формирование и прием сигналов OFDM-256, соответствующих стандарту IEEE 802.16d. Максимальная ширина спектра сигнала составила 30 МГц при регулируемой скорости передачи цифрового потока, зависящей от качества канала связи.
На основе результатов диссертационной работы построен спецкурс магистерской подготовки на кафедре телекоммуникаций и основ радиотехники ТУСУР. Результаты работы используются также при проведении занятий в рамках курса повышения квалификации при «УПЦ Телекоммуникаций» (г. Томск).
Личный вклад автора. Все результаты, изложенные в диссертации, получены автором лично. Это, во-первых, результаты сравнительного анализа эффективности классического квантователя Ллойда-Макса и оригинального алгоритма обработки OFDM сигнала; во-вторых, разработка теоретического анализа и практической реализации алгоритма фазовой синхронизации при наличии априорных данных о точности временной синхронизации.
В экспериментальных исследованиях автор принимал участие в постановке задач, обработке, анализе и интерпретации полученных данных.
Апробация работы и публикации.
Результаты работы докладывались и обсуждались на ряде научно-технических семинаров и конференций. Основные результаты диссертации опубликованы в 8 работах [58-65], из них 3 в изданиях из перечня ВАК. Работа выполнена при финансовой поддержке администрации Томской области (договор №332 от 18 июля 2007 между ТУСУР и финансово-хозяйственным управлением администрации Томской области на выполнение НИОКР по проекту «Радиомодем широкополосного доступа стандарта IEEE 802.16 (WiMAX)»).
Структура работы.
Работа состоит из четырех глав с приложениями.
Первая глава является обзорной. В ней рассматривается тенденция развития систем радиосвязи/радиодоступа. Указывается на преимущества и недостатки OFDM сигнала. Производится постановка задачи.
Вторая глава посвящена анализу шумов квантования сигналов при использовании классического оптимального равномерного квантователя применительно к OFDM сигналам. Рассмотрены варианты синтеза квантователя с переменным от символа к символу шагом квантования. Произведен учет эффектов округления/усечения при построении квантователей. Представлены результаты имитационного моделирования работы рассмотренных вариантов построения квантователя. Произведен выбор наилучшего квантователя и определены границы его применимости.
В третьей главе рассматриваются проблемы фазовой синхронизации OFDM сигналов в условиях различного рода мешающих факторов, таких как воздействие аддитивных помех, смещение частот приема и передачи, а также доплеровского сдвига частот. Получены функции плотности вероятности распределения амплитуды и фазы поднесущих OFDM сигнала в условиях указанных выше мешающих факторов. Представлены варианты построения алгоритмов фазовой синхронизации при известной точности временной синхронизации и при отсутствии данной информации. Представлены результаты имитационного моделирования характеристик работы предложенных алгоритмов.
Четвертая глава посвящена описанию структуры разработанного в рамках работы радиомодема стандарта IEEE 802.16-2004. Рассматривается структура передатчика и приемника, порядок преобразования сигнала в тракте передачи и приема, а таюке технические характеристики разработанного модема. В приложения к четвертой главе вынесены краткие описания разработанных автором функциональных блоков модема.
