Файл: Приемопередатчик сигналов с многочастотной квадратурной амплитудной манипуляцией.pdf

1
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Факультет
Кафедра
Приборостроения, информационных технологий и электроники
Радиотехника и радиоэлектронные системы
Специальность
11.05.01 Радиоэлектронные системы и комплексы
Специализация
Радиоэлектронные системы передачи информации
ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА
на тему
Приемопередатчик сигналов с многочастотной квадратурной амплитудной манипуляцией
Студент гр. 11ПР1
Кравченко Александр
Александрович
(подпись, дата)
(фио полностью)
Руководитель
Куроедов С.К.
(подпись, дата)
(фамилия, инициалы)
Консультанты
по экономике и орг. производства
Володина О.А.
(подпись, дата)
(фамилия, инициалы)
Нормоконтролёр
к.т.н., доцент
Кулапин В.И.
(должность)
(подпись, дата)
(фамилия, инициалы)
Рецензент
(подпись, дата)
(фамилия, инициалы)
(должность. место работы)
Работа допущена к защите (протокол заседания кафедры от 30.12.2016
№ 5
)
Заведующий кафедрой
Светлов А.В.
(подпись)
(фамилия, инициалы)
Работа защищена с отметкой __________ (протокол заседания ГЭК от__________№____)
Секретарь ГЭК
Волков С.В.

2
«Утверждаю»
_____________________________
Заведующий кафедрой РТиРЭС ПГУ
29 августа 2016 г.
З А Д А Н И Е
на дипломное проектирование
1 Студент группы 11ПР1, факультета приборостроения, информационных технологий и электроники, специальности 11.05.01
Кравченко Александр Александрович
2 Руководитель проекта: Куроедов Сергей Константинович
3 Время выполнения ВКР с 29.08.2016 г. по 15.01.2017 г.
4 Место преддипломной практики кафедра РТ и РЭС ПГУ
5 Тема проекта Приемопередатчик сигналов с многочастотной
квадратурной амплитудной манипуляцией
Тема утверждена приказом ПГУ № 0722а/о от 07.06.2016 6 Техническое задание на проект
Устройство предназначено для передачи и приема сигналов с ортогональным частотным уплотнением и квадратурной амплитудной манипуляцией поднесущих колебаний.
Технические характеристики:
Рабочая частота радиоканала, ГГц
5,25
Ширина полосы радиоканала, МГц
128
Относительная длительность защитного интервала
1/4
Время многолучевости радиоканала, мкс
0,05
Число позиций квадратурной амплитудной манипуляции
4 - 256
Питание от сети с частотой 50 Гц и напряжением, В
220 7 Объём и содержание основной части проекта
7.1 Пояснительная записка
1 Обзор известных технических решений
2 Выбор и обоснование структурной схемы.
3 Выбор и обоснование функциональной схемы.
4 Описание работы по функциональной схеме.

3 5 Исследовательская часть. Моделирование в системе MATLAB и с помощью графической среды программирования LabVIEW, исследование влияния соотношения сигнал/шум на помехоустойчивости и скорость передачи данных
6 Экспериментальная часть
7 Выбор обоснования и расчет основных узлов устройства:
Трансформатора напряжения, МШУ.
8 Конструкторская часть
9 Экономическая часть
7.2 Графическая часть
1 Структурная схема устройства
1 лист (А1)
2 Функциональная схема устройства
1 лист (А1)
3 Принципиальная схема устройства
2 листа (А1)
4 Конструкторская часть: 1 лист (А1)
5 Результаты моделирования, исследования, эксперимента. 2 листа (А1)
8 Консультанты и содержание дополнительных разделов
8.1 По конструкции устройства
Разводка печатной платы устройства
Консультант ________________________
8.2 По экономике и организации производства Технико-экономическое обоснование проекта и расчёт себестоимости изделия
Консультант _________________________
9 Календарный график работ по выполнению проекта.
Наименование этапов работы
Объём работы
Срок
Выполнения
Подпись руководителя, консультанта
Изучение литературы
5%
05.09.16
Обзор известных технических решений
5%
12.09.16
Выбор и обоснование структурной схемы
15%
03.10.16
Расчёт основных узлов и написание ПО
20%
31.10.16
Экспериментальная часть (при
наличии)
15%
14.11.15
Экономическая часть
10%
21.11.16

4
Конструкторская часть
10%
28.11.16
Оформление пояснительной записки и графической части
20%
10.12.16
Дата выдачи задания 29 августа 2016 г.
Руководитель дипломного проекта 29 августа 2016 г. __________ Куроедов С.К. подпись
Задание к исполнению принял 29 августа 2016 г. __________ Кравченко А.А. подпись
Дипломный проект к защите допустить
Декан факультета _____________В.Д. Кревчик «___»__________2016 г. подпись

5
СОДЕРЖАНИЕ
1.
РЕФЕРАТ
8 2.
ВВЕДЕНИЕ
13 3.
ОБЗОР СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ
14 4.
ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ
21 5.
ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ ОПИСАНИЕ УСТРОЙСТВА
25 5.1. Данные ввода и вывода
31 5.2. Выходное изображение
32 5.3. OFDM передатчик
33 5.3.1. Защитные интервал кадров
36 5.3.2. OFDM модулятор
38 5.3.3. Дифференциальная фазовая манипуляция
45 5.3.4. ОБПФ: спектральное разделение периода сигнала
46 5.3.5. Добавление периодичных защитных интервалов
46 5.4. Канал связи
46 5.5. OFDM приемник
47 5.5.1. Распознаватель кадров OFDM
49 5.5.2. Индикатор статуса демодуляции
50 5.5.2.1.
OFDM демодулятор 50 5.5.3. Быстрое преобразование Фурье
51 5.5.4. Демодуляция дифференциальной фазовой манипуляции 52 5.5.4.1.1.1. Вычисление ошибок передачи
52 5.5.4.2.
ЦАП и АЦП
54

6 5.5.4.2.1.
Усилитель с регулируемым усилением
55 5.5.5.
Синхронизация символов OFDM
56 5.5.6.
Частотный сдвиг
57 6.
ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ЧАСТЬ
60 7.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
70 8.
КОНСТРУКТОРСКАЯ ЧАСТЬ
75 8.1.
Технология изготовления печатных плат
75 8.2.
Классификация конструкций печатных плат
75 8.3.
Разводка печатной платы блока преобразования питания
78 9.
ВЫБОР, ОБОСНОВАНИЕ И РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ УЗЛОВ
УСТРОЙСТВА
80 9.1.1.
Расчет трансформатора питания системы
80 9.1.1.1.
Расчет малошумящего усилителя
84 10.
РАСЧЕТ
СЕБЕСТОИМОСТИ
И
ЦЕНЫ
УСТРОЙСТВА.
_
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
ТОЧКИ
БЕЗУБЫТОЧНОСТИ
ПРОИЗВОДСТВА 87
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
101
ПРИЛОЖЕНИЕ А
102
ПРИЛОЖЕНИЕ В
104
ПРИЛОЖЕНИЕ С
109
ПРИЛОЖЕНИЕ D
112
ПРИЛОЖЕНИЕ Е
116
ПРИЛОЖЕНИЕ Н
129
ПРИЛОЖЕНИЕ G
134
ПРИЛОЖЕНИЕ H
136

7
РЕФЕРАТ
Пояснительная записка содержит 100 страниц, 39 рисунков, 18 приложений, 42 источника.
ПРИЕМОПЕРЕДАТЧИК,
КВАДРАТУРНАЯ
АМПЛИТУДНАЯ
МАНИПУЛЯЦИЯ,
ОРТОГОНАЛЬНОЕ
ЧАСТОТНОЕ
МУЛЬТИПЛЕКСИРОВАНИЕ, ЗАЩИТНЫЙ ИНТЕРВАЛ, ЦИКЛИЧЕСКИЙ
ПРЕФИКС
Объектом разработки является устройство, предназначенное для передачи и приема сигналов с ортогональным частотным мультиплексированием (OFDM-сигналов) и квадратурной амплитудной модуляцией поднесущих колебаний (QAM).
Цель работы – анализ современного уровня техники передачи информации с помощью широкополосных сигналов, разработка виртуальной модели системы формирования, передачи, приема и обработки OFDM- сигналов c QAM, выбор и обоснование структурной и функциональной схем приемопередатчика, разработка и расчет параметров принципиальной схемы устройства.
Разработаны электрические схемы приемопередатчика OFDM-сигналов c QAM и алгоритмы адаптивного выбора частот и уровней поднесущих на основе информации о спектре мощности помех в радиоканале. Реализация данных алгоритмов позволяет оптимизировать частоты поднесущих и отношение «сигнал-шум» на частоте каждой из поднесущих. Исследования разработанных алгоритмов показали возможность их использования для повышения помехоустойчивости разработанного устройства.

8
ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ СОКРАЩЕНИЯ
Таблица 1 – Таблица используемых сокращений
Аббревиатура Расшифровка
Перевод
ADC
Analog–to-Digital
Converter
Аналого-Цифровой
Преобразователь - АЦП
AWGN
Additive White Gaussian
Noise
Белый Гауссовский шум
BPSK
Binary Phase Shift Keying
Двухпозиционная фазовая манипуляция
DAC
Digital-to-Analog
Converter
Цифро-Аналоговый
Преобразователь - ЦАП
DFT
Discrete Fourier transform
Дискретное преобразование
Фурье
DSP
Digital Signal Processor
Цифровой Сигнальный
Процессор
ENOB
Effective number of bits
Эффективное количество бит
FCC
Federal Communication
Commission
Федеральная Комиссия по
Коммуникациям
FFT
Fast Fourier transform
Быстрое преобразование Фурье
FPGA
Field Programmable Gate
Array
Программируемое логическое устройство - ПЛИС
ICI
Inter-carrier interference
Интерференция между несущими
IF
Intermediate frequency
Промежуточная частота - ПЧ
IFFT
Inverse fast Fourier transform
Инверсное быстрое преобразование Фурье
LNA
Low noise amplifier
Малошумящий усилитель -
МШУ
MSPS
Mega Sample per Second
Миллион выборок в секунду
(скорость квантования)
NF
Noise figure
Коэффициент шума
OFDM
Orthogonal Frequency
Division Multiplexing
Ортогональное частотное мультиплексирование
PA
Power amplifier
Усилитель мощности - УМ
PAPR
Peak-to-average power rate Отношение пиковой мощности к средней
QAM
Quadrature-Amplitude
Modulation
Квадратурно-Амплитудная
Модуляция - КАМ
QPSK
Quadrature Phase Shift
Keying
4-позиционная фазовая манипуляция – 4-ФМ

9
Продолжение таблицы 1
RF
Radio frequency
Радиочастота - РЧ
SINAD
Signal-to-noise and distortion
Отношение сигнала к шуму плюс искажения
SNR
Signal-to-noise ratio
Отношение сигнала к шуму
VGA
Variable gain amplifier
Усилитель с регулируемым усилением - АРУ
WiGLAN
Wireless Gigabit LAN
Гигабитная беспроводная локальная сеть
WLAN
Wireless Local Area
Network
Беспроводная локальная сеть

10
ВВЕДЕНИЕ
Дипломный проект посвящен разработке и исследованияю приемопередатчика сигналов с ортогональным частотным уплотнением
(OFDM-сигналов) и квадратурной амплитудной манипуляцией поднесущих.
OFDM - это механизм мультиплексирования (уплотнения) посредством ортогональных поднесущих. В современной радиоэлектронике сигналы такого вида широко используются в мобильной и стационарной связи, для широкополосного доступа в локальные и глобальные сети, для цифрового радио и телевещания. Это обусловлено тем, что применение ортогонального частотного уплотнения сигналов позволяет соответствовать современным требованиям к скорости и помехоустойчивости передачи информации.
Технология ортогонального частотного уплотнения имеет как преимущества, так и недостатки. Ее положительными свойствами являются:
 высокая эффективность использования радиочастотного спектра;
 относительно простая аппаратная реализация передатчика и приемника
OFDM-сигнала благодаря формированию, модуляции и демодуляции поднесущих в цифровой форме методами прямого синтеза и анализа с использованием алгоритмов быстрого прямого и обратного преобразования Фурье;
 хорошее подавление межсимвольных помех и интерференции между поднесущими;
 возможность использования различных уровней и схем модуляции для каждой поднесущей, что позволяет адаптивно оптимизировать помехоустойчивость и скорость передачи информации.
К наиболее существенным недостаткам данной технологии относятся:
 необходимость высокой точности синхронизации частоты и времени;
 чувствительность к эффекту Доплера, ограничивающая применение
OFDM в мобильных системах;
 влияние фазового шума, что ограничивает производительность системы;

11
 защитный интервал, используемый в OFDM для борьбы с влиянием многолучевого распространения сигнала, снижает спектральную эффективность сигнала;
 большое отношение максимума мгновенной мощности к средней мощности – пик-фактор (PAPR), которое может достигать нескольких сотен, расширяет требуемый динамический диапазон элементов приемопередатчика, формирующих и преобразующих ODFM-сигнал.
Информация в OFDM-сигнале передается с помощью символов, каждый из которых представляет собой радиоимпульс в виде суммы ортогональных поднесущих колебаний, синфазные и квадратурные составляющие которых модулируются по амплитуде. Частоты поднесущих определяются из условия их ортогональности на интервале времени, длительность которого соответствует длительности активной части символа.
Ортогональность поднесущих обеспечивает минимизацию взаимного влияния поднесущих одного символа. Взаимное же влияние символов устраняется с помощью их временного разделения.
Сигналы с OFDM, которые распространяются в многолучевых каналах, подвержены межсимвольной интерференции. Для борьбы с искажениями, вносимыми межсимвольной интерференцией, перед каждым символом добавляется защитный интервал. Длительность защитного интервала может составлять, например, 1/4, 1/8, 1/16 или 1/32 от активной части длительности символа OFDM-сигнала.
В качестве защитного интервала используется циклический префикс, являющийся копией оконечной части символа. Такое дублирование данной части позволяет сохранить ортогональность поднесущих в задержанном символе на интервале, длительность которого соответствует длительности его активной части. Длительность защитного интервала определяется диапазоном возможных значений задержки сигнала в многолучевом канале его распространения.

12
Каждая поднесущая OFDM-сигнала может модулироваться различной схемой манипуляции, например, 4-QAM, 16-, 64-QAM или 256-QAM. В основе формирования OFDM-сигнала лежит алгоритм быстрого обратного преобразования Фурье спектра OFDM-символа, который определяется синфазными и квадратурными амплитудами поднесущих. Демодуляция сформированного таким образом сигнала осуществляется с помощью алгоритма прямого быстрого преобразования Фурье, результаты которого представляются синфазными и квадратурными амплитудами поднесущих каждого символа принимаемого сигнала.

13 3.
ОБЗОР ИЗВЕСТНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ
Первые работы с описанием свойств и возможных приложений сигналов с частотным ортогональным уплотнением появились в 70-х годах прошлого века, однако их практическое применение стало возможным в конце
20-го, начале
21-го века в связи с появлением высокопроизводительных устройств цифровой обработки сигналов – сигнальных процессоров. Теоретические исследования и разработку алгоритмов цифровой обработки и синхронизации сигналов OFDM-систем радиосвязи проводили зарубежные исследователи Т.М. Шмидл, Д.С. Кокс,
У.Д. Уорнер, Ж.Ж. ван де Бик, а несколько позже проблемами использования
OFDM-сигналов стали заниматься отечественные учёные Ю.Б. Зубарев
,
Б.И.
Шахтрин, А.П. Солодовников, И.А. Батырев, Г.В. Свистунов, М.С. Малютин и др.
При передаче на одной поднесущей передатчиком генерируются символы, каждый из которых представляет несколько бит передаваемой информации. Использование множества поднесущих позволяет многократно увеличить скорость передачи данных, при этом ортогональность несущих обеспечивает отсутствие влияния интерференции между ними. Для высокоскоростных каналов передачи данных в качестве первичной модуляции поднесущих используется двоичная фазовая манипуляция
(BPSK), квадратурная фазовая манипуляция (QPSK) или квадратурная амплитудная манипуляция (КАМ, англ. – QAM).
Последовательный поток символов кода входных данных преобразуется в параллельный поток, и затем модулируется каждая поднесущая. Символы преобразуются в аналоговый сигнал и перед поступлением в антенну преобразуются по частоте вверх в модулированное несущее колебание со стандартной рабочей частотой и шириной спектра, соответствующей ширине спектра OFDM-сигнала после первичной модуляции поднесущих. В приемнике радиочастотный сигнал преобразуется по частоте вниз в сигнал основной полосы частот, а OFDM-символы в

14 демодуляторе преобразуются в символы параллельного цифрового кода, который затем преобразуется в последовательный код выходных данных.
Многие стандарты проводной и беспроводной передачи информации используют OFDM для различных приложений. Например, OFDM - это основа для глобального стандарта ассиметричной цифровой абонентской линии (ADSL) и для цифрового радиовещания (DAB).
OFDM-технология является основой для системы цифрового телевещания, разновидность которой – DVB-T2 использована как стандарт российского цифрового эфирного телевидения. Система DVB-H является расширением системы DVB-T, специально предназначенным для мобильного мультимедийного вещания на портативные ручные устройства: мобильные телефоны, ноутбуки, цифровые записные книжки, органайзеры и другие подобные устройства. Особенности и принцип формирования OFDM-сигнала в данных системах заключаются в следующем.
 Предусмотрены следующие виды модуляции поднесущих - квадратурная
16- или 64-уровневая фазовая манипуляция QPSK, квадратурная амплитудная манипуляция (16-QAM и 64-QAM) с равномерным или неравномерным расположением вершин векторов сигнала на комплексной плоскости.
 Выбор конкретного вида модуляции производится в зависимости от требуемой скорости передачи данных и помехоустойчивости
 Ширина спектра OFDM-сигнала при всех режимах модуляции равна 7,61
МГц
 Предусмотрены три режима OFDM - 2k, 4k и 8k, для каждого из которых предусмотрены 4 варианта длительности защитных интервалов - 1/4, 1/8,
1/16 и 1/32 от длительности активной части символа OFDM-сигнала.
 Сигнал перед разделением между поднесущими предварительно кодируется различными кодерами для повышения помехоустойчивости с относительными скоростями 1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8. В результате канального