Файл: Приемопередатчик сигналов с многочастотной квадратурной амплитудной манипуляцией.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 09.11.2023
Просмотров: 128
Скачиваний: 3
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
26
Рисунок 5.1 - Функциональная схема устройства
27 превышать max
f
. Выбирая минимальное значение max
2 f
f
T
, определяем ее значение:
256
T
f
МГц.
Алгоритм IFFT и дополнение символа циклическим префиксом могут быть реализованы с помощью одного и того же цифрового процессора.
Параллельный код отсчетов OFDM-символа должен быть преобразован в два последовательных кода, представляющих действительные и мнимые части данных отсчетов для их преобразования в аналоговый формат с помощью двух цифро-аналоговых преобразователей ЦАП. Тактовая частота ЦАП должна быть равна частоте
256
T
f
МГц.
Выходные сигналы ЦАП являются квантованными и дискретными. Для их преобразования в континуальные непрерывные сигналы используется два восстанавливающих (реконструирующих) фильтра нижних частот, частота среза должна быть не менее max
f
. Данные сигналы подаются на входы двух балансных смесителей, управляемых сигналом гетеродина с частотой
2
LO
f
и его ортогональной копией, смещенной по фазе на 90
o
Синфазная и квадратурная составляющие сигнала с промежуточной частотой
2
LO
f
На функциональной схеме представлены 2 части трансивера: приемная часть и передающая часть. Вводимый сигнал проходит через блок IFFT в котором происходит начальное формирование поднесущих OFDM сигнала.
На входе ЦАП сигнал имеет две составляющих, синфазную и квадратурную.
Образцы символов OFDM представляются в виде действительной
(синфазной) и мнимой (квадратурной) составляющих перед их подачей на аналоговый передатчик через пару цифро-аналоговых преобразователей. В приемнике осуществляется обратная обработка и восстанавливаются оригинальные символы. Главным свойственным OFDM преимуществом, является то, что полоса отдельной поднесущей может быть задана независимо. До тех пор, пока полоса каждой поднесущей будет меньше полосы когерентности, канал можно считать практически однородным.
28
Таким образом, импульсная характеристика канала в пределах данной полосы будет однотипной.
Расчет основных параметров OFDM системы
Задавшись основными параметрами сделаем расчет основных параметров системы таких как длительность OFDM символа, скорость передачи информации.
Сперва найдем длительность цикличности префикса T
g
25
,
0 5
g
T
g
, мкс (5,1)
Полученное значение позволяет вычислить значение T
u
– длительность интервала интегрирования
1 4
25
,
0
g
T
T
g
u
, мкс (5,2)
Зная значения длительности интервала интегрирования и длительности цикличности префикса найдем длительность OFDM символа T
s
25
,
1
u
g
s
T
T
T
, мкс (5,3)
Получив значения длительности OFDM символа можно преступить к расчету частотных пареметров. Сперва найдем Δf – разнос частот поднесущих.
1 10
/
1 6
u
T
f
, МГц (5,4)
Значение F
min в данной работе будет являться частотой Δf , а F
max
будет равно значению ΔF
s
= 128 МГц
Определившись с частотными параметрами можно определить скорость передачи OFDM символа и самого сигнала.
Определим скорость передачи OFDM символа:
8
,
0 10 8
,
0
/
1 6
s
s
T
R
, Мб/с (5,5)
29
Далее определим скорость передачи задавшись кратностью QAM – 64 тогда, коэффициент маппинга m будет равен:
6 64
log log
2 2
M
m
(5,6)
Скорость передачи всего сигнала R тогда составит:
4
,
614
s
T
N
m
R
, Мб/с (5,7)
Соответственно увеличивая количество OFDM уровней N или кратность модуляции можно значительно увеличить скорость передачи информации используя OFDM систему
Параметры системы и конфигурация
Вся работа выполнена в системе MATLAB. Пользователь вводит необходимые значения, в то время некоторые параметры фиксированы или получаются исходя из введенных пользователем данных. Доступные для ввода данные:
1) Файл ввода для теста системы – 8 битовое черно-белое изображение
(256 уровней серого) в формате bitmap (bmp);
2) Значение ОБПФ - Переменное значение, задаваемое для двух блоков;
3) Количество несущих – Не более чем (значение ОБПФ/2 - 2);
4) Цифровой метод модуляции – BPSK, QPSK, 16-PSK, 256-PSK;
5) Граничное значение мощности сигнала в dB;
6) Соотношение Сигнал/шум в dB
Количество несущих должно быть не более чем (значение ОБПФ/2 - 2), т.к. количество когерентных несущих сравнимо с количеством несущих и
30 один из ОБПФ для постоянного сигнала, а другой ОБПФ для определения значений частоты Найквиста для разделения несущих и когерентных несущих. Все введённые данные проверяются программой и если они не могут быть использованы, то программа выдаст соответствующую ошибку.
Полный цикл программы приводится в приложении E. Пример программы приведен на следующем рисунке 5.2:
Рисунок 5.2 - Экран программы с задаваемыми значениями
Эта программа также определяет как несущие и когерентные им распределяются по уровням в ОБПФ.
Рисунок 5.3 – OFDM несущие распределяются по уровням ОБПФ
31
Рисунок 5.3 показывает пример в котором показаны 120 несущих и 120 когерентных распределенных по 256 уровням ОБПФ.
5.1 Данные ввода и вывода
Программа считывает данные с вводимого изображения и получает матрицу
1 2 3 4 5 6 7
h – к – w, где h – высота изображения и w – ширина (в пикселях).
За этим данная матрица переводится в последовательный поток данных.
Образцы OFDM символов приводится в виде действительной и мнимой составляющих. В приемнике осуществляется обратная обработка и восстанавливаются оригинальные символы.
Главным свойственным OFDM преимуществом, является то, что полоса отдельной поднесущей может быть задана независимо. До тех пор, пока полоса каждой поднесущей будет меньше полосы когерентности, канал можно считать практически однородным. Таким образом, импульсная характеристика канала в пределах данной полоса будет однотипной. Если предположить, что импульсная характеристика известна для всех субполос, то для правильного восстановления символов приемник в каждой из субполос может быть подстроен по усилению и фазе.
Так как вводимое изображение всегда 8-bit черно-белое, размер слова будет определяться соотношением 8 битов к размеру слова. Источник будет преобразован в соответствующий размер передаваемого символа с целью возможности выбора цифрового вида модуляции. Это преобразование создает бинарную матрицу, в которой каждая колонка представляет символ в его размере в зависимости от того какой вид модуляции был выбран пользователем. Далее эта матрица преобразуется в поток данных, например, когда выбирается QPSK (4 бита / слово) поток данных в 8 битов / слово будет представлено как [36, 182, 7] и пройдет следующий процесс, отображенный на рисунке 5.4
32
Рисунок 5.4 - Процесс преобразования 8-битового слова в 4-ех битовое
На выходе OFDM приемника демодулированные данные должны пройти процесс обратного преобразования, чтобы вернуться к формату 8 бит на слово. Если же OFDM приемник не может распределить все переданные кадры изображения по правильным местам для воссоздания передаваемого изображения, в то же время демодулированые данные могут быть длиннее или же короче, чем передаваемые данные. [2. 4. 0. 7. 11] может быть принято за место нужных [2, 4, 0, 7, 11, 6]. Например, если теряется значение “11” то будет принято только [2, ,4, 0, 7] и только эти значения будут использованы для воссоздания выходного изображения.
5.2 Выходное изображение
Иногда выходные данные OFDM приемника могут оказаться длиннее передаваемых данных, по причине наличия шума в канале связи. В некоторых случаях принимаемые данные могут быть сжаты чтобы получаемое изображение соответствовало размерам исходного.
В основном принимаемые данные будут иметь меньшую длину чем оригинальные. В этих случаях, программа будет считать целое число потерянных рядов чтобы уменьшить h (высоту исходного изображения).
Похожий процесс проводится так же и для частичного потерянных рядов, если такие есть. Если обнаруживается потеря одного или более рядов, то программа сообщит о том, что размер получаемого изображения не соответствует размеру исходного. Для частично потерянных рядов программа сама дополнит их, чтобы соответствовать длине других рядов.
33
Каждый из этих потерянных пикселей будет иметь тот же уровень серого оттенка, как и пиксель, находящийся выше. Это позволит сделать частичную потерю рядов пикселей почти незаметной.
5.3 OFDM Передатчик
Стандартом [1] для системы DVB- H предусмотрены три режима модуляции OFDM, названные режимами 2k, 4k и 8k, для каждого из которых предусмотрены 4 варианта защитных интервалов, равные 1/4, 1/8, 1/16 и 1/32 длительности рабочего интервала. Общая ширина спектра группового сигнала при всех режимах модуляции равна 7,61 МГц для 8 МГц частотного канала. Теоретический спектр радиосигнала DVB-H показан на рисунке 5.5.
Обычно тракт приемника от антенного входа до выхода требует тщательного проектирования и часто прорабатывается до мельчайших деталей. Тракт передатчика кажется более простым, но и в нем есть элементы, требующие пристального внимания. Далее будут затронуты наиболее важные проблемы, возникающие при проектировании передатчика.
-60
-50
-40
-30
-20
-10 0
10
-8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1
2 3
4 5 6
7 8
Частота относительно центральной частоты канала
МГц дБ
Режим 2 k
Режим 8 k
Рисунок 5.5 - Теоретический спектр радиосигнала DVB-T
(Режимы 2k и 8k).
34
Тракт передатчика от входа IF до выхода RF показан на Рисунке 3-6.
Здесь, как и в приемнике, в качестве повышающего смесителя используется микросхема HMC488MS8G. В ней сигнал с частотой 583 МГц преобразуется в сигнал RF с частотой 5,247 ГГц. Полосно-пропускающий фильтр фирмы
Murata типа DFCB35G25LAHAA подавляет нежелательную нижнюю боковую полосу, а драйвер PA и сам PA усиливают сигнал до необходимого уровня выходной мощности.
В качестве драйвера применена микросхема ERA-21SM производства Mini Circuits. Трехкаскадный интегральный усилитель с встроенной схемой смещения ф. Maxim типа
MAX2841 имеет достаточно большой коэффициент усиления равный 22 дБ.
Для него производитель выпускает оценочную плату, на которой установлена микросхема усилителя и имеются схемы смещения и согласования. Микросхема имеет также встроенный детектор проходящей мощности, сигнал которого доступен пользователю. В современных системах беспроводных коммуникаций, особенно в тех из них, которые используют батарейное питание, большое внимание уделяется выбору режима усиления и разработке схемы усилителя мощности, поскольку он является самым большим потребителем энергии среди всех других аналоговых устройств.
При выборе различных классов усилителей главным критерием такого выбора становится коэффициент полезного действия, вычисляемый по формуле:
SUPPLY
OUT
P
P
/
(5,8) с учетом нелинейных параметров при работе транзисторов в режиме большого сигнала.
Если нужно избежать появления паразитных интермодуляционных продуктов или интерференции с внеполосными помехами, которые образуют паразитные сигналы в рабочей полосе, то должен быть выбран линейный режим работы усилителя. При нелинейном режиме работы передатчика будут наблюдаться искажения ансамблей передаваемых сигналов
(созвездий).
35
Для детектирования ансамбля 256-QAM при коэффициенте символьных ошибок 10-3, продукты интермодуляции должны быть на 30 дБ ниже уровня желаемой поднесущей. Нахождение необходимого отношения мощностей продуктов интермодуляции, генерируемых при двухчастотном режиме, к мощностям продуктов интермодуляции при многочастотном режиме является задачей нетривиальной.
В одночастотных сетях принимаемые от разных станций сигналы могут приводить к разным эффектам: либо к усилению суммарного сигнала, и в этом случае он является полезным, либо к возникновению ошибок на приемной стороне, и в этом случае сигналы от одночастотных присвоений являются мешающими.
В ОЧС полезными называются такие сигналы, относительное время прихода которых в точку попадает в заданный защитный интервал.
Защитный интервал – это промежуток времени, в течение которого все сигналы станций сети обрабатываются как полезные сигналы. Если сигнал от одной из станций сети окажется вне рамок защитного интервала, то он будет обрабатываться приемником как мешающий. Продолжительность и временное положение защитного интервала зависит от конфигурации ОЧС, в частности от выбранного типа синхронизации приемника, например, по первому сигналу или по сигналу с максимальной мощностью.
Еще одним условием отсутствия мешающего воздействия в точке внутри сети со стороны одночастотных присвоений является разность уровней сигналов на величину защитного отношения. Если на приемник поступит два сигнала с уровнями, отличающимися на величину защитного отношения, то только один из них будет отработан как полезный сигнал, а другой, меньший по уровню, не создаст помеховой ситуации.
На вероятность возникновения внутрисетевых помех большое влияние оказывает относительное расположение передатчиков, в частности расстояние между ними. Например, если расстояние между двумя передатчиками будет меньше расстояния, проходимого электромагнитной
36 волной за длительность защитного интервала, то очевидно, что относительная задержка этих двух сигналов в любой точке приема будет меньше защитного интервала, и сигналы будут обрабатываться как полезные.
При добавлении третьей станции в сеть ситуация может измениться и, например, сигнал от одной из них окажется на приемной стороне за границей заданного защитного интервала, что приведет к внутрисетевым помехам. В итоге суммарный сигнал на приемнике будет зависеть от взаимного расположения всех передающих станций, относительной задержки принятых сигналов и их энергетических уровней.
Отношение пиковой мощности к средней для сигналов OFDM требует от усилителя значительно большей величины линейной мощности, чем это требуется для сигнала с амплитудой, соответствующей RMS. Эта величина равнa 25,2 дБ. Эта величина серьезно ограничивает мощность передатчика.
Поскольку многие из продуктов интермодуляции лежат на тех же частотах, что и полезные тоны, то их мощность не может быть измерена. Если же предположить, что продукт интермодуляции, который появляется на первой неиспользуемой поднесущей, имеет примерно ту же мощность, что и продукт интермодуляции, который располагается в полосе, то его величина при передаче единственного символа OFDM и наблюдения за спектром OFDM на выходе передатчика может быть измерена. Затем мощность на выходе усилителя можно будет увеличивать до тех пор, пока продукт интермодуляции не достигнет мощности – 30 дБ относительно желаемого тона и данная величина может быть внесена в спецификацию.
5.3.1 Защитные интервалы кадров
Основой OFDM передатчика является модулятор, который создает входные данные кадр за кадром. Все данные разделяются на кадры в зависимости количества символов передаваемыми за кадр к несущей.
Требование к длине защитного интервала определяет число несущих