Тема 5. Лекция №15 Передача сигналов ДЗЗ по...

of 18 /18
1 Тема 5. Лекция №15. Передача сигналов ДЗЗ по технологии OFDM План лекции: 1. Определение. Ортогональное разделение каналов 2. Принцип организации канала OFDM 3. Структура идеализированного модема OFDM 3.1. Параллельно-последовательное и последовательно- параллельное преобразование 3.2. Кодирование символов в OFDM модеме 3.3. Модуляция сигнала в методе OFDM 1. Введение. Определение, ортогональное разделение каналов Метод ОFDМ модуляции (Orthogonal Frequency Division Multiplexing ортогональное частотное разделение с мультиплексированием) и eгo модификации: OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access - ортогональное частотное разделение с мультиплексированием доступа) и SOFDMA (Scalable OFDMA - масштабируемое OFDMA) основаны на разделении потока входных данных на множество параллельных потоков, каждый из которых передается на своей несущей (opтогональной) частоте. Это обеспечивает высокие скорость и помехоустойчивость передачи информации, в частности, по отношению к провалам в спектре передаваемых сигналов, так как узкополосное затухание может исключить только одну или несколько несущих частот из их большого числа (сотни - тысячи). Поскольку модуляция OFDM использует для передачи ортогональные несущие колебания, то возможна демодуляция модулированных сигналов даже в условиях частичного перекрытия полос отдельных несущих. Наличие большого числа несущих не позволяет реализовать модуляцию OFDM непосредственно, т.е. с использованием нескольких тысяч синтезаторов несущих колебаний и нескольких тысяч модуляторов. Поэтому для уменьшения объема оборудования учитывают, что модуляция OFDM представляет собой обратное преобразование Фурье, а демодуляция прямое преобразование Фурье, и применяют быстрые алгоритмы

Embed Size (px)

Transcript of Тема 5. Лекция №15 Передача сигналов ДЗЗ по...

  • 1

    Тема 5. Лекция №15. Передача сигналов ДЗЗ по технологии

    OFDM

    План лекции:

    1. Определение. Ортогональное разделение каналов

    2. Принцип организации канала OFDM

    3. Структура идеализированного модема OFDM

    3.1. Параллельно-последовательное и последовательно-

    параллельное преобразование

    3.2. Кодирование символов в OFDM модеме

    3.3. Модуляция сигнала в методе OFDM

    1. Введение. Определение, ортогональное разделение каналов

    Метод ОFDМ модуляции (Orthogonal Frequency Division Multiplexing

    ортогональное частотное разделение с мультиплексированием) и eгo

    модификации: OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access -

    ортогональное частотное разделение с мультиплексированием доступа) и

    SOFDMA (Scalable OFDMA - масштабируемое OFDMA) – основаны на

    разделении потока входных данных на множество параллельных потоков,

    каждый из которых передается на своей несущей (opтогональной) частоте. Это

    обеспечивает высокие скорость и помехоустойчивость передачи информации, в

    частности, по отношению к провалам в спектре передаваемых сигналов, так как

    узкополосное затухание может исключить только одну или несколько несущих

    частот из их большого числа (сотни - тысячи). Поскольку модуляция OFDM

    использует для передачи ортогональные несущие колебания, то возможна

    демодуляция модулированных сигналов даже в условиях частичного

    перекрытия полос отдельных несущих. Наличие большого числа несущих не

    позволяет реализовать модуляцию OFDM непосредственно, т.е. с

    использованием нескольких тысяч синтезаторов несущих колебаний и

    нескольких тысяч модуляторов.

    Поэтому для уменьшения объема оборудования учитывают, что

    модуляция OFDM представляет собой обратное преобразование Фурье, а

    демодуляция прямое преобразование Фурье, и применяют быстрые алгоритмы

  • 2

    этих преобразований, допускающие более простую аппаратную реализацию по

    сравнению с непосредственной реализацией алгоритмов модуляции OFDM.

    Модуляция OFDM используется в системах цифровoгo телевидения,

    системах сотовой связи WiMAX, MobileWiMAX, MBWA, автоматизированных

    системах контроля и учета электроэнергии, системах типа "интеллектуальный

    дом" и др. На ней базируются стандарты беспроводной связи IEEЕ 802.11a,e,g,n;

    802.16a,d,e; 802.20.

    Ортогональное частотное разделение каналов

    При беспроводной передаче сигналов один и тот же сигнал в результате

    многократных отражений может поступать в приемник различными путями.

    Поэтому в точке приема результирующий сигнал представляет собой

    суперпозицию (интерференцию) многих сигналов с различными амплитудами и

    начальными фазами. Применительно к многолучевой интерференции,

    возникающей при передаче сигналов, различают два крайних случая. В первом

    случае максимальная задержка между различными сигналами не превышает

    длительности одного символа и интерференция возникает в пределах одного

    передаваемого символа. Во втором случае максимальная задержка между

    различными сигналами больше длительности одного символа, и в результате

    интерференции складываются сигналы, представляющие разные символы.

    Вследствие этого возникает межсимвольная интерференция, которая наиболее

    сильно сказывается на искажении сигнала. Для того, чтобы частично

    компенсировать эффект многолучевого распространения, применяют частотные

    эквалайзеры, однако по мере роста скорости передачи данных либо за счет

    увеличения символьной скорости, либо за счет усложнения схемы кодирования,

    эффективность их применения падает.

    Поэтому для достижения высокой скорости передачи данных используют

    другой подход, состоящий в том, что поток передаваемых данных

    распределяется по множеству частотных подканалов и передача ведется

    параллельно на всех этих подканалах. При этом достигается высокая скорость

    передачи за счет одновременной передачи данных по всем каналам, причем

    скорость передачи в отдельном подканале может быть и невысокой. Это создает

    предпосылки для эффективного подавления межсимвольной интерференции.

    При частотном разделении каналов необходимо, чтобы ширина каждого канала

    была, с одной стороны, достаточно узкой для минимизации искажения сигнала

  • 3

    в его пределах, а с другой - достаточно широкой для обеспечения требуемой

    скорости передачи. Кроме того, для экономного использования всей полосы

    канала, разделяемого на подканалы, желательно как можно плотнее

    расположить частотные подканалы, но при этом избежать межканальной

    интерференции для обеспечения полной независимости каналов друг от друга.

    Перечисленным требованиям удовлетворяют ортогональные частотные

    каналы. Функции, описывающие несущие сигналы всех этих каналов,

    ортогональны друг другу, т.е. для них выполняется условие:

    0sin 2 ( ) sin 2 ( ) 0,

    T

    l mf t f t dt k l

    где Т - длительность передаваемого символа (полезного, см. в лекции №8), fl и fk

    - частоты l-гo и k-гo несущих сигналов соответственно.

    Ортогональность несущих сигналов обеспечивает частотную

    независимость каналов друг от друга и, следовательно, отсутствие

    межканальной интерференции. Рассмотренный способ деления

    широкополосного канала на ортогональные частотные подканалы называется

    opтогональным частотным разделением с мультиплексированием или ОFDМ-

    модуляцией.

    Ортогональность несущих сигналов обеспечивается только тогда,

    когда за время длительности одного символа T несущий сигнал будет

    совершать целое число колебаний.

    Так как каждый символ длительности Т передается oгpaниченной по

    времени синусоидальной функцией (рис. 1), то ее спектр описывается функцией

    вида

    sin 2 ( )

    2 ( )

    i

    i

    f f

    f f

    где if - центральная (несущая) частота i-гo канала. Такой же функцией описывается и форма частотного подканала.

  • 4

    Рис. 1 Символ длительностью T и его спектр

    Несмотря на частичное перекрытие частотными подканалами друг друга

    (рис. 2), ортогональность несущих сигналов обеспечивает их частотную

    независимость каналов друг от друга и, следовательно, отсутствие

    межканальной интерференции.

    Рис. 2 Частотное разделение каналов с ортогональными несущими

    сигналами

    2. Принцип организации канала OFDM на примере DVB-T

    Расщепление канала

    Характеристики канала передачи, к сожалению, не остаются постоянными

    во времени, но в течение короткого промежутка времени эти характеристики

    для наземного канала можно считать постоянными.

  • 5

    Используя эту особенность, в системе OFDM имеется возможность

    применить расщепление наземного канала передачи во времени и по частоте

    (см. рис. 1). В результате радиочастотный канал организуется в виде набора

    узких частотных полос и в виде коротких во времени смежных «временных

    сегментов».

    Рис. 1 Расщепление канала

    Ввод поднесущих

    Каждая частотно-временная ячейка имеет свою собственную поднесущую

    (см. рис. 2). Набор поднесущих в определенном временнòм сегменте

    называется символом OFDM. Для устранения взаимных помех между

    поднесущими расстояние (промежуток) между ними выбирается равным

    обратной величине длительности символа: в этом случае поднесущие являются

    ортогональными.

  • 6

    Рис. 2 Ввод поднесущих частот

    Ввод защитного интервала

    Поскольку эхо-сигналы представляют собой задержанные во времени

    копии основного сигнала, начало данного символа OFDM подвергается

    «загрязнению» задержанным окончанием предыдущего (взаимные помехи

    между символами). Для устранения этого эффекта между двумя соседними

    символами OFDM вводится защитный интервал (см. рис. 3).

    Во время защитного интервала приемные устройства игнорируют

    поступающий сигнал, что приводит к снижению пропускной способности

    канала передачи.

  • 7

    Рис. 3 Ввод защитного интервала

    Синхронизация каналов

    Чтобы осуществить надлежащим образом демодуляцию сигнала,

    приемные устройства должны произвести его выборку во время полезного

    периода символа OFDM (но не во время защитного интервала). Но тогда

    необходимо ввести временнòе окно по отношению к моменту, когда передается

    в эфир каждый символ OFDM.

    В системе DVB-T используются «пилотные» поднесущие, равномерно

    распределенные в канале передачи в виде маркеров синхронизации (см. рис. 4).

    Рис. 4 Маркеры синхронизации

    Итак, общая длительность Тs OFDM-символа представляет собой сумму

    длительностей полезной части Tu и защитного интервала Тg. Расстояние по

    частоте между соседними несущими частотами OFDM-сигнала равно 1/Tu

    (поскольку чтобы осуществить надлежащим образом демодуляцию сигнала,

    приемные устройства должны произвести его выборку во время полезного

    периода символа OFDM, но не во время защитного интервала). Защитный

    интервал располагается перед полезной частью OFDM-символа.

    Вышеупомянутые особенности (расщепление канала, кодирование

    данных, ввод защитного интервала и маркеров синхронизации) составляют

    основные параметры модуляции OFDM.

  • 8

    К сожалению, все эти особенности предполагают потерю полезной

    информации канала или снижение реальной пропускной способности канала. И

    наоборот, они позволяют снизить степень ухудшения параметров сигнала из-за

    условий прохождения радиоволн за счет компромисса между устойчивостью

    канала и пропускной способностью канала.

    С целью предоставления предприятиям вещания максимальной свободы

    при адаптации средств передачи по наземным каналам в соответствии с

    конкретными условиями, стандарт DVB-T определил допустимый диапазон

    этих параметров: их комбинация представляет собой режимы системы DVB-T.

    Построение OFDM-сигналов на примере всемирного цифрового радио

    После перемежения на передающей стороне QAM-ячейки преобразуются в

    OFDM-символы. Радиосигнал системы DRM сегментирован по частоте и по

    времени (рис. 1).

    Digital Radio Mondiale (DRM) — набор технологий цифрового

    радиовещания, разработанных для вещания в диапазонах, используемых

    в настоящее время для вещания с амплитудной модуляцией, в частности

    на коротких волнах. По сравнению с амплитудной модуляцией DRM

    позволяет передавать больше каналов с более высоким качеством,

    используя различные кодеки MPEG-4.

    DRM также является названием международного некоммерческого

    консорциума, разрабатывающего и реализующего стандарт вещания

    DRM. В формировании консорциума приняли участие компании Radio

    France Internationale, TéléDiffusion de France, BBC World Service,

    Немецкая волна, Голос Америки, Telefunken (в настоящее время

    Transradio) и Thomcast (в настоящее время Thomson SA).

    В основе идеи DRM лежит два факта: полоса частот является

    ограниченным ресурсом, в то время как стоимость вычислительной

    мощности понижается. Таким образом, современные технологии

    программного сжатия звука позволяют использовать имеющуюся полосу

    частот более эффективно.

    Сегментация по частоте выполняется с помощью равномерной сетки несущих

    частот, при этом каждая из несущих частот подвергается QAM-модуляции

    своим цифровым потоком (рис. 2).

    Несущие частоты ортогональны и имеют для каждого режима работы свой

    постоянный шаг по частоте. Сегментацию по времени выполняют OFDM-

    символы, отделенные друг от друга защитным интервалом (рис. 3).

    OFDM-символы в каждом режиме работы системы DRM имеют свою

    длительность. Каждый OFDM-символ представляет собой сумму отрезков

    http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A0%D0%B0%D0%B4%D0%B8%D0%BE%D0%B2%D0%B5%D1%89%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D0%B5http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D0%B8%D0%B0%D0%BF%D0%B0%D0%B7%D0%BE%D0%BD_%D1%87%D0%B0%D1%81%D1%82%D0%BE%D1%82http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D0%BC%D0%BF%D0%BB%D0%B8%D1%82%D1%83%D0%B4%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%BC%D0%BE%D0%B4%D1%83%D0%BB%D1%8F%D1%86%D0%B8%D1%8Fhttp://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%BE%D1%80%D0%BE%D1%82%D0%BA%D0%B8%D0%B5_%D0%B2%D0%BE%D0%BB%D0%BD%D1%8Bhttp://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%BE%D0%B4%D0%B5%D0%BAhttp://ru.wikipedia.org/wiki/MPEG-4http://ru.wikipedia.org/wiki/Radio_France_Internationalehttp://ru.wikipedia.org/wiki/Radio_France_Internationalehttp://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=T%C3%A9l%C3%A9Diffusion_de_France&action=edit&redlink=1http://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=BBC_World_Service&action=edit&redlink=1http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9D%D0%B5%D0%BC%D0%B5%D1%86%D0%BA%D0%B0%D1%8F_%D0%B2%D0%BE%D0%BB%D0%BD%D0%B0http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%BE%D0%BB%D0%BE%D1%81_%D0%90%D0%BC%D0%B5%D1%80%D0%B8%D0%BA%D0%B8http://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=Telefunken&action=edit&redlink=1http://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=Transradio&action=edit&redlink=1http://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=Thomcast&action=edit&redlink=1http://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=Thomson_SA&action=edit&redlink=1

  • 9

    колебаний несущих частот, модулированных своим цифровым потоком и,

    вследствие этого, имеющих свои значения амплитуды и начальной фазы,

    определяемые сочетанием значений бит в соответствующих QAM-ячейках.

    Для устранения взаимных помех расстояние по частоте между несущими

    частотами выбирается равным обратной величине длительности OFDM-

    символа. Именно в этом случае несущие частоты ортогональны. Эхосигналы,

    сопровождающие радиоприем, представляют собой задержанные копии

    основного сигнала, вследствие чего начало каждого OFDM-символа ими

    «загрязняется». Для устранения этого явления между соседними OFDM

    символами вводится защитный интервал (см. рис. 3). Во время действия

    защитного интервала приемник закрыт. Наличие защитного интервала приводит

    к некоторому снижению пропускной способности радиоканала. Чтобы

    правильно выполнить демодуляцию OFDM-сигнала, приемные устройства

    должны надлежащим образом выделить эти полезные части OFDM-символов,

    что требует наличия синхронизации в работе передатчика и приемника. Для

    этой цели служат так называемые OFDM пилот-ячейки, именуемые иногда

    маркерами синхронизации (рис. 4). Они показаны черным цветом. Итак, общая

    длительность Тs OFDM-символа представляет собой сумму длительностей

    полезной части Tu и защитного интервала Тg. Расстояние по частоте между

    соседними несущими частотами OFDM-сигнала равно 1/Tu. Защитный интервал

    располагается перед полезной частью OFDM-символа.

    При многолучевом распространении и частотноселективных замираниях

    часть несущих, входящих в OFDM-сигнал, может быть ослаблена или вообще

    утрачена при радиоприеме. Для борьбы с этим явлением в системе смежные

    биты цифрового потока в радиоканале системы DRM распределяются не по

    соседним, а по удаленным несущим частотам в пределах каждого символа

    OFDM. Такая особенность распределения цифрового потока по несущим

    частотам называется частотным перемежением (рис. 5).

    Это очень эффективная мера борьбы с селективными затуханиями сигналов

    отдельных несущих частот. При наличии частотного перемежения по вполне

    определенному закону, известному приемнику, мы имеем дело уже с COFDM-

    модуляцией (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex) и, соответственно,

    с COFDM-символами. При этом информация, содержащаяся в ослабленных

    несущих частотах, во многих случаях может быть восстановлена за счет

    помехоустойчивого кодирования, перемежения битов во фреймах

    мультиплексированного потока, FAC- и SDC-блоках, а также перемежения

    QAM-ячеек в канале MSC.

    MSC – Main Service Channel – главный канал обслуживания

    FAC – Fast Access Channel – канал быстрого доступа

  • 10

    SDC – Service Description Channel – канал описания сервисной

    информации

    В случае невозможности восстановления утраченной информации

    применяется маскировка ошибок. Такие технические решения обусловливают

    высокую надежность и устойчивость приема сигналов в системе DRM. Из

    определенного количества OFDM-символов формируются фреймы (кадры)

    передачи. Первый OFDM-символ каждого фрейма передачи содержит сигнал

    опорного времени. Длительность фрейма передачи составляет 400 мс. OFDM-

    символы в кадре передачи нумеруются от 0 до NS-1, где NS – число OFDM-

    символов во фрейме передачи. Все символы содержат цифровые данные и

    опорную информацию. Из трех фреймов передачи формируется суперфрейм

    (сверхкадр) передачи. Его длительность равна 1200 мс. В начале суперфрейма

    передачи размещается SDC-блок. 53

    Типы OFDM-ячеек

    Фрейм передачи содержит следующие виды OFDM ячеек: пилот-ячейки;

    ячейки управления; ячейки данных.

    Пилот-ячейки.

    Некоторые OFDM-ячейки содержат заранее известные на приемной

    стороне значения частот, фаз и амплитуд несущих частот. Они называются

    пилот-ячейками и служат для оценки качества канала передачи и

    синхронизации оборудования передающей и приемной частей системы.

    Значения параметров, передаваемых в этих ячейках, тщательно выбираются с

    целью оптимизации характеристик системы, особенно начальной

    синхронизации и надежности приема сигнала.

    Пилот-ячейки в свою очередь разделяются на три типа: ячейки опорных

    частот; ячейки опорного времени; ячейки опорного усиления. Их назначение

    понятно из названия.

    Ячейки управления.

    Имеется два типа ячеек управления:

    1) ячейки канала быстрого доступа (FAC), они размещаются в каждом фрейме

    передачи и обеспечивают быструю передачу информации, необходимой DRM

    приемнику для демодуляции сигнала;

  • 11

    2) ячейки канала описания пользовательской информации (SDC), они

    повторяются в каждом суперфрейме передачи и содержат информацию,

    описывающую имеющиеся в наличии программы, конфигурацию

    мультиплексирования цифровых данных в канале MSC и др. Ячейки управления

    канала SDC используются также для автоматического переключения приемника

    на альтернативный источник той же программы в случае ухудшения параметров

    принимаемого сигнала.

    Ячейки данных.

    Это такие OFDM-ячейки, которые не относятся к пилот-ячейкам и

    ячейкам управления, с их помощью передается основная информация,

    содержащаяся в сигнале DRM.

    Параметры OFDM-символов зависят от условий распространения

    радиоволн, полосы частот радиоканала системы DRM, количества несущих

    частот, их расположения по отношению к так называемой опорной частоте fR.

    Заметим, что опорная частота равна частоте несущей из их множества, которой

    присвоен номер k = 0. Эта несущая не подвергается модуляции, относительно

    нее отсчитывают номера остальных несущих частот, расположенных выше или

    ниже нее по частоте. Группа несущих, передающих информацию канала FAC,

    всегда расположена справа (выше по частоте) по отношению к опорной частоте

    fR, которая выбирается как целое число, кратное 1 кГц.

    Одно из достоинств системы DRM - возможность работы в одночастотной

    сети. Одночастотную сеть (SFN, Single Frequency Network) образуют из

    нескольких разнесенных по территории передатчиков, работающих на одной

    частоте и излучающих в эфир в каждый момент времени идентичный сигнал, а

    именно - на одной частоте в один и тот же момент одинаковые биты данных.

    Чтобы это было возможно, необходимо осуществлять синхронизацию каждого

    передатчика одночастотной сети во времени и по частоте.

    Рабочая частота каждого передатчика одночастотной сети должна

    поддерживаться с высокой точностью и постоянно контролироваться. При

    этом стабильность и точность рабочей частоты должны быть такими, чтобы

    каждая несущая из их множества занимала бы свое абсолютное положение

    независимо от используемой ширины полосы радиоканала. Для такой

    синхронизации используется всемирная опорная частота GPS-приемников.

    Режим синхронизации по частоте в укрупненном виде показан на рис. 7.

    Величина защитного интервала оказывает решающее влияние на

    топологию одночастотной сети, ибо его длительность определяет

    максимальное расстояние между передатчиками, работающими в совме-

    щенном канале (на одной частоте). Очевидно, что все передатчики должны

    излучать при работе в одночастотной сети в каждый текущий момент времени

    одинаковый символ OFDM, а для этого необходима синхронизация по

    времени. Эта синхронизация ограничивает время поступления эхо-сигналов и

  • 12

    сигналов от соседних передатчиков величиной защитного интервала OFDM-

    символа (рис. 8).

    3. Структура идеализированного модема OFDM

    Идеализированный модем OFDM содержит передатчик и приемник.

    В передатчике (рис. 4) последовательный поток бинарных цифр (символов) s[n]

    посредством инверсного мультиплексирования (демультиплексирования)

    преобразуется в N параллельных потоков, каждый из которых coгласуется

    (комплексно) с исходным потоком s[n], используя некоторые созвездия

    модуляции (квадратурную амплитудную модуляцию QАМ, квадратурную

    фазовую модуляцию QPSK и т.п.). В общем случае созвездия могут быть

    различными, поэтому некоторые потоки могyт нести бòльшую битовую

    скорость, чем другие.

    Затем модулированные потоки Х0, ..., XN-1 символов подвергаются

    быстрому обратному преобразованию Фурье (ОБПФ), которое переводит их в

    цифровые отсчеты х0, ..., хN-1 (в общем случае комплексные числа) во временной

    области. Действительная (Re{хi}) и мнимая (Im{хi}) составляющие отсчетов хi

    (i=0, ..., N-1) подвергаются цифро-аналоговому преобразованию (ЦАП).

    Полученные аналоговые сигналы используются для модуляции соответственно

    синусоиды и косинусоиды (получаемой сдвигом синусоиды на 90о) несущей

    частоты fc, После модуляции сигналы суммируются, формируя передаваемый в

    линию связи сигнал s(t).

    Приемник (рис. 5) принимает сигнал r(t), который затем демодулируется,

    используя синусоиды и косинусоиды нecyщей частоты fc. Такая демодуляция

    порождает также сигналы, центрированные на частоте 2fc. Поэтому

    используются фильтры нижних частот для их подавления. Дeмодулированные

    сигналы затем подвергаются дискретизации и квантованию в аналого-цифровых

    преобразователях (АЦП) и быстрому прямому преобразованию Фурье (ПБПФ).

    FFT переводит действительную (Re{yi}) и мнимую (Im{yi}) составляющие

    оцифрованных отсчетов yi (i=0, ..., N-1) сигнала r(t) из временной области в

    частотную. В результате этого формируется N цифровых параллельных потоков

    Y0, ..., YN-1 фурье-образов отсчетов yi, каждый из которых преобразуется в

    поток бинарных дaнных, используя подходящий (соответствующий

    передатчику) детектор символов, осуществляющий их демодуляцию и

    декодирование. Эти потоки затем преобразуются в последовательный поток

  • 13

    ŝ[n], который является oцeнкой исходного потока бинарных данных s[n]

    передатчика.

    Рис. 4 Структура передатчика ОFDМ модема

    Рис. 5 Структура приемника ОFDМ модема

    Схема формирования сигнала OFDM

    В общем случае схема формирования сигнала OFDM выглядит

    следующим образом. На модем поступает ряд цифровых сигналов от разных

    источников. Далее данные сигналы проходят через мультиплексор, где

    объединяются в один цифровой поток по определенному алгоритму. Для

    устранения избыточности цифровой поток пропускается через кодер канала. С

    целью защитить сигнал от воздействия помех, он проходит через кодер

    источника, где осуществляется помехоустойчивое кодирование. После этого

    цифровые данные проходят через формирователь пакетов, который раскидывает

    их по пакетам. На этом этапе образование цифрового потока заканчивается.

    Получившийся цифровой поток, для повышения надежности передачи

    информации кодируется помехоустойчивым кодом. Это происходит в кодере

    канала. Чаще всего при модуляции OFDM используются коды Рида-Соломона

  • 14

    или сверточное кодирование. Для повышения спектральной эффективности

    кодирования может использоваться турбокодирование.

    После применения помехоустойчивого кодирования цифровой поток

    распределяется по пакетам. Размер и способ распределения информации по

    пакетам зависит от способа передачи информации и вида пакета. Таким

    образом, в формирователе пакетов, цифровому сигналу добавляется избыточная

    информация в виде заголовка и концовки. Будем считать, что в пакете очень

    много бит и все дальнейшие манипуляции будем рассматривать не обращая

    внимания на конечность пакета. Сначала пакеты поступают на

    последовательно-параллельный преобразователь, где распределяются по

    подканалам. Количество подканалов равно количеству поднесущих в сигнале

    OFDM.

    3.1 Параллельно-последовательное и последовательно-параллельное

    преобразование

    Цифровая информация приходит от разных источников. Задача

    параллельно-последовательного преобразователя – объединить все ветки от

    разных источников в один цифровой поток. Данная схема соединяет всю

    информацию путем уменьшения длительности импульсов в образовавшемся

    потоке.

    Рис.6 Последовательно-параллельный преобразователь

    В общем случае на модем поступает ряд цифровых сигналов от разных

    источников. Далее данные сигналы проходят через мультиплексор, где

    объединяются в один цифровой поток по определенному алгоритму. Для

    устранения избыточности цифровой канал пропускается через кодер канала. С

    целью защитить сигнал от воздействия помех, он проходит через кодер канала,

    где осуществляется помехоустойчивое кодирование. После этого цифровые

    данные проходят через формирователь пакетов, который раскидывает их по

  • 15

    пакетам. На этом образование цифрового канала заканчивается. Будем считать,

    что в пакете много бит. Цифровой сигнал распараллеливается с помощью

    последовательно-параллельного преобразователя. В качестве последнего

    используется демультиплексор. Количество выходов на демультиплексоре

    определяется количеством поднесущих частот в сигнале OFDM, которые

    выбираются кратными 2n(2,4,8,16,…). Распараллеленный сигнал в каждой ветке

    манипулируется с помощью многопозиционной манипуляции (например QAM).

    На выходе модуляторов на сигналы накладываются ортогональные поднесущие,

    а также они дискретизируются по времени, что эквивалентно обратному

    быстрому преобразованию Фурье ОБПФ. После ОБПФ сигналы разделяются на

    реальную и мнимую части. Обе части проходят через цифро-аналоговый

    преобразователь, который преобразует цифровой сигнал в аналоговый. После

    ЦАП на реальную часть сигнала налагается одно колебание, а на мнимую то же

    колебание, но смещенное по фазе на 90о. После этого обе части суммируются и

    передаются через антенну в канал передачи.

    3.2 Кодирование символов в OFDM-модуляции

    Для обеспечения высокого качества передачи данных модем OFDM

    содержит программно-аппаратные средства, позволяющие эффективно

    подавлять различного рода шумы для того, чтобы поддерживать требуемое

    значение доли ошибочно переданных бит (Bit Error Rate, BER). Для этих целей

    применяют коды, исправляющие ошибки. Кодирование превращает модуляцию

    OFDM в модуляцию COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division

    Multiplexing), которая за счет помехоустойчивого кодирования существенно

    повышает достоверность передачи данных.

    Как правило, кодирование производится перед параллельно-

    последовательным преобразованием кодированию данных в ОFDМ-модуляции

    предшествует их рандомизация, которая превращает цифровой сигнал в

    псевдослучайный. Это обеспечивает создание в передаваемом сигнале

    достаточно большого числа перепадов уровня, что позволяет выделить из него

    тактовые импульсы (например, в системе цифрового телевидения DVB-Т).

    Кроме этого, рандомизация приводит к более paвномерному энергетическому

    спектру излучаемого сигнала (как известно, спектральная плотность мощности

    случайного шума на всех частотах постоянна, поэтому превращение сигнала в

    псевдослучайный способствует выравниванию его спектра).

    Основные методы помехоустойчивого кодирования, применяемые в

    технологии OFDM:

  • 16

    Код Рида-Coлoмона

    Код Рида-Соломона (RS-код) относится к линейным блоковым кодам,

    представляющих собой коды проверки четности, которые могут быть записаны

    в виде (n,k). Кодер трансформирует блок из k значащих символов (вектор

    сообщения) в более длинный блок из n кодовых символов (кодовый вектор). В

    том случае, кoгдa алфавит состоит из двух элементов (0 и 1), код является

    двоичным.

    Для увеличения эффективности кодирования RS (без снижения скорости

    кодирования) применяют чередование (перемежение) битов. Чередование битов

    в закодированных сообщениях перед их передачей и обратный процесс при

    приеме приводят к распределению пакетов ошибок по времени. За счет этого

    пакеты ошибок дробятся на мелкие фрагменты, с которыми эффективно

    справляется система кодирования. Для осуществления перемежения кодовые

    символы перемещаются на расстояние в несколько длин блоков (для блоковых

    кодов) или нескольких ограниченных длин (для сверточных кодов).

    Необходимое расстояние определяется длительностью пакета ошибок.

    Сверточное кодирование

    Принцип сверточного кодирования состоит в том, что к

    последовательности передаваемых битов добавляются служебные биты,

    значения которых зависят от нескольких предыдущих переданных битов. Для

    безошибочного восстановления последовательности битов на приемной стороне

    применяется сверточный декодер Витерби, который реализует схему

    декодирования методом максимального правдоподобия.

    Турбокоды

    Турбокоды являются разновидностью блоковых систематических кодов.

    Классическая схема турбокодера – параллельное соединение двух рекурсивных

    систематических сверточных кодеров. Для турбокодов имеются эффективные

    итерационные алгоритмы декодирования.

    3.3 Модуляция сигналов в методе OFDM

    В методе OFDM используются различные методы модуляции,

    позволяющие в одном дискретном состоянии сигнала (символе) закодировать

    несколько информационных битов. Так, в протоколе IEEE 802.11а

    используются двоичная и квадратурная фазовые модуляции (BPSK и QРSК), а в

  • 17

    протоколе IEEE 802.11b двоичная (BDPSK) и квадратурная (QDPSK)

    относительная фазовая модуляция.

    При квадратурной амплитудной модуляции (QАМ) информация

    кодируется как за счет изменения фазы сигнала, так и за счет изменения его

    амплитуды. Например, в протоколе IЕЕЕ 802.11а используется модуляция

    16QAM и 64QAM. В первом случае имеется 16 различных состояний сигнала,

    что позволяет закодировать последовательность из 4 битов в одном символе. Во

    втором случае имеется 64 возможных состояния сигнала. Это дает возможность

    закодировать последовательность из 6 битов в oдном символе.

    На выходе модуляторов на сигналы накладываются ортогональные

    поднесущие, а также они дискретизируются по времени, что эквивалентно

    обратному быстрому преобразованию Фурье ОБПФ.

    В каждом подканале стоит квадратурный манипулятор, который

    манипулирует сигнал с помощью выбранного типа манипуляции. Обычно

    применяется многопозиционная фазовая манипуляция PSK или

    многопозиционная амплитудно-фазовая манипуляция QAM. Пример дан в

    следующем разделе.

    Созвездие сигнала QAM-16

    Квадратурная манипуляция— разновидность амплитудной модуляции

    сигнала, которая представляет собой сумму двух несущих колебаний одной

    частоты, но сдвинутых по фазе относительно друг друга на 90 градусов, каждая

    из которых модулирована по амплитуде своим модулирующим сигналом:

    ,

    где I(t) и Q(t) — модулирующие сигналы, f0 — несущая частота.КАМ

    КАМ манипулятор можно представить в виде такой алгебраической

    схемы:

    http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D0%BC%D0%BF%D0%BB%D0%B8%D1%82%D1%83%D0%B4%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%BC%D0%BE%D0%B4%D1%83%D0%BB%D1%8F%D1%86%D0%B8%D1%8Fhttp://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9D%D0%B5%D1%81%D1%83%D1%89%D0%B8%D0%B9_%D1%81%D0%B8%D0%B3%D0%BD%D0%B0%D0%BBhttp://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A7%D0%B0%D1%81%D1%82%D0%BE%D1%82%D0%B0http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%B0%D0%B7%D0%B0http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%BE%D0%B4%D1%83%D0%BB%D1%8F%D1%86%D0%B8%D1%8Fhttp://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D0%BC%D0%BF%D0%BB%D0%B8%D1%82%D1%83%D0%B4%D0%B0

  • 18

    На вход модулятора поступают 2 информационных сигнала, которые

    перемножаются с несущими колебаниями sin(wot) и cos(wot), далее эти

    колебания суммируются и передаются на выход модулятора.

    Модулированные сигналы удобно представлять в созвездиях. Как пример

    ниже наведено созвездие при модуляции КАМ-16

    Сигнальное созвездие 16-ти позиционного КАМн сигнала

    Далее данный сигнал идет на обратное преобразование Фурье, где его

    отсчеты считываются и на выходе формируется готовый сигнал OFDM.

    http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%B0%D0%B9%D0%BB:16QAM_Gray_Coded.svg