Евгений Рычков – Исследование новых и нестандартных видов модуляции на основе OFDM-технологии (страница 6)

Рисунок 1.5 – Работа с ЦАП на частоте выше частоты Найквиста

Однако в сетях связи 5 поколения может возникнуть ситуация, когда нет проблем с использованием дополнительного гетеродина, чтобы перенести сигнал с 0 частоты, например, на частоту порядка 50 ГГц. Но нет возможности расширить полосу сигнала больше, чем на значения порядка сотен МГц. Например, в векторных генераторах сигналов Keysight и Rohde and Schwarz полоса сигнала требует расширения. Чтобы преодолеть эту проблему, предлагается применять высшие гармоники сигнала не в целях прямого синтеза частоты, а для создания в сигнале нескольких поднесущих частот с одинаковой информацией, разнесенных друг от друга на величину f_d.

На рис. 1.6 представлена схема предлагаемого устройства, с помощью которого можно генерировать OFDM-сигналы с пониженной комплексностью относительно классических методов генерации. Генератор цифрового сигнала ГЦС генерирует поток значений S_n цифрового OFDM-сигнала, где n – номер выборки. В спектре сигнала имеется не только абстрактная частота дискретизации f_d, но и множество гармоник k. f_d + f_n, где k – номер интервала, равного значению f_d, n – номер поднесущей частоты в спектре OFDM-сигнала. Так как это классический сигнал в цифровой форме [119].

Временное представление физического сигнала обычно представляет собой не сумму функций Кронекера δ (t-n) с некоторыми амплитудами A (n): В действительности, современные ЦАП могут выдавать разные функции, но сигнал на выходе ЦАП можно записать в виде суммы прямоугольных функций rect (t-n): Для приведения сигнала к виду функций Кронекера предлагается использовать два устройства ЦАП, незначительно рассинхронизованных по фазе: ЦАП 1 и ЦАП 2 (сигналы на выходе S_ЦАП1 и S_ЦАП2). Рассинхронизация по фазе отражена на рис. 1.6 с помощью задержки цифрового сигнала на величину τ. Полученные сигналы взаимно вычитаются с помощью аналогового сумматора со знаком минус:, то есть задержка τ мала по сравнению с длительностью прямоугольного импульса. Таким образом, спектр сигнала S_d содержит множество высших гармоник, слабо затухающих по sinc-функции. И эти гармоники фильтруются согласованным фильтром СФ, настроенным на требуемый частотный диапазон k. _fd. В результате чего получается низкочастотный сигнал S_А, полоса которого содержит несколько спектров изначально сгенерированного сигнала S.

В данной схеме предполагается, что блок ГЦС уже выдает не комплексные значения IQ, а значения физического низкочастотного сигнала. При этом теоретически ничего не мешает использовать до блока гетеродина IQ-сигнал, а уже в процессе переноса на высокую частоту применить схему типа классической квадратурной модуляции. В любом случае, предложенная схема генерации OFDM-сигнала позволяет получить радиочастотный сигнал S_RF с полосой ∆f = k. _fd на требуемой несущей частоте f_RF. Под гетеродином в случае применения комплексного сигнала понимается хотя бы схема квадратурного модулятора с гетеродином.

В приемнике после переноса в низкочастотную область с помощью гетеродина (Г) аналоговый OFDM-сигнал обладает относительно большой частотной полосой с учетом мультипликативной S_М и аддитивной S_П составляющих помехи. Полосовой фильтр (ПФ) отфильтровал полезную полосу сигнала, но она содержит частоты, которые относительно ГЦС были в нескольких зонах Найквиста. Для простоты понимания не будем в данном месте рассматривать многолучевость и аддитивные шумы.

Рисунок 1.6 – Структурная схема генератора OFDM-сигналов с дублированием частот благодаря использованию теоремы Котельникова

При оцифровке сигнала с помощью ЦАП, у которого выбрана частота дискретизации f_d, искусственно сгенерированные высшие гармоники накладываются на низшие частоты, обеспечивая разнесенный по частоте прием, а сигнал S_r имеет усреднение замираний на нескольких частотах. Получается накопление информации, только не во временной области, а в частотной, когда разные гармоники образуют своей суммой мощность полезного сигнала. Схема такого приема показана на рис. 1.7.

Рисунок 1.7 – Структурная схема генератора OFDM-сигналов с дублированием частот благодаря использованию теоремы Котельникова

Сигнал S_r далее обрабатывается классическим приемником OFDM-сигналов. Если на первом интервале до частоты дискретизации есть узкополосное замирание, к которому невозможно адаптироваться, а на втором интервале данное замирание отсутствует, то имеется возможность с помощью приведенного выше метода восстановить сигнал.

Можно сделать перенос с помощью гетеродинов, настроенных на разные частоты вместо использования метода, представленного выше. Но тогда необходимо учитывать погрешности при генерации разных поднесущих частот. Метод имеет сходство с принципом NOFDM – неортогональной технологией с OFDM-сигналами. В технологии NOFDM имеется возможность использования фактически 2 и более систем связи в полосе одной системы, благодаря чему сокращается расстояние между поднесущими частотами в итоговой системе связи. А интерференция сигналов между подсистемами меньше, чем была бы в одной системе, достижима более высокая скорость связи. В предлагаемой же технологии идет речь не только о будущей возможности упрощения алгоритмов генерации и приема широкополосных сигналов. Но и о манипуляциях со спектром не за счет множества подсистем связи, а за счет переноса высших гармоник в нижнюю часть спектра.

Можно предложенную методику использовать совместно с применением нескольких гетеродинов. Тогда полоса сигнала с одного гетеродина ∆f = k. f_d должна быть фильтруема для того, чтобы на приемной стороне разделить по разным каналам сигналы, сгенерированные с разных гетеродинов.

Выделим следующие приемущества предложенного метода по сравнению с классическими интерпретациями технологии NOFDM (SEFMD), и технологии с множеством гетеродинов.

– Расширение полосы сигнала предложенным способом реализуемо в любом оборудовании, на котором можно генерировать и принимать OFDM-сигналы. Отсутствуют какие-либо цепи задержки. Принцип можно сравнить с временным коррелированием сигнала, а точнее с временным накоплением. Только накопление здесь достигается за счет накопления информации о переданном бите сразу с нескольких поднесущих частот.

– Отсутствует частотная расстройка, образуемая при генерации сетки частот для разных генераторов. Все высшие гармоники возникают исключительно из нисших и их нестабильности предсказываются нестабильностями нижних частот.

– Можно повысить скорость передачи данных на каждой поднесущей частоте без потери в помехоустойчивости, так как мощности на передачу одной и той же информации становится больше. Однако эта мощность распределена в спектре и обеспечивает устойчивость против многолучевых замираний в канале связи.

– В отличие от нескольких гетеродинов, дающих внеполосные излучения, здесь идеальные цифровые высшие гармоники переходят в физическую форму, поэтому уровень интерференции на стыках объединяемых частотных спектров с полосами f_d отсутствует.

– Снижается минимально необходимая частота дискретизации в системе связи благодаря использованию теоремы Котельникова и переносу высших гармоник на низшие частоты.

– Предложенный метод позволяет оставлять минимальный частотный разнос без усложнения аппаратной части и скорости вычислений. А также размещать поднесущие с помощью технологии NOFDM (SEFDM). При этом полоса сигнала не ограничена аппаратными возможностями конкретной системы связи, а алгоритм реализуется с помощью дополнительного видоизменения исходного сигнала перед процессом создания радиосигнала, что показано на рис. 1.6.

Недостатки:

– Метод нацелен на увеличение полосы сигнала. Если необходим относительно узкополосный сигнал, то выгоднее использовать сравнительно мощное программное обеспечение со сравнительно большой длиной ОБПФ, БПФ, работающее на высокой частоте дискретизации.

– При неограниченных аппаратных ресурсах можно сгенерировать несколько поднесущих частот с одинаковой информацией и без схемы, предложенной на рис. 1.6.

Выводы по главе 1

Исследовано математическое описание системы связи, для которой требуется найти и исследовать возможности повышения помехоустойчивости. Сигнал OFDM представляет собой множество поднесущих частот, которые могут генерироваться разным способами, такими как: с помощью БПФ и за счет отдельных однополосных генераторов, банка цифровых фильтров и сумматора всех гармоник в один многочастотный сигнал.

Рассмотрена классификация различных подвидов систем связи с OFDM-сигналами. Технологию OFDM можно рассматривать как надстройку над классическими квадратурными модуляторами, позволяющими модулировать одну поднесущую частоту. В отличие от классических систем связи, OFDM-модуляция позволяет с высокой спектральной эффективностью распределить сигнал между несколькими поднесущими частотами. И к системе связи применимы кодирование, базисы преобразования, отличные от Фурье, фильрация поднесущих частот и т. д.

В разделе 1.2 выполнен расчет для канала подводной связи для конкретных параметров среды при статической импульсной характеристике, при этом использована программа для расчета структуры лучей в зависимости от параметров среды и внешних условий [1, 7]. Результаты исследования импульсной характеристики канала связи, представленные в данном разделе, представляют научную новизну. Разработана модель гидроакустического канала связи на основе работ А. В. Вагина и К. В. Авилова, которая позволяет с помощью математической модели, а не натурных экспериментов, получить сигнал на выходе многолучевого канала гидроакустической связи с OFDM-сигналами. Предыдущие разработки имеют возможность расчета лучей для задач локации применительно к монотональным системам связи или системам с немногочисленным количеством частот.