Содержание к диссертации
Введение
1. Оценка смещения по времени принятого сигнала синхронизации в мобильных OFDM-системах связи 10
1.1 Описание цифровой модели мобильной OFDM-системы радиосвязи 15
1.1.1 Эффект Доплера 22
1.1.2 Условия моделирования 27
1.2 Алгоритмы для символьной синхронизации в мобильных OFDM-системах радиосвязи 31
1.2.1 Алгоритм SCA для оценки смещения по времени 35
1.2.2 Алгоритм Minn для оценки смещения по времени 40
1.2.3 Алгоритм Choi для оценки смещения по времени 48
1.2.4 Предлагаемый алгоритм для оценки смещения по времени 57
1.3 Выводы 65
2. Оценка рассогласования частоты гетеродинов приемника и передатчика мобильной OFDM-системы радиосвязи 66
2.1 Исследование зависимости уровня межканальной помехи от ухода частоты гетеродина 69
2.2 Алгоритм SCA для оценки рассогласования частоты гетеродинов 73
2.3 Алгоритм Minn для оценки рассогласования частоты гетеродинов 78
2.4 Алгоритм WeiXu для оценки рассогласования частоты гетеродинов 83
2.5 Предлагаемый алгоритм оценки рассогласования частоты гетеродинов 90
2.6 Выводы 96
3. Экспериментальное исследование предложенных алгоритмов в лабораторных условиях 97
3.1 Структура и формирование сигнала синхронизации 97
3.2 Методика эксперимента в лабораторных условиях 99
3.3 Обработка экспериментальных сигналов и сравнение с результатами моделирования 103
3.4 Выводы 109
4. Описание экспериментальных исследований предложенных алгоритмов на реальных трассах РРВ 110
4.1 Описание приемного и передающего оборудования 110
4.2 Проверка экспериментального оборудования 111
4.3 Классификация исследуемых трасс 113
4.4 Методика проведения эксперимента на реальных трассах РРВ 116
4.5 База экспериментальных данных 117
4.6 Экспериментальная оценка смещения по времени принятого сигнала синхронизации в окне регистрации 117
4.7 Экспериментальная оценка рассогласования частоты сигнала гетеродинов приемника и передатчика 119
Заключение 122
Список литературы 124
- Условия моделирования
- Алгоритм Minn для оценки рассогласования частоты гетеродинов
- Обработка экспериментальных сигналов и сравнение с результатами моделирования
- Методика проведения эксперимента на реальных трассах РРВ
Условия моделирования
В системах радиосвязи, использующих OFDM-сигналы, для модуляции поднесущих могут использоваться: двоичная фазовая манипуляция (BPSK), квадратурная фазовая манипуляция (QPSK), либо квадратурная – амплитудная манипуляция (КАМ, англ. – QAM) [36-38]. Последовательный поток символов КАМ модуляции преобразуется в параллельный поток, и затем каждая поднесущая модулируется по закону, описанному в (1.1).
OFDM-сигналы обладают следующими основными преимуществами:
1) Увеличение спектральной эффективности. OFDM подразумевает использование перекрывающихся ортогональных частотных подканалов, что позволяет более эффективно использовать выделенную полосу и как следствие, повысить скорость передачи данных.
2) Снижение межсимвольной интерференции и повышение устойчивости к многолучевому каналу РРВ. При преобразовании последовательного потока символов в параллельный увеличивается их длительность, поэтому OFDM-сигнал может рассматриваться как множество медленно модулируемых узкополосных сигналов [39]. Так как принятые отраженные сигналы в этом случае будут составлять меньшую часть периода символа, то их влияние окажется несущественным. Влияние отраженных сигналов можно исключить, если добавить защитный интервал между передаваемыми сигналами. OFDM-сигналы имеют также и недостатки: 1) Чувствительность к межчастотной интерференции. При возникновении не скомпенсированной разности частот приема и передачи нарушается ортогональность поднесущих, вследствие чего возникают помехи, связанные с взаимным влиянием соседних поднесущих [40]. На рисунке 1.3 знаком «+» обозначена оценка на поднесущей, а знаками «о» обозначены шумовые составляющие от соседних поднесущих.
Таким образом, даже незначительное смещение частоты оказывает влияние на оценки квадратурных составляющих. К тому же, подразумевается, что система радиосвязи, использующая подобные типы сигналов будет мобильна. Взаимное перемещение приемника и передатчика на высоких скоростях (например, если передатчик/приёмник установлен в движущемся автомобиле) приводит к доплеровскому смещению частоты и доплеровскому расширению спектра сигнала, из-за чего нарушается ортогональность поднесущих [41]. Этот эффект требует более подробного изучения и поэтому далее ему будет посвящен отдельный раздел. 2) Большое значение пик-фактора сигнала [42].
Одним из существенных недостатков OFDM-сигналов является большое значение пик-фактора, который определяется как:
Пик-фактор определяет требования к линейности аналоговых трактов передачи и разрядности ЦАП/АЦП [43]. Соответственно, чем выше его значение, тем сложнее реализация устройств, поддерживающих данный тип сигнала. Для OFDM-сигналов SMAX определяется, как сумма амплитуд всех используемых поднесущих, а SAVG определяется статистическим усреднением амплитуды на тех же поднесущих. Таким образом, при большом количестве поднесущих пик-фактор может исчисляться сотнями. Существует несколько алгоритмов для уменьшения значения пик-фактора [44]. Одним из таких алгоритмов является ограничение сигнала по уровню (Clipping), в результате чего возникают искажения в спектре сигнала, и увеличивается внеполосное излучение. Другим методом является динамическое изменение уровней модуляционных созвездий [45]. Данный метод эффективен, но требует достаточно сложных расчетов и может применяться для созвездий до КАМ-16. Также используются итеративные методы, которые предлагают поворачивать поднесущие на случайный угол и производить оценку полученного пик-фактора, после чего, в случае, если не произошло уменьшение значения пик-фактора выносится решение о еще одном повороте созвездия. Такие методы тяжело реализуемы в системах реального времени. Еще одним методом является добавление в сигнал поднесущих, предназначенных для формирования защитного интервала. Недостатком данного метода является значительное увеличение объема вычислений, связанное с выбором амплитуды и фазы поднесущих, а также нарушение спектральной маски сигнала. Таким образом, проблема большого пик-фактора сигнала хоть и имеет решения, однако данные решения имеют ряд недостатков.
Использование таких сложных структур сигналов требует больших вычислительных ресурсов оборудования приёмной и передающей станций и поскольку применение OFDM-сигналов целесообразно лишь при высоких скоростях передачи данных (десятки и сотни Мбит/с), вычисления должны производиться в реальном масштабе времени и обеспечивать минимальные задержки в системе [35].
Данный раздел посвящен описанию математической модели мобильной OFDM-системы радиосвязи, которая позволит проверить алгоритмы оценки смещения по времени принятого сигнала синхронизации, а также алгоритмы рассогласования частоты гетеродинов приемника и передатчика. Использование представленной далее математической модели OFDM-системы позволит получить необходимые зависимости и провести сравнительный анализ исследуемых алгоритмов.
Алгоритм Minn для оценки рассогласования частоты гетеродинов
Чтобы понять, какой вклад вносит этот эффект в искажение сигнала, рассмотрим случай, когда скорость приемника, двигающегося на встречу передатчику вдоль направления распространения электромагнитной волны равна максимальной скорости при которой требуется обеспечить стабильную работу систем связи четвертого поколения. Эта скорость составляет 120 км/ч или примерно 33 м/с. Допустим, что в системе предусмотрена несущая частота 2.5 ГГц, для которой длительность одного периода будет равна 400 пс. Для заданной скорости смещение частоты за счет эффекта Доплера составит примерно 275 Гц и вызовет уменьшение длительности сигнала на тысячные доли пикосекунд, которое в свою очередь приведет к расширению полосы сигнала на доли герца. Влияние оказывается несравнимо мало, поэтому в дальнейшем им можно пренебречь.
Рассмотрим еще один эффект, называемый Доплеровским рассеянием спектра. Данный эффект возникает при наличии трассы многолучевого распространения сигнала. В реальных условиях работы системы трасса распространения постоянно меняется, вследствие перемещения передатчика/приемника и окружающих объектов (например, если система работает вблизи оживленной автострады). Скорость изменения уровня сигнала описывается Доплеровским рассеянием, которое можно представить в виде меняющегося во времени случайного фазового шума. Для узкополосного процесса Доплеровское рассеяние определяется как ширина спектра принятого сигнала. При наличии этого эффекта принимается «размазанный» спектр вблизи несущего колебания. Данную интерпретацию можно применить и к OFDM-сигналу, так как на несущей частоте его можно рассматривать как узкополосный процесс. Уход частоты, как в меньшую, так и в большую стороны, объясняется разностью взаимных радиальных скоростей передатчика/приемника и отражателей, в результате чего, за длительность окна регистрации происходит суммирования прямого сигнала (при его наличии) и всех отраженных и спектр итогового сигнала становится «размазанным». На рисунке 1.10 показано искажение спектра при влиянии Доплеровского рассеяния для трех гармонических колебаний.
Влияние этого эффекта оказывается более существенным по сравнению с Доплеровским расширением спектра, так как приводит к нарушению ортогональности и невозможности произвести безошибочную демодуляцию сигнала. Проведено моделирование для ситуации изображенной на рисунке 1.11 при скорости излучателя 120 км/ч. Углы в0,вх,в2 выбирались произвольно: 25, 45 и 70 градусов, соответственно. Для того, чтобы показать только влияние Доплеровского рассеяния задержки лучей выберем нулевыми (введение задержек приведет к повороту созвездия). Результат моделирования представим в виде модуляционных созвездий для QPSK и КАМ-16, приведенных на рисунке 1.12.
Данный раздел включает описание условий цифрового моделирования, применяемого для проверки и сравнения исследуемых и предложенных алгоритмов оценки смещения по времени принятого сигнала и оценки рассогласования частоты гетеродинов приемника и передатчика, а также для сравнения СКО ошибки оценки для каждого из них при воздействии АБГШ, искажений, вносимых многолучевым каналом РРВ, эффектом Доплера и рассогласованием частоты гетеродинов приемника и передатчика А/ = {0,100,1000,5000} Гц.
Согласно данным полученным в результате экспериментальных исследований для систем связи, работающих в диапазоне частот 2 - 3 ГГц, время когерентности канала для различных типов трасс (городские застройки, загородные трассы и др.) превышает длительность используемого при моделировании OFDM-сигнала [62].
Поэтому примем, что искажения, вносимые каналом РРВ будут одинаковы для одного OFDM-сигнала или группы таких сигналов, если их длительность не превышает время когерентности канала.
Дискретный комплексный АБГШ w(ri) представляется в виде массива некоррелированных отсчетов и является аддитивной составляющей принятого сигнала, поэтому в процессе моделирования отсчеты сигнала суммируются с отсчетами шума.
Сформированный OFDM-сигнал во временной и частотной областях с учетом всех перестановок и добавлением ЦП представлен на рисунке 1.13. п - номер отсчета сигнала. Основным фактором, влияющим на точность оценки смещения по времени OFDM-сигнала, является многолучевое распространение, которое проявляется в виде дружных или частотно-селективных замираний в спектре сигнала. Существующие алгоритмы оценки смещения по времени позволяют получить приемлемое значение оценки смещения по времени (не превышающее длительности одного отсчета дискретизации) при воздействии на сигнал шумов приемной аппаратуры, однако при наличии искажений, вызванных прохождением сигнала через многолучевой канал РРВ, ошибка оценки смещения по времени OFDM-сигнала не позволяет произвести безошибочную демодуляцию.
Обработка экспериментальных сигналов и сравнение с результатами моделирования
По результатам моделирования видно, что предложенный алгоритм оценки смещения по времени принятого сигнала позволяет добиться наименьшего значения СКО ошибки оценки по сравнению с алгоритмами SCA, Minn и Choi благодаря использованию двухсигнальной конструкции сигнала синхронизации, длительность которого не превышает времени когерентности канала РРВ: Результаты исследований, проведенных с использованием цифрового моделирования для предложенного и рассмотренных алгоритмов оценки смещения по времени принятого сигнала, позволяют сделать вывод о том, что применение предложенного алгоритма оценки смещения по времени, использующего двухсигнальную структуру сигнала синхронизации, позволяет добиться уменьшения значения СКО ошибки оценки, при прохождении такого сигнала через многолучевой канал РРВ с временем когерентности равным или большим его длительности и скорости перемещения абонента не менее чем 60 км/ч. Точность оценки смещения по времени не зависит от величины рассогласования частоты гетеродинов приемника и передатчика, что объясняется идентичностью искажений пары сигналов с точностью до шумовой составляющей. Сравнительный анализ алгоритмов оценки смещения по времени показал, что применение предложенного алгоритма позволяет уменьшить ошибку оценки более чем в два раза по сравнению с рассмотренными алгоритмами SCA, Minn и Choi в диапазоне ОСШ от 0 до 25 дБ.
В системах радиосвязи передаваемый сигнал переносится на более высокую частоту (несущую частоту) при помощи гетеродина, а на приемной стороне происходит обратный процесс понижения частоты или перенос на промежуточную частоту (ПЧ) для упрощения аппаратной части системы [86]. Рассматриваемая система использует для формирования несущей частоты диапазон 2.5 ГГц и подразумевается, что эта частота одинакова в приемнике и передатчике, но вследствие нестабильности задающих генераторов возникает рассогласование частот гетеродинов приемника и передатчика, приводящая к нарушению ортогональности в OFDM-сигналах.
Частоты могут расходиться на десятки килогерц, поэтому в рассматриваемой системе должно быть предусмотрено два вида синхронизации по частоте: грубая, когда определяется и устраняется сдвиг частоты, превышающий интервал между поднесущими и точная синхронизация, при которой оценивается смещение частоты в пределах интервала между смежными поднесущими.
В данной главе рассмотрены вопросы оценки смещения частоты для точной синхронизации.
Точная синхронизация по частоте является более важным пунктом по сравнению с грубой, так как оценка ухода частоты с точностью до нескольких килогерц не составляет труда и к тому же использование метода уплотнения каналов является очень чувствительным к уходу частоты даже на небольшие значения [87]. Рассогласование частоты гетеродинов приемника и передатчика на значения больше чем два процента от интервала между поднесущими приводит к невозможности демодуляции сигнала вследствие деградации амплитуды и поворота модуляционного созвездия. Данный эффект продемонстрирован на рисунках 2.1 – 2.3, полученных с помощью моделирования при расстоянии между поднесущими 10 кГц и модуляции КАМ-64 для при условии отсутствия помех.
Если рассматривать спектр такого сигнала, то фазовый набег за счет смещения частоты (на рисунке 2.4 изображен относительный фазовый набег для значений ухода частоты 100, 200 и 300 Гц) выражается в изменении соотношений мнимой и действительной частей сигнала, что можно увидеть на рисунках 2.5 – 2.6, полученных при моделировании для идеальных условий.
Для выявления влияния ухода частоты на уровень межчастотной помехи и получения численных значений проведено моделирование и получена зависимость уровня межчастотной помехи от смещения частоты. Сигналом, выбранным для исследования, является один OFDM-символ с полосой сигнала fslg= 10МГц и интервалом между поднесущими А/ = 10кГц.
Поднесущие модулированы с использованием двухпозиционной фазовой манипуляции. Ожидается, что зависимости изменения уровня ICI для разных частот будут отличаться по причине разного количества периодов, укладывающихся за длительность сигнала. Отличие выражается в скорости увеличения уровня помехи относительно смещения частоты. Однако, если рассматривать зависимость при больших значениях ухода частоты, то максимальное значение помехи будет одинаковым для всех поднесущих (рисунок 2.7).
Результаты моделирования подтверждает предположение об отличии зависимостей уровня ICI помехи для разных поднесущих. Так, для частоты 1 МГц при 50% смещении частоты уровень ICI составил примерно минус 10 дБ, а для поднесущей с частотой 6 МГц, примерно минус 4 дБ.
Картина предположительно изменится при использовании индексов модуляции выше КАМ-4, т.к. модуляционные символы имеют различный уровень по амплитуде. Чтобы проверить данное предположение проведем моделирование для частоты поднесущей 3 МГц и модуляции КАМ-16.
При использовании выбранной модуляции уровень ICI может принимать три значения, т.к. возможны ситуации пересечения двух поднесущих с максимальным значением амплитуды, двух с минимальным значением амплитуды и двух с разными значениями амплитуд. На рисунке 2.9 представлены результаты моделирования. Для заданного индекса модуляции минимальный уровень ICI помехи при 50% смещении частоты составляет примерно -8 дБ, а максимальный 2 дБ. 1 10 0 -10 -20 -30 -40 -50 -60 -70 -80 - Уровень мажчастотной помехи Моделирование (QAM-16, 3 МГц)
Увеличение индекса модуляции приведет к увеличению количества уровней межчастотной помехи, но максимальный уровень будет одинаковым для всех используемых в системе видов КАМ, вследствие нормировки значений символов модуляционного созвездия.Рассматриваемые системы нацелены на увеличение скорости передачи данных, что подразумевает использование высоких индексов модуляции (КАМ-16, КАМ-64 и т.д.) для которых уход частоты проявляется сильнее в следствии уменьшения межсимвольного расстояния.
Далее произведен сравнительный анализ существующих алгоритмов, позволяющих оценить рассогласование частоты гетеродинов приемника и передатчика при различных условиях (шумы приемника, многолучевой канал РРВ). Большинство алгоритмов оценки ухода частоты разрабатывались совместно с алгоритмами оценки смещения по времени, поэтому далее будут рассмотрены методы авторов, упомянутых в главе 1.
Методика проведения эксперимента на реальных трассах РРВ
Для проверки алгоритмов оценки смещения по времени принятого сигнала и рассогласования частоты сигналов гетеродинов приемника и передатчика был проведен эксперимент. Предварительно сформированный сигнал синхронизации, представляющий собой два последовательных OFDM-символа с циклическими префиксом/постфиксом и защитными интервалами сохраняется в файл в формате, необходимом программе «Ethernet Transceiver». Сформированный сигнал в окне регистрации показан на рисунке 3.8, а его спектр на рисунке 3.9.
Примеры модулей корреляционных функций предложенного алгоритма. а) Для смещения частоты 0 Гц; б) Для смещения частоты 500 Гц 105 Для определения задержки в приемо-передающем тракте использовались сигналы без сдвига частоты, но с несколькими задержками по времени. Результаты приведены в таблице 3.2.
Из таблицы 3.2 видно, что задержка в приемопередающем тракте является постоянной и равна 200 нс. Чтобы удостовериться в правильности работы программы, выходы ЦАП и входы АЦП были соединены напрямую короткими волноводами и сигналы были переданы повторно. Результаты приведены в таблице 3.3.
Затем было сформировано несколько сигналов синхронизации, каждый с нулевым смещением по времени и заданным смещением частоты. Рассогласование частоты задавалось путем отстройки несущей частоты генератора относительно номинального значения несущей частоты на значения 100 Гц, 500 Гц, 1000 Гц и 2000 Гц. Значения оценки рассогласования частоты сигналов гетеродинов приемника и передатчика приведены в таблице 3.4.
Далее была выполнена проверка алгоритмов оценки смещения по времени принятого сигнала синхронизации и оценки рассогласования частоты сигналов гетеродинов приемника и передатчика при наличии шума, ограниченного по полосе, который был сформирован с помощью генератора шума ROHDE&SCHWARZ SMBV100A Vector Signal Generator [100]. Добавление шума к сигналу синхронизации производилось с использованием сумматора. В результате было получено по 300 выборок сигнала изначально смещенного по частоте на 500 Гц и по времени на 1000 нс для разного отношения сигнал шум. Результаты работы исследуемых алгоритмов приведены на рисунках 3.12 – 3.15 в виде зависимостей разброса значений оценки от ОСШ и СКО ошибки оценки от ОСШ.
В данной главе приведено описание структуры и формирования сигнала синхронизации для проведения экспериментов. Также описана методика проведения эксперимента, который позволит сделать вывод о корректности проводимого моделирования. В результате лабораторного эксперимента получены экспериментальные зависимости разброса значений оценки от ОСШ и СКО ошибки оценки от ОСШ для алгоритмов оценки смещения по времени принятого сигнала и оценки рассогласования частоты сигналов гетеродинов приемника и передатчика. Зависимости, полученные по экспериментальным данным имеют незначительное отклонение от таких же зависимостей полученных путем цифрового моделирования, что говорит о корректности проведенного моделирования.
Уменьшение ОСШ приводит к увеличению ошибки оценки смещения по времени принятого сигала синхронизации и оценки рассогласования частоты сигналов гетеродинов приемника и передатчика в следствии искажения пика рассчитываемой ВКФ, однако ошибка оценки алгоритма оценки смещения по времени не превышает длительности одного отсчета дискретизации в рассматриваемой системе, а ошибка оценки алгоритма рассогласования частоты не превышает 2% от расстояния между поднесущими. Исследуемые алгоритмы показали приемлемые значения ошибки оценки, так как отсутствовали дополнительные факторы, приводящие к искажению сигнала синхронизации, обусловленные отражениями в канале РРВ и эффектом Доплера. На текущем этапе проведения эксперимента роль канала РРВ выполнял приемо-передающий тракт, поэтому невозможно сделать выводы о работе исследуемых алгоритмов в условиях приближенным к реальным.
Для проверки работоспособности экспериментального оборудования была собрана установка, структурная схема которой показана на рисунке 4.3, после чего были проведены соответствующие испытания на третьем этаже радиотехнического корпуса ТУСУР. Схема расположения приемника и передатчика представлена на рисунке 4.4. На рисунке 4.5 приведены фотографии приемного и передающего пунктов.
Спектр принятого сигнала синхронизации; б) Модуляционное созвездие принятого сигнала синхронизации Результатом экспериментальной проверки является подтверждение работоспособности предложенных алгоритмов оценки смещения по времени сигнала синхронизации и оценки рассогласования частоты сигналов гетеродинов приемника и передатчика, использующих сигнал синхронизации, прошедший через реальный канал РРВ. Информация о квадратурных составляющих принятого сигнала сохраняется в память ЭВМ в формате, поддерживаемом программой Matlab [101].
Похожие диссертации на Алгоритмы оценки параметров символьной и частотной синхронизации в мобильных OFDM-системах радиосвязи
