Введение к работе
Актуальность работы
Передача информации посредством сигналов с ортогональным
частотным разделением (OFDM - Orthogonal Frequency Division Multiplexing)
стала стандартом для многих современных радиосистем в связи с рядом
преимуществ, к которым относятся высокая спектральная эффективность,
низкий уровень межсимвольной интерференции, высокое качество передачи в
условиях частотно селективных замираний К числу их относятся IEEE
802.1 la,g - беспроводные локальные сети, IEEE 802 16 - широкополосная
беспроводная связь, DVB-T - цифровое телевизионное вещание, DRM -
цифровое радиовещание и др Сюда же относится перспективная система с
повышенной скоростью передачи на основе совмещенной технологии
ортогонального частотного и пространственного разделения (MIMO OFDM -
multiple mput, multiple output OFDM) - 802.11n В соответствии с
существующей классификацией OFDM сигналы относятся к классу сигналов повышенной размерности
В то же время системы передачи, использующие данный тип сигналов, очень чувствительны к фазовой нестабильности несущей Последняя может быть вызвана нестационарностью фазовой характеристики канала, обусловленной доплеровским рассеянием, фазовыми фяуктуациямк опорных генераторов на передающей и приемной сторонах. Как следствие, растет число ошибок при передаче дискретной информации Проблема стоит особенно остро в каналах с многопозиционной модуляцией сигналов
Известны два подхода борьбы с фазовыми флуктуациями в каналах с OFDM. Первый из них осуществляет коррекцию фазы несущей на приемной стороне и основывается на передаче служебной информации в специально зарезервированных для этой цели частотных каналах, называемых пилотными Подход разработан в достаточной степени и сегодня аппаратно реализован Разработанный в значительно меньшей степени второй подход основывается на использовании непосредственно информационных частотных каналов На приемной стороне в каждом частотном канале осуществляется предварительная оценка точек сигнального созвездия с дальнейшим усреднением вычисленных оценок фазового рассогласования
\ \» \
Поскольку число информационных каналов существенно превышает число пилотных, можно ожидать, что второй подход за счет большей статистики обеспечит более высокую точность коррекции фазы Кроме того, появляется возможность отказаться от зарезервированных каналов, тем самым поднять скорость передачи, или использовать их по другому назначению. Как показывают предварительные расчеты, данный подход позволяет повысить помехоустойчивость системы передачи дополнительно на 2-3 дБ
В известной научной литературе обсуждаются различные варианты коррекции фазовых флуктуации на основе информационных несущих, хотя явно недостаточно Можно указать ряд интересных работ иностранных специалистов немецкой группы в составе W Rave D Petrovic, G Fettweis, где обсуждаются вопросы реализации системы на основе многоканального дискриминатора, выполненного с применением штатных канальных OFDM демодуляторов Компенсации фазовых флуктуации пссвягцена работа V S Abhaya-к ardharm, IJ Wassel, одними из первых предложивших использовать системы с обратными связями, работающие по информационным каналам
Заметим, что большинство опубликованных на сегодняшний день исследований выполнено с помощью имитационного моделирования, что, очевидно, ограничивает их возможности В то же время, применение аналитических методов синтеза может принципиально измєниіь подход к разработке систем коррекции фазы Для априори известных статистических характеристик воздействий на систему представляется возможным построить оптимальный алгоритм для выбранного критерия При этом, в силу особенностей сигналов OFDM оптимальная система будет многомерной, что создает, в свою очередь, определенные трудности для получения количественных оценок, связанных с исследованием статистической динамики многомерных систем
Отметим, что одним из наиболее эффективных механизмов, позволяющих в достаточно полном объеме исследовать статистическую динамику нелинейных систем, является аппарат марковских процессов Данный аппарат позволяет получить многие важные характеристики систем, такие как плотность распределения вероятности координат, среднее время достижения синхронизма, среднее время до срыва слежения Математические
основы для него разработаны в трудах Р Л Стратоновича, В И Тихонова, М А Миронова, БИ Шахтарина,В В Шахгильдянаи др
Применение аналитических методов нелинейного анализа накладывает серьезные ограничения на структуру входного сигнала Например, аппарат марковских процессов применим для марковских сигналов В то же время сигнал при прохождении реального канала связи искажается за счет доплеровского рассеяния, ошибок тактовой и символьной синхронизации, нелинейности характеристики приемного устройства. Форма сигнала может быть намеренно изменена на передающей стороне с целью уменьшения пика-фактора сигнала и улучшения частотно-временной локализации сигнала Это приводит к необходимости дополнительного изучения чувствительности полученного алгоритма коррекции фазы к различного рода искажениям сигнала методами численного моделирования, например, путем численного решения разностного стохастического уравнения с учетом результатов, полученных аналитическими методами
В связи с вышеизложенным, тема диссертации, посвященная синтезу и анализу системы коррекции фазы на основе информационных частотных каналов для сигналов с ортогональным частотным и пространственным разделением в условиях комбинированных аддитивных и фазовых воздействий, является актуальной
Цель и задачи диссертации
Целью диссертационной работы является синтез эффективных алгоритмов и устройств коррекции фазы несущей сигналов с ортогональным частотным и пространственным разделением, позволяющих повысить помехоустойчивость цифровых систем передачи в условиях комбинированных аддитивных и фазовых воздействий с полиномиальной спектральной плотностью мощности
Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие основные задачи.
1 Разработка математических моделей сигналов на выходе демодулятора цифровой системы передачи с ортогональным частотным и пространственным разделением в условиях фазовых воздействий с произвольными спектральными свойствами
Синтез алгоритмов коррекции фазы несущей сигналов с ортогональным частотным и пространственным разделением с использованием информационных частотных каналов на основе теории оптимальной многомерной фильтрации для различных воздействий
Разработка методики статистического описания многоканального фазового дискриминатора для различных видов сигнальных созвездий и аддитивных и фазовых воздействий с различными спектральными свойствами
4. Построение математической модели системы коррекции фазы несущей сигналов с ортогональным частотным и пространственным разделением в форме векторных уравнений Колмогорова-Чепмена с учетом эквивалентного описания дискриминационной характеристики многоканального фазового дискриминатора
Исследование статистических характеристик системы коррекции, включая плотности распределения вероятности ошибок коррекции и среднего времени до срыва слежения для различных случайных воздействий
Анализ чувствительности синтезированных алгоритмов коррекции к воздействиям со спектральной плотностью мощности различного порядка в условиях доплеровского рассеяния.
Общая методика исследований
Разрабатываемый в диссертации метод синтеза системы коррекции фазы основывается на теории дискретной многомерной фильтрации Калмана. Методы исследования основаны на общих положениях теории дискретных систем, теории нелинейных стохастических разностных уравнений, теории вероятности, в частности, аппарате марковских процессов и цепей, на прикладной теории математической статистики, на статистической теории радиотехнических систем
Для решения задач используются также компьютерное моделирование, численное решение стохастических разностных уравнений
Научная новизна результатов
1 На основе теории дискретной многомерной фильтрации Калмака
синтезирован алгоритм коррекции фазовых флуктуации следящего типа
сигналов с ортогональным частотным и пространственным разделением
2 Предложен общий подход к описанию нелинейных свойств
малоканальных систем на основе предельного статистического перехода На
его основе получена математическая модель многоканального фазового дискриминатора в виде эквивалентного одноканального дискриминатора, форма дискриминационной характеристики которого определяется статистическими свойствами входного сигнала
С учетом особенностей описания фазового дискриминатора получена математическая модель системы коррекции фазы в форме векторного уравнения Колмогорова-Чепмена
С помощью аппарата марковских процессов проведено исследование статистических характеристик фазовой ошибки на выходе системы коррекции фазы в условиях белого частотного и белого аддитивного шумов Получены зависимости дисперсии фазовых ошибок и среднего времени до срыва слежения от различных параметров воздействий и системы, оценены предельно-достижимые характеристики
5. Выполнен анализ чувствительности алгоритма коррекции фазы и системы связи в целом к полиномиальному фазовому воздействию и доплеровскому рассеянию в канале связи на основе численного решения разностного стохастического уравнения
Практическая ценность
1 В диссертации получен алгоритм коррекции фазы сигналов с
ортогональным частотным и пространственным разделением на основе
информационных частотных каналов Алгоритм применим в приемниках
существующих и перспективных систем связи, использующих данный тип
сигналов
2 Разработаны методики расчета и необходимое программное
обеспечение, позволяющие определять основные статистические
характеристики системы коррекции в различных условиях работы системы
Разработан комплект имитационных моделей систем передачи на основе сигналов с ортогональным частотным и пространственным разделением с блоком коррекции фазы несущей Комплект ориентирован на получение оценок различных параметров и характеристик сигналов в различных точках системы в условиях произвольных аддитивных и фазовых воздействий
Полученные в диссертации результаты позволили сформулировать предложения по повышению помехоустойчивости систем связи на основе сигналов с OFDM и MIMO-OFDM в условиях сложных фазовых воздействий
Положения, выносимые на защиту
1 Алгоритм коррекции фазы несущей сигналов с ортогональным
частотным и пространственным разделением, синтезированный на основе
метода Большакова-Репина с использованием многомерного фильтра Калмана
Алгоритм ориентирован на использование информационных частотных
каналов
2 Математическая модель синтезированной системы коррекции фазы в
форме векторного уравнения Колмогорова-Чепмена, построенная с
использованием оригинального предельного перехода от многоканального к
эквивалентному одноканальному фазовому дискриминатору с
дискриминационной характеристикой, определяемой аддитивной и
высокочастотной фазовой помехами
Методика и результаты исследования и оптимизации системы коррекции фазы на основе аппараіа марковских процессов, в том числе характеристик фазовой ошибки и среднего времени до срыва слежения
Методика и результаты исследования чувствительности системы коррекции к фазовому воздействию с полиномиальной СПМ в условиях доплеровского рассеяния на основе модели, построенной в среде динамического моделирования Simulmk пакета Matlab
Апробация результатов
Результаты диссертации прошли апробацию на ряде международных и российских конференций и семинаров Среди них научно-технический семинар «Синхронизация, формирование и обработка сигналов», Ярославль, 2003 г, Самара, 2005 г., Белгород, 2006 г., Одесса, 2007 г., Всероссийская научная конференция, посвященная 200-летию ЯрГУ им ПГ Демидова, Ярославль, 2003 г, 61-я научная сессия НТОРЭС им Попова, Москва, 2006 г, 7-я, 8-я и 9-я международные конференции «Цифровая обработка сигналов и ее применение», Москва, 2005, 2006 и 2007 гг., 2-я международная конференция ШЕЕ, Москва, 2004 г
Публикации
Основные результаты диссертации изложены в 5 статьях и 10 докладах международных и всероссийских конференций и семинаров, в том числе в двух статьях, опубликованных в журнале «Электросвязь», входящем в список ВАК.
Объем и структура диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы Общий объем составляет 159 страницу, 97 иллюстраций и 1 таблицу
