Моделирование беспроводных систем связи

3.7.2 Демодуляция (корреляционный прием) ортогональных сигналов

При корреляционном приеме все вспомогательные параметры сигнала предполагаются в точности известными на приемной стороне [9].

Применительно к данному случаю будем говорить, что по рассматриваемой линии связи на k-м тактовом интервале, т.е. на отрезке времени от tk = t0 + kТs до tk+1 = t0 + (k+ 1)Ts, передается сигнал sk(t), который может принять одно из M состояний (k = 1,2,..., M) в зависимости от значения очередного транслируемого символа сообщения.

Для наблюдателя, принимающего сигнал z(t), выбор номера k,

передаваемого сигнала, является случайным. Заранее (априори)

предполагаются известными лишь вероятности Рj (j=1,2,..., M) выбора того или иного значения, подлежащего передаче символа сообщения, и,

следовательно, того или другого сигнала. После анализа принятого на рассматриваемом тактовом интервале напряжения z(t) у наблюдателя на приемной стороне появляются дополнительные сведения о выбранном в действительности сигнале.

В случае помехи в виде полосно-ограниченного белого шума,

равенства априорных вероятностей Рj и равенства энергии всех сигналов структурная схема приемника, реализующая алгоритм максимального правдоподобия, приведена на рисунке 3.6.

В первом приближении принимаемый сигнал z(t) можно представить в

виде:

z(t) = si(t) + n(t),

61

где n(t) - полосно-ограниченный белый шум.

T

sj(t)

Рисунок 3.30 – Корреляционный приемник ортогональных сигналов

Предполагается, что в приемнике есть копии сигналов из ансамбля и точно известно время поступления очередного символа модуляции. Тогда на выходе интеграторов имеем:

При i = j первый интеграл d (3.29) равен энергии i-го символа Ei, а при i

≠ j он равен нулю в силу условия ортогональности. Второй член суммы (3.29)

определяет взаимную энергию (корреляцию) помехи и j-го символа модуляции и ввиду их статистической независимости даст равные значения в каждом канале приемника. Устройство выбора определяет канал с максимальным уровнем сигнала, идентифицирует переданный символ модуляции и ставит ему в соответствие символ сообщения. Приемник,

приведенный на рисунке 3.30 называется корреляционным приемником.

3.7.3 Оценки помехоустойчивости при когерентном приеме

При анализе помехоустойчивости ортогональной модуляции следует учитывать два обстоятельства, по-разному влияющие на итоговый показатель помехоустойчивости:

- энергия символа модуляции EM в M раз больше энергии бита, это ведет к повышению помехоустойчивости;

62

По сути, OFDM является частным случаем техники передачи данных с использованием множества несущих (Multi Carrier Modulation - MCM).

Главный принцип MCM заключается в том, чтобы разделить основной поток бит на ряд параллельных подпотоков с низкой скоростью передачи и затем использовать их для модуляции нескольких несущих (поднесущих). При этом, вообще говоря, к каждой из поднесущих может быть применена любая техника модуляции [10].

При формировании OFDM-сигнала необходимо обеспечить ортогональность поднесущих. Поэтому сначала, исходя из характера входных данных, определяются требуемый частотный спектр и необходимая схема модуляции. Каждая поднесущая связывается со своим подпотоком данных. Амплитуда и фаза поднесущей вычисляются на основе выбранной схемы модуляции. В качестве такой схемы может выступать бинарная фазовая манипуляция (Binary Phase Shift Keying, BPSK), квадратурная фазовая манипуляция (Quadrature Phase Shift Keying, QPSK) или квадратурная амплитудная модуляция (Quadrature Amplitude Modulation, QAM). Затем с помощью обратного преобразования Фурье (IFT) амплитуда как функция частоты преобразуется в функцию от времени

(преимущественно используется вариант обратного быстрого преобразования Фурье - IFFT). Принимающая аппаратура с помощью прямого быстрого преобразования Фурье (FFT) преобразует амплитуду сигналов как функцию от времени в функцию от частоты, формируя при этом набор ортогональных синусоид [10].

За счѐт применения преобразований Фурье частотный диапазон делится на поднесущие, спектры которых перекрываются (рисунок 3.31б), но остаются ортогональными.

64

где q(k) – спектр OFDM сигнала; k – номер поднесущей.

Подставляя выражение (3.33) в (3.34) получим развернутое представление OFDM сигнала в частотной области:

При распространении радиочастотного сигнала в радиоканале происходит рассеивание и переотражение сигнала от неоднородностей канала. В системах связи для борьбы с эффектами, вносимыми многолучевым каналом распространения, применяется защитный интервал,

называемый циклическим префиксом. Он представляет собой копию отсчетов сигнала из окончания OFDM символа. Длина циклического префикса выбирается в соответствии с максимально возможной задержкой сигнала в канале РРВ.

Циклический префикс является избыточной информацией и в этом смысле снижает полезную (информационную) скорость передачи, но именно он служит защитой от возникновения межсимвольной интерференции,

появляющейся из-за нарушения ортогональности между символами.

Указанная избыточная информация добавляется к передаваемому символу в передатчике и отбрасывается при приеме символа в приемнике. На рисунке 3.32 приведена временная структура OFDM символа [11].

CP

Рисунок 3.32 – Временная структура OFDM символа

Однако этот механизм не предотвращает внутрисимвольную интерференцию – наложение сигналов с одним и тем же символом,

пришедших с фазовой задержкой. В результате информация может полностью исказиться или (например, при фазовом сдвиге 1800) просто

66

4МОДЕЛИРОВАНИЕ КАНАЛОВ СО МНОЖЕСТВЕННЫМ ДОСТУПОМ

Ресурс связи (communications resource — CR) представляет время и

ширину полосы, доступные для передачи сигнала в определенной системе.

Графически ресурс связи можно изобразить на двухмерном графике,

где ось абсцисс представляет время, а ось ординат — частоту. Для создания эффективной системы связи необходимо спланировать распределение ресурса между пользователями системы, чтобы время/частота использовались максимально эффективно. Результатом такого планирования должен быть равноправный доступ пользователей к ресурсу [6].

С проблемой совместного использования ресурса связи связаны термины ―уплотнение‖ и ―множественный доступ‖. Разница между этими понятиями минимальна. При использовании термина уплотнение требования пользователя к совместному использованию ресурса связи постоянны либо (в

большинстве случаев) изменяются незначительно. Распределение ресурса выполняется априорно, а совместное использование ресурса обычно привязывается к локальному устройству (к примеру, монтажной плате).

Применение множественного доступа, как правило, требует

удаленного совместного использования ресурса, как, например, в случае спутниковой связи. При динамической схеме множественного доступа контроллер системы должен учитывать потребности каждого пользователя ресурса связи. Время, необходимое для передачи соответствующей управляющей информации, устанавливает верхний предел эффективного использования ресурса связи.

Существует три основных способа увеличения пропускной способности (общей скорости передачи данных) ресурса связи. Первый состоит в увеличении эффективной изотропно-излучаемой мощности

(effective isotropic radiated power — EIRP) передатчика или в снижении потерь системы, что в любом случае приведет к увеличению отношения

68

сигнал-шум. Второй способ — это увеличение ширины полосы канала.

Третий способ заключается в повышении эффективности распределения ресурса связи. Одна из возможных реализаций этого способа — множественный доступ. Пример: спутниковый транспондер, который должен эффективно распределить ограниченный ресурс связи между большим количеством пользователей, обменивающихся цифровой информацией. При этом пользователи могут требовать различных скоростей передачи данных и иметь разные рабочие циклы.

Основные способы распределения ресурса связи:

Частотное разделение (frequency division — FD). Распределяются определенные поддиапазоны используемой полосы частоты.

Временное разделение (time division — TD). Пользователям выделяются периодические временные интервалы. В некоторых системах пользователям предоставляется ограниченное время для связи. В других случаях время доступа пользователей к ресурсу определяется динамически.

Кодовое разделение (code division — CD). Выделяются определенные элементы набора ортогонально (либо почти ортогонально) распределенных спектральных кодов, каждый из которых использует весь диапазон частот.

Пространственное разделение (space division — SD), или многолучевое многократное использование частоты. С помощью точечных лучевых антенн радиосигналы разделяются и направляются в разные стороны.

Данный метод допускает многократное использование одного частотного диапазона.

Поляризационное разделение (polarization division — PD), или двойное поляризационное многократное использование частоты. Для разделения сигналов применяется ортогональная поляризация, что позволяет использовать один частотный диапазон.

Ключевым моментом во всех схемах уплотнения и множественного доступа является то, что при использовании ресурса различными сигналами

интерференция не дает неуправляемых взаимных помех, которые делают

69