Лабораторная работа

по дисциплине “Многоканальные цифровые системы передачи” (МЦСП)

Исследование OFDM-модуляции

  Цель работы

  Изучение основ работы и главных структурных составляющих интерфейса системы автоматизированного проектирования (САПР) Agilent SystemVue.

  Приобретение практических навыков моделирования и описания структурных схем отдельных функциональных узлов современной радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) на примере исследования канала передачи с OFDM-модуляцией.

  Знакомство с моделью OFDM-модуляции, анализ и практическое исследование её характеристик.

  Создание нового проекта в среде SystemVue, его симуляция и графический вывод карты адресации, спектра и взаимнокорреляционной функции (ВКФ) OFDM-сигнала.



Краткие теоретические сведения

  OFDM (orthogonal frequency-division multiplexing) – мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов, по сути своей является цифровой схемой модуляции, которая использует большое количество близко расположенных ортогональных поднесущих. При этом каждая поднесущая модулируется по обычной схеме модуляции (например, квадратурная амплитудная модуляция) на низкой символьной скорости, сохраняя общую скорость передачи данных, как и у обычных схем модуляции одной несущей в той же полосе пропускания.

  В системах широкополосного беспроводного доступа (ШБД) основным разрушающим фактором для цифрового канала являются помехи от многолучевого приема. Этот вид помех весьма характерен для эфирного приема в городах с разноэтажной застройкой вследствие многократных отражений радиосигнала от зданий и других сооружений.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

  Радикальным решением этой проблемы является применение технологии ортогонального частотного мультиплексирования OFDM, которая специально разработана для борьбы с помехами при многолучевом приеме. OFDM характеризуется сильным перекрытием спектров соседних поднесущих, что позволяет уменьшить в два раза значение частотного разноса и во столько же раз повысить плотность передачи цифровой информации.

  Для выполнения условий ортогональности необходимо, чтобы частотный разнос между поднесущими был постоянен и равен (где - длительность информационного символа). При расположении в спектральной плоскости максимума одной поднесущей в одну из точек минимума другой поднесущей, их взаимное влияние будет минимальным.

Рисунок 1.1 – Перекрытие спектров сигнала с OFDM

  Так же условие ортогональности можно проверить, рассчитав корреляционный интеграл:

  Если функции   и   ортогональны, то значение коэффициента корреляции .

  Для формирования OFDM символа необходимо разбить последовательный входной поток данных на параллельные потоки. При этом, как уже было сказано ранее, каждая поднесущая модулируется своим потоком по обычной схеме модуляции. Низкая символьная скорость делает возможным использование защитного интервала между символами, что позволяет справляться с временным рассеянием и устранять межсимвольные искажения (МСИ).

  Основной идеей, лежащей в основе борьбы с МСИ, является введение защитного интервала, являющегося частью той длительности, в пределах которой передаются данные. Применительно к рассматриваемому случаю это означает разделение длительности Ts OFDM-символа на полезную часть Tu и защитный интервал Д. При этом, с одной стороны, в целях малых потерь в скорости передачи информации, желательно, чтобы Tu существенно превосходил Д (например, на порядок), а с другой — защитный интервал должен быть достаточно протяженным, чтобы противодействовать МСИ.

  На первый взгляд реализация такой идеи наталкивается на большие сложности ввиду того, что наличие защитного интервала может привести к искажению ортогональности элементарных сигналов. Действительно, если изначально ортогональный частотный разнос составлял Дf= 1/Ts, то после разделения Ts на Tu и Д необходимо выбрать Дf= 1/Tu, и, например, на интервале [– Д; Ts– Д] соотношение ортогональности перестает выполняться.

  Преодоление указанного затруднения основано на том, что часть сигнала, передаваемая на длительности защитного интервала, является циклическим префиксом OFDM-символа т. е. на интервале Д передается копия части OFDM-символа, взятая “с конца” полезного интервала. Для большей наглядности, на рисунке 1.2 представлен внешний вид заштрихованных частей, соответствующих циклическому префиксу (ЦП) и той части OFDM-символа, из которой этот префикс получен. При этом временное окно анализа составляет Tu, так что анализируется либо непосредственно полезная часть OFDM-символа (при идеальной синхронизации), либо полезная часть OFDM-символа, восстановленная с учетом циклического префикса.

Рисунок 1.2 – Формирование циклического префикса

  Вставка защитного интервала в виде циклического префикса не приводит к потерям в ортогональности. На рисунке 1.3 показана структурная схема формирования сигнала с OFDM-модуляцией на основе цифровых устройств с использованием блока обратного быстрого преобразования Фурье (ОБПФ).

Рисунок 1.3 – Структурная схема прямого формирования OFDM-сигналов

  В данном случае, N комплексных модуляционных символов дk (сигнальные отсчёты в частотной области), а также G нулевых символов, предназначенных для защитных поднесущих, поступают параллельным образом на вход блока ОБПФ, на выходе которого образуются отсчёты во временной области (n = 0, …, N – 1) После этого в пределах длительности интервала Ts к ним добавляется ещё G отсчётов другой последовательности, образующие циклический префикс. Далее полученные отсчёты подаются на вход преобразователя частоты, реализующего на своём выходе высокочастотный радиосигнал. Наконец, после усиления в блоке усиления мощности такой сигнал подаётся на вход антенной системы и излучается в эфир

Порядок выполнения работы

  С учётом представленных в разделе 1 теоретических сведений, приступим к непосредственному выполнению практической части данной лабораторной работы.

  После открытия программного пакета Agilent SystemVue закрываем стартовое окно и переходим к меню выбора проекта, в котором предлагается либо запустить недавно завершенный проект, либо создать новый. Создаём новый проект. Внешний вид окна выбора проекта представлен на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 – Меню выбора проекта

  По завершению проведения указанных выше действие открывается главное окно программы (рисунок 2.2).

Рисунок 2.2 – Рабочее пространство среды SystemVue

  Затем, в окне файлов проекта, откроем файл Design1 (Schematic). Данный файл представляет собой пространство, предназначенное для хранения составленных и смоделированных схем, в общем случае состоящих из совокупности отдельных функциональных блоков и устройств, представляющих собой неотъемлемую часть интерфейса всей программы. Именно здесь будет отображаться схема канала передачи, к составлению которой и приступим.

  Соберём схему, представленную упрощённо на рисунке 2.3. Кроме того, на этом же рисунке представлены параметры отдельных блоков, на которые стоит обратить особое внимание при моделировании.

Рисунок 2.3 – Структурная схема OFDM-передатчика, содержащая особенно важные параметры отдельных компонент

  Настройку функциональных блоков моделируемого передатчика необходимо осуществить в соответствии с вариантом индивидуального задания №3, представленного в таблице 2.1 рядом требуемых характеристик.

Таблица 2.1 – Индивидуальное задание

Номер варианта

3

Тип модуляции поднесущих

QAM-64

Общее количество поднесущих

800

БПФ

1024

Циклический префикс

100

Расположение поднесущих

все слева


  Окончательный внешний вид функциональной схемы, представленного на рисунке 2.3 OFDM-передатчика в САПР Agilent SystemVue будет выглядеть следующим образом:

Рисунок 2.4 – Цифровой передатчик с модуляцией типа OFDM

  При помощи блока Sink1 получаем расположение поднесущих, а используя Sink2 проверяем наличие циклического префикса. Блок Oscilator подаёт на вход блока Modulator несущие частоты, для последующего получения спектральных составляющих сигнала в анализаторе спектра (SpectrumAnalyze). Каждую из данных выходных величин необходимо, в рамках данного отчёта, представить графически.

  Далее, приступим к созданию приёмной части канала передачи OFDM. Для этого видоизменим имеющуюся структурную схему в полном соответствии с рисунком 2.5. Параметры приёмной части, в данном случае, должны полностью соответствовать передающей.

Рисунок 2.5 – Модель цифрового канала передачи с модуляцией типа OFDM

  Посредством представленной на рисунке 2.5 функциональной схемы необходимо получить функцию корреляции между входящей и выходящей последовательностью бит (CrossCorr).



Обработка экспериментальных данных

  Выполняя последовательно указанные в разделе 2 пункты лабораторного задания, получим графические характеристики, представленные на рисунках 3.1 - 3.4.

Рисунок 3.1 – Расположение поднесущих при OFDM-модуляции

Рисунок 3.2 – Циклический префикс OFDM

  Вследствие выбранного в процессе моделирования высокого числа отсчётов сигнала, проверка наличия циклического префикса по рисунку 3.2 становится невозможной, поэтому пропустим эту часть работы.

Рисунок 3.3 – Спектр OFDM сигнала

  Характер представленной на рисунке 3.3 характеристики полностью удовлетворяет требованиям индивидуального задания варианта №3, в котором сказано, что все поднесущие должны располагаться именно слева.

Рисунок 3.4 - Функция корреляции между входящей и выходящей последовательностью бит

  Заключение

  В процессе выполнения данной лабораторной работы рассматривались основы работы программного пакета Agilent SystemVue. Были приобретены навыки моделирования и описания функциональных структур на примере моделирования цифровой системы передачи и приёма информации, содержащей модель модуляции типа OFDM с моделированием поднесущих модуляцией QAM-64.

  В качестве окончательных результатов работы были представлены графические характеристики смоделированного канала передачи. Именно так и было определено расположение поднесущих, позволившее нам наглядно оценить характер OFDM модуляции, при котором происходит разделение исходного сигнала на множество поднесущих, каждая из которых модулируется отдельно (зависимость, представленная на рисунке 3.1 подтверждает эти слова).

  Как уже было сказано ранее, часть сигнала, передаваемая на длительности защитного интервала, является циклическим префиксом OFDM-символа, то есть на этом интервале передается копия части OFDM-символа, взятая “с конца” полезного интервала. Поэтому нами была предпринята попытка обнаружения области циклического префикса в спектре OFDM-сигнала, которая не увенчалась успехом в силу слишком большого числа взятия отсчётов сигнала при моделировании (рисунок 3.2).

  Помимо этого, с выхода передающей части исследуемого канала, был графически выведен спектр конечного OFDM-сигнала, характер которого полностью совпал с требуемыми в индивидуальном задании требованиями (расположение поднесущих слева, рисунок 3.3).

  Также, была получена графическая зависимость корреляции между входящей и выходящей последовательностью бит. Стоит отметить, что в общем случае, взаимнокорреляционная функция (ВКФ) используется в качестве метода оценки степени корреляции двух последовательностей. Она часто используется для поиска в длинной последовательности более короткой заранее известной.

  Анализируя полученную ВКФ, представленную на рисунке 3.4, стоит отметить, что в данном случае сравниваются две функции входной и выходной последовательности бит. На анализируемом графике эти две функции сравниваются таким образом, что максимумы полученной зависимости соответствует полному совпадению (корреляции) между входными и выходными битами.  При этом несложно заметить, что чередование максимумов происходит с некоторым постоянным повторяющимся интервалом. Это объясняется самим характером OFDM-модуляции, при которой, в целях устранения межсимвольных искажений, происходит добавление защитных интервалов между информационными символами. О характере данных процессов было подробно рассказано в разделе 1 настоящего отсчёта, поэтому не будем повторяться, а лишь отметим, что полученные в ходе выполнения работы данные полностью соответствуют теоретическим выкладкам о модуляции типа OFDM.