Система передачі багаточастотних сигналів ортогонального частотного мультиплексування

Реферат: UA 97523 U UA 97523 U 5 10 15 20 25 Корисна модель належить до телекомунікаційних систем і мереж та може бути використана у пристроях передачі цифрової інформації. В сучасних телекомунікаційних системах для передачі інформації як по каналах з частотноселективними завмираннями [1…8], так і по каналах з ненормованими характеристиками [9] широко використовуються багаточастотні сигнали ортогонального частотного мультиплексування (OFDM). Характерна особливість обробки таких сигналів - використання при демодуляції процедур інтегрування в межах посилок на кожній з піднесучих, які складають багаточастотний сигнал. Моменти початку й завершення операцій інтегрування звичайно задаються сигналами синхронізації. Тому розробка способів формування сигналів синхронізації багаточастотних сигналів OFDM є важливою і актуальною задачею. Разом з тим, незважаючи на наявність ряду діючих систем з сигналами OFDM (наприклад, WiMAX, Wi-Fi, LTE[7], DVB-T, DSL[9] та ін.), в літературі відомостей про способи виділення сигналів синхронізації вкрай мало. У спеціалізованій монографії про способи OFDM [7], це питання не розглядається взагалі. У монографії [9] в розділі "6.2.2. Алгоритм тактовой синхронизации" обговорюються особливості застосування методу синхронізації з використанням спеціального каналу синхронізації, для організації якого потрібні додаткові витрати потужності сигналу і смуги частот. До цього слід додати, що багаторічна практика розвитку систем передачі з одночастотними сигналами приводила розробників апаратури до використання простих і ефективних методів виділення сигналів синхронізації безпосередньо з прийнятого сигналу, що не вимагають додаткових витрат потужності і смуги частот. Попередні дослідження показують, що у випадку OFDM також може бути запропоновано подібний спосіб синхронізації. Найближчим аналогом до корисної моделі є система передачі сигналів OFDM, яка описана в [9]. У широко поширеному варіанті реалізації багаточастотних сигналів використовують ортогональні гармонійні переносники тривалості T , які вибираються з набору тригонометричних функцій обсягу N [9]: N cosi0 tii1 1,0  t  T , (1)  При виконанні умови 0  2 , (2) T пара будь-яких функцій з набору (1) ортогональна на інтервалі (0..T ) : T  cosl t cosm tdt  0,l  m, l,m  1,2,...,N . (3) 0 0 0 30 У виразах (1-3)  0 - інтервал між частотами сусідніх піднесучих у наборі (1). При використанні амплітудної модуляції піднесучих (1) модулюючими інформаційними символами a i , i  [0(N  1)] , OFDM сигнал, який передається в канал, має вигляд N1 S OFDM i, t    S 0 a i cosi0 t  , (4) i0 де S 0 - амплітуда немодульованої піднесучої. 35 Відзначимо, що доданки сигналу (3) розміщені в інтервалі (0..T ) , який є інтервалом   40 45 50 існування всього сигналу S OFDM i, t . До недоліків найближчого аналога можна віднести апаратну складність формування сигналів синхронізації, додаткові витрати потужності і смуги частот на синхронізацію. В основу корисної моделі поставлена задача усунення цих недоліків, шляхом формування сигналів синхронізації багаточастотних сигналів OFDM, основане на використанні властивостей ортогональності цих сигналів. Поставлена задача вирішується тим, що система передачі багаточастотних сигналів OFDM містить передавальний пристрій, канал зв'язку, приймальній пристрій, згідно з корисною моделлю, додатково містить пристрій формування сигналів синхронізації, який містить квадратор, до входу якого подається сигнал OFDM, а вихід підключений до інтегратора, вихід якого підключений до диференціатора, вихід якого є виходом пристрою формування сигналу синхронізації. На вхід пристрою зведення вхідного OFDM сигналу в квадрат (квадратор 1) подається аналізований багаточастотний сигнал, квадратор призначений для отримання комбінаційних продуктів (добутків) коливань піднесучих із збіжними та незбіжними частотами. До виходу квадратора підключений інтегратор 2, призначений для лінійної обробки комбінаційних 1 UA 97523 U 5 продуктів з виходу квадратора. Причому, в результаті роботи інтегратора на його виході міститься сінхроінформація про границі аналізованого сигналу. До виходу інтегратора підключений диференціатор 3, в якому виробляється обчислення другої похідної сигналу з виходу інтегратора. Причому, формування границь аналізованого сигналу проводиться за правилами: позитивний скачок другої похідної відповідає початку сигналу і негативний скачок другої похідної збігається з моментом закінчення аналізованого сигналу. Вихід диференціатора є виходом всього пристрою формування сигналів синхронізації (див. креслення). Корисну модель використовують наступним чином: Для визначення оцінок початку й завершення інтервалу існування сигналу S OFDM i, t   10 подамо багаточастотний сигнал (4) на квадратор (пристрій зведення в квадрат). Для коректного обчислення результатів квадратичної обробки визначимо багаточастотні сигнали, подібні (4), але з іншою нумерацією доданків N1 S OFDM l, t    S 0 a l cosl0 t , S OFDM m, t   l0 15 N1 S a m 0 0 m cosm0 t  . (5) При такому запису результат зведення в квадрат сигналу (4) визначиться як добуток сигналів виду (5) N1 N1 l0 m 0 V l, m,N  { S 0 a l cosl0 t }  {  S 0 a m cosm0 t } , (6) При переборі індексів в перемноженні (6) результат може бути представлений у вигляді таких сум SOFDM l,m, t2  Vl,m  l, t  Vl,m  l, t , (7) 20 У перемноженні (6) зустрічаються множники з однаковими індексами (тобто піднесучі сигналу OFDM із збіжними частотами). Таких компонентів буде всього N . Вони мають вигляд: N1 N1 2 l0 l0 2 2 2 V l,m  l, t    S 0 a l2 cos 2 l0 t    S 0 a l 1  cos 2l0 t  , (8) Крім того, в повному безлічі варіантів індексів частот (всього 25 N2 варіантів) буде (N 2  N) перемножень компонентів з різними індексами (m  l) (піднесучих з незбіжними частотами) виду N1 N1 2 V l,m  l, t    S 0 a la m cosl0 t cosm0 t  , (9) l0 m 0;m l 30 Далі слід скористатися властивістю ортогональності (3) піднесучих, які складають багаточастотний сигнал OFDM. З вигляду формули (3) випливає, що властивість ортогональності "проявляється" в межах інтервалу інтегрування (0..T ) . Подамо результат зведення в квадрат (7) на інтегратор (накопичувач). Якщо процес обробки сигналу починається з моменту t  0 і триває досить довго ( t  0) , то на всьому інтервалі спостереження виходу інтегратора завжди знайдеться "інтервал ортогональності" (0..T ) , в межах якого властивість ортогональності може бути використана для вирішення задачі визначення оцінок початку й завершення інтервалу існування сигналу S OFDM i, t .   35 Зокрема, інтегрування комбінаційних складових з різними частотами в (9) з урахуванням властивості ортогональності (3) дає результат T N1 Im  l   { 0 40 N1 S a a l0 m0;ml 2 0 l m cosl0 t cosm0 t }dt  0 , (10) Іншими словами, вихід інтегратора не містить комбінаційних складових від взаємодії у квадраторі коливань сигналів піднесучих різних частот. В той же час, вихід інтегратора містить корисний сигнал, придатний для формування необхідних оцінок часу початку й завершення сигналу. Зокрема, інтегрування результатів проходження через квадратор піднесучих з рівними частотами (8) дає T N1 Im  l,N, T    [ 0 l 0 2 2 2 S 0 a l2 1 cos 2l0 t ]dt  S 0 al NT , (11) 2 2 2 UA 97523 U Отриманий результат є повна енергія багаточастотного OFDM сигналу E OFDM  5 що дорівнює сумі N однакових часткових енергій піднесучих. Можна говорити про те, що послідовне з'єднання блоків квадратора та інтегратора при обробці OFDM сигналу реалізує функції "колективного" (групового) корелятору, який обчислює та об'єднує коефіцієнти кореляції сигналів піднесучих, які входять до складу багаточастотного сигналу. Вихід квадратора (11) містить постійну складову 10 15 20 25 30 35 40 2 S 0 a l2NT , 2 2 S 0 a l2 . В цілому, результат зведення в 2 квадрат є прямокутний імпульс з флуктуючою вершиною. Межі цього сигналу можна визначити, виконавши амплітудне обмеження, яке подавляє амплітудні флуктуації, але при цьому будуть втрачені вказані вище ортогональні властивості піднесучих і фільтруючі властивості інтегратора. Разом з тим, вказані властивості можуть бути ефективно використані для виділення границь сигналу. Таким чином, виділення границь OFDM сигналу полягає в наступному: 1. Нелінійна обробка багаточастотного сигналу (зведення в квадрат) в квадраторі для отримання комбінаційних продуктів (перемножень) коливань піднесучих з збіжними та незбіжними частотами. 2. Лінійна обробка в інтеграторі комбінаційних продуктів з виходу квадратора, в результаті чого з використанням властивостей ортогональності складових OFDM сигналу (піднесучих) вдається, в подальшому, виявити межі аналізованого сигналу. 3. Виділення способом обчислення другої похідної результатів лінійної обробки границь початку й завершення багаточастотного OFDM сигналу. Джерело інформації: 1. Bahai A.R.S. Multi-Carrier Digital Communications. Theory and Applications of OFDM. Second Edition /Bahai A.R.S., Saltzberg B.R., Ergen M.; - Boston: Springer Science+Business Media, Inc., 2004. - 411 с. 2. Скляр Б. Цифровая связь. Теретические основы и практическое применение. Второе издание, исправленное / Скляр Б.; пер. с англ. - Москва: Издательский дом "Вильямс", 2003, 1104 с. 3. Lampe L. Differential Modulation Diversity for OFDM /Lampe L., Schober R. //6th International OFDM-Workshop (InOWo). - Hamburg, 2001. - с. 19-1-19-6. 4. Fischer R. Coded Modulation for Noncoherent Reception with Application to OFDM /Fischer R., Lampe L., Muller-Weinfurtner S. //IEEE TRANSACTIONS ON VEHICULAR TECHNOLOGY, VOL. 50, NO. 4, JULY, 2001. - с. 910-919. th 5. Sommer D. Aspects of Coding and Modulation for OFDM /Sommer D., Fettweis G.P. //6 International OFDM-Workshop (InOWo). - Hamburg, 2001. - с. 21-1-21-4. 6. Sampath H.A Fourth-Generation ΜΙΜΟ-OFDM Broadband Wireless System: Design, Performance, and Field Trial Results //Hemanth Sampath, Shilpa Talwar, Jose Tellado, Vinco Erceq //IEEE Communications Magazine. - September, 2002. - с. 143-149. 7. Вишневский Β.Μ. Энциклопедия WiMAX Путь к 4G /Вишневский В.Μ., Портной С.Л., Шахнович И.В.; - Москва: Техносфера, 2009. - 472 с. 8. Банкет В.Л. Сигнально-кодовые конструкции в телекоммуникационных системах /Банкет В.Л. - Одесса: Феникс, 2009. - 180 с. 9. Балашов В.А. Системы передачи ортогональными гармоническими сигналами. /Балашов В.Α., Воробиенко ПП. , Ляховецкий Л.М. - Москва: Эко-Трендз, 2012. - 228 с. 45 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 50 Система передачі багаточастотних сигналів ортогонального частотною мультиплексування, що містить передавальний пристрій, канал зв'язку, приймальний пристрій з системою синхронізації, яка відрізняється тим, що приймальний пристрій містить пристрій формування сигналів синхронізації, в якому на вхід квадратора подано багаточастотний сигнал ортогонального частотного мультиплексування, а вихід квадратора підключений до входу інтегратора, вихід якого підключений до входу диференціатора, вихід якого є виходом пристрою формування сигналів синхронізації. 3 UA 97523 U Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4