492_Nosov_V._I.__Metody_povyshenija_pomekhoustojchivosti_sistem_radiosvjazi_..

что учтено в формуле (3.65).

Комплексное представление сигнала s t (3.65) удобно, поскольку форми-

рование OFDM радиосигнала происходит посредством квадратурного I Q моду-

лятора (рис. 3.38). С учётом вещественной I k и мнимой Q k частей комплекс-

ного символа квадратурной модуляции ck (3.65) и значением частотного сдвига соседних поднесущих после введения защитного интервала (3.67) сигнал s t

можно записать

Расстановка поднесущих частот в соответствии с выражением (3.68) приведена на рис. 3.40.

f

f

Рис. 3.40. Расстановка поднесущих частот после введения защитного интервала

181

В модуляторе в соответствии с рис. 3.38 аналоговый сигнал мнимой части sQ t (3.72) умножается на квадратурную составляющую модулируемого сигнала

sin 2 fct . В результате на выходе перемножителя квадратурного канала получается сигнал

183

С учётом выражения (3.71) из (3.73) получим

N2

sc Q t k N2 Q k cos 2 k f t I k sin 2 k f t sin 2 fct . (3.78)

Раскрыв в выражении (3.78) квадратные скобки получим

Полученные после перемножителей сигналы синфазного (3.76) и квадратурного (3.80) каналов суммируются (рис. 3.39) и в результате получается выходной OFDM радиосигнал

N 2

s t sc I t sc Q t k N2 I k cos 2 fc k f t Q k sin 2 fc k f t . (3.81)

OFDM радиосигнал (3.81) изображён на рис. 3.41.

Сформированный в I Q квадратурном модуляторе OFDM радиосигнал (рис. 3.40) в соответствии с рис. 3.1 поступает на передатчик, где усиливается до необходимой мощности и далее излучается через передающую антенну к приёмникам.

184

3.9 Передатчик

С выхода квадратурного I Q модулятора OFDM радиосигнал на промежуточной частоте fï ÷ поступает на передающее устройство (Пд) (рис. 3.1).

Одним из существенных недостатков OFDM сигнала является его большой, по сравнению с другими сигналами, пик-фактор. Пик-фактор определяет требования к линейности аналоговых трактов передачи. Соответственно, чем выше пикфактор, тем сложнее реализация устройств, поддерживающих этот сигнал.

f

Рис. 3.41. OFDM радиосигнал

Пик-фактор сигнала определяется из выражения

Для OFDM сигнала максимально возможный уровень сигнала определяется как сумма амплитуд всех используемых поднесущих, а средний уровень сигнала определяется статистическим усреднением суммы амплитуд всех используемых поднесущих. Таким образом, при сотнях и тысячах используемых поднесущих пик-фактор может составлять десятки и сотни.

185

Для уменьшения пик-фактора используются различные способы. Самым простым способом уменьшения пик-фактора является ограничение (clipping) OFDM сигнала по уровню. При ограничении сигнала возникают искажения сигналов поднесущих частот и увеличивается внеполосное излучение. Дополнительно с ограничением предлагается применять фильтрацию сигнала для уменьшения внеполосного излучения.

Другим способом уменьшения пик-фактора является способ динамического изменения сигнальных созвездий на поднесущих частотах. Данный способ эффективен, но требует достаточно сложных расчётов.

Также используются итеративные способы уменьшения пик-фактора OFDM сигнала. При этих способах поднесущие частоты поворачиваются на случайный угол и оценивается пик-фактор полученного сигнала, в результате выносится решение о необходимости ещё одного поворота фаз поднесущих частот. Итеративные способы уменьшения пик-фактора OFDM сигнала тяжело реализуемы в режиме реального времени.

Ещё одним способом уменьшения пик-фактора OFDM сигнала является адаптивное добавление в OFDM сигнал поднесущих, предназначенных для формирования верхнего и нижнего защитных частотных интервалов. Недостатком данного способа являются значительные вычисления, связанные с выбором амплитуд и фаз этих поднесущих, а также нарушение спектральной маски сигнала.

Таким образом, рассмотренные способы уменьшения пик-фактора OFDM сигнала являются достаточно громоздкими и трудоёмкими.

Втоже время, имеющийся пик-фактор OFDM сигнала определяет требования к линейности амплитудной характеристики устройств аналоговых трактов передачи. Одним из таких устройств является передатчик OFDM радиосигнала.

Впередающем устройстве (рис. 3.42, 3.43) осуществляется преобразование сигнала промежуточной частоты в сигнал СВЧ, выделение верхней или нижней боковой полосы частот в фильтре боковой полосы (ФБП) и усиление его мощности в УСВЧ.

При усилении OFDM радиосигнала в усилителе мощности передатчика с нелинейной амплитудной характеристикой рис. 3.42 б происходит ограничение сигнала, в результате чего возникают искажения сигналов поднесущих частот и увеличивается внеполосное излучение. Естественно, что это приводит к увеличению вероятности ошибки, причем эти ошибки не удается уменьшить увеличением отношения сигнал/шум посредством увеличения мощности на выходе передатчика. Такие ошибки получили название «несократимых» ошибок.

Высокая линейность амплитудной характеристики усилителя мощности передатчика достигается использованием линеаризатора его амплитудной харак-

186

теристики (рис. 3.42 а) и смещением рабочей точки усилителя мощности на линейный участок (смещение достигает 7 дБ, рис. 3.42 б). Линеаризатор представляет из себя однокаскадный усилитель мощности. Принцип работы линеаризатора основан на предискажении входного сигнала, в котором с помощью регулировок амплитуды и фазы формируется третья гармоника сигнала, амплитуда которой равна амплитуде третьей гармоники на выходе усилителя мощности, а фазы этих двух сигналов (на выходе линеаризатора U3Л и усилителя мощности U3) противоположны (рис. 3.42,в).

Рвых

Рвх

Рвх макс

U1

U3Л

U3

Рис. 3.42. Структурная схема передатчика с линеаризатором

187

K f

f

f

f

fгет fпч

Рис. 3.43. Преобразования сигналов в передатчике

188

4 ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫЕ БЛОЧНЫЕ КОДЫ

4.1Ортогональное пространственно-временное кодирование

Новейшее поколение беспроводных систем связи обеспечивает передачу голосовой информации высокого качества и в отличие от существующих систем мобильной связи позволяет передавать информацию на высоких скоростях. В то же время удаленные устройства должны иметь малый вес и размеры. Более того, они должны работать в различных средах: макро, микро и пикосоты; городские или открытые пространства; внутри и снаружи. Другими словами, новое поколение систем беспроводной связи должно иметь лучшее качество и зону покрытия, быть более мощным и эффективным с точки зрения занимаемой полосы, и должно иметь возможность работы в различных условиях. При этом пользовательские устройства должны оставаться относительно простыми. Однако размеры базовых станций могут позволить более сложные конструкции. Фактически, только базовые станции могут обеспечить достаточное пространство для реализации требований нового поколения беспроводных систем.

Фундаментальное явление, которое делает надежную передачу радиосигнала затруднительным – это изменяющееся во времени многолучевое замирание. Это явление, затрудняет передачу сигнала в отличие от оптоволокна, коаксиального кабеля и линий передачи прямой видимости.

Повышение качества или уменьшение эффективного уровня ошибок при многолучевом замирании является наиболее сложной задачей. При белом Гауссовском шуме (AWGN), используя модуляцию и помехоустойчивое кодирование, уменьшение битовой ошибки (BER) от 10-2 до 10-3 может потребовать всего 1 или 2 дБ увеличения отношения сигнал-шум (SNR). Достижение того же эффекта в условиях многолучевого замирания может потребовать до 10 дБ улучшения SNR. Увеличение SNR не может быть достигнуто простым увеличением мощности передатчика или дополнительной полосой, т.к. это противоречит требованиям систем нового поколения. Таким образом, очень важно эффективно уменьшать эффект замирания на обоих концах – удаленном устройстве и базовой станции, без увеличения мощности и не жертвуя полосой.

Теоретически, наиболее эффективная техника уменьшения влияния многолучевого замирания в беспроводных системах это управление мощностью передатчика. Если параметры канала на приемном конце известны, то передатчик может предисказить сигнал для того, чтобы преодолеть влияние канала. Существует две фундаментальные проблемы в этом подходе. Главная проблема это требуемый динамический диапазон передатчика. Для преодоления определенного уровня замираний передатчик должен увеличить мощность, что не всегда возможно из-за ограничений мощности, размеров, стоимости усилителей. Вторая проблема в том,

189

что передатчик не обладает знаниями о канале за исключением систем с обратной связью, где обратный и прямой канал используют одну и ту же частоту. Следовательно, информация о канале должна быть передана от приемника к передатчику, что приводит к уменьшению производительности системы и добавляет существенную сложность в конструкцию приемника и передатчика. Более того, в некоторых случаях может не быть возможности передать информацию о канале вообще.

Другие эффективные технологии основываются на разносе по времени или по частоте. Временное перемежение вместе с помехоустойчивым кодированием может значительно улучшить качество. То же самое относится к расширению спектра. Однако временное перемежение приводит к большим задержкам в режиме медленного изменения канала. Таким же образом, расширение спектра не эффективно когда когерентная полоса канала больше, чем расширенная полоса спектра сигнала, или когда относительно малая задержка в канале.

В наиболее рассеивающих средах, разнос антенн это практичная, эффективная, а следовательно широко распространенная техника для уменьшения влияния многолучевого замирания. Классический подход – это использование нескольких антенн на приеме, их комбинирование или выбор и переключение для обеспечения качества принимаемого сигнала. Важнейшая проблема с использованием приемных антенн – это стоимость, размер и мощность удаленных устройств. Использование множественных антенн и сложных радио-схем (для выбора или переключения) делает удаленные устройства больше и дороже. Как результат, техника разноса в большинстве случаях применялась на базовых станциях, чтобы улучшить их качество приема. Базовая станция часто обслуживает сотни и тысячи удаленных устройств. Таким образом, экономически более целесообразно добавлять оборудование на базовой станции, чем на удаленных устройствах. По этой причине схемы с разносом передачи представляют большой интерес. Например, одна антенна и одна цепь передачи могут быть добавлены в базовой станции для улучшения качества приема всех удаленных устройств в области покрытия. Альтернатива – добавлять антенны и на всех удаленных устройствах. Первое решение определенно более выгодно с точки зрения экономики.

Последнее время, были предложены несколько интересных подходов к разносу передачи. Схема разноса задержки была предложена Витнебеном (Wittneben) для базовых станций с одновременной передачей, и позже, независимо, похожая схема была предложена Сешадри (Seshadri) и Винтерсом (Winters) для одной базовой станции, которая копирует тот же символ, переданный через несколько антенн в различные временные интервалы, таким образом, создав искусственное многолучевое искажение. Эквалайзер по принципу максимального правдоподобия с последовательной оценкой (MLSE) или минимальной среднеквадратической ошибкой (MMSE) впоследствии используется для обработки многолучевого искажения и получения усиления разноса. Другой интересный подход это простран-

190