Сигналы многопозиционной ЧМ. OFDM модуляция

 

Основной принцип OFDM – это разложение высокоскоростного потока данных на некоторое число низкоскоростных потоков, которые передаются одновременно через некоторое количество несущих. Таким образом, при параллельной передаче цифрового потока происходит частотное разнесение с использованием К несущих частот, когда сигнал одновременно передается на К несущих, причем на каждой из них скорость передачи уменьшается (следовательно, длительность тактового интервала τ  увеличивается) в К раз.

«Ортогональная» часть в названии OFDM указывает на то, что существуют точные математические соотношения между частотами несущих. В системах с ЧРК-ИКМ-ФМ несущие частоты расположены на таком расстоянии (друг от друга), которое можно позволить при применении обычных фильтров и демодуляторов. В таких приемниках между несущими должны располагаться частотные защитные интервалы, введение которых в частотной области заметно снижает эффективность использования спектра.

Существует возможность расположить несущие так, чтобы боковые полосы соседних несущих перекрывались, однако при этом сохранялась возможность принимать информацию без их взаимного влияния. Для реализации этого несущие должны быть математически ортогональны. Лишь в этом случае может быть реализована плотная " упаковка" спектра многочастотного сигнала (рисунок 1.15). Частотный интервал (расстояние между соседними несущими - )может составлять в зависимости от режима передачи от 1 до 8 кГц. Несущие линейно независимы (т.е. ортогональны), если они расположены на расстоянии кратном 1/ Т _u, где Т _u- полезная часть OFDM-символа, равная длительности интервала обработки (интегрирования) сигнала. Ширина спектра сигнала с ортогональным ЧРК оценивается приближенным соотношением Δ f_opt = К / Т _u.

 

 

Рисунок 1.15 – Ортогональный многочастотный сигнал OFDM

 

В технической литературе элементарный OFDM-сигнал именуют OFDM-символом. Каждый такой символ длительностью T_s образуется путем модуляции К несущих. Интервал T_s состоит из двух компонентов: " полезного" интервала , во время которого собственно и передаются входные данные и защитного интервала (обозначаемого также ). Защитный интервал представляет собой копию, или циклическое повторение части полезного интервала, которая вставляется перед полезным. Так как OFDM-сигнал содержит много отдельно модулированных несущих, каждый OFDM-символ может, в свою очередь, рассматриваться как разделенный на ячейки, каждой из которых соответствует модуляция одной несущей в течение одного символа.

Уменьшение скорости передачи на каждой несущей, наряду с введением защитного интервала  обеспечивает весьма высокий стандарт помехоустойчивости системы OFDM-сигналов в каналах с памятью. Помехоустойчивость передачи в системах с такими сигналами можно увеличить путем перемежения данных за счет использования большого числа поднесущих сигнала OFDM. Речь идет о системе кодирования с ортогональным частотным разделением (COFDM), базирующейся на двух основных принципах.

Первый из них (OFDM) состоит в распараллеливании информации: передаваемая информация распределяется по большому числу (под)несущих, сконцентрированных в плотно упакованную группу (структуру). Каждая из несущих модулируется сигналом ОФМ-4 с низкой битовой скоростью. В результате для каждой из этих несущих канал становится неселективным. В условиях многолучёвости, вследствие частотно-селективных замираний, сигнал, принимаемый на некоторых несущих, усиливается, а на других - ослабляется. По этой причине некоторая часть информации передается с высоким качеством, в то время как другая может быть значительно искажена или даже потеряна.

Второй принцип эксплуатирует многолучевое распространение радиоволн между передатчиком и приемником, используя тот факт, что сигналы, достаточно разнесенные по частоте и по времени, не могут быть искажены идентично. В то же время элементы информации, передаваемые в различные моменты времени на несущих, разнесенных по частоте, связаны между собой посредством кодирования исходной информационной последовательности. Это, как правило, позволяет восстанавливать в приемнике потерянную информацию благодаря ее корреляционной связи (обусловленной кодированием) с информацией, принятой правильно.

 

 

Рисунок. 1.16 – Структурная схема формирователя многочастотного

COFDM сигнала

 

В основе реализации второго базового принципа COFDM лежат сверточное кодирование, декодирование по принципу максимального правдоподобия (алгоритм Витерби) с мягкими решениями, а также перемежение по частоте и по времени.Система модуляции с перемежением предполагает перераспределение элементов потока данных по времени и частоте, в результате чего последовательные отсчеты передаваемого сигнала подвергаются независимым замираниям. Эффективность алгоритма Витерби максимальна в канале с независимыми ошибками и именно перемежение обеспечивает декорреляцию ошибок. Заметим, что при стационарном приеме разнос в частотной области является единственным средством обеспечения успешного приема, поскольку временной разнос в этом случае не помогает.

Таким образом, в соответствии с базовыми предложениями EBU 1988 г., система COFDM это:

- распараллеливание передачи информации, т.е. распределение передаваемой информации по многим несущим, каждая из которых обеспечивает передачу низкоскоростного цифрового потока, вследствие чего длительность элемента сигнала увеличивается, что многократно превышает величину разброса задержек эхо-сигналов при многолучевом приеме; в этом случае частотная селективность канала не приводит к межсимвольной интерференции(МСИ);

- частотно-временное перемежение, осуществляемое в N узкополосных каналах, когда каждый звуковой или телевизионный канал организуется на множестве (под)несущих, равномерно распределённых и перемежающихся по каналу передачи;

- введение защитного интервала обеспечивает исключение влияния МСИ при обработке сигнала на приёме; при этом любой эхо-сигнал, пришед-ший в приёмник в течение временного защитного интервала не только не вызывает МСИ, но и увеличивает принимаемую мощность;

- использование двукратной ОФМ каждой ортогональной поднесущей, мощного помехоустойчивого кодирования в сочетании с применением декодера Витерби в приёмнике обеспечивает достаточно высокую частотную и энергетическую эффективность системы.

Кроме того, помехозащищенность таких сигналов существенно возрастает, если корректирующий потенциал помехоустойчивого кода расходуется не равномерно на весь передаваемый цифровой поток, а избирательно, обеспечивая неравную, большую защиту тех символов, которые в ней нуждаются - в соответствии со свойствами применяемой системы модуляции. Поэтому систему “кодек канала + модем COFDM” можно рассматривать как сигнально-кодовую конструкцию частотно-разнесенных ортогональных несущих с их квадратурной дифференциальной фазовой модуляцией и неравной защитой.

Общая спектральная плотность мощности сигнала COFDM может быть найдена как сумма спектральных плотностей мощности отдельных несущих. Она могла бы быть весьма близкой к постоянной в полосе частот, которую занимают несущие, но длительность передаваемого OFDM-символа больше, чем величина, обратная расстоянию между несущими, на величину защитного интервала.

В связи с этим основной лепесток спектральной плотности мощности одной несущей несколько меньше удвоенного расстояния между несущими, поэтому спектральная плотность мощности сигнала OFDM в номинальной полосе частот не является постоянной. Уровень мощности на частотах вне номинальной полосы может быть уменьшен с помощью соответствующих фильтров.

Если бы переход к преобразованию Фурье не был сделан, то модуляция OFDM имела бы малые шансы на практическую реализацию т.к преимущества системы OFDM проявляются при очень большом числе несущих (исчисляемых многими сотнями и даже тысячами), и в этом случае прямое аппаратное формирование сигнала OFDM потребовало бы огромных схемотехнических затрат в виде тысяч генераторов и модуляторов в передатчике и такого же числа детекторов в приемнике. Маловероятно, что такая схема была бы реализована. А для прямого и обратного дискретного преобразования Фурье в последние десятилетия разработаны быстрые и эффективные алгоритмы (БПФ) и обратного преобразования Фурье (ОБПФ) и созданы процессоры БПФ в виде больших интегральных схем.

 

⇐ Предыдущая3456789101112Следующая ⇒

Поделиться: