WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

Долгих Дмитрий Анатольевич АЛГОРИТМЫ И УСТРОЙСТВА ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ НА ОСНОВЕ ОРТОГОНАЛЬНОГО ЧАСТОТНОГО МУЛЬТИПЛЕКСИРОВАНИЯ Специальность 05.12.04– Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

.

Томск - 2008 г.

2

Работа выполнена в Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР)

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Пуговкин Алексей Викторович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Носов Владимир Иванович кандидат технических наук Серебренников Леонид Яковлевич

Ведущая организация: Сибирский физико-технический институт Томского государственного университета (СФТИ ТГУ)

Защита состоится 20 января 2009г. в 9 часов на заседании диссертационного совета Д212.268.01 при Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники по адресу: 634050, г.Томск, пр.Ленина, 40, ауд.

203.

Отзыв на автореферат в 2-х экземплярах, заверенный гербовой печатью, просим направлять по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина 40, ученому секретарю диссертационного совета Д212.268.01

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники по адресу 634034, г.Томск ул. Вершинина 74.

Автореферат разослан 16 декабря 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д212.268.01 д. т. н., проф.

А.В. Филатов 3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В процессе развития сетей передачи данных постоянно увеличиваются требования к скорости передачи информации и качеству предоставляемых сервисов. Данная тенденция прослеживается и для сетей передачи данных, средой передачи в которых является радиоканал. В связи с этим в значительной степени усложняются используемые для передачи информации сигналы. Одним из перспективных видов сигнально-кодовых конструкций является ортогональное частотное мультиплексирование OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Основная идея метода заключается в расположении набора «независимых» подканалов таким образом, чтобы, с одной стороны один подканал не являлся помехой другому, а с другой стороны, спектры подканалов перекрывались.

При делении основного потока на подканалы скорость в каждом из них уменьшается, что позволяет снизить межсимвольную интерференцию, один из основных мешающих факторов. С учетом ортогональности подканалов, в линейных системах каждый из них может рассматриваться независимо от других, и поэтому возникновение ошибок, вследствие помех, в одном из подканалов не приводит к возникновению ошибок в другом. В результате лишь небольшая часть передаваемой информации оказывается искаженной и при использовании помехоустойчивого кодирования может быть восстановлена.

Выбор числа подканалов осуществляется на основе знания статистических свойств канала связи, а также требований, предъявляемых к системе связи. Исходя из современных требований к пропускной способности линии радиосвязи, работающей в сложных условиях распространения радиоволн, число подканалов должно быть от нескольких сотен до нескольких тысяч. Однако сложность аппаратной реализации алгоритмов обработки сигналов приводит к выбору числа поднесущих на уровне от нескольких десятков до нескольких сотен. Именно сложность реализации является основным фактором, ограничивающим широкое применение данных сигналов.

Предложения по использованию многочастотных сигналов были выдвинуты еще в 60-е – 70-е годы 20-го века Чангом (Chang), Зальцбергом (Salzberg), Вайнштайном (Weinatein) и Эбертом (Ebert), но до 90-х годов 20-го века многочастотные сигналы находили применение лишь в системах связи военного назначения. С развитием микроэлектроники и появлением недорогих сверхбольших интегральных схем появилась возможность реализации сравнительно недорогих устройств, выполняющих цифровую обработку принятого сигнала. В результате этого в 1999 году был принят первый из семейства стандартов IEEE 802.11 (Wi-Fi). Количество поднесущих используемого OFDM сигнала в данном стандарте равняется 64. С появлением стандарта началась разработка устройств, удовлетворяющих ему. В результате, лишь в последние 3-4 года данные устройства стали широко применяться.

Следующим этапом развития данных систем является принятие в 2004 году стандарта IEEE 802.16 (WiMAX). Сигнал содержит 256 поднесущих. Однако, несмотря на то, что стандарт принят уже 4 года назад, устройства на его основе мало распространены и имеют высокую цену, что говорит о до сих пор не разрешившейся проблеме аппаратной реализации алгоритмов обработки сигналов. Таким образом, задача построения эффективных алгоритмов обработки сигналов на основе ортогонального частотного разделения канала является актуальной.

Целью работы является синтез эффективных и реализуемых на базе интегральных логических микросхем алгоритмов обработки сигналов с ортогональным частотным мультиплексированием. Данные алгоритмы должны позволять реализовывать системы на основе OFDM сигналов с числом поднесущих несколько тысяч и шириной спектра сигнала в десятки мегагерц.

Основные задачи исследования.

Поставленная цель исследований требует решения следующих задач:

1. Получение аналитических выражений плотности распределения сигнальных точек созвездия OFDM сигнала при воздействии на сигнал узкополосного и широкополосного аддитивного шума.

2. Получение аналитических выражений плотности распределения сигнальных точек созвездия OFDM сигнала при неточности восстановления несущей частоты в приемнике и при доплеровском сдвиге частот.

3. Оценка вероятности ошибки, получаемой в результате работы фазовой синхронизации при отсутствии и наличии априорных знаний о точности временной синхронизации.

4. Разработка алгоритма квантования OFDM сигнала и оценка вносимых им искажений. Оценка эффективности применения данного алгоритма по сравнению с классическим оптимальным квантованием Ллойда-Макса.

5. Разработка имитационной модели приемопередатчика OFDM сигнала с изменяющимися параметрами.

6. Методом статистических испытаний выполнение анализа эффективности предлагаемых алгоритмов.

7. Разработка цифрового сигнального процессора на основе микросхемы программируемой логики и оценка эффективности используемых аппаратных средств.

Методы исследования. Решение поставленных задач проводилось с использованием математического аппарата теории вероятностей, статистической радиотехники и математической статистики. Проверка полученных теоретических результатов проводилась имитационным моделированием с использованием ЭВМ, а также экспериментальными исследованиями, включающими в себя проведение стендовых испытаний лабораторных макетов.

Научная новизна. В ходе исследований впервые были получены следующие результаты:

1. Предложен и практически реализован алгоритм обработки OFDM сигнала, исключающий искажения ограничения сигнала и приводящий к выигрышу в шумах квантования по сравнению с классическим оптимальным равномерным квантователем Ллойда-Макса. Определены границы эффективности применения данного метода.

2. На основе полученных аналитических выражений о функции плотности вероятности амплитуды и фазы поднесущих OFDM сигнала в условиях различного рода помех показано, что метод наименьших квадратов является оптимальным при использовании его в фазовой синхронизации.

Научная ценность. В ходе работы получила развитие теория оптимальной и квазиоптимальной обработки OFDM сигналов для каналов связи с аддитивными шумами. Результаты работы позволяют сделать ряд заключений о предельных возможностях систем на основе OFDM сигналов в части его формирования и приема.

Практическая значимость. Проведенные исследования и полученный алгоритм квантования OFDM сигнала позволяет повысить эффективность использования цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП) с равномерным шагом квантования, используемых в радиомодемах для генерирования OFDM сигналов. Для современных систем связи выигрыш от использования разработанного алгоритма составляет порядка 3 дБ.

Разработанный алгоритм фазовой синхронизации в совокупности с его аппаратной реализацией может быть применен в любых системах связи на основе OFDM сигналов с равномерно распределенными по спектру пилот- сигналами. Вместе со схемами временной и частотной синхронизации может быть построена и аппаратно реализована схема синхронизации с заданными параметрами.

Результаты диссертационной работы используются в закрытом акционерном обществе «научно-производственная фирма «Микран» (ЗАО НПФ «Микран») (г. Томск) при разработке аппаратуры радиодоступа, удовлетворяющей стандартам семейства IEEE 802.16, а также могут быть рекомендованы для создания оригинальных систем радиосвязи.

Реализация работы. Результаты работы использованы при разработке радиомодемов широкополосного доступа стандарта IEEE 802.16d-(WiMAX). Радиомодемы прошли серию успешных испытаний в составе стендов ЗАО НПФ «Микран» (Томск, 2007-2008), при совместных лабораторных испытаниях ТУСУР (г. Томск) и ЗАО НПФ «Микран» (г. Томск).

По результатам диссертационной работы, а также работам, проводимым в ЗАО НПФ «Микран», был разработан сигнальный процессор, реализованный в виде действующего цифрового модуля на микросхеме программируемой логики, обеспечивающий формирование и прием сигналов OFDM-256, соответствующих стандарту IEEE 802.16d. Максимальная ширина спектра сигнала составила 30 МГц при регулируемой скорости передачи цифрового потока, зависящей от качества канала связи.

На основе результатов диссертационной работы построен спецкурс магистерской подготовки на кафедре телекоммуникаций и основ радиотехники ТУСУРа. Результаты работы используются также при проведении занятий в рамках курсов повышения квалификации при «Учебно-производственном центре телекоммуникаций» (г. Томск).

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Масштабирование каждого OFDM символа к максимальному уровню квантователя позволяет снизить искажения, вносимые квантователем, по сравнению с оптимальным равномерным квантователем Ллойда-Макса.

Для современных систем связи выигрыш составляет порядка 3 дБ.

2. Замена операции усечения на операцию округления, при представлении отсчетов OFDM сигнала в дополнительном коде, приводит к уменьшению шума квантования на 6 дБ, что равносильно увеличению разрядности числа на один разряд.

3. Априорные данные о точности временной синхронизации и аппроксимация плотности распределения фазы поднесущих OFDM сигнала нормальным законом распределения позволяют значительно упростить алгоритм фазовой синхронизации и повысить его точностные характеристики.

Достоверность результатов.

Аналитические выражения, полученные при синтезе квантователя OFDM сигнала, базируются на центральной предельной теореме теории вероятности и работах Дж. Макса (Joel Max) (1960), П. Ллойда (P. Lloyd) (1982).

Достоверность численных результатов и полученных аналитических выражений подтверждается результатами компьютерного моделирования и лабораторных испытаний действующего макета приемопередатчика OFDM сигнала, реализующего стандарт широкополосного доступа IEEE 802.16d – 2004.

Достоверность численных результатов, полученных при замене операции округления на операцию усечения, подтверждается совпадением результатов имитационного моделирования и лабораторных испытаний приемопередатчика OFDM сигнала.

Правомерность использования гауссовой аппроксимации случайных процессов при анализе воздействия шумов на OFDM сигнал опирается на работы Тихонова В.И. (1966), Ахманова С.А. (1981). Полученные характеристики алгоритмов временной синхронизации совпадают с результатами работ Alfonso Luis Troya Chinchilla (2004), M. Josie Ammer и Jan Rabaey и др. Полученные результаты подтверждаются качественным совпадением работы имитационной модели и макета приемопередатчика OFDM сигнала.

Личный вклад автора. Все результаты, изложенные в диссертации, получены автором лично. Это, во-первых, результаты сравнительного анализа эффективности классического квантователя Ллойда-Макса и оригинального алгоритма обработки OFDM сигнала; во-вторых, разработка теоретического анализа и практической реализации алгоритма фазовой синхронизации при наличии априорных данных о точности временной синхронизации.

В экспериментальных исследованиях автор принимал участие в постановке задач, обработке, анализе и интерпретации полученных данных.

Апробация работы и публикации. Результаты работы докладывались и обсуждались на ряде научно-технических семинаров и конференций. Основные результаты диссертации опубликованы в 8 работах, из них 3 в изданиях из перечня ВАК. Работа выполнена при финансовой поддержке администрации Томской области (договор №332 от 18 июля 2007 между ТУСУР и финансовохозяйственным управлением администрации Томской области на выполнение НИОКР по проекту «Радиомодем широкополосного доступа стандарта IEEE 802.16 (WiMAX)»).

Структура работы.

Работа состоит из введения, четырех глав и тринадцати приложений.

Изложена на 204 страницах, содержит 82 рисунка и 28 таблиц.

Библиографический список литературы включает 65 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе «Сигналы с ортогональным частотным мультиплексированием в системах передачи информации» рассмотрены тенденции развития систем радиосвязи и радиодоступа, преимущества и недостатки OFDM сигнала, производится постановка задачи исследований.

Развитие систем радиосвязи сопровождается повышением требований по помехоустойчивости и скорости передачи информации. В результате этого усложняются используемые сигналы для обеспечения требуемых характеристик. В начале своего развития цифровые сети радиодоступа использовали сигналы с модуляцией QPSK (Quadrature Phase Shift Keying), затем CDMA (Code Division Multiple Access) и в настоящее время наблюдается интерес к OFDM сигналам. Причем изначально OFDM сигналы применялись в локальных компьютерных сетях. В мобильных же сетях, ориентированных на передачу голоса, применялись QPSK и CDMA сигналы. Однако на сегодняшний день наблюдается объединение данных двух направлений в одно на основе OFDM сигналов (рис. 1).

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»