Исследование модулятора-демодулятора OFDM-сигналов

Study of modulator-demodulator with OFDM signals

Rustem Gabdullin

Student of the Department "Communications and information security", Omsk state technical University, Russia, Omsk

Аннотация. В современных системах радиосвязи повышаются требования к дальности действия таких систем, скорости передачи информации, объемам одновременно обслуживаемых абонентов. В статье рассмотрена технология ортогонального частотного мультиплексирования, обеспечивающая высокие скорость и помехоустойчивость передачи информации.

Abstract. In modern radio communication systems, the requirements for the range of such systems, the speed of information transmission, the volume of simultaneously serviced subscribers are increasing. The article considers the technology of orthogonal frequency multiplexing, which provides high speed and noise immunity of information transmission.

Ключевые слова: мультиплексирование; модуляция; данные; поток информации; преобразование Фурье; сигнал; поднесущие.

Keywords: multiplexing; modulation; data; information flow; Fourier transform; signal; subcarriers.

Системы радиосвязи применяются в различных направлениях деятельности человека. На данный период такие системы стремительно развиваются: повышается дальность действия радиосвязи, скорость передачи информации, объем одновременно обслуживаемых абонентов. При этом завышаются и требования к системе синхронизации, которая используется для автоматического удержания на определенном уровне параметров сигналов (частоты несущей, тактовой частоты), воссоздаваемых в радиоприемном устройстве (РПУ), а также для указания времени начала обмена информационными сигналами, которое обуславливается расстоянием «передатчик – приёмник».

Определенную перспективу как вид сигнально-кодовой структуры имеет ортогональное частотное мультиплексирование (OFDM).

Технология OFDM - это тип цифровой модуляции сигнала, который способствует повышению скорости передачи информации вследствие разумного применения каналов связи и метода передачи данных. Данный метод модуляции исходит из принципа разделения потока входных данных на некоторое множество параллельных потоков [1]. Всякий поток из этого множества передается на собственной несущей (ортогональной) частоте. Тем самым обеспечивает высокие скорость (при исходном низкоскоростном потоке символов) и помехоустойчивость передачи информации.

Основным поводом для образования и использования технологии OFDM является задача по нахождению способов противодействия широкополосным помехам. В свою очередь такие помехи – это существенная причина плохой связи в условиях широкого числа крупногабаритных препятствий (многоэтажных жилых домов и других зданий). Ортогональное частотное мультиплексирование в аппаратном плане реализуется просто: ключевые операции выполняются методами цифровой обработки. Также OFDM обладает малой восприимчивостью к воздействию узкополосных помех.

Вместе с тем имеются определенные сложности в применении OFDM в системе передачи. Главный недостаток – это то, что сигнал OFDM показывает довольно высокий пик средней мощности. Отсюда следует, что усилители мощности (УМ) должны работать в очень большой линейной области. В ином варианте, пики сигнала оказываются в нелинейной области, что вызывает искажение сигнала. Также OFDM имеет высокую чувствительность к ошибкам частоты, которые создаются разностью частот между генераторами в радиопередающем устройстве (РПДУ) и приемнике РПУ.

Модуляция OFDM применяется в структурах цифрового телевидения DVB-T (цифровое эфирное ТВ) и DVB-T2 (цифровое эфирное ТВ второго поколения), системах сотовой связи WiMAX (глобальная совместимость для микроволнового доступа) и MobileWiMAX, автоматизированных системах контроля и учета электроэнергии, структурах типа "интеллектуальный дом" [3].

Идеализированный модем OFDM должен содержать РПДУ и РПУ.

В РПДУ (рисунок 1) последовательный поток двоичных символов с помощью демультиплексирования перестраивается в N параллельных потоков. Каждый поток согласуется (комплексно) с исходным потоком посредством использования определенного созвездия модуляции (квадратурную амплитудную модуляцию QAM, квадратурную фазовую модуляцию QPSK).

Далее модулированные потоки символов подвергаются быстрому обратному преобразованию Фурье (ОБПФ) [2]. ОБПФ выражает потоки в цифровые отсчеты (комплексные числа) во временной области. Действительная и мнимая составляющие отсчетов подвергаются цифро-аналоговому преобразованию (ЦАП).

Составленные аналоговые сигналы применяются для модуляции соответственно синусоиды и косинусоиды (сдвиг синусоиды на  ) несущей частоты. После этого сигналы складываются, создавая передаваемый в линию связи сигнал.

РПУ (рисунок 2) принимает сигнал. Этот сигнал демодулируется, используя синусоиды и косинусоиды нecyщей частоты . Такая демодуляция воссоздает вдобавок сигналы, центрированные на частоте 2. В связи с этим применяются фильтры нижних частот (ФНЧ) - для подавления таких сигналов. Дeмодулированные же сигналы затем подвергаются дискретизации и квантованию в аналого-цифровых преобразователях (АЦП) и прямому быстрому преобразованию Фурье (ПБПФ).

Рисунок 1. Схема идеального OFDM-модулятора

Рисунок 2. Схема идеального OFDM-демодулятора

ПБПФ перестраивает действительную и мнимую составляющие оцифрованных отсчетов сигнала из временной области в частотную. В итоге организовываются N цифровых параллельных потоков, каждый из которых преобразуется в поток двоичных данных, используя соответствующий РПДУ детектор символов, выполняющий их демодуляцию и декодирование. Данные потоки в дальнейшем преобразуются в последовательный поток, который является оценкой исходного потока двоичных данных РПДУ.

Как правило, схема образования сигнала OFDM представляется следующим образом. На модем следует некоторая последовательность цифровых сигналов от разнообразных источников. После этого эти сигналы преодолевают мультиплексор, где связываются в один цифровой поток по некоторому алгоритму.

В целях устранения избыточности цифровой поток пропускается через кодер канала (в кодере сообщение преобразуется в кодовую комбинацию). В кодере осуществляется помехоустойчивое кодирование. По большей части, при модуляции OFDM применяются коды Рида-Соломона, сверточное кодирование. После этого цифровые данные следуют через формирователь пакетов. Образование цифрового потока заканчивается.

В формирователе пакетов цифровому сигналу присваивается избыточная информация (заголовок и концовка). Пакеты поступают на последовательно-параллельный преобразователь, где распределяются по подканалам. Количество подканалов равно количеству поднесущих в сигнале OFDM.

Итак, OFDM имеет простую аппаратную реализацию, может противодействовать сложным условиям в радиоканале (бороться с узкополосными помехами). Также данная технология позволяет использовать ряд схем модуляции для разных поднесущих. В свою очередь это позволяет адаптироваться к условиям распространения сигнала и к различным требованиям к качеству принимаемого сигнала. В каналах с относительно медленными изменениями имеет место значительное повышение пропускной способности вследствие адаптации скорости передачи данных на каждой поднесущей в соответствии с отношением сигнал/шум для этой конкретной поднесущей.

Однако стоит отметить также следующие пункты: для OFDM необходима высокая синхронизация частоты и времени; технология имеет сравнительно большое отношение пиковой мощности к средней, что приводит к снижению энергетической эффективности высокочастотных усилителей. Стоит также отметить, что несовершенность современных приёмников и передатчиков влечет фазовый шум, что ограничивает производительность системы.

Несмотря на данные недостатки, OFDM - это хорошее решение для архитектур современных сетей, которые работают в условиях мегаполиса. Прогресс в технологиях и динамика рынка постоянно толкают производителей модернизировать имеющиеся технологии. В конечном итоге создаются аппараты, в основе которых лежат различные модификации OFDM.

Список литературы:
1.    Шлома А.М., Бакулин М.Г., Крейнделин В.Б., Шумов А.П. Технология OFDM: Учебное пособие для вузов. – М.: Горячая Линия - Телеком, 2017. – 352 с.
2.    Галустов Г.Г., Мелешкин С.Н. Мультиплексирование с ортогональным частотным разделением сигналов: Учебное пособие. – Таганрог: Технологи-ческий институт Южного федерального университета, 2012. – 80 с.
3.    В. Лебедев Модуляция OFDM в радиосвязи – Журнал "Радиолюби-тель" №8 – Минск 2008 г. –  65 с.