Подход к концепции построения низкоскоростных ofdm-модемов для энергодефицитных систем связи

Data PROCESSiNG FACiUTiES AND SYSTEMS

Воронков Г. С. Voronkov G. S.

старший преподаватель кафедры «Телекоммуникационные системы», ФГБОУВО «Уфимский государственный авиационный технический университет», г. Уфа, Российская Федерация

Кузнецов И. В. Kuznetsov I. V.

доктор технических наук, доцент, профессор кафедры «Телекоммуникационные системы», ФГБОУ ВО «Уфимский государственный авиационный технический университет», г. Уфа, Российская Федерация

УДК 621.37

подход к концепции построения низкоскоростных ofdm-модемов для энергодефицитных систем связи

В статье исследуется возможность уменьшения динамического диапазона комплексной огибающей сигналов OFDM при сохранении качества связи. Отличительной особенностью предложенной схемы формирования комплексной огибающей является наличие предсказателя в каждом из каналов (синфазном и квадратурном). Предсказатель проводит экстраполяцию характеристик комплексной огибающей, затем предсказанное значение вычитается из соответствующего ему значения комплексной огибающей, что приводит к уменьшению её динамического диапазона. Параметры предсказателя в то же время передаются на приёмную сторону с использованием канала вторичного уплотнения. Предлагаемое структурное решение позволяет повысить пропускную способность систем передачи OFDM, а также снизить энергопотребление системы передачи в целом. Можно говорить, что предлагаемое решение формирует память канала, а её использование позволяет снизить требуемое отношение сигнал/шум на входе приёмника. Потенциально введение блока предсказания позволит снизить требования к скремблерам в трактах формирования OFDM, либо отказаться от них вовсе.

В работе приведена структурная схема модифицированного модема OFDM при использовании ряда допущений: канал связи не вносит задержек и затухания, а помеха в канале представляет собой белый шум. Показано сохранение ортогональности разностных сигналов синфазного и квадратурного каналов, получаемых вычитанием предсказанного значения из соответствующего канального сигнала. Показана тождественность задачи уменьшения динамического диапазона комплексной огибающей задаче оптимальной фильтрации. Исходя из этого, на основании решения уравнения Виннера-Хопфа синтезирована передаточная функция предсказателя, приведен числовой пример синтеза указанной передаточной функции. Показано, что решение позволяет уменьшить динамический диапазон тем сильнее, чем выше отношение сигнал/шум в канале.

Ключевые слова: OFDM-модем, многоканальная система передачи, спектральная плотность мощности, память канала, канал вторичного уплотнения.

low-speed ofdm-modems for low power consumting telecommunication systems building concepts

This article researches possibility of OFDM-signal complex envelope dynamic range decreasing with keeping connection quality. The main feature of signal generation circuit that suggested is prediction unit in each of it channels (in-phase and quadrature). This unit extrapolates complex

envelope, then the predicted value is subtracted from the corresponding value of the complex envelope, that cause its dynamic range decreasing. Prediction unit's parameters are at the same time transmitted to the receiver using secondary multiplex. Suggested structure allows increasing OFDM systems throughput and decreasing transmitting system power consumption. It can be said that such structure formes channel memory, which allows receiver SNR decreasing. Prediction unit can also simplify OFDM scramblers or even substitute them.

The structure of modified OFDM modem by using a number of assumptions: there is no channel latency and loss, interference in the channel is a white noise. I and Q channels difference signals (which are the substract of predicted and real signal value) orthogonality is proved. The identity of reducing the dynamic range of the complex envelope problem and the problem of optimal filtering is proved. The prediction unit transfer function synthesized base on it, and numeric example is given and solved. Solution shows that dynamic range decreasing is more perceptible the higher SNR is.

Key words: OFDM-modem, multi-channel system, power spectral density, channel memory, secondary multiplex.

Введение

В настоящее время техника связи непрерывно развивается в сторону повышения скоростей передачи данных. Однако повышение скоростей передачи, как правило, ведёт к увеличению потребляемой мощности систем связи.

Особенно это актуально для систем с автономным энергоснабжением (примеры: спутники, БПЛА, мобильные аппараты). На передатчик приходится до 70 % потребляемой мощности [1]. Снижение потребления блока передачи, таким образом, позволит увеличить продолжительность автономной работы и ресурс эксплуатации. Снизить потребление можно различными способами, самый очевидный — уменьшение выходной мощности. Однако добиться поставленной задачи позволяет и уменьшение вычислительных затрат на обработку сигнала. Один из самых эффективных способов уплотнения в каналах связи — OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), который применяется, например, в системах подвижной радиосвязи (СПРС) 4 поколения и в системах перспек-

тивных спутниковых коммуникаций [2], которые могут быть отнесены к энергодефицитным системам связи.

На рисунке 1 приведены варианты построения существующих (традиционных) схем построения OFDM-уплотнения [3]. Схемы содержат блоки аналого-цифрового преобразования (АЦП), скремблеры, квадратурные модуляторы, блок обратного быстрого преобразования Фурье и блок преобразования частоты (квадратурный модулятор).

Недостатком приведённой схемы является требование дополнительной энергии на скремблирование и усиление радиосигнала. С целью снижения энергопотребления системы предлагается модифицировать традиционную схему OFDM-модуляторов. Достичь этого возможно, во-первых, снижением канальной скорости передачи данных при сохранении объема принимаемой информации в единицу времени, во-вторых, введением экстраполятора (предсказателя), позволяющего повысить помехоустойчивость системы. Предлагаемая схема приведена на рисунке 2.

АЦП

АЦП

АЦП

Скремблер

m ils gg g §s я - • • • • - /

- • • • • - FFT1

4 ft о О с? о

- • • • • - Q

Рисунок 1. Традиционная схема формирования сигнала OFDM

Data PROCESSiNG FACILITIES AND SYSTEMS

Как видно из рисунка 2, идея заключается в использовании в качестве комплексной огибающей квадратурного модулятора не полученную классическим методом огибающую OFDM, а разность между полученной огибающей и её предсказанным значением.

Предлагаемая схема обладает несколькими преимуществами:

1. позволяет устранить из схемы блоки скремблирования;

2. использование в качестве модулирующего сигнала разности двух огибающих (предсказанной и истинной) потенциально позволит снизить динамический диапазон;

3. введение блока предсказания по сути означает формирование памяти канала, а её использование, в свою очередь, позволит сохранить отношение сигнал/шум на приёме при снижении требований к помехоустойчивому кодеру

Модифицированный OFDM-модем

Блок предсказания может быть установлен как в области низкочастотного сигнала, так и после блока преобразования Фурье, в этом случае анализироваться на избыточность будет уже не канальный сигнал, а сформированная комплексная огибающая сигнала OFDM.

Оба способа имеют свои преимущества и недостатки. При установке в низкочастотной части упрощается схемотехника блока предсказания и снижаются требования к быстродействию его электроники, но влияние на итоговый выходной сигнал будет опосредованным. Такой вариант рассмотрен в [4]. Работа блока предсказания с комплексной огибающей сигнала, до переноса спектра в область высокой частоты, позволит оказывать непосредственное влияние на динамический диапазон выходного сигнала, что позволит снизить требования к скорости передачи. Однако работа в этой области потребует применения более быстродействующей схемотехники. Современная элементная база, тем не менее, предположительно обладает достаточной производительностью для решения указанной задачи.

Предлагаемая структура формирования сигнала OFDM приведена на рисунке 3. Тракт преобразования дополнен линейным предсказателем (экстраполятором) с передаточной функцией H(s). При этом на каждом такте значение в I и Q каналах сравнивается с предсказанным на основе предыдущего

АЦП

АЦП

АЦП

1 о ffl HQ « 3 hQ S

s S 5

ч

<u

о d

О

KO

p. о

о G в §

I

FFT1 в

Экстраполятор I ~|— — —

5

"Ф"

Экстраполятор Q |---

— — — — - передача по каналу вторичного уплотнения Рисунок 2. Предлагаемая схема формирования сигнала OFDM

Передающий блок

Канал

Приёмный блок

Тракт передачи cos(a>0t) синфазного канала

Xi

m

Xq

H

n

4>

COS

m

H

i

xi

_ Передэт^п^^етр^в^кстраполетора__|

по каналу вторичного уплотнения

Тракт передачи квадратурного канала

НЭ - нелинейный элемент Рисунок 3. Формирование сигнала OFDM при использовании блока предсказания

xi

Xq

Рисунок 4. Упрощенный тракт передачи

(или нескольких предыдущих) значений, и в канал направляется не полное значение сигнала, а отклонение от предсказанного значения (е7 и e^). Для передачи коэффициентов экстраполятора на приёмную сторону для восстановления сигнала служит канал вторичного уплотнения.

Очевидно, что для работоспособности предложенной схемы необходимо сохранение ортогональности в каналах I и Q, то есть сигналы е 0) и eQ (^ должны удовлетворять условию ортогональности [5]:

к»

-СО

Учтя, что:

(') = */(0-*/(')> ев^) = хв(()-хв(1),

получим:

-и»

\м{е1(г)-еа{1))И =

-оо

+00 .

= | М (р (г) - х, (*)) • (хв (*)-Хв (* )) )й =

= Iм ((*/ (0 • ^ )+? (О  (0 - ? (О  (0 - 'в ) •(О))*'=

-К» +«> л

—00 -00

Очевидно, что, поскольку изначально сигналы каналов I и Q ортогональны, то каждое из слагаемых равно нулю, то есть условие ортогональности для разностных сигналов выполняется, что удовлетворяет условию работоспособности системы.

Синтез передаточной функции экстраполятора

Тракт передачи синфазного сигнала, приведённый ранее на рисунке 3, можно упростить, сделав ряд допущений. Предположим, что канал связи не вносит задержек и затухания, а помеха в канале представляет собой белый шум. Предположим также, что воздействия нелинейных элементов в блоках передатчика и

приёмника взаимно компенсируют друг друга (передаточные функции взаимно обратны). Тогда тракт передачи синфазного и квадратурного каналов представляет собой звено, охваченное отрицательной обратной связью (на рисунке 4 приведена схема для синфазной составляющей; и^) — помеха, приведённая к выходу передатчика). Передаточная функция звена W в этом случае определяется как:

Н

Ж =

Тогда

н =

1 + Н

ж

1-Ж'

Согласно поставленной задаче, необходимо уменьшать динамический диапазон сигнала в^) в квадратурном и синфазном каналах. В этом случае, с учётом приведённой выше схемы, задача тождественна задаче оптимальной фильтрации, и, согласно [6], передаточную функцию канала можно определить выражением:

IV--

1

Ф+

Ф

^ У

Ф~

* -7

где х({) — желаемый сигнал на выходе системы;

Ф — спектральная плотность мощности (СПМ) соответствующего сигнала; z(t) — сигнал, смешанный с помехой.

Для случая аддитивной помехи при условии отсутствия корреляции сигнала и помехи имеем:

Ф22 = Иш М

00

= Нт М

Г->оо

'гн-ад'

Т

пп гас-

Ф2Х = Иш М Г-> 00

Data processing facilities and systems

= lim M

Г-> 00

ф + ф

xx т их-

т

В случае, если сигнал и помеха не корре-лированы, их взаимные спектральные плотности мощности равны 0. Тогда:

Ф = Ф + Ф

Рассмотрим простой числовой пример [5]. Пусть

Ф-="2/

1

Фпп=~2>

Ч 2 2\' «Ца ) «2

где a , a , а — положительные коэффициенты.

Тогда передаточная функция канала будет иметь вид:

1

1 + TÄ

где

yjafa2 + а\ ^а + -\jafa2 + а\ j

т = -

VI 2 2 '

a¡a +а2

Тогда для передаточной функции экстра-полятора получим:

Н--

^ ' Н +1

Чтобы функция E(s) была меньше Х(^), необходимо, чтобы функция H была неотрицательной. В установившемся режиме (т^-0):

Я = -^> О,

откуда

Из формулы для нахождения К очевидно, что этот коэффициент не может быть отрицательным. Заметим также, что знаменатель представляет собой произведение двух умножаемых, каждое из которых больше a22. Следовательно, К меньше единицы при любых значениях коэффициентов a a2, а, следовательно, динамический диапазон сигнала е(?) будет меньше диапазона сигнала х(?). Таким образом, при использовании логарифмической формы записи, получим:

У(0

101g

At)

<о.

1 - Кх + Т5

Таким образом, в установившемся режиме динамический диапазон сигнала е(?) будет определяться коэффициентом К который, в свою очередь, можно варьировать, изменяя СПМ сигнала х(?). Покажем, что динамический диапазон сигнала е(?) будет меньше диапазона сигнала х(?).

откуда

Также видно, что чем больше от2 и меньше a1 (то есть чем выше отношение сигнал/шум), тем более эффективным становится предсказание.

Выводы

Показана принципиальная возможность уменьшения динамического диапазона комплексной огибающей OFDM-сигнала. Определена передаточная функция экстрапо-лятора. Показана возможность управления динамическим диапазоном сигнала комплексной огибающей за счёт управления СПМ исходного сигнала. Предсказание тем эффективнее, чем выше отношение сигнал/шум.

Список литературы

1. Филатов П.Е. Повышение эффективности энергодефицитных многоканальных систем связи на основе координированного преобразования сигналов // Прикладная электродинамика, фотоника и живые системы — 2016 (ПРЭФЖС-2016): матер. Междунар. науч.-техн. конф. Казань, 2016. С. 143-148.

2. Рекомендация МСЭ-ЯМ.2047-0. Подробные спецификации спутниковых ради-

оинтерфейсов перспективной Международной подвижной электросвязи (IMT-Advanced).

3. Harri H., Toskala A. LTE for UMTS OFDMA and SC-FDMA based radio access. John Wiley and Sons Ltd, 2009. 443 p.

4. Кузнецов И.В., Филатов П.Е., Гимаев А.Н. Разработка группового кодека с дифференциальной импульсно-кодовой модуляцией сигналов для многоканальных энергодефицитных систем передачи данных // Радиотехника. 2015. № 2. C. 87-91.

5. Кловский Д.Д. и др. Теория электрической связи: учебник для студентов вузов по специальностям «Сети связи и системы коммуникации», «Многоканальные телекоммуникационные системы», «Радиосвязь, радиовещание и телевидение», а также для бакалавров по направлению «Телекоммуникации» / Под ред. Д.Д. Кловского. М.: Радио и связь, 1998. 432 с.

6. Цейтлин Я.М. Проектирование оптимальных линейных систем. Л.: Машиностроение, 1973. 240 с.

References

1. Filatov P.E. Povyshenie jeffektivnosti jenergodeficitnyh mnogokanal'nyh system svjazi na osnove koordinirovannogo preobrazovanija signalov // Prikladnaja jelektrodinamika, fotonika i zhivye sistemy — 2016» (PRJeFZhS-2016): Mater. Mezhdunar. nauch.-tehn. konf. Kazan', 2016. S. 143-148.

2. Rekomendacija MSJe-RM.2047-0. Podrobnye specifikacii sputnikovyh

radiointerfejsov perspektivnoj Mezhdunarodnoj podvizhnoj jelektrosvjazi (IMT-Advanced).

3. Holma H., Toskala A. LTE for UMTS OFDMA and SC-FDMA based radio access. John Wiley and Sons Ltd, 2009. 443 p.

4. Kuznecov I.V., Filatov P.E., Gimaev A.N. Razrabotka gruppovogo kodeka s differencial'-noj impul'sno-kodovoj moduljaciej signalov dlja mnogokanal'nyh jenergodeficitnyh system peredachi dannyh // Radiotehnika. 2015. № 2.

C. 87-91.

5. Klovskij D.D. i dr. Teorija jelektricheskoj svjazi: uchebnik dlja studentov vuzov po special'nostjam «Seti svjazi i sistemy kommu-nikacii», «Mnogokanal'nye telekommuni-kacionnye sistemy», «Radiosvjaz', radioveshha-nie i te-levidenie», a takzhe dlja bakalavrov po napravleniju «Telekommunikacii» / Pod red.

D.D. Klovskogo. M.: Radio i svjaz', 1998. 432 s.

6. Cejtlin Ja.M. Proektirovanie optimal'nyh linejnyh sistem. L.: Mashinostroenie, 1973. 240 s.