Способ формирования ofdm-радиосигнала с постоянной огибающей (ce-ofdm) и одновременной компенсацией регулярных помех синтезатора частот

ШЕРСТЮКОВ1 Сергей Анатольевич, кандидат технических наук, доцент

СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ OFDM РАДИОСИГНАЛА С ПОСТОЯННОЙ ОГИБАЮЩЕЙ (CE-OFDM) И ОДНОВРЕМЕННОЙ КОМПЕНСАЦИЕЙ РЕГУЛЯРНЫХ ПОМЕХ СИНТЕЗАТОРА ЧАСТОТ

Изложены алгоритмы работы и структурная схема квадратурного формирователя радиосигналов с угловой модуляцией, реализующего одновременную компенсацию паразитной угловой модуляции синтезатора частот, и формирование неискаженных CE-OFDM радиосигналов.

Ключевые слова: CE-OFDM радиосигнал, квадратурный фазовый модулятор, компенсация, искажений.

Presented, algorithms and the block diagram of a quadrature shaper of radio signals with, an angular modulation, which, implements the simultaneous compensation of parasiticangular modulation frequency synthesizer and the formation of undistorted. CE-OFDM radio signals.

Keywords: CE-OFDM radio signal, a quadrature phase modulator, distortion, compensation.

Применение в современных стандартах IEEE 802.11a/g, 802.16-2001, DVB и внедряемом четвертом поколении сотовой связи (LTE) технологии OFDM (Orthogonal frequency-division multiplexing — мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов) обеспечивает не только высокую скорость передачи данных в условиях частотно-избирательных затуханий, вызванных многолучевым характером распространения, но и защиту от флуктуационных и сосредоточенных по спектру узкополосных помех, создаваемых соседними работающими радиосредствами.

Формирование и обработка радиосигналов OFDM реализуется цифровыми методами, при этом весь доступный частотный диапазон разбивается на множество поднесу-щих, которые модулируются посредством квадратурной амплитудно-фазовой модуляции [1]: 2-, 4-, 16- и 64-пози-ционной BPSK, QPSK, 16-QAM и 64-QAM соответственно. В общем смысле можно считать, что OFDM-сигнал

' — профессор, Воронежский институт МВД России.

представляет собой множество медленно модулируемых узкополосных сигналов, который передается одновременно на всех поднесущих частотах с возможностью их (поднесущих) динамического перераспределения в ходе работы.

Однако основными недостатками систем с OFDM является высокое значение пик-фактора (отношение пиковой мощности к средней) [2 — 5], вызывающее нелинейные искажения усилителей мощности передатчиков, работающих в режимах с отсечкой тока, и внеполосные излучения радиопередатчиком остатка второй боковой полосы [7]. Причина возникновения пик-фактора, как было показано в [6], состоит в том, что в результате суммирования N-го количества поднесущих частот со случайными значениями амплитуд и фаз, формируется сигнал с большими амплитудными выбросами по сравнению со среднеквадратичным уровнем сигнала. При этом реализация линейного усилителя мощности с высоким значением пик-фактора оказывается весьма

or

ФНЧ

з:

ИНТ

ИФД

Мфнч і \  1 ! і ^ и3 го

і :  і  і blVll

сч

БУЧ

Дпкд

ZF

ГУН

и,

ЦАП

и„

Вход

¥

Ret ФНЧ ИНВ

OFDM Ке. і

модулятор 1 УА * С1

КФМ

ФВ Я/2 и2 БМ2

кп

ит

СП

и4

вм

ФПМН

Рис. 1. Структурная схема CE-OFDM-моgулятора, использующая включение КФМ на базе ВМ и ФПМН

после OFDM-модулятора

затруднительной. Внеполосные излучения остатка второй боковой полосы обусловлены асимметрией квадратурных каналов высокочастотных векторных модуляторов [8] и относительно большим количеством вычислений по процедуре обратного дискретного преобразования Фурье.

Одним из эффективных способов решения указанных проблем является включение после OFDM модулятора дополнительного фазового (ФМ) (или частотного (ЧМ)) модулятора [2 — 6], или, другими словами, реализация сигналов OFDM с постоянной огибающей (Constant Envelope OFDM (CE-OFDM)). Применение сигналов с постоянной огибающей позволяет использовать в передатчиках нелинейные усилители мощности, обладающие высоким КПД (порядка 80%), а сами CE-OFDM сигналы, по сравнению с обычными OFDM сигналами, обладают большей помехоустойчивостью в условиях многолучевости, спектральная эффективность которых повышается с увеличением индекса угловой модуляции [4].

В тоже время применение включения ФМ (ЧМ) после OFDM модулятора может вызывать дополнительные амплитудно-фазовые искажения, проявляющиеся в виде паразитной амплитудной (ПАМ) и фазовой (ПФМ) модуляций выходного радиосигнала, что приводит к ухудшению характеристики вероятности ошибок в системе. Кроме того, в связи с использованием в технологии OFDM многоуровневой цифровой модуляции особое внимание необходимо уделять вопросам, касающимся повышения фазовой стабильности синтезаторов частот (СЧ), формирующих колебания несущих частот передатчиков. Исследования показывают, что полностью разрешить противоре-

чие между возникающей в системе импульсно-фазовой автоматической подстройки частоты (ИФАПЧ) уровнем паразитной угловой модуляции (ПУМ) и быстродействием в самом СЧ не представляется возможным. В связи с этим на выходах СЧ и OFDM-модулятора предлагается ввести устройство, позволяющее как снизить уровень ПУМ выходного сигнала СЧ до заданного уровня, так и обеспечить формирование неискаженного CE-OFDM радиосигнала.

На рис. 1 приведена структурная схема CE-OFDM модулятора, использующая включение квадратурного фазового модулятора (КФМ) на базе векторного модулятора (ВМ) и функциональных преобразователей модулирующего напряжения (ФПМН) после OFDM модулятора и выполняющая компенсацию ПУМ выходного сигнала СЧ.

В состав структурной схемы входят следующие функциональные блоки:

СЧ в составе: ОГ — опорный генератор; ГУН — генератор управляемый напряжением; ФНЧ — фильтр нижних частот; ИФД — импульсно-фазовый детектор; ДПКД — делитель частоты с переменным коэффициентом деления; БУЧ

— блок управления частотой;

КФМ в составе: БМ1, БМ2 — балансные модуляторы; ФВ п/2 — фазовращатель на п/2; С2 — линейный сумматор; КП, СП — косинусный и синусный преобразователи модулирующего напряжения соответственно; ЦАП — цифроаналоговый преобразователь; УА — управляемый аттенюатор; ИНВ — инвертор; С1 — линейный сумматор; С — разделительная емкость; ИНТ — интегратор.

Работа структурной схемы

При наличии ПУМ с составляющими, кратными частоте сравнения ИФД, на выходе ГУН СЧ формируется сигнал к

U

U cos

w0t + mj £ E k cos

k=1

где т — индекс ПУМ; Ек, 0„ — амплитуды, частоты и началь

ные фазы составляющих напряжения ПУМ; к — целые числа. Одновременно, на выходе фазовращателя на ФВ п/2 формируется напряжение

к

^ + т| X Ек с 0 К ^ к* + Ф )

u2 = - U sin

k=1

u„

E0 + X E к cos

к=1

uT„

-ix E к cos(Q к t+Фк ) •

Модулирующее напряжение для КФМ представляет собой выходной сигнал OFDM модулятора, в котором с помощью обратного дискретного преобразования Фурье формируется результирующий сигнал, являющийся комплексной огибающей, и подлежащий переносу на несущую (центральную) частоту ш0

: X bi exP {j2Ki¥t)

i=i

Выражения (1) и (2) имеют такой вид в связи с тем, что напряжение с постоянной составляющей Е0 на выходе ФНЧ СЧ

где bt = Ai exp(jq>), i = 1, 2,..,Mc — модуляционные символы (комплексные амплитуды) Mc поднесущих OFDM, At и — соответственно действительная амплитуда и фаза, Af = 1/T — частотный разнос между соседними поднесу-щими частотами, T — длительность модулирующего символа.

Необходимо отметить, что для реализации дополнительной фазовой модуляции достаточно с выхода OFDM модулятора на вход КФМ подать только вещественный, а не квадратурный OFDM сигнал.

На выходе С1 напряжения (4) и (5) линейно складываются

осуществляет ПУМ сигнала с выхода ГУН.

В этом случае напряжение ПУМ иПУМ после прохождения разделительной емкости и ИНТ, на выходе ИНВ имеет следующий вид:

к

UC к = Re

X b і e xP U2ni^ft )

K

J X E c os

ФПМН осуществляет синусно-косинусное преобразование напряжения (6) на основании алгоритмов и устройств, опи-

к=1

а

г

30 40 50 60

time, use с

б

Ю--------

____________,ff \_______________________________________

11 і і 1 I 1 1 1 1 | 11 1 1 | 1 1 1 1 | 1 1 1 1 11 і і ч і і і і І і 1 1 1 I 1 1 1 1

0,91 0,92 0,93 0,94 0,95 0,96 0,97 0,98 0,99 1

freq, МГц

д

0,6-

-0,6-

-1,2-

freq, МГц

в

I I I I 1 I 1 I I I I I I I [ I I I 1 I 1

ь-* t'OWl/iO'--JOO^^p—*>-*»-*

Ь u, То Ь, ° Г -м ^

Ui Ul Ul К» 1Л -J

<^і Ul

time, use с

е

Рис. 2. Результаты моделирования процесса формирования CE-OFDM радиосигнала, при использовании КФМ на выходе OFDM модулятора: а), в), д) - спектры соответственно модулирующего OFDM сигнала (на выходе блока, выполняющего обратное быстрое преобразование Фурье (ОБПФ)); OFDM радиосигнала; CE-OFDM радиосигнала; б), г), е) - временные формы, соответственно, модулирующего OFDM сигнала (на выходе блока, выполняющего ОБПФ);

OFDM радиосигнала; CE-OFDM радиосигнала

санных в [9], при этом на выходах КП и СП напряжения соответственно имеют вид:

еКП = Ecos\mf Re

Mc

X bi exp )

i=1

JX Ek cos(Qk t+Фк )j,

Mc

X b exP {jlnibft)

i=1

- mS2 Ekcos (Qk{+Фк)[ >

m

ecn = E sin Ыф Re

k=1

где ш9 — индекс полезной фазовой модуляции.

После перемножения (1) с (7) и (2) с (8), на выходах балансных модуляторов БМ1 и БМ2 реализуются соответственно высокочастотные синфазная и квадратурная составляющие

и3 = ки1еКП = kU cos

K

*iX Ek cos

xE cos < тф Re

X b exP

K I

- miX Ek cos(Qkt+Фк)!

u4 = ku2 ecn = -kU sin

xE sin < m,„ Re

Z^ exP

- m

JZEk cos(°kt + ++

где к =1 — коэффициенты передачи балансных модуляторов. Линейно складывая (9) и (10) в С2, формируем неискаженный СБ-ОРБМ радиосигнал без ПУМ

Z b exP U2^ Aft)

,

где UC2 — постоянная амплитуда.

Из выражения (11) следует, что на выходе КФМ произведено не только формирование неискаженного CE-OFDM радиосигнала, но и скомпенсирована ПУМ СЧ с частотами, кратными частоте сравнения ИФД.

Полученные результаты моделирования процессов формирования CE-OFDM- и OFDM радиосигналов соответственно с использованием КФМ и без него (рис. 2) показывают, что при одинаковом модулирующем OFDM-воздействии (рис. 2а, б) формируются разные по спектральным (рис. 2в, д) и временным (рис. 2г, е) формам радиосигналы. В выходном сигнале на рис. 2д наблюдается симметричный относительно несущей частоты спектр без паразитной фазовой модуляции, а на рис. 2е — постоянная огибающая CE-OFDM радиосигнала без проявления паразитной амплитудной модуляции

Литература

1. Шахнович И.В. Современные технологии беспроводной связи: издание 2-е, испр. и доп.. - М.: Техносфера, 2006. - 288 с.

2. E. Costa, M. Midrio, and S. Pupolin. Impact of Amplifier Nonlinearities on OFDM Transmission System. Performance./ IEEE Commun. Lett, Feb. 1999. - V. 3. - No. 2. - PP. 37 - 39.

3. C.-D. Chung and S.-M. Cho. Constant-Envelope Orthogonal Frequency Division Multiplexing Modulation./ in Proc. APCC/OECC '99, Oct. 1999. - V. 1, Beijing. - PP. 629 - 632.

4. S.C. Thompson, J.G. Proakis, J.R. Zeidler. Constant Envelope Binary OFDM Phase Modulation./ in Proc. IEEE Milcom, Oct. 2003.

- V. 1, Boston. - PP. 621 - 626.

5. S. C. Thompson, A. U. Ahmed, J. G. Proakis, and. J. R. Zeidler. Constant Envelope OFDM Phase Modulation: Spectral Containment, Signal Space Properties and. Performance./ in Proc. IEEE MILCOM, Monterey, Nov. 2004.

6. Родионов А.Ю., Железняков Е.И. Система OFDM-4M с пассивной паузой./ Молодежь и современные информационные технологии. Сборник трудов VII Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и современные информационные технологии». Томск, 25 - 27 февраля. 2009, ч.1. - Томск: Изд-во СПБ Графикс. - С. 55, 56.

7. Федчун A.A. Способы, формирования. OFDM-радиосигнала./ Журнал радиоэлектроники - Электронный научный журнал, 2010. - № 1.

8. Попов П.А., Шерстюков С.А., Жайворонок Д.А., Ромашов В.В. Квадратурные формирователи радиосигналов. Монография./ Под ред. П.А. Попова. - Воронеж: Воронежский институт. МВД России, 2001. - 176 с.

9. Шерстюков С.А. Функциональные преобразователи модулирующего напряжения, в квадратурных формирователях радиосигналов с угловой модуляцией. Монография. - Воронеж: Научная, книга, 2010. - 207 с.