ЦИФРОВОЙ OFDM ДЕМОДУЛЯТОР С ДЕЦИМАЦИЕЙ ЧАСТОТЫ ДИСКРЕТИЗАЦИИ
DIGITAL DEMODULATOR OFDM WITH SAMPLE FREQUENCY DECIMATION

Изобретение относится к области радиотехники, к широкополосным системам связи с использованием ортогонального частотного разделения со многими поднесущими (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing - OFDM), а именно к цифровым OFDM демодуляторам с децимацией частоты дискретизации, и может применяться в многопользовательских системах фиксированной или мобильной связи на основе технологий OFDM.
n
Наиболее близким к заявленному изобретению является цифровой OFDM демодулятор, описанный в патенте US 7289765 B2, который содержит последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь, синфазный (I) и квадратурный (Q) каналы, выполненные идентично и состоящие из последовательно соединенных перемножителей, первые входы которых соединены с аналого-цифровым преобразователем, цифровых фильтров нижних частот с конечной импульсной характеристикой и дециматоров, цифровой генератор опорных колебаний промежуточной частоты, выход которого подключен к другому входу перемножителя I канала и через фазовращатель на 90 градусов - к другому входу перемножителя Q канала, а выходы дециматоров соединены с преобразователем из последовательных OFDM символов в параллельные с отбрасыванием защитного интервала, блок прямого быстрого преобразования Фурье (Fast Fourier Transform - FFT) размерности N=2 (где на практике, как правило, n=6…13), преобразователь из параллельных символов данных в последовательные. Данный цифровой OFDM демодулятор выбран в качестве прототипа заявленного изобретения.
m
n
Цифровой OFDM демодулятор-прототип работает следующим образом. С выхода аналого-цифрового преобразователя цифровой сигнал промежуточной частоты fпр подают на первые входы перемножителей I и Q каналов, тогда как на вторые их входы подают сдвинутые относительно друг друга на 90 градусов сигналы цифрового опорного генератора промежуточной частоты. С выхода перемножителей I и Q каналов соответственно действительную и мнимую составляющие комплексного сигнала подают на вход цифровых фильтров нижних частот, в которых подавляют спектры сигналов зеркальных частот цифрового сигнала. Далее квадратурные составляющие цифрового сигнала поступают на соответствующие входы дециматоров I и Q каналов, в которых понижают частоту дискретизации fд в L=2 раз (где m - целое положительное число). В результате на выходах этих дециматоров получают сигналы, которые имеют сумму спектров зеркальных частот с периодом fд/L и поступают на преобразователь последовательных OFDM символов в параллельные с отбрасыванием защитного интервала в начале OFDM символа, который является копией некоторой его заключительной части. Сформированный таким образом I и Q спектр OFDM символа на видеочастоте поступает на N-входовый блок FFT размерности N=2. На выходе блока FFT некоторое количество отсчетов K, со скоростью потока данных В/K бит/с в каждом, подают на преобразователь из параллельных символов в последовательные, на выходе которого формируют выходной поток данных со скоростью В бит/с. Отношение K/N определяет защитный интервал и выбирается порядка 0,7-0,8, что является достаточным для подавления вредных краевых эффектов на концах спектра. Остальные N-K выходов блока FFT отбрасывают.
2
Применение дециматоров I и Q повышает требования к амплитудно-частотной характеристике канальных цифровых фильтров нижних частот за счет соответствующего повышения порядка фильтров. На Фиг. 1 показаны спектры FFT сигналов до (а) и после (б) децимации при L=2=4.
Недостатком схемы цифрового OFDM демодулятора-прототипа с децимацией частоты дискретизации является его аппаратная сложность, обусловленная повышением порядка канальных цифровых фильтров нижних частот и реализацией дециматоров I и Q каналов, увеличивающаяся с ростом L.
m
Техническим результатом заявленного изобретения является создание цифрового OFDM демодулятора с децимацией частоты дискретизации с более простой конструкцией с меньшим числом дискретных логических элементов (вентилей), а также с меньшей потребляемой мощностью, за счет понижения порядка канальных цифровых фильтров I и Q и исключения из конструкции дециматоров I и Q каналов, при этом реализации операции децимации сигнала в блоке FFT (прямого быстрого преобразования Фурье) увеличенной размерности? равной NL, где L=2, при этом блок FFT выполнен с возможностью формирования параллельного потока данных на K выходах, а его другие NL-K выходы не задействованы. Диаграмма, характеризующая распределение «информационных» и «отбрасываемых» выходов блока FFT, показана на Фиг. 2. N значений FFT сигнала размерности NL, взятые по краям, в соответствии со свойством прямого преобразования Фурье совпадают с соответствующими значениями FFT сигнала размерности N за вычетом значений остальных N(L-1) частотных «зеркальных» отсчетов, которые отбрасываются и не попадают в спектр «информационных» отсчетов как при децимации на входе блока FFT.
С учетом того, что число «отбрасываемых» выходов блока FFT составляет не менее половины от его размерности, реализация блока FFT размерности NL усложняется незначительно относительно выигрыша, к которому приводит понижение порядка канальных цифровых фильтров и исключение канальных дециматоров. Обычно на практике L выбирается равной 4 или 8. При этом наибольшая эффективность достигается в случае L=2.
Заявленный технический результат выполнен за счет создания цифрового OFDM демодулятора с децимацией частоты дискретизации, содержащего аналого-цифровой преобразователь, выход которого соединен со входами синфазного I и квадратурного Q каналов, выполненных идентично и состоящих из двух последовательно соединенных перемножителей I и Q каналов, первые входы которых соединены с аналого-цифровым преобразователем, и двух цифровых фильтров нижних частот с конечной импульсной характеристикой I и Q каналов, при этом выход цифрового генератора опорных колебаний промежуточной частоты подключен к второму входу перемножителя I канала и через фазовращатель на 90 градусов к второму входу перемножителя Q канала, а выходы цифровых фильтров нижних частот I и Q каналов соединены с входом преобразователя из последовательных OFDM символов в параллельные с отбрасыванием защитного интервала, выход которого соединен со входом блока FFT (прямого быстрого преобразования Фурье), выход которого соединен со входом преобразователя из параллельных символов данных в последовательные, причем аналого-цифровой преобразователь выполнен с возможностью получения на входе сигнала в аналоговой форме на промежуточной частоте с выхода внешнего высокочастотного блока, а также с возможностью формирования действительного цифрового сигнала и подачи его на входы перемножителей I и Q каналов, выполненных с возможностью переноса спектра OFDM сигнала с промежуточной частоты на видеочастоту с помощью генератора и фазовращателя, которые выполнены с возможностью формирования сдвинутых на 90 градусов относительно друг друга cos и sin составляющие опорного колебания на промежуточной частоте в цифровой форме, при этом перемножители I и Q каналов выполнены с возможностью параллельной подачи действительной и мнимой составляющих комплексного OFDM сигнала на соответствующие цифровые фильтры нижних частот с конечной импульсной характеристикой I и Q каналов, выполненных с возможностью предварительной фильтрации или коррекции OFDM сигнала перед подачей на преобразователь 8 последовательных OFDM символов в параллельные с отбрасыванием защитного интервала в начале OFDM символа, представляющего собой копию заключительной части OFDM символа.
В предпочтительном варианте осуществления цифрового OFDM демодулятора размерность блока FFT равна NL, где L=2m, N=2n, n обычно принимает значения от 6 до 13, a m - целое положительное число, при этом блок FFT выполнен с возможностью формирования параллельного потока данных на K выходах, а его другие NL-K выходы не задействованы.
Для лучшего понимания заявленного изобретения далее приводится его подробное описание с соответствующими графическими материалами.
2
Фиг. 1. Спектры FFT сигналов до (а) и после (б) децимации при L=2=4, выполненная согласно прототипу.
Фиг. 2. Диаграмма распределения «информационных» и «отбрасываемых» выходов блока FFT, выполненная согласно изобретению.
Фиг. 3. Блок-схема цифрового OFDM демодулятора с децимацией частоты дискретизации, выполненная согласно изобретению.
Элементы:
1 - аналого-цифровой преобразователь;
2 - перемножитель I канала;
3 - перемножитель Q канала;
4 - цифровой генератор опорных колебаний промежуточной частоты;
5 - фазовращатель на 90 градусов;
6 - цифровой фильтр нижних частот I канала;
7 - цифровой фильтр нижних частот Q канала;
8 - преобразователь из последовательных OFDM символов в параллельные;
9 - блок FFT;
10 - преобразователь из параллельных символов данных в последовательные.
n+m
Рассмотрим более подробно функционирование заявленного цифрового OFDM демодулятора с децимацией частоты дискретизации (Фиг. 3), который содержит аналого-цифровой преобразователь 1, перемножители 2-3 I и Q каналов, цифровой генератор 4 опорных колебаний промежуточной частоты fпр, фазовращатель 5 на 90 градусов, цифровые фильтры нижних частот 6 и 7 с конечной импульсной характеристикой I и Q каналов, преобразователь 8 из последовательных символов в параллельные с удалением защитного интервала OFDM символа, блок 9 FFT размерностью 2 и преобразователь 10 из параллельных символов в последовательные.
n+m
n+m
Заявленный цифровой OFDM демодулятор работает следующим образом. С выхода высокочастотного блока сигнал в аналоговой форме на промежуточной частоте fпр поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 1. Далее действительный цифровой сигнал подается на перемножители 2 и 3 I и Q каналов, где происходит перенос спектра OFDM сигнала с промежуточной частоты fпр на видеочастоту с помощью генератора 4 и фазовращателя 5, которые формируют сдвинутые на 90 градусов относительно друг друга cos и sin составляющие опорного колебания на промежуточной частоте fпр в цифровой форме. Затем действительная и мнимая составляющие комплексного OFDM сигнала подаются параллельно на соответствующие цифровые фильтры нижних частот 6 и 7 с конечной импульсной характеристикой I и Q каналов. В этих фильтрах может быть осуществлена предварительная фильтрация или коррекция OFDM сигнала перед подачей на преобразователь 8 последовательных OFDM символов в параллельные с отбрасыванием защитного интервала в начале OFDM символа, представляющего собой копию заключительной части OFDM символа. С K выходов блока 9 FFT размерностью 2 K потоков данных со скоростью В/K бит/с поступают на преобразователь 10 параллельных символов в последовательные, на выходе которого формируется выходной поток данных со скоростью В бит/с, а другие 2 - K выходов блока 9 FFT отбрасываются.
m
Сущность заявленного изобретения заключается в создании цифрового OFDM демодулятора с децимацией частоты дискретизации, содержащего последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь, синфазный (I) и квадратурный (Q) каналы, выполненные идентично и состоящие из последовательно соединенных перемножителей, первые входы которых соединены с аналого-цифровым преобразователем, и цифровых фильтров нижних частот с конечной импульсной характеристикой, цифровой генератор опорных колебаний промежуточной частоты, выход которого подключен к другому входу перемножителя 1 канала и через фазовращатель на 90 градусов - к другому входу перемножителя Q канала, а выходы цифровых фильтров нижних частот соединены с преобразователем из последовательных OFDM символов в параллельные с отбрасыванием защитного интервала, блок прямого быстрого преобразования Фурье, размерность которого увеличена в 2 раз, преобразователь из параллельных символов данных в последовательные.
Изобретение может быть осуществлено на соответствующей элементной базе по типовым технологиям.
Хотя описанный выше вариант выполнения изобретения был изложен с целью иллюстрации заявленного изобретения, специалистам ясно, что возможны разные модификации, добавления и замены, не выходящие из объема и смысла заявленного изобретения, раскрытого в прилагаемой формуле изобретения.