УСТРОЙСТВО ПРИЕМА И ПЕРЕДАЧИ OFDM-СИГНАЛОВ С ПОВЫШЕННОЙ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬЮ
DEVICE TO RECEIVE AND SEND OFDM-SIGNALS WITH HIGH NOISE IMMUNITY

Изобретение относится к области телекоммуникаций, к системам многоканальной связи с ортогональным разделением поднесущих (OFDM) и может найти применение в организации беспроводных дуплексных каналов связи.
На современном этапе развития систем связи наиболее перспективными являются технологии, основанные на OFDM и используемые в большинстве систем радиодоступа нового поколения.
В существующих телекоммуникационных системах, использующих OFDM-сигналы и работающих, например, в стандартах DVB-T, Wi-MAX и других, обеспечение надежной транзакции цифровых данных при наличии многолучевости и возникающих вследствие этого замираний в канале связи возможно при среднем отношении сигнал-шум, как правило, не менее 8-12 дБ, за пределами которого прием информационных сообщений становится фактически невозможным, благодаря отсутствию синхронизации передатчика и приемника в частотной области, а также коррекции параметров канала передачи.
В практике эксплуатации систем связи возникают ситуации, когда в рассмотренной выше сложной помеховой обстановке необходимо обеспечить передачу особо ценной информации, например сигналы бедствия и географические координаты объекта, терпящего крушение, сигналы запроса связи по дополнительному каналу и т.п.
Предлагаемое устройство направлено на обеспечение возможности надежной связи между приемником и передатчиком OFDM-сигналов при функционировании в условиях предельно низких отношений сигнал-шум за счет использования дополнительной псевдослучайной фазовой модуляции поднесущих OFDM-сигнала в передатчике с последующей демодуляцией в приемнике с возможностью адаптации скорости передачи информации к помеховой обстановке, которая производится за счет выбора модулирующей псевдослучайной последовательности с различным периодом повторения.
Известно устройство «Adaptive rate for OFDM communication system - Адаптация скорости передачи данных для OFDM связи» (патент US 7164649 от 16.01.2007) того же назначения, что и предлагаемое изобретение, состоящее из первого и второго трансиверов.
Первый трансивер состоит из источника сообщений (Data Source), процессора передатчика (ТХ Data Processor), модулятора (Modulator), приемопередатчика (TMTR/RCVR), антенны, демодулятора (Demodulator), процессора приемника (RX Data Processor), блока управления (Controller) и блока памяти (Memory), выход источника сообщений (Data Source) подсоединен к первому входу процессора передатчика (ТХ Data Processor), выход которого подсоединен к первому входу модулятора (Modulator), выход которого подключен ко входу приемопередатчика (TMTR/RCVR), соединенного с антенной, а выход приемопередатчика (TMTR/RCVR) подключен ко входу демодулятора (Demodulator), первый выход которого подсоединен ко входу процессора приемника (RX Data Processor), а второй выход - ко входу блока управления (Controller), соединенного с блоком памяти (Memory), первый выход блока управления (Controller) соединен со входом источника сообщений (Data Source) и с первым входом процессора передатчика (ТХ Data Processor), второй выход блока управления (Controller) соединен со вторым входом процессора передатчика (ТХ Data Processor) и с третьим входом модулятора (Modulator), причем процессор передатчика (ТХ Data Processor) состоит из кодера (Encoder), вход которого является первым входом процессора передатчика (ТХ Data Processor), а выход соединен с первым входом канального перемежителя (Channel Interleaver), второй вход которого является вторым входом, а выход - выходом процессора передатчика (ТХ Data Processor), модулятор (Modulator) состоит из символьного мэппера (Symbol Mapping), первый вход которого является первым входом модулятора (Modulator), второй вход - вторым входом модулятора (Modulator), а выход соединен со входом блока обратного Фурье преобразования (IFFT), выход которого соединен со входом генератора циклического префикса (Cyclic Prefix Generator), выход которого является выходом модулятора (Modulator).
Второй трансивер состоит из приемопередатчика (TMTR/RCVR), антенны, демодулятора (Demodulator), процессора приемника (RX Data Processor), получателя сообщений (Data Sink), процессора передатчика (ТХ Data Processor), модулятора (Modulator), блока управления (Controller) и блока памяти (Memory), выход приемопередатчика (TMTR/RCVR), соединенного с антенной, подключен ко входу демодулятора (Demodulator), первый выход которого соединен со входом процессора приемника (RX Data Processor), а второй выход - с первым входом блока управления (Controller), соединенного с блоком памяти (Memory), первый выход процессора приемника (RX Data Processor) соединен со входом получателя сообщений (Data Sink), а второй выход - со вторым входом блока управления (Controller), выход которого соединен со входом процессора передатчика (ТХ Data Processor), выход которого подключен ко входу модулятора (Modulator), выход которого подключен ко входу приемопередатчика (TMTR/RCVR), причем демодулятор (Demodulator) состоит из блока удаления циклического префикса (Cyclic Prefix Removal), вход которого соединен со входом блока оценки отношения сигнал-шум (SNR Estimation) и является входом демодулятора (Demodulator), а выход блока удаления циклического префикса (Cyclic Prefix Removal) подсоединен ко входу блока прямого Фурье преобразования (FFT), первый выход которого подсоединен ко входу демодуляционного элемента (Demod Element), первый выход которого является первым выходом демодулятора (Demodulator), второй выход блока прямого Фурье преобразования (FFT) подсоединен ко входу блока оценки частотной и временной селекции (FS and TS Estimation), выходы блока оценки отношения сигнал-шум (SNR Estimation), блока оценки частотной и временной селекции (FS and TS Estimation) и второй выход демодуляционного элемента (Demod Element) объединены в общий второй выход демодулятора (Demodulator), процессор приемника (RX Data Processor) состоит из деинтерливера (Deinterleaver), вход которого является входом процессора приемника (RX Data Processor), выход деинтерливера (Deinterleaver) соединен с первым входом декодера (Decoder), первый и второй выходы которого соответственно являются первым и вторым выходами процессора приемника (RX Data Processor).
Недостатком данного устройства является существенная задержка приема данных при предельно низких отношениях сигнал-шум, при этом первично переданная информация теряется.
Известно устройство приема и передачи данных в OFDM-системе при наличии помех [1], стр.34, того же назначения, что и предлагаемое изобретение, состоящее из последовательно соединенных: помехоустойчивого кодера-перемежителя (Error Correction Coding and Interleaving), вход которого является входом устройства, символьного мэппера (Symbol Mapping), блока формирования пилот-сигналов (Pilot Symbol Insertion), параллельно-последовательного преобразователя (Serial-to-parallel), блока вычисления обратного преобразования Фурье (OFDM Modulation via IFFT), блока вставки защитного интервала (СР), блока цифроаналогового преобразования (DAC), I/Q-модулятора-преобразователя частоты (I/Q-Modulation and Up-Conversion), передающей антенны, последовательно соединенных: приемной антенны, I/Q-демодулятора-преобразователя частоты (Down-Conversion and I/Q-Demodulation), блока аналого-цифрового преобразования (ADC), блока удаления защитного интервала (СР), блока вычисления прямого преобразования Фурье (OFDM Demodulation via FFT), последовательно-параллельного преобразователя (Parallel-to-Serial), блока оценки и коррекции параметров канала (Channel Estimation Based on Pilot Symbols), символьного демэппера (Symbol Demapping), помехоустойчивого декодера-деперемежителя (Error Correction Decoding and Deinterleaving), выход которого является выходом устройства. По схожести большинства признаков данное устройство выбрано за прототип.
Недостатком данного устройства является то, что в нем не ставится и не решается задача обеспечения возможности передачи данных при предельно низких отношениях сигнал-шум с минимальной задержкой.
Сущностью изобретения является устройство приема и передачи OFDM-сигналов с повышенной помехоустойчивостью, реализуемое посредством использования псевдослучайной модуляции поднесущих.
Сопоставимый анализ с прототипом показывает, что предлагаемое устройство отличается от прототипа наличием новых элементов: блока псевдослучайной фазовой модуляции поднесущих, фазового демодулятора поднесущих, блока вычисления отношения сигнал-шум и новых связей: входа и выхода данных сигнализации устройства, выход блока формирования пилот-сигналов подсоединен к первому входу блока псевдослучайной фазовой модуляции поднесущих, выход которого соединен со входом блока вычисления обратного преобразования Фурье, первый вход фазового демодулятора подсоединен к выходу блока вычисления прямого преобразования Фурье, вход блока вычисления отношения сигнал-шум подсоединен ко входу I/Q-демодулятора-преобразователя частоты, а выход - ко второму входу блока псевдослучайной фазовой модуляции поднесущих и ко второму входу фазового демодулятора поднесущих, третий вход блока псевдослучайной фазовой модуляции поднесущих является входом данных сигнализации устройства, а выход фазового демодулятора поднесущих является выходом данных сигнализации устройства, причем фазовый демодулятор поднесущих является корреляционным.
Следовательно, устройство удовлетворяет критерию «новизна».
Достигаемый технический результат заключается в обеспечении возможности надежной передачи сигнализационных сообщений по OFDM-каналу в условиях предельно низких отношений сигнал-шум с задержкой не более одного символа с адаптацией скорости передачи к помеховой обстановке.
Сравнение с другими техническими решениями показывает, что в предлагаемом устройстве обеспечена возможность низкоскоростной передачи данных при малых, предельно возможных значениях отношения сигнал-шум и увеличена точность временной синхронизации приемника.
Изобретение поясняется следующими графическими материалами:
фиг.1 - функциональная схема устройства передачи OFDM-сигналов с повышенной помехоустойчивостью;
фиг.2 - функциональная схема блока псевдослучайной фазовой модуляции поднесущих;
фиг.3 - функциональная схема фазового демодулятора поднесущих.
Устройство приема и передачи OFDM-сигналов с повышенной помехоустойчивостью (фиг.1) состоит из последовательно соединенных: кодера-перемежителя 1, вход которого является входом устройства, символьного мэппера 2 и блока формирования пилот-сигналов 3, последовательно соединенных: блока псевдослучайной фазовой модуляции поднесущих 4, блока вычисления обратного преобразования Фурье 5, блока вставки защитного интервала 6, блока цифроаналогового преобразования 7, I/Q-модулятора-преобразователя частоты 8 и передающей антенны 9, последовательно соединенных: приемной антенны 10, I/Q-демодулятора - преобразователя частоты 11, блока аналого-цифрового преобразования 12, блока вычисления прямого преобразования Фурье 13, блока оценки и коррекции параметров канала 15, символьного демэппера 16 и помехоустойчивого декодера-деперемежителя 17, выход которого является информационным выходом устройства, блока вычисления отношения сигнал-шум 18 и фазового демодулятора поднесущих 14, причем выход блока формирования пилот-сигналов 3 подсоединен к первому входу блока псевдослучайной фазовой модуляции поднесущих 4, выход блока вычисления прямого преобразования Фурье 13 соединен с первым входом фазового демодулятора поднесущих 14, вход блока вычисления отношения сигнал-шум 18 подсоединен ко входу I/Q-демодулятора - преобразователя частоты 11, а выход - ко второму входу блока псевдослучайной фазовой модуляции поднесущих 4 и ко второму входу фазового демодулятора поднесущих 14, третий вход блока псевдослучайной фазовой модуляции поднесущих 4 является входом данных сигнализации устройства, а выход фазового демодулятора поднесущих 14 является выходом данных сигнализации устройства.
Устройство приема и передачи OFDM-сигналов с повышенной помехоустойчивостью работает следующим образом (фиг.1). При идентификации предельно низкого отношения сигнал-шум блоком 18 символьный мэппер 2 производит генерацию фиксированного, заранее известного OFDM-символа, передача которого не осуществляется при работе устройства в штатной помеховой обстановке.
Бинарные цифровые данные {0,1} поступают на информационный вход помехоустойчивого кодера - перемежителя 1, где производится их помехоустойчивое кодирование, перемежение и битовая перекомпоновка в зависимости от размера алфавита модуляции QAM. Далее кодированная информация поступает в символьный мэппер 2, где производится QAM-модуляция информационных поднесущих передаваемого OFDM-символа, результатом которой является последовательность комплексных амплитуд, которая подается в блок формирования пилот-сигналов 3, в котором осуществляется модуляция пилотных поднесущих.
С выхода блока формирования пилот-сигналов 3 последовательность комплексных амплитуд поступает в блок 4, где производится фазовая модуляция каждой поднесущей элементами бинарной псевдослучайной последовательности, причем каждая поднесущая модулируется одним элементом. Знак сдвига фазы каждой поднесущей определяется элементом псевдослучайной последовательности и сигнализационным сообщением, поступающим на третий вход блока псевдослучайной фазовой модуляции поднесущих 4.
Один бит сигнализационного сообщения модулирует количество поднесущих OFDM-символа, равное периоду модулирующей псевдослучайной последовательности, период повторения которой определяется по сигналу блока вычисления отношения сигнал-шум 18. В случае наихудшей помеховой обстановки на один бит сигнализационного сообщения передается один OFDM-символ.
С выхода блока псевдослучайной фазовой модуляции поднесущих 4 последовательность комплексных амплитуд поднесущих поступает в блок вычисления обратного преобразования Фурье 5, с выхода которого снимается последовательность временных дискретных отсчетов квадратурных компонент передаваемого OFDM-символа. В блоке вставки защитного интервала 6 в сформированный OFDM-символ добавляется циклический префикс (защитного интервал), после чего дискретные отсчеты подаются на блок цифроаналогового преобразования 7, где производится преобразование квадратурных компонент сигнала в аналоговую форму. В I/Q-модуляторе - преобразователе частоты 8 производится перенос спектра OFDM-сигнала на требуемую несущую частоту в соответствии с заданным частотным диапазоном, после чего он усиливается и излучается в эфир через передающую антенну 9.
С приемной антенны 10 принимаемый OFDM-сигнал поступает на вход I/Q-демодулятора-преобразователя частоты 11, в котором производится предварительная частотная селекция, усиление и перенос спектра сигнала на нулевую частоту с выделением квадратурных компонент I и Q, которые затем последовательно подаются в блок аналого-цифрового преобразования 12, где производится их периодическая дискретизация и преобразование в цифровую форму, и блок вычисления прямого преобразования Фурье 13, на выходе которого формируются комплексные амплитуды поднесущих принимаемого OFDM-символа.
В фазовом демодуляторе поднесущих 14 производится восстановление передаваемой сигнализационной информации посредством вычисления взаимокорреляционной функции между фазой сигнала, являющегося продуктом произведения входного OFDM-сигнала на комплексно сопряженный опорный, заранее известный OFDM-сигнал и опорной бинарной псевдослучайной последовательностью, аналогичной формируемой в блоке псевдослучайной фазовой модуляции поднесущих 4.
С выхода блока вычисления прямого преобразования Фурье 13 последовательность комплексных амплитуд поднесущих поступает в блок оценки и коррекции параметров канала 15, где производится оценка и компенсация искажений частотного спектра по пилот-сигналам, в символьный демэппер 16, где производится восстановление цифровой информации из параметров комплексных амплитуд OFDM-символа, и помехоустойчивый декодер-деперемежитель 17, выполняющий операцию декомпоновки, обратного перемежения и помехоустойчивого декодирования, с выхода которого снимаются принимаемые бинарные цифровые данные.
Блок вычисления отношения сигнал-шум 18 формирует значение, пропорциональное величине мощности помехи, содержащейся во входном сигнале и используемое для выбора длины псевдослучайной последовательности в блоке псевдослучайной фазовой модуляции поднесущих 4 и фазовом демодуляторе поднесущих 14.
Помехоустойчивый кодер-пермежитель 1 может быть реализован в виде последовательно соединенных блоков: внешнего кодера (Outer Coder), внешнего перемежителя (Outer Interleaving), внутреннего сверточного кодера (Inner Coding) и внутреннего перемежителя (Inner Interleaving), являющихся составной частью известного устройства, описанного в [2] на стр.58.
Символьный мэппер 2 является известным устройством и выполняет функцию QAM-модулятора поднесущих OFDM-символа и может быть выполнен, например, в виде постоянного запоминающего устройства, на адресный вход которого подается модулирующая информационная битовая последовательность, а с младшей и старшей разрядных частей выхода данных снимаются значения мнимой и действительной части комплексной амплитуды. Для каждой информационной поднесущей формируется комплексная амплитуда в зависимости от режима передачи в соответствии с диаграммами, приведенными в [3], стр.21.
Блок формирования пилот сигналов 3 предназначен для модуляции пилотных поднесущих и может быть выполнен, например, в виде постоянного запоминающего устройства, на вход адреса которого подается частотная позиция пилотной поднесущей, а с младшей и старшей разрядных частей выхода данных снимаются значения мнимой и действительной части комплексной амплитуды. Для каждой пилотной поднесущей формируется комплексная амплитуда. Частотные позиции пилотных поднесущих и их комплексные амплитуды определяются в соответствии с алгоритмом, приведенным в [3], стр.27-28.
Блок вычисления обратного преобразования Фурье 5 является известным устройством и выполняет функцию преобразования OFDM-символа из частотной во временную область.
Блок вставки защитного интервала 6 является известным устройством и выполняет функцию формирования циклических префиксов между OFDM-символами во временной области, и может быть реализован в соответствии со стандартом DVB-T [3], стр.26.
I/Q-модулятор-преобразователь частоты 8 выполняет функцию балансного смешения квадратурных компонент с переносом спектра сигнала на несущую частоту, является известным радиотехническим устройством, описанным, например, в [4], стр.27, Figure 2.4 (а), и состоит из первого и второго умножителей, выходы которых подключены ко входам сумматора, выход которого является выходом I/Q-модулятора, первый вход первого умножителя является входом для подачи синфазного сигнала, а второй вход подсоединен к синфазному источнику гармонического колебания, первый вход второго умножителя является входом для подачи квадратурного сигнала, а второй вход подсоединен к квадратурному источнику гармонического колебания.
Блоки цифроаналогового преобразования 7 и аналого-цифрового преобразования 12, а также передающая 9 и приемная 10 антенны являются известными радиотехническими устройствами.
I/Q-демодулятор-преобразователь частоты 11 выполняет функцию переноса спектра входного OFDM-сигнала на несущую частоту с выделением квадратурных компонент, частотной селекции и усиления, и является известным радиотехническим устройством, описанным, например, в [4], стр.27, Figure 2.4 (b), и состоит из первого умножителя, соединенного со входом первого фильтра, второго умножителя, соединенного со входом второго фильтра, первые входы первого и второго умножителей соединены и являются входом I/Q-демодулятора-преобразователя частоты 11, а вторые входы первого и второго умножителей подсоединены к источникам синфазного и квадратурного гармонического колебания соответственно, выходы первого и второго фильтров соответственно являются синфазным и квадратурным выходами I/Q-демодулятора-преобразователя частоты 11.
Блок вычисления прямого преобразования Фурье 13 предназначен для вычисления комплексных амплитуд поднесущих принимаемого OFDM-символа и является известным устройством.
Блок оценки и коррекции параметров канала 15 выполняет функцию оценки и компенсации искажений частотного спектра OFDM-символа по пилот-сигналам и может быть выполнен, например, в виде одноименного устройства, описанного в [5], стр.38, состоящего из блока идентификации символа (Symbol No), последовательно соединенных блока выбора пилотных поднесущих (Pilots), блока оценки инверсной частотной характеристики канала (Equalizing Coefficients), блока скользящего усреднения (Moving Average), блока интерполяции (Interpolator) и комплексного умножителя, выход которого является выходом устройства, причем выход блока идентификации символа соединен со вторым входом блока выбора пилотных поднесущих, а вход блока идентификации символа соединен с первым входом блока выбора пилотных поднесущих и вторым входом комплексного умножителя и является входом устройства.
Символьный демэппер 16 является известным устройством и выполняет функцию восстановления цифровой битовой информации из параметров комплексных амплитуд OFDM-символа и может быть реализован, например, в виде постоянного запоминающего устройства, причем старшая часть входа адреса является входом действительной, а младшая - мнимой составляющей амплитуды комплексной поднесущей, а выход является выходом демэппера 16. Кодирование постоянного запоминающего устройства осуществляется в соответствии со схемой, приведенной в [3], стр.21, fig. 9a, где данным на мнимой и действительной осях диаграммы соответствует демодулируемая информации в зависимости от режима передачи.
Помехоустойчивый декодер-деперемежитель 17 может быть реализован в виде последовательно соединенных блоков: внутреннего деинтерливера (Inner Deinterleaving), внутреннего сверточного декодера (Inner Decoding), внешнего деинтерливера (Outer Deinterleaver) и внешнего декодера (Outer Decoder), являющихся составной частью известного устройства, описанного в [2] на стр.58.
Блок вычисления отношения сигнал-шум 18 выполняет функцию анализа помеховой обстановки в канале. С его выхода снимается сигнал, пропорциональный величине оценки отношения сигнал-шум. Блок 18 может быть реализован в виде известного «Панорамного цифрового радиоприемного устройства», описанного в [6], стр.51 и состоящего из усилительно-преобразовательного тракта, тракта цифровой обработки сигналов, устройства управления и отображения, последовательно соединенных синтезатора частот и опорного генератора и вторичного источника питания, причем первый вход усилительно-преобразовательного тракта является входом устройства, выход усилительно-преобразовательного тракта подключен к первому входу тракта цифровой обработки сигналов, выход которого подключен ко входу устройства управления и отображения, первый выход которого подключен ко второму входу тракта цифровой обработки сигналов, второй выход подключен ко второму входу синтезатора частот, а третий - является выходом устройства, первый выход синтезатора частот подсоединен ко второму входу усилительно-преобразовательного тракта, второй выход синтезатора частот подсоединен к третьему входу тракта цифровой обработки сигналов, а вторичный источник питания подсоединен ко входам питания всех блоков устройства.
Блок псевдослучайной фазовой модуляции поднесущих 4 может быть реализован в виде постоянного запоминающего устройства 19, генератора псевдослучайной последовательности с загрузкой коэффициентов 20, элемента «исключающего ИЛИ» 21, блока вычисления (2х-1)j (22) и комплексного умножителя 23, вход адреса постоянного запоминающего устройства 19 является вторым входом блока псевдослучайной фазовой модуляции поднесущих 4, выход данных постоянного запоминающего устройства 19 подсоединен ко входу генератора псевдослучайной последовательности с загрузкой коэффициентов 20, выход которого подсоединен к первому входу элемента «исключающего ИЛИ» 27, второй вход которого является третьим входом блока псевдослучайной фазовой модуляции поднесущих 4, а выход подсоединен ко входу блока вычисления (2x-1)j (22), выход которого соединен со вторым входом комплексного умножителя 23, первый вход которого является первым входом, выход - выходом блока псевдослучайной фазовой модуляции поднесущих 4.
0
0,k
Блок псевдослучайной фазовой модуляции поднесущих 4 работает следующим образом. Дискретная величина, пропорциональная уровню помех в канале, снимаемая с выхода блока вычисления отношения сигнал-шум 18, поступает на вход адреса постоянного запоминающего устройства 19, в котором содержатся бинарные коэффициенты полиномов, модулирующих псевдослучайную последовательность {ξ} с заданным периодом повторения. С выхода данных постоянного запоминающего устройства 19 коэффициенты порождающего полинома псевдослучайной последовательности подаются на вход генератора псевдослучайной последовательности с загрузкой коэффициентов 20, который синхронно с поступлением сигнализационного бинарного сообщения на второй вход элемента «исключающего ИЛИ» 21 и комплексных амплитуд поднесущих OFDM-символа на первый вход комплексного умножителя 23 вырабатывает отсчеты псевдослучайной последовательности {ξ}, последовательно поступающие на первый вход элемента «исключающего ИЛИ» 21. На выходе блока вычисления (2x-1)j формируется модулированная сигнализационным сообщением последовательность {j, -j}, которая подается на комплексный умножитель 23, с выхода которого снимаются комплексные амплитуды модулированных поднесущих OFDM-символа
,
i,k
i,k
0,k
i
i
0,k
S
S
где, ξ - отсчеты псевдослучайной последовательности, модулирующей поднесущие i-го OFDM-символа, причем ξ=ξI, где I - информационный символ сигнализации; ξ - отсчеты опорной псевдослучайной последовательности;  - комплексная амплитуда k-ой поднесущей OFDM-символа; N - количество поднесущих; T - длительность OFDM-символа, T=NT; Т - период дискретизации.
0
В результате, последовательность пилотных поднесущих модулируется по фазе с индексом π/2 неинвертированной псевдослучайной последовательностью ({ξ}), если в сигнализационном сообщении передается единичный и инвертированный  - если нулевой символ. По завершении периода псевдослучайной последовательности подается следующий бит сигнализационного сообщения, и далее процесс повторяется до достижения максимального индекса поднесущей в OFDM-символе. Со следующего символа генератор псевдослучайной последовательности сбрасывается в исходное состояние. С увеличением уровня помех в канале увеличивается и длина псевдослучайной последовательности посредством выбора из постоянного запоминающего устройства 19 коэффициентов соответствующего полинома и загрузки их в генератор с загрузкой коэффициентов 20.
Генератор псевдослучайной последовательности с загрузкой коэффициентов 20 является известным устройством и может быть реализован, например, в виде регистра сдвига с обратными связями, как предложено в [7], стр.54.
p
11
9
10
7
9
5
8
6
5
4
7
6
6
5
5
3
2
Длина псевдослучайной последовательности составляет 2-1, где р - разрядность регистра сдвига. Например, могут использоваться последовательности с длинами N=2047, 1023, 511, 255, 127, 63, 31. Разрядность сдвигового регистра при этом составит соответственно p=log(N+1)=11, 10, 9, 8, 7, 6, 5. Соответствующие двоичные коэффициенты обратной связи могут быть описаны неприводимыми полиномами: х+х+1; х+х+1; x+x+1; x+x+x+x+1; x+x+1; x+x+1; x+x+1.
Фазовый демодулятор поднесущих 14 может быть реализован в виде последовательно соединенных постоянного запоминающего устройства 24, вход которого является вторым входом фазового демодулятора поднесущих 14, генератора псевдослучайной последовательности с загрузкой коэффициентов 25 и первой цифровой линии задержки 26, первого комплексного умножителя 27, первый вход которого является первым входом фазового демодулятора поднесущих 14, второй вход соединен с источником комплексно сопряженного опорного OFDM-сигнала, а выход подсоединен ко входу фазового детектора 28, выход которого соединен с первыми входами каждого из М корреляционных каналов 29, вторые входы которых соединены с выходом первой цифровой линии задержки 26, а выходы корреляционных каналов 29 подсоединены ко входам вычислителя максимума 33, выход которого соединен со входом компаратора нуля 34, выход которого является выходом фазового демодулятора поднесущих 14, причем каждый из М корреляционных каналов 29 имеет идентичную структуру и состоит из второй цифровой линии задержки 30, вход которой является первым входом корреляционного канала 29, а выход соединен с первым входом второго комплексного умножителя 31, второй вход которого является вторым входом корреляционного канала 29, а выход второго комплексного умножителя 31 соединен со входом накапливающего сумматора 32, выход которого является выходом корреляционного канала 29.
0,k
Фазовый демодулятор поднесущих 14 работает следующим образом. Дискретная величина, пропорциональная уровню помех в канале, снимаемая с выхода блока вычисления отношения сигнал-шум 18, поступает на вход адреса постоянного запоминающего устройства 24, в котором содержатся бинарные коэффициенты полиномов, модулирующих псевдослучайную последовательность с заданным периодом повторения. С выхода данных постоянного запоминающего устройства 24 коэффициенты порождающего полинома подаются на вход генератора псевдослучайной последовательности с загрузкой коэффициентов 25, который синхронно с поступлением комплексных амплитуд поднесущих OFDM-символа на первый вход первого комплексного умножителя 27 вырабатывает отсчеты опорной псевдослучайной последовательности {ξ}, последовательно поступающие через первую цифровую линию задержки 26 на вторые входы корреляционных каналов 29.
2k
На выходе фазового детектора 28 формируется последовательность фаз сигнала s (1), являющегося продуктом произведения входного OFDM-сигнала на комплексно сопряженный опорный, выполняемого первым комплексным умножителем 27.
k
После прохождения через канал OFDM-символ будет описываться выражением  где  - комплексный коэффициент, включающий амплитудные, фазовые искажения, в т.ч. вызванные сдвигом по частоте в пределах  канала передачи характеристик канала передачи на частоте k-й поднесущей, n - аддитивный белый гауссовский шум в канале.
S
После дискретизации с периодом T=T/N, грубой временной синхронизации сигнал на выходе блока вычисления прямого преобразования Фурье 13:
f
где n - сдвиг по частоте между принимаемым и передаваемым символом, выраженный целым числом поднесущих.
В режиме передачи в условиях низкой помехоустойчивости на приемном конце присутствует известный опорный OFDM-символ, который не передается в штатной помеховой обстановке
Тогда сигнал на выходе умножителя 27
где .
0,k
0
С выхода фазового детектора 28 сигнал поступает на входы корреляционных каналов 29, в каждом из которых с использованием цифровой линии задержки 30, второго комплексного умножителя 37 и накапливающего сумматора 32 вычисляется корреляционная функция между фазой сигнала (1), являющегося продуктом произведения входного OFDM-сигнала на комплексно сопряженный опорный OFDM-сигнал и опорной псевдослучайной последовательностью {ξ}, задержанной на М/2+1 дискретных отсчетов в первой цифровой линии задержки 26 и точно совпадающей с модулирующей псевдослучайной последовательностью {ξ}, вырабатываемой генератором 20 блока псевдослучайной фазовой модуляции 4
f
Условие  → max выполняется при , n=0, и , что и является условием грубой синхронизации по частоте. Тогда максимальная корреляционная функция на выходе m-го канала, снимаемая с блока вычисления максимума 33, (m=1, 2, …, М, М - число корреляционных каналов)
,
где L - период повторения псевдослучайной последовательности.
Второе слагаемое обращается в нуль, т.к. случайная фаза в канале и опорная псевдослучайная последовательность не коррелированны.
f
0,k
Вторая цифровая линия задержки 30 в корреляционном канале 29 задерживает выходной сигнал фазового детектора 28 на m+1 дискретных отсчетов. Тем самым обеспечивается выбор величины смещения по частоте n в диапазоне [-М/2; М/2]. Накапливающий сумматор 32 производит накопление входных величин за время периода псевдослучайной последовательности {ξ}. Компаратор нуля 34 служит для детектирования данных сигнализации.
Постоянное запоминающее устройство 24, генератор псевдослучайной последовательности с загрузкой коэффициентов 25 и первый комплексный умножитель 27 идентичны соответствующим устройствам блока псевдослучайной фазовой модуляции поднесущих 4, соответственно, постоянному запоминающему устройству 19, генератору псевдослучайной последовательности с загрузкой коэффициентов 20 и комплексному умножителю 23.
Фазовый детектор 28 является известным устройством и работает по закону Ф(х)=arctg(Im(x)/Re(x)), где Im(х)и Re(x) - соответственно мнимая и действительная составляющая входного сигнала.
Все остальные устройства являются известными радиотехническими звеньями.
В результате обеспечивается возможность надежной передачи сигнализационных сообщений по OFDM-каналу при предельно низких отношениях сигнал-шум с задержкой не более одного символа в условиях отсутствия точной синхронизации приемника во временной (Pre-FFT) и частотной областях (Post-FFT). Улучшается надежность синхронизации за счет использования дополнительной псевдослучайной фазовой модуляции поднесущих элементами псевдослучайной последовательности в передатчике с последующей их демодуляцией в приемнике с минимальной временной задержкой, в пределах одного символа.
Источники информации
1. Wahid Tarokh. New Direction in Wireless Communications Research. - Springer, 2009.
2. R.V.Nee, R.Prasad. OFDM for Wireless Multimedia Communications. London, Artech House, 2000.
H.Schuize, C.Luders Theory and Application of OFDM and CDMA. John Wiley & Sons Ltd, 2005 - pp.407.
3. ETSI EN 300 744. European Standard (Telecommunication series). Digital Video Broadcasting (DVB); Framing structure, channel coding and modulation for digital terrestrial television.
4. Ye (GEOFFREY) Li Gordon Stuber. Orthogonal Frequency Division Multiplexing For Wireless Communications. Springer, 2006.
5. A.B.Бумагин, К.С.Калашников, А.А.Прудников, В.Б.Стешенко. Синтез алгоритма оценки и коррекции параметров канала при приеме OFDM-сигналов в стандарте DVB-T. - М.: Цифровая обработка сигналов, №1/2009, c.37-41.
6. A.B.Ашимхин, В.А.Козьмин, Е.Л.Король, A.M.Рембовский, А.Л.Сергиенко. Особенности построения и технические характеристики панорамных измерительных приемников семейства «Аргамак». - М.: Спецтехника и связь №3, 2008. - С.50-59.
7. Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. - М.: Радио и связь, 1985. - 384 с.