Размещено на http://www.allbest.ru/

ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ

НА ТЕМУ

«ФОРМИРОВАТЕЛЬ OFDM СИГНАЛА НА ПЛИС. СТАНДАРТА 802.16d»

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. WiMAX - ТЕХНОЛОГИЯ БУДУЩЕГО

1.1 Сравнение WiMAX и Wi-Fi

1.2 Область использования WIMAX

1.3 Целесообразность использования WIMAX как технологии доступа

1.4 Фиксированный и мобильный вариант WIMAX

1.5 Пользовательское оборудование

1.6 Режимы работы; MAC / канальный уровень

1.7 Архитектура

1.8 Мультиплексирование с ортогональным частотным

разделением каналов (OFDM).

1.8.1 Кодирование в OFDM

1.8.2 Сверточные коды

1.8.3 Выигрыш при кодировании

1.9 Стандарт IEEE 802.16d

Глава 2. Базовая станция

2.1 Структурная схема базовой станции

2.2 Модем с поддержкой OFDM

2.2.1 Структурная схема модема

2.2.2 Декодер Витерби

Глава 3. Реализация

3.1 ПЛИС фирмы Altera серии МАХ7000

3.2 Внутренняя структура

3.3 Описание макроячейки

3.4 Программируемая матрица соединений

3.5 Блок контроля выводов I/O

3.6 Программирование в системе ISP

3.7 Описание САПР Quartus II

3.8 Основные этапы проектирования СБИС ПЛ

3.9 Создание нового проекта (схемным вводом)

3.10 Изменение установок проекта

3.11 Компиляция проекта

3.12 Программирование в среде Quartus II v.4.1

3.13 ByteBlasterMV устройство загрузки конфигурации ПЛИС фирмы Altera

Глава 4. Формирование OFDM сигнала

4.1. Расчет параметров OFDM сигнала

4.2 Моделирование

Глава 5.

ВВЕДЕНИЕ

Ни для кого не секрет, что в наше время использование беспроводной передачи информации приобрело огромные масштабы, но с чего же все началось?

Началось все с внедрения сотовой связи в 1990 году, коммерческое использование началось с 9 сентября в 1991 году, когда в Санкт-Петербурге компанией «Дельта Телеком» была запущена первая в России сотовая сеть (работала в стандарте NMT-450) и был совершен первый символический звонок по сотовой связи c мэром Санкт-Петербурга Анатолием Собчаком. К июлю 1997 г. общее число абонентов в России составило около 300 тысяч. На 2007 год основные протоколы сотовой связи, используемые в России -- GSM-900 и GSM-1800.

А дальше больше, помимо активного развития сотовой связи началось развития Интернета. Но скорость передачи оставляла желать лучшего, да и он не был мобильным, километры проводов, словно паутина окутали города. Это был прорыв, каждый, кто мог себе позволить приобретения компьютера за определенную плату могли «войти» в интернет и найти для себя практически любую информацию: новости, прогнозы погоды, видео, музыка, игры и т.д. Этого оказалось мало и два гиганта в виде сотовой связи и интернета слились воедино. Конечно, это не было спонтанно и технологии беспроводной высокоскоростной передачи информации развивались уже давно, но это были военные разработки и, по сути, для граждан это было в тени.

В сентябре 2003 года компания Ozone начала развертывание сети Ozone Paris через The City of Lights. Конечная цель -- создание централизованной сети Wi-Fi, полностью покрывающей Париж. Это было первое коммерческое использования технологии Wi-Fi. Но что же это такое?

Wi-Fi -- торговая марка Wi-Fi Alliance для беспроводных сетей на базе стандарта IEEE 802.11. Термин возник как игра слов с Hi-Fi и никак не расшифровывается. Проще говоря, это точка доступа для беспроводной передачи информации. Идея заключалась в том чтобы, имея роутер wi-fi предоставить беспроводной доступ в интернет, соответственно человек желающий “войти” в интернет должен был иметь приемник сигнала. Большой прорыв, но имелся существенный недостаток, зона покрытия достаточно мала около 300 метров. Поэтому это не помогло бы “распутать города от паутины”.

Тогда цивилизация шагнула вперед. Используя идею Wi-Fi, была изобретена технология WiMAX (англ. Worldwide Interoperability for Microwave Access) -- телекоммуникационная технология, разработанная с целью предоставления универсальной беспроводной связи на больших расстояниях для широкого спектра устройств (от рабочих станций и портативных компьютеров до мобильных телефонов). Основана на стандарте IEEE 802.16, который также называют Wireless MAN. Название «WiMAX» было создано WiMAX Forum -- организацией, которая была основана в июне 2001 года с целью продвижения и развития технологии WiMAX. Форум описывает WiMAX как «основанную на стандарте технологию, предоставляющую высокоскоростной беспроводной доступ к сети, альтернативный выделенным линиям». Максимальная скорость -- до 1 Гбит/сек на ячейку. WiMAX позволяет осуществлять доступ в Интернет на высоких скоростях, с гораздо большим покрытием, чем у Wi-Fi-сетей. Это позволяет использовать технологию в качестве «магистральных каналов», продолжением которых выступают традиционные DSL- и выделенные линии, а также локальные сети. В результате подобный подход позволяет создавать масштабируемые высокоскоростные сети в рамках городов.

На данный момент мы имеем широкий спектр использования беспроводной передачи информации: сотовая связь второго и третьего поколения, Wi-Fi, WiMAX… Доступны в продаже и оборудования в виде бесконечного количества сотовых телефонов, ноутбуков и планшетов, даже некоторые модели музыкальных плееров поддерживают использование технологии Wi-Fi. А что касается фирм производителей, то и тут выбор огромен: Nokia, Samsung, LG, Apple и многие другие. Наиболее перспективным я считаю технологию WiMAX, так как именно она способна обеспечить прием и передачу информации на высоких скоростях и на большие расстояния.

1. WiMAX - ТЕХНОЛОГИЯ БУДУЩЕГО

1.1 Сравнение WiMAX и Wi-Fi

беспроводное соединение кодирование доступ

Сопоставления WiMAX и Wi-Fi далеко не редкость -- термины созвучны, название стандартов, на которых основаны эти технологии, похожи (стандарты разработаны IEEE, оба начинаются с «802.»), а также обе технологии используют беспроводное соединение и используются для подключения к интернету (каналу обмена данными). Но, несмотря на это, эти технологии направлены на решение совершенно различных задач.

Таблица 1.1 Сравнительная таблица Wi-Fi и WiMAX.

Технология	Стан-дарт	Исполь-зование	Пропускная способность	Радиус действия	Частоты
Wi-Fi	802.11a	WLAN	до 54 Мбит/с	до 300 метров	5,0 ГГц
Wi-Fi	802.11b	WLAN	до 11 Мбит/с	до 300 метров	2,4 ГГц
Wi-Fi	802.11g	WLAN	до 54 Мбит/с	до 300 метров	2,4 ГГц
Wi-Fi	802.11n	WLAN	до 450 Мбит/с (в перспективе до 600 Мбит/с)	до 300 метров	2,4 -- 2,5 или 5,0 ГГц
WiMAX	802.16d	WMAN	до 75 Мбит/с	25-80 км	1,5-11 ГГц
WiMAX	802.16e	Mobile WMAN	до 40 Мбит/с	1-5 км	2.3-13.6 ГГц
WiMAX	802.16m	WMAN, Mobile WMAN	до 1 Гбит/с (WMAN), до 100 Мбит/с (Mobile WMAN)	н/д (стандарт в разработке)	н/д (стандарт в разработке)

WiMAX - это система дальнего действия, покрывающая километры пространства, которая обычно использует лицензированные спектры частот (хотя возможно и использование нелицензированных частот) для предоставления соединения с интернетом типа точка-точка провайдером конечному пользователю. Разные стандарты семейства 802.16 обеспечивают разные виды доступа, от мобильного (схож с передачей данных с мобильных телефонов) до фиксированного (альтернатива проводному доступу, при котором беспроводное оборудование пользователя привязано к местоположению).

Wi-Fi - это система более короткого действия, обычно покрывающая десятки метров, которая использует нелицензированные диапазоны частот для обеспечения доступа к сети. Обычно Wi-Fi используется пользователями для доступа к их собственной локальной сети, которая может быть, и не подключена к Интернету. Если WIMAX можно сравнить с мобильной связью, то Wi-Fi скорее похож на стационарный беспроводной телефон.

WIMAX и Wi-Fi имеют совершенно разный механизм Quality of Service (Качество обслуживания) (QoS). WIMAX использует механизм, основанный на установлении соединения между базовой станцией и устройством пользователя. Каждое соединение основано на специальном алгоритме планирования, который может гарантировать параметр QoS для каждого соединения. Wi-Fi, в свою очередь, использует механизм QoS подобный тому, что используется в Интернет, при котором пакеты получают различный приоритет. Такой подход не гарантирует одинаковый QoS для каждого соединения.

Из-за дешевизны и простоты установки Wi-Fi часто используется для предоставления клиентам быстрого доступа в Интернет различными организациями. Например, в некоторых кафе, отелях, вокзалах и аэропортах можно обнаружить бесплатную точку доступа Wi-Fi.

В общем виде WIMAX сети состоят из следующих основных частей: базовых и абонентских станций, а также оборудования, связывающего базовые станции между собой, с поставщиком сервисов и с Интернетом.

Для соединения базовой станции с абонентской используется высокочастотный диапазон радиоволн от 1,5 до 11 ГГц. В идеальных условиях скорость обмена данными может достигать 70 Мбит/с, при этом не требуется обеспечения прямой видимости между базовой станцией и приемником.

Как уже говорилось выше, WIMAX применяется как для решения проблемы «последней мили», так и для предоставления доступа в сеть офисным и районным сетям.

Между базовыми станциями устанавливаются соединения (прямой видимости), использующие диапазон частот от 10 до 66 ГГЦ, скорость обмена данными может достигать 140 Мбит/c. При этом, по крайней мере одна базовая станция подключается к сети провайдера с использованием классических проводных соединений. Однако, чем большее число БС подключено к сетям провайдера, тем выше скорость передачи данных и надежность сети в целом.

Структура сетей семейства стандартов IEEE 802.16 схожа с традиционными GSM сетями (базовые станции действуют на расстояниях до десятков километров, для их установки не обязательно строить вышки -- допускается установка на крышах домов при соблюдении условия прямой видимости между станциями).

Рис.1.1. Схема сети WiMAX

Небольшие пояснения к схеме:

CPE=Customer Premises Equipment (потребительское оборудование)

BS=Base Station (базовая станция)

ASN=Access Service Network (служба доступа)

ASN-GW=Access Service Network Gateway (шлюз сети службы доступа)

CSN=Connection Service Network (сервисная сеть)

AAA=Authentification, Autorization, Accounting (авторизация)

Для сети WiMAX вводится понятие следующих интерфейсов:

R1 -- интерфейс между CPE и BS

R2 -- виртуальный интерфейс между CPE и CSN

R3 -- интерфейс между ASN-GW и CSN

R6 -- интерфейс между BS и ASN-GW

Принцип работы приблизительно таков: абонентское устройство, настроенное на сеть оператора отправляет БС запрос на выделение радиоресурсов, при успешном завершении на ASN-GW отправляется запрос на аутентификацию. Он в свою очередь по имени домена в параметре login (логин) определяет, куда следует перенаправить запрос. Далее нужный ААА-сервер дает Accept (доступ) или Reject (отклонение) устройству. Если аутентификация прошла успешно, модему назначается IP-адрес, QoS, режим работы и другие параметры. Все. Устройство готово к работе.

1.2 Область использования WIMAX

WIMAX подходит для решения следующих задач:

соединения точек доступа Wi-Fi друг с другом и другими сегментами Интернета;

обеспечения беспроводного широкополосного доступа как альтернативы выделенным линиям и DSL;

предоставления высокоскоростных сервисов передачи данных и телекоммуникационных услуг;

создания точек доступа, не привязанных к географическому положению;

создания WIMAX систем удаленного мониторинга (monitoring system), как это имеет место в системе.

WIMAX позволяет осуществлять доступ в Интернет на высоких скоростях, с покрытием гораздо большей зоны, чем у Wi-Fi-сетей. Это позволяет использовать технологию в качестве «магистральных каналов», продолжением которых выступают традиционные DSL и выделенные линии, а также локальные сети. В результате подобный подход позволяет создавать масштабируемые высокоскоростные сети в рамках городов.

1.3 Целесообразность использования WIMAX как технологии доступа

Проблема “последней мили” всегда была актуальной задачей для связистов. К настоящему времени появилось множество технологий “последней мили”, и перед любым оператором связи стоит задача выбора технологии, оптимально решающей задачу доставки любого вида трафика своим абонентам. Универсального решения этой задачи не существует, так как у каждой технологии есть своя область применения, свои преимущества и недостатки. На выбор того или иного технологического решения влияет ряд факторов, в том числе:

стратегия оператора, целевая аудитория, предлагаемые в настоящее время и планируемые к предоставлению услуги;

размер инвестиций в развитие сети и срок их окупаемости;

уже имеющаяся сетевая инфраструктура, ресурсы для ее поддержания в работоспособном состоянии;

время, необходимое для запуска сети и начала оказания услуг.

У каждого из этих факторов есть свой вес, и выбор той или иной технологии принимается с учетом всех их в совокупности. Простая и эффективная модель, позволяющая быстро оценить экономические параметры применения технологии WIMAX, описана далее.

1.4 Фиксированный и мобильный вариант WiMAX

Набор преимуществ присущ всему семейству WiMAX, однако его версии существенно отличаются друг от друга. Разработчики стандарта искали оптимальные решения как для фиксированного, так и для мобильного применения, но совместить все требования в рамках одного стандарта не удалось. Хотя ряд базовых требований совпадает, нацеленность технологий на разные рыночные ниши привела к созданию двух отдельных версий стандарта (вернее, их можно считать двумя разными стандартами). Каждая из спецификаций WIMAX определяет свои рабочие диапазоны частот, ширину полосы пропускания, мощность излучения, методы передачи и доступа, способы кодирования и модуляции сигнала, принципы повторного использования радиочастот и прочие показатели. А потому WIMAX -системы, основанные на версиях стандарта IEEE 802.16 e и d, практически несовместимы. Краткие характеристики каждой из версий приведены ниже.

802.16-2004 (известен также как 802.16d и фиксированный WIMAX). Спецификация утверждена в 2004 году. Используется ортогональное частотное мультиплексирование (OFDM), поддерживается фиксированный доступ в зонах с наличием либо отсутствием прямой видимости. Пользовательские устройства представляют собой стационарные модемы для установки вне и внутри помещений. В большинстве стран под эту технологию отведены диапазоны 3,5 и 5 ГГц. По сведениям WIMAX форум, насчитывается уже порядка 175 внедрений фиксированной версии. Многие аналитики видят в ней конкурирующую или взаимодополняющую технологию проводного широкополосного доступа DSL.

802.16-2005 (известен также как 802.16e и мобильный WIMAX). Спецификация утверждена в 2005 году. Это новый виток развития технологии фиксированного доступа (802.16d). Оптимизированная для поддержки мобильных пользователей версия поддерживает ряд специфических функций, таких как хэндовер (англ.), и роуминг. Применяется масштабируемый OFDM-доступ (SOFDMA), возможна работа при наличии либо отсутствии прямой видимости. Планируемые частотные диапазоны для сетей Mobile WIMAX таковы: 2,3-2,5; 2,5-2,7; 3,4-3,8 ГГц. В мире реализованы несколько пилотных проектов, в том числе первым в России свою сеть развернул «Скартел». Конкурентами 802.16e являются все мобильные технологии третьего поколения.

Основное различие двух технологий состоит в том, что фиксированный WIMAX позволяет обслуживать только «статичных» абонентов, а мобильный ориентирован на работу с пользователями, передвигающимися со скоростью до 120 км/ч. Мобильность означает наличие функций роуминга и «бесшовного» переключения между базовыми станциями при передвижении абонента (как это происходит в сетях сотовой связи). В частном случае мобильный WIMAX может применяться и для обслуживания фиксированных пользователей.

Многие телекоммуникационные компании делают большие ставки на использование WIMAX для предоставления услуг высокоскоростной связи. И тому есть несколько причин.

Во-первых, технологии семейства 802.16 позволят экономически более эффективно (по сравнению с проводными технологиями) не только предоставлять доступ в сеть новым клиентам, но и расширять спектр услуг и охватывать новые труднодоступные территории.

Во-вторых, беспроводные технологии многим более просты в использовании, чем традиционные проводные каналы. WIMAX и Wi-Fi сети просты в развертывании и по мере необходимости легко масштабируемы. Этот фактор оказывается очень полезным, когда необходимо развернуть большую сеть в кратчайшие сроки. К примеру, WIMAX был использован для того чтобы предоставить доступ в Сеть выжившим после цунами, произошедшего в декабре 2004 года в Индонезии. Вся коммуникационная инфраструктура области была выведена из строя и требовалось оперативное восстановление услуг связи для всего региона.

В сумме все эти преимущества позволят снизить цены на предоставление услуг высокоскоростного доступа в Интернет, как для бизнес структур, так и для частных лиц.

1.5 Пользовательское оборудование

Оборудование для использования сетей WIMAX поставляется несколькими производителями и может быть установлено как в помещении (устройства размером с обычный DSL-модем), так и вне него. Следует заметить что оборудование, рассчитанное на размещение внутри помещений и не требующее профессиональных навыков при установке, конечно, более удобно, однако способно работать на значительно меньших расстояниях от базовой станции, чем профессионально установленные внешние устройства. Поэтому оборудование, установленное внутри помещений требует намного больших инвестиций в развитие инфраструктуры сети, так как подразумевает использование намного большего числа точек доступа.

С изобретением мобильного WiMAX все больший акцент делается на разработке мобильных устройств, в том числе специальных телефонных трубок (похожи на обычный мобильный смартфон) и компьютерной периферии (USB радиомодулей и т.д.).

1.6 Режимы работы; MAC / канальный уровень

В Wi-Fi сетях все пользовательские станции, которые хотят передать информацию через точку доступа, соревнуются за «внимание» последней. Такой подход может вызвать ситуацию, при которой связь для более удаленных станций будет постоянно обрываться в пользу более близких станций. Подобное положение вещей делает затруднительным использование таких сервисов как Voice over IP (VoIP), которые очень сильно зависят от непрерывного соединения.

Что же касается сетей 802.16, в них MAC (Media Access Control -- управление доступом к среде) использует алгоритм планирования. Любой пользовательской станции стоит лишь подключиться к точке доступа и для нее будет создан выделенный слот на точке доступа, недоступный другим пользователям.

1.7 Мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM)

При передаче информации с помощью WiMAX используют мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов. Рассмотрим достоинства и недостатки данного метода, а также принципы его работы.

OFDM относится к спектрально-эффективным видам модуляции, устойчивым к воздействию различных искажений, возникающих в канале связи, при наличии рассеяния из-за многолучевости, импульсного шума и т.п.

Рис. 1.2 Реализация метода

Суть OFDM заключается в следующем. В полосе передачи размещается большое количество несущих. Передаваемая цифровая последовательность символов передаваемых сообщений разделяется на несколько параллельных последовательностей, которые синхронно модулируют когерентные несущие, разнесенные по частоте по правилу их спектров, но при условии, что на частоты каждой из несущих спектральные составляющие всех остальных модулированных несущих переходят через ноль. Спектральные составляющие и огибающие спектра OFDM сигнала представлены на рисунке 1.3

Рис. № 1.3 Спектр мощности OFMD сигнала; а) огибающая спектра мощности OFDM сигнала; б) спектральные составляющие спектра мощности OFDM сигнала

В результате при большом числе несущих формируется спектр мощности группового сигнала, форма которого очень близка к прямоугольной. Это позволяет получить высокую эффективность использования частотного спектра.

При OFDM высокоскоростной поток данных разбивается на большое число низкоскоростных потоков, каждый из которых передается в своем частотном канале (на своей поднесущей частоте), то есть в частотных каналах длительность канальных символов может быть достаточно большой, значительно превышающий время расширения задержки сигнала в канале. Следовательно, межсимвольные искажения (межсимвольная интерференция) в каждом частотном канале поражает лишь незначительную часть канального символа, которую можно исключить из последующей обработки в приемнике за счет введения временного защитного интервала между соседними канальными символами при контролируемом снижении скорости передачи.

Межсимвольная интерференция это форма искажения сигнала, которая вызвана воздействием одного символа на другой. Этот эффект наблюдается как в проводных, так и в беспроводных системах передачи данных.

Рассмотрим на примере кабельной линии. Кабель представляет собой распределенную RC-цепочку, и высокочастотные компоненты сигнала в нем подвержены затуханию. При передачи данных «по воздуху» нет RC составляющей, но включается другой механизм, приводящий к тому же эффекту. Он называется многолучевое распространение. Вследствие этого эффекта беспроводной сигнал от передатчика достигает приемника через несколько разных путей. Причины этого отражения (например, от зданий) -- рефракция (преломление при прохождению через кроны деревьев) и атмосферные эффекты. Так как все пути разной длинны, а некоторые из описанных выше эффектов приводят к задержке сигнала, в результате разные версии сигнала придут к приемнику в разное время. Из-за взаимного наложения всех этих сигналов результирующий сигнал будет искажен. Возьмем пример искажения сигнала при многолучевом распространении.



Рис 1.4 Исходный сигнал

Рис. 1.5 Сигнал подвергшийся эффекту многолучевого распространения

Это так называемая глазковая диаграмма. Она строится очень просто: все источники взаимодействия или сигналы накладываются друг на друга. Под «глазом» подразумевается область в середине, по форме напоминающая глаз. На первой картинке «глаз широко открыт», на второй «глаз прищурен». Если «глаз закроется» или будет меньше определенной величины, то такой сигнал уже нельзя будет принять. Интуитивно понятно, что чем выше частота сигнала, тем меньше будет «глаз».

Ключевым принципом OFDM является использование охранного интервала. Это возможно благодаря тому, что продолжительность каждого символа достаточно велика.

Другим преимуществом является устойчивость к частотно-зависимому затуханию. Такой тип затухания может оказывать очень негативное влияние при многолучевом распространении сигнала, особенно если источник и приемник не находятся в прямой видимости. При OFDM модуляции данные распределяются между множеством вспомогательных несущих, поэтому информация, пострадавшая в нескольких субканалах может быть восстановлена с помощью ЕСС (код коррекции ошибок -- данные, присоединяемые к каждому передаваемому сигналу, позволяющие принимающей стороне определить факт сбоя и (в некоторых случаях) исправить несущественную ошибку).

Основные недостатки данной технологии:

- высокая чувствительность к смещению частоты и флюктуациям фазы принимаемого сигнала относительно опорного гармонического колебания приемника;

- относительно высокое значения отношения пиковой мощности радиосигнала к ее среднему значению, что заметно снижает энергетическую эффективность радиопередатчиков.

1.8 Формирование OFDM сигнала

Опишем интересующие нас характеристики базовой станции Huawei, с учетом подключенного к ней модема (в нашем случае формирователя OFDM):

Стандарт - IEEE 802.16d .

Технология - OFDM (Orthogonal frequency-division multiplexing).

Поддерживаемые скорости - 64 Мбит/с (в канале шириной 2х10 МГц) или 32 Мбит/с (в канале шириной 10 МГц).

Модуляция - 64 QAM.

Количество частотных каналов - FCC: 16.

Антенна - 18-24 dbm, внешняя всенаправленная (360^0*40⁰) с интерфейсом 10/100 Base-T (разъем RJ45).

Частотный диапазон - 5150-5350, 5470-5725, 5725-5850, 5850-5950 МГц.

Рабочая полоса частот - 10 МГц и 50 МГц.

Температура и влажность - от -40⁰С до 50⁰С, влажность 10-90%.

Более подробное параметры и характеристики станции будут рассмотрены в главе 2.

1.8.1 Расчет параметров OFDM сигнала

Обычно при выборе численных значений параметром системы с технологией OFDM приходится находить компромисс между различными, часто противоречивыми требованиями.

Опираясь на технически характеристики прототипа, зададимся начальными значениями характеристик системы:

ДF_s=10 Мгц - полоса частот, выделенная для линии передач.

Дф = 0.08 мкс - расширение задержки канала передачи.

в=0.07 - коэффициент скругления огибающей OFDM-символа.

F_s=5150 МГц - рабочая частота сигнала.

Зададимся скоростью передачи информации используемую в сетях WIMAX:

R₁ = 64 Мбит/с - скорость передачи данных, с модуляцией КАМ-64.

Рассчитаем характеристики OFDM сигнала по следующим формулам:

Дg=4Дф = 0.32 мкс - длительность защитного интервала.

Т_s=6Дg=1.92 мкс - длительность OFDM символа.

Т=Т_s-Дg=1.6 мкс - длительность интервала интегрирования OFDM.

Дѓ=1/T=0.625 МГц - расстояние между соседними поднесущими.

N_s=ДF/Дѓ=16 - число поднесущих в полосе частот.

R_s=1/T_s=0.521 Мсимвол/с - скорость следования OFDM символов.

R/R_s? 128 - число информационных битов, передаваемых OFDM символом, со скоростью передачи данных 64 Мбит/с.

ѓ_в=(R/R_s)/T_s=64 МГц - частота дискретизации для скорости передачи данных 64 Мбит/с.

Промоделируем ОFDM сигнал в программе Mathlab Simulink.

1.8.2 Моделирование

Моделирование OFDM сигнала со скоростью передачи 64 Мбит/с.

Ход выполнения программы:

ВВЕДИТЕ ЧИСЛО ПОДНЕСУЩИХ КОЛЕБАНИЙ Nsub = 128

ВВЕДИТЕ ЗНАЧЕНИЕ ДЛИТЕЛЬНОСТИ OFDM СИМВОЛА [с]

Ts = 1.92*10^-6

ВВЕДИТЕ ЗНАЧЕНИЕ ДЛИТЕЛЬНОСТИ ЗАЩ. ИНТЕРВАЛА [с]

Tg = 0.32*10^-6

ВВЕДИТЕ ЧИСЛО ТОЧЕК СИГНАЛЬНОГО СОЗВЕЗДИЯ M = 64

ВВЕДИТЕ ЧИСЛО ОТСЧЕТОВ НА ИНТЕРВАЛЕ ОДПФ Ns = 256

ВВЕДИТЕ ЗНАЧЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА СКРУГЛЕНИЯ betta = 0.07

Мы ввели значения всех необходимых параметров. Теперь можно начинать вычисления параметров системы передачи. На основании наших данных имитатор OFDM вычислил значения следующих параметров системы:

Частота следования OFDM символов Ff = 520833.3333 Гц;

Шаг дискретизации по времени dt = 6.2338e-09 c;

Частота дискретизации Fs = 160416666.6667 Гц;

Интервал ОДПФ T = 1.5958e-06 c;

Интервал между част-ми сос. поднес.DF = 626627.6042 Гц;

Число отсчетов на защ. интервале Ng = 52;

Длительность постфикса Tp = 1.3714e-07 c;

Число отсчетов на интервале Tp Np = 22.

Теперь можем начать процесс моделирования.

1) Построение сигнального созвездия одной поднесущей.

Рис. 1.6 Сигнальное созвездие моделируемого сигнала

2) Построение графиков немодулированных поднесущих и их суммы на интервале ОДПФ [0, T].

ВВЕДИТЕ МАССИВ ЗНАЧЕНИЙ НОМЕРОВ ТРЕХ ПОДНЕСУЩИХ Nsubn= [3 16 28]

Рис. 1.7 Немодулированные поднесущие на интервале ОДПФ [0,T]

3) Добавление защитного интервала и циклическое продолжение:

Добавляем защ. интервал длительн. Tg = 3.2e-07 с.

Добавляем интервал постфикса Tp = 1.3714e-07 с.

Защитный интервал [-Tg, 0] и интервал постфикса [T, T+Tp]

Рис. 1.8 График моделируемого сигнала с добавленным защитным интервалом [-Tg, 0] и интервалом постфикса [T, T+Tp].

Циклически продолжаем поднесущие и их сумму на защитный интервал, и интервал постфикса.

Рис. 1.9 Сигнал с добавлением циклических продолжений.

4) Сглаживание фронтов поднесущих и их суммы.

Рис. 1.10 Поднесущие и их суммы со сглаженными фронтами (пунктирными кривыми изображены сглаживающие окна).

Формирование блока Ns комплексных КАМ символов для одного OFDM символа и построение огибающей этого OFDM символа.

Рис. 1.11 Огибающая одного OFDM символа.

5) Формирование трех последовательных OFDM символов, построение их огибающих и огибающей суммы.

Рис. 1.12 Реализации огибающих каждого из трех OFDM символов и их суммы.

7) Формирование реализации комплексной огибающей суммы n следующих друг за другом OFDM символов

ВВЕДИТЕ ЧИСЛО OFDM СИМВОЛОВ В РЕАЛИЗАЦИИ n = 3 Имитатором imitatorOFDM создана реализация комплексной огибающей радиосигнала, содержащая n = 32 OFDM символов.

Число отсчетов в сформированной реализации ns = 9878.

Частота дискретизации реализации Fs = 160416666.6667.

Имя вектора-строки, в который помещены отсчеты реализации, - yOFDM.

8) Вычисление оценки спектральной плотности мощности комплексной огибающей OFDM сигнала с использованием алгоритма Велча по отсчетам массива «yOFDM».



Рис. 1.13 Оценка двусторонней спектральной плотности мощности комплексной огибающей сигнала OFDM.

9) Вычисление и построение оценки спектральной плотности мощности вещественного OFDM радиосигнала по спектру его комплексной огибающей.

Рис. 1.14 Оценка спектральной плотности мощности вещественного OFDM радиосигнала

1.9 Кодирование в OFDM

Не стоит говорить, о том, что кодирование является неотъемлемой частью передачи информации, существует большое количество типов кодирования. Но для начала нам нужно понять, где и зачем оно применяется.

Кодирование является важными ступенями тракта обработки информационных цифровых сигналов и сигналов управления. В цифровых системах связи осуществляется преобразование аналогового речевого сигнала в цифровую последовательность, которая подвергается шифрованию и кодированию, что необходимо для защиты информации от ошибок в процессе передачи и приема. Для этого используются:

- блочное кодирование - для быстрого обнаружения ошибок при приеме;

- сверточное кодирование - для исправления одиночных ошибок;

- перемежение - для преобразования пакета ошибок в одиночные ошибки.

В цифровых системах связи кодируются все передаваемые по радиоканалу сигналы. В аналоговых системах связи кодируют цифровые сигналы управления.

При кодировании преследуют различные цели. Самый низкий уровень имеет выявление (обнаружение) ошибок в полностью принятом сигнале. По сравнению с ним более высоким уровнем обладает обнаружение ошибок в отдельных сегментах сигнала, которое может быть выполнено с помощью простых блоковых кодов, например, с проверкой на четность. В современных системах используют коды с исправлением ошибок. Это могут быть блоковые коды (каналы сигнализации в NMT-450, DECT) и сверточные коды (GSM, системы с кодовым разделением - CDMA). Выбор кода определяет большое число факторов: характеристики каналов, скорость передачи, вид модуляции и т. п. Важное значение приобретает элементно-технологическая база. Применение быстродействующих процессорных СБИС открыло путь к использованию мощных сверточных кодов при обработке сигналов в реальном времени. Сверточные коды хорошо исправляют случайные одиночные ошибки, но дают плохие результаты при пакетах ошибок. Поэтому сверточное кодирование и совмещают с перемежением (перетасовкой) информационных символов, которое обеспечивает преобразование пакетов ошибок в одиночные.

В системах связи основные свойства речевых каналов и каналов управления значительно отличаются друг от друга. Для речевых каналов необходима связь в реальном масштабе времени с короткими задержками при сравнительно низких требованиях к вероятности ошибки в канале. Для канала управления требуется абсолютная достоверность данных и исправление ошибок, но допускается более длительное время передачи и задержки.

В различных логических каналах используются различные сверточные коды, поскольку скорости передачи и требования по защите от ошибок также различны. Для упрощения процедур кодирования и декодирования при формировании кодов используются только несколько полиномов. Это позволяет использовать в стандарте GSM сверточный код с одной скоростью R = 1/2. В ряде режимов для выравнивания скорости в речевом канале до R = 1/2 применяют прореживание, т. е. периодический пропуск (перфорацию) кодированных символов. Поскольку сложность декодирования по наиболее выгодному, с точки зрения реализации, алгоритму Витерби возрастает экспоненциально с увеличением длины кодового ограничения l, то типовые значения малы и лежат в интервале l = 3 - 10.

В стандарте GSM в речевом канале, в зависимости от скорости передачи сообщения, применяются следующие пары порождающих сверточный код многочленов (при R = 1/2):



Рис. 1.15 Структурная схема кодера для случая (1)

Рис. 1.16. Структурная схема кодера для случая (2)

В каналах управления цифровая последовательность подвергается кодированию сверточным кодом, который задается полиномами первой пары - G1(X) и G1 (X) .

На следующей ступени развития ССПС можно ожидать перехода к каскадному кодированию, например, внутреннему сверточному кодированию и внешнему, устраняющему ошибки при декодировании сверточных кодов, блоковому, с исправлением пакетов ошибок. Разумеется, такое сложное кодирование требует большой избыточности, что формально снижает эффективность использования систем, но существенно повышает достоверность информации.

Сверточные коды и рассмотренные алгоритмы декодирования (в первую очередь - по максимуму правдоподобия, алгоритм Витерби) находят основное применение в системах сотовой связи, а также в системах космической и спутниковой связи. Это объясняется тем, что каналы связи в этих системах близки по своим свойствам к каналам с белым Гауссовским шумом, которые являются симметричными каналами без памяти. Для подобных систем характерны жесткие ограничения по мощности передаваемого сигнала, поэтому для них важно осуществить наиболее эффективное кодирование и декодирование, позволяющее уменьшить вероятность ошибки недекодированный информационный символ при малом энергетическом потенциале.

Для существенного улучшения помехоустойчивости при использовании сверточных кодов необходимо увеличивать скорость передачи символов, а, следовательно, и ширину полосы, например, в 2 раза при относительной скорости передачи кода 1/2 или в 4/3 раза при относительной скорости 3/4. Таким образом, применение сверточных кодов оказывается особенно выгодным в спутниковых системах связи, энергетический потенциал которых ограничивается мощностью бортового ретранслятора, т. е. в каналах, где определяющим фактором является ограничение мощности, а не полосы частот. В системах с ограниченной энергетикой кодирование позволяет уменьшить необходимое отношение сигнал - шум, оптимальным образом распределить мощность ретранслятора между каналами и увеличить число каналов.

Большая задержка на трассах распространения в цифровых спутниковых системах связи (ССС) не позволяет использовать для повышения верности системы с автозапросом (с обратным каналом), в которых коды служат для обнаружения ошибок. Поэтому в ССС и используются, в основном, сверточные коды, решающие задачу непосредственного исправления ошибок. На рис. 1.17 приведены кривые помехоустойчивости при кодирование. По кривым можно определить энергетический выигрыш от кодирования (ЭВК). Например, при использовании сверточного кода (133,171) выигрыш составляет 5,4 дБ при вероятности ошибки на выходе декодера 10-⁵.

Анализ показывает, что применение коротких сверточных кодов, декодируемых по алгоритму Витерби с мягким решением, позволяет получить ЭВК 4 - 6 дБ. Переход к жесткому решению снижает ЭВК примерно на 2 дБ. Квантование выхода демодулятора на четыре уровня снижает ЭВК на 0,7 - 0,8 дБ, а квантование на восемь уровней - на 0,25 дБ. Обычно ограничиваются квантованием на восемь уровней, используя практически полностью возможности мягкого решения.

Рис. 1.17 Кривые помехоустойчивости кодирования

Так как мы рассматриваем мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов, стоит отметить, что в этом случае используется сверточное кодирование (предназначено для надежной передачи данных: видео, мобильной связи, спутниковой связи. Они используются вместе с кодом Рида -- Соломона и другими кодами подобного типа. До изобретения турбо-кодов такие конструкции были наиболее действенными и удовлетворяли пределу Шеннона. Так же сверточное кодирование используется в протоколе 802.11a на физическом MAC-уровне для достижения равномерного распределения 0 и 1 после прохождения сигнала через скремблер (устройство для скремблирования - это обратимое преобразование цифрового потока без изменения скорости передачи с целью получения свойств случайной последовательности), вследствие чего количество передаваемых символов увеличивается в два раза и, следовательно, мы можем добиться благоприятного приема на принимающем устройстве.)

Наиболее популярным является сочетание сверточного кодирования с алгоритмом декодирования А.Витерби. При этом типично использование нерекурсивных сверточных кодов (НСК) (генерируемых кодерами без обратной связи).

Известно, что кодер нерекурсивного сверточного кода содержит один либо несколько регистров элементов задержки на такт, по которым продвигаются кодируемые информационные символы и преобразователь информационных последовательностей в кодовые последовательности. Процесс кодирования производится непрерывно.

Рис. 1.18 Структура не рекурсивного кодера.

Скорость кода равна R=k/n, где k - число информационных символов, одновременно поступающих на вход кодера, n - количество соответствующих им кодовых символов на выходах кодера. Информационные двоичные символы u поступают на вход регистра из K элементов задержки. На выходах сумматоров по модулю 2 образуются кодовые символы v⁽¹⁾ и v⁽²⁾. Входы сумматоров соединены с определенными входами элементов задержки. Коммутатор «К» на выходе кодера устанавливает очередность посылки кодовых символов в канал. За время одного информационного символа на выходе такого кодера образуется два кодовых символа. Таким образом, скорость кода в этом примере равна R=1/2. Возможно кодирование и с другими скоростями.

Сверточный кодер, как автомат с конечным числом состояний, может быть описан диаграммой состояний. Диаграмма состояний представляет собой направленный граф и описывает все возможные переходы кодера из одного состояния в другое, а также содержит символы выходов кодера, которые сопровождают эти переходы.

Состояния кодера - набор символов на входах элементов задержки кодера. Пример диаграммы состояний кодера показан на рис. 1.8.1.5. В кружках указаны четыре возможных состояния кодера S₁S₂ = 00, 10, 11 и 01,стрелками - возможные переходы. Символы около стрелок обозначают символы на выходе кодера (v⁽¹⁾,v⁽²⁾), соответствующие данному переходу. Сплошными линиями отмечены переходы, совершаемые при поступлении на вход кодера информационного символа 0, пунктирными- при поступлении символа 1.

Первоначально кодер находится в состоянии 00, и поступление на его вход информационного символа u=0 переводит его также в состояние 00. При этом на выходе кодера будут символы v⁽¹⁾v⁽²⁾=00. На диаграмме этот переход обозначается петлей "00", выходящей из состояния 00 и вновь возвращающейся в это состояние.

Рис. 1.19 Диаграмма состояний НСК

Далее, при поступлении символа u=1 кодер переходит в состояние 10, при этом на выходе будут символы(v⁽¹⁾v⁽²⁾)=11. Этот переход обозначается пунктирной линией из состояния 00 в состояние 10. Затем возможно поступление на вход кодера информационных символов 0 либо 1. При этом кодер переходит в состояние 01 либо 11, а символы на выходе будут 10, либо 01, соответственно. Процесс построения диаграммы заканчивается, когда будут просмотрены все возможные переходы из каждого состояния во все остальные.

Решетчатая диаграмма является разверткой диаграммы состояний во времени. На решетке состояния показаны узлами, а переходы - соединяющими их линиями. После каждого перехода из одного состояния в другое происходит смещение на один шаг вправо. Пример решетчатой диаграммы показан на рис. 1.20.

Рис. 1.20 Решетчатая диаграмма НСК

Решетчатая диаграмма дает наглядное представление всех разрешенных путей, по которым может продвигаться кодер при кодировании. Каждой информационной последовательности на входе кодера соответствует единственный путь по решетке. Построение решетчатой диаграммы производят с использованием диаграммы состояний. Исходным является нулевое состояние S⁽¹⁾S⁽²⁾=00. Далее, с поступлением очередного информационного символа u=0, либо u=1 возможны переходы в состояние 00, либо 10, обозначаемые ветвями 00 и 11, соответственно. Процесс можно продолжить, причем, через 3 шага очередной фрагмент решетки будет повторяться. Пунктиром показан путь по решетке ...11100001..., соответствующий поступлению на вход кодера информационной последовательности .....1011..... Для описания работы кодера последовательности символов на входе и выходе представляют с использованием оператора задержки D в виде полубесконечных рядов:

u_(i)(D) = u_(i)0D⁰ + u_(i)0D¹ + u_(i)2D² +...,

v^(j)(D) = v₀^(j)D⁰ + v₁^(j)D¹ + v₂^(j)D² +.... .

Здесь индексы в скобках обозначают:

i - номер входа кодера, 1 ? i ? k;

j - номер выхода кодера, 1 ? j ? n.

Индексы без скобок (0,1,2...) обозначают дискретные моменты времени.

В теории кодирования длину кода характеризуют следующими показателями:

-Длина кодирующего регистра (ДКР) K, равная количеству элементов задержки в регистре кодера;

-Длина кодового ограничения v (ДКО), равная числу входных символов (исключая первый символ), которые оказывают влияние на символы на выходе кодера.

Сверточный код будет полностью задан, если известна схема кодера: количество входов кодера k, количество выходов кодера n, длина кодового ограничения v, а также указаны связи сумматоров с ячейками регистров. Для кодов со скоростью R= 1/n связи j-го сумматора (1?j?n) с входами элементов задержки описывается путем задания порождающего многочлена

G^(j)(D)= g₀^(j)D + g₁^(j)D + g₂^(j)D² +...+ g_н^(j)D ^н,

причем, для двоичных кодов g_k^(j)=1, если связь j-го сумматора с входом k-го элемента задержки существует, и g_k^(j)=0, если такой связи нет. К примеру, кодер на рис. 2 характеризуется порождающими многочленами G⁽¹⁾(D)=1+D+D² и G⁽²⁾(D)=1+D², или, записывая последовательность коэффициентов g_k в виде двоичных комбинаций, получаем G⁽¹⁾=(111) и G⁽²⁾=(101). Для длинных кодов часто используют восьмеричную форму записи.

В этом случае порождающие многочлены будут представлены так: G⁽¹⁾=(7) и G⁽²⁾=(5), либо сокращенно G= (7,5). Процесс кодирования может быть представлен как умножение многочлена входной информационной последовательности u_(i)(D) на порождающий многочлен G_(i)^(j)(D), описывающий связи ячеек (i)-го регистра кодера с j-м выходом:

v^(j)(D) = u_(i)(D)G_(i)^(j)(D), 1 ? i ? к ; 1 ? j ? n .

Величина ДКО определяет также значение старшей степени порождающего многочлена. Значения ДКР и ДКО для кодов с одним входом связаны простым соотношением v=K-1.

Помехоустойчивость декодирования зависит от дистанционных свойств кодовых последовательностей на выходе кодера. При этом для двоичных кодов чаще всего расстояние между последовательностями оценивают в метрике Хэмминга.

Свободное расстояние сверточного кода d_f (free) - минимальное расстояние между двумя произвольными полубесконечными последовательностями на выходе кодера, отличающимися в первой ветви. Для коротких кодов свободное расстояние можно определить по диаграмме состояний (либо по решетчатой диаграмме). Если диаграмма состояний задана, то свободное расстояние кода в метрике Хэмминга равно минимальному весу Хэмминга пути по диаграмме из состояния 00 в это же состояние (исключая петлю у этого состояния). На диаграмме на рис.3 такой «короткий» путь(111011) с минимальным весом Хэмминга d_min=5 определяет свободное расстояние этого кода d_f=d_min=5. Аналогичные вычисления свободного расстояния можно произвести по решетке этого кода на рис. 1.21

Свободное расстояние используется для оценки помехоустойчивости декодирования сверточных кодов с применением алгоритмов максимального правдоподобия или близких к ним (алгоритм Витерби и др.).

Рис. 1.21 К определению свободного расстояния СК по решетчатой диаграмме

При известном свободном расстоянии d_f и декодировании по минимуму расстояния исправление ошибок происходит по следующим правилам

1. Если количество ошибок e на длине кодового ограничения не превосходит половину свободного расстояния(e<d_f/2(для четных d_f), или e<(d_f -1)/2(для нечетных d_f), то такие ошибки исправляются;

2. При невыполнении этих условий исправление канальных ошибок невозможно. В этом случае декодер совершает ошибки в процессе декодирования, характер которых зависит от свойств кода.

Одна из характеристик сверточного кода это энергетический выигрыш при кодировании.

Энергетический выигрыш кода з определяет выигрыш по помехоустойчивости при применении корректирующего кодирования.

Для получения заданного значения вероятности ошибочного приема одного символа p1 в информационной последовательности надо обеспечить на выходе демодулятора приемника некоторое необходимое минимально допустимое отношение сигнал/шум.