Автореферат (Снижение пик-фактора неортогональных многочастотных сигналов путем добавления корректирующих поднесущих)

Работа выполнена в федеральном государственном автономном образовательномучреждении высшего образования «Санкт-Петербургский политехнический университетПетра Великого».Научный руководитель:Рашич Андрей Валерьевич кандидаттехнических наукОфициальные оппоненты:Сиверс Мстислав Аркадьевич, доктор техническихнаук, профессор кафедры радиосвязи и вещания,ФГБОУ ВО «СанктПетербургский государственныйуниверситет телекоммуникаций им. проф. М.А.БончБруевича», г.

Санкт-Петербург.Пшеничников Александр Викторович, кандидаттехнических наук, докторант кафедры радиосвязи,ФГКВОУ ВО «Военная академия связи имениМаршала Советского Союза СМ. Буденного», г. СанктПетербург.Ведущая организация:ФГАОУво«Санкт-Петербургскийгосударственныйэлектротехническийуниверситет «ЛЭТИ» имени В.И. Ульянова(Ленина)», г. Санкт-Петербург,Защита состоится 18 декабря 2018 года в 16.00 часов на заседании диссертационногосовета Д 212.229.Ol при ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский государственныйполитехнический университет Петра Великого» по адресу: 195251, г.

Санкт-Петербург, ул.Политехническая, д. 29, учебный корпус 4, аудитория 305.С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ФГАОУ ВО«Санкт-Петербургский государственный политехнический университет Петра Великого» ина сайте университета www.spbstu.ru.Автореферат разослан «» октября 2018 года.УченыйсекретарьКоротковАлександрСтаниславовичдиссертационного советад.т.н., профессор2Общая характеристика работыАктуальность темыСигналы с ортогональным частотным уплотнением – Orthogonal Frequency DevisionMultiplexing, OFDM – в настоящее время широко применяются в таких системах, как Wi-Fi,WiMAX, LTE, DVB-T2, DAB, DRM, в нисходящем канале 4G LTE и т.д. благодаряповышенной помехоустойчивости приема в каналах с многолучевым распространением.Однако в связи с высокой загруженностью частотного ресурса для беспроводныхтелекоммуникационных систем актуализировалась задача повышения спектральнойэффективности таких сигналов.

Поэтому в настоящее время ведутся активные исследованиясистем сигналов для сетей связи пятого поколения (5G). В качестве перспективнойальтернативы OFDM в этих сетях рассматриваются многочастотные сигналы снеортогональным частотным уплотнением – Spectrally Efficient Frequency DevisionMultiplexing, SEFDM – разновидность FTN-сигналов (Faster-Than-Nyquist). Такие сигналыформируются из ортогональных сигналов путем уменьшения разноса между поднесущимичастотами в 1/α, где α – коэффициент частотного уплотнения поднесущих частот, тем самымзначительно повышая спектральную эффективность.Общим недостатком как OFDM-, так и SEFDM-сигналов является высокий пик-фактори, как следствие, значительное недоиспользование выходных усилителей по мощности.

Впортативных приемо-передающих устройствах высокое значение пик-фактора (5–10 дБ)вызывает ограничение по амплитуде сигнала на выходе передатчика и, как следствие,увеличение уровня внеполосных излучений. Алгоритмы снижения пик-фактора описываютсяв работах в работах M. Rodrigues, I. Darwazeh, D. Li, I. Kanaras, С. В. Завьялова,Д.К. Фадеева, S. Ahmed и др.

На сегодняшний день пик-фактор OFDM-сигналов хорошоизучен, предложено большое количество различных методов для его снижения. Однако этиметоды имеют либо большую вычислительную сложность, либо мало эффективны для числаподнесущих частот, большего 200.Пик-фактор SEFDM-сигналов в существующих работах рассмотрен в ограниченномобъеме: отсутствует анализ пик-фактора SEFDM-сигналов в зависимости от коэффициентауплотнения для используемых в современных беспроводных широкополосных системахметодов манипуляции и количества поднесущих. Кроме того, в существующих работах нерассмотрены «тонкие» особенности SEFDM-сигналов, связанные с их формированием иприемом.Пик-фактор многочастотного сигнала является случайной величиной, его значенияменяются в зависимости от конкретных значений модуляционных символов поднесущих,которые применяются в данном символе.

Возможны комбинации модуляционных символов,когда все или почти все поднесущие складываются синфазно в какой-либо момент времени,что приводит к чрезвычайно высокому значению пик-фактора (десятки дБ). Также возможныкомбинации модуляционных символов, когда пик-фактор символа будет относительнонизким. Тем не менее, вероятность таких событий крайне невысока, а большая частьзначений пик-фактора близка к выборочному среднему. С другой стороны, количестворазличных комбинаций модуляционных символов является степенной функцией от числаподнесущих и при их большом количестве (более 100) перебор всех возможных символовдля расчета среднего значения пик-фактора за приемлемое для получения результатовмоделирования время невозможно на современной элементной базе.Кроме того, при разработке различных методов снижения пик-фактора его расчетвыполняется непосредственно по временным отсчетам символа на исходной частотедискретизации.

Но пик-фактор непрерывного сигнала, восстановленного из этих отсчетовбудет отличаться от пик-фактора, посчитанного по отсчетам. Как показано в настоящейработе отклонение может составлять до 1 дБ, что может делать результаты анализасуществующих или новых алгоритмов снижения пик-фактора некорректными.3Это значит, что при сравнении различных методов снижения пик-фактора, а также прианализе пик-фактора многочастотных сигналов совместно с усилителями мощности важнокорректно рассчитывать значения пик-фактора относительно простыми с вычислительнойточки зрения методами.Особый интерес для снижения пик-фактора SEFDM-сигналов представляет классметодов, не требующих передачи сторонней информации.

К ним относится методрезервирования поднесущих Tone Reservation, основанный на расширении спектра путемдобавления поднесущих с комплексными амплитудами, обеспечивающими снижение пикфактора (1,5-2 дБ). Данный метод не требует передачи сторонней информации приемнику опроизведенных операциях; добавленные поднесущие в общем случае на приемеигнорируются. Серьезным недостатком этого метода является его значительнаявычислительная сложность для случая большого числа поднесущих в сигнале,обусловленная необходимостью большого числа итераций при переборе комбинацийкомплексных амплитуд и поиске наилучшей, которая дает наибольшее снижение пикфактора.Таким образом, актуальной является проблема анализа величины пик-факторамногочастотных сигналов с ортогональным и неортогональным частотным уплотнением иего снижения при большом числе поднесущих (порядка 100-10000).Объектом исследования в работе являются сигналы с неортогональным частотнымуплотнением (SEFDM-сигналы) и методы снижения их пик-фактора.Предметом исследования является величина пик-фактора SEFDM-сигналов вбеспроводных системах передачи данных при заданных методах модуляции, количествеподнесущих и коэффициенте уплотнения.Целью работы является снижение пик-фактора неортогональных многочастотныхсигналов путем применения распределенных по частоте корректирующих поднесущих приколичестве поднесущих частот в сигнале порядков 102…104.Для достижения данной цели в работе поставлены следующие задачи:1.

Разработка методики расчета пик-фактора неортогональных многочастотныхсигналов при различных коэффициентах уплотнения и количестве поднесущих частот всигнале порядков 102…104.2. Анализ вероятностных характеристик пик-фактора.3. Разработка метода снижения пик-фактора неортогональных многочастотныхсигналов путем добавления распределенных по частоте корректирующих поднесущих.Разработка структурных схем формирования и приема неортогональных многочастотныхсигналов с пониженным значением пик-фактора.4. Реализация формирователя неортогональных многочастотных сигналов спониженным значением пик-фактора с применением программируемых логическихинтегральных схем.5. Экспериментальное исследование разработанного метода снижения пик-факторанеортогональных многочастотных сигналов.Методы исследованийВ ходе исследований использовались методы теории вероятностей, математическойстатистики, теории потенциальной помехоустойчивости, теории случайных процессов,спектрального анализа, методов вычислительной математики и программирования.Имитационное моделирование выполнено с использованием пакетов MatLab и MSVisual Studio.

Экспериментальные исследования проводились на базе аппаратуры Agilent.Научная новизна результатов диссертационной работы1. Впервые предложен и разработан метод снижения пик-фактора неортогональныхмногочастотных сигналов на основе добавления распределенных по частотекорректирующих поднесущих при сохранении помехоустойчивости приема.42. Впервые разработана методика расчета выборочного среднего и дисперсии пикфактора неортогональных многочастотных сигналов на основе повышенной частотыдискретизации и ограниченной выборки.3. Получены зависимости величины выборочных среднего пик-фактора и дисперсиинеортогональных многочастотных сигналов от коэффициента передискретизации и объемавыборки.4.

Получены зависимости величины выборочных среднего пик-фактора и дисперсиинеортогональных многочастотных сигналов от коэффициента уплотнения, методаманипуляции поднесущих, количества поднесущих.5. Показана применимость разработанных методики расчета пик-фактора и методаснижения пик-фактора к многочастотным сигналам с ортогональным частотнымуплотнением (OFDM).Положения, выносимые на защиту1. При расчете пик-фактора многочастотных сигналов при числе поднесущих до 32000,методах модуляции ФМ-2, КАМ-4, КАМ-16, КАМ-64 и коэффициентах частотногоуплотнения от 1 до 0,5 коэффициенты передискретизации К и размер выборки Nexp должныбыть выбраны равными 4 и 103 соответственно для обеспечения точности расчета пикфактора не хуже 0,5 дБ.2.