Диссертация (Снижение пик-фактора неортогональных многочастотных сигналов путем добавления корректирующих поднесущих), страница 12

На базе цифрового осциллографа Agilent Technologies DSO9104A, векторного генератора Agilent Technologies E8267D и анализатора спектра AgilentTechnologies N9342C был собран экспериментальный программно-аппаратныйкомплекс формирования и анализа SEFDM-сигналов. Формирование записейсигналов с пониженным пик-фактором осуществлялось в среде Matlab.2. Проведены экспериментальные исследования величины снижения пикфактора на несущей частоте 100 МГц при исходной частоте дискретизации сигнала 10 МГц.

Для анализа пик-фактора, выборка отсчетов сигнала на длительности 1 мс (~50 SEFDM-символов на Fs = 10 МГц) на частоте дискретизации 2 ГГц88сохранялась и анализировалась в среде Matlab. Снижение пик-фактора (выборки)составило примерно 1,6 дБ, что согласуется с результатами имитационного моделирования.3. Определено, что расширение спектра SEFDM-сигнала при примененииразработанного метода снижения пик-фактора определяется только количествомдобавленных корректирующих поднесущих.89ЗаключениеВ заключении обобщены результаты, полученные в диссертации, сформулирована научная новизна и положения, выносимые на защиту.

Кроме того,представлена реализация и апробация результатов диссертации.Основные выводы по работе.1. При расчете пик-фактора SEFDM-сигналов в дискретном времени коэффициенты передискретизации К и размер выборки Nexp должны быть выбраныравными 4 и 103 соответственно для обеспечения точности расчета пик-факторане хуже 0,5 дБ.2. Основное влияние на величину пик-фактора многочастотных сигналовоказывает количество поднесущих. При увеличении числа поднесущих от 8 до32000 пик-фактор сигнала увеличивается с 2 дБ до 12 дБ.3.

Вычислительная сложность предложенного метода снижения пик-фактора на основе распределенных корректирующих поднесущих ниже известныхклассических подходов в ~20-40 раз (при ~100 итерациях алгоритма и при количестве поднесущих порядка 102 – 103).4. Разработанный метод снижения пик-фактора может быть успешно использован для большого числа поднесущих (~104), снижение пик-фактора составит при этом около 1,8 дБ при 1024 попытках.5. Предложенная архитектура метода снижения пик-фактора при ее реализации в ПЛИС занимает <30% логики общего назначения и <70% специализированных ресурсов целевой ПЛИС.

В реализации 32-кратно повторно используются БПФ пониженной разрядности для снижения количества занимаемых ресурсов и увеличения быстродействия. При использовании современных поколений ПЛИС Xilinx серии Ultrascale предложенная реализации займет не более 10%ресурсов.6. В сравнении с алгоритмом снижения пик-фактора DVB-T, предложенный метод обеспечивает более высокое (на ~1 дБ) снижение пик-фактора при90фиксации вычислительной сложности по числу умножителей при реализации вПЛИС.Научная новизна результатов диссертационной работы1.

Впервые предложен и разработан метод снижения пик-фактора неортогональных многочастотных сигналов на основе добавления распределенных по частоте корректирующих поднесущих при сохранении помехоустойчивости приема.2. Впервые разработана методика расчета выборочного среднего и дисперсии пик-фактора неортогональных многочастотных сигналов на основе повышенной частоты дискретизации и ограниченной выборки.3.

Получены зависимости величины выборочных среднего пик-фактора идисперсии неортогональных многочастотных сигналов от коэффициента передискретизации и объема выборки.4. Получены зависимости величины выборочных среднего пик-фактора идисперсии неортогональных многочастотных сигналов от коэффициента уплотнения, метода манипуляции поднесущих, количества поднесущих.5. Показана применимость разработанных методики расчета пик-фактора иметода снижения пик-фактора к многочастотным сигналам с ортогональным частотным уплотнением (OFDM).Методы исследованийВ ходе исследований использовались методы теории вероятностей, математической статистики, теории потенциальной помехоустойчивости, теории случайных процессов, спектрального анализа, методов вычислительной математикии программирования.Имитационное моделирование выполнено с использованием пакетовMatLab и MS Visual Studio.

Экспериментальные исследования проводились набазе аппаратуры Agilent.Положения, выносимые на защиту911. При расчете пик-фактора многочастотных сигналов при числе поднесущих до 32000, методах модуляции ФМ-2, КАМ-4, КАМ-16, КАМ-64 и коэффициентах частотного уплотнения от 1 до 0,5 коэффициенты передискретизации Ки размер выборки Nexp должны быть выбраны равными 4 и 103 соответственнодля обеспечения точности расчета пик-фактора не хуже 0,5 дБ.2. При увеличении числа поднесущих до 32000 пик-фактор сигнала увеличивается до 12 дБ. При снижении коэффициента уплотнения α от 1 до 0,5 пикфактор многочастотных сигналов незначительно снижается (на ~0,7 дБ).

Методмодуляции поднесущих (ФМ-2, ФМ-4, КАМ-16 и КАМ-64) не оказывает влияниена пик-фактор многочастотных сигналов.3. Разработанный метод снижения пик-фактора, заключающийся в добавлении корректирующих поднесущих, обеспечивает снижение пик-фактора многочастотных сигналов не менее чем на 1 дБ с вероятностью 0,9 при доле корректирующих поднесущих от общего числа поднесущих в сигнале не более 5% присохранении помехоустойчивости приема.4. Разработанные метод и архитектура устройства формирования SEFDMсигналов с пониженным значением пик-фактора, реализующие предложенныйметод снижения пик-фактора, позволяют обеспечить расчетный уровень снижения пик-фактора ценой существенно меньших как вычислительных, так и аппаратных затрат по сравнению с классическим методом.

Так при количестве поднесущих порядка 102–103 и доле корректирующих поднесущих от общего числаподнесущих в сигнале не более 5% вычислительная сложность предложенногоалгоритма снижения пик-фактора примерно в 20 раз ниже классического методана основе резервирования поднесущих, при аппаратной реализации выигрыш составляет примерно 10 раз.Теоретическая значимость результатов диссертационной работы состоитв том, что установлены и проанализированы зависимости пик-фактора неортогональных многочастотных сигналов от количества поднесущих в сигнале, коэффициента уплотнения, способа модуляции поднесущих, а также от коэффици92ента передискретизации сигнала при расчете пик-фактора. Установлены зависимости вычислительной сложности реализации метода снижения пик-фактора наоснове добавления корректирующих поднесущих от принципа размещения корректирующих поднесущих.Обоснованность научных результатов обеспечивается системным рассмотрением исследуемой проблемы, корректностью постановок и решения задач,вводимых допущений и ограничений, формулировок и выводов, комплекснымиспользованием строгих аналитических методов исследования.Достоверность полученных результатов обеспечивается применениемапробированного метода снижения пик-фактора многочастотных сигналов, подтверждается совпадением в частных случаях результатов, полученных с применением разработанных методик, с известными результатами, основывающимисяна аналитических моделях.

Так, в частном случае совпадения всех модуляционных символов в SEFDM-сигнале для случая фазовой манипуляции пик-факторсигнала, рассчитанный по методике, предложенной в настоящей диссертационной работе, совпадает с теоретическими значениями.Практическая значимость результатов диссертационного исследованиязаключается в разработке структурных схем для формирования и приема многочастотных сигналов с неортогональным частотным уплотнением с пониженнымзначением пик-фактора и в реализации разработанного алгоритма снижения пикфактора в ПЛИС.Снижение пик-фактора случайных последовательностей многочастотныхсигналов (как с ортогональным, так и с неортогональным частотным уплотнением) позволит снизить энергопотребление и, как следствие, продлить время автономной работы в мобильных устройствах в современных телекоммуникационных системах с многочастотными сигналами, таких как DVB-T/T2, DVB-H,DVB-C, IPStar и перспективных системах сотовой связи 5G.Предложенные структурные схемы разработанного метода формированиямногочастотных сигналов с пониженным пик-фактором включают блоки ОБПФ.93Эти модули лежат в основе современных OFDM-модемов.

Данное обстоятельство обуславливает возможность простого перехода с OFDM-сигнальных конструкций к OFDM/SEFDM-сигнальным конструкциям c пониженным значениемпик-фактора посредством обновления программного обеспечения существующих приемо-передающих устройств.Реализация результатов исследованийРезультаты диссертационных исследований реализованы в НИР “Разработка универсального пакетного демодулятора для VSAT систем”.

Договор №143427702 от 15.06.2017, ООО “Специальный технологический центр” и НИР“Разработка макета программно-аппаратного комплекса анализа сетей Wi-Fi”.Договор № 143427301 от 26.04.2013, ООО “Специальный технологическийцентр”.Публикации и вклад автора в разработку проблемыПо теме диссертации опубликовано 6 работ. Все приведенные в настоящейдиссертации результаты получены автором самостоятельно.Апробация результатовМатериалы диссертационного исследования докладывались на следующихконференциях:1.

14th International Conference, NEW2AN 2014 and 7th Conference, ruSMART2014, St. Petersburg, Russia, August 27-29, 2014;2. 39th International conference on telecommunications and signal processing,2016;3. 2016 IEEE Global Communications Conference (GLOBECOM), 2016;4. 18-я Международная конференция.

Цифровая обработка сигналов и ееприменение, 2016.94Список литературы1. Скляр, Бернард. Цифровая связь. Теоретические основы и практическоеприменение. Изд. 2-е, испр. : Пер. с англ. – М. : Издательский дом “Вильямс”,2003. – 1104 с. : ил.2. IEEE Standard for WirelessMAN-Advanced Air Interface for BroadbandWireless Access Systems, IEEE Standart 802.16.1, 2012.3. Вишневский В.М., Ляхов А.И., Портной С.Л., Шахнович И.В., Широкополосные беспроводные сети передачи информации.

– Москва: Техносфера,2005, 592 с.4. D. K. Fadeev and A. V. Rashich, "Optimal Input Power Backoff of a Nonlinear Power Amplifier for SEFDM System," Proceedings of the NEW2AN 2015 and 8thConference, pp. 669–678, August 2015.5. L. Wang, C. Tellambura, “An Overview of peak-to-average power ratio reduction techniques for OFDM systems,” Signal Processing and Information Technology, 2006 IEEE International Symposium on, Aug.

2006, Page(s): 840–845.6. S.H. Han, J.H. Lee, “An Overview of peak-to-average power ratio reductiontechniques for multicarrier transmission,” IEEE Wireless Communications, April2005.7. S. Ahmed and I. Darwazeh, "IDFT Based Transmitters for Spectrally EfficientFDM System," in London Communication Symposium, Sep 2009.8. S. Ahmed and I. Darwazeh, “Inverse discrete Fourier transform-discrete Fourier transform techniques for generating and receiving spectrally efficient frequencydivision multiplexing signals”, American Journal of Engineering and Applied Sciences, Vol.

4, pp. 598–606, 2011.9. P. N. Whatmough and I Darwazeh, “A Reconfigurable Spectrally EfficientFDM Baseband Modulator,” in London Communications Symposium, LCS 2011, September 2011.9510. A.B. Kislitsyn A. V. Rashich and N. N. Tan, "Generation of SEFDM-SignalsUsing FFT/IFFT," Proceedings of the NEW2AN 2014 and 7th Conference, pp. 488–501, August 2014.11. Safa Isam A Ahmed. "Spectrally Efficient FDM Communication Signals andTransceivers: Design, Mathematical Modelling and System Optimization", A thesissubmitted for the degree of Doctor of Philosophy, 2011, pp 182–201.12.