Диссертация (Снижение пик-фактора неортогональных многочастотных сигналов путем добавления корректирующих поднесущих), страница 2

В свою очередь пик-фактор SEFDMсигналов в существующих работах рассмотрен в ограниченном объеме: отсутствует анализ пик-фактора SEFDM-сигналов в зависимости от коэффициентауплотнения для используемых в современных беспроводных широкополосныхсистемах методов манипуляции и количества поднесущих. Кроме того, в существующих работах не рассмотрены «тонкие» особенности SEFDM-сигналов, связанные с их формированием и приемом.Важно отметить, что пик-фактор многочастотного сигнала является случайной величиной, его значения меняются в зависимости от конкретных значениймодуляционных символов поднесущих, которые применяются в данном символе.

Возможны комбинации модуляционных символов, когда все или почти всесигналы на поднесущих складываются синфазно в какой-либо момент времени,что приводит к чрезвычайно высокому значению пик-фактора (десятки дБ).Также возможны комбинации модуляционных символов, когда пик-фактор символа будет относительно низким. Тем не менее, вероятность таких событийкрайне невысока, а большая часть значений пик-фактора близка к выборочномусреднему [28]. С другой стороны, количество различных комбинаций модуляционных символов является степенной функцией от числа поднесущих и при ихбольшом количестве (более 100) перебор всех возможных символов для расчетасреднего значения пик-фактора за приемлемое для получения результатов моделирования время невозможно на современной и перспективной элементной базе.При этом при анализе методов снижения пик-фактора рассматривается в первуюочередь снижение именно его среднего (выборочного среднего) значения [2728].При разработке различных методов снижения пик-фактора его расчет выполняется непосредственно по временным отсчетам символа на исходной частоте дискретизации [5-6].

Но пик-фактор непрерывного сигнала, восстановлен7ного из этих отсчетов будет отличаться от пик-фактора, посчитанного по отсчетам. Как показано в настоящей работе отклонение может составлять до 1 дБ, чтоделает результаты анализа алгоритмов снижения пик-фактора некорректными[27].Это значит, что при сравнении различных методов снижения пик-фактора,а также при анализе пик-фактора многочастотных сигналов совместно с усилителями мощности важно корректно рассчитывать значения пик-фактора относительно простыми с вычислительной точки зрения методами.Из-за сходства двух систем сигналов – OFDM и SEFDM – существующиедля OFDM-сигналов методы снижения пик-фактора могут быть также применены и для SEFDM-сигналов.

В [11] рассмотрены такие известные [5-6] методыснижения пик-фактора OFDM-сигналов, как методы частично передаваемой последовательности (Partial Transmit Sequence, PTS) и выборочного отображения(Selective Mapping, SLM) применительно к SEFDM-сигналам. Указанные методыпоказали снижение пик-фактора на 2–3 дБ для малого числа поднесущих (менее200). Также в [11] предложен метод снижения пик-фактора на основе скользящего окна (SLW, Sliding Window), разработанного специально для SEFDMсигналов. Перечисленные методы либо не эффективны для случая большогочисла поднесущих (больше 200), либо имеют большую вычислительную сложность. Отметим, что эти методы требуют передачи сторонней информации обоперациях, произведенных передатчиком.Особый интерес для снижения пик-фактора SEFDM-сигналов представляет другой класс методов, не требующих передачи сторонней информации.

Всоответствии с [12] для снижения пик-фактора может быть использован методрезервирования поднесущих Tone Reservation, TR), основанный на расширенииспектра путем добавления поднесущих, от значений комплексных амплитуд которых зависит величина снижения пик-фактора. Расширение спектра в случае 32добавленных поднесущих для систем, использующих порядка 1000 информационных поднесущих, составляет около 3%, при среднем снижении пик-фактора на81,6 дБ и больше. Данный метод не требует передачи сторонней информации приемнику о произведенных операциях; добавленные поднесущие в общем случаена приеме игнорируются.

Недостатком этого метода является его значительнаявычислительная сложность для случая большого числа поднесущих в сигнале,обусловленная необходимостью большого числа итераций при переборе комбинаций комплексных амплитуд и поиске наилучшей, которая дает наибольшееснижение пик-фактора.Отдельное внимание при снижении пик-фактора многочастотных сигналовнеобходимо уделять схеме формирования таких сигналов. Поскольку для формирования OFDM- и SEFDM-сигналов используются алгоритмы быстрого обратного преобразования Фурье (ОБПФ) [10], то для формирования многочастотных сигналов с пониженным значением пик-фактора важно сохранить такой подход, обеспечив эффективное повторное использование результатов ОБПФ припоиске символа с пониженным пик-фактором, или применяя ОБПФ с пониженной размерностью.В общем случае для нахождения комплексных амплитуд добавленных поднесущих решаются оптимизационные задачи, имеющие высокую вычислительную сложность, затрудняющую их реализацию на основе современной программируемой элементной базы (например, на основе программируемых логическихинтегральных схем (ПЛИС), и цифровых процессоров обработки сигналов(ЦПОС).Таким образом, актуальной является проблема анализа величины пик-фактора многочастотных сигналов с ортогональным и неортогональным частотнымуплотнением и его снижения при большом числе поднесущих (порядка 10010000).Объектом исследования в работе являются сигналы с неортогональнымчастотным уплотнением (SEFDM-сигналы) и методы снижения их пик-фактора.Предметом исследования является величина пик-фактора SEFDMсигналов в беспроводных системах передачи данных при заданных методах модуляции, количестве поднесущих и коэффициенте уплотнения.9Целью работы является снижение пик-фактора неортогональных многочастотных сигналов путем применения распределенных по частоте корректирующих поднесущих при количестве поднесущих частот в сигнале порядков102…104.Для достижения данной цели в работе поставлены следующие задачи:1.

Разработка методики расчета пик-фактора неортогональных многочастотных сигналов при различных коэффициентах уплотнения и количестве поднесущих частот в сигнале порядков 102…104.2. Анализ вероятностных характеристик пик-фактора.3. Разработка метода снижения пик-фактора неортогональных многочастотных сигналов путем добавления распределенных по частоте корректирующихподнесущих. Разработка структурных схем формирования и приема неортогональных многочастотных сигналов с пониженным значением пик-фактора.4.

Реализация формирователя неортогональных многочастотных сигналов спониженным значением пик-фактора с применением программируемых логических интегральных схем.5. Экспериментальное исследование разработанного метода снижения пикфактора неортогональных многочастотных сигналов.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.104.

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).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 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 метода11на 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 коэффициента передискретизации сигнала при расчете пик-фактора.