Диссертация (Снижение пик-фактора неортогональных многочастотных сигналов путем добавления корректирующих поднесущих), страница 3

Установлены зависимости вычислительной сложности реализации метода снижения пик-фактора наоснове добавления корректирующих поднесущих от принципа размещения корректирующих поднесущих.Практическая значимость результатов диссертационного исследования заключается в разработке структурных схем для формирования и приемамногочастотных сигналов с неортогональным частотным уплотнением с пониженным значением пик-фактора и в реализации разработанного алгоритма снижения пик-фактора в ПЛИС.Снижение пик-фактора случайных последовательностей многочастотных сигналов (как с ортогональным, так и с неортогональным частотным уплотнением)позволит снизить энергопотребление и, как следствие, продлить время автономной работы в мобильных устройствах в современных телекоммуникационныхсистемах с многочастотными сигналами, таких как DVB-T/T2, DVB-H, DVB-C,IPStar и перспективных системах сотовой связи 5G.Предложенные структурные схемы разработанного метода формирования многочастотных сигналов с пониженным пик-фактором включают блоки ОБПФ.

Этимодули лежат в основе современных OFDM-модемов. Данное обстоятельствообуславливает возможность простого перехода с OFDM-сигнальных конструкций к OFDM/SEFDM-сигнальным конструкциям c пониженным значением пикфактора посредством обновления программного обеспечения существующихприемо-передающих устройств.12Структура диссертацииДиссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключенияи одного приложений.Во введении приведены основные сведения о применении сигналов с ортогональным и неортогональным частотным уплотнением, сформулированы недостатки многочастотных сигналов, в том числе влияние больших значений пикфактора на маломощные приемо-передающие устройства.

Также сформулирована актуальность темы диссертационной работы, определены цель и задачи работы, приведены сведения о практическом внедрении результатов диссертации.В первом разделе работы рассмотрены характеристики многочастотныхсигналов. Приведены их аналитические выражения в непрерывном и дискретномвидах в основной полосе частот и рассмотрены представления многочастотныхсигналов во временных и частотных областях. Дано определение понятия пикфактора многочастотного сигнала и приведены примеры значений пик-факторадля OFDM- и SEFDM-сигналов, приведены параметры OFDM-сигналов типовыхсистем связи с OFDM. Также приведены примеры зависимости отношения мгновенной к средней мощности от времени для OFDM- и SEFDM-сигналов.

Данаформулировка цели работы и описаны научные задачи исследований.Во втором разделе предложены методика расчета пик-фактора отдельногоOFDM- или SEFDM-символа в дискретном времени и методика расчета выборочного среднего и дисперсии последовательности символов многочастотногосигнала.

Проанализирована зависимость оценки математического ожиданиясредней по ансамблю реализации случайной величины пик-фактора от увеличения частоты дискретизации. Для выбранного метода формирования SEFDMсигналов исследована зависимость положения отбрасывания отсчетов от количества символов с минимальным пик-фактором.

Показано, что независимо отспособа модуляции (КАМ-4, КАМ-16, КАМ-64) и числа поднесущих (от 5 до27841) повышение размерности ОБПФ в 4 раза позволяет уточнить результатрасчета среднего пик-фактора на ~0.5 дБ для OFDM-сигналов и на ~1 дБ для13SEFDM-сигналов с коэффициентом уплотнения 1/2. Дальнейшее увеличение частоты дискретизации существенного увеличения точности не дает.В третьем разделе предложен метод снижения пик-фактора на основе распределенных корректирующих поднесущих, основной особенностью которогоявляется с пониженная по сравнению с похожими алгоритмами вычислительнаясложность.

Для снижения пик-фактора к SEFDM-символу добавляются распределенные по частоте поднесущие, комплексные амплитуды которых выбираютсятаким образом, чтобы снизить пик-фактор. Сформулировано и доказано свойство (О)БПФ, примененное в разработанном алгоритме. Проанализирована вычислительная сложность предлагаемого алгоритма снижения пик-фактора. Выполнен анализ величины снижения пик-фактора в результате применения разработанного алгоритма для различного числа информационных и корректирующихподнесущих для различных коэффициентов уплотнения и различных методовманипуляции как информационных, так и корректирующих поднесущих. Показана зависимость величины снижения пик-фактора от числа итераций алгоритма.В четвертом разделе описана реализация предложенного алгоритма снижения пик-фактора в ПЛИС (программируемая логическая интегральная схема,FPGA – field programmable gate array).

Описана реализация формирователя неортогональных многочастотных сигналов с пониженным значением пик-фактора вПЛИС. В реализации 32-кратно повторно используются БПФ пониженной разрядности для снижения количества занимаемых ресурсов и увеличения быстродействия. Предложенный метод занимает <30% логики общего назначения и<70% специализированных ресурсов целевой ПЛИС. При использовании современных поколений ПЛИС Xilinx серии Ultrascale предложенная реализации займет не более 10% ресурсов.В пятом разделе приводится описание выполненного экспериментальногоисследования разработанного метода снижения пик-фактора ортогональных инеортогональных многочастотных сигналов. В ходе проведения экспериментавыполнялась проверка работы предложенного в настоящей диссертации алго14ритма снижения пик-фактора многочастотных сигналов на реальном оборудовании не в основной полосе частот, а на несущей, с учетом реальных полос пропускания трактов генератора и приемника сигналов, а также с учетом неидеальностей их RF-трактов.С помощью разработанной установки проведены экспериментальные исследования SEFDM-сигналов с пониженным значением пик-фактора.

Снижениепик-фактора (выборки) составило примерно 1,6 дБ, что согласуется с результатами имитационного моделирования.151. Пик-фактор многочастотных сигналов1.1. Многочастотные сигналы с ортогональным и неортогональнымчастотным уплотнениемВ многочастотных сигналах информация распределяется по частотнымподканалам, которые используются для параллельной передачи данных, формируя подпотоки, скорость которых значительно меньше исходного высокоскоростного потока данных. В современных системах с многочастотными сигналами количество подпотоков изменяется в пределах от сотен до десятков тысяч.В случае OFDM-сигналов сигналы на поднесущих взаимно ортогональны. Формирования таких сигналов осуществляется в цифровом виде с использованиемобратного быстрого дискретного преобразования Фурье (ОБПФ).

Перед модулем ОБПФ обычно ставится блок модулятора, который выполняет отображениеинформационных битов в комплексные модуляционные символы в соответствиис выбранным способом манипуляции. Полученные сигналы с выхода ОБПФ обладают свойством ортогональности. Многочастотные сигналы с ортогональнымчастотным уплотнением обеспечивают высокую помехоустойчивость приема вусловиях межсимвольной интерференции за счет распределения информации почастотным каналам при относительно невысокой вычислительной сложности эквалайзера по сравнению с одночастотными системами сигналов.Рассмотрим схематичное представление многочастотных сигналов.

Нарис. 1.1 представлен схематичный вид многочастотного сигнала в частотной ивременной областях для пяти поднесущих частот. По вертикальной оси отложены амплитуды A0…A4 поднесущих соответствующих частот f0…f4 по оси времени –синусоидальные сигналы на каждой поднесущей частоте. Частотный разнос между поднесущими составляет Δf = α/T, где α – коэффициент уплотнения,T – длительность символа. Отметим, что на длительности символа у SEFDMсигналов содержится нецелое число колебаний каждой поднесущей в отличие отOFDM-сигналов.16A0A1A2A3A4f1f2f3f4f   / Tf0fTtttttРис.

1.1. Схематичное представление многочастотного сигналаЭнергетический спектр случайной последовательности многочастотныхсигналов определяется суммой энергетических спектров случайных последовательностей сигналов на каждой поднесущей частоте. Таким образом, для сигнала, представленного на рис. 1.1, энергетический спектр будет определятьсяформой энергетического спектра сигналов с огибающей длительностью T.Ортогональные сигналы на поднесущих в OFDM-сигналах выбираются изусловияT sin(2 f t )sin(2 f t )dt  0, k  l ,lk(0.1)0где fk и fl – несущие частоты каналов k и l. При выполнении условия ортогональности межканальная (внутрисимвольная) интерференция отсутствует. Для случая SEFDM-сигналов выражение (0.1) не равно 0 вследствие неортогональностисигналов на поднесущих.Многочастотный сигнал с N поднесущими частотами на длительности символа Т в основной полосе частот может быть записан следующим образом:s(t ) N /21k  N /2Ck e j 2fkt , t [0;T ] ,(1.1)где Ck – манипуляционный символ k-ой поднесущей, Δf – частотный разносмежду соседними поднесущими.

В случае, когда Δf = 1/T, s(t) представляет изсебя OFDM-сигнал; если Δf = α/T < 1/T, где 0 < α < 1,то s(t) является SEFDMсигналом, а коэффициент α называется коэффициентом частотного уплотнения.17Для OFDM-сигналов α = 1. Для уменьшения влияния наложения спектров соседних по частоте сигналов используются защитные интервалы по частоте:Ck = 0 при k ∈ [0; NGI_left – 1] и k ∈ [N – NGI_right; N – 1],где NGI_left — количество неиспользуемых поднесущих «слева» в области отрицательных частот, NGI_right — количество неиспользуемых поднесущих «справа» вобласти положительных частот.Основной характеристикой FDM-сигналов является коэффициент уплотнения:α = ΔfT = Δf/Δfорт,(1.2)где Δfорт – разнесение поднесущих частот в частотной области для ортогональных сигналов.

Спектрально-эффективные FDM-сигналы занимают меньшую полосу частот, чем OFDM-сигналы, т.е. для Δf < Δfорт коэффициент уплотненияα < 1 при той же скорости передачи, метода модуляции и кодирования.Вводя частоту дискретизации Fs, равную Fs = 1/Δt = NΔf, получаем следующие равенства: ΔtΔf = 1/N и T / Δt = Nα = L. Таким образом, количество отсчетов в SEFDM-сигналах по сравнению с OFDM-сигналами уменьшается в 1/α раз.Дискретный многочастотный сигнал на длительности символа в основнойполосе частот можно представить в виде:s(nt )  sn N /21k  N /2Ck ej 2knN, n  0L  1(1.3)Для формирования OFDM-сигналов в соответствии с (1.3) применяетсяОБПФ с размерностью NIFFT, равной ближайшей сверху степени 2 к N. Для формирования SEFDM-сигналов в данной работе используется метод на основеОБПФ с аналогичной размерностью NIFFT [29].