Диссертация (Снижение пик-фактора неортогональных многочастотных сигналов путем добавления корректирующих поднесущих), страница 4

На выходе ОБПФ оставляютсятолько первые L отсчетов, остальные отбрасываются. На рис. 1.2 изображенаструктурная схема, описывающая этот метод.18snCN/2–1...0...0NGI_rightN точечное ОБПФ...... ... ...sL...S/PCksL–1...Ck...C–N/2sN FFT 1snОтбрасывание0P/Ss0...NGI_left0Рис.

1.2. Структурная схема алгоритма формирования SEFDM-сигналовИнтерес к SEFDM-сигналам вызван истощением частотного ресурса в диапазоне частот до 10 ГГц, а также потребностью в дальнейшем увеличении скорости передачи информации в сетях беспроводного широкополосного доступа.Переход от OFDM- к SEFDM-сигналам может обеспечить увеличение спектральнойэффективностив2…3раза([Ошибка!Источникссылкиненайден.], [Ошибка! Источник ссылки не найден.], [Ошибка! Источникссылки не найден.]). При этом SEFDM-сигналы сохраняет свойственнуюOFDM-сигналам высокую эффективность в каналах с частотно-селективнымизамираниями.Сигналы с частотным мультиплексированием широко применяются в сетях Wi-Fi-a,g,n, WiMAX, LTE, DVB-T2.

Сигналы отличаются количеством используемых поднесущих (как следствие, и размером (О)БПФ), а также ширинойиспользуемого частотного диапазона. Некоторые типовые значения числа поднесущих и соответствующих размерностей ОБПФ сигналов вышеперечисленных систем передачи данных в качестве примера в порядке возрастания их максимального числа приведены в табл. 1.1..19Таблица 1.1. Параметры многочастотных сигналов типовых беспроводных систем передачи данных c OFDM-сигналамиСигналКоличествоРазмерностьПолоса занимаемыхподнесущихОБПФчастот8,3 МГц ([Ошибка! ИWi-Fi-a,g52128сточник ссылки ненайден., с. 1605])40 МГц ([Ошибка! ИWi-Fi-n114128сточник ссылки ненайден., с. 1689])10 МГц ([Ошибка! ИWiMAX8651024сточник ссылки ненайден., с.

515])20 МГц ([Ошибка! ИLTE12012048сточник ссылки ненайден., с. 6])10 МГц ([Ошибка! ИDVB-T22784132768сточник ссылки ненайден., с. 116])Для сигналов с числом поднесущих, больших пяти, и КАМ-64 (объем алфавита M = 64, log2M = 6) имитационное моделирование для получения характеристик (математического ожидания и дисперсии) поведения пик-фактора будетзатруднено в связи с чребольшим количеством возможных комбинаций комплексных амплитуд поднесущих. Получаем (25 )log2 M  (25 )6  230 комбинаций.Для случаев ФМ-2, ФМ-4 и КАМ-16 и пяти поднесущих несложно провести моделирование для всех комбинаций сигналов.

Для КАМ-16 требуется провестиодин миллион расчетов, для КАМ-64 ~ один миллиард.201.2. Пик-фактор SEFDM-сигналовНа рис. 1.3 представлен пример OFDM-сигнала на длительности символа счислом поднесущих частот, равным N = 840, размерностью ОБПФ NIFFT = 1024 ичастотой дискретизации Fs = 11,2 МГц. Поднесущие частоты манипулированыФМ-4. Рассматриваемый сигнал во временной области является суперпозициейгармонических составляющих, при сложении части которых в фазе происходит«выброс» по амплитуде, который виден на рис. 1.3.Рис. 1.3. Пример OFDM-символа с N = 840, NFFT = 1024 и Fs = 11,2 МГцВведем понятие пик-фактора многочастотного сигнала.

Пик-фактором Πмногочастотного сигнала будем называть отношение наибольшей (пиковой)мощности к средней мощности сигнала на длительности символа:  maxt[0;T ]1 Tp(t ), p(t )  s(t )s* (t ) , Pср   p(t )dtT 0Pср(1.4)Получим выражение для пик-фактора для OFDM-символов. Пусть справедливо условие ортогональности:T1, n  m1 j (n m )edt,0,nmT 0тогда из формулы (1.2)21N12N1222N 111 N 1 N 12j (n m ) t* j (n m ) t*Pср     CnCmedt   CnCm  edt   Cn .T 0 n N m NT n 0 m 0n 00TTМгновенная мощность OFDM-сигнала равнаN 1 N 1s(t )   CnCm* e j (n m )t , t  [0;T ].2n  0 m 0Тогда пик-фактор OFDM-сигнала определяется следующим выражением:max s(t )t[0;T ]Pср2 N 1 N 1max   CnCm* e j (n m )t t[0;T ] n 0 m 0.N 12 Cn(1.5)n 0Отметим, что для OFDM-сигналов с фазовой манипуляцией средняя мощность сигнала Pср постоянна и не зависит от символов канального алфавита, вотличие от SEFDM-сигналов, в которых средняя мощность изменяется случайным образом.

Для квадратурной амплитудной манипуляции при большом количестве символов для обоих типов сигналов средняя мощность сигнала примернопостоянна:Pсрconst(Cn ).На рис. 1.4 и 1.5 приведены примеры OFDM- и SEFDM-сигналов с ФМ-4,количеством поднесущих частот N = 1024, размерностью ОБПФ NFFT = 1024 ичастотой дискретизации Fs = 11,2 МГц. Для SEFDM-сигнала коэффициентуплотнения равен 3/4. На графиках по оси абсцисс отложено время сигнала, а пооси ординат – отношение значения мгновенной мощности сигнала к его среднеймощности на длительности символа.

Из графика на рис. 1.4 видно, что пик-фактор Π ≈ 10 = 10 дБ.При исследовании количественных характеристик пик-факторов для различных методов манипуляций во втором разделе получены оценки выборочногосреднего и дисперсий пик-фактора OFDM- и SEFDM-сигналов для количестваиспользуемых поднесущих в сигнале от 5 до 32768, а также построены интегральные характеристики пик-фактора для частных случаев SEFDM-сигналов.22Рис.

1.4. Пример OFDM-сигнала с ФМ-4: N = 840, NFFT = 1024 и Fs = 11,2 МГцРис. 1.5. Пример SEFDM-сигнала с ФМ-4: N = 840, NFFT = 1024, Fs = 11,2 МГц иα = 3/41.3. Обзор традиционных методов снижения пик-фактора многочастотныхсигналовВ [Ошибка! Источник ссылки не найден.] было показано, что как системы с OFDM, так и системы с SEFDM подвержены высокому пик-фактору (5–10 дБ).

Из-за сходства двух систем сигналов методы снижения пик-фактора, разработанные для OFDM-сигналов, можно применить для SEFDM-сигналов.23Методы снижения пик-фактора могут быть классифицированы как не искажающие и искажающие. Не искажающие методы уменьшают пик-фактор безвведения нелинейных искажений. Такие методы выполняют операции на передатчике и сообщают приемной стороне информацию, необходимую для совершения обратных преобразований к примененным операциям. Следовательно, вданном случае снижение пик-фактора достигается за счет снижения скорости передачи. Примерами неискажающих методов являются выборочное отображение(Selective Mapping, SLM), частично передаваемая последовательность (PartialTransmit Sequence, PTS) и предварительное кодирование (например, последовательностями Голея).

В искажающих методах нет необходимости в передачи дополнительной информации, тем не менее, эти методы являются более вычислительно сложными и могут также приводить к снижению скорости передачи, какправило, из-за расширения спектра и/или ухудшения помехоустойчивости. Типичным примером искажающих методов является клиппирование [4-5, 27].1.3.1. КлиппированиеКлиппированием называется ограничение амплитуды сигнала до определенного уровня.

В случае отсутствия применения схемы контроля пик-фактораклиппирование может произойти непреднамеренно в системе из-за превышенияуровня насыщения усилителя мощности. В системах с OFDM обычно за клиппированием следует стадия фильтрации для уменьшения внеполосного излучения[27]. В результате фильтрации происходит повторный рост пиков, поэтому клиппирование повторяется итеративно, пока не будет получена требуемая величинапик-фактора, что дополнительно усложняет метод.Недоиспользование выходных усилителей мощности происходит из-за нелинейности амплитудно-частотной характеристики усилителя мощности. Длядостижения максимального КПД работы усилителя мощности необходимо выбирать рабочую точку как можно ближе к области насыщения.

В этом случаесигналы с OFDM и SEFDM, обладающие высоким значением пик-фактора, будут24подвергаться искажениям, что приведет к расширению их энергетического спектра и возрастанию корреляционных связей между сигналами, расположеннымина различных поднесущих частотах (т.е. увеличению внутрисимвольной интерференции), что в свою очередь снижает помехоустойчивость приема [33, 34].Уменьшения искажений можно достичь путем смещения рабочей точкиусилителя.

При этом происходит снижение средней мощности сигнала, что приводит к ухудшению помехоустойчивости приема.Таким образом, существует два фактора, зависящих от величины смещениярабочей точки усилителя относительно точки насыщения: изменение среднеймощности сигнала и появление искажений в сигнале из-за нелинейной передаточной характеристики усилителя. Превалирующее действие того или иногофактора зависит от числа поднесущих частот, величины частотного разносамежду поднесущими частотами, вида модуляции сигналов, расположенных накаждой поднесущей частоте и от условий приема.Исследования, проведенные для сигналов с OFDM, показывают, что существует такое значение величины смещения рабочей точки усилителя мощности,при котором достигаются наилучшие показатели помехоустойчивости [35, 36],причем это значение отличается при использовании разных методов модуляцииподнесущих.Сигналы SEFDM характеризуются наличием корреляционных связей междусигналами на поднесущих частотах уже на этапе формирования сигнала, поэтомудополнительные искажения, внесенные в усилителе мощности или при клиппировании могут значительно усложнить прием таких сигналов.