CC BY
31ПЕРЕДАЧА, ПРИЕМ И ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ
УДК 621.376.9, 004.942, 519.876.5
Использование FBMC/OQAM в пакетном радиомодеме коротковолнового диапазона
Шаптала ВС.
Аннотация. Современная элементная база позволяет реализовывать вычислительно сложные алгоритмы обработки сигналов. Особенно это заметно на примере развития сотовых систем связи. В этом случае часто допускается нарушение ортогональности при мультиплексировании сигналов, что позволяет повысить пропускную способность системы связи без существенного ухудшения её помехоустойчивости. В статье ставится задача оценки эффективности применения мультиплексирования сигналов, разделённых по частоте с нарушением ортогональности, в пакетных радиомодемах коротковолнового диапазона. Целью работы является создание модели передающей и приёмной части радиомодема без системы синхронизации и помехоустойчивого кодирования. При моделировании использовались методы цифровой обработки сигналов и теории связи. Новизна решения состоит в сопоставлении двух способов формирования и приёма сигнала: в частотной или временной областях. К результатам работы следует отнести создание модели, которая реализована в виде объектно-ориентированного кода и функционирует в вычислительной среде технических расчетов MATLAB. Практическая значимость работы заключается в том, что определены границы применимости рассмотренного принципа мультиплексирования для использования в радиомодемах КВ диапазона. Полученный код может быть использован при моделировании и создании перспективных систем связи.
Ключевые слова: модуляция, Filter Bank Multi Carrier, Orthogonal frequency-division multiplexing, помехоустойчивость.
Введение
Технология FBMC (Filter Bank Multi Carrier, метод частотного мультиплексирования с множеством несущих, использующий гребёнку фильтров) часто обсуждается в контексте развития сетей сотовой связи, поэтому крупные телекоммуникационные институты (3GPP, ITU, 5GPPP и т. д.) и корпорации (Samsung, Qualcomm, Huawei и т. д.) используют её в своих предложениях на профильных комитетах и при построении своего перспективного телекоммуникационного оборудования. Конкуренция между коллективами приводит к тому, что ясного описания FBMC в открытых источниках не так много, как, например, OFDM (Orthogonal frequency-division multiplexing, мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов).
В статье FBMC будет рассмотрена совместно с OQAM (Offset Quadrature Amplitude Modulation, квадратурная амплитудная модуляция со смещением) в контексте разработки радиомодемов коротковолнового (КВ) диапазона. Хорошее представление об FBMC/OQAM можно получить из [1], а один из примеров реализации доступен в составе системы технических расчётов MATLAB [2]. Несмотря на то, что скорости передачи в современных системах сотовой связи (LTE, 5G) и системах КВ радиосвязи несопоставимы - принципы построения аппаратуры могут совпадать и обеспечивать эффективную работу в определённых режимах.
Два способа реализации FBMC/OQAM
Как и для многих алгоритмов цифровой обработки сигналов рассматриваемую модуляцию можно реализовать либо в частотной, либо во временной области. Частотная область подразумевает использование интерполяции. Сигнал с повышенной частотой дискретизации сглаживается фильтрами с конечной импульсной характеристикой (КИХ), амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) которых представлена на рис. 1.
Коэффициенты КИХ фильтров выбраны таким образом, что они обеспечивают линейную фаза-частотную характеристику [3]. Коэффициент интерполяции K может принимать значение 2, 3 или 4. При увеличении этого коэффициента увеличивается длительность единичного элемента сигнала и его перекрытие с соседними посылками. Этот же коэффициент определяет перекрытие между соседними элементами сигнала.
О 0.1 0.2 0.3 0.4 05 0.6 0.7 0.8 09 Normalized Frequency ( п rad/sample)
Рис. 1. АЧХ КИХ фильтров в основной полосе частот
Временная область подразумевает использование оконных функций в виде приподнятого косинуса (raised cosine) см. рис. 2. Важно обратить внимание на то, что эти два способа эквивалентны.
Normalized length of symbol
Рис. 2. Оконные функции
Структурная схема работы передающей и приёмной части рассматриваемой модуляции представлена на рис. 3 и рис. 4.
11/М
TD
raised cosine
Рис. 3. Модулятор FBMC/OQAM
На структурных схемах используются следующие обозначения: FD (frequency domain, представление сигнала в частотной области), TD (time domain, представление сигнала во временной области), FIR (finite impulse response, КИХ фильтр), FFT (fast Fourier transform, прямое быстрое преобразование Фурье), IFFT (inverse FFT, обратное быстрое преобразование Фурье), Overlap - сложение сигнала с перекрытием на N/2 отсчётов, N - длительность единичного элемента сигнала в отсчётах, Repeat - повторение сигнала указанное количество раз, Sum - сложение последовательных отрезков сигнала указанное количество раз.
raised cosine
Рис. 4. Демодулятор FBMC/OQAM
На рис. 5 схематически показано сложение сигнала с перекрытием, на котором видна последовательность передачи синфазной и квадратурной составляющей OQAM сигнала. Огибающая сигнала изображена без заполнения. Синфазная и квадратурная составляющие передаются одновременно на разных частотных подканалах, перекрываясь последующими и предыдущими посылками. Последовательная смена знака огибающей сделана только для более различимой визуализации, в действительности необходимости в этом нет.
FBMC overlapping
Т 2Т ЗТ 4Т 5Т 6Т 7Т ВТ
Time
Рис. 5. Сложение сигнала с перекрытием в FBMC/OQAM, K = 4 Моделирование
Рис. 6 и 7 дают графическое представление о работе передающей части FBMC/OQAM. Для моделирования используется система технических расчетов MATLAB. Функции модулятора и демодулятора реализованы в составе одного класса. Выбор между FD и TD происходит по полю класса в режиме реального времени. Есть возможность включить/отключить графическую визуализацию. С точки зрения объектно-ориентированного программирования решение состоит из родительского класса @nofdm от которого наследуются два класса @nofdm_fbmc и @nofdm_ofdm. В классе @nofdm_fbmc находятся две разных реализации FBMC/OQAM, а в классе @nofdm_ofdm классическая реализация OFDM для сопоставления полученных результатов.
При моделировании использовались QAM-64, K = 4, N = 16 и 8 каналов защитный интервал с каждой стороны. Созвездие на графике QAM отличается от созвездия на графике DEM, потому что в FBMC присутствует задержка восстановления данных. На первом и последнем графике показаны сигнальные созвездия на комплексной плоскости, а на всех остальных - отдельно вещественная (синфазная) и мнимая (квадратурная) составляющие сигнала в промежуточных точках.
QAM - исходное созвездие 8 точек. OQAM - 8 комплексных точек превращаются в 16 комплексных точек, которые всегда или только вещественные или только мнимые. SRC UP -добавляется 8 защитных каналов с каждой стороны и получившийся сигнал интерполируется нулями в K раз. SRC UP FIR - сигнал сглаженный фильтром. IFFT - сигнал во временной области после обратного преобразования Фурье. DST - сигнал который будет добавляться в циклический буфер с перекрытием на N/2 отсчётов. OVERLAP - циклический буфер, DEM -сигнал восстановленный в демодуляторе.
Рис. 6. Передатчик FBMC/OQAM в FD
64 128 1 В 16 1 64 128
Рис. 7. Передатчик FBMC/OQAM в TD
OQAM + GUARD - добавление защитного интервала с каждой стороны. IFFT * FIR -сигнал после обратного преобразования Фурье повторен K раз и умножен на окно вида приподнятый косинус.
В графическом представлении приёмной части нет необходимости, поскольку там всё происходит в обратной последовательности, но важно обратить внимание на то, что несмотря на совпадение энергии сигнала и точек созвездия на графике DEM совместимость между реализациями в FD и TD не обеспечивается.
Программная реализация рассматриваемой технологии позволяет управлять размерностью созвездия QAM. Проведенное моделирование помехоустойчивости для созвездий с количеством точек 4, 16, 64 и 256 в канале с аддитивным белым Гауссовским шумом показало, что кривые вероятности битовой ошибки технологий OFDM и FBMC/OQAM совпадают.
Выводы
Рассматриваемое решение существенно повышает вычислительную сложность алгоритма модулятора и демодулятора, но позволяет избавиться от защитного интервала, что приводит к повышению скорости передачи. Например, при построении КВ модемов защитный интервал может достигать 25 % от полезной длительности единичного элемента сигнала и повышение скорости на эту величину является отличным результатом.
Главным недостатком этого способа является увеличение длительности посылки в K раз и появление межсимвольной интерференции, поэтому этот режим нецелесообразно применять в пакетных модемах, которые работают в режиме последовательного расширения спектра сигнала с малым временем излучения на одной рабочей частоте.
Литература
3. Saeed Afrasiabi-Gorgani, An Introduction to OFDM-OQAM 2nd Edition Ph.D. candidate Technische Universit at Berlin July 27, 2017 URL: https://www.researchgate.net/publication/264230812_ An_introduction_to_OFDMOQAM_FBMC (дата обращения 09.08.2021).
4. FBMC vs. OFDM Modulation URL: https://www.mathworks.com/help/comm/examples/fbmc-vs-ofdm-modulation.html (дата обращения 09.08.2021).
5. Шаптала В.С., Ланнэ А.А. Нерекурсивные цифровые фильтры с симметричными характеристиками // Радиотехника. 2003. № 4. С. 59-64.
References
1. Saeed Afrasiabi-Gorgani, An Introduction to OFDM-OQAM 2nd Edition Ph.D. candidate Technische Universit at Berlin July 27, 2017 URL: https://www.researchgate.net/publication/264230812_ An_introduction_to_OFDMOQAM_FBMC (accessed 09 Aug. 2021).
2. FBMC vs. OFDM Modulation URL: https://www.mathworks.com/help/comm/examples/fbmc-vs-ofdm-modulation.html (accessed 09 Aug. 2021)
3. Shaptala V.S., Lanne A.A. Nonrecursive Digital Filters with Symmetric Characteristics. Radio Engineering. 2003. No. 4. Рр. 59-64 (in Russian).
Статья поступила 15 сентября 2021 г.
Информация об авторе
Шаптала Василий Сергеевич - Начальник лаборатории ПАО «Интелтех», кандидат технических наук. Область научных интересов: цифровая обработка сигналов в телекоммуникационных системах. Тел. 8(812)448-19-01. E-mail: shaptalavs@inteltech.ru.
Адрес: 197342, г. Санкт-Петербург, Кантемировская ул., д.8.
FBMS/OQAM usage in packet radio modem for HF range
V.S. Shaptala
Annotation. The modern hardware components and microprocessor technology allows to implement of hard computational algorithms of signal processing. It is particularly evident in the development of cellular communication systems. The future-oriented communication systems often allow non-orthogonal multiplexing of signals, which increases their bandwidth without significant degradation of bit error rate. The article aims to consider a method of encoding digital data on multiple carrier frequencies with nonorthogonal intervals between frequency of sub-carriers in a packet radio modem for HF range. The main goal of this work is to create a model of the transmitting and receiving part of the radio modem without synchronization systems and error-correcting codes. In modeling, methods of communication theory and digital signal processing are used. The novelty of the solution is to compare two ways of development of modulator and demodulator: in the frequency or time domain. The result of the work is a model of FBMS/OQAM, which runs in MATLAB. The practical significance of the work is to define the applicability limits of the considered multiplexing system in radio modems of the short-waves band. The proposed source code could be used for modeling and creating advanced communication systems.
Keywords: modulation, Filter Bank Multi Carrier, Orthogonal frequency-division multiplexing, bit error rate.
Information about Author
Vasily Sergeevich Shaptala - Ph.D. of Engineering Sciences. Head of laboratory PJSC "Inteltech". Scientific interests: digital signal processing in telecommunication systems. Tel. 8 (812) 448-19-01. E-mail: shaptalavs@inteltech.ru.
Address: Russia, 197342, Saint-Petersburg, Kantemirovskaya st., 8.
Для цитирования: Шаптала В.С. Использование FBMC/OQAM в пакетном радиомодеме коротковолнового диапазона // Техника средств связи. 2021. № 3 (155). С. 62-66.
For citation: Shaptala V.S. FBMS/OQAM usage in packet radio modem for HF range. Means of communication equipment. 2021. No 3 (155). Pp. 62-66 (in Russian).
