CC BY
74
О методах синхронизации в одночастотных сетях
Ключевые слова: одночастотные сети, кадровая синхронизация, метод максимального правдоподобия, относительного сдвига частотыI, относительный временной сдвиг.
Представлен анализ методов кадровой синхронизации при приеме сигнала от нескольких передатчиков, объединенных в одночастотную вещательную сеть. Рассмотрены модели и структурные схемы кадровой синхронизации методами максимального правдоподобия и корреляции для OFDM системы с одной передающей станцией. Предложена расширенная модель синхронизации для двух передающих станций объединенных в одночастотную сеть. Для предложенной модели исследовано влияния относительного сдвига частоты и относительного временного сдвига на величину отношения сигнал-шум принимаемого сигнала. Проведен сравнительный анализ качества синхронизации и отношения сигнал-шум для рассмотренных методов в канале с АБГШ и доплеровским сдвигом частоты. На временных диаграммах представлено численное моделирование и показана средняя величина отклонения временной синхронизации для разных случаев приема.
Таран А.Н.,
аспирант МТУСИ, [email protected],
Введение
Вещательные технологии имеют огромное значение в жизни современного человека, позволяют получить необходимую информацию в любом месте и в любое время. Тенденция развития вещания предполагает высококачественное предоставление услуг при эффективном использовании энергетических и частотных ресурсов, что способствовало широкому распространению цифровых стандартов радиовещания DAB/DAB+, DRM/DRM+ и телевещания DVB-T/H. Заметим, что все указанные стандарты телерадиовещания характеризуются применением технологии OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). В рамках данных стандартов существует возможность применения одночастотных сетей, которые используют одну несущую частоту и вещают один набор программ. Такие сети были внедрены на территории Великобритании, Германии и в ряде других странах.
Одночастотные сети получили популярность благодаря эквивалентному увеличению мощности при использовании нескольких передающих станций в одной сети. Этот эффект известен как сетевое усиление сигнала. Теоретически максимальная величина сетевого усиления рассчитывается в равноудаленной точке при равном времени задержки на распространение радиоволн до точки приема. Естественно, подобная ситуация на практике маловероятна, в ряде случаев задержка сигнала от разных передатчиков значительно меняется от места к месту, следовательно сетевое усиление будет отличаться от теоретически рассчитанной величины.
В теории и практике определение временной задержки (относительного временного сдвига) 8 принимаемого сигнала играет важную роль, поскольку позволяет уменьшить негативное действие фазовых искажений на выходе OFDM-демодулятора. С помощью S определяется положение окна БПФ, а ее
точная оценка дает возможность демодул и ровать сигнал с наименьшей вероятностью ошибки. Помимо временного сдвига, сигнал подвержен частотным и фазовым искажениям вследствие нестабильности опорного генератора на приемной и передающей стороне или из-за доплеровского сдвига частоты. Подобное воздействие известно как относительный частотный сдвиг е, а негативное действие выражается в появлении временной задержки после ОРЭМ-демодулятора. Максимально достоверная оценка 8 и £ имеет существенное значение при проектировании современных приемных устройств вещания, что позволяет уменьшить габариты и энергопотребление.
Оценка временной задержки 8 осуществляется методами максимального правдоподобия и корреляции, используя периодическое свойство защитного интервала. Так для первого метода момент синхронизации определяется по максимуму на временной диаграмме, а для второго - минимума. Шум радиоканала не позволяет точно оценить этот параметр, поэтому в стандартах вещания используются дополнительные механизмы, корректирующие возникающие искажения [1]. Например: в стандартах с когерентном приемом используются специальные пилот-символы, а в системах с некогерентном приемом - относительные виды демодуляции.
В одночастотных сетях принимаемый сигнал представляет собой сумму сигналов с различной задержкой, следовательно, оценка параметра б неоднозначна, а в некоторых случаях возможна оценка разных моментов времени. Величина сетевого усиления в этом случае будет меньше чем теоретически заявленная, а деградация ее зависит от качества оценки параметров. Именно проблема оценки параметров синхронизации 6 и е при приеме от разных вещательных станций одночастотной сети имеет актуальный и малоизученный характер.
Модель радиосигнала
ОРйМ-модуляция является ядром вещательных технологий, в основе которой лежит параллельная передача данных с защитным интервалом [2,3]. Мо-
демодулятора, вследствие чего нарушение ортогональности поднесущих. Расчет относительного частотного сдвига осуществляется с помощью про-стыхформул [1]:
~ _ fd
fd =
£ =
(6)
с ДГ
где 9 - скорость движения подвижного объекта (м/с), fc - частота несущего колебания, с - скорость света 3*108 м/с, дf - частотное разнесение
поднесущих. Например, для стандарта DAB в первом (mode I) [4] режиме работы с параметрами: fc = 300 МГц, А/ = 1 КГц и при скоростях движения:
80,120,200 км/ч, рассчитанное значение £ равняется 0.02,0.03,0.05. На рис. 4 представлены кривые помехоустойчивости для данных случаев и опорного значения £ = 0. Механизм оценки относительного частотного сдвига в системе DAB делится на два этапа: грубая подстройка (Coarse AFC) и точная подстройка (Fine AFC). С помощью первого этапа определяется целочисленное значение относительного сдвига, например е - 1,2,5, это позволяет приемному устройству настроиться на выбранную несущую частоту. Во втором этапе осуществляется аппроксимации корреляционной характеристики и более точная подстройка [4,5]. В системах с когерентной модуляцией, оценка параметра £ происходит с помощью пилот-символов. Анализ данных методов выходит за рамки данной статьи, этот вопрос детально описан в [1].
существуют два момента синхронизации - соответственно от первого приемника и от второго. Используя методы оценки относительного временного сдвига (2) и (3), на рис. 5 построены временные диаграммы с высоким значением ОСШ = 18 дБ, задержках на первой 8\ = 0 и второй £-> = 10 станциях и
равных коэффициентах ослабления а\ = а~>. Рядом (справа) представлена подобная ситуация, но при задержке 82 =20. Как видно из графиков, для первого случая оценка параметра равны значениям
Л А л А
<5 = 10 и <5 = 0, а для второго 8 = 17 и = 5 -методами максимального правдоподобия и наименьшей разницы соответственно.
Моделирование при разных величинах коэффициента ослабления показало, что оценка 8 соответствует параметру той станции, у которой наибольшая амплитуда принимаемого сигнала. Следовательно, в зонах с равными амплитудами принимаемых сигнала возможны значительные нарушения кадровой синхронизации, что вызывает уменьшение помехоустойчивости системы в целом. Оценка влияние доплеровского сдвига частоты показала, что при произвольных сдвигах Е\ и ^ и нулевых
относительных временных сдвигах, отсутствует значительное уменьшение помехоустойчивости, наоборот, при незначительных временных сдвигах на второй передающей станции, наблюдалось значительное увеличение вероятности ошибки.
Кор(Ь-УДиф(г) ОСШ=18
- л/V
Ja\ Vvx/ У :
її /Ц : Vvy у
20 40
SNR, дБ
Рис. 4. Влияние относительного частотного сдвига помехоустойчивость системы
Модель вещательного сигнала. Наибольший интерес в цифровом вещании представляет многокомпонентная модель принимаемого сигнала, которая для двух передающих станций записывается:
y(t) = о\дг] (/, 8\, £!) + а2х2 (/, 82 ,£2) + n(t) (7)
л-}, л*2 _ передаваемый сигнал с первой и второй станции с величинами относительного временного и частотного сдвига 8\,£\ ,82,£2 и коэффициентами
ослабления а\,а~>- Ясно, что в данной задаче не удается оценить параметр 8 однозначно, поскольку
05 0 45 04 035 , 03 1 0 25 • 02 015 01 005
Кор(Ь-УД*ф<г) ОСШ» 18
/V
V лі УЧА, і ' V/V :
•20 0 20 40 60 80
Рис. 5. Временные диаграммы для двух вещательных станций
Оценка параметров кадровой синхронизации на сегодняшний день основана на методах максимального правдоподобия и наименьшей разницы. Широкое распространение одночастных сетей способствует созданию более совершенных приемных уст-
Литература
ройств, но методы кадровой синхронизации, основанные только на априорной информации, не позволяют с высокой точностью решить данную задачу. Как показало численное моделирование, наибольшее ухудшение наблюдается в областях с равными амплитудами принимаемого сигнала, где, по крайней мере, ожидается наибольшее сетевое усиление. Именно такая проблема требует нового взгляда с позиции внедрения априорных алгоритмов оценивания. Современные системы навигации имеют высокую точность вычисления местоположения подвижного объекта и, следовательно, в первом приближении, может быть измерена задержка сигнала от разных станций, и здесь, по мнению автора, лежит ключ к решению данной проблемы.
1. Yong Soo Cho, Jaekwon Kim, Won Young Yang, Chung G. Kang. MIMO-OFDM Wireless Communications with MATLAB, John Wiley & Sons (Asia) Pte Ltd., 2010. - 440 p.
2. Рихтер С.Г. Цифровое радиовещание. - М.: Горячая линия - Телеком. 2004 . - 352 с.
3. Волков Л., Петровский М., Шинаков Ю. Системы цифровой радиосвязи: базовые методы и характеристики. - М.: Эко-Трендз, 2005. - 393 с.
4. Gandy С. DAB: an introduction to the Eureka DAB System and a guide to how it works, http://downloads.bbc.co.uk/ rd/pubvwhp/whp-pdf-liles/WHI'061 .pdf', 2003. - 109 p.
5. Schulze H., Luders C. Theory and Applications of OFDM and CDMA John Wiley & Sons Inc., 2005 . - 421 p.
