CC BY
255
Оптимизация параметров ОРРМ-сигналов с постоянной огибающей в спутниковых системах передачи информации
Системы спутниковой связи с фазовой модуляцией активно используются для передачи информации, поэтому принципы, заложенные в технологии СЕ-ОРРМ, вполне могут быть применены при построении новых спутниковых систем передачи информации в диапазоне частот выше 40 ГГц.
Баринов В.В.,
ДТ.Н.
Тихомиров А.В.,
старший преподаватель Пронин А.А.,
ведущий инженер МИЭТ (ТУ), г Москва tcs@miee.ru
Смирнов Н.И.,
дт.н., МТУСИ, г. Москва
В отличии от беспроводных наземных систем связи, спутниковые системы связи не столь стремительно используют новые сверхширо-кополосные технологии и технологию мультиплексирования с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM).
Это связано с рядом серьезных требований и ограничений, накладываемых на спутниковые системы связи. Поэтому не все методы, которые применяются в наземных системах, применимы и к спутниковым системам. Для применения технологий, распространенных в наземных системах связи, к спутниковым системам, зачастую требуется внесение в эти технологии ряда модификаций и усовершенствований.
В спутниковых линиях связи широко применяются различные методы модуляции и демодуляции ЧМ сигналов, которые позволяют улучшить пороговые свойства приемных устройств. Использование частотной модуляции позволяет получить выигрыш в помехоустойчивости за счет использования широкой полосы частот при сравнительно несложной аппаратуре и существенных эксплуатационных преимуществах.
Применение ЧМ в спутниковых системах передачи информации приводит к неизбежному расширению спектра. Этот фактор является критичным для систем, работающих в диапазоне частот до 40ГГц. Но такие преимущества систем сверхширокополосной связи как низкая сложность и стоимость аппаратуры, небольшое энергопотребление, устойчивость к многолучевости и высокая скрытность в радиоэфире, заставляют нас задуматься о методах внедрения принципов работы этих систем в спутниковые системы передачи информации. Однако использование сверхширокополосной связи в спутниковых системах, в том виде, в котором она используется в наземных радиосистемах — невозможно. Это связано с тем, что энергетика спутниковых радиолиний ограничена требованиями электромагнитной совместимости в сторону Земли и не позволяет надежно обеспечить необходимое соотношение сигнал-шум.
Применение сверхширокополосной связи для спутниковых систем целесообразно рассмотреть в диапазонах частот более 40 ГГц,
которые еще достаточно свободны, и поэтому ограничениями по излучаемой мощности можно пренебречь. Кроме того аппаратура сверхширокополосной связи менее чувствительна к неленейности характеристик усилителей мощности.
Одной из технологий, наиболее интересной в плане использования ее в спутниковых системах связи, является технология OFDM, которая обеспечивает высокую спектральную эффективность и помехоустойчивость. Одним из основных недостатков систем с OFDM, является высокий пик-фактор, т.е. отношение пиковой мощности к средней. Высокое значение пик-фактора делает OFDM сигналы чувствительными к нелинейным искажениям в усилителях мощности передатчиков при излучении большой мощности.
Одним из способов снижения пик-фактора в излучаемом сигнале, может стать использование сигнала OFDM с постоянной огибающей. В наземных системах связи используют технологию CE-OFDM (Constant Envelope OFDM), обеспечивающую низкий пик-фактор. В OFDM с постоянной огибающей используется дополнительная фазовая модуляция с целью уменьшения высокого пик-фактора OFDM сигнала до постоянного уровня, обеспечивая тем самым эффективную работу выходного усилителя мощности передатчика.
Модифицированная стандартная система OFDM с дополнительной фазовой модуляцией представлена на рис.1 (неокрашенные блоки являются общими как для обычной OFDM, так и для OFDM с постоянной огибающей).
Сигнал OFDM с постоянной огибающей формируется путем подачи OFDM последовательности {x[n]}, на вход фазового модулятора, на выходе которого получается последовательность {s[n]}=Aei^(t) с пик-фактором близким к нулю, где A — амплитуда сигнала, 9(t) — фаза сигнала. В приемнике происходит обратное преобразование, т.е. вначале фазовая демодуляция, а далее обычная OFDM демодуляция. Результатом таких преобразований являются сигналы с постоянной огибающей.
На рисунке 2,а приведен пример сравнения временных диаграмм OFDM и OFDM с постоянной огибающей. Видно, что колебания амплитуд OFDM с постоянной огибающей практически равны нулю, по сравнению с OFDM сигналом.
Установлено, что OFDM сигнал с постоянной огибающей, по сравнению с OFDM сигналом менее подвержен влиянию многолучевости и фейдингу. На рисунке 2,б представлены графики иллюстрирующие влияние индекса фазовой модуляции в системах OFDM с постоянной огибающей на уменьшение спектральной плотности шума на выходе демодулятора приемника. При этом на рисунке 3 показано, что в системе с OFDM с постоянной огибающей с увеличением индекса модуляции происходит расширение спектра по сравнению со спектром OFDM.
При использовании OFDM с постоянной огибающей, с увеличением индекса фазовой модуляции снижается вероятность ошибки на бит. Это позволяет земным терминалам повысить чувствительность приемника.
Рис. 1. Структурная схема CE-OFDM передатчика и приемника
На рис.3 представлены характеристики бинарного OFDM с фазовой модуляцией (CE-OFDM) для различных индексов модуляции по сравнению со стандартным бинарным OFDM (пунктирная линия на графике).
Можно предполагать, что широкополосные спутниковые системы связи будут проектироваться для частотных диапазонов 40-60 ГГц. Основная цель применения таких технологий в спутниковых системах связи состоит в увеличении скорости передачи данных.
Спутниковые системы передачи информации на основе OFDM с дополнительной фазовой модуляцией дают преимущества в увеличении спектральной эффективности для фиксированной связи и позволяют создавать менее сложные земные приемники и обеспечивать интеграцию между спутниковыми и наземными системами радиосвязи. Уменьшение пик-фактора в OFDM сигналах с постоянной огибающей, хотя и приводит к увеличению полосы занимаемой сигналом, но решает задачу устранения влияния нелинейности характеристик передающих устройств, благодаря уменьшению пик-фактора сигнала до нуля. Интенсивные исследования по данной проблеме проводятся многочисленными ведущими мировыми учеными в разных странах мира.
Системы спутниковой связи с фазовой модуляцией активно используются для передачи информации, поэтому принципы, заложенные в технологии CE-OFDM, вполне могут быть применены при построении новых спутниковых систем передачи информации в диапазоне частот выше 40 ГГц. Для этого необходимо провести моделирование системы OFDM с частотной модуляцией и оптимизировать параметры этой системы. В частности необходимо выявить зависимость ширины спектра от индекса модуляции, от которого также зависит достоверность принимаемой информации. В свою очередь повысить достоверность информации можно увеличивая излучаемую мощность, что для спутниковых систем в диапазоне частот выше 40 ГГц в настоящее время не является критичным с точки зрения электромагнитной совместимости.
£ 10"
а ю"
10'
г\—v——*—м /•Т-\ / / \ \
/ ' / / 7 / \ \ \ \ ч \
/ / д / \ \ \ \
У Л / лД/у
" / НІІІЩЇ1
г V ч _
-1,5
-0,5
0,5
1,5
Нормированная частота./W Стандартный OFDM
--------CE-OFDM h=1.2/2pi
--------CE-OFDM h=0.7/2pi
Рис.3. Пример спектра OFDM и CE-OFDM с различными индексами модуляции
Рис. 4. Характеристики бинарного CE-OFDM по сравнению с бинарным OFDM
ЛИТЕРАТУРА
1. Thompson S.C., Ahmed A.U., Proakis J.G., Zeidler J.R., Geile
MJ. ConstantEnvelope OFDM. — IEEE Trans. On Commun.—Vol.56. — No.8. — August 2008. — R1300-1312.
2. Ahsen U. Ahmed, Steve C. Thompson, James R. Zeidler. Channel estimation and equalization for CE-OFDM in multipath fading channels. — University of California, San Diego (UCSD) also with SRAWAR Systems Center (SSC) Pacific also with Acorn Technologies. — San Diego, 2010.
3. Thompson S.C., Proakis J.G., Zeidler J.R. Constant Envelope Binary OFDM Phase Modulation. — In Rroc. — IEEE Milcom. — Vol.1. — Boston, Oct. 2003. — R621-626.
Рис. 2. Сравнение характеристик OFDM и CE-OFDM
