Подавление внеполосного излучения и повышение спектральной эффективности систем OFDM в сетях цифрового телерадиовещания Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Султанов А. Х. Sultanov Л. Кк.

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой телекоммуникационных систем, ФГБОУВО «Уфимский государственный авиационный технический университет», г. Уфа, Российская Федерация

Мешков И. К. Meshkov I. К.

кандидат технических наук, доцент кафедры телекоммуникационных систем, ФГБОУ ВО «Уфимский государственный авиационный технический университет», г. Уфа, Российская Федерация

Мешкова А. Г. Meshkova Л. G.

аспирант, инженер кафедры телекоммуникационных систем, ФГБОУ ВО «Уфимский государственный авиационный технический университет», г. Уфа, Российская Федерация

Иванов В. В. Ivanov V. V.

аспирант, кафедры телекоммуникационных систем, ФГБОУ ВО «Уфимский государственный авиационный технический университет», г. Уфа, Российская Федерация

УДК 621.391.037.3

ПОДАВЛЕНИЕ ВНЕПОЛОСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И ПОВЫШЕНИЕ СПЕКТРАЛЬНОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ OFDM В СЕТЯХ ЦИФРОВОГО ТЕЛЕРАДИОВЕЩАНИЯ

Целью данной работы является разработка метода подавления внеполосного излучения, а также повышение спектральной эффективности системы ортогонального частотного мультиплексирования (Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM)) на основе дополнительной обработки передаваемого сигнала с использованием оконных функций.

Ключевые слова: ортогональное частотное мультиплексирование, оконная функция, коэффициент скругления спектра, коэффициент формы, цифровое телерадиовещание, внеполосное излучение, спектральная эффективность.

OUT-OF-BAND EMISSION SUPPRESSION AND SPECTRAL EFFICIENCY IMPROVEMENT OF THE OFDM SYSTEM IN DIGITAL BROADCASTING NETWORKS

The aim of this work is to develop a method for off-frequency emission suppressing, and to improve the spectral efficiency of the Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) system based on additional processing of the transmitted signal using window functions.

Key words: orthogonal frequency multiplexing, window function, spectrum roll-off factor, shape factor, digital television and radio broadcasting, off-frequency emission, spectral efficiency.

В настоящее время во всем мире идут активные работы по внедрению и расширению областей применения систем беспроводной передачи данных, радиосвязи, радиовещания и телевидения, использующих технологию ортогонального частотного мультиплексирования (Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM)). Использование данной технологии позволяет эффективно использовать отведенную полосу частот и бороться с помехами, возникающими при передаче полезной информации по радиоканалу при сохранении высоких скоростей передачи.

В качестве областей применения данной технологии можно выделить:

— в беспроводных каналах связи технология OFDM используется в следующих стандартах цифрового наземного и спутникового телерадиовещания: DVB-T, DVB-T2, DVB-H, DVB-SH, DVB-T2lite, T-DMB, ISDB-T, MediaFLO, Eureca-147, DAB, DAB+, DRM, DRM+, отечественной системе РАВИС;

— в проводных каналах связи используется в стандарте кабельного цифрового телевизионного вещания DVB-C2 и передачи данных ADSL и VDSL, а также для передачи данных по линиям электропередачи на основе стандарта PLC.

Очень активно OFDM используется в стандартах передачи данных IEEE 802Л1а^М/ас, IEEE 802.16d/e, IEEE 802.16m, LTE и LTE-A и будущих сетей поколения 5G. Еще одним из перспективных и интересных применений OFDM является ее использование в сверхширокополосных сетях передачи данных на основе стандарта IEEE 802.15.3а (UWB - Ultra-Wideband Technology) и последующих разработок.

Однако используемые в OFDM ортогональные поднесущие с прямоугольной формой модулирующего импульса или «приподнятого косинуса» не позволяют бороться в достаточной степени с такими негативными эффектами, как межсимвольная и межканальная интерференция, интерференция по соседнему каналу, временное смещение символов и смещение поднесущих частот, внеполосное излучение. Для компенсации этих явлений используются различные типы защитных интервалов и виртуальные поднесущие, снижающие полезную скорость передачи данных и производительность сети. Также можно увеличить количество поднесущих частот. Однако существуют методы, позволяющие без повышения вычислительной сложности алгоритмов приема и передачи дополнительно снизить негативные факторы, ухудшающие работу системы OFDM. На передающей стороне дополнительно вводятся блоки обработки цифровых данных на основе оконных функций, позволяющих произвести спектральный анализ на ограниченном интервале времени, повысить эффективность работы и получить технологический запас на реализацию более сложной системы в целом. В связи с этим разработка методов повышения эффективности использования технологии OFDM, которые не добавляют вычислительной сложности в алгоритмы обработки сигналов на передающей стороне при сохранении ортогональности поднесущих частот, является актуальной научно-технической задачей.

Решение поставленной задачи выполняется на основе обработки сигнала, представленного на структурной схеме (рисунок 1).

На передающей части символ OFDM после ОБПФ циклически расширяется и

Рисунок 1. Структурная схема передатчика OFDM

затем применяется оконная функция таким образом, чтобы она затрагивала только защитную часть символа - защитный интервал (CP), а оригинальная часть остается неизменной. Основная цель оконной функции в передатчике в том, чтобы сделать спектр резко идущим вниз. Оконная функция делает амплитуду символа OFDM плавно переходящей к нулю на границах символа. С другой стороны, если оконная функция не используется, то спектр внеполосных сигналов уменьшается довольно медленно из-за резкого фазового перехода на границах символа, что может приводить к внеполосному излучению на смежных полосах частот, которое вызывает нарушение электромагнитной совместимости с другими системами передачи и возникновение интерференции по соседнему каналу (ACI — Adjacent Channel Interference).

Увеличение крутизны спада спектральной плотности мощности (СПМ) может привести к увеличению символьной скорости системы за счет более крутого спада спектральных составляющих на границе, а также сглаживанию временных переходов между активным интервалом предыдущего символа и защитным интервалом последующего символа, где возникают разрывы функций, кото-

рые в ограниченном по полосе пропускания канале преобразуются в переходные процессы, искажающие сигналы защитных интервалов, что приведет к уменьшению межсимвольной интерференции (ISI) и повысит крутизну спектра группового сигнала, а также к более эффективному использованию отведенной маски частот и уменьшению влияния межканальной интерференции (ICI) за счет локализации отсчетов FFT. Функция оконного косинуса была применена в IEEE 802.11 WLAN и IEEE 802.16 WMAN [1].

Важнейшим условием, необходимым для любой функции формирования импульса, является то, что преобразование Фурье импульса р^) должно иметь спектральные нули на частотах ±1/Tsub, ±2/Tsub, ... для обеспечения ортогональности поднесущих. Импульсные формы, которые полностью соответствуют этим требованиям, называются импульсами Найквиста [2, 3]. Большинство данных оконных функций использовались на приемной стороне для подавления ICI. Предлагается в качестве дальнейшего развития и получения новых результатов на передающей стороне использовать оптимизированную оконную функцию BTRC - OBTRC и MBH, в которых

используются дополнительные параметры для управления формой спектра.

Импульсную характеристику OBTRC можно выразить как:

Г

Ровтс (0 —

1 1 2

1

—ехр Т

О,

.(и-^J

гТ(\ + а)

2 11 2 otherwise

■ (1)

где а — коэффициент скругления спектра; п — порядок рекурсивного фильтра, который определяет различные типы импульсов; уп — постоянная, которая определяется как: 2" 1п2

Уп=-

(аГ)"

(2)

Далее предлагается решить эту же задачу на основе другой оконной функции - MBH. Для применения этой формы импульса в системе OFDM семейство оконной функции должно быть дополнено условием и иметь вид:

РшиШ =

О < i <

Г(1-а)

4ß-2Y|f| Г(1-аП 2аГ J^1 2 J

|+(l-ß)cos(-^|

I аГг L j I

2

otherwise

Преобразование Фурье окна предлагаемого семейства при Т = 1 выражается как:

^Hi^i^H^3^1} (4)

Параметры в и а, которые являются параметром формы окна и коэффициентом скругления, определяют форму окна и его производительность в системе OFDM.

Для оценки предложенного метода повышения эффективности использования спектра проведено имитационное моделирование в пакете MATLAB режима работы OFDM

для стандарта DVB-T2 и DRM+. Для этого из [4, 5] были выбраны параметры системы, представленные в таблице 1 и задающие режим передачи OFDM.

Для оценки работоспособности разработанного метода выбираются и описываются критерии эффективности. Основным критерием для оценки, связанным с формированием сигнала в системах OFDM, является мощность передачи вне полосы (OOB) на передатчике. Для оценки эффективности предлагается использовать 2 критерия:

1) уровень внеполосного излучения относительно отведённой маски частот;

2) ширину СПМ группового сигнала по маске на уровне первого перегиба и, как следствие, оценку эффективности использования спектра.

Для получения численных показателей в соответствии с рекомендациями международного союза электросвязи SM.1541-3 «Нежелательные излучения в области внепо-лосных излучений» [6] и МСЭ-R SM.1046-2 «Определение использования радиочастотного спектра и эффективности радиосистемы» [7] для оценки по первому критерию проведено сравнение излучения за пределами необходимой ширины полосы, которое возникает в диапазоне частот, отделенном от присвоенной частоты излучения менее чем на 250 % от необходимой ширины полосы излучения, и, как правило, будет считаться излучением в области OOB. В имитационной модели проводится сравнение уровней внеполосного излучения в области ООВ, СПМ группового сигнала для оптимизируемых форм импульса с СПМ группового сигнала, обработанных прямоугольным окном. Для оценки по второму критерию проведено сравнение коэффициента эффективности использования спектра на основе относи-

Таблица 1. Технические характеристики режимов вещания DRM+ и DVB-T2

Технические характеристики DRM+ DVB-T2

цифровой системы телерадиовещания Режим Е Режим 1 К

Полоса частот 95 кГц 7,61 МГц

Количество поднесущих 213 853

Частотный разнос поднесущих 444,44 Гц 8929 Гц

Длительность символа OFDM 2,25 мс 112 мкс

Длительность защитного интервала 0,25 мс 28 мкс

Общая длительность символа OFDM 2,5 мс 140 мкс

46 -

Electrical and data processing facilities and systems. № 3, v. 13, 2017

тельной спектральной эффективности (RSE), которая служит для сравнения спектральной эффективности двух подобных типов радиосистем, обеспечивающих одну и ту же службу. В работе проводится сравнение занимаемой полосы для оптимизируемых форм импульсов. В качестве стандартной взята система, использующая преобразование прямоугольным окном. Кроме того, проводится сравнение крутизны спада СПМ группового сигнала для оптимизированных форм импульса со стандартным. Результат приводится в процентном соотношении для каждого сравнения. Для систем с технологией OFDM коэффициент спектральной эффективности определяется [8]:

Л =

_log2(M)

0+f)

(5)

где М — кратность модуляции; L — число параллельно передаваемых потоков; а —

коэффициент скругления спектра формирующего фильтра. При использовании оконного преобразовании коэффициент спектральной эффективности запишем в виде:

Т1 =

log2(M)

(1 + fib

AB

(6)

))

где AB — экономия полосы за счёт увеличения крутизны среза СПМ.

В первую очередь оценивается уровень внеполосного излучения для предложенных оконных функций. По первому критерию оценка будет производиться следующим образом: для оценки уровня внеполосного излучения проводится интегрирование СПМ в частотной области, за пределами выделенной маски частот для стандартной системы и системы с оконным преобразованием MBH и OBTRC. Сравниваемые области OOB для режима DVB-T2 1K и DRM+ проиллюстрированы на рисунке 2 соответственно.

Ч1СТОИ.М Гц б) Чистой,Ml с

Рисунок 2. Сравнение СПМ в режимах: DVB-T2 1К (а) и DRM+ (б)

Рисунок 3. Сравнение на уровне первой точке перегиба для систем: DVB-T2 1К (а) и DRM+ (б)

Далее приводится оценка эффективности использования спектра для предложенных оконных функций. Оценка эффективности использования спектра приводится на основе сравнения ширины полосы частот стандартной системы и системы с оконным преобразованием. Сравнение происходит на уровне первой точки перегиба для систем DVB-T2 и DRM+. Сравниваемые участки проиллюстрированы на рисунке 3 соответственно.

Также оценивается коэффициент спектральной эффективности и символьной скорости для предложенных оконных функций. В качестве модуляции выбрана квадратурная фазовая модуляция QPSK.

По полученным данным производится анализ и строятся зависимости, приведенные на рисунках 4-6. На основе данного анализа сделаны выводы о рациональности использования предложенного метода в качестве технического решения для повышения спектральной эффективности и уменьшения уровня внеполосных составляющих. Сделаны выводы об оптимальных соотноше-

ниях коэффициента скругления и дополнительных свободных параметров (коэффициент формы и степень формы). На рисунке 4 показана зависимость (в процентах) уровня внеполосных спектральных составляющих от коэффициента формы (оконная функция MBH) для режима вещания DVB-T2 и DRM+.

Выводы из данных рисунка 4: для подавления внеполосных спектральных составляющих, используя оконную функцию семейства MBH, оптимальное значение коэффициента формы является 1. С увеличением коэффициента скругления уровень вне-полосной мощности понижается непропорционально (так как высокие значения а ограничивают производительность системы, логично использовать значения до 0,25). По мере увеличения соотношения количества поднесущих на частотную полосу эффективность метода уменьшается.

На рисунке 5 показана зависимость RSE (в процентах) от коэффициента формы (оконная функция MBH) для режимов вещания DVB-T2 и DRM+ соответственно.

к, %

29

а)

к,% 12

0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,88 - при а=0,025 •—при п-0.05 —при U--0,1 — при U--0.25 — ириа=0,5

0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,8: - приа=0,025 ......приа=0,05 —приа=0,1 — приа=0,25 при а 0.5

б)

Рисунок 4. Зависимость уровня внеполосных спектральных составляющих от коэффициента формы при фиксированном коэффициенте скругления: DVB-T2 1К (а) и DRM+ (б)

Äse.%

4

; г \

а ■I ■2 -Î

-J •С

-в -9

-и

-Li

■r— . „ 1

» Г r * -

/

»

1

■ /

•

а)

OA в,? ».fi 0,9 I 1Д IJ О (Л 1Л 1Л I," I.« - при a-(MI2J при я-о.05 при [гМП I — iipaia-0.25 — ири aK0.5

RSE, % 4

1

2

I

0

-!

.2

-ъ

А

-3

0.6 0.7 0.8 - при a =0,023

б)

0.9 1 1.1 U M 1.5 1,4 1,7 1.» Ш ......при и-0,05 —при ir'0,1 — — .¡jhi С-Ю.5

Рисунок 5. Зависимость RSE от коэффициента формы при фиксированном коэффициенте скругления

DVB-T2 1К (а) и DRM+ (б)

q, Г> i г :ir * Г i ;

I МП

IJV7? I.W» 1,991 J 1.WJ4 I.WT1

-. - -t-.-

OA 0.7 0.S 0.0 1 1,1 U !.4 1.6 1,7 U IJtt - Il| Il cr"0.0ï? 1 II Ö^.Oi — при - rj'll U-lj l* — при ír-ü^ -фн ErH^

а)

1). оптсекГц 1ЛЧ

1.99TTÎ JÍPT7 1,9976? IJ&tf I.WTÎ5 1.WTJ

0.6 0,7 0.9 0.» 1 II L.J U I.í U LT L.8 1.« ■ 4piio»0.02f |фН«"(Ш - ПриI - 4*1 а-0.2' - цржгй.' — njwcr^l

б)

Рисунок 6. Зависимость коэффициента спектральной эффективности от коэффициента формы при фиксированном коэффициенте скругления: DVB-T2 1К (а) и DRM+ (б)

Выводы из данных рисунка 5: для увеличения относительной спектральной эффективности, при использовании оконной функции семейства MBH, оптимальное значение коэффициента формы является 1,88. С увеличением коэффициента скругления относительная спектральная эффективность изменяется пропорционально. По мере увеличения соотношения количества поднесущих на частотную полосу эффективность метода уменьшается.

На рисунке 6 показана зависимость коэффициента спектральной эффективности от коэффициента формы (оконная функция MBH) для режимов вещания DVB-T2 и DRM+ соответственно.

Выводы из данных рисунка 6: для увеличения коэффициента спектральной эффективности при использовании оконной

Список литературы

1. IEEE Standard for Information Technology. Telecommunications and Information Exchange between Systems Local and Metropolitan Area Networks. Specific Requirements, Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) // Specific, IEEE. NY, 10016-5997, USA. March, 29, 2012. P. 1591-1593.

2. Stylianos D.A., Matthaiou M., Kara-giannidis G.K., Nossek A.J. Optimized «Better Than» Raised-Cosine Pulse for Reduced ICI in OFDM Systems // IEEE. Doha, Qatar. June, 03, 2010. Р. 1-4.

3. Saxena R., Joshi H.D. Performance Improvement in an OFDM System with MBH

функции семейства MBH оптимальное значение коэффициента формы 1,88. С увеличением коэффициента скругления коэффициент спектральной эффективности изменяется пропорционально. По мере увеличения соотношения количества поднесущих на частотную полосу эффективность метода уменьшается.

Вывод

Разработанный метод позволяет уменьшить спад внеполосного излучения в зависимости от выбранного режима БПФ и стандарта вещания, параметров управления формой окна по сравнению с «прямоугольной» формой оконной функции от 5 % до 26 %, повысить символьную скорость передачи данных до 5 % и повысить коэффициент спектральной эффективности до 0,05 %.

Combinational Pulse Shape // Digital Signal Processing. January, 2013. Vol. 23, Issue 1. Р. 314-321.

4. Frequency and Network Planning Aspects of DVB-T2 // Report TECH 3348 — EBU. Switzerland, Geneva. May, 2011. Р. 33-35.

5. ETSI ES 201 980 V4.1.1 Digital Radio Mondiale (DRM) // System Specification. France, 2014. Р. 134-142, 145-148.

6. Рекомендация МСЭ-R SM.1541-3. Нежелательные излучения в области внепо-лосных излучений // ITU Международный союз электросвязи. Женева, 2011. С. 40-43, 47-48.

7. Рекомендация МСЭ-R SM.1046-2. Определение использования радиочастот-

Data processing facilmes and systems

ного спектра и эффективности радиосистемы // ITU Международный союз электросвязи. Женева, 2011. С. 1-4.

8. Зубарев Ю.Б., Кривошеев М.И., Красносельский И.Н. Цифровое телевизионное вещание. Основы, методы, системы // Научно-исследовательский институт радио (НИИР). 2001. С. 134.

References

1. IEEE Standard for Information Technology. Telecommunications and Information Exchange between Systems Local and Metropolitan Area Networks. Specific Requirements, Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) // Specific, IEEE. NY, 10016-5997, USA. March, 29, 2012. P. 1591-1593.

2. Stylianos D.A., Matthaiou M., Kara-giannidis G.K., Nossek A.J. Optimized «Better Than» Raised-Cosine Pulse for Reduced ICI in OFDM Systems // IEEE. Doha, Qatar. June, 03, 2010. Р. 1-4.

3. Saxena R., Joshi H.D. Performance Improvement in an OFDM System with MBH

Combinational Pulse Shape // Digital Signal Processing. January, 2013. Vol. 23, Issue 1. P. 314M321.

4. Frequency and Network Planning Aspects of DVB-T2 // Report TECH 3348 — EBU. Switzerland, Geneva. May, 2011. P. 33-35.

5. ETSI ES 201 980 V4.1.1 Digital Radio Mondiale (DRM) // System Specification. France, 2014. P. 134-142, 145-148.

6. Recommendation MSE-R SM.1541-3. Unwanted Emissions in the Field of Out-of-Band Radiations // ITU International Union of Telecommunications. Geneva, 2011. P. 40-43, 47-48.

7. Recommendation MSE-R SM.1046-2. Determination of the Use of the Radio-Frequency Spectrum and the Efficiency of the Radio System // ITU International Union of Telecommunications. Geneva, 2011. P. 1-4.

8. Zubarev Ju.B., Krivosheev M.I., Krasnosel'skij I.N. Digital Television Broadcasting. Fundamentals, Methods, Systems // Scientific Research Institute of Radio (NIIR). 2001. P. 134.