ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ OFDM МОДЕМОВ НА ОСНОВЕ КЛИППИРОВАНИЯ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

В. И. Бобровский

Доктор технических наук, доцент, главный специалист ПАО «Интелтех»

А. Н. Путилин

Доктор технических наук, профессор главный научный сотрудник ПАО «Интелтех»

А. К. Скворцов

Инженер 1-й категории ПАО «Интелтех»

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ OFDM МОДЕМОВ НА ОСНОВЕ КЛИППИРОВАНИЯ

АННОТАЦИЯ. Настоящая работа посвящена исследованию влияния уровня клиппирования, выбранного для снижения пик-фактора, на качество приёма сигналов с ортогональным частотным мультиплексированием (Orthogonal frequency-division multiplexing — OFDM) в системах передачи информации с усилителем мощности, имеющим ограничение на линейный участок усиления. В статье приводится имитационная модель системы передачи OFDM сигнала с двоичной фазовой манипуляцией на 32-х поднесущих. Модель позволяет задавать произвольные уровни клиппирования. На основе этой модели делается оценка потенциальной помехоустойчивости клиппированного OFDM сигнала. В заключение приводятся рекомендации относительно способа выбора оптимального уровня клиппирования сигнала для достижения максимальной помехоустойчивости.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: Декаметровая радиосвязь, клиппирование, OFDM, многочастотные сигналы, усилитель мощности, поднесущие частоты, имитационная модель, моделирование, групповой сигнал, пик-фактор, потенциальная помехоустойчивость.

Введение

Каналы декаметровой радиосвязи характеризуются малыми скоростями передачи данных, что является следствием низкой помехоустойчивости передачи сигналов, ввиду глубоких частотно селективных замираний, вызванных отражением сигналов от различных слоев ионосферы. В целях повышения помехоустойчивости применяют многочастотные модемы, формирующие OFDM сигналы. Однако недостатком многочастотных модемов является высокий уровень пик-фактора. Поскольку высокочастотные усилители передатчика имеют ограничения на динамический диапазон передаваемых сигналов, сигнал с высоким уровнем пик-фактора на выходе таких усилителей искажается, вследствие чего возникаютвнутрипо-лосные и внеполосные искажения. Это приводит к снижению качества приёма. Для устранения этого эффекта необходимо уменьшать мощность OFDM сигнала на передаче, что приводит к сни-

жению отношения сигнал/шум (ОСШ) на приеме, атакже неэффективному использованию динамического диапазона аналогово-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей (АЦП и ЦАП), что, в свою очередь, снижает помехоустойчивость системы передачи информации (СПИ) в целом.

Одним из приемов, применяемых для уменьшения пик-фактора и повышения мощности сигналов на передаче при заданной величине линейного участка усиления передатчика, является клиппирование сигнала по определённому уровню [1,2].

На рисунке 1 приведены диаграммы сигналов, поясняющие процесс клиппирования [2]. На данном рисунке введены обозначения: — входной неклиппированный сигнал; 52(0 — клиппированный сигнал; — выходной усиленный клиппированный сигнал; иа — уровень клиппирования сигнала; ишах — максимально допустимый уровень сигнала на входе передатчика.

__i_I I I I I I I I I I I | 1 I i I i i i i i i i i i i i i i i

a * К 21 & *J Д& 9 (л 77 to » i<h nj lJO 1Д it. 144 IB ito re lit iti IR 200 ¡Я J'6 В* J3J W M 356

,1_I_L_I_1_I_I_I_J_I_I_I_J_I_I_L_i_I_1_1_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_

о t « »Еюлякпюаищи:)»»« i« isj im hi iw дп лч 71& ¡я го ж яь

Рис. 1

Постановка задачи

В работе исследуется способ повышения помехоустойчивости СПИ OFDM сигналов на основе снижения пик-фактора группового сигнала и повышения ОСШ на входе детектора приемника, путем клиппирования OFDM сигнала и последующей полосовой фильтрацией на выходе возбудителя передатчика.

Способ позволяет повысить помехоустойчивость СПИ OFDM сигналов в заданной полосе частот в широких пределах изменения ОСШ, при оптимальном выборе уровня клиппирования по критерию минимума вероятности ошибки на групповой символ OFDM сигнала [2].

В работах [1, 2] показано, что при уменьшении уровня клиппирования OFDM сигнала имеют место два противоположных процесса: с одной стороны повышается средняя мощность клиппированного сигнала, что повышает помехоустойчивость, а с другой — появляются паразитные гармоники, что влечет снижение помехоустойчивости СПИ. Таким образом, возникает задача поиска такого уровня клиппирования Ud, который является оптимальным по критерию минимума вероятности ошибки на символ OFDM при заданном уровне шума в канале. Учитывая, что уровень клиппирования Ud результирующего OFDM сигнала прямо пропорционален коэффициенту усиления G, задача

сводится к нахождению такого коэффициента усиления G, при котором частота ошибок Fom принимает наименьшее значение при заданном

о

(требуемом) уровне шума в канале hTp :

G0UT = argmin[F10 (G,^)}, (1)

о

где G — коэффициент усиления сигнала; hTp — требуемое ОСШ; Fom — частота ошибок, GonT — оптимальный коэффициент усиления сигнала, при котором частота ошибок Fom принимает наименьшее значение.

В работе задача поиска оптимального коэффициента усиления GonT решалась при помощи имитационной модели СПИ OFDM. По результатам имитационного моделирования получены графики зависимости частоты Fom ошибок от

о

ОСШ hp при заданной величине коэффициента усиления G, а также графики зависимости оптимального значения коэффициента усиления GonT, в соответствии с выражением (1), и максимального выигрыша в мощности передаваемых сигналов от

ОСШ hTp .

Описание имитационной модели

Имитационная модель СПИ OFDM, построена в пакете MatLab Simulink. Структурная схема модели представлена на рис. 2.

Рис. 2

Групповой OFDM сигнал согласно схеме, приведенной на рисунке 2, формируется следующим образом. Вектор двоичных символов с размерностью 32 подается на блок обратного дискретного 32-точечного преобразования Фурье (ОДПФ), после чего сигнал поступает на формирующий фильтр, предназначенный для формирования заданной полосы частот группового сигнала и подавления межсимвольных искажений. Формирующий фильтр имеет импульсную характеристику корень из приподнятого косинуса (Raised Cosine Transmitter) с коэффициентом сглаживания фильтра равным единице. Таким образом, на выходе формирующего фильтра образуется групповой OFDM сигнал на нулевой частоте. Модулятор выполняет функцию переноса группового сигнала в заданный диапазон частот в соответствии со значением несущего колебания с частотой/0. Моделирование выполнялось при/, = 10 МГц. Сигнал с выхода модулятора, соответствующего выходу возбудителя передатчика, поступает в блок клиппиро-вания, состоящий из усилителя и ограничителя амплитуды. Уровень ограничения амплитуды OFDM сигнала Ucl при коэффициенте усиления G= 1 выбран величине, равной Umax (см. рис. 1).

Моделирование выполнялось в канале с аддитивным белым гауссовским шумом (АБГШ). На приемной стороне модели, представленной на рис. 2, выполняются действия обратные преобразованиям передающей стороны: демодуляция, фильтрация с характеристикой корня из приподнятого косинуса, дискретное преобразование Фурье (ДПФ) и детектирование принимаемого сигнала. В модели производится расчет частоты ошибок детектирования OFDM

сигнала, которая определяется как отношение ошибочно принятых символов к общему числу переданных символов за время моделирования.

При моделировании принималось, что мощность шума в канале не зависит от уровня клип-пирования. Мощность шума рассчитывалась с учетом заданного отношения сигнал/шум.

Результаты моделирования

Результаты моделирования показали, что клиппирование позволяет повысить помехоустойчивость при определенных отношениях сигнал/шум. По результатам имитационного моделирования получены графики зависимости частоты ошибок от ОСШ к2 при заданной величине коэффициента усиления О. Моделирование проводилось при наличии и отсутствии полосового фильтра на выходе модели передатчика. На рис. 3 и 4 показаны графики зависимости частоты ошибок Гош от ОСШ к2 при отсутствии полосового фильтра на выходе блока клиппирования (рис. 3) и при его наличии (рис. 4). Из данных графиков видно, что для каждого значения О существует оптимальное значение отношения сигнал/шум, при котором выигрыш в помехоустойчивости по сравнению с теоретической кривой будет максимальным. Анализ результатов моделирования показал, что полосовая фильтрация на выходе блока клиппирования существенно влияет на частоту ошибок при коэффициентах усиления большеполутора: О> 1,5.

Анализ графиков зависимостей на рис. 3 и 4 также показал, что максимальному выигрышу в помехостойчивости соответствует оптимальный уровень усиления Оопт, соответствующий (1).

В результате решения оптимизационной задачи в работе получена зависимость значений оптимального уровня усиления (т0ПТ от ОСШ к2. График данной зависимости показан на рис. 5. Таким образом, регулируя с помощью усилителя уровень клиппирования при заданных требованиях к ОСШ на входе детектора можно снижать требования к величине линейного участка усилителя мощности, снижая, тем самым, мощности передатчика.

Рис. 5 показывает, что в случае снижения требований к ОСШ (при применении помехоустойчивых кодов) оптимальное значение усиления (т0ПТ возрастает в экспоненциальной зависимости до 3,7 раз.

На рис. 6 показана зависимость запаса мощности передатчика Дк2 от ОСШ к2 при клиппи-ровании с применением полосовой фильтрации на выходе передатчика при оптимальном уровне усиления (т0ПТ.

Запас мощности передатчика Дк2 определялся следующим образом

Дк2 = ктр2-кс2, (2)

где кс2 — ОСШ на выходе канала модели, при котором частота появления ошибок при клип-пировании равна вероятности Роштр, соответ-

о

ствующей ОСШ ктр в СПИ, без клиппирования.

График зависимости потенциального выигрыша в мощности Дк2 при клиппировании показывает, что применение клиппирования имеет большую эффективность при низких требований к ОСШ. При ОСШ свыше 10 дБ (рис. 6) применение клиппирования приводит к ухудшению потенциальной помехоустойчивости.

Имитационное моделирование проводилось для доверительной вероятности, равной 0.99 с доверительным интервалом, границы которого равны ±5 % от среднего значения частоты ошибки. Число испытаний (выборка имитационного

^ош 1

^0111 1

1x10

1x10

1x10

1x10

-5 -4

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Рис. 4

Рис. 6

моделирования) при данных значениях доверительного интервала и доверительной вероятности выбиралось равным 100/Fomcp, где/'ошср —среднее значение частоты появления ошибок [3].

Выводы

По результатам имитационного моделирования анализируемой системы передачи OFDM сигналов можно сделать следующие выводы.

1. Клиппированиепозволяетповыситьпомехо-устойчивость передачи OFDM символов в ограниченном диапазоне отношений сигнал/шум.

2. Потенциальный выигрыш от клиппирования составляет до5дБ.

3. Каждому заданному значению отношения сигнал/шум соответствует оптимальный уровень клиппирования, при котором выигрыш в помехоустойчивости по сравнению со случаем без клиппирования будет максимальным.

4. Максимальному выигрышу соответствует оптимальный уровень усиления OFDM сигнала в передающем устройстве.

5. Применение клиппирования имеет большую эффективность при низких требованиях к отношению сигнал/шум. При требованиях к отношению сигнал/шум на входе приемного устройства свыше 10 дБ применение клиппирования приводит к ухудшению потенциальной помехоустойчивости.

ЛИТЕРАТУРА

1. Wang L., Tellambura С. "An Overview of peak-to-average power ratio reduction techniques for OFDM systems," Signal Processing and Information Technology, 2006 IEEE International Symposium on, Aug. 2006, Page(s): 840—845.

2. Алейник С. В. Метод оценки уровня клиппирования речевого сигнала/ С. В. Алейник, Ю. Н. Матве-

ев, А. Н. Раев // Науч.-техн. вестн. информационных технологий, механики и оптики. 2012. № 3 (79). С. 79-83.

3. Шелухин О. И. Моделирование информационных систем. Уч. пособие для вузов. — М.: Горячая линия — Телеком, 2014. — 516 с.