Исследование влияния искажений, вносимых радиочастотным трактом, на характеристики беспроводных широкополосных систем связи тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

005015737

МАСЛЕННИКОВ Роман Олегович

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ИСКАЖЕНИЙ, ВНОСИМЫХ РАДИОЧАСТОТНЫМ ТРАКТОМ, НА ХАРАКТЕРИСТИКИ БЕСПРОВОДНЫХ ШИРОКОПОЛОСНЫХ СИСТЕМ СВЯЗИ

01.04.03 - Радиофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

1 идр 2012

Нижний Новгород - 2011

005015737

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского»

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор Мальцев А.А. Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Есипенко В.И. кандидат технических наук, Аверин И.М.

Ведущая организация:

ФНПЦ ФГУП "НПП "Полет"

Защита состоится « -¿¡Г » _ 2012 г. в /$^<0(0 На

заседании диссертационного совета Д 212.166.07 при Нижегородском государственном университете им. Н.И. Лобачевского по адресу:

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского.

Нижний Новгород, пр. Гагарина, 23, корп. ^ , ауд.

, ш

Автореферат разослан

Ученый секретарь

диссертационного совета к.ф.-м.н., доцент

В.В. Черепенников

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИИ

Актуальность темы

Вопросам воздействия искажений, вносимых радиочастотным трактом, на беспроводные системы связи, посвящено большое количество работ, начиная с середины прошлого столетия. Например, воздействие нелинейных искажений на радиосистемы изучается, начиная с 40-х годов XX века (Van Vlek J.H., Mid-dleton D., 1943), а влияние фазовых флуктуации было подробно рассмотрено в 60-х годах в работах Стратоновича Р.Л., 1961, Малахова А.Н., 1968.

Однако изучение влияния искажений, вносимых радиочастотным трактом, на системы радиосвязи остается актуальным до настоящего времени, что обусловлено несколькими современными тенденциями научно-технического прогресса.

Во-первых, огромные тиражи выпускаемых и продаваемых пользовательских устройств беспроводной связи (более одного миллиарда устройств ежегодно) позволяют разрабатывать и выпускать такие системы в виде специализированных интегральных схем, что требует высоких первоначальных инвестиций, однако позволяет сделать стоимость интегральной схемы (или набора интегральных схем), реализующей систему связи, не превышающей нескольких долларов США. В настоящее время достигнуты большие успехи в разработке сверхбольших интегральных схем (СБИС) для систем беспроводной связи, позволяющие совместить в одном полупроводниковом кристалле все необходимые функции, включая радиочастотные блоки передатчика и приемника, цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи, блоки цифровой обработки сигналов, встраиваемые процессоры для реализации программных функций и другие специализированные аппаратные модули.

Основной полупроводниковой технологией, используемой для производства массовых СБИС к настоящему времени стала технология КМОП (комплементарная логика на транзисторах металл-оксид-полупроводник; - англ. CMOS, Complementary-metal-oxide-semiconductor). Однако КМОП технология оптимизирована для цифровых интегральных схем, составляющих основную область ее применения. Недостатком использования данной технологии для разработки аналоговых и радиочастотных модулей являются худшие, с точки зрения построения аналоговых блоков, характеристики, а преимуществом - существенно более низкая цена изготовленных по данной технологии микросхем.

Результаты анализа наиболее современных коммерческих систем беспроводной связи показывают, что КМОП технология используется для подавляющего большинства массовых беспроводных систем связи. В этой связи получила распространение концепция (в англоязычной литературе - парадигма) "грязного радиочастотного тракта" ("Dirty RF") (Fettweis G., 2005). В соответствии с данной концепцией радиочастотные и аналоговые блоки производятся на самой дешевой КМОП технологии, однако все возникающие в аналоговых и радиочастотных блоках искажения учитываются при разработке системы связи,

а также, если возможно, то компенсируются в цифровой части системы. Учет влияния аналоговых искажений происходит путем детального изучения механизмов их воздействия и выбора параметров системы связи таким образом, чтобы влияние данных искажений не приводило к существенному ухудшению характеристик системы связи.

Другой важной тенденцией, обуславливающей актуальность выбранного направления исследования является появление новых типов сигналов, для которых влияние искажений, вносимых радиочастотным трактом не изучено, или изучено не достаточно.

Традиционной схемой модуляции сигнала является модуляция с одной несущей частотой (Single Carrier - SC). В SC системе связи передача информации осуществляется путем модуляции последовательно следующих временных символов. Увеличение скорости передачи данных в SC системе связи приводит к увеличению частоты следования временных информационных символов (и, соответственно, увеличению рабочей полосы частот системы). В каналах с многолучевым распространением сигнала увеличение частоты следования временных символов в SC системе ведет к появлению межсимвольной интерференции, для устранения которой необходимо применение алгоритмов эквализации. Следует отметить, что при сильной межсимвольной интерференции алгоритмы эквализации для SC систем становятся очень сложными вычислительно, а также мало эффективными, позволяя устранять интерференцию лишь при очень малых уровнях аддитивного шума в канале связи.

Технологией, которая позволила существенно увеличить эффективность работы широкополосных систем беспроводной связи в каналах с сильной частотной селективностью является технология ортогонального частотного уплотнения многих поднесущих или OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) (Bingham J.A.C., 1990, van Nee, R.D.J., Prasad N„ 2000).

OFDM является робастной схемой модуляции, обеспечивающей эффективную эквализацию сигнала в многолучевых частотно-селективных каналах связи. Технология модуляции сигналов OFDM применена в большинстве современных беспроводных систем связи, включая беспроводные сети Wi-Fi, системы беспроводного широкополосного доступа WiMAX, системы цифрового телевидения DVB-T, перспективную систему связи четвертого поколения LTE и многие другие.

Однако OFDM системам также присущ ряд существенных недостатков по сравнению с традиционной модуляцией с одной несущей частотой. Одним из основных таких недостатков является более высокая чувствительность OFDM модуляции к искажениям, вносимым аналоговыми и радиочастотными блоками.

Таким образом, влияние искажений аналоговых и радиочастотных блоков является важным фактором при выборе между SC и OFDM модуляциями, поэтому задача анализа таких искажений и механизмов их влияния является актуальной.

Следует отметить, что сравнительно недавно для работы в частотно-селективных каналах были предложены новые системы с одной несущей часто-

той, позволяющие проводить эквализацию в частотной области (Single carrier with frequency domain equalization - SC-FDE) (Pancaldi F, 2008). Такие SC-FDE системы по эффективности эквализации сигналов практически сравнимы с OFDM системам связи и изучение влияния искажений, вносимых радиочастотным трактом на SC-FDE системы связи, также является актуальной задачей.

Дополнительным фактором, обуславливающим важность выбранного направления исследований, является использование современными системами беспроводной связи новых частотных диапазонов. Наиболее актуальным учет искажений, вносимых радиочастотным трактом, является для перспективных систем передачи данных диапазона 60 ГГц, разработка которых началась в последние несколько лет.

В большинстве стран (включая США, Японию и страны западной Европы) спектральный диапазон в районе частоты 60 ГГц является нелицензируе-мым, т.е. может использоваться без получения разрешений на отдельные устройства. Диапазон 60 ГГц был сделан свободным для использования из-за наличия в нем спектральной линии поглощения кислорода, приводящей к дополнительным потерям около 11 дБ/км, что ведет к неэффективности использования этого диапазона для радиоэлектронных средств, работающих на большие расстояния, но практически не влияет на беспроводные локальные и персональные сети с дальностью до 100-300 м. При этом величина нелицензируемого миллиметрового диапазона, например, в США составляет 7 ГГц (57-64 ГГц), что во много раз больше размеров частотных диапазонов 2.400 - 2.483 (83 МГц) и 5.150-5.850 ГГц (700 МГц), используемых системами локальной беспроводной передачи данных в настоящее время. Высокая несущая частота систем 60 ГГц диапазона не позволяет получить достаточно хороших характеристик аналоговых и радиочастотных блоков и делает вопрос анализа влияния рассматриваемых искажений на системы связи диапазона 60 ГГц особенно актуальным.

Основные типы аналоговых искажений, которым уделяется наибольшее внимание проводимых в данной области исследователей, включают в себя:

- Фазовые флуктуации (фазовый шум) генераторов радиочастотных сигналов.

- Нелинейные искажения усилителя мощности.

- Шум квантизации аналого-цифровых преобразователей.

Проблема исследования фазовых флуктуаций генераторов сигнала является традиционной проблемой статистической радиофизики (Малахов А.Н., 1968). В последнее время большое внимание получили исследования фазового шума в интегрированных генераторах радиочастоты в беспроводных системах связи. Наибольший интерес представляют исследования влияния фазового шума в OFDM системах связи, где, в отличие от SC систем, возможности компенсации фазового шума ограничены. Ввиду высокой практической значимости, влияние фазового шума на OFDM системы связи активно изучалось в течение последних пятнадцати лет (см., например, Pollet Т. et al, 1995, Petrovic D. et al, 2007). В большинстве исследований влияние фазового шума на OFDM системы связи рассматривалось для каналов распространения сигналов без временной дисперсии, обладающих равномерными частотными характеристиками во всей

полосе OFDM системы (частотно-плоские каналы). Использование данного предположения позволило получить важные аналитические результаты, объясняющие механизмы влияния фазового шума на OFDM системы. Однако более общий случай частотно-селективного канала распространения сигнала, соответствующий большинству реальных беспроводных каналов связи, в литературе не изучен.

Влияние нелинейных искажений является важным фактором для выбора типа модуляции системы связи. Традиционным преимуществом систем связи с одной несущей частотой (SC систем) считалось низкое отношение пиковой мощности сигнала к средней мощности (пик-фактор) (Peak-to-Average Power Ratio - PAPR), а недостатком OFDM систем - более высокий пик-фактор по сравнению с SC системами и, следовательно, большая чувствительность к нелинейным искажениям усилителя мощности на передатчике.

Влияние нелинейных характеристик усилителя приводит к искажению сигнальных созвездий передаваемого сигнала, а также изменению формы спектра сигнала. Оба данных типа искажений должны быть ограничены. Как правило, сравнение влияния нелинейных искажений выполняется с точки зрения сравнения максимальных уровней выходной мощности (уровней ослабления сигнала относительно насыщения усилителя), которые могут быть использованы в различных конфигурациях беспроводных систем связи для удовлетворения требованиям на предельную максимальную величину нелинейных искажений.

Имеющиеся литературные источники (см., например, Smulders P. et al, 2007, Nsenga J. et al, 2007) позволяют получить значения требуемого ослабления сигнала для отдельных конфигураций SC и OFDM систем, и отдельных значений моделей усилителей мощности. Однако, детальный анализ, позволяющий систематически сравнить влияние нелинейных искажений усилителя мощности с учетом амплитудно-амплитудных (АМ/АМ) и амплитудно-фазовых (АМ/РМ) искажений на SC и OFDM системы, в литературе отсутствует.

Современные системы беспроводной связи традиционно включают в себя как аналоговые и радиочастотные, так и цифровые блоки обработки сигналов. Основными функциями аналоговых и радиочастотных блоков является перенос сигнала с видеочастоты на частоту несущей на передающей стороне и обратный перенос радиосигнала с несущей частоты на видеочастоту на приемной стороне. В свою очередь цифровые блоки осуществляют все операции по формированию передаваемого видеосигнала на передатчике и восстановление переданной информации по принятому видеосигналу на приемнике.

Интерфейсом между аналоговыми и цифровыми блоками обработки сигналов являются аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи (АЦП и ЦАП). Оба данных типа преобразователей неизбежно вносят в передаваемый и принимаемый сигналы шумы квантования, вызванные ограниченной точностью этих модулей, которая определяется их разрядностью. При этом практически наиболее значимы свойства шумов квантования АЦП, так как повышение разрядности и улучшение характеристик АЦП, как правило, достигается существенно сложнее, чем для ЦАП.

В литературе описаны отдельные результаты по анализу влияния шума квантования АЦП для беспроводных систем связи (см., например, Dardari D., 2006), однако отсутствует детальный сравнительный анализ, который позволял бы определить необходимую разрядность АЦП для различных типов систем связи, использующих различные схемы модуляции и кодирования, а также работающих в различных типах каналов связи с различной частотной селективностью.

Цель диссертации

Целью диссертации является детальное изучение влияния искажений, вносимых радиочастотным трактом, в беспроводные широкополосные системы связи с одной (SC) и многими (OFDM) несущими частотами:

- изучение механизмов воздействия фазового шума на OFDM системы связи в частотно-плоских и частотно-селективных каналах, изучения влияния фазового шума на характеристики вероятности битовой ошибки в OFDM системах связи.

- выполнение детального сравнительного анализа SC и OFDM систем связи с точки зрения влияния нелинейных искажений усилителя мощности с учетом амплитудно-амплитудных (АМ/АМ) и амплитудно-фазовых (АМ/РМ) искажений.

- проведение детального сравнительного влияния шума квантования АЦП для SC и OFDM систем передачи данных в каналах связи с различной частотной селективностью. Исследование влияния шума квантования АЦП на характеристики вероятности битовой ошибки в беспроводных системах связи.

Научная новизна

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Изучены механизмы влияния фазового шума (фазовых флуктуаций) опорного генератора несущей частоты на OFDM системы беспроводной передачи данных, работающие в частотно-плоских каналах связи без временной дисперсии и многолучевых частотно-селективных каналах связи. Показано, что влияние фазового шума на OFDM системы является более сильным в частотно-плоских, чем в частотно-селективных каналах распространения сигнала.

2. Проведен детальный сравнительный анализ влияния нелинейных искажений усилителя мощности на характеристики SC и OFDM систем связи, с учетом амплитудно-амплитудных и амплитудно-фазовых искажений.

3. Выполнен сравнительный анализ влияния шума квантования аналого-цифровых преобразователей (АЦП) на характеристики SC и OFDM систем передачи данных в частотно-плоских и частотно-селективных каналах связи.

Практическая значимость работы

Практическая значимость работы состоит в возможности применения полученных в диссертации результатов при проектировании современных беспроводных широкополосных систем связи. Приведенные в работе данные могут быть использованы для оценки влияния искажений, вносимых радиочастотным трактом, на характеристики современных систем связи с одной несущей частотой и многими ортогональными несущими частотами. На основании результатов выполненной работы получены три патента на изобретения [5-7].

Полученные в диссертации результаты могут быть востребованы учреждениями, занимающимися вопросами разработки современных систем радиосвязи (например, ФНПЦ ФГУП "НПП "Полет", Нижегородский завод им. М.В. Фрунзе и другие).

Апробация результатов и публикации

Результаты выполненных в диссертации исследований опубликованы в 14 работах. Среди них 4 статьи в рецензируемых научных журналах [1-4], 3 патента на изобретения [5-7], и 7 тезисов докладов на конференциях [9-14].

Результаты диссертационной работы докладывались на:

- Международной конференции IEEE 19th International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications (Канны, Франция, 2008).

- Международной конференции IEEE Consumer Communications and Networking Conférence (CCNC 2010) (Лас-Вегас, США, 2010).

- Международной конференции European Conférence on Antennas and Propagation (EuCAP'2010) (Барселона, Испания, 2010).

- Международных конференциях "Цифровая обработка сигналов и её приложение (DSPA 2007, 2010)" (Москва, 2007, 2010).

- Десятой нижегородской сессии молодых ученых (Нижний Новгород,

2005).

- 10-й научной конференции по радиофизике, посвященной 90-летию ННГУ и 100-летию со дня рождения Г.С. Горелика (Н.Новгород.

2006).

Исследования, результаты которых приведены в диссертации, выполнены при поддержке гранта Министерства образования и науки РФ в рамках федеральной целевой программы "Научные и научно-педагогические кадры современной России" (государственный контракт № 02.740.11.0003).

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Общий объем диссертации составляет 105 страниц, включая 32 рисунка, 9 таблиц и список литературы из 89 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обосновывается актуальность работы, формулируются ее цели, кратко излагается содержание диссертации, приводятся основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена анализу влияния фазовых флуктуаций (фазового шума) генераторов несущей частоты на OFDM системы связи.

В разделе 1.1 предложена модель OFDM системы связи, подверженной воздействию фазового шума (см. рис. 1).

£ л

Обратное БПФ и вставка ЦП

i S-

<*> ч

I

«5. Г-,

; л

II

И

Прямое

НПФ и •

удаление

цп

Рис. 1. Блок-диаграмма OFDM системы передачи данных, подверженной воздействию фазового шума генераторов несущей частоты

В разделе 1.2 введены модели фазового шума 1 и 2 (МФШ1 и МФШ2), которые определяются зависимостями спектральной плотности мощности (СПМ) фазового шума генератора несущей частоты от величины частотной расстройки (см. рис. 2). Используемые в работе модели фазового шума МФШ1 и МФШ2 соответствуют характеристикам реальных интегрированных опорных генераторов частотного диапазона 60 ГГц.

В разделе 1.3 исследовано влияние общей фазовой ошибки на каждом OFDM символе. Показано, что компенсация общей фазовой ошибки (ОФО), выполняемая в большинстве практических OFDM систем связи, приводит к устранению влияния низкочастотных компонент фазового шума (с частотами меньшими частоты следования OFDM символов) (см. рис. 2). Отмечено, что после компенсации ОФО на каждом OFDM символе, СПМ остаточного фазового шума может быть условно представлена состоящей из резонансной области и области шумового плато. Компоненты шума неортогональности между под-несущими, обусловленные этими двумя областями фазового шума, имеют различные свойства.

В разделе 1.4 рассмотрены свойства шума неортогональности между под-несущими OFDM символа, вызываемые фазовым шумом для случая одной активной поднесущей. Показано, что для одной активной поднесущей компенсация ОФО приводит к практическому устранению влияния фазового

шума на данную поднесущую, однако не влияет на мощность шума неортогональности (или интерференции) между поднесущими.

В разделе 1.5 рассмотрены характеристики шума неортогональности для OFDM системы в частотно-плоском канале. Показано, что мощность шума неортогональности может быть представлена состоящей из двух компонент, обусловленных резонансной областью и областью шумового плато. Шум неортогональности вызванный резонансной областью кривой СПМ фазового шума пропорционален мощности сигнала, передаваемого на ближайших (по отношению к анализируемой) поднесущих. В свою очередь шум неортогональности обусловленный областью шумового плато одинаково воздействует на все поднесущие и пропорционален общей мощности OFDM сигнала во всей частотной полосе.

Частотная отстройка. МГц

Рис. 2. СПМ фазового шума для МФШ1 и МФШ2 до и после компенсации обшей фазовой ошибки

-21» -Ш0 3 100 2® ЗОВ

Номер пцзнктщей

Рис. 3. Пример реализации частотно-селективного канала связи и соответствующие величины мощности шума неортогональности для МФШ1 и МФШ2

В разделе 1.6 рассмотрено влияние фазового шума на OFDM систему в частотно-селективном канале. Показано, что в частотно-селективных каналах связи шум неортогональности имеет распределение мощности по частотам, повторяющее передаточную функцию канала связи, однако с менее глубокими провалами, ограниченными равномерно распределенным шумом неортогональности обусловленным областью шумового плато СПМ фазового шума (см. рис. 3).

В разделе 1.7 проведено исследование влияние фазового шума на вероятность битовой ошибки в OFDM системе связи. Влияние фазового шума оценивалось как мощность аддитивного белого гауссовского шума (АБГШ), воздействие которого было бы эквивалентно воздействию рассматриваемой модели фазового шума. Было получено, что для частотно-плоского канала связи мощность эквивалентного АБГШ приблизительно равняется мощности шума неортогональности на активных поднесущих OFDM символа. Для частотно-селективного канала связи мощность эквивалентного АБГШ шума была оценена как на 4-5 дБ меньшая, чем для частотно-плоского канала связи.

В разделе 1.8 приведены выводы по первой главе.

Во второй главе диссертации представлен детальный сравнительный анализ влияния нелинейных искажений для систем с одной (SC) и многими (OFDM) несущими частотами.

В разделе 2.1 определены рассматриваемые модели OFDM и SC-FDE систем связи и дано их краткое описание.

В разделе 2.2 введены модели высокочастотных усилителей мощности. Рассмотрены несколько моделей усилителей мощности, включая модели, основанные на экспериментальных измерениях усилителей диапазона 60 ГГц. и общепринятые модели, используемые для анализа усилителей всех частотных диапазонов.

Амплитудно-амплитудные (АМ/АМ) и амплитудно-фазовые (АМ/РМ) характеристики для одной из рассматриваемых моделей описываются следующими уравнениями:

У ^Ш-Ш '

Gx

в = F.,

,w=-

Gx

h>

Ax"

i+|i

Здесь х - амплитуда входного сигнала усилителя мощности, у - амплитуда выходного сигнала усилителя мощности, в - изменение фазы выходного сигнала в усилителе мощности. Параметры нелинейной модели усилителя были выбраны равными: С = 16, К5Лт = 1.9 В, р = 1.1, А = -345, В = 0.17 и <7 = 4.

Для наглядности характеристики РАМ_АМ(х) и Рлм_рм(х) этой модели показаны на рис. 4. (а) и (б) соответственно.

(а) (6)

Рис. 4. Характеристики ЛМ/ЛМ и АМ/ФМ искажений для "IEEE" модели усилителя

мощности

В разделе 2.3 введены характеристики величины векторной ошибки (ВВО. англ. - Error Vector Magnitude - EVM) и спектральной маски. ВВО явля-

ется мерой величины нелинейных искажений, вносимых непосредственно в сам передаваемый сигнал, и определяется как относительная мощность дополнительного шума, возникающего после прохождения сигналом усилителя мощности. Спектральная маска сигнала накладывает ограничение на мощность излучения в соседних частотных каналах, которое также возрастает при воздействии нелинейных искажений. Превышение передаваемым сигналом установленного спектрально маской уровня мощности побочного излучения может привести к блокированию радиоустройств, работающих в смежных частотных каналах.

В разделе 2.4 приведены результаты анализа для ограничений на уровень выходной мощности, накладываемых ВВО, для различных моделей усилителей и различных схем модуляции и кодирования, используемых 5С и ОНЭМ системами. Пример зависимости ВВО от выходной мощности сигнала для ОГОМ и БС систем с 4-КАМ модуляцией показан на рис. 4.

Рис. 4. ВВО для OFDM и SC систем с 4- Рис. 5. Спектральная маска и СПМ пере-

КАМ модуляцией в зависимости от вы- даваемого сигнала SC системы, исполь-

ходной мощности сигнала (относительно чующей 4-КАМ модуляцию, для

уровня насыщения усилителя) различных моделей усилителя мощности

В разделе 2.5 приведены результаты для ограничений в уровне выходной мощности, следующие из требований на спектральную маску передаваемого сигнала. Пример спектров выходного сигнала, удовлетворяющих требованиям спектральной маски, для SC системы с 4-КАМ модуляцией и различных моделей усилителей мощности показан на рис. 5.

В разделе 2.6 приведены обобщенные результаты анализа, которые одновременно учитывают требования на ВВО и спектральную маску. Показано, что спектральная маска является ограничивающим фактором для всех СМК OFDM системы связи за исключением 16-КАМ 3/4 и абсолютно всех СМК SC системы связи. Из результатов анализа сделан вывод, что для большинства рассмотренных схем модуляций и кодирования и моделей усилителей мощности SC система имеет некоторые преимущества над OFDM системой. Однако достигаемый при этом выигрыш не превышает 1.0 - 1.5 дБ.

В разделе 2.7 сделаны выводы по второй главе работы.

В третьей главе был выполнен анализ влияния шума квантования АЦП на беспроводные системы передачи данных.

В разделе 3.1 введены модели OFDM и SC систем, использовавшихся в исследовании.

(В) (г)

Рис. 6. ОСШК в зависимости от величины коэффициента ослабления для OFDM системы в АБГШ (а) и релсевском (б) каналах и SC системы в АБГШ (в) и релеевском (г) каналах для разрядности АЦП от 4 до 12 бит

В разделе 3.2 рассмотрена используемая модель аналого-цифрового преобразования.

В разделе 3.3 выполнен анализ шума квантования АЦП путем вычисления отношения мощности сигнала к мощности шума квантования АЦП (ОСШК) для различных значений коэффициентов ослабления амплитуды сигнала относительно полной шкалы АЦП (см. рис. 6).

Результаты анализа позволили получить требуемые значения для разрядности АЦП для OFDM и SC систем передачи данных в частотно-селективных и частотно-плоских каналах связи. Показано, что для частотно-плоских каналов связи без временной дисперсии система SC может иметь разрядность АЦП на 1-2 бита меньшую, чем OFDM система для обеспечения такого же уровня шума квантования. В тоже время для каналов связи с сильной частотной селективностью, которые преобладают в беспроводных системах передачи данных, величины разрядности АЦП, необходимые для работы OFDM и SC систем связи совпадают.

В разделе 3.4 исследовано влияние шума квантования АЦП на характеристики вероятности битовой ошибки в SC и OFDM системах связи. Показано, что для целей данного исследования шум квантования АЦП эквивалентен аддитивному белому гауссовскому шуму такой же мощности.

В разделе 3.5 приведены выводы по третьей главе.

В заключении приведены основные результаты, полученные в диссертации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ

1. Исследовано влияния фазового шума (фазовых флуктуации) генераторов несущей частоты на OFDM системы передачи данных. Показано, что шум неортогональности (интерференции) между поднесущими, вызванный влиянием фазовых флуктуации, может быть представлен в виде суммы двух компонент, одна из которых имеет равномерное частотное распределение, а другая повторяет частотное распределение передаточной функции канала связи. В результате, совокупный шум неортогональности является равномерно распределенным по активным поднесущим OFDM символа в частотно-плоском канале связи, но имеет неравномерное распределение в частотно-селективных каналах, приблизительно повторяющее передаточную функцию канала связи.

2. Проведено исследование влияние фазового шума на вероятность битовой ошибки в OFDM системе связи в частотно-плоских и частотно-селективных каналах распространения сигнала. Получено, что в частотно-селективных каналах фазовый шум имеет более слабое влияние на OFDM системы связи (на 4-5 дБ в мощности эквивалентного аддитивного белого гауссовского шума), чем в частотно-плоских каналах.

3. Выполнен детальный сравнительный анализ влияния нелинейных искажений усилителя мощности на SC и OFDM системы связи с учетом амплитудно-амплитудных (АМ/АМ) и амплитудно-фазовых (АМ/РМ) искажений. Показано, что для большинства схем модуляций и кодирования и моделей усилителей мощности SC система имеет некоторые преимущества над OFDM системой. Однако достигаемый при этом выигрыш не превышает 1.0 - 1.5 дБ и не может рассматриваться как существенный для принятия решения о выборе типа модуляции.

4. Проведено исследование эффективности применения цифровых схем предварительного искажения сигналов. Было получено, что такие схемы позволяют увеличить выходную мощность систем связи для SC систем на 1.5 - 3.4 дБ и для OFDM систем на 1.9 - 2.7 дБ.

5. Выполнен анализ шума квантования аналого-цифровых преобразователей на SC и OFDM системы связи. Показано, что для частотно-плоских каналов связи без временной дисперсии система SC может иметь разрядность АЦП на 1-2 бита меньшую, чем OFDM система для обеспечения такого же уровня шума квантования. В тоже время для каналов связи с сильной частотной се-

лективностью величины разрядности АЦП, необходимые для работы OFDM и SC систем связи практически совпадают.

6. Выработаны практические рекомендации по выбору параметров OFDM и SC систем связи с учетом характеристик фазовых шумов генераторов опорных частот, нелинейных искажений усилителя мощности и разрядности аналого-цифровых преобразователей.

СПИСОК РАБОТ ПО ДИССЕРТАЦИИ

1. Мальцев А.А., Масленников P.O., Хоряев А.В., Ломаев А.А., Сравнительный анализ влияния нелинейных искажений усилителя мощности в системах беспроводной связи с одной и многими ортогональными несущими частотами // Известия ВУЗов. Радиоэлектроника. 2010. Т.53. № 8. С. 3-15.

2. Мальцев А.А., Масленников P.O., Хоряев А.В., Влияние фазового шума на OFDM системы передачи данных // Известия ВУЗов. Радиофизика. 2010. Т.53. №8. С. 3-15.

3. Мальцев А.А., Масленников P.O., Хоряев А.В., Исследование влияния шума аналого-цифрового преобразования на беспроводные системы связи диапазона 60 ГГц // Известия ВУЗов. Радиофизика. 2010. Т.53. № 9. С. 315.

4. Maltsev A., Maslennikov R., Sevastyanov A., Khoryaev A., Lomayev A. Experimental investigations of 60 GHz wireless systems in office environment // IEEE Journal on Selected Areas in Communications. 2009. V. 27, N. 8, P.1488-1499.

5. Sadri A.S., Maltsev A., Maslennikov R., Khoryaev A., Sergeyev V. "Systems for communicating using multiple frequency bands in a wireless network" // Патент на изобретение США № 7,653,163.2010.

6. Sadri A.S., Maltsev A., Maslennikov R., Khoryaev A., Sergeyev V. "Communication within a wireless network using multiple frequency bands" // Патент на изобретение США № 7,720,036.2010.

7. Maltsev A., Kesselman A., Maslennikov R., Khoryaev A., Sevastyanov A. "Techniques for wireless personal area network communications with efficient spatial reuse" // Патент на изобретение США № 8,064,828.2011.

8. Maltsev A., Maslennikov R„ Maltsev A., Jr., Khoryaev A., Shilov M. Performance analysis of spatial reuse mode in millimeter-wave WPAN systems with multiple links И Proceedings of IEEE 19th International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications. 2008. P. 1-4.

9. Maltsev A., Maslennikov R„ Lomayev A., Khoryaev A., Sevastyanov A. Comparison of power amplifier non-linearity impact on 60 GHz single carrier and OFDM systems // Proceedings of IEEE Consumer communications and networking conference (CCNC) 2010, Las Vegas, USA, Jan 2010, 5 P.

lO.Maltsev A., Maslennikov R., Sevastyanov A., Lomayev A., Khoryaev A., Da-vydov A., Ssorin V. Characteristics of indoor millimeter-wave channel in application to perspective WLAN system. // Proceedings of the 4th European conference on antennas and propagation (EuCAP) 2010, Barcelona, Spain, 2010,5 P.

П.Мальцев A.A, Пестрецов В.А., Масленников P.O., Хоряев A.B Разработка специализированного АЛУ для эквализации сигнала в OFDM системах радиосвязи // Труды 9-ой международной конференции по цифровой обработке сигналов и её приложениям (DSPA 2007). М., 2007. С.515-518.

12.Мальцев A.A., Масленников P.O., Хоряев A.B. Анализ влияния шума аналого-цифрового преобразования на беспроводные системы связи с одной и многими ортогональными несущими частотами // Труды Российского научно-технического общества радиотехники, электроники и связи имени A.C. Попова. Серия: цифровая обработка сигналов и ее применение. Выпуск XII-1 (Труды конференции Цифровая обработка сигналов и ее применение - DSPA'2010), М„ 2010, С. 268-271.

13.Пестрецов В.А. Масленников P.O., Хоряев A.B. Исследование влияния выбора конечной разрядности вычислительных алгоритмов на эффективность MIMO-систем радиосвязи П Труды десятой нижегородской сессии молодых ученых. Нижний Новгород, 2005.2 с.

14.Колчин Д.И, Хоряев A.B., Масленников P.O. Влияние фазового шума на характеристики OFDM систем связи // Труды 10-й научной конференции по радиофизике, посвященной 90-летию ННГУ и 100-летию со дня рождения Г.С. Горелика. Н.Новгород. 2006.

ОГЛАВЛЕНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Введение

Глава 1. Влияние фазового шума на OFDM системы передачи данных в частотно-селективных каналах связи

1.1. Модель OFDM системы

1.2. Модель фазового шума

1.3. Влияние компенсации общей фазовой ошибки на одном OFDM символе

1.4. Свойства шума неортогональности для случая одной активной подне-сущей

1.5. Влияние фазового шума на OFDM систему передачи данных в частотно-плоском канале связи

1.6. Влияние фазового шума на OFDM систему передачи данных в частотно-селективном канале связи

1.7. Исследование влияния фазового шума на вероятность битовой ошибки в OFDM системах связи

1.8. Заключение по первой главе

Глава 2. Влияние нелинейных искажений усилителя мощности в системах беспроводной связи с одной и многими несущими частотами

2.1. Модели систем связи с одной (SC) и многими (OFDM) несущими частотами

2.2. Модели усилителя мощности

2.3. Характеристики нелинейных искажений сигнала

2.4. Результаты анализа для ограничений, накладываемых ВВО

2.5. Результаты анализа для ограничений, накладываемых спектральной маской

2.6. Общее влияние нелинейных искажений усилителя мощности с учетом требований на ВВО и спектральную маску

2.7. Заключение по второй главе

Глава 3. Исследование влияния шума аналого-цифрового преобразования на беспроводные системы связи

3.1. Модели OFDM и SC систем связи

3.2. Модель аналого-цифрового преобразования

3.3. Исследование характеристик шума аналого-цифрового преобразования

3.4. Исследование влияния шума аналого-цифрового преобразования на вероятность битовой ошибки в беспроводной системе связи.

3.5. Заключение по третьей главе

Заключение

Список литературы

Подписано в печать 13.12.2011. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Гарнитура Тайме. Усл. печ. л. 1. Заказ № 832. Тираж 100.

Отпечатано в Редакционно-издательском управлении Нижегородского госуниверситета им. Н.И. Лобачевского 603950, г. Нижний Новгород, пр. Гагарина, 23.

61 12-1/103/

Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского»

На правах рукописи

Г\

(й

МАСЛЕННИКОВ Роман Олегович ^

Исследование влияния искажений, вносимых радиочастотным трактом, на характеристики беспроводных широкополосных

систем связи

01.04.03 - Радиофизика

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор Мальцев Александр Александрович

Нижний Новгород - 2011

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение..............................................................................................................................................4

1 Влияние фазового шума на OFDM системы передачи данных в частотно-селективных каналах связи............................................................................................................................30

1.1 Модель OFDM системы....................................................................................................30

1.2 Модель фазового шума.....................................................................................................35

1.3 Влияние компенсации общей фазовой ошибки на одном OFDM символе.................36

1.4 Свойства шума неортогональности для случая одной активной поднесущей...........38

1.5 Влияние фазового шума на OFDM систему передачи данных в частотно-плоском канале связи.......................................................................................................................40

1.6 Влияние фазового шума на OFDM систему передачи данных в частотно-селективном канале связи................................................................................................43

1.7 Исследование влияния фазового шума на вероятность битовой ошибки в OFDM системах связи...................................................................................................................46

1.8 Заключение по первой главе............................................................................................51

2 Влияние нелинейных искажений усилителя мощности в системах беспроводной связи с одной и многими ортогональными несущими частотами....................................................53

2.1 Модели систем связи с одной (SC) и многими (OFDM) несущими частотами..........53

2.2 Модели усилителя мощности..........................................................................................55

2.3 Характеристики нелинейных искажений сигнала.........................................................58

2.4 Результаты анализа для ограничений, накладываемых ВВО.......................................62

2.5 Результаты анализа для ограничений, накладываемых спектральной маской...........66

2.6 Общее влияние нелинейных искажений усилителя мощности с учетом требований на ВВО и спектральную маску........................................................................................72

2.7 Заключение по второй главе............................................................................................74

3 Исследование влияния шума аналого-цифрового преобразования на беспроводные системы связи...........................................................................................................................76

3.1 Модели OFDM и SC систем связи...................................................................................77

3.2 Модель аналого-цифрового преобразования.................................................................79

3.3 Исследование характеристик шума аналого-цифрового преобразования..................82

3.4 Исследование влияния шума аналого-цифрового преобразования на вероятность битовой ошибки в беспроводной системе связи............................................................88

3.5 Заключение по третьей главе...........................................................................................92

Заключение........................................................................................................................................94

Список литературы...........................................................................................................................96

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы диссертации

В настоящее время одной из наиболее динамично развивающихся прикладных областей современной радиофизики является область исследований и разработок беспроводных систем связи. Огромный интерес к системам радиосвязи в последнее десятилетие обусловлен несколькими взаимодополняющими тенденциями.

Во-первых, число абонентов мобильной связи выросло во всем мире за последние десять лет более чем в 10 раз с 309 миллионов в 1998 году до 4 миллиардов в январе 2009 г. [1], что составляет 60% населения Земли. Для сравнения на всей планете установлено лишь 1.2 миллиарда стационарных телефонов. Ежегодный оборот мировой индустрии мобильной связи превышает 1 трлн. долларов США, что составляет существенный долю от общемирового внутреннего валового продукта, оцениваемого в 61 триллион долларов США. В 2008 году было продано около 700 млн. сотовых телефонов, а их прогнозируемые продажи в 2012 году должны превысить 1.3 млрд. штук [2].

Одновременно с ростом числа пользователей мобильной связи также происходит увеличение числа различных сервисов, предоставляемых мобильными сетями, что ведет к увеличению требований к техническим характеристикам этих систем, включая требования к скорости передачи информации, качеству обслуживания пользователей, надежности мобильной связи и другим характеристикам. Рост требований к системам мобильной связи приводит к поиску научно-технических решений, которые могли бы улучшить характеристики данных систем. Работа над системами следующих поколений, реализующих новые научно-технические решения, ведется в международных организациях по стандартизации. Например, Международным союзом электросвязи (МСЭ) выполняется в настоящее время разработка спецификаций

для систем мобильной связи четвертого поколения (4G) [3], требования к которым были существенно увеличены по сравнению с системами связи третьего поколения (3G).

В работе организаций по стандартизации принимают участие ведущие промышленные компании, производители устройств беспроводной связи, а также университеты и исследовательские институты. В частности, Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского участвует в процессе разработки систем мобильной связи четвертого поколения, проводимым МСЭ.

Другое направление развития систем беспроводной связи, тесно связанное с направлением развития мобильной связи, однако отличное от него - объединение всех автономных вычислительных систем в единую глобальную сеть - Интернет. В течение последних нескольких лет число устройств, подключенных к Интернет через беспроводные каналы связи, превысило число устройств, подключаемых по проводным сетям. Предполагается, что в недалеком будущем абсолютное большинство оконечных устройств сети Интернет будут подключены через радио каналы и возможность беспроводного доступа в Интернет будет присутствовать повсеместно (ubiquitous wireless computing). При этом за проводными системами сохранятся в основном функции магистральных сетей, обеспечивающих транспортную инфраструктуру для оконечных беспроводных систем связи.

Основным типом систем радиосвязи, через которые осуществляются беспроводной доступ в Интернет, являются локальные сети передачи данных [4] так же известные под торговой маркой Wi-Fi. Спецификации для данных систем разрабатываются комитетом 802.11 Института инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (Institute of Electrical and Electronics Engineers - IEEE) [5].

В 2008 году было продано более 387 млн. устройств Wi-Fi [6] и прогнозируемая потребность в этих устройствах должна через пять лет составить более 1 млрд. устройств ежегодно.

Огромные тиражи выпускаемых и продаваемых пользовательских устройств беспроводной связи позволяют разрабатывать и выпускать такие устройства в виде специализированных интегральных схем, что требует высоких первоначальных инвестиций, однако позволяет сделать стоимость интегральной схемы (или набора интегральных схем), реализующей систему связи, не превышающей нескольких долларов США. В настоящее время достигнуты большие успехи в разработке сверхбольших интегральных схем (СБИС) для систем беспроводной связи, позволяющие совместить в одном полупроводниковом кристалле все функции беспроводной системы связи, включая радиочастотные блоки передатчика и приемника, цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи, блоки цифровой обработки сигналов, встраиваемые процессоры для реализации программных функций и другие специализированные аппаратные модули [7] - [9].

Основной полупроводниковой технологией, используемой для производства СБИС к настоящему времени стала технология КМОП (комплементарная логика на транзисторах металл-оксид-полупроводник; КМДП - англ. CMOS, Complementary- metal-oxide-semiconductor). КМОП технология оптимизирована для цифровых интегральных схем, составляющих основную часть ее применения. Недостатком использования данной технологии для разработки аналоговых и радиочастотных модулей, используемых в частности, в беспроводных системах связи, являются более худшие, с точки зрения построения аналоговых блоков, характеристики, а преимуществом -существенно более низкая цена изготовления микросхем. Таким образом, разработчики массовых беспроводных систем связи оказываются перед выбором - либо использовать более дорогую полупроводниковую технологию

6

с лучшими характеристиками получаемых аналоговых блоков, в частности более низким уровнем вносимых этими блоками искажений, либо использовать более дешевую КМОП технологию с худшими характеристикам и с такой технологией добиваться требуемых характеристик системы связи.

Результаты анализа наиболее современных массовых коммерческих систем беспроводной связи показывают, что второй подход является преобладающим. КМОП технология предполагается использоваться для подавляющего большинства массовых беспроводных систем связи [10], [11]. В этой связи получила распространение концепция (в англоязычной литературе — парадигма) "грязной радиочастотной части" ("Dirty RF") [12], [13]. В соответствии с данной концепцией радиочастотные и аналоговые блоки производятся на самой дешевой КМОП технологии, однако все возникающие в радиочастотных блоках искажения учитываются при разработке системы связи, а также, если возможно, то компенсируются в цифровой части системы [14]. Учет влияния аналоговых искажений происходит путем детального изучения механизмов их воздействия на систему связи и выбора параметров системы связи таким образом, чтобы влияние таких искажений не приводило к существенному ухудшению характеристик системы связи.

Современное состояние рассматриваемых вопросов

Следует отметить, что вопросами влияния искажений, вносимых радиочастотным трактом, на беспроводные системы связи, посвящено большое количество работ, начиная с 60-х годов прошлого столетия. Например, влияние фазовых флуктуаций было подробно рассмотрено в работах (Стратонович P.JL, 1961, Малахов А.Н., 1968). Однако проблемы влияния искажений, вносимых радиочастотным трактом, на системы радиосвязи остаются актуальными до настоящего времени, что обусловлено тенденциями научно-технического

прогресса рассмотренными выше, а также появлению новых типов сигналов, используемых для передачи информации, рассматриваемых далее.

Таким образом, проблема анализа искажений, вносимых аналоговыми блоками в беспроводных широкополосных системах связи, рассматриваемая в настоящей работе, является актуальной.

Основные типы аналоговых искажений, которым уделяется основное внимание проводимых в данной области исследований, и которые изучаются в данной работе, включают в себя:

• Фазовые флуктуации (фазовый шум) генераторов радиочастотных сигналов.

• Нелинейные искажения усилителя мощности.

• Шум квантования аналого-цифровых преобразователей.

Воздействие рассматриваемых искажений на системы беспроводной

связи зависит как от характеристик самих аналоговых блоков, так и от технологий передачи и обработки сигналов, реализуемых в цифровой части беспроводной системы связи. При этом используемая схема модуляция сигнала является одним из ключевых факторов, определяющих степень влияния искажений аналоговых блоков.

Традиционной схемой модуляции сигнала является модуляция с одной несущей частотой (Single Carrier - SC). Блок-диаграмма беспроводной системы связи с одной несущей частотой (SC системы) показана на Рис. 1 и включает в себя передатчик с соответствующими схемами помехоустойчивого кодирования, перемежения и модуляции, канал распространения сигнала и приемник, в состав которого входят эквалайзер и блок демодуляции деперемежения и декодирования сигналов.

Передатчик | I Приемник

Рис. 1. Блок-диаграмма системы беспроводной связи с одной несущей

В SC системе связи передача информации осуществляется путем модуляции последовательно следующих временных символов. Увеличение скорости передачи данных в SC системе связи приводит к увеличению частоты следования временных информационных символов (и, соответственно, увеличению рабочей полосы частот системы). В каналах с многолучевым распространением сигнала [15] увеличение частоты следования временных символов в SC системе ведет к тому, что один принимаемый временной символ начинает включать в себя сумму нескольких различных переданных информационных символов, прошедших через различные пути распространения сигнала с разными временными задержками. Данный эффект известен как межсимвольная интерференция [16]. В частотной области возникновению межсимвольной интерференции соответствует появление частотной селективности канала передачи данных в рабочей полосе системы связи.

Для восстановления переданных значений сигнала в условиях межсимвольной интерференции применяются алгоритмы эквализации (выравнивания) сигнала. Наиболее известными являются алгоритмы эквализации с обратной связью по решениям, работающие по критерию минимума среднеквадратической ошибки (Minimum Mean Square Error -MMSE) [17], а также алгоритмы эквализации, основанные на методе "форсирования нуля", (Zero-Forcing - ZF) [18]. Следует отметить, что при сильной межсимвольной интерференции алгоритмы эквализации для SC систем

становятся очень сложными вычислительно, а также мало эффективными, позволяя устранять интерференцию лишь при очень малых уровнях аддитивного шума.

Технологией, которая позволила существенно увеличить эффективность работы широкополосных систем беспроводной связи в каналах с сильной частотной селективностью является технология ортогонального частотного уплотнения многих поднесущих или OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) [19], [20]. Блок-диаграмма OFDM системы связи показана на Рис. 2.

Рис. 2. Блок-диаграмма OFDM системы связи

В OFDM системе связи данные модулируют множество поднесущих во временной области, после чего с помощью обратного быстрого преобразования Фурье (ОБПФ) происходит формирование символа во временной области. Далее к символу добавляется циклический префикс, который позволяет рассматривать линейную свертку с импульсной переходной характеристикой канала связи как циклическую. Это, в свою очередь, разрешает независимо выделить отдельные поднесущие из принятого OFDM сигнала, эквализовать их путем деления на коэффициенты передачи канала связи на соответствующих поднесущих и декодировать принятые данные.

OFDM является робастной схемой модуляции, обеспечивающей эффективную эквализацию сигнала в многолучевых частотно-селективных каналах связи. Технология модуляции сигналов OFDM применена в

большинстве современных беспроводных систем связи, включая беспроводные сети Wi-Fi, системы беспроводного широкополосного доступа WiMAX, системы цифрового телевидения DVB-T, перспективную систему связи четвертого поколения LTE и многие другие.

Кроме того, применение ортогональных частотных поднесу щих позволяет очень эффективно решить задачу параллельной многоканальной передачи данных сразу нескольким пользователям путем выделения им различных частотных ресурсов (групп поднесущих) с помощью OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) технологии.

Следует отметить, что сравнительно недавно для работы в частотно-селективных каналах были предложены новые системы с одной несущей частотой, позволяющие проводить эквализацию в частотной области (Single carrier with frequency domain equalization - SC-FDE) [21], [22]. Такие SC-FDR системы по эффективности эквализации сигналов практически сравнимы с OFDM системам связи. Блок-диаграмма OFDM системы связи показана на Рис. 3.

- - I - | - ------ - I

Передатчик | 1 _ Приемник |

Рис. 3. Блок-диаграмма SC-FDH системы связи

OFDM системам также присущ ряд существенных недостатков по сравнению с традиционной модуляцией с одной несущей частотой. Одним из основных таких недостатков является более высокая чувствительность OFDM модуляции к искажениям, вносимым аналоговыми блоками.

Влияние искажений аналоговых блоков может являться важным фактором при выборе между SC и OFDM модуляциями, поэтому задача анализа таких искажений и механизмов их влияния является актуальной [23].

Рассматривая различные типы систем связи, следует отметить, что проблема влияния искажений аналоговых блоков актуально для всех типов систем беспроводной связи, включая системы мобильной связи, системы беспроводного широкополосного доступа в Интернет WiMAX и другие. Однако наиболее актуальной данная проблема является для перспектив�