close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Исследование и разработка методов и алгоритмов повышения эффективности передачи информации в системах связи с N-OFDM

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Майстренко Владимир Васильевич
Исследование и разработка методов и алгоритмов повышения
эффективности передачи информации в
системах связи с N-OFDM
Специальность:
05.12.13 – Системы, сети и устройства телекоммуникаций
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Омск - 2017
Работа выполнена в
Федеральном государственном бюджетном образовательном
учреждении высшего образования «Омский государственный технический университет»
(ОмГТУ).
Научный руководитель:
Бычков Евгений Дмитриевич
доктор технических наук, доцент кафедры
«Средства связи и информационная безопасность»
(ССИБ), ОмГТУ, г. Омск.
Официальные оппоненты:
Кропотов Юрий Анатольевич
доктор технических наук, профессор кафедры
ЭВТ, Муромского института при ФГБОУ ВО
«Владимирский государственный университет им.
Александра
Григорьевича
и
Николая
Григорьевича Столетовых », г. Муром.
Демидов Анатолий Яковлевич
Кандидат физико-математических наук, доцент
кафедры телекоммуникаций и основ радиотехники
(ТОР), ТУСУР, г. Томск.
Ведущая организация:
Федеральное
государственное
бюджетное
образовательное учреждение высшего образования
«Новосибирский государственный технический
университет», г. Новосибирск.
Защита состоится «13» апреля 2018 г. в 14:00 ч. на заседании диссертационного совета
Д.219.005.04 при Сибирском государственном университете телекоммуникаций и
информатики по адресу: 630102, г. Новосибирск, ул. Кирова, 86 (корпус 1), ауд. 625.
С диссертацией можно ознакомиться библиотеке ФГБОУ ВО «Сибирский государственный
университет
телекоммуникаций
и
информатики»
и
на
сайте:
https://sibsutis.ru/science/postgraduate/dis_sovets/
Автореферат разослан «
»________201 г.
Ученый секретарь диссертационного совета,
доктор технических наук, доцент
Абрамов Сергей Степанович
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Беспроводные средства передачи информации в
настоящее время представляют самый быстроразвивающийся сектор отрасли
связи. В связи с резким увеличением пользователей систем беспроводной
передачи данных, остро стоит задача разработки методов повышения
спектральной эффективности и пропускной способности беспроводных каналов
связи. Главной проблемой теории связи является поиск методов передачи и
приема сообщений, которые способны обеспечивать малые потери
информации, заложенной в сообщении, максимально возможную скорость
передачи при малой стоимости системы связи и позволяющие получить
высокую спектральную эффективность по сравнению с классическими
методами. Наиболее перспективными системами передачи информации
являются системы, реализующие метод ортогонального дискретного
мультиплексирования (OFDM), основанный на дискретном преобразовании
Фурье (ДПФ). Системы связи с OFDM используются для цифрового радио- и
телевещания, в высокоскоростных цифровых линиях связи, в беспроводных
локальных сетях, для передачи в диапазоне СВЧ, а так же для
телекоммуникации с подвижными объектами.
Исследованию систем радиосвязи, использующих технологию OFDM и
N-OFDM, посвящено достаточно большое количество работ, как зарубежныхChang R.W., Darwazeh I. A., Rodrigues M.R., Karampatsis D., Li K., Giacoumidis,
E., Gang Wu, Ioannis D., Zhao, J., Bellanger M.G., Farhang-Boroujeny B. и др., так
и отечественных авторов - Финк Л.М., Зюко А.Г., Кловский Д.Д, Назаров М.В.,
Слюсар В.И., Васильев К.А.
Реализация классического способа передачи данных с частотным
уплотнением посредством прямого и обратного преобразования Фурье (ПФ)
сталкивается с рядом трудностей, среди которых особенно стоит отметить
вычислительную сложность, если учесть комплексное представление чисел.
Несимметричность ПФ относительно мнимой единицы компенсируется
выполнением
операции перестановки исходных данных, требующей
дополнительных
вычислительных
затрат.
Условие
ортогональности
поднесущих обусловливает такие весомые недостатки метода OFDM, как
ограниченная спектральная эффективность при использовании относительно
широкой полосы частот; невозможность адаптивного маневра частотной
поднесущей для отстройки от сосредоточенных по спектру помех.
4
Альтернативным способом передачи информации по каналу связи
является способ неортогональной частотной дискретной модуляции,
основанный на использовании вещественного преобразования Хартли (ПХ).
Применение способа, основанного на не ортогональной частотной
дискретной модуляции цифровых сигналов, позволяет более рационально
использовать частотный диапазон, более эффективно решать проблему
электромагнитной совместимости радиоаппаратуры связи и повысить скорость
передачи данных в канале связи за счет большего уплотнения несущих
сигналов, тем самым повышая спектральную эффективность.
Для демодуляции принятых сообщений в предлагаемом методе
используется оценка принимаемых амплитуд модифицированным методом
Коши (ММК), основанная на решении системы линейных алгебраических
уравнений. Предложенная модификация метода Коши позволяет получить
выигрыш по вычислительной производительности по сравнению с широко
применяемыми классическими методами оценки неизвестных величин, таких
как метод наименьших квадратов (МНК), метод Крамера и др., и при этом не
уступает по точности получения оценок неизвестных амплитуд классическим
методам.
Следовательно,
исследование
и
разработка
алгоритмов
функционирования модемов сигналов на основе ПХ и ММК, позволяющих
повысить спектральную эффективность передачи информации в системах связи
с N-OFDM, помехозащищенность в условиях воздействия сосредоточенных по
спектру помех и вычислительную производительность процессора модема,
является актуальной задачей.
Объектом исследования является модем сигналов N-OFDM со многими
несущими частотами.
Целями диссертационной работы являются:
-анализ существующих методов и алгоритмов формирования и обработки
сигналов N-OFDM;
-построение имитационной модели системы связи с N-OFDM;
-разработка эффективных методов и алгоритмов повышения спектральной
эффективности N-OFDM модемов;
-повышение скорости обработки информации в системах связи на
основе преобразования Хартли;
-повышение помехозащищенности беспроводных систем связи N-OFDM
при наличии в канале связи сосредоточенных по спектру помех.
5
Основные задачи диссертационной работы:
-сравнительный анализ характеристик модемов на основе преобразования
Хартли и классических устройств на основе преобразования Фурье;
-разработка алгоритмов эффективной оценки амплитуд принятых
сообщений в зашумлённых каналах связи;
-определение вероятности ошибки приёма при сверхрелеевском
уплотнении поднесущих в канале с аддитивным белым гауссовским шумом для
фиксированной скорости передачи данных без кодирования источника
информации;
-разработка эффективных алгоритмов приема N-OFDM при воздействии
сосредоточенных по спектру помех;
-исследование границ спектральной эффективности для предложенного
вида N-OFDM модуляции;
-исследование пик-фактора и способов его снижения для сигналов NOFDM;
-исследование влияния частотного смещения несущей на характеристики
N-OFDM модемов.
При решении поставленных задач получены результаты, обладающие
новизной, теоретической и практической значимостью.
Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые получены
следующие научные результаты:
-метод обработки дискретных сигналов в системах передачи данных на
основе преобразования Хартли с использованием модифицированного метода
Коши, позволяющий снизить вычислительные затраты по сравнению с
предложенным ранее методом оценки, основанном на методе наименьших
квадратов;
-метод повышения спектральной эффективности при передаче цифровой
информации, оценка границы спектральной эффективности N-OFDM,
-получена оценка помехоустойчивости модема N-OFDM для канала с
АБГШ, реализованного на базе ПХ и ММК для видов модуляции: BPSK, QPSK,
QAM-16;
-разработана и защищена Свидетельством регистрации электронного
ресурса №22587 имитационная модель системы связи с N-OFDM,
реализованная в математическом пакете MATLAB;
-алгоритм адаптивной перестройки поднесущих, подверженных
сосредоточенным
по
спектру
помехам,
позволяющий
повысить
6
помехозащищенность системы связи c N-OFDM, защищенный Свидетельством
регистрации электронного ресурса № 22586.
Теоретическую и практическую ценность представляют:
-алгоритм функционирования модема N-OFDM, работающего с
применением метода демодуляции, основанного на модифицированном методе
Коши, для оценки неизвестных амплитуд в канале связи с АБГШ, позволяющий
повысить спектральную эффективность OFDM и вычислительную
производительность;
-алгоритм адаптивного приема, позволяющий проводить адаптивную
перестройку поднесущих
N-OFDM в условиях сосредоточенной по спектру помехи;
-сравнительные характеристики помехоустойчивости предлагаемого
метода N-OFDM и классического метода OFDM;
-оценка границы максимально достижимой спектральной эффективности
для метода N-OFDM и рекомендации по выбору частот размещения
поднесущих в N-OFDM - сигналах для достижения этой границы.
Реализация и внедрение результатов диссертации.
Результаты диссертационной работы использованы при проектировании и
разработке модулей в АО «НЗПП с ОКБ» (г. Новосибирск) и в учебном
процессе на радиотехническом факультете ОмГТУ. подтверждено актами,
приложенными к диссертации. Работа выполнена при финансовой поддержке
Министерства образования и науки РФ в рамках базовой части
государственного
задания
в
сфере
научной
деятельности (проект
№ 8.9334.2017/БЧ).
Методы исследований. В работе использовались методы теории
вероятностей, математической статистики и математического анализа,
элементы теории статистической радиотехники, численный эксперимент на
базе математического пакета MATLAB и имитационное моделирование.
Основные положения, выносимые на защиту:
-результаты исследования, показывающие целесообразность применения
N-OFDM для повышения эффективности передачи информации в системах
связи при использовании вещественного преобразования Хартли и
модифицированного метода Коши;
-алгоритм оценки амплитуд принимаемых сообщений на основе
модифицированного метода Коши, обеспечивающий оптимальный приём
сигналов в каналах с АБГШ;
7
-результаты оценки помехоустойчивости системы связи для различных
значений частоты разноса поднесущих сигнала N-OFDM, фиксированной
скорости передачи информации и видов манипуляции: BPSK, QPSK, QAM-16 в
канале с АБГШ и сравнение их с результатами помехоустойчивости для OFDM,
позволяющие получить численную оценку эффективности предлагаемого
метода передачи информации;
-алгоритм адаптивной перестройки поднесущих, подверженных
воздействию сосредоточенных по спектру помех, позволяющий повысить
помехозащищенность системы связи N-OFDM;
-полученные автором зависимости для определения нижней границы
Крамера–Рао оценки спектральной эффективности, позволяют найти
минимально достижимый разнос по частоте между поднесущими N-OFDM в
каналах с аддитивными помехами.
Достоверность и обоснованность полученных результатов и выводов
подтверждается проведенными экспериментальными исследованиями на ЭВМ
путем имитационного моделирования в математическом пакете MTLAB.
Достоверность результатов имитационного моделирования определяется
корректным использованием исходных данных, а так же верификацией модели
путем сравнения результатов тестовых вычислений с известными результатами.
Апробация работы. Основные научные положения и практические
результаты диссертационной работы обсуждались на научных конференциях:
- XVII Международной конференции «Радиолокация, навигация, связь»
(Воронеж, 2011);
-международной научно-технической конференции «Современные
проблемы радиоэлектроники» (Красноярск, 2012);
-X международной IEEE конференции по управлению и связи SIBCON2013 (Красноярск, 2013);
-международной научно-технической конференции «Современные
проблемы радиоэлектроники» (Красноярск, 2014);
-XI международной IEEE конференции по управлению и связи SIBCON2015 (Омск, 2015);
-XII международной научно-техническая конференции «Актуальные
проблемы электронного приборостроения» (Новосибирск, 2014);
-международной научно-практической конференции «Радиотехника,
электроника и связь» (РЭИС—2015), (Омск, 2015).
8
- XIII международная научно-техническая конференция «Актуальные
проблемы электронного приборостроения» (Новосибирск, 2016);
-международной научно-технической конференции «Современные
проблемы радиоэлектроники» (Красноярск, 2017);
-IEEE международной Сибирской конференции по управлению и связи
(SIBCON-2017) (Астана, 2017);
Личный вклад автора. Основные результаты диссертации получены
автором лично или при непосредственном его участии. Экспериментальные
исследования проведены совместно с сотрудниками кафедры ССИБ ОмГТУ
А.П. Аверченко, Майстренко В.А., результаты обработаны лично автором.
Совместно с научным руководителем обсуждались цели работы и пути их
достижения, результаты работы. Все математические модели и программы
разработаны автором.
Публикации. По результатам исследований опубликовано двенадцать
научных работ, в том числе трех статей в научно-технических сборниках,
включенных в перечень научных журналов, рекомендованных ВАК РФ, и
десять докладов на российских и международных научно-технических
конференциях. Получены два Свидетельства регистрации электронного
ресурса.
Структура и объем диссертации. Диссертация содержит введение, 4
главы, заключение, изложенные на 98 с. машинописного текста. В работу
включены список литературы из 70 наименований и 7 приложений.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Введение содержит обоснование актуальности диссертационной работы,
формулировку цели и задач работы, основные положения, выносимые на
защиту, и определяет содержание и методы выполнения работы.
В первой главе разрабатывается математическая модель радиолинии для
передачи цифровых данных сигналами N-OFDM на основе преобразования
Хартли с модуляцией многими несущими (ММН) и демодуляции принятой
информации посредством оценки неизвестных амплитуд модифицированным
методом Коши.
Предложенный в диссертационной работе способ передачи информации
по каналу связи с АБГШ основан на использовании вещественного
преобразования Хартли (ПХ). Соотношения прямого и обратного
9
преобразования
Хартли
преобразований (1) и (2):
записываются
соответственно
∞
() = ∫−∞ ()2,
∞
() = ∫−∞ ()2;
виде
пары
(1)
(2)
где функция cas представляет собой сумму косинуса и синуса одного и того же
аргумента, как это показано в формуле (3):
() = cos() + sin()
(3)
Как видно из формул (1) и (2), алгоритм обработки сигналов идентичен
как на передающей стороне (модуляция – обратное преобразование Хартли),
так и на приемной стороне (демодуляция – прямое преобразование Хартли), что
существенно
упрощает
аппаратную
и
программную
реализацию
многоканальной системы связи. Следующими соотношениями покажем
взаимосвязь между ПФ и ПХ.
Сигнал, прошедший через канал с АБГШ, описываемый вектором
отсчётов напряжения шума  , в матричной форме можно записать в
следующем виде:
 =  ∗ , +  .
(4)
Или в развернутом виде:




11
11
… 1
1




21
21
… 2
2
  ]
=[
] ∗ [1 1 2 2 … 
 + [1 2…  ] ,
…




1 1 … 

где  - сигнальная матрица,  = [1 2…  ] - вектор отсчетов напряжений
,
,
шума; 
- синфазная и квадратурная функции Хартли; 
- амплитуды
передаваемых сообщений.
Запишем выражения для синфазной и квадратурной составляющей ПХ,
при условии квадратурной модуляции каждой поднесущей:
  () = cos() + sin() ,   (−) = cos() − sin()
(5)
Формула (4) относится к случаю, когда модуляция на каждой поднесущей
является квадратурной, например QAM, либо QPSK. В диссертационной работе
в основном рассматриваются именно такие виды модуляции каждой
поднесущей, так как они являются наиболее эффективными с точки зрения
спектральной эффективности и помехоустойчивости приема относительно не
квадратурных видов модуляции, таких как BPSK. Для BPSK сигнальная
10
матрица X состоит из элементов () = cos() + sin(). Запишем выражение
для квадратурной модуляции на каждой поднесущей N-OFDM:
() =  cos() +   sin(),
(6)


где  и  - амплитуды четных и нечетных квадратурных составляющих,  =
2 − циклическая частота сигнала. Алгоритм работы модулятора при условии
квадратурной модуляции на каждой поднесущей можно записать следующим
образом:
 =  ∗ sin( ∗  ∗  + ),
(7)
где  − время преобразования цифро-аналогового преобразователя (ЦАП);  −
порядковый номер отсчетов ЦАП;  = √( )2 + (  )2 – амплитуда сигнала;

 = (− ) – начальная фаза сигнала.

Учитывая выражение (6), перепишем (7) в базисе функций Хартли в общем
виде:
 =  ∗ ( ∗  ∗  + ) +   ∗ (− ∗  ∗  + ).
(8)
Исходя из выше записанных выражений, определим значения функций
Хартли, из которых состоит сигнальная матрица X:


= ( ∗  ∗  + )
(9)


= (− ∗  ∗  + ),
где  = 2 ∗  ∗  − циклическая частота n-й поднесущей 
На основании полученных выражений был разработан алгоритм
функционирования модулятора модема с сигналами N-OFDM.
Демодуляция сигналов в данном способе осуществляется путем решения
системы уравнений (4). Критерием оптимальности демодуляции является
оценивание амплитуд сигналов по одному из методов оценки неизвестного
параметра. С учетом сказанного, задача оценки амплитуд сигналов может быть
сведена к минимизации следующего функционала:

 2


Θ = min ∑=1{ − ∑
(10)
=1[  +   ]}
Оценку амплитуд сигналов принятого вектора амплитуд
можно
получить, решая систему уравнений вида:



= 0,



= 0;
(11)
Решение системы уравнений (11) возможно при использовании метода
Крамера, метода наименьших квадратов и модификации метода Коши. Метод
Крамера дает достаточно громоздкий алгоритм решения и не оптимален для
вычислительных устройств. Метод наименьших квадратов более компактен, но
11
при практической реализации требует больших вычислительных затрат. Данное
обстоятельство обуславливает необходимость искать и использовать другие
,
методы решения рассматриваемой задачи оценивания вектора 
.
На основе разработанных алгоритмов была создана структурная схема
модема N-OFDM сигналов, изображенная на рис.1.
Рис.1 Структурная схема модулятора N-OFDM модема
Был выполнен сравнительный анализ точности оценки неизвестных
амплитуд методом наименьших квадратов (МНК) и методом Коши (МК) путем
вычисления среднего значения (математического ожидания) и дисперсии
оценки амплитуд по каждой поднесущей по следующим формулам:
1 { ( )} =  ,
(17)
где 1 { } − вычисление математического ожидания (МО);  ( ) – оценка
неизвестной амплитуды  в n-й поднесущей N-OFDM сигнала. При этом, если
равенство (17) соблюдается, оценка является несмещенной. Далее будем
рассматривать только случай, когда оценка амплитуд является несмещенной.
Запишем выражения для вычисления дисперсий оценок по МНК и МК.
мнк = 2 {мнк }, мк = 2 {мк },
(18)
12
где 2 { }– операция вычисления дисперсии оценок, мнк и мк − дисперсии
оценок по МНК и МК соответственно. Для сравнения двух оценок
выполненных по МНК и МК по выборке размером n введем понятие
относительной эффективности оценивания для несмещенных оценок:
 =
мк
мнк
(19)
где  − параметр выражающий эффективность выполненной оценки
неизвестной амплитуды, если  > 1, то оценка мнк является эффективнее
(лучше) оценки мк . В случае, когда параметр эффективности оценки  = 1,
либо стремится к 1, оценки будем считать одинаковыми (или близкими) по
эффективности.
Вычислительный эксперимент по анализу точности оценок проводился в
математическом пакете MATLAB. Исследовались МО и дисперсия оценок
амплитуд. Полученные результаты исследования изображены графически на
рис.2.
Рис. 2 Зависимость параметра  от номера поднесущей частоты N-OFDM, при
Eb/N0=10 дБ, для ΔF = 10 Гц
Было проведено обоснование применения преобразования Хартли при
модуляции и модифицированного метода Коши при оценке неизвестных
амплитуд с точки зрения вычислительных затрат относительно преобразования
Фурье и метода наименьших квадратов.
Выигрыш по вычислительной производительности ПХ относительно ПФ
ориентировочно составляет 35-45%.
Для оптимальной демодуляции переданной информации сигналов NOFDM используется классический МНК имеющий большую вычислительную
сложность.
Предложенный автором диссертационной работы алгоритм оптимальной
демодуляции по ММК имеет выигрыш по вычислительной производительности
относительно МНК составляющий ориентировочно 35-45%.
13
На основании полученных автором результатов и с учетом того, что два
рассматриваемых метода имеют практически одинаковую вычислительную
точность, сделан вывод, что использование ММК более целесообразно при
большом значении поднесущих частот N-OFDM сигнала.
Во второй главе исследуется помехоустойчивость модема сигналов NOFDM
для видов цифровой модуляции QAM-16, QPSK, BPSK.
Рассматриваются сигналы N-OFDM с различными частотами разноса между
поднесущими частотами с фиксированной скоростью передачи информации,
без кодирования.
Помехоустойчивость системы связи с N-OFDM сигналами напрямую
зависит от значения частотного разноса между поднесущими частотами. Если
для классического модема OFDM с ортогональными сигналами вероятность
ошибки определяется по хорошо известным формулам, то для модема с NOFDM сигналами такой возможности нет, т.к. теоретические зависимости BER
от отношения сигнал/шум не получены. В связи с этим, автором настоящей
диссертационной работы были разработаны методики определения таких
зависимостей. Выполнен вычислительный эксперимент, позволяющий
произвести оценку помехоустойчивости посредством имитационной модели
системы N-OFDM в математическом пакете MATLAB для различных значений
частотного разноса между поднесущими в случае их не ортогональности.
Приведены результаты оценки неизвестных амплитуд, переданных по каналу
АБГШ в базисе Хартли, и демодуляции модифицированным методом Коши.
Полученные таким способом кривые помехоустойчивости сравнивались с
теоретическими кривыми для OFDM. Результаты, полученные в ходе
вычислительного эксперимента, являются новыми и представляют большой
интерес с научной точки зрения.
На рис.3 приведены зависимости BER от отношения сигнал/шум для
BPSK и QPSK с фиксированной скоростью передачи данных, равной 200 бит/с.
Частота дискретизации равна 16 кГц для телефонного канала (300-3400) Гц.
Рис.3 Зависимости BER от отношения сигнал/шум для BPSK и QPSK
14
На рис.4 приведены зависимости BER от отношения сигнал/шум для
QАМ-16.
Рис.4 Зависимости BER от отношения сигнал/шум для QAM-16
Проведенный вычислительный эксперимент показал, что в случае не
ортогонального размещения поднесущих частот, когда ∆ = 50 Гц
эффективная полоса спектра  = 800 Гц, и спектральная эффективность в
четыре раза превышает спектральную эффективность при ортогональном
размещении поднесущих.
Также исследовалась помехоустойчивость модема сигналов N-OFDM при
воздействии искажений вносимых сдвигом поднесущих частот при не
идеальности генераторного оборудования в приемо-передающем тракте. Были
определены максимально возможные значения частот сдвига поднесущих, при
которых эти искажения еще не существенны, и система может продолжать
ведение сеанса связи.
Запишем математическую модель многочастотного сигнала следующим
образом:
 = ( , ) +  ,
(21)

где  = [exp(2∆ℎ )] – вектор-столбец величины частотного сдвига
поднесущих, знак  над квадратными скобками обозначает операцию
транспонирования,  – сигнальная матрица, , – векторы передаваемых
амплитуд, ∆ℎ – величина частотного сдвига многочастотного сигнала .
На рис.5 изображены кривые помехоустойчивости для частотных сдвигов
∆ℎ = [0,0 − 0,5]Гц при частоте разноса ∆ = 20 Гц.
15
Рис.5 Графики помехоустойчивости для ∆ = 20 Гц при различных частотах сдвига
поднесущих.
Проведенный вычислительный эксперимент показал, что при частотном
сдвиге несущей более чем на 0,4 Гц кривая помехоустойчивости имеет
практически постоянный уровень (приблизительно
 = 10−2 ) при
увеличении отношения сигнал/шум более 34 дБ, а так же и при отсутствии
шума.
Из результатов вычислительного эксперимента
видно, что при
использовании модуляции N-OFDM при видах модуляции BPSK, QPSK и
QAM-16 значения зависимости BER от отношения сигнал/шум близки к
теоретической кривой.
Вычислительный эксперимент показал, что для частотного сдвига
∆ℎ = 0,5 Гц при частоте разноса ∆ = 20 Гц ведение сеанса связи
невозможно. Прием информации возможен и без компенсации частотного
сдвига. Для частоты разноса ∆ = 200 Гц (ортогональное размещение
поднесущих) и частотного сдвига ∆ℎ = 0,5 Гц, значение BER равно нулю
при отношении сигнал/шум равном 36 дБ.
Третья глава посвящена исследованию потенциальных границ
частотного уплотнения сигналов с N-OFDM. Разработан и исследован
адаптивный алгоритм перестройки поднесущих частот подверженных влиянию
сосредоточенных по спектру помех.
Для решения задачи оценки СКО квадратурных составляющих амплитуд
N-OFDM сигналов по модифицированному методу Коши, в предположении о
некоррелированности гауссовых шумов, была выбрана нижняя граница
Крамера – Рао. Неравенство Крамера – Рао впервые было сформулировано
Фишером и наиболее часто применяется на практике, в силу сравнительной
простоты его получения.
16
При точно известных частотах всех поднесущих N-OFDM сигналов и
времени их прихода (режим синхронизированной линии связи) потенциальная
точность измерения квадратурных составляющих амплитуд принятых сигналов
определяется нижней границей Крамера – Рао (НГКР).
Для вычисления НГКР проводился расчёт информационной матрицы
Фишера:
=
1
2

(  ),
(22)
где  – СКО шума;  - сигнальная матрица,   –операция транспонирования
матрицы .
Элементы диагонали обратной информационной матрицы Фишера  −1
соответствуют значениям дисперсии несмещённых оценок амплитуд сигналов
для каждого подканала. С учётом этого, соотношение для определения НГКР
среднеквадратического отклонения несмещённых оценок амплитуд m-й
несущей сигналов N-OFDM запишем в виде:
−1 ,
 ≥ √,
(23)
−1
где  – СКО оценок амплитуд на m-й несущей, ,
– обратная квадратная
матрица Фишера, m = 1,2…M – номер элемента обратной матрицы Фишера.
Определим СКО  принятых амплитуд сигналов на каждой
поднесущей частоте:
1
2
 = √ ∑
=1( −  ) ,

(24)
где  – значение отсчетов принятой амплитуды на m-поднесущей;  –
математическое ожидание сигнальной выборки в каждом подканале,
определяющееся по формуле  =
1

∑
=1  ; N- число реализаций
оцениваемых принятых амплитуд сигнала.
Таким же образом определим СКО  шума.
1
 = √ ∑=1( −  )2 ,

(25)
где  – значение отсчетов шума действующего в канале связи;  =
1

∑=1  – значение математического ожидания шума;
l=1,2…L – число
отсчетов шума.
Согласно правилу „трёх сигм” вероятность отклонения нормально
распределенной случайной величины от своего истинного значения в интервале
±3 равна 0,9973. Таким образом, задача определения потенциальной границы
частотного уплотнения сигнала N-OFDM сводится к нахождению минимальной
17
величины  = ∆⁄∆ , при которой будет справедливо неравенство (23) при
вероятности правильного приема символов равной 0,9973.
Для установления степени соответствия результатов, полученных при
вычислительном эксперименте, задавались нижний и верхний пределы НГКР.
Были использованы 100 реализаций смеси сигнала и шума при доверительной
вероятности 0.999, нижняя граница доверительного интервала определяется на
уровне 0.808 от НГКР, а верхняя на уровне 1.29 от НГКР. Значения величины
СКО  , которые не выходят за границы доверительных интервалов
считаются потенциально точными.
Для исследования потенциальных границ частотного уплотнения
использовался вид модуляции QAM-16 на каждой поднесущей частоте. Выбор
вида модуляции делался из соображения высокой спектральной эффективности
модуляции QAM. На рис.6 изображены графики зависимости СКО, НГКР,
нижнего и верхнего доверительных интервалов для случая ожидаемого
минимального теоретически возможного разноса поднесущих ∆ = 5 Гц для
четной и нечетной квадратуры.
Рис.6. Зависимости СКО, НГКР, нижнего предела и верхнего предела от номера
поднесущей для четной и нечетной квадратуры для ∆ = 5 Гц при пороговом
отношении сигнал/шум 11,8 дБ.
При анализе рис. 6 видно, что при уменьшении значения частотного
разноса ∆ между поднесущими до ожидаемого минимального теоретически
возможного значения 5 Гц при условии идеальной частотной и временной
синхронизации, резко возрастает СКО и НГКР на средних номерах
поднесущих. Происходит выход значений СКО за верхний доверительный
интервал НГКР, как для четной, так и нечетной квадратур сигнала. В этом
случае полученные значения СКО считаются недостоверными. Кроме этого,
вероятность правильного приема падает от заданной 0.9973 до 0.8909 при том
же значении порогового отношения сигнал/шум 11,8 дБ. При увеличении
18
значения отношения сигнал/шум для частотного разноса между поднесущими
∆ = 5 Гц, результаты вычисления СКО так же являются недостоверными.
При определении потенциальной границы частотного уплотнения, то
есть, вычисления минимальной величины , при которой значение
доверительной вероятности будет на уровне 0.9973, а значения СКО не будут
выходить за границы доверительных интервалов НГКР, был использован метод
итерационного приближения. Были выполнены вычисления минимального
значения , при которых выполнялись выше перечисленные условия.
Выполненные вычисления справедливы для эквидистантной расстановке
поднесущих частот. На рис.7 изображены зависимости СКО, нижнего и
верхнего пределов НГКР от номера поднесущей для четной и нечетной
квадратур. При min(∆ ) = 5.578 Гц или в относительных единицах min() =
0.02789.
Рис.7. Зависимости СКО от номера поднесущей для четной и нечетной квадратуры
при значениях min(∆ ) = 5.578 Гц, min() = 0.02789
Из полученных результатов видно, что при значении теоретически
возможного минимального частотного разноса min() = 0.02789, условие (23)
выполняется, следовательно, значение  = 0.02789 можно считать
теоретической потенциальной границей частотного уплотнения при
эквидистантной расстановке поднесущих частот.
В системах связи с классическим OFDM при поражении сосредоточенной
помехой отдельных поднесущих частот основным методом борьбы с такого
рода помехами является отключение пораженных поднесущих частот, т.е. при
демодуляции оценка их параметров исключается. Такая ситуация приводит к
полной потере информации на пораженных поднесущих частотах, так как для
классической OFDM выполнение условия ортогональности поднесущих частот
является основным. В случае перехода от классической системы связи с OFDM
к N-OFDM за счет адаптивного маневра поднесущих частот, пораженных
19
помехой, в область частот, свободную от мешающих воздействий, удается
сохранить передачу информации на всех поднесущих частотах без исключения.
Для подтверждения возможности повышения помехозащищенности
системы связи, подверженной воздействию сосредоточенной по спектру
помехи, автором диссертационной работы был разработан алгоритм
адаптивного приема и проведен вычислительный эксперимент, доказывающий
такую возможность. На алгоритм адаптации и выполненную программу,
автором диссертационной работы было получено свидетельство о регистрации
электронного ресурса № 22586.
Автором диссертационной работы получено математическое выражение
модели сосредоточенной по спектру помехи в базисе Хартли:
() =  ∗ (1) ∗ (√2(sin(⁄4 + 2 ∗  ∗  ∗  +  ) +
+√2 sin(⁄4 − 2 ∗  ∗  ∗  +  )).
(26)
Таким образом, в ходе проведенных вычислительных экспериментов
исследованы предельные возможности частотного уплотнения сигналов,
сформированных по методу N-OFDM на основе преобразования Хартли с QAM
модуляцией частотных несущих и демодуляции путем модифицированного
метода Коши. Проверено соответствие СКО оценок амплитуд сигналов нижней
границе Крамера–Рао.
Исследованы возможности системы связи с N-OFDM при адаптивной
отстройке поднесущих частот, пораженных сосредоточенной по спектру
помехой, на свободные от действия помехи частоты без потери информации.
В
четвертой
главе
приведены
результаты
имитационного
моделирования работы модема N-OFDM выполненного на базе звуковой карты
промышленного компьютера (ПК). Исследовано влияние пик-фактора сигнала
N-OFDM на качество приема информации и найдены способы его уменьшения.
Разработан и исследован алгоритм временной синхронизации N-OFDM модема.
На рис.8 изображена структурная схема экспериментальной установки
используемой автором диссертации для проведения эксперимента и получения
основных результатов исследований.
20
Рис.8 Структурная схема экспериментальной установки
В ходе проведенного эксперимента были оценены пороговые значения
отношения сигнал/шум, при которых возможна синхронизация по времени для
модема N-OFDM.
На рис.9 изображены графики помехоустойчивости модема N-OFDM,
полученные
путем
проведения
эксперимента
с
использованием
экспериментальной установки рис.8. Исследовались сигналы N-OFDM с
частотным разнесением между поднесущими 200 Гц, 100 Гц, 50 Гц и 20 Гц
соответственно и скоростью передачи информации 200 бит/с для вида
модуляции BPSK. Оценка помехоустойчивости выполнялась по анализу
параметра BER при воздействии на канал связи АБГШ.
Рис.9 Графики помехоустойчивости BPSK
Одним из существенных недостатков OFDM-сигналов является большое
значение пик-фактора, который определяется как:
 =
(2 )
∑ 2
(28)
21
Пик-фактор определяет требования к линейности аналоговых трактов передачи
и разрядности ЦАП/АЦП. Очевидно, чем выше его значение, тем сложнее
реализация устройств, поддерживающих данный тип сигнала.
Был проведен эксперимент, в ходе которого осуществлен выбор ФЧХ
канала для N-OFDM. Для проведения эксперимента использовалась звуковая
карта ПК с 16-битными ЦАП/АЦП с частотой дискретизации 8 кГц для
эквивалентного низкочастотного канала в диапазоне (300-3400) Гц без
кодирования. Вид модуляции BPSK, информационная скорость передачи на
каждой поднесущей 200 бит/с. Расчет начальной фазы поднесущих для NOFDM сигнала проводился по формуле (29), полученной автором
экспериментально.
() =
3∗∗ 2
2∗
(29)
На рис.10 изображены ФЧХ для случаев ортогонального размещения
поднесущих при ∆f = 200 Гц, число поднесущих N=16, и для случаев
неортогонального размещения поднесущих: для ∆f = 100 Гц , N=31; ∆f =
50 Гц, N=62; ∆f = 20 Гц, N=155.
Рис.10 ФЧХ канала N-OFDM
В ходе проведенного эксперимента, автором диссертационной работы
была доказана работоспособность модема N-OFDM, позволяющего повысить
спектральную эффективность относительно классических модемов OFDM.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
1) Путем вычислительного эксперимента получены и подтверждены
преимущества по вычислительной производительности вещественного
преобразования Хартли и модифицированного метода Коши относительно
классического метода наименьших квадратов для оценки принятых амплитуд
сигналов при наличии аддитивных помех. Выигрыш по вычислительной
производительности составляет ориентировочно 35-40%.
22
2) Проведено сравнение по производительности вычислений преобразование
Фурье и преобразование Хартли при приёме и передаче информации в
беспроводных
системах
связи.
Выигрыш
по
вычислительной
производительности ориентировочно составляет 35-40%.
3) По разработанной автором диссертации методике, была исследована
помехоустойчивость модема N-OFDM для видов модуляции BPSK, QPSK, QAM16. Вычислительный эксперимент по определению помехоустойчивости модема
N-OFDM выполненный в математическом пакете MATLAB, показывающий
ухудшение помехоустойчивости в среднем на 1 дБ относительно теоретической
кривой был подтвержден на практике с использованием экспериментальной
установки собранной автором диссертационной работы.
4) Разработан и проверен алгоритм адаптации от сосредоточенных помех,
позволяющий повысить помехозащищенность системы связи N-OFDM,
защищённый Свидетельством о регистрации электронного ресурса.
5) Определена нижняя граница Крамера-Рао уплотнения спектра, позволяющая
определить минимально возможный теоретический частотный разнос между
поднесущими частотами, при условии идеальной временной и частотной
синхронизации равный 10 Гц и полученный путем имитационного
моделирования практически возможный частотный разнос между поднесущими
частотами равный 50 Гц. При частотном разносе равном 10 Гц, спектральная
эффективность равна 20, при разносе по частоте поднесущих в 50 Гц,
спектральная эффективность равна 4.
6) Проведены исследования ФЧХ канала связи для N-OFDM, в результате
которых получено выражение для расчета начальной фазы поднесущих,
позволяющее снизить значение пик-фактора передаваемого сигнала на 12 дБ.
7) Разработан и исследован способ временной синхронизации сигналов NOFDM, определены пороговые значения отношения сигнал/шум, при которых
происходит срабатывание системы временной синхронизации.
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Учебные пособия.
1. Майстренко В.В., Логинов К.В. Решение технических задач с
математическом пакете МАТЛАБ: учеб. пособие/В.В. Майстренко, Л.В.
Логинов.- Омск: Изд-во ОмГТУ, 2012.- 77 с.
Статьи в журналах, включенных в перечень ВАК
1. Maistrenko, Vladimir V., Maistrenko, Vasiliy A. Carrying Out of Effective
Recovery Algorithms of Distorted Images (статья на английском языке) // Журнал
23
Сибирского Федерального университета. Серия «Техника и технологии». 2014.- Т.7.- № 6. - С. 636-640.
2. Хазан В.Л., Федосов Д.В., Майстренко В.В. Особенности построения и
функционирования мобильных КВ сетей связи // Научно-технические
ведомости СПбГТУ. – 2008.  №6.  С. 38-48.
3. Разработка эффективных алгоритмов восстановления искаженных
изображений для оптико-электронной стереосистемы определения дальности.
Майстренко В.А., Майстренко В.В., Пивоваров В.П., Зубарь А.В., Кайков К.В.
Омский научный вестник. 2014. № 1 (127). С. 196-200.
Статьи в журналах, проиндексированных в системах SCOPUS, WoS.
1. Interference immunity analysis of an optimal demodulator under peak
multiplexing of N-OFDM spectrum / Vasilii A. Maystrenko; Vladimir V.
Maystrenko; Alexander Lyubchenko // International Siberian Conference on Control
and Communications (SIBCON) International Siberian Conference on Control and
Communications (SIBCON) – Proceedings : conf. – Astana, Kazakhstan, 2017. –
DOI: 10.1109/SIBCON.2017.7998458.
2. Distortion effect analysis of N-OFDM signal with frequency drifts of carrier
wave/ V.A. Maystrenko; V. V Maystrenko; A. A. Lyubchenko//13th International
Scientific-Technical Conference on Actual Problems of Electronics Instrument
Engineering (APEIE) – Proceedings : conf. –Novosibirsk, Russia, 2016. – DOI:
10.1109/APEIE.2016.7806417, WoS: 000392625500018.
3. The modified method of demodulation N-OFDM signals / Maystrenko V.A.,
Maystrenko V.V. // 12 th International Conference on actual Problems of Electronic
Instrument Engineering, APEIE 2014 – Proceedings: conf. – Novosibirsk, Russia,
2014. – DOI: 10.1109/APEIE.2014.7040919.
Статьи, опубликованные в других изданиях
1. Библиотека программ для расчета параметра BER для N-OFDM сигналов.
Майстренко В.А., Майстренко В.В. Хроники объединенного фонда
электронных ресурсов Наука и образование. 2017. № 2 (93). С. 60.
2. Программная модель системы передачи данных N-OFDM. С системой
адаптации при воздействии сосредоточенных по спектру помех. Майстренко
В.А., Майстренко В.В. Хроники объединенного фонда электронных ресурсов
Наука и образование. 2017. № 2 (93). С. 59.
3. Майстренко В.А., Майстренко В.В. Временная синхронизация модема NOFDM сигналов и оценка пик – фактора
Труды XX Всеросc. НТК
«Современные проблемы радиоэлектроники», посвящён. 122 годовщине Дня
Радио.- Красноярск, 4-5 мая 2017г. Электронный доступ
4. Коровин С.Д., Майстренко В.А., Майстренко В.В.
Повышение
спектральной эффективности передачи цифровой информации в системах
24
связи, реализующих преобразование Хартли /В сборнике: Радиотехника,
электроника и связь (РЭ и C-15), III Международная научно-техническая
конференция, 2015. - С. 76-85.
5. Майстренко В.А., Майстренко В.В. Оптимальная демодуляция N-OFDM
сигналов в базисе Хартли путѐм оценки принятых амплитуд методом Коши //
Тр. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых учѐных «Современные
проблемы радиоэлектроники». Красноярск: Изд-во Сибирского
федерального университета, 2012. - С. 120-123.
6. Майстренко В.В. Способ передачи данных в коротковолновом канале
связи с неортогональной N-OFDM модуляцией сигналов на основе
преобразования Хартли с квадратурной амплитудной модуляцией отдельных
несущих / В.В. Майстренко // Сб. тр. XVII Междунар. НТК «Радиолокация,
радионавигация, связь (RLNC-2011).. – Воронеж: Изд-во НПФ «САКВОЕЕ»
ООО,2011.-Т2.-С.903-914.
Печатается в авторской редакции
Подписано в печать 27.10.17. Формат 60х841/16. Бумага офсетная.
Отпечатано на дубликаторе. Усл. печ. л. 1,5. Уч.-изд. л. 1,5.
Тираж 100 экз. Заказ 61.
Издательство ОмГТУ. 644050, г. Омск, пр. Мира, 11; т. 23-02-12.
Типография ОмГТУ
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
11
Размер файла
1 260 Кб
Теги
эффективность, ofdm, методов, алгоритм, разработка, передача, система, исследование, информация, повышения, связи
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа