Системы связи играют ключевую роль в современной жизни человека. Ежедневно нам приходится пользоваться различными устройствами для передачи информации друг другу. Важными параметрами таких систем являются скорость передачи, помехозащищённость, дальность связи, максимально возможное число абонентов и т. д.
Разработчики телекоммуникационных систем сталкиваются с постоянной проблемой ограниченности ресурса среды передачи, будь то время, пространство, частота или код. Поэтому при передаче нескольких потоков данных для одного или нескольких пользователей приходится решать задачу множественного доступа к среде. Наиболее распространёнными являются такие методы решения этой задачи, как частотное разделение (FDMA) (на каждого абонента выделяется свой диапазон частот), временное разделение (TDMA) (для каждого абонента выделяется своё время доступа к среде передачи) и кодовое разделение (CDMA) (каждый абонент в среде передачи идентифицируется по своему коду) [1].
В этой статье рассмотрены общие методы приёма и передачи OFDM сигналов, канальное кодирование для систем связи четвертого поколения и реализация математической модели в среде MatLAB.
OFDM представляет собой технологию мультиплексирования с ортогональным частотным разделением [2]. Это означает, что весь диапазон частот делится между N поднесущими, на каждой из которых передаётся 1/N часть общего потока информации параллельно. Поднесущие являются ортогональными, что позволяет произвести разделение абонентов и исключить их взаимное влияние.
Особенность этой технологии заключается в устойчивости к многолучевому распространению. Это явление заключается в наложении друг на друга копий исходного сигнала с разными амплитудами и задержками и чаще всего негативно отражается на передаче данных — часть несущих может быть «вырезана» из спектра сигнала. Но вследствие того, что передача осуществляется на нескольких поднесущих, а не на одной, теряется не весь поток данных, а лишь его часть, которая может быть с некоторой точностью восстановлена.
Структурные схемы приёмника и передатчика OFDM сигналов приведены на рис. 1 и 2. На рис. 3 приведена структурная схема блока канального кодирования.
Рис. 1. Структурная схема передатчика OFDM сигналов
Рис. 2. Структурная схема приёмника OFDM сигналов
Рис. 3. Схема блока канального кодирования
Схема канального кодирования, изображенная на рис. 3, является типовой для систем связи 4-го поколения LTE и WiMAX, а также для современного семейства стандартов цифрового телевидения DVB. Последовательно рассмотрим этапы выполнения канального кодирования.
Скремблирование представляет собой сложение по модулю два передаваемых битов с элементами псевдослучайной последовательности, которую формирует генератор с задающим полиномом [3]. Целью скремблирования является придание битовому потоку свойств псевдослучайной последовательности и снижение вероятности появления в нём длинных последовательностей нулей или единиц, а также периодических фрагментов. Помехоустойчивое кодирование необходимо для нахождения и исправления одиночных ошибок [4]. При передаче сигнала в условиях многолучевого распространения могут пропадать целые блоки передаваемых символов, вследствие чего возникают групповые ошибки. Перемежение позволяет преобразовать групповые ошибки в одиночные, которые декодер легко исправляет. Модуляция (манипуляция) представляет собой изменение сигнала в зависимости от передаваемого кода. Чем больше позиций манипуляции, тем большее количество данных можно передать, однако при этом снижается помехоустойчивость. В этой работе используются три вида манипуляции — BPSK, QPSK и QAM-16 [5].
Так же для защиты сигналов от возможных искажений в условиях многолучевого распространения вводится дублирование конца каждого OFDM символа в защитном интервале, предшествующем его передаче, так называемый циклических префикс. Чем больше его длина, тем в более тяжёлых условиях многолучевого распространения может передаваться сигнал, но в то же время уменьшается скорость его передачи.
Симуляция канала распространения представляет собой наложение белого гауссовского шума на передаваемый сигнал. На рис. 4 представлен график зависимости вероятности битовой ошибки от отношения сигнал/шум для системы связи, схема которой приведена на рис. 1–3. При симуляции были использованы следующие параметры:
– Количество поднесущих — 
;
– Количество OFDM символов — 
;
– Величина защитного интервала в долях OFDM символа — 
.
Рис. 4. BER для модуляций BPSK, QPSK и QAM‑16
На рис. 4 видно, что канал оказывает существенное влияние на передачу сигнала. С увеличением индекса модуляции увеличивается скорость передачи, но в то же время снижается её помехоустойчивость.
В ходе работы была создана математическая модель описывающая передачу, распространение, приём и обработку OFDM сигналов. Был построен график зависимости вероятности битовой ошибки от отношения сигнал/шум для нескольких видов модуляции. Для обеспечения качественной связи в среде, когда канал передачи мало влияет на распространение сигнала, приоритетным параметром является скорость передачи. Наибольшей скоростью из трех рассмотренных видов модуляции обладает QAM-16. В средах же с большой зашумлённостью и многолучевым распространением важно обеспечить меньше количество ошибок в ущерб скорости передачи, т. е. использовать модуляции QPSK или BPSK.
Литература:
1. Fazel, Khaled. Multi-carrier and spread spectrum systems: from OFDM and MC-CDMA to LTE and WiMAX / K. Fazel, S. Kaiser. — 2nd ed. — Wiley, 2008. — 380 p.
2. Prasad, Ramjee. OFDM for wireless communications systems / Ramjee Prasad. — London: Artech House, 2004. — 291 p.
3. Рашич А. В. Сети беспроводного доступа WiMAX: учеб. пособие / Рашич А. В. — СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2011. — 179 с.
4. Бернанд Скляр. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Изд. 2-е, испр.:Пер. с англ. — М: Издательский дом «Вильямс», 2003. — 1104 с.
5. ETSI EN 302 755 v1.4.1 (2015–07). Digital Video Broadcasting (DVB); Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system (DVB-T2).
