Лабораторная работа №1 - Сайт кафедры Систем Связи

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ
Федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение высшего
профессионального образования
Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики
Кафедра «Системы связи»
ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ
СВЯЗИ С ПОДВИЖНЫМИ ОБЪЕКТАМИ
Методические указания
к лабораторной работе по дисциплине
«Системы связи с подвижными объектами»
Составители:
Самара, 2013 г.
Диязитдинов Р.Р.,
Обмачкин И.С.
Диязитдинов Р.Р., Обмачкин И.С. Основы построения
систем связи с подвижными объектами. Методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Системы
связи с подвижными объектами» для студентов специальностей 210404 (Многоканальные телекоммуникационные
системы), 210406 (Сети связи и системы коммутации),
090106 (Информационная безопасность телекоммуникационных систем), 210402 (Средства связи с подвижными объектами), 210302 (Радиотехника), 210405 (Радиосвязь, радиовещание и телевидение) – Самара:
ПГУТИ, 2011. – 76 с.,
ил.
Методические указания предназначены для студентов
очной формы обучения специальностей 210404, 210406,
090106, 210402, 210302, 210405 служат руководством для
выполнение лабораторных работ по дисциплине «Системы
связи с подвижными объектами».
Методические указания подготовлены на кафедре
«Системы связи».
Методические указания рекомендованы
к изданию методическим Советом
ПГУТИ
© ФГОБУ ВПО ПГУТИ
© Диязитдинов Р.Р.
© Обмачкин И.С.
2013
Содержание
Введение .....................................................4
Лабораторная работа №1 ..........................5
Лабораторная работа №2 ........................28
Лабораторная работа №3 ........................57
3
Введение
Настоящее время характеризуется высоткой мобильностью. Беспроводные технологии позволяют организовывать
обмен информацией с мобильными устройствами с очень
высоким качеством связи и с очень высокой скоростью.
Это было обеспечено высокой потребностью общества
в подобных технологиях и взрывным ростом микроэлектроники и предшествующим этому этапу фундаментальных исследований, направленных на борьбу с извечными проблемами радиосвязи – замираниями и высоким уровнем помех.
Для специалистов в области телекоммуникаций, и в
первую очередь специалистов из радиосвязи, были и будут
оставаться основными вопросы, связанные с формированием канальных сигналов, которые бы позволили передавать
наибольший объем информации.
Для систем с узкополосными сигналами – это частотномодулированные сигналы с минимальным сдвигом фаз. Для
широкополосных систем – формирование сигналов с характеристиками, близкими с шуму. Для систем четвертого поколения – это формирование сигналов по технологии
OFDM. Все эти вопросы нашли отражение в представленной методическом комплексе лабораторных работ.
Лабораторный практикум построен таким образом, что
большинство лабораторных работ является частью комплексных лабораторно-практических занятий. Это способствует не только знакомству студентов с методами и средствами измерений в системах передачи и выработке у них
навыков проведения самостоятельных экспериментальных
исследований
Перечень лабораторных работ, порядок их выполнения
и объем отводимого времени устанавливается графиком лабораторного практикума, составляемым для каждой специальности отдельно. Лабораторные работы выполняются
студентами дневной формы обучения.
4
Лабораторная работа №1
Цифровая частотная модуляция в системах связи с подвижными объектами
1 Цель работы
Изучение основ формирования модулированных сигналов в цифровых системах связи с подвижными объектами
на примере цифровой модуляции, частотной модуляции с
минимальным сдвигом (ММС) и гауссовой частотной модуляции с минимальным сдвигом (ГММС).
2 План работы
1. Постройте временные диаграммы модулированных
сигналов и соответствующие им спектры для последовательности символов:
 0000 0000;
 111 1111;
 1010 1010;
 1100 0011.
2. Зарисуйте временные диаграммы для модулированного сигнала для последовательности 1010 1010.
3. Постройте спектры и огибающие модулированных
сигналов для последовательностей, указанных в п. 1.
4. Зарисуйте на одном графике спектры модулированных сигналов для последовательности 1010 1010 при различных типах модуляции.
5. По спектрам, соответствующим сигналам 0000 0000
и 1111 1111, определите девиацию частоты для типов модуляции. По спектрам, полученным в п. 3, сделайте вывод о
влиянии типа модуляции на ширину спектра и мощности
боковых гармоник.
6. Зарисуйте огибающие для сигнала 1100 0011 на одном графике для различных типов модуляции.
5
7. Зарисуйте на одном графике спектры модулированных сигналов для последовательности 1100 0011 при различных типах модуляции.
8. Сделайте вывод о связи спектра и огибающей сигнала.
9. Зарисовать графики сглаженных сигналов для последовательности 1011 1100 0101 при различных значениях BT
= 1.0, 0.7, 0.5, 0.3.
10. Сделать вывод, как влияет параметр BT на форму
сигнала.
11. Зарисуйте на одном графике огибающие модулированных сигналов при BT=1,0, BT=0,3.
12. Зарисуйте на одном графике спектры модулированных сигналов при BT=1,0, BT=0,3.
13. Сделать вывод о связи параметра BT с формой
сглаженного сигнала, спектре модулированного сигнала и
его огибающей.
3 Литература
1. М.М. Маковеева, Ю.С. Шинаков – Системы связи с
подвижными объектами. Радио и связь, 2002 г, с. 440.
2. В.П. Ипатов, В. Орлов, И. Самойлов – Системы мобильной связи. Учебное пособие для ВУЗов. Горячая Линия
- Телеком, 2003, c. 272.
3. Г.П. Катунин, Г.В. Мамчев, В.П. Попантонопуло,
В.П. Шувалов - Телекоммуникационные системы и сети.
Том 2. Радиосвязь, радиовещание, телевидение. Горячая линия – Телеком 2004 г., с. 672
4 Подготовка к работе
1. Для подготовки к лабораторной работе и ее успешной защиты достаточно изучить приложения к настоящей
лабораторной работе (П. 1.1 – 1.3). Для более детального
изучения целесообразно обратиться к описаниям алгоритмов формирования модулированных сигналов в цифровых
6
системах связи, которые можно найти в предложенной литературе.
2. Изучение материала рационально строить в соответствии с приведенными ниже контрольными вопросами.
3. Подготовить бланк отчета по лабораторной работе,
требования к содержанию которого сформулированы в разделе 7.
5 Контрольные вопросы
1. Напишите формулы, описывающие физические процессы, соответствующие цифровой частотной модуляции,
частотной модуляции с минимальным сдвигом и гауссовой
частотной модуляции с минимальной модуляцией.
2. Нарисуйте структурные схемы формирования частотно-модулированных сигнлов.
3. При какой модуляции амплитуды боковых гармоник
будут самыми наименьшими. По какой причине?
4. Как влияет параметр BT на форму сигнала при
ГММС?
6 Содержание работы
Вся работа делиться на три части:
1) определение спектральных характеристик сигналов
различных видов частотной модуляции;
2) определение спектральных характеристик сигналов
ГММС при изменении параметров модуляции;
3) обработка результатов измерений.
6.1 Влияния частотной модуляции на спектральные характеристики канального сигнала
1. Выполнение работы производиться в программе
«Octave». Запустите программу «Octave» с использованием
ярлыка на рабочем столе или выполните «Пуск>Программы-> octave-gui» (см. рис. 1.1).
7
Рис. 1.1 –Запуск программы «Octave»
2. В результате откроется окно (рис. 1.2). В центре на
черном фоне расположена командная строка, позволяющая
выполнять команды. Справа (выделено красным овалом)
располагается текстовая строка, в которой указывается текущая директория. Снизу под этой директорией располагается окно проводника, в котором показаны папки и файлы,
находящиеся в указанной директории.
8
Рис. 1.2 – Графический интерфейс программы «Octave»
3. Перейдите в директорию, где располагаются скрипты
для выполнения лабораторной работы. Введите в текстовое
поле, выделенное красным овалом (см. рис. 1.2), путь до
этой директории. Например: «D:\PS_labs\lb4\». В результате
должны быть отобразиться файлы как на рис. 1.3.
9
Рис. 1.3 – Скрипты для запуска
4. Выберите скрипт «lb4_01.m». Текст скрипта должен
отобразиться на экране (см. рис. 1.4).
Рис.1.4 – Выбор скрипта «lb4_01.m»
10
5. Постройте временные диаграммы модулированных
сигналов и соответствующие им спектры для последовательности символов. Для этого необходимо задавать две переменные (см. рис. 1.5):
 type_modulation;
 a.
Переменная type_modulation задает тип модуляции, и
может принимать значения:
 FM – бинарная частотная модуляция;
 MSK – частотная модуляция с минимальным частотным сдвигом;
 GMSK – гауссовая модуляция с минимальным частотным сдвигом;
Переменная a задает последовательность из 1 и 0, которые записываются в квадратных скобках, разделенных пробелами. В лабораторной работе исследуется 4-е последовательности:
 0000 000;
 1111 111;
 1010 1010;
 1100 0011.
Для удобства они присутствуют в скрипте, но 3 из 4 последовательностей закомментированы (см. рис. 1.5).
Рис. 1.5 – Тип модуляции (отмечено красным прямоугольником) и последовательность бит (отмечено синим прямоугольником)
11
6. Запустите скрипт, нажав на F5 или на . В результате
должно отобразиться окно (см. рис. 6). Сверху черным цветом выделены передаваемые биты, где 1 соответствуют импульсам с амплитудой +1, а 0 – с амплитудой –1.
Рис. 1.6 – Результат выполнения скрипта «lb4_01.m»
7. Постройте графики модулированных сигналов и соответствующих им спектров для всех последовательностей и
видов модуляций, изучаемых в данной лабораторной работе.
8. При выборе комбинаций 0000 0000 и 1111 1111, заметьте, что на спектре будет видна всего одна гармоника
(см. рис. 1.6). По данным графиков заполните табл. 1.1 и
определите девиацию частоты.
12
Комбинация
Частота, Гц
FM
MSK
GMSK
Табл. 1.1 – Определение девиации частоты
0000 0000 1111 1111
Девиация частоты, Гц
f | f1  f 2 |
f
f
9. Зарисуйте временные диаграммы для модулированных
сигнала для последовательности 1010 1010.
10. Постройте спектры и огибающие модулированных
сигналов для последовательностей:
 0000 0000;
 1111 1111;
 1010 1010;
 1100 0011.
Запустите скрипт «lb4_02.m». В нем необходимо только
изменение переменной a. На рис.1.7 представлен пример
запуска скрипта для последовательности 0000 0000. Сверху
черным цветом выделены передаваемые биты, где 1 соответствуют импульсам с амплитудой +1, а 0 – с амплитудой –
1, в центре показана огибающая модулированных сигналов,
а снизу – спектры сигналов.
13
Рис. 1.7 – Результат запуска скрипта «lb4_02.m»: график, отмеченный красным цветом соответствует FM, зеленый – MSK, синий – GMSK
11. Зарисуйте огибающие для сигнала 1100 0011 на одном
графике для различных типов модуляции.
12. Зарисуйте на одном графике спектры модулированных сигналов для последовательности 1100 0011 при различных типах модуляции.
13. Для более детального рассмотрения графиков воспользуйтесь инструментом «Zoom»
. Выделите область,
чтобы приблизить ее (см. рис. 1.8, 1.9). Чтобы восстановить
первоначальный масштаб, нажмите правой клавишей по
графику.
14
Рис. 1.8 – Использование инструмента «Zoom»
15
Рис. 1.9 – Увеличенный фрагмент графиков (в центре)
14. Сделайте вывод о связи спектра и огибающей сигнала.
6.2 Исследование GMSK
15. Зарисовать графики сглаженных сигналов для последовательности 1011 1100 0101 при различных значениях BT
= 1.0, 0.7, 0.5, 0.3. Для этого откройте скрипт «lb4_03.m»
(см. рис.1.10).
Рис. 1.10 – Последовательность бит (красный прямоугольник), параметр сглаживания (синий)
16
16. На рис. 1.11 показан результат выполнения скрипта
для параметра BT = 1.0. Запустите скрипт, меняя параметр
BT = 0.7, 0.5, 0.3. После каждого опыта зарисовывайте графики сигнала, прошедшего гауссовый фильтр.
Рис. 1.11 – Результат запуска скрипта «lb4_03.m»: на графике сверху – исходный сигнал (черным цветом), после гауссова фильтра (красным), на графике снизу показан спектр GMSK-сигнала
17. Сделайте вывод, каким образом параметр BT влияет
на форму сигнала.
18. Зарисуйте на одном графике огибающие модулированных сигналов при BT=1,0, BT=0,3. Зарисуйте на одном
графике спектры модулированных сигналов при BT=1,0,
BT=0,3.Для
этого
запустите
скрипт
«lb4_04.m»
(см. рис. 1.12).
17
Рис. 1.12 – Сверху – передаваемый сигнал, в центре – огибающая модулированного GMSK-сигнала, снизу – спектр модулированного сигнала, исходный
сигнал – черным, сигнал при BT=1.0 – красным, сигнал при BT=0.3 – синим
19. Сделать вывод о связи параметра BT с формой сглаженного сигнала, спектре модулированного сигнала и его
огибающей.
7 Содержание отчета
Отчет должен содержать:
1. Титульный лист с указанием номера и наименования
работы, ф.и.о. студента и номера группы.
2. Цель работы.
3. Временные диаграммы для модулированного сигнала для последовательности 1010 1010 и соответствующие
спектры модулированных сигналов
4. Графики огибающих сигнала для последовательности 1100 0011 на одном графике для различных типов моду18
ляции соответствующие спектры модулированных сигналов.
5. Графики сглаженных сигналов для последовательности 1011 1100 0101 при различных значениях BT = 1.0, 0.7,
0.5, 0.3
6. Графики огибающих модулированных сигналов при
BT=1,0, BT=0,3 и соответствующих им спектры для ГММС.
7. Выводы по проделанной лабораторной работе.
Приложение 1.1
Цифровая частотная модуляция
Двоичная частотная модуляция. При двоичной частотной модуляции частота несущего колебания с постоянной
амплитудой может иметь два возможных значения и изменяется скачками в соответствии со значениями модулирующего сигнала. В зависимости от того, каким образом изменения частоты вводятся в передаваемое высокочастотное
колебание, получающийся частотно-модулированный сигнал (ЧМ сигнал) будет иметь либо разрывную, либо непрерывно изменяющуюся мгновенную фазу между двумя соседними битами. В общем случае ЧМ сигнал можно представить следующим образом:
st   A cos2  f 0  f t  , 0  t  Tc при передаче «1».
st   A cos2  f 0  f t  , 0  t  Tc при передаче «0».
f 0 – номинальное значение частоты
f – девиация частоты, которое определяет смещение
частоты от ее номинального значения.
Очевидный способ формирования ЧМ сигнала состоит
в том, чтобы коммутировать выходные сигналы двух независимых генераторов двух гармонических колебаний в соответствии со значениями модулирующего сигнала. В этом
случае формируемый сигнал будет иметь разрывную фазу в
момент переключения, такие сигналы обычно называют ЧМ
сигналами с разрывной фазой.
19
Чтобы получить наиболее узкий спектр модулированного сигнала, необходимо чтобы в сигнале отсутствовали
резкие скачки (см. рис. П. 1.1.1).
Рис. П. 1.1.1 – Модулированные сигналы с резкими скачками
Этого можно добиться правильным выбором частоты
генераторов, так чтобы в течение периода передачи умещалось целое число колебаний:
 f 0  f Tc  k ,  f 0  f Tc  k  n ,
где k, n – целые положительные числа.
 f 0  f Tc   f 0  f Tc  k  n  k ,
2fTc  n ,
n
f 
,
2Tc
 f0  f Tc  k ,

n 
 f 0 
Tc  k ,
2
T
c 

n
f 0Tc   k ,
2
n
f 0Tc  k  .
2
Таким образом, должно выполняться два условия, чтобы формировать сигналы без разрывов траектории:
n
n

f

f 0Tc  k  ,
2Tc .
2
20
Пример 1. Пусть Tc = 0,05 с, f 0 = 60 Гц, тогда
n
f 0Tc  k  ,
2
0,05  60  k  0,5n ,
3  k  0,5n .
При k = 1, n = 4,
При k = 2, n = 2,
n
4
n
2
f 

 40 Гц,
f 

 20 Гц.
2Tc 2  0,05
2Tc 2  0,05
f1  f 0  f  60  40  100 Гц, f1  f 0  f  60  20  80 Гц,
f 2  f 0  f  60  40  20 Гц,
f 2  f 0  f  60  20  40 Гц,
На рис. П. 1.1.2 представлены графики ЧМ-сигналов с
указанными частотами.
Рис. П. 1.1.2 – ЧМ сигналы
Пример 1. Пусть Tc = 0,05 с, f 0 = 50 Гц, тогда
n
f 0Tc  k 
2
0,05  50  k  0,5n
2,5  k  0,5n
21
При k = 1, n = 3,
n
3
f 

 30 Гц,
2Tc 2  0,05
f1  f 0  f  50  30  80 Гц,
f 2  f 0  f  50  30  20 Гц,
При k = 2, n = 1,
n
1
f 

 10 Гц.
2Tc 2  0,05
f1  f 0  f  50  10  60 Гц,
f 2  f 0  f  50  10  40 Гц,
На рис. П. 1.1.3 представлены графики ЧМ-сигналов с
указанными частотами.
Рис. П. 1.1.3 – ЧМ сигналы
Приложение 1.2
Модуляция с минимальным частотным сдвигом
Одной из схем модуляции без разрыва фазы является
манипуляция с минимальным частотным сдвигом (MSK).
MSK можно рассматривать как частный случай частотной
манипуляции без разрыва фазы. Сигнал MSK можно представить следующим образом.
d 
 

st   cos2  f 0  k t  xk  , kT  t  k  1T
4T 
 

22
Здесь f 0 – несущая частота, d k  1 представляет би1
R

полярные данные, которые передаются со скоростью
,
T
а xk – это фазовая постоянная для k-го интервала передачи
двоичных данных. Отметим, что при d k  1 передаваемая
1
1
f

f

d


1
частота – это 0
, а при k
– это 0
.
4T
4T
В течение каждого Т-секундного интервала передачи
данных должно выполняться требование непрерывности
фазы сигнала в моменты t = kT. Это требование накладывает ограничение на фазу, которое можно представить следующим рекурсивным соотношением для xk .
k


xk   xk 1  d k 1  d k 
2


Выражение для s t  можно переписать в иной форме.
 t 
 t 
st   d I t cos  cos2f 0t   d Q t sin   sin 2f 0t 
 2T 
 2T 
Здесь d I t  и dQ t  имеют такой же смысл синфазного и
квадратурного потоков данных. Схема MSK, записанная в
таком виде, иногда называется MSK с предварительным кодированием. Графическое представление s t  дано на рис.
3.4.
На рис. П. 1.2.1 а) и в) показано синусоидальное взвешивание импульсов синфазного и квадратурного каналов,
здесь умножение на синусоиду дает более плавные переходы фазы, чем в исходном представлении данных.
На рис. П. 1.2.1 б) и г) показана модуляция ортогональных компонентов cos 2f 0t  и sin 2f 0t  синусоидальными
потоками данных.
23
На рис. П. 1.2.1 д) представлено суммирование ортогональных компонентов, изображенных на рис. П. 1.2.1 б) и
г).
Из выражения для s t  и рис. П. 1.2.1 можно заключить
следующее:
1) сигнал s t  имеет постоянную огибающую;
2) фаза радиочастотной несущей непрерывна при битовых переходах;
3) сигнал s t  можно рассматривать как сигнал с часто1
1
f

f

тами передачи 0
и 0
.
4T
4T
Таким образом, минимальное разнесение тонов, требуемое при модуляции MSK, можно записать следующим об1  
1  1

f


f





0
разом 0
, что равно половине ско4
T
4
T

 
 2T
рости передачи битов.
24
Рис. П. 1.2.1 – Манипуляция с минимальным сдвигом: а) модифицированный
синфазный поток битов; б) произведение синфазного потока битов и несущей; в) модифицированный квадратурный поток битов; г) произведение
квадратурного потока битов и несущей; д) сигнал MSK.
Функциональная схема устройства ММС сигнала представлена на рис. П 1.2.2.
25
Рис. П. 1.2.2 – Функциональная схема устройства ММС сигнала
Приложение 1.3
Гауссовская манипуляция с минимальным частотным
сдвигом (GMSK)
ФНЧ Гаусса задается импульсной характеристикой вида:
 2 2 BT 2 2 
BT 2
g t  
exp 
t .
2
T ln 2
ln
2

T


Часто на практике требуется использовать цифровой
КИХ фильтр Гаусса. Необходимо отметить, что импульсная
характеристика фильтра Гаусса (1) является бесконечной,
поэтому для использования КИХ фильтра необходимо продискретизировать g t  на ограниченном интервале времени.
Для расчета цифрового КИХ фильтра Гаусса необходимо задать границы дискретизации g t  от –kT до kT, где k
показывает какое количество импульсов цифровой информации должно учитываться при фильтрации. На практике,
как правило, выбирают k=3, т.е. учитывают 3 импульса до и
3 импульса после.
26
Для расчета КИХ фильтра можно считать коэффициен1

t

ты КИХ фильтра как g n   g t n  , t n  kT  n t ,
,
Fs
2kFs
Fs - частота дискретизации, тогда n = 0…N-1, N 
.
Br
Fs
 FsT показывает, сколько отсчетов
Отметим что
Br
КИХ фильтра Гаусса приходится на один импульс цифровой информации. Сделаем замечание, что частота дискретизации Fs должна быть больше Br , поскольку это частота
дискретизации, с которой происходит сглаживание исходного цифрового сигнала, и для сглаживания необходимо
чтобы на один импульс приходилось несколько отсчетов.
При этом необходимо ввести нормировку коэффициентов
КИХ фильтра согласно выражению:
g n 
g n   N 1
, n  0.. N  1
 g k 
k 0
Функциональная схема устройства GMSK сигнала
представлена на рис. П 1.3.1.
Рис. П. 1.3.1 – Структурная схема GMSK модулятора
27
Входной цифровой сигнал bt  нормируется по амплитуде и получается сигнал b0 t  с нулевым средним. После b0 t  подается на сглаживающий фильтр Гаусса G   ,
на выходе которого имеем сглаженный сигнал bg t  . Этот
сглаженный сигнал будет модулирующим сигналом частотного модулятора. Частота девиации при модуляции соответствует частоте девиации MSK   0,5  Br рад/с. В результате получим sGMSK t  на несущей частоте  0 .
Лабораторная работа №2
Технология передачи OFDM в системах связи с подвижными объектами
1 Цель работы
Изучение основ формирования и восстановления передаваемых сигналов в цифровых системах связи с подвижными объектами с использованием технологии OFDM, изучение связи спектральных характеристик OFDM-сигналов
от параметров системы: типа модуляции, частоты модулирующего колебания, количества модуляторов, количества
передаваемых символов, изучение влияния межсимвольной
интерференции на качество принимаемого сигнала.
2 План работы
1. Построить временные диаграммы и спектральные
характеристики сигналов, формируемых в OFDM-системе и
соответствующих им спектры для последовательности символов:
 0011 0011 0011 0011 0011 0011;
 0101 0101 0101 0101 0101 0101;
 1101 1011 1011 1000 1110 1000.
28
2. Записать комплексную форму символов, соответствующих QPSK-модуляции.
3. Сделать вывод о входном и выходном сигнале прошедшего через канал связи в отсутствии помех и ISIискажений.
4. Сделать вывод, почему на приемной стороне в
спектре сигнала появляется НЧ-составляющая спектра, позволяющая восстановить сигнал на приемной стороне
5. Заполните таблицу 1. Сделайте вывод, как тип модуляции влияет на спектр OFDM-сигнала.
6. Заполните таблицу 1. Сделайте вывод, как количество модуляторов в системе OFDM влияет на спектр
OFDM-сигнала и на центральную частоту передаваемого
сигнала.
7. Заполните таблицу 3. Сделайте вывод, как частота
модулирующего колебания в системе OFDM влияет на
спектр OFDM-сигнала и на центральную частоту передаваемого сигнала.
8. Заполните таблицу 4. Сделайте вывод, как меняется
спектр сигнала в зависимости от количества передаваемых
символов.
9. Заполните таблицу 5. Сделайте вывод, как влияет
параметры (задержка и амплитуда) ISI-искажений при двух
лучевом распространении сигнала.
3 Литература
1. М.М. Маковеева, Ю.С. Шинаков – Системы связи с
подвижными объектами. Радио и связь, 2002 г, с. 440.
2. В.П. Ипатов, В. Орлов, И. Самойлов – Системы мобильной связи. Учебное пособие для ВУЗов. Горячая Линия
- Телеком, 2003, c. 272.
3. Г.П. Катунин, Г.В. Мамчев, В.П. Попантонопуло,
В.П. Шувалов - Телекоммуникационные системы и сети.
Том 2. Радиосвязь, радиовещание, телевидение. Горячая линия – Телеком 2004 г., с. 672
29
4 Подготовка к работе
1. Для подготовки к лабораторной работе и ее успешной защиты достаточно изучить приложения к настоящей
лабораторной работе (П. 2.1 – 2.2). Для более детального
изучения целесообразно обратиться к описанию технологии
передачи данных, которые можно найти в предложенной
литературе.
2. Изучение материала рационально строить в соответствии с приведенными ниже контрольными вопросами.
3. Подготовить бланк отчета по лабораторной работе,
требования к содержанию которого сформулированы в разделе 7.
5 Контрольные вопросы
1. Нарисуйте структурную схему OFDM-системы передачи
2. Опишите процессы формирования сигнала на передаваемой стороне.
3. Опишите процессы формирования сигнала на приемной стороне.
4. Опишите преимущества и недостатки использования
OFDM-систем передачи.
6 Содержание работы
Вся работа делиться на три части:
1) Изучение физических процессов формирования
OFDM-сигналов.
2) Исследование характеристик OFDM-системы передачи.
3) обработка результатов измерений.
6.1 Формирование OFDM-сигнала и восстановление исходного сообщения на приемной стороне
1. Выполнения работы производиться в программе
«Octave». Запустите программу «Octave» с использованием
30
ярлыка на рабочем столе или выполните
>Программы-> octave-gui» (см. рис. 2.1).
«Пуск-
Рис. 2.1 – Запуск программы «Octave»
2. В результате откроется окно (рис. 2.2). В центре на
черном фоне расположена командная строка, позволяющая
выполнять команды. Справа (выделено красным овалом)
располагается текстовая строка, в которой указывается текущая директория. Снизу под этой директорией располагается окно проводника, в котором показаны папки и файлы,
находящиеся в указанной директории.
31
Рис. 2.2 – Графический интерфейс программы «Octave»
3. Перейдите в директорию, где располагаются скрипты для выполнения лабораторной работы. Введите в текстовое поле, выделенное красным овалом (см. рис. 2.2), путь до
этой директории. Например: «D:\PS_labs\lb5\». В результате
должны быть отобразиться файлы как на рис. 2.3.
32
Рис. 2.3 – Скрипты для запуска
4. Выберите скрипт «lb5_01.m». Текст скрипта должен
отобразиться на экране (см. рис. 2.4).
Рис. 2.4 – Выбор скрипта «lb5_01.m»
33
5. Постройте временные диаграммы и спектральные
характеристики сигналов, формируемых в OFDM-системе
для последовательностей символов:
 0011 0011 0011 0011 0011 0011;
 0101 0101 0101 0101 0101 0101;
 1101 1011 1011 1000 1110 1000.
Запишите исходную последовательность символов и
соответствующей ей комплексную форму (см. рис. 2.5).
Рис. 2.5 – Последовательность символов и комплексная формы выделена
красным прямоугольником
На рис. 2.6 представлены графики, отображающие процесс преобразования сигнала.
34
Рис. 2.6 – Графики, формируемые при запуске скрипта, отражающие процессы преобразования сигнала на передаче и на приеме
6. Обратите внимание на спектр сигнала в окнах, обозначенных как «Figure 6» «Figure 7», «Figure 8». Сделайте
вывод, каким образом становиться возможным восстановить сигнал на приемной стороне из принятого OFDMсигнала.
35
6.2 Определение характеристик OFDM-системы
7. Выберите скрипт «lb5_02.m». Определите зависимость
частотных характеристик OFDM-сигнала от типа модуляции и последовательности символов. Заполните табл. 2.1.
№
Табл. 2.1 – Зависимость ширины спектра
от вида сигнала и типа модуляции
Синал Комплексный сигнал Ширина спектра, Гц
QPSK
1
2
3
16QAM 64QAM QPSK
16QAM 64QAM
001100
110011
001100
110011
010101
010101
010101
010101
110110
111011
100011
101000
7. Для выбора типа модуляции необходимо выбрать
значение переменной typeModulation: QPSK, 16-QAM или
64-QAM (см. рис. 2.7):
36
Рис. 2.7 – Выбор типа модуляции
8. На рис. 2.8, 2.9 показан пример сигнала, соответствующего последовательности
1101 1011 1011 1000 1110 1000, для 64-QAM модуляции.
37
Рис. 2.8 – Исходная последовательность и комплексная форма модулированного сигнала (64-QAM)
Ширина спектра: 6 Гц
Рис. 2.9 – Определение ширины спектра OFDM-сигнала при использовании модуляции 64-QAM
38
9. По результатам заполнения табл. 2.1, сделайте выводы..
10. Выберите скрипт «lb5_03.m». Определите зависимость частотных характеристик OFDM-сигнала от количества модуляторов. Заполните табл. 2.2.
Табл. 2.2 – Зависимость частотных характеристик OFDMсигнал от количества модуляторов
№ Кол-во
Центральная часто- Ширина спектра, Гц
модуляторов та, Гц
QPSK
1
2
3
16QAM 64QAM QPSK
16QAM 64QAM
32
64
128
11. Для выбора количества модуляторов, необходимо
указать параметр FS(см. рис. 2.10)
39
Рис. 2.10 – Выбор количества модуляторов
12. На рис. 2.11 показан пример сигнала, соответствующего последовательности
1101 1011 1011 1000 1110 1000, для QPSK-модуляции при
FS=64.
40
Центральная частота:
64 Гц
Ширина спектра: 12 Гц
Рис. 2.11 – Определение ширины спектра OFDM-сигнала при использовании модуляции QPSK и при FS=64
13. По результатам заполнения табл. 2.2, сделайте выводы.
14. Выберите скрипт «lb5_04.m». Определите зависимость частотных характеристик OFDM-сигнала от частоты
модулирующего колебания. Заполните табл. 2.3.
Табл. 2.3 – Зависимость частотных характеристик OFDMсигнал от частоты модулирующего колебания
№ Частота
Центральная частота, Ширина спектра, Гц
модули- Гц
рующего
колебания
QPSK
1
2
3
16QAM
64QAM
1
2
5
41
QPSK
16QAM
64QAM
15. Для выбора количества модуляторов, необходимо
указать параметр kf (см. рис. 2.12)
Рис. 2.12 – Выбор частоты модулирующего колебания
16. По результатам заполнения табл. 2.3, сделайте выводы.
17. Выберите скрипт «lb5_05.m». Определите зависимость частотных характеристик OFDM-сигнала от частоты
модулирующего колебания. Заполните табл. 2.4.
42
Табл. 2.4 – Зависимость частотных характеристик OFDMсигнал количества передаваемых сигналов
№ Кол-во пере- Центральная
Ширина спектра,
даваемых
частота, Гц
Гц
сигналов
QPSK 64QAM
1
2
3
QPSK
64QAM
12
24
36
18. Для выбора количества передаваемых сигналов,
необходимо выбрать последовательность а (см. рис. 2.13).
Рис. 2.13 - Выбор количества передаваемых сигналов
19. По результатам заполнения табл. 2.4, сделайте выводы.
43
6.3 Влияние многолучевой интерференции на качество
принимаемого сигнала
20. Выберите скрипт «lb5_06.m». Определите зависимость параметров ISI-искажений на качество принимаемого сигнала. Заполните табл. 2.5.
Табл. 2.5 – Количество ошибочно принятых символов на
приеме в зависимости от параметров ISI
AISI 0,01
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,01
0,05
0,10
DealayISI
0,15
0,20
0,25
21. Для определения параметров ISI – задержки и амплитуды двулучевого распространения, необходимо определить параметры isi_delay, isi_amplitude (см. рис. 2.14).
44
Рис. 2.14 – Определение параметров ISI
22. На рис. 2.15-2.18 показаны примеры принятых символов при параметрах:
 AISI = 0,01, DealayISI = 0,10 (см. рис. 2.15, 2.16);
 AISI = 0,10, DealayISI = 0,40 (см. рис. 2.17, 2.18).
Из рис. 15-16 видно, что ISI-искажения не приводят к
ошибкам. На рис. 2.17-2.18 видно, что Сигнал на приеме
сильно отличаются от сигналов на передаче, что привело к
ошибке в одном символе.
45
Рис. 2.15 – OFDM-сигнал на передаче (сверху), OFDM-сигнал на приеме с
учетом ISI-искажений (по центру), наложенный друг на друга сигнал на приеме и на передаче (снизу) при AISI = 0,01, DealayISI = 0,10
Рис. 2.16 – Передаваемый сигнал (сверху), принятый сигнал (по центру),
разность принятого и переданного сигнала (снизу) при AISI = 0,01,
DealayISI = 0,10
46
Рис. 2.17 – OFDM-сигнал на передаче (сверху), OFDM-сигнал на приеме с
учетом ISI-искажений (по центру), наложенный друг на друга сигнал на приеме и на передаче (снизу) при AISI = 0,10, DealayISI = 0,40
Рис. 2.18 – Передаваемый сигнал (сверху), принятый сигнал (по центру), разность принятого и переданного сигнала (снизу) при AISI = 0,10,
DealayISI = 0,40
23. По результатам заполнения табл. 2.5, сделайте выводы.
47
7 Содержание отчета
Отчет должен содержать:
1. Титульный лист с указанием номера и наименования
работы, ф.и.о. студента и номера группы.
2. Цель работы.
3. Исходные символы и комплексную форму символов,
соответствующих QPSK-модуляции.
4. Таблицы 2.1, 2.2, 2.3, 2.4, 2.5. Выводы по каждой из
таблиц.
5. Выводы по проделанной лабораторной работе.
Приложение 2.1
Характеристика ОFDM-системы передачи
OFDM (англ. Orthogonal frequency-division multiplexing
– ортогональное частотное разделение каналов с мультиплексированием)
Это схема модуляции, использующая множество несущих. Канал делится на несколько поднесущих. В OFDM высокоскоростной поток данных конвертируется в несколько
параллельных битовых потоков меньшей скорости, каждый
из которых модулируется своей отдельной несущей. Все это
множество несущих передается одновременно.
Главное преимущество OFDM заключается в том, что
продолжительность символа в поднесущей значительно
больше в сравнении с задержкой распространения, чем в
традиционных схемах модуляции. Это делает OFDM гораздо устойчивее к межсимвольной интерференции (ISI,
intersymbol interference – Межсимвольная интерференция).
Ключевым принципом OFDM является использование
охранного интервала. Это возможно благодаря тому, что
продолжительность каждого символа достаточно велика.
Главным преимуществом является устойчивость к частотно-зависимому затуханию. Такой тип затухания может
оказывать очень негативное влияние при многолучевом
48
распространении сигнала, особенно если источник и приемник не находятся в прямой видимости. При OFDM модуляции данные распределяются между множеством вспомогательных несущих, поэтому информация пострадавшая в нескольких субканалах может быть восстановлена с помощью
корректирующих кодов.
OFDM-системы передачи используются в:
 ADSL (проводная передача данных);
 DVB-T;
 WiMAX;
 LTE.
Технической реализации OFDM не было долгое время,
поскольку решение задачи аналоговыми методами весьма
проблематично. С появлением быстрых вычислительных
систем задача была реализована с помощью цифровых методов обработки сигналов. В основе подхода лежит преобразование Фурье, а точнее алгоритм быстрого преобразования Фурье. Синтетическим методом создаётся спектр сигнала, из которого обратным быстрым преобразованием
Фурье (IFFT) получается аналоговый сигнал. Спектр такого
сигнала уже состоит из ортогональных поднесущих, этот
факт получается по определению преобразования Фурье. Об
этом также упоминалось выше. На рис. П.2.1.1 схематично
показана архитектура типового приёмника и передатчика
OFDM.
Непосредственное формирование сигнала после цифрового синтеза, который затем передаётся в антенну для излучения, происходит аналогично схеме QAM модуляции. В
отдельности формируются квадратурные сигналы как мнимая и реальная часть синтезируемого сложного сигнала, а
затем происходит его «сборка» и передача в антенну.
49
Рис. П2.1.1 – Структурная схема OFDM-системы передачи
Приложение 2.2
Преобразование сигнала в ОFDM-системе передачи
Преобразование сигнала покажем на примере простейшей
ОFDM-системы
передачи
с
двумя
QPSKмодуляторами, в которых модуляция цифрового сигнала
сводиться к преобразованию:
 00  –1–1j;
 01  –1+1j;
 10  +1–1j;
 11  +1+1j.
Пусть на вход системы поступает сигнал: a = [11 01]
(см. рис. П.2.2.2)
50
Рис. П.2.2.2 – Информационный сигнал
Сигнал разбивается на 2 параллельных потока (так как
модулятора в системе 2):
 11  +1+1j.
 01  –1+1j;
Для дальнейшего преобразования необходимы формулы прямого и обратного преобразования Фурье:
Прямое:
1
C n 
N
N 1

 xk   exp  
k 0
j 2kn 

N 
Обратное:
 j 2kn 
xk    C n  exp  

N


n 0
N 1
Два комплексных числа
 C 0  1  1 j ,
 C1  1  1 j
попадают на блок обратного преобразования Фурье:
 j 2kn  
 j 2  0  0  
 j 2  0  1 
x0   C n  exp  
  C 0  exp  
  C1 exp  

N 
2
2





n 0
 C 0  C1  1  1 j  1  1 j  0  2 j
N 1
 j 2kn  
 j 2  1  0  
 j 2  1  1 
x1   C n  exp  
  C 0  exp  
  C1 exp  

N 
2
2





n 0
 C  C  1  1 j   1  1 j   2  0 j
N 1
0
1
51
Формируем вектор: x0 x1  0  2 j 2  0 j  ,
 Re x0 x1  0 2 поступает на АЦП и затем перемножается с гармонической функцией sin 2ft  (см.рис.
П.2.2.3);
 Im x0 x1  2 0 поступает на АЦП и затем перемножается с гармонической функцией cos2ft  (см.рис.
П.2.2.3).
а
б
Рис. см.рис. П.2.2.3 – Сигнал после ОДПФ и АЦП:
а (сверху) – Re x0 x1 , а (снизу) – Im x0 x1 ,
б (сверху) – fАЦП[Re x0 x1 ]· sin 2ft  , б (снизу) – fАЦП
[Im x0 x1 ]· cos2ft 
Суммарный сигнал колебаний представляет собой
OFDM-сигнал, который поступает на антенну и излучается
в открытое пространство (см. рис. П2.2.4). Обозначим
fRe(t)= fАЦП[Re x0 x1 ]· sin 2ft  ,
fIm(t)= fАЦП[Im x0 x1 ]· cos2ft  .
Тогда OFDM-сигнал:
fOFDM(t) = fRe(t) + fIm(t).
52
Рис. П.2.2.4 – OFDM-сигнал и его спектр
Принятый OFDM-сигнал поступает параллельно на
блоки перемножителей с гармоническими функциями
sin 2ft  , cos2ft  (см. рис. П.2.2.5), после чего поступают на
блоки ФНЧ, которые играют роль интеграторов, выделяя
исходный низкочастотный сигнал (см. рис. П.2.2.6).
а
б
Рис. П.2.2.5 – Сигналы и их спектры на выходе перемножителей:
f OFDM t sin 2ft  (а), f OFDM t cos2ft  (б)
53
Рис. П.2.2.6 – Сигналы после ФНЧ
Рассмотрим данный процессы, происходящие в ветке с
умножением на функцию sin 2ft  с математической точки
зрения:
T
f
T
OFDM
0
t sin 2ft dt    f Re t  
f Im t sin 2ft dt 
0
   f АЦП t Re  x0  x1sin 2ft   f АЦП t Im x0  x1cos2ft  sin 2ft dt 
T
0
T
  f АЦП t Re  x0  x1sin 2ft sin 2ft dt 
0
T
  f АЦП t Im x0  x1cos2ft sin 2ft dt 
0
f АЦП t Re  x0  x1
2
T – это период следования OFDM-сигнала. В течение
периода укладывается целое число периодов частоты f.
Аналогично рассматривается ветка, где OFDM-сигнал
перемножается на cos2ft  .
Как можно видеть из формулы, OFDM-сигнал после
перемножения и прохождения через ФНЧ вдвое уменьшается, поэтому перед тем как проводить дискретизацию, амплитуду сигнала повышают в два раза.
Полученные сигналы, поступают на ЦАП (см. рис.
П.2.2.7), формируя дискретные последовательности:
54
Рис. П.2.2.7 – Формирование дискретных последовательностей (ЦАП)
Как видно из временных диаграмм, дискретные сигналы на приеме соответствуют сигналам на передаче:
Rex0 x1  0 2
Imx0 x1  2 0
Соответственно:
x0  Rex0  j  Imx0  0  2 j
x1  Rex1  j  Imx1  2  0 j
Находим прямое преобразование Фурье:
1
C n 
N
N 1

 xk   exp  
k 0
j 2kn 

N 
1
 j 2  0  0 
 j 2  0  1   x0   x1
C 0   x0   exp  

  x1  exp  
  
2
2
2
2




02j20j

 11j
2
1
 j 2  1  0 
 j 2  1  1   x0   x1
C 1   x0   exp  

  x1  exp  
  
2
2
2
2




02j20j

 1  1 j
2
C 0  1  1 j
C  1  1 j
1
55
Последовательность C 0  1  1 j соответствует сигналу
[11]
Последовательность C1  1  1 j соответствует сигналу
[01]
Таким образом, после объединения получаем: [11 01],
который совпадает с передаваемым сигналом (см. рис.
П.2.2.8)
Рис. П.2.2.8 – Передаваемый сигнал (сверху), принятый сигнал (в центре),
разность между сигналами (снизу)
56
Лабораторная работа №3
Исследование характеристик системы с кодовым разделением каналов и rake-приемника
1 Цель работы
Изучение принципов работы системы с кодовым разделением каналов и rake-приемника. Лабораторная работа
включает знакомство с принципами формирования сигналов с кодовым разделением, спектральными характеристиками формируемых сигналов, определение характеристик
rake-приемника от псевдослучайных последовательностей.
2 План работы
1. Постройте временные диаграммы модулированных
сигналов и соответствующие им спектры для расширяющих
последовательностей различной длины.
2. Заполните таблицу измерений 3.1 3.2., и по полученным измерениям постройте график зависимости ширины
спектра модулированных сигналов
3. Сделать вывод, как влияет длина расширяющей последовательности и длительность информационного символа на ширину спектра модулированных сигналов.
4. Заполните таблицу измерений 3.3 3.4, и по полученным измерениям постройте график зависимости точности
оценки импульсной характеристики канала от длины расширяющей последовательности и задержки.
5. Сделать вывод, как влияет длины расширяющей последовательности и задержки на точность оценки импульсной характеристики канала.
3 Литература
1. М.М. Маковеева, Ю.С. Шинаков – Системы связи с
подвижными объектами. Радио и связь, 2002 г, с. 440.
57
2. В.П. Ипатов, В. Орлов, И. Самойлов – Системы мобильной связи. Учебное пособие для ВУЗов. Горячая Линия
- Телеком, 2003, c. 272.
3. Г.П. Катунин, Г.В. Мамчев, В.П. Попантонопуло,
В.П. Шувалов - Телекоммуникационные системы и сети.
Том 2. Радиосвязь, радиовещание, телевидение. Горячая линия – Телеком 2004 г., с. 672
3 Подготовка к работе
1. Для подготовки к лабораторной работе и ее успешной защиты достаточно изучить приложения к настоящей
лабораторной работе (П. 3.1 – 3.2). Для более детального
изучения целесообразно обратиться к описаниям технологии передачи данных, которые можно найти в предложенной литературе.
2. Изучение материала рационально строить в соответствии с приведенными ниже контрольными вопросами.
3. Подготовить бланк отчета по лабораторной работе,
требования к содержанию которого сформулированы в разделе 7.
4 Контрольные вопросы
1. Опишите принципы построение радиосвязи на основе технологии CDMA.
2. Как происходит формирование широкополосных
сигналов, нарисуйте временные диаграммы формирования
сигналов, в чем их преимущество перед узкополосными
сигналами?
3. Чем с военной точки зрения привлекательна передача сигналов по технологии CDMA.
4. Напишите формулы для расчета автокорряционных и
взаимных корреляционных функций. Приведите графики
корреляционных функций для двух псевдослучайных функций.
5. Что такое многолучевость? Как она влияет на качество принимаемого сигнала?
58
6. Что такое Rake-приемник? Кем и когда он был разработан, и для каких целей он используется?
7. Нарисуйте структурную схему Rake-приемника.
8. Приведите временные диаграммы формирования
сигнала CDMA от нескольких абонентов и покажите, каким
образом происходит разделение сигналов о коду.
9. Что такое выигрыш в отношении сигнал/шум?
10. Приведите расчет энергетического выигрыша при
использовании системы WCDMA по сравнению с GSM.
6 Содержание работы
Вся работа делиться на три части:
1) исследование спектральных характеристик системы
связи с кодовым разделением каналов;
2) исследование rake-приемника;
3) обработка результатов измерений.
6.1 Исследование влияния длины псевдослучайной последовательности и длительности информационного
символа на спектральные характеристики канальных
сигналов
1. Выполнения работы производиться в программе
«Octave». Запустите программу «Octave» с использованием
ярлыка на рабочем столе или выполните «Пуск>Программы-> octave-gui» (см. рис. 3.1).
59
Рис. 3.1 – Запуск программы «Octave»
2. В результате откроется окно (рис. 3.2). В центре на
черном фоне расположена командная строка, позволяющая
выполнять команды. Справа (выделено красным овалом)
располагается текстовая строка, в которой указывается текущая директория. Снизу под этой директорией располагается окно проводника, в котором показаны папки и файлы,
находящиеся в указанной директории.
60
Рис. 3.2 – Графический интерфейс программы «Octave»
3. Перейдите в директорию, где располагаются скрипты для выполнения лабораторной работы. Введите в текстовое поле, выделенное красным овалом (см. рис. 3.2), путь до
этой директории. Например: «D:\PS_labs\DO\lb3\». В результате должны быть отобразиться файлы как на рис. 3.3.
61
Рис. 3.3 – Скрипты для запуска
4. Выберите скрипт «lb3_01.m». Текст скрипта должен
отобразиться на экране (см. рис. 3.4).
Рис. 3.4 – Выбор скрипта «lb3_01.m»
5. Установите параметр Tc (длительность информационного символа) равным 0.1 (см. рис. 3.5). Меняя параметр
N (длина расширяющей последовательности) (см. рис. 3.5) в
соответствии с табл. 1. Определите полосу частот, необхо62
димую для передачи канального сигнала (сигнала после
расширения) (см. рис. 3.6, 3.7).
Рис. 3.5 – Изменение параметров
полоса частот: 1000 Гц
Рис. 3.6 – Определение полосы частот канального сигнала для N = 100
63
полоса частот: 500 Гц
Рис. 3.7 – Определение полосы частот канального сигнала для N = 50
N
1
20
Табл. 3.1 – Полоса частот канального сигнала
30 40 50 70 80 100 120 140 160
f ,
Гц
6. Постройте график зависимости f (N). Сделайте вывод.
7. Установите параметр N (длина расширяющей последовательности) равным 100. Меняя параметр Tc (длительность информационного символа) (см. рис. 3.5) в соответствии с табл. 2, определите полосу частот, необходимую для
передачи канального сигнала (сигнала после расширения).
Tc
Табл. 3.2 – Полоса частот канального сигнала
0,05 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
f ,
Гц
64
8. Постройте график зависимости f (Tc). Сделайте вывод.
6.2. Исследование влияния псевдослучайной последовательности и задержки распространения на качество
работы Rake-приемника
9. Запустите скрипт " lb3_02.m".
10. Установите параметр G (импульсную характеристику канала) равной "1". Установите параметр delay (задержки сигнала) равным 0. Меняя параметр N (длина расширяющей последовательности) (см. рис. 3.8) в соответствии с табл. 3.3. На рис. 3.9 показана оценка импульсной
характеристики Rake-приемника (синим) и действительная
импульсная характеристика (красным). Определите точность оценки импульсной характеристики канала (estimate
accuracy) (см. рис. 3.10).
Повторите все те же самые действия для G = [1 0,8] и G
= [1 0,8 -0,6] (см. табл. 3.3).
Рис. 3.8 – Изменение параметров
65
Рис. 3.9 – Оценка импульсной характеристики канала с использованием
Rake-приемника: красным – действительная импульсная характеристика, синим – оценка с использованием rake-приемника
Рис. 3.10 – Точность оценки
№
G
1
2
3
Табл. 3.3 – Точность оценки импульсной
характеристики канала
N
32
64
96
128 160 192 224 256
[1]
[1 0,8]
[1 0,8-0,6]
66
11. Постройте графики зависимости точность оценки
импульсной характеристики канала от N.
Сделайте вывод.
12. Установите параметр G (импульсную характеристику канала) равной [1]. Установите параметр N (длина
расширяющей последовательности) равным 256. Меняя параметр delay (задержки сигнала) (см. рис. 8) в соответствии
с табл. 4. Определите точность оценки импульсной характеристики канала (estimate accuracy) (см. рис. 10).
Повторите все те же самые действия для G = [1 0,8] и G
= [1 0,8 -0,6] (см. табл. 3.4).
№
G
1
2
3
Табл. 3.4 – Точность оценки импульсной
характеристики канала
delay
0
4
8
12
16
20
24
28
[1]
[1 0,8]
[1 0,8 -0,6]
13. Постройте графики зависимости точность оценки
импульсной характеристики канала от delay.
Сделайте вывод.
7 Содержание отчета
Отчет должен содержать:
1. Титульный лист с указанием номера и наименования
работы, ф.и.о. студента и номера группы.
2. Цель работы.
3. Таблицы 3.1,3.2, 3.3, 3.4 с результатами измерений.
4. Графики согласно таблицам измерений.
5. Выводы по полученным результатам.
67
Приложение 3.1
Теоретические основы формирования сигнала CDMA
В основе технологии с кодовым разделением каналов
(CDMA) лежит широкополосная модуляция. Основные преимущества CDMA заключаются в следующем:
1. при одновременной работе несколько абонентов в
одной и той же полосе частот их взаимное влияние является
незначительным.
2. Высокая помехозащищенность в условиях мощных
импульсных (узкополосных) помех, так как такая помеха
поражает только часть спектра полезного сигнала, и ее
можно подавить фильтром, при этом остальная часть спектра полезного сигнала будет сохранена.
3. Существенным преимуществом является отсутствие
необходимости решать проблему распределения частот
между различными абонентами, так как все абоненты работают в одной и той же полосе частот.
4. Полезное свойство – это сохранение работоспособности в условиях многолучевого распространения. Однако,
в CDMA, также как и в GSM, используют методы оценки
ИХ, чтобы повысить качество связи.
Псевдослучайные последовательности формируются
аналогично тому, как это делается для скремблирования.
В табл. П.3.1.1. указаны значения коэффициентов многочленов, которые используются для генерации псевдослучайные последовательности с максимальной длиной m=7.
Номер
многочлена c
1
1
2
1
3
1
0
Табл. П.3.1.1 – Многочлены для псевдослучайных
последовательностей
Значения коэффициентов характеристических
многочленов
c1
c2
c3
c4
c5
c6
c7
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
0
0
1
1
0
1
1
1
1
68
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
0
0
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
1
1
0
0
1
1
1
1
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
0
0
1
1
0
0
1
1
0
0
1
1
1
0
1
0
1
1
1
0
1
0
0
0
1
0
0
1
0
1
1
0
0
1
0
0
0
1
1
1
0
1
1
0
0
1
1
0
1
0
1
1
0
0
1
0
1
0
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
На основе псевдослучайных последовательностей формируют псевдослучайные сигналы. На рис. П.3.1.1 показаны основные операции при расширении и сжатии спектра
системы DS-CDMA. Наиболее простой способ расширения
– это умножение информационного сигнала на псевдослучайную последовательность.
69
Рис. П.3.1.1– Расширение и сжатие в DS-CDMA
В данном примере данные пользователя представляют
собой битовую последовательность с двухпозиционной фазовой манипуляцией (BPSK), передаваемую со скоростью
R, где биты данных пользователя имеют значения ±1. Операция расширения в этом примере - это умножение каждого
бита данных пользователя на последовательность из 8 кодовых битов, называемых чипами.
Модуляции расширения также использует BPSK (импульсы с амплитудой ±1). Мы видим, что полученные в результате расширения данные передаются со скоростью 8 R
и имеют такой же случайный (шумоподобный) вид, что и
код расширения. В этом случае можно сказать, что мы использовали коэффициент расширения равный 8. Затем этот
широкополосный сигнал передается по беспроводному каналу на приемный конец.
70
При сжатии мы умножаем расширенные данные пользователя/последовательность чипов, бит за битом на те же
самые 8 кодовых чипов, которые использовали во время
расширения этих битов. Как показано на рис. 6.1, исходная
битовая последовательность пользователя отлично восстанавливается при условии, что мы имеем также точную синхронизацию расширенного сигнала пользователя и точную
копию кода расширения (сжатия).
Умножение скорости передачи сигналов на коэффициент 8 соответствует расширению (на коэффициент 8) занимаемого спектра частот расширенным сигналом данных
пользователя. Благодаря этому достоинству системы CDMA
чаще называют системами с расширенным спектром. Сжатие восстанавливает ширину полосы частот пропорционально R сигнала.
Процедуру расширения можно описать следующим образом:
N
pt    a k  qt  k 0  .
k 1
А результат умножения st   pt  дает передаваемый
сигнал.
a k , k  1,2..N - символы псевдослучайных последовательностей, принимающих значения –1 и +1;
qt  - форма элементарного символа псевдослучайного
сигнала
На рис. П.3.1.2 и П.3.1.3 представлены примеры нормированных графиков нормированных автокорреляционных и взаимной корреляционной функций псевдослучайных
сигналов, сформированных на основе псевдослучайных последовательностей.
Tc
1
Rii 
 pi t  pi t   dt , Rij 
Ei 0
71
1
Ei E j
Tc
  pi t  p j t   dt
0
Tc
Ei 
 p t dt
2
i
0
Рис. П.3.1.2 – Автокорреляционные функции двух псевдослучайных
сигналов, формируемых на основе M-последовательностей (m=7, N=127)
Рис. П.3.1.3– Взаимная корреляционная функция двух псевдослучайных сигналов, формируемых на основе M-последовательностей
Принцип действия корреляционного приемника для
CDMA показан на рис. 14. Верхняя половина рисунка показывает прием полезного собственного сигнала. Как и на рис.
14, здесь мы видим операцию сжатия при идеально синхронизированном коде. Затем корреляционный приемник интегрирует (т.е. суммирует) получающиеся произведения (данные код) для каждого бита пользователя.
72
Рис. П.3.1.4 – Принцип действия корреляционного приемника CDMA
Нижняя половина рис. П.3.1.4 демонстрирует влияние
операции по сжатию, когда оно относится к сигналу CDMA
другого пользователя, сигнал которого, как полагают, был
расширен с использованием другого кода расширения. Результат умножения сигнала помехи на собственный код и
интеграция получающихся произведений приводят к тому,
что значения сигнала помехи оказываются близкими к 0.
Как можно видеть, амплитуда собственного сигнала увеличивается в среднем на коэффициент расширения 8 относительно амплитуды сигнала пользователя другой создающей
помехи системы, т.е. корреляционный прием позволил увеличить полезный сигнал на коэффициент расширения, в
данном случае в 8 раз, по сравнению с сигналом помехи,
73
присутствующем в системе CDMA. Этот эффект называется
"выигрышем в отношении сигнал/шум при обработке сигнала" и является фундаментальным показателем для всех
систем CDMA и вообще для всех систем с расширенным
спектром. Выигрыш в отношении сигнал/шум при обработке сигнала - это то, что делает системы CDMA робастными
в отношении внутренней интерференции, а это необходимо
для повторного использования имеющихся несущих с частотой 5 МГц на географически близких расстояниях.
Важно понять, что само по себе расширение/сжатие не
обеспечивает какого-либо улучшения сигнала для беспроводных применений, В самом деле, выигрыш в отношении
сигнал/помеха при обработке получается за счет увеличенной ширины полосы частот при передаче (умноженной на
величину выигрыша при обработке).
Все преимущества CDMA идут скорее "через заднюю
дверь" мимо широкополосных качеств сигнала при рассмотрении на системном уровне, а не на уровне отдельного
радиоканала:
1. Выигрыш в отношении сигнал/помеха в совокупности с широкополосным характером сигнала предполагает возможность полного повторного использования частоты, коэффициент повтора равен 1, в различных сотовых ячейках беспроводной системы (т.е.
частота повторно используется в каждой ячейке/секторе). Это свойство может использоваться для
получения высокой эффективности использования
спектра.
2. Совместное использование многими пользователями
одной и той же широкополосной несущей для их
связи обеспечивает разнесение по помехам, т.е. помехи при множественном доступе от многочисленных пользователей системы усредняются, и это снова приводит к повышению пропускной способности
по сравнению с системами, где при планировании
74
необходимо ориентироваться на помехи для худшего
случая.
3. При использовании широкополосного сигнала различные пути распространения беспроводного радиосигнала могут получать разрешение с более высокой
точностью, чем сигналы с более узкой шириной полосы. Это ведет к получению более разнообразных
возможностей борьбы с замираниями и, тем самым, к
улучшению рабочих характеристик.
Приложение 3.2
Rake-приемник
На рис. П.3.1.5 изображен сигнал, искаженный многолучевым каналом (на рис П.3.1.5 а, а показаны три сигнала,
пришедшие по различным лучам), подается на согласованный фильтр, и, если сигнал синтезирован грамотно, на выходе фильтра наблюдаются разрешенные компоненты в виде острых неперекрывающихся пиков (рис. П.3.1.5 б). Последняя эпюра напоминает садовые грабли (по-английски
rаке), что и определило наименование устройства, осуществляющего мгоголучевое разнесение – "RAKEприемник".
а
б
Рис. П.3.1.5 – Разделение сигналов при многолучевом разнесении
75
RAKE-приемник был разработан Прайсом и Грином
еще в 1958 г., однако внедрение подобной технологии в
коммерческих масштабах стало возможным сравнительно
недавно. При этом, как правило, вместо согласованных
фильтров используются эквивалентные им, но технически
более простые параллельные корреляторы с числом каналов, равным количеству разделяемых лучей.
На рис. П.3.1.6 приведена структура М-канального
RAKE-приемника. Принимаемое колебание r t  поступает
на М параллельных корреляторов, на вторые входы которых
подаются местные опоры st   1 , st   2 ,...st   M  представляющие собой копии переданного сигнала с временными
сдвигами  i , i = 1,2, ... М равными предсказанным задержкам многолучевых компонент. На выходе каждого коррелятора формируется отсчет отклика на соответствующую
компоненту входного сигнала (при безошибочном предсказании задержки точно совпадающий с реакцией согласованного фильтра в нужный момент). Далее полученные отсчеты поступают на устройство комбинирования, действующее
в соответствии с одной из ранее рассмотренных процедур.
Рис. П.3.1.6 – Структура RAKE-приемника
76