METHODS SPECTRAL EFFICIENCY IMPROVEMENT OF THE OFDM SYSTEM IN DIGITAL BROADCASTING NETWORKS

Full Text

Технология ортогонального частотного мультиплексирования (OFDM - Orthogonal Frequency Division Multiplex) привлекла обширный объем исследований и технических решений и, как следствие, была использована в различных системах передачи данных и цифрового телерадиовещания (IEEE 802.11ac. DVB, DRM, DAB, DAB+, DMB, HD Radio, РАВИС и др.). Основным преимуществом OFDM является его способность противостоять эффектам многолучевого замирания. При этом достигается улучшенная спектральная эффективность. Однако используемые в OFDM ортогональные поднесущие с прямоугольной формой модулирующего импульса или «приподнятого косинуса» не позволяют бороться в достаточной степени с такими негативными эффектами как межсимвольная и межканальная интерференция, интерференция по соседнему каналу, временное смещение символов и смещение поднесущих частот, внеполосное излучение. Для компенсации этих явлений используются различные типы защитных интервалов и виртуальные поднесущие, а также увеличение количества поднесущих частот, снижающие полезную скорость передачи данных и производительность сети. Однако существуют методы, позволяющие без повышения вычислительной сложности алгоритмов приема и передачи дополнительно снизить негативные факторы, ухудшающие работу системы OFDM. На передающей стороне дополнительно вводятся блоки обработки цифровых данных на основе оконных функций, позволяющих произвести спектральный анализ на ограниченном интервале времени, повысить эффективность работы и получить технологический запас на реализацию более сложной системы в целом. В связи с этим разработка методов повышения эффективности использования технологии OFDM, которые не добавляют вычислительной сложности в алгоритмы обработки сигналов на передающей стороне при сохранении ортогональности поднесущих частот является актуальной научно-технической задачей. Решение поставленной задачи Для решения поставленной задачи была разработана схема, выполняющая оконную обработку сигнала. Данная схема представлена на рис. 1. На передающей части символ OFDM, после ОБПФ циклически расширяется, и, затем, применяется оконная функция, таким образом, чтобы она затрагивала только защитную часть символа - защитный интервал (CP), а оригинальная часть остается неизменной. Основная цель оконной функции в передатчике в том, чтобы сделать спектр резко идущим вниз. Оконная функция делает амплитуду символа OFDM плавно переходящим к нулю на границах символа. С другой стороны, если оконная функция не используется, то спектр внеполосных сигналов уменьшается довольно медленно из-за резкого фазового перехода на границах символа, что может приводить к внеполосному излучению на смежных полосах частот, которое приводит к нарушению электромагнитной совместимости с другими системами передачи и возникновению интерференции по соседнему каналу (ACI - Adjacent Channel Interference). Рис.1. Структурная схема передатчика OFDM Увеличение крутизны спада (спектральной плотности мощности (СПМ) может привести к увеличению символьной скорости системы за счет более крутого спада спектральных составляющих на границе, а также сглаживанию временных переходов между активным интервалом предыдущего символа и защитным интервалом последующего символа. При этом возникают разрывы функций, которые в ограниченном по полосе пропускания канале преобразуются в переходные процессы, искажающие сигналы защитных интервалов, что приведет к уменьшению межсимвольной интерференции (ISI) и повысит крутизну спектра группового сигнала, и к более эффективному использованию отведенной маски частот. Это уменьшит также влияние межканальной интерференции (ICI) за счет локализации отсчетов FFT. Функция оконного косинуса была применена в IEEE 802.11 WLAN и IEEE 802.16 WMAN [1]. Важнейшим и необходимым для функции формирования импульса условием является то, что преобразование Фурье импульса р(t) должно иметь спектральные нули на частотах ±1/Тsub, ±2/Tsub, ..., для обеспечения ортогональности поднесущих. Импульсные формы, которые полностью соответствуют этим требованиям, называются импульсами Найквиста [2-5]. Большинство данных оконных функций использовались на приемной стороне для подавления ICI. В качестве дальнейшего развития и для получения новых результатов на передающей стороне предлагается оптимизировать оконную функцию BTRC - OBTRC и MBH, где используются дополнительные параметры для управления формой спектра. Импульсную характеристику OBTRC можно выразить как (1) где α - коэффициент скругления спектра, n - порядок рекурсивного фильтра, который определяет различные типы импульсов, а постоянная, определяемая как . (2) Далее предлагается решить эту же задачу на основе другой оконной функции - MBH. Для применения этой формы импульса в системе OFDM, семейство оконной функции должно быть дополнено условием и иметь вид: (3) Преобразование Фурье окна предлагаемого семейства при Т = 1 выражается как Параметры β и α, которые являются параметром формы окна и коэффициентом скругления, определяют форму окна и его производительность в системе OFDM. Для оценки предложенного метода повышения эффективности использования спектра проведено имитационное моделирование в пакете MATLAB режима работы OFDM для стандарта DVB-T2 и DRM+. Для этого из [6], [7], были выбраны параметры системы, представленные в таблица 1 и задающие режим передачи OFDM. Таблица 1. Технические характеристики режимов вещания DVB-T2 и DRM+ Технические характеристики системы телерадиовещания DRM+ Режим Е DVB-T2 Режим 1К Полоса частот 95 кГц 7,61 МГц Число поднесущих 213 853 Частотный разнос поднесущих 444,44 Гц 8929 Гц Длительность символа OFDM 2,25 мс 112 мкс Длительность защитного интервала 0,25 мс 28 мкс Общая длительность символа OFDM 2,5 мс 140 мкс Для оценки работоспособности разработанного метода выбираются и описываются критерии эффективности. Основным критерием для оценки, связанным с формированием сигнала в системах OFDM - это мощность передачи вне полосы (OOB) на передатчике. Для оценки эффективности предлагается использовать три критерия: - уровень внеполосного излучения, относительно отведенной маски частот; - ширина СПМ группового сигнала по маске на уровне первого перегиба и, как следствие, оценка эффективности использования спектра. - снижение уровня межсимвольных искажений за счет плавного перехода между защитным интервалом и полезной частью символа, выражающийся в искажении спектральных составляющих группового сигнала, вызванным переходным процессом. Для получения численных показателей используются Рекомендации МСЭ [8-9]. Для оценки по первому критерию проведено сравнение излучения за пределами необходимой ширины полосы. В имитационной модели проводится сравнение уровней внеполосного излучения в области ООВ СПМ группового сигнала для оптимизируемых форм импульса с СПМ группового сигнала обработанных прямоугольным окном. Для оценки по второму критерию проведено сравнение коэффициента эффективности использования спектра на основе относительной спектральной эффективности (RSE), которая служит для сравнения спектральной эффективности двух подобных типов радиосистем, обеспечивающих одну и ту же службу. В работе проводится сравнение занимаемой полосы для оптимизируемых форм импульсов. В качестве стандартной взята система, использующая преобразование прямоугольным окном. Кроме того, проводится сравнение крутизны спада СПМ группового сигнала для оптимизированных форм импульса со стандартным. Результат приводится в процентном соотношении для каждого сравнения. Для оценки по третьему критерию проведено имитационное моделирование с целью обработки группы символов OFDM оконной функцией, состоящего из защитного интервала и полезной части. Часть защитного интервала символов сглажена оконными функциями. Далее проводится сравнение частотных характеристик, исследуемых поднесущих. Оценка полученных результатов В первую очередь оценивается уровень внеполосного излучения для предложенных оконных функций. По первому критерию оценка будет производиться следующим образом: для оценки уровня внеполосного излучения проводится интегрирование СПМ в частотной области, за пределами выделенной маски частот для стандартной системы и системы с оконным преобразованием MBH и OBTRC. Сравниваемые области OOB для режима DVB-T2 1K и DRM+ проиллюстрированы на рис. 2 и рис. 3 соответственно. Далее приводится оценка эффективности использования спектра для предложенных оконных функций. Оценка эффективности использования спектра приводится на основе сравнения ширины полосы частот стандартной системы и системы с оконным преобразованием. Сравнение происходит на уровне первой точке перегиба для систем DVB-T2 и DRM+. Сравниваемые участки проиллюстрированы на рис. 2-3. По полученным данным производится анализ и строятся зависимости, приведенные на рис. 4-7. На основе данного анализа сделаны выводы о рациональности использования предложенного метода в качестве технического решения для повышения спектральной эффективности и уменьшения уровня внеполосных составляющих. Из анализа сделаны выводы об оптимальных соотношениях коэффициента скругления и дополнительных свободных параметров (коэффициент формы и степень формы). На рис. 3 показана зависимость уровня внеполосных спектральных составляющих (в процентах) от коэффициента формы (оконная функция MBH) для режима вещания DVB-T2 и DRM+. а) б) Рис. 2. Сравнение: а) общей СПМ и б) уровня первой точки перегиба спектральной маски в системах DVB-T2 1К а) б) Рис. 3. Сравнение: а) общей СПМ и б) уровня первой точки перегиба спектральной маски для в системах DRM+ а) б) Рис. 4. Зависимость уровня внеполосных спектральных составляющих от коэффициента формы при фиксированном коэффициенте скругления: а) DVB-T2 1К; б) DRM+ Из данных рис. 4 следуют выводы: для подавления внеполосных спектральных составляющих, при использовании оконной функции семейства MBH, оптимальное значение коэффициента формы равно 1. С увеличением коэффициента скругления уровень внеполосной мощности понижается непропорционально (так как высокие значения α ограничивают производительность системы, логично использовать значения до 0,25). По мере увеличения соотношения количества поднесущих на частотную полосу эффективность метода уменьшается. а) б) Рис. 5. Зависимость RSE от коэффициента формы при фиксированном коэффициенте скругления а) DVB-T2 1К; б) DRM+ На рис. 5 показана зависимость RSE (в процентах) от коэффициента формы (оконная функция MBH) для режимов вещания DVB-T2 и DRM+ соответственно. Из приведенных данных сделаны следующие выводы: для увеличения относительной спектральной эффективности, при использовании оконной функции семейства MBH, оптимальное значение коэффициента формы является 1,88. С увеличением коэффициента скругления относительная спектральная эффективность изменяется пропорциональная. По мере увеличения соотношения количества поднесущих на частотную полосу эффективность метода уменьшается. Обработка оконной функцией защитного интервала части OFDM символа показано на рис. 6. Частотные характеристики поднесущих, сглаженных оконной функцией MBH при различных параметрах α показаны на рис. 7. Рис. 6. Обработка оконной функцией защитного интервала для DVB-T2 1К (по вертикали - нормированная амплитуда; по горизонтали - время, сек а) б) Рис. 7. Частотные характеристики поднесущих, сглаженных оконной функцией: а) MBH α = 0,25; б) OBTRC α = 0,5 Заключение Разработанный метод позволяет уменьшить спад внеполосного излучения в зависимости от выбранного режима БПФ и стандарта вещания, параметров управления формой окна по сравнению с «прямоугольной» формой оконной функции от 5% до 26%, повысить символьную скорость передачи данных до 5% и повысить коэффициент спектральной эффективности [10] до 0,05%. В результате анализа частотных характеристик поднесущих можно сделать вывод что наблюдается снижение уровня сигнала на 2-4 дБ по сравнению с необработанным символом, что приводит к минимизации частотных выбросов в переходные моменты времени между защитным интервалом и полезной частью символа следующие выводы.

About the authors

Albert Khanovich Sultanov

Ufa state aviation technical university

Email: tks@ugatu.ac.ru

Ivan Konstantinovich Meshkov

Ufa state aviation technical university

Email: mik.ivan@bk.ru

Alina Gazimyanovna Meshkova

Ufa state aviation technical university

Email: mik.ivan@bk.ru

Vladislav Viktorovich Ivanov

Ufa state aviation technical university

Email: tks@ugatu.ac.ru

References

Supplementary files