какие системы множественного доступа используются в lte

Беспроводная связь — множественный доступ

Схемы множественного доступа используются, чтобы позволить многим мобильным пользователям одновременно использовать ограниченное количество радиоспектра.

Методы множественного доступа

В системах беспроводной связи часто желательно позволить абоненту одновременно отправлять информацию с мобильной станции на базовую станцию, одновременно принимая информацию от базовой станции на мобильную станцию.

Есть несколько разных способов разрешить доступ к каналу. Это включает в основном следующее —

В зависимости от того, как доступная полоса пропускания выделяется пользователям, эти методы могут быть классифицированы как узкополосные и широкополосные системы.

Узкополосные системы

Системы, работающие с каналами, существенно более узкими, чем полоса когерентности, называются узкополосными системами. Узкополосная TDMA позволяет пользователям использовать один и тот же канал, но выделяет уникальный временной интервал каждому пользователю в канале, таким образом разделяя небольшое количество пользователей во времени на одном канале.

Широкополосные системы

В широкополосных системах ширина полосы пропускания одного канала намного больше, чем ширина полосы когерентности канала. Таким образом, замирание из-за многолучевого распространения не оказывает значительного влияния на принимаемый сигнал в широкополосном канале, а частотно-избирательные замирания происходят только в небольшой части полосы пропускания сигнала.

Множественный доступ с частотным разделением каналов (FDMA)

FDMA — это базовая технология для современных услуг мобильной связи. Особенности FDMA заключаются в следующем.

Множественный доступ с временным разделением (TDMA)

В тех случаях, когда непрерывная передача не требуется, вместо FDMA используется TDMA. Особенности TDMA включают следующее.

Множественный доступ с кодовым разделением (CDMA)

Метод множественного доступа с кодовым разделением является примером множественного доступа, когда несколько передатчиков используют один канал для одновременной отправки информации. Его особенности заключаются в следующем.

Множественный доступ с пространственным разделением (SDMA)

Многостанционный доступ с пространственным разделением или множественный доступ с пространственным разделением — это метод, который представляет собой архитектуру MIMO (множественный вход с множеством выходов) и используется в основном в беспроводной и спутниковой связи. Он имеет следующие особенности.

Распространение спектра множественного доступа

Множественный доступ с расширенным спектром (SSMA) использует сигналы с шириной полосы пропускания, величина которой превышает минимальную требуемую ширину полосы РЧ.

Существует два основных типа методов множественного доступа с расширенным спектром:

Спектр со скачкообразной перестройкой частоты (FHSS)

Это цифровая система множественного доступа, в которой несущие частоты отдельных пользователей изменяются псевдослучайным образом в пределах широкополосного канала. Цифровые данные разбиваются на пакеты однородного размера, которые затем передаются на разных несущих частотах.

Спектр с прямой последовательностью (DSSS)

Это наиболее часто используемая технология для CDMA. В DS-SS сигнал сообщения умножается на псевдослучайный код шума. Каждому пользователю присваивается его собственное кодовое слово, которое ортогонально к кодам других пользователей, и для обнаружения пользователя приемник должен знать кодовое слово, используемое передатчиком.

Поскольку многие пользователи могут использовать одну и ту же полосу частот расширенного спектра, не мешая друг другу, системы с расширенным спектром становятся эффективными в полосе пропускания в многопользовательской среде.

Источник

Методы множественного доступа

В нисходящем канале применяется принцип мультиплексирования с ортогональным частотным разделением сигналов (OFDM). Он заключается в том, что весь доступный частотный диапазон делится на несколько тысяч поднесущих, по которым данные передаются параллельно. Ортогональность частот обеспечивает отсутствие межсимвольной интерференции. За счет разделения канала на узкие полосы передаваемый сигнал затухает плавно, что позволяет отказаться от использования сложных частотных корректоров. Системы связи, основанные на OFDM, должны быть строго линейными, чтобы не нарушалась ортогональность передаваемых сигналов.

Каждому передатчику выделяются определенные полосы спектра так, чтобы снизить уровень шумов и избежать возникновения интерференционных помех. Исходный поток последовательных данных преобразуется в параллельный, причем скорость передачи в каждом канале уменьшается пропорционально количеству каналов. В итоге скорость передачи всего потока не меняется, однако увеличивается время передачи каждого бита, за счет чего уменьшается вероятность появления ошибки и искажений.

Информационные символы модулируются и комбинируются в передатчике блоком обратного быстрого преобразования Фурье (БПФ). В приемнике производится восстановление потока данных (прямое БПФ).

Обычно в канале присутствует временная дисперсия — части передаваемого сигнала принимаются с различными задержками из-за многолучевости распространения и отражений. В итоге ортогональность частично теряется, появляется интерференция как между битами внутри символа, так и между символами. Для предотвращения перекрытия в начало OFDM-символа вставляется циклический префикс Tg, содержащий конечные биты предыдущего символа. При этом общая длина символа равна Ts = Tu + Tg, где Tu — «полезная» длина OFDM-символа.

Достоинства технологии OFDM:

1. Нечувствительность к многолучевости распространения сигнала и слабая интерференция в канале.

2. Отсутствие интерференции между ячейками сети.

3. Гибкое использование частотного спектра.

4. Эффективное использования спектра за счет ортогональности поднесущих.

5. Оптимальная скорость передачи данных для всех абонентов ячейки (для передачи выбирается наиболее подходящая поднесущая со слабым замиранием).

Несмотря на бесспорные достоинства OFDM-технологии, у нее имеется ряд недостатков. Во-первых, большая чувствительность к нестабильности частоты, которая может возникнуть из-за неидеальности схемы или эффекта Доплера, если устройство подвижно. Во-вторых, высокое отношение пиковой мощности к средней, обусловленное непоследовательным добавлением поднесущих, которое расширяет спектр сигнала и, соответственно, вызывает интерференцию в канале. Эта проблема решается применением УМ с высокой точкой компрессии и методов линеаризации АЧХ-усилителя. Однако эти меры применимы только на базовых станциях, поскольку для абонентского оборудования они неоправданно дороги.

В восходящем канале используется множественный доступ с частотным разделением на базе одной несущей (Single Carrier Frequency Division Multiple Access, SC-FDMA) с циклическим префиксом, чтобы снизить отношение пиковой мощности к средней. Низкие значения PARP, кроме того, улучшают покрытие и производительность ячейки.

Технология SC-OFDMA реализуется в LTE с помощью дискретного преобразования Фурье (DFTS-OFDM — Discrete Fourier Transform Spread OFDM), которое часто называют обобщением SC-FDMA в частотной области. Дискретное преобразование Фурье используется для мультиплексирования восходящих передач в отдельные частотные блоки, на которые разбивается полоса пропускания. Занимаемая одной несущей полоса определяется на основе требуемой скорости передачи. Данные остаются последовательными и не распараллеливаются, как это происходит в нисходящем канале. В итоге параметры соединения становятся одинаковыми в обоих направлениях. Однако в восходящем канале наблюдается довольно сильная межсимвольная интерференция, которая легко корректируется эквалайзером. Сигнал SC-FDMA лишен недостатков OFDM.

Рис.1 сравнение OFDMA и SC-FDMA

Во временной области все промежутки времени выражаются через базовый интервал Ts = 1/30720000. Длительность пакета равна 10 мс (Tframe = 307200 Ts). Каждый пакет разделен на 10 одинаковых субкадров длительностью 1 мс (Tsubframe = 30720 Ts). В свою очередь, субкадр состоит из двух слотов по 0,5 мс (Tslot = 15360 Ts), содержащих 7 или 6 символов OFDM в зависимости от типа циклического префикса (нормальный или расширенный).

Стандарт LTE предусматривает два типа радиокадров — для частотного (FDD) и временного дуплексирования (TDD).

TDD — Дуплексная передача с мультиплексированием во времени

Технология построения сетей беспроводной связи поколения, следующего за 3G, на базе IP-технологий, отличающаяся высокими скоростями передачи данных.

Поскольку оборудование LTE практически идентично для случаев FDD и TDD (кроме фильтров), операторы которые начнут с сооружения сетей TDD, смогут впоследствие воспользоваться эффектом экономии на масштабе, который обеспечит широкое распространение продуктов FDD.

Рис 2 сравнение FDD и TDD

Более того, операторы зачастую хотели бы выделить более, чем половину своих ресурсов для организации канала вниз (чтобы повысить пиковую скорость в этом направлении). Если соотношение DL/UL равно 3:1, то для реализации сети TDD потребуется на 120% больше сайтов, нежели для реализации сети FDD.

LTE Advanced — стандарт мобильной связи. LTE Advanced стандартизирован 3GPP как главное улучшение стандарта Long Term Evolution (LTE).

Официально представлен в конце 2009 года сектору стандартизации электросвязи Международного союза электросвязи в качестве кандидата на систему 4G. LTE Advanced был утверждён ITU и завершён 3GPP в марте 2011 года.

Технология LTE-Advanced вместе с WiMAX 2 была официально признана беспроводным стандартом связи четвёртого поколения 4G Международным союзом электросвязи на конференции в Женеве в 2012 году.

LTE-Advanced — это название спецификации 3GPP 10 версии, которым Международный союз электросвязи присвоил сертификат «IMT-Advanced» — официальный статус сетей четвёртого поколения. Предыдущие версии LTE не являются технологией 4G.

Технология LTE пережила целый ряд этапов развития с момента выхода первоначального стандарта, принятого консорциумом 3GPP — так называемого 3GPP Релиза 8. Для дальнейшего улучшения эксплуатационных характеристик и расширения возможностей технологии в апреле 2008 года консорциум 3GPP начал работу над Релизом 10. Одной из задач было достижение полного соответствия технологии LTE требованиям стандарта IMT-Advanced, установленного для 4G Международным союзом электросвязи, что позволило бы с полным правом называть LTE технологией 4G.

Технология новая, и производители не всегда успевают дойти до нужного уровня. Сегодня в полной мере воспользоваться благами LTE Advanced можно только со стационарным роутером MegaFon Space R300-1, изготовленным корпорацией Huawei по заказу МегаФона. Тот самый роутер, который легко обеспечит качественным интернет-подключением всех работников офиса. У этого профессионального роутера есть даже гнёзда для кабельного подключения компьютеров, если это еще кому-нибудь понадобится.

Источник

Технологии множественного доступа.

Для передачи информации используются различные физические среды: оптоволокно, витая пара, радиорелейные линии связи и т.п. При этом любой реальный канал связи имеет ограниченную полосу пропускания. Часто одну и ту же линию передачи информации используют несколько пар абонентов. В таком случае возникает необходимость разделить общий ресурс между всеми участниками информационного обмена.

Метод FDMA разбивает весь частотный спектр канала связи на поддиапазоны равной/неравной ширины, симметричные/несимметричные в обоих направлениях. Каждый из этих поддиапазонов представляет собой канал связи, который назначается отдельной паре абонентов. Этот канал будет им доступ на протяжение всего времени, однако им запрещено выходить за отведенные им частотные границы иначе их сигнал будет оказывать влияние на соседние каналы. FDMA обычно используется в аналоговых системах связи. В сотовой связи он нашел применение практически во всех стандартах: от NMT (Nordic Mobile Telephone) до LTE (Long Term Evolution) и Mobile WIMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access)

TDMA предусматривает, что весь канал связи, со всей полосой пропускания будет предоставлен каждому из абонентов, но на небольшой промежуток времени – таймслот. Через некоторое время ему снова будет доставлен этот же канал на такой же по длительности промежуток времени и т.д. пока будет длиться сеанс связи. TDMA обычно применяется для передачи цифровых сигналов, потому как именно им требуется широкая полоса пропускания, а ресурс по времени может быть ограничен и разбит на короткие промежутки. Этот метод нашел применение в стандартах GSM (Global System for Mobile Communications), UMTS (Universal Mobile Telecommunications System), LTE.

CDMA заметно отличается от FDMA и TDMA, т.к. он разграничивает доступ абонентов по неочевидному сразу признаку – кодам. Принцип CDMA заключается в том, что перед передачей в эфир информационный сигнал перемножается со специальным ортогональным кодом. Если на приемном конце снова перемножить эту последовательность на первоначальный ортогональный код, то мы получим исходный сигнал. Однако, если мы будем использовать любой другой ортогональный код, отличный от исходного, то мы не сможем восстановить даже части информации. Главная проблема данного метода заключается в том, что невозможно сгенерировать много абсолютно ортогональных кодов. На практике используют почти ортогональные коды и этого оказывается вполне достаточно для одновременной работы большого числа абонентов с приемлемыми характеристиками связи. Метод CDMA нашел применение в североамериканском стандарте сотовой связи CDMA 2000.

Также в последнее время получил распространение еще один метод разделения каналов WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access), который является разновидностью CDMA. Его главное отличие заключается в том, что перед кодированием сигнала его сначала подвергают процедуре «расширения спектра» (spreading). Эта процедура дает ряд преимуществ, главным из которых является повышенная помехоустойчивость. Технология WCDMA используется в актуальном в настоящее время стандарте UMTS.

Ниже в таблице представлены основные методы множественного доступа и их краткие характеристики.

Источник

Физический уровень LTE

В статье описаны основные особенности и параметры физического уровня LTE в частотной области. Рассмотрены технологии сетей LTE.

К физическому уровню LTE предъявляются самые высокие требования: скорость передачи 100 Мбит/с в нисходящем канале и 50 Мбит/с в восходящем, эффективное использование спектра, несколько частотных каналов на полосе 1,25…20 МГц. Для выполнения этих требований была выбрана технология мультиплексирования с ортогональным частотным разделением сигналов (OFDM). Кроме того, в сетях LTE используется «принцип много входов — много выходов» (MIMO), который позволяет увеличить емкость канала (пространственное мультиплексирование) и повысить надежность сигнала.

Вместе эти две технологии отличают LTE от сетей 3G, основанных на множественном доступе с кодовым разделением (CDMA). Поскольку все аспекты физического уровня LTE охватить в одной статье нельзя, мы будем рассматривать принцип работы в частотной области (FDD).

Методы множественного доступа

В нисходящем канале применяется принцип мультиплексирования с ортогональным частотным разделением сигналов (OFDM). Он заключается в том, что весь доступный частотный диапазон делится на несколько тысяч поднесущих, по которым данные передаются параллельно. Ортогональность частот обеспечивает отсутствие межсимвольной интерференции. За счет разделения канала на узкие полосы передаваемый сигнал затухает плавно, что позволяет отказаться от использования сложных частотных корректоров. Системы связи, основанные на OFDM, должны быть строго линейными, чтобы не нарушалась ортогональность передаваемых сигналов.

Каждому передатчику выделяются определенные полосы спектра так, чтобы снизить уровень шумов и избежать возникновения интерференционных помех. Исходный поток последовательных данных преобразуется в параллельный, причем скорость передачи в каждом канале уменьшается пропорционально количеству каналов. В итоге скорость передачи всего потока не меняется, однако увеличивается время передачи каждого бита, за счет чего уменьшается вероятность появления ошибки и искажений.

Информационные символы модулируются и комбинируются в передатчике блоком обратного быстрого преобразования Фурье (БПФ). В приемнике производится восстановление потока данных (прямое БПФ).

Обычно в канале присутствует временная дисперсия — части передаваемого сигнала принимаются с различными задержками из-за многолучевости распространения и отражений. В итоге ортогональность частично теряется, появляется интерференция как между битами внутри символа, так и между символами. Для предотвращения перекрытия в начало OFDM-символа вставляется циклический префикс Tg, содержащий конечные биты предыдущего символа. При этом общая длина символа равна Ts = Tu + Tg, где Tu — «полезная» длина OFDM-символа.

Достоинства технологии OFDM:

1. Нечувствительность к многолучевости распространения сигнала и слабая интерференция в канале.

2. Отсутствие интерференции между ячейками сети.

3. Гибкое использование частотного спектра.

4. Эффективное использования спектра за счет ортогональности поднесущих.

5. Оптимальная скорость передачи данных для всех абонентов ячейки (для передачи выбирается наиболее подходящая поднесущая со слабым замиранием).

Несмотря на бесспорные достоинства OFDM-технологии, у нее имеется ряд недостатков. Во-первых, большая чувствительность к нестабильности частоты, которая может возникнуть из-за неидеальности схемы или эффекта Доплера, если устройство подвижно. Во-вторых, высокое отношение пиковой мощности к средней, обусловленное непоследовательным добавлением поднесущих, которое расширяет спектр сигнала и, соответственно, вызывает интерференцию в канале. Эта проблема решается применением УМ с высокой точкой компрессии и методов линеаризации АЧХ-усилителя. Однако эти меры применимы только на базовых станциях, поскольку для абонентского оборудования они неоправданно дороги.

В восходящем канале используется множественный доступ с частотным разделением на базе одной несущей (Single Carrier Frequency Division Multiple Access, SC-FDMA) с циклическим префиксом, чтобы снизить отношение пиковой мощности к средней. Низкие значения PARP, кроме того, улучшают покрытие и производительность ячейки.

Технология SC-OFDMA реализуется в LTE с помощью дискретного преобразования Фурье (DFTS-OFDM — Discrete Fourier Transform Spread OFDM), которое часто называют обобщением SC-FDMA в частотной области. Дискретное преобразование Фурье используется для мультиплексирования восходящих передач в отдельные частотные блоки, на которые разбивается полоса пропускания. Занимаемая одной несущей полоса определяется на основе требуемой скорости передачи. Данные остаются последовательными и не распараллеливаются, как это происходит в нисходящем канале (см. рис. 1). В итоге параметры соединения становятся одинаковыми в обоих направлениях. Однако в восходящем канале наблюдается довольно сильная межсимвольная интерференция, которая легко корректируется эквалайзером. Сигнал SC-FDMA лишен недостатков OFDM.

Параметры физического уровня

Во временной области все промежутки времени выражаются через базовый интервал Ts = 1/30720000. Длительность пакета равна 10 мс (Tframe = 307200 Ts). Каждый пакет разделен на 10 одинаковых субкадров длительностью 1 мс (Tsubframe = 30720 Ts). В свою очередь, субкадр состоит из двух слотов по 0,5 мс (Tslot = 15360 Ts), содержащих 7 или 6 символов OFDM в зависимости от типа циклического префикса (нормальный или расширенный).

Стандарт LTE предусматривает два типа радиокадров — для частотного (FDD) и временного дуплексирования (TDD). В частотной области определено два типа кадров, один из которых представлен на рисунке 2.

Полезная длительность OFDM-символа равна Tu = 2048 Ts ≈ 66,7 мкс. В нормальном режиме первый символ имеет циклический префикс имеется длительность TCP = 160 Ts ≈ 5,2 мкс, оставшиеся шесть — длительность TCP = 144 Ts ≈ 4,7 мкс. В расширенном режиме циклический префикс TCP-e = = 512 Ts ≈ 16,7 мкс. Циклический префикс длиннее, чем типичная задержка распространения в канале.

Нормальный циклический префикс используется в городских ячейках и приложениях с высокой скоростью передачи данных. Он уменьшает емкость канала на 7,5%. Расширенный префикс предназначен для специальных случаев, таких как широковещательная передача на много ячеек или для больших ячеек, например, в сельскохозяйственных районах. Один из способов уменьшить относительную перегрузку, создаваемую префиксами, — это уменьшить расстояние между поднесущими f, увеличив длительность символа Tu. Однако при этом повысится чувствительность OFDM-сигнала к нестабильности частоты.

Количество поднесущих N лежит в диапазоне 128—2048 в зависимости от ширины канала. На практике чаще всего используется 512 или 1024 поднесущих для 5 и 10 МГц, соответственно. Расстояние между поднесущими
∆f = 1/Tu = 15 кГц. Частота выборки fs = ∆f∙N = 15000N. Базовый интервал соответствует частоте 30,72 МГц, кратной стандартной в WCDMA-системах частоте обработки 3,84 МГц. Это сделано намеренно с целью создания устройств, работающих в стандартах 3G и LTE с общим тактированием. В таблице 1 приводятся основные параметры физического уровня для LTE в режиме FDD.

Таблица 1. Параметры нисходящего физического уровня LTE

Источник

Почему в WiMax и LTE используют OFDM

Аббревиатура OFDM расшифровывается как Orthogonal frequency-division multiplexing. В русскоязычной литературе встречается несколько различных переводов, несущих, в принципе, один смысл: OFDM — это механизм мультиплексирования (уплотнения) посредством ортогональных поднесущих.

В статье описаны плюсы и минусы механизма OFDM. Рассмотрен принцип функционирования с физико-математической позиции. Статья содержит вводное описание радиофизических терминов, необходимых для понимания материала широкому кругу читателей.

Иллюстраций: 18, символов: 27 399, строк кода: 99.

В спецификациях новейших телекоммуникационных проводных и беспроводных стандартов всё чаще можно встретить использование OFDM технологии. Высокую популярность обеспечивают, диктуемые временем, требования к архитектурам радиосистем. OFDM механизм обладает рядом свойств, позволяющих удовлетворять тенденциям времени. Разработанная ещё в 60-х годах прошлого века, технология стала доступна для применения лишь относительно недавно.

Материалов по тематике OFDM достаточное количество на русском языке. На Хабре, например, можно почитать хорошую статью от компании Yota. Список некоторых источников приведён в конце статьи.

Изложение материала рассчитано на читателей с разным уровнем подготовки. Поэтому, для того, чтобы говорить на общем языке, в первой половине статьи изложен вводный материал. Опытный же читатель может перейти сразу ко второй половине статьи, где речь пойдёт непосредственно об OFDM. Для тех, кого интересует только ответ на вопрос, поднятый в заголовке, можно прочитать лишь пару первых абзацев ниже.

Почему же WiMax и LTE используют OFDM?

Секрет кроется в особенностях технологии, кратко можно выделить основные положительные и отрицательные стороны:

Несмотря на все недостатки, OFDM является отличным решением для архитектур современных сетей, работающих в условиях мегаполиса. Технический прогресс и динамика рынка постоянно толкают производителей совершенствовать существующие технологии. В результате появляются устройства, использующие в своей основе различные модификации OFDM. Однако ядро и заложенные в него принципы остаются те же. Поверхностно основы функционирования OFDM технологии рассмотрены в данной статье.

Шаг 1. О спектрах

Расмотрим сигнал, показанный на рисунке ниже.

Для удобства приведён лишь один период (одно цикл повторения) сигнала. Сигнал представляет собой изменение во времени напряжения в какой-нибудь точке электрической цепи. Создание, передача и приём такого рода изменений и являются сутью радиоэлектроники.

Глядя на изменение во времени напряжения, можно сделать ряд выводов. Если это, например, сигнал с датчика, то график описывает динамику измеряемой величины. Однако современная радиотехника в большей степени говорит на языке спектров. Помочь осознать это понятие может рисунок ниже.

Сигнал, наблюдаемый на осциллографе (предыдущая картинка) можно разложить на элементарные колебания. Более того, любой физически наблюдаемый сигнал, можно подвергнуть такому разложению. Под элементарными колебаниями понимаются сигналы, математически описываемые функциями синус или косинус. На самом деле синус и косинус по сути один и тот же сигнал, только немного сдвинутый во времени.

Если пустить по проводу одновременно все эти элементарные сигналы, то при измерении можно увидеть первоначальный «сложный» сигнал.

Функции типа синуса называют гармоническими. Поэтому, их часто именуют в составе «сложного» сигнала гармониками. У каждого сигнала есть свой уникальный набор гармоник. Этот набор гармоник называют спектром сигнала. Изучением гармоник сигнала занимается спектральный (гармонический) анализ.

Шаг 2. Математическая форма сигнала

Инженеры и исследователи для описания сигналов и их спектров используют относительно несложную математику. Сложный сигнал записывается как сумма более простых, что показано на рисунке:

Каждая гармоника, как уже оговаривалось, представляет собой простейшее колебание, описываемое математической функцией синус. Коэффициент перед синусом называется «амплитудой», а аргумент — «фазой». Фаза есть сумма двух чисел. Первое слагаемое — произведение времени на круговую частоту, а второе слагаемое — начальная фаза. Гармоники рассматриваемого сложного сигнала имеют нулевую начальную фазу, это было подобрано для наглядности. Чтобы не спутать обычную фазу с начальной, её называют «полной фазой». Пояснения по терминам «фаза», «начальная фаза», «амплитуда», «циклическая (круговая) частота» и «функция» можно найти в учебниках по математике. Отмечу лишь, что когда встречается слово «фаза» в литературе, то под этим обычно понимают некоторое состояние, т.е. «фаза»=«состояние». В нашем случае, полная фаза сигнала-гармоники описывает некоторое состояние функции в данный момент времени. Другими словами, зная закон изменения гармоники (синус) и её текущее состояние (полную фазу) можно узнать какое сейчас значение у гармоники.

Вести записи с синусами бывает не всегда удобно. В инженерной практике обычно переходят к форме записи в вид экспонент. В этом есть некоторые плюсы. Подробнее можно посмотреть в литературе. Надо отметить, что при записи в виде экспоненты используются комплексные числа. Теория этих чисел неразрывно связана с понятием мнимой единицы. Наглядно экспоненциальную форму можно изобразить в виде вращающегося вектора, как показано на картинке выше. Вращается он с циклической частотой в плоскости, где по одной оси отложены действительные числа, а по другой мнимые. Обо всем этом также можно подробнее прочесть в математической и инженерной литературе.

Шаг 3. Преобразование Фурье

В математике существует очень важное преобразование, которое связывает сигнал и его спектр. Оно называется преобразованием Фурье. Для ясности, можно взглянуть на картинку.

В преобразование Фурье есть 2 формулы: на картинке они обведены фломастером. Прямое преобразование конвертирует сигнал в спектр, а обратное — спектр в сигнал. В формулы нужно подставлять функции, описывающие или спектр или сигнал, в зависимости от типа конвертирования. О том, почему формулы имеют именно такую форму можно опять-таки прочесть в книжках по математике. Там же можно уяснить, когда можно применять преобразование Фурье, а когда нельзя. И что делать, если нельзя применять, а спектр получить надо. Для большинства реально существующих сигналов преобразование Фурье справедливо, остальные же случаи рассматривать не будем.

После прямого преобразования сигнала, изображённого на картинке в виде затухающей экспоненты, получим его спектр. В общем случае любой спектр — это комплексное число. Выше упоминалось о числах и о форме записи сигналов в виде экспонент. В такой форме фигурируют два параметра сигнала: амплитуда и начальная фаза. Если сигнал сложный, то он состоит из нескольких гармоник, каждая гармоника имеет свою амплитуда и свою фазу. Учесть математически это просто. В экспоненциальной записи сигнала вместо обычных чисел амплитуды и начальной фазы записывают функции амплитуды от частоты и начальной фазы от частоты. Такие зависимости даёт прямое преобразование Фурье на выходе. В результате выделяют амплитудный спектр и фазовый спектр сигнала. На картинке выше изображены эти спектры. Они состоят из большого количества гармоник, поэтому рисовать их не наглядно. Обычно изображают только огибающие.

Сложные сигналы раскладывать можно не только на синусы или косинусы или, кстати, если вы заметили, экспоненты. Существуют и другие классы «элементарных» функций, в виде суммы которых можно представить сигнал. Все эти функции внутри класса обладают общим свойством — «ортогональностью». Или другими словами — перпендикулярностью. Таким образом, если взять две ортогональные функции и представить, что они не функции, а векторы, то между ними будет угол в 90 градусов. Если перемножить две эти функции, то получится нуль. Это не просто нуль, за этим нулём имеется определённый смысл: взаимная энергия между ортогональными сигналами равна нулю, т.е. они не взаимодействуют друг с другом.

Шаг 4. Быстрое преобразование Фурье

В технике есть достаточное количество методик, которые производят аналоговое преобразование Фурье. Даже есть системы которые это делают мгновенно со скоростью света. Однако в цифровой технике, где применяются дискретные сигналы, использование аналоговых преобразователей зачастую не уместно. В результате, огромную популярность получил математический алгоритм, который позволяет быстро получить спектр сигнала. Алгоритм получил название «быстрое преобразование Фурье» (Fast Fourie Transform, FFT), его упрощённая схема показана на рисунке ниже.

Шаг 5. Модуляция

Рассмотрим ещё один сложный сигнал на осциллографе.

Это аналоговый сигнал модулированный по амплитуде. О чём же идёт речь? Если ставится задача передать информацию, например, от микрофона в гарнитуре к телефону «по воздуху», то для её решения необходимо сначала считать голос (звук) и затем каким-либо способом передать его в телефон. Сейчас подобно рода задачи уже имеют множество изящных решений оптимальных по тем или иным параметра. Для наглядности можно рассмотреть пример.

На рисунке кратко описывается суть процедуры модуляции сигнала. В своей основе понятие модуляции связано с изменением какого-либо параметра одного сигнала (высокочастотного) в зависимости от другого (низкочастотного). Существует разнообразное количество схем (видов) модуляции, которые позволяют передавать сигнал наилучшим образом в той или иной ситуации, но всё сводится к изменению либо амплитуды, либо частоты или начальной фазы сигнала.

Низкочастотный сигнал несёт информацию. Например, в нашем случае, для простоты, это какой-нибудь однотональный звук, т.е. простой сигнал. В зависимости от амплитуды этого сигнала изменяется огибающая высокочастотного сигнала. Высокочастотный сигнал называется «несущим», в том смысле, что он переносит (несёт) информацию. Иногда можно передавать информационный сигнал без процедуры модуляции. В реальности же сигналы передаются через какую-нибудь физическую среду, да ещё и в условиях помех. Для того чтобы в этом случае успешно передать сигнал и применяется модуляция.

Убедится в пользе модуляции можно проделав некоторые расчёты. Известно, что сигналы «по воздуху» передаются в основном с помощью электромагнитных полей, в которых распространяются волны. Излучаются и принимаются волны антеннами. Волны характеризуются «длиной волны». Данная величина обратна частоте волны, которая соответствует частоте передаваемого сигнала. Очевидно, что чем частота больше, тем меньше длина волны. Размеры антенн зависят от длин волн с которыми они работают. Поэтому чем больше частота сигнала, тем меньшего размера нужна антенна. Например, если попытаться передать из гарнитуры в телефон звук ‘До’ 5-ой октавы (это 4186.0 Гц), то размер антенны составит порядка 18 км длиной. А если использовать частоты из спецификации Bluetooth (около 2.4 ГГц), то размер антенны будет всего лишь 3 см. Конечно расчёты оценочные, но результат позволяют убедиться в пользе модуляции.

Как уже говорилось, схем модуляции существует большое количество. Однако цифровые схемы модуляции немного отличаются от аналоговых, частично рассмотренные выше. Поэтому следует обратить внимание и на них. Как и в аналоговых схемах, всё сводится к изменению в основном трёх параметров: частоты, фазы и амплитуды, за исключением того, что параметры меняются скачками. Такого рода модуляцию называют «манипуляцией» (англ. shift key). На рисунке ниже представлены схемы амплитудной (ASK), частотной (FSK) и фазовой (PSK) манипуляций.

В современных системах связи большую популярность получила разновидность амплитудной манипуляции QAM (квадратурная). Суть которой заключается в синтезе сигнала из суммы двух простых сигналов, разница фаз межу которыми 90 градусов (они находятся в квадратуре). Амплитуды этих простых сигналов меняются дискретно, что, в конечном счете, образует сигнал с дискретным изменением и амплитуды и фазы одновременно. Удобно изобразить все возможные состояния на фазовой плоскости. На рисунке выше такая плоскость приведена для модуляции 16-QAM, т.е. 16 различных состояний может быть закодировано одним символом QAM модуляции, что соответствует 4-битам информации. Кстати, исходя из таких соображений — фазовую манипуляцию можно рассматривать как частный случай. Например, QPSK манипуляция может быть названа как 4-QAM. Таким образом, можно изменяя схему манипуляции увеличивать или уменьшать скорость потока данных. Однако, увеличивая скорость, приходится жертвовать помехоустойчивостью. В различных каналах связи применяется «золотая середина». Наряду с неоспоримыми плюсами у QAM есть и недостатки. Рассмотренные схемы модуляции часто не используются в чистом виде. Обо всём этом можно прочитать в книгах по современным системам связи.

Шаг 6. Мультиплексирование

Разработчики систем телекоммуникаций сталкиваются с постоянной проблемой ограниченного ресурса среды передачи, будь то время, пространство, частота или код. Поэтому, при необходимости передачи нескольких потоков данных для одного пользователя или для нескольких приходится решать задачу множественного доступа к середе. Другими словами необходимо так уплотнить потоки или спроектировать такой алгоритм, чтобы лучшим образом организовать связь в имеющихся условиях. В литературе данную проблему именуют и как мультиплексирование и как уплотнение и как множественный доступ (MAC).

Пространственное разделение потоков можно считать относительно простым решением задачи. Примером такого разделения может служить технология MIMO (англ. Multiple Input Multiple Output), которая повсеместно внедряется во все современных стандарты сетей. Суть заключается в использование нескольких антенн, которые разносят друг от друга, чтобы они не мешали передачи. Рекорды скорости обмена данными «по воздуху» в основном сейчас бьются именно из-за этой технологии. Также наиболее простым примером пространственного разделения может служить ограничение мощности передатчиков или адаптивное изменение диаграмм направленности антенн. О том, что это и обо все тонкостях методик можно почитать в специальной литературе.

Более распространённой является методика частотного уплотнения или FDM (Frequency Division Multiplexing). Благодаря этой методике огромное количество устройств функционируют на одной территории. На рисунке ниже приведён принцип уплотнения.

Эта диаграмма показывает, как распределяется частотно-временной и энергетический ресурс между потоками, обозначенными разыми цветами. Одним из минусов является необходимость между потоками оставлять частотные промежутки, чтобы исключить взаимные помехи, что не лучшим образом использует частотный ресурс.

Более гибкой является техника временного уплотнения или TDM (Time Division Multiplexing). Ниже представлено её диаграмма.

При этом передатчик использует только одну частоту, но для каждого потока используется свой интервал времени. Данная методика очень требовательна к синхронизации между приёмником и передатчиком. TDM удобна для динамичного изменения потоков, например, если какому-нибудь потоку (абоненту) нужно повысить трафик, то достаточно лишь для него сделать интервал подлиннее. Наиболее известным стандартом, использующим TDM, является GSM.

Следует обратить внимание на кодовую методику уплотнения или CDM (Code Division Multiplexing). У неё интересная диаграмма.

Потоки сосуществуют в одном частотно-временном интервале. Для кодирования каждого потока применяются специальные коды. Коды CDM представляют собой ортогональные сигналы, на которые раскладываются символы первоначальной последовательности. Почему так можно делать, говорилось выше. Это одна из методик уширения спектра. Шумоподобные сигналы и методики уширения спектра являются интересными направлениями в телекоммуникациях. Интересующиеся могут посмотреть дополнительный материал в литературе.

Существуют различные модификации методики CDM. К примеру, смесь CDM и FMD дают FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum), а с TDM технику THSS (Time Hopping Spread Spectrum). Модификации, обладая уникальными свойствами, открывают широкие горизонты применения CDM. К примеру, FHSS применяется в Bluetooth. Ещё одной производной CDM и FDM является, рассматриваемый в статье, метод OFDM.

Для более корректной терминологии нужно уточнить, что методику уплотнения с целью множественного доступа к среде нескольких пользователей именуют в англоязычной литературе как multiple access, поэтому такие техники называются FDMA, TDMA, CDMA, OFDMA и т.д. О других технологиях уплотнения и множественного доступа можно почитать дополнительно в книгах.

Шаг 7. OFDM

В технологии OFDM частотный диапазон разбивается равномерно между поднесущими (дополнительные несущие), количество которых может доходить до нескольких тысяч. Каждому передаваемому потоку назначается несколько таких поднесущих, т.е. каждый поток разбивается на N поднесущих. Поднесущие между собой ортогональны. Эта особенность определяет многие положительные качества техники OFDM. Смысл понятия ортогональности описывался выше. Для ясности можно взглянуть на рисунок ниже.

Популярный стандарт, использующий OFDM технологию — система цифрового телевещания DVB. Данная система, кстати, будет использована как стандарт российского цифрового телевидения. Особенности и принцип формирования OFDM сигнала рассмотрим на его примере, точнее на его модификации для наземного вещания DVB-T.

Автором кода моделирования является коллега из США Guillermo Acosta. Результаты моделирования можно посмотреть на рисунке:

Шаг 8. Виды OFDM

Ниже приведён список различных модификаций технологии OFDM, которые можно встретить в литературе.

Среди рассмотренных систем большую популярность получили классическая OFDM схема и COFDM модификация.

Шаг 9. Заключение

В данной статье дан лишь поверхностный обзор технологии OFDM. Многие вопросы, включая синхронизацию сигналов, тонкости при формировании непосредственного сигнала, а также цифровой обработке оставлены на самостоятельное рассмотрение. Целью данной статьи было изложить теоритические основы OFDM, привести особенности, а самое главное рассказать максимально просто и понятно, но в тоже время, не упуская существенных деталей. Найти ответы на появившиеся вопросы поможет список книг и статей ниже.

Шаг 10. Почитать

Источник

• ← какие системы менеджмента сертифицированы в группе нлмк
• какие системы могут совершать колебательные движения →