Тема: Разработка и анализ моделей методов модуляции QAM-1024, OFDM и N-OFDM

В настоящее время беспроводные технологи оказывают огромное влияниена повседневную жизнь большого числа людей. Постоянный рост числа пользователей интернета, рост числа услуг мобильной связи, которые предлагают операторы сотовой связи является доказательством того факта, что беспроводные технологии широко используются в нашей жизни. Появляется необходимость предоставить беспроводной доступ к сетям связи в районы, где отсутствует дорогая инфраструктура, например в сельской местности. Очень важно обеспечить такие районы беспроводным доступом еще и потому, что отсутствует возможность использования кабельных сетей.
Новые поколения беспроводных систем, предоставляющих мультимедийные услуги, такие как передача речи, данных, аудиоинформации и видеоинформации, сходятся к одной интегрированной платформе и позволяют обеспечить предоставление услуг с помощью небольших портативных устройств.
Однако при разработке беспроводных систем связи, которые обеспечивали бы поддержку появляющихся мультимедийных приложений, сталкиваются с рядом серьезных технологических проблем, для решения которых требуется работа. Такие технологические проблемы вызваны сложной природой беспроводного канала связи. Волна, проходя через беспроводной канал связи подвергается такому явлению как многолучевое распространение. То есть волна может приходить на приемную антенну не только по прямому пути, но и по другому пути, отражаясь от объектов городской инфраструктуры и рельефа местности. Cледствие такого многолучевого распространения является более быстрое убывание интенсивности принимаемого сигнала с расстоянием. Второе следствие заключается в том, что на приемник поступает отраженный, задержанный по времени сигнал, и как результат приводит к искажению его формы. Явление многолучевости можетвызвать изменение амплитуды и фазы сигнала и как следствие, приводит к эффекту замирания [1] .
В целом все это влияет на качество принимаемого сигнала. Кроме того, случайное изменение характеристик канала во времени может быть следствием изменения условий распространения волн или относительного движения приемной антенны. Еще одна проблема связана с ограниченным объемом доступного спектра частот, который является важным и дорогим ресурсом в системах связи. Поэтому выделенные диапазоны частот необходимо использовать как можно эффективнее.
Еще одним источником искажений при беспроводной передаче сигналов является относительно высокий уровень интерференции, возникающей из-за интенсивного использования каналов. Хотя существуют и широко используются современные методы обработки сигналов, основанные на многопользовательском детектировании и позволяющие существенно ослабить влияние интерференции, остается фактом, что мобильная беспроводная связь никогда не приблизится по степени стабильности, безопасности и надежности к проводной связи, обеспечиваемой кабельными системами. Тем не менее, абоненты готовы во многих случаях соглашаться на меньшую пропускную способность и худшее качество связи, чтобы избавиться от проводов.
Появившиеся в последнее время большое число различных стандартов и приложений является доказательством заинтересованности производителей оборудования в улучшении качества связи. Повышаются требования к беспроводным системам, такие как высокая стойкость к интерференции и искажениям в канале, а также большая гибкость в управлении ресурсами. Для обеспечения этих свойств важно правильно подходить к выбору радиоинтерфейса. Все это необходимо для обеспечения абонентов широким набором приложений с различными возможностями по допустимой задержке, качеству связи и пропускной способности.
В данной работе рассматриваются методы модуляции QAM-1024, OFDM и N- OFDM, а также производится анализ данных методов и их практическое применение.
Современные беспроводные сети часто требуют большую мощность. Для фиксированного размера канала увеличение уровня модуляции QAM увеличивает пропускную способность канала. Новая модуляция 1024-QAM требует высокого отношения сигнал / шум, что значительно уменьшает диапазон высокоскоростных точек доступа. При этом возрастут требования к исполнению аппаратной части приёмопередатчиков.
В наши дни передающаяся по каналам связи информация, задача уплотнения сигналов в многочастотных система является актуальной. Широко известная технология мультиплексирования с ортогональным частотным разделением (Orthogonal frequency-division multiplexing, OFDM) используется при проектировании беспроводных и проводных систем связи, например WiMAX, PLC, ADSL, LTE систем сотовой связи стандарта GSM/UMTS. OFDM – хорошо знакомая схема мультиплексирования, она обладает, довольно-таки, большим списком положительных качеств, что делает ее - очень популярной и востребованной.[2]
OFDM обладает давольно-таки эффективным использованием частотного спектра, он устойчив к импульсным помехам и замираниям в канале связи. Однако, есть и недостатки, такие как требования к высокой синхронизации частоты и времени, он чувствителен к внезапным излучениям, OFDM, по этим причинам, не используется в системах сотовой связи поколения 5G.Так же можно заметить что, в высокоскоростных системах связи эффективность использования частотного спектра уменьшается из-за того, что распределениечастот поднесущих с более короткими интервалами, чем интервалы ортогональности, невозможно.
Чтобы избавиться от перечисленных минусов технологии OFDM, применяется схема мультиплексирования с неортогональным частотным разделением (non-orthogonal frequency-division multiplexing, N-OFDM), которая будет одним из самых перспективных подходов для систем беспроводной передачи информации с высокой скоростью. Достоинства данной схемы – более эффективное использование частотного спектра по сравнению с OFDM. Так же данная схема
мультиплексирования позволяет бороться с доплеровским эффектом. К недостаткам можно отнести влияние межсимвольной интерференции из-за близко расположенных поднесущих.[3]
Данные методы модуляции нуждаются в сравнении так, как у каждой схемы есть свои достоинства и недостатки. Преимуществом модуляции 1024- QAM является то, что она помогает достичь высокой скорости передачи данных, поскольку большее количество бит переносится одной несущей. При этом одним из недостатков QAM-1024 это то, что требуется высокая линейность УМ (усилителя мощности) в передатчике. Недостатки OFDM системы могут быть нивелированы достоинствами системы с N-OFDM. В свою очередь N-OFDM система имеет свои недостатки, связанные с помехоустойчивостью. Необходимо выяснить, какая схема позволит использовать частотный ресурс более эффективно при всех своих недостатках.

Купить

В данной работе объектом анализа являлись QAM-1024, OFDM и N-OFDM. Была выяснена разница между этими сигналами, сравнены их преимущества и недостатки. Сигналы с OFDM обладают высокой помехоустойчивостью приёма в условиях межсимвольной интерференции, как следствие – лояльность к многолучевому распространению. Они имеют простую аппаратную реализацию, в отличие от сигналов с N-OFDM и QAM-1024. OFDM сигнал может рассматриваться как множество медленно модулируемых узкополосных сигналов, а не как один быстро модулируемый широкополосный сигнал.
Однако есть некоторые препятствия в использовании OFDM в системе передачи. Основным недостатком является то, что сигналы с OFDM имеют недостаточную спектральную эффективность и высокие удельные затраты полосы частот.
Несмотря на возросшую сложность демодуляции N-OFDM сигналов по сравнению с OFDM, переход к неортогональной расстановке частот поднесущих обеспечивает ряд преимуществ. Во-первых, применение N-OFDM-сигналов позволяет эффективно бороться с узкополосными помехами за счет адаптивной перестройки частот поднесущих. Во-вторых, при незначительном проигрыше в помехоустойчивости система N-OFDM демонстрирует значительное преимущество в спектральной эффективности. Спектр сигнала в системе N- OFDM занимает меньшую полосу частот по сравнению с OFDM, что является серьезным преимуществом. При α=0,8 система N-OFDM вовсе не уступает в помехоустойчивости системе с OFDM-модуляцией, а также демонстрирует показатель спектральной эффективности на 20 % выше.
Поскольку помехоустойчивость обеих систем примерно равна, то из этого можно сделать вывод, что разработанная система N-OFDM может стать перспективной заменой OFDM.
Применение QAM-1024 обусловлено ее высокой спектральной эффективностью. При этом рост объемов передаваемой информации требует 33
применения сигналов QAM больших размерностей. Немаловажным фактором является возрастание требований к качеству передачи информации, которое определяется для ЦСПИ вероятностью ошибочного приема BER (Bit Error Rate). Некоторому числу приложений беспроводных ЦСПИ требуется BER порядка 10¬12 , что близко по качеству передачи к волоконно-оптическим системам.
Чувствительность сигнала QAM к искажениям и шумам, можно объяснить, сложностью оптимизации системы по критерию «качество передачи информации (BER) – стоимость – энергопотребление». Чтобы минимализировать шумы и искажения, а точнее их уровень, требуется стандартный подход к проектированию линейных трактов передатчика и приемника ЦСПИ, что иногда может вступать в противоречие с требованиями уменьшения энергопотребления, массогабаритных характеристик и стоимости системы.[11]

Купить