Документация Engee

OFDM Modulator

Модуляция с помощью метода OFDM.

ofdm modulator

Описание

Блок OFDM Modulator модулирует сигнал в частотной области, используя метод ортогонального мультиплексирования с частотным разделением (OFDM). На выходе получается базовое представление OFDM-модулированного сигнала.

Блок имеет один выходной порт и один или два входных порта, в зависимости от состояния параметра Pilot input port.

Порты

Вход

In — входной широкополосный сигнал
массив

Входной широкополосный сигнал, заданный в виде массива на на .

  • — количество поднесущих данных, такое, что .

    • — количество поднесущих, определяемое параметром FFT length.

    • — количество поднесущих в левой защитной полосе, определяемое первым элементом параметра Number of guard bands.

    • — количество поднесущих в правой защитной полосе, определяемое вторым элементом параметра Number of guard bands.

    • — число поднесущих в нулевом DC, заданное как 0 или 1 выбором параметра Insert DC null.

    • — количество пилотных поднесущих в каждом символе.

      • Если выбран входной порт Pilot, size(Pilot subcarrier indices,1).

      • Если входной порт Pilot не выбран, для расчета .

    • — количество поднесущих, используемых для пользовательских нулей. Для использования пользовательских нулей необходимо задать Pilot subcarrier indices в виде 3D-массива.

  • — количество символов, определяемое параметром Number of OFDM symbols.

  • — количество приемных антенн, определяемое параметром Number of transmit antennas.

Типы данных: Float16, Float32, Float64, Int8, Int16, Int32, Int64, UInt8, UInt16, UInt32, UInt64, Bool

Поддержка комплексных чисел: Да

Pilot — пилотный сигнал
массив

Пилотный сигнал, заданный в виде массива на на .

  • — количество пилотных поднесущих в каждом символе, определяемое size(Pilot subcarrier indices,1).

  • — количество символов, определяемое параметром Number of OFDM symbols.

  • — количество передающих антенн, определяемое параметром Number of receive antenna.

Зависимости

Чтобы использовать этот порт, установите флажок Pilot input port.

Типы данных: Float16, Float32, Float64, Int8, Int16, Int32, Int64, UInt8, UInt16, UInt32, UInt64, Bool

Поддержка комплексных чисел: Да

Выход

Out — OFDM-модулированный широкополосный выходной сигнал
матрица

OFDM-модулированный широкополосный сигнал, возвращенный в виде матрицы на .

  • — длина циклического префикса по всем символам.

    • — длина циклического префикса, определяемая параметром Cyclic prefix length.

    • Если Cyclic prefix length является скаляром, .

    • Если Cyclic prefix length является вектором строк, .

  • — количество поднесущих, определяемое параметром FFT length.

  • — количество символов, определяемое параметром Number of OFDM symbols.

  • — количество передающих антенн, определяемое параметром Number of transmit antennas.

Типы данных: Float16, Float32, Float64, Int8, Int16, Int32, Int64, UInt8, UInt16, UInt32, UInt64, Bool

Поддержка комплексных чисел: Да

Параметры

FFT length — количество точек БПФ
64 (по умолчанию) | целое положительное число

Количество точек БПФ, заданное в виде положительного целочисленного скаляра.

Значение параметра FFT length должно быть больше или равно 8 и эквивалентно количеству поднесущих.

Number of guard bands — Number of subcarriers allocated to left and right guard bands
[6; 5] (по умолчанию) | целочисленный вектор 2 на 1

Количество поднесущих, выделенных для левой и правой защитных полос, заданное в виде целочисленного вектора 2 на 1.

Число поднесущих левой и правой защитных полос, , должно находиться в пределах , где — общее количество поднесущих в OFDM-сигнале, определяемое параметром FFT length.

Insert DC null — исключить или включить поднесущую нулевой частоты
выключено (по умолчанию) | включено

Установите этот флажок, чтобы удалить поднесущую нулевой частоты. Нулевая поднесущая постоянного тока расположена в центре полосы частот и имеет значение индекса:

  • , если значение четное.

  • , если значение нечетное.

— это общее количество поднесущих в OFDM-сигнале, определяемое параметром FFT length.

Pilot input port — ввод пилотных поднесущих
выключено (по умолчанию) | включено

Установите этот флажок, чтобы добавить порт для ввода пилотных поднесущих.

выключено — порт входных данных, In, может содержать встроенную информацию о пилотных поднесущих, но блок не назначает индексы пилотных поднесущих.

включено — блок назначает поднесущие, указанные параметром Pilot subcarrier indices, для пилотной модуляции сигнала на входном порту Pilot.

Pilot subcarrier indices — индексы расположения пилотных поднесущих
[12; 26; 40; 54] (по умолчанию) | вектор столбцов | матрица | 3D массив

Индексы расположения пилотных поднесущих, заданные в виде вектора столбцов, матрицы или 3D-массива с целочисленными значениями элементов в диапазоне

,

где

  • — общее количество поднесущих в OFDM-сигнале, определяемое параметром FFT length.

  • и — левая и правая защитные полосы, заданные значением параметра Number of guard bands.

Индексы пилотных несущих можно назначить одинаковыми или разными поднесущими для каждого символа и для всех передающих антенн .

  • Если пилотные индексы одинаковы для каждого символа и передающей антенны, параметр имеет размерность на 1.

  • Если пилотные индексы различаются по символам, параметр имеет размерность на .

  • Если принятому сигналу присвоен один символ на нескольких передающих антеннах, то параметр имеет размерность на 1 на .

  • Если индексы различаются по количеству символов и передающих антенн, параметр имеет размерность на на .

Чтобы минимизировать помехи между передачами на более чем одну передающую антенну, пилотные индексы на символ должны быть взаимно различными для всех антенн.

Зависимости

Этот параметр используется, если установлен флажок Pilot input port.

Cyclic prefix length — длина циклического префикса
16 (по умолчанию) | целое положительное число | вектор-строка

Длина циклического префикса для каждого OFDM-символа, задается в виде положительного целочисленного скаляра или вектора строк, содержащего количество элементов OFDM-символов. При указании длины циклического префикса в виде:

Скаляр — длина циклического префикса одинакова для всех символов через все антенны.

Вектор-строка — длина циклического префикса может варьироваться между символами, но не варьируется между антеннами.

Apply raised cosine windowing between OFDM symbols — применение оконной функции повышенного косинуса между символами OFDM
выключено (по умолчанию) | включено

Установите этот флажок, чтобы применить оконную функцию повышенного косинуса между символами OFDM.

Чтобы уменьшить мощность внеполосных поднесущих, вызванную спектральным разрастанием, применяйте оконное разделение.

Window length — длина оконной функции с повышенным косинусом
1 (по умолчанию) | целое положительное число

Укажите длину оконной функции повышенного косинуса, заданная в виде положительного целочисленного скаляра.

Это значение должно быть меньше или равно минимальной длине циклического префикса, указанной в параметре Cyclic prefix length. Например, в конфигурации из четырех символов с длиной циклического префикса 12, 14, 16 и 18, Window length должна быть меньше или равна 12.

Зависимости

Этот параметр используется, если установлен флажок Apply raised cosine windowing between OFDM symbols.

Oversampling factor — коэффициент передискретизации
1 (по умолчанию) | целое положительное число

Коэффициент передискретизации, заданный в виде положительного скаляра. Коэффициент передискретизации должен удовлетворять этим ограничениям:

  • Произведение Oversampling factor на FFT length должно быть целым числом.

  • Произведение Oversampling factor на Cyclic prefix length должно быть целым числом.

Если Oversampling factor задан как иррациональное число, укажите дробное значение. Например, при FFT length 12 и Oversampling factor 4/3 их произведение равно целому числу 16. Однако округление 4/3 до 1,333 при установке Oversampling factor приводит к нецелочисленному произведению 15,9960, что приводит к ошибке.
Number of OFDM symbols — количество OFDM-символов
1 (по умолчанию) | целое положительное число

Количество OFDM-символов во временно-частотной сетке, заданное в виде целочисленного положительного скаляра.

Number of transmit antennas — количество передающих антенн
1 (по умолчанию) | целое положительное число

Количество передающих антенн для передачи OFDM-модулированного сигнала, задается в виде положительного целого скаляра, меньшего или равного 64.

Алгоритмы

Ортогональное мультиплексирование с частотным разделением

OFDM относится к классу схем многоканальной модуляции. Благодаря тому, что в процессе работы может передаваться несколько несущих одновременно, шумы не влияют на OFDM в той же степени, что и при однополосной модуляции.

OFDM разделяет высокоскоростной поток данных на низкоскоростные подпотоки данных путем декомпозиции полосы частот передачи на ряд смежных индивидуально модулированных поднесущих. Этот набор параллельных и ортогональных поднесущих несет поток данных, занимая почти ту же полосу пропускания, что и широкополосный канал. Благодаря использованию узких ортогональных поднесущих сигнал OFDM приобретает устойчивость к замираниям в частотно-селективном канале и устраняет интерференцию соседних поднесущих. Межсимвольная интерференция (ISI) уменьшается, поскольку подпотоки с меньшей скоростью передачи данных имеют длительность символов больше, чем разброс задержек в канале.

На этом изображении показано представление ортогональных поднесущих в частотной области в волновой форме OFDM.

ofdm modulator 1

Передатчик применяет инверсное быстрое преобразование Фурье (IFFT) к N символам за раз. Обычно на выходе IFFT получается сумма N ортогональных синусоид:

π ,

где

  • - символы данных,

  • - символьное время OFDM.

Символы данных Xk обычно являются комплексными и могут быть из любого цифрового модуляционного алфавита (например, QPSK, 16-QAM, 64-QAM и т. д.).

Реализация дискретного преобразования Фурье нормирует выход IFFT на .

Расстояние между поднесущими равно [Δf = 1/T], что обеспечивает ортогональность поднесущих в течение каждого символьного периода:

πππдля

Модулятор OFDM состоит из последовательно-параллельного преобразования, за которым следует банк из N комплексных модуляторов, индивидуально соответствующих каждой поднесущей OFDM.

ofdm modulator 2

Распределение поднесущих, защитные полосы и защитные интервалы

Отдельные поднесущие OFDM распределяются как поднесущие данных, пилотные или нулевые.

Как показано здесь, поднесущие обозначаются как поднесущие данных, DC, пилота или защитной полосы.

ofdm demodulator 2

  • Поднесущие данных передают пользовательские данные.

  • Пилотные поднесущие предназначены для оценки канала.

  • Поднесущие нулевой частоты не передают никаких данных. Поднесущие без данных обеспечивают нулевую частоту центральной поднесущей и служат в качестве буферов между блоками ресурсов OFDM.

    • Поднесущая нулевой частоты является центром полосы частот с индексом

      , если значение четное.

      , если значение нечетное.

      — это общее количество поднесущих в OFDM-сигнале.

    • Защитные полосы служат буфером между соседними сигналами в соседних полосах частот для уменьшения помех, вызванных спектральной утечкой.

Поднесущие нулевой частоты позволяют моделировать защитные полосы и расположение нулевых поднесущих для конкретных стандартов, таких как различные форматы 802.11, LTE, WiMAX, или для пользовательских распределений. Расположение нулевых поднесущих можно определить, назначив вектор индексов нулевых поднесущих.

Подобно защитным полосам, защитные интервалы защищают целостность передаваемых сигналов в OFDM путем снижения межсимвольной интерференции.

Назначение защитных интервалов аналогично назначению защитных полос. Вы можете смоделировать защитные интервалы для обеспечения временного разделения между символами OFDM. Защитные интервалы помогают сохранить межсимвольную ортогональность после прохождения сигнала через каналы с временной дисперсией. Защитные интервалы создаются с помощью циклических префиксов. Вставка циклического префикса копирует последней OFDM в качестве первой части символа OFDM.

ofdm demodulator 3

OFDM выигрывает от использования вставки циклического префикса до тех пор, пока размах временной дисперсии не превышает длительность циклического префикса.

Вставка циклического префикса приводит к дробному снижению пропускной способности пользовательских данных, поскольку циклический префикс занимает полосу пропускания, которая могла бы быть использована для передачи данных.

Оконная функция для OFDM с повышенным косинусом

Оконная функция для OFDM с повышенным косинусом применяет методы, описанные в [3], для ограничения спектрального разрастания путем создания плавного перехода между последним образцом одного символа и первым образцом следующего символа.

Хотя циклический префикс создает защитный период во временной области для сохранения ортогональности, символ OFDM редко начинается с той же амплитудой и фазой, что и в конце предыдущего символа OFDM, что вызывает спектральное разрастание и, следовательно, расширение полосы пропускания сигнала из-за интермодуляционных искажений. Чтобы ограничить это спектральное разрастание, можно создать плавный переход между последним образцом символа и первым образцом следующего символа с помощью циклического суффикса и оконной функции с повышенным косинусом.

Чтобы создать циклический суффикс, операция добавляет первые выборки ) данного символа к концу этого символа. Однако для соответствия стандарту IEEE® 802.11g, например, операция не может произвольно удлинять символ. Вместо этого циклический суффикс должен перекрываться по времени и эффективно суммироваться с циклическим префиксом следующего символа. Операция применяет две, математически обратные, оконные функции в этом перекрывающемся сегменте. Первая оконная функция с повышенным косинусом применяется к циклическому суффиксу символа k и уменьшается от 1 до 0 за время его действия. Вторая оконная функция с повышенным косинусом применяется к циклическому префиксу символа k+1 и увеличивается от 0 до 1 за время его действия. Этот процесс обеспечивает плавный переход от одного символа к другому.

Оконная функция с повышенным косинусом, , во временной области может быть выражена как:

πвостальныхслучаях

где:

  • - длительность OFDM-символа, включая защитный интервал.

  • - длительность оконной функции.

Длина циклического суффикса регулируется путем установки длины оконной функции, при этом длина суффикса устанавливается в диапазоне от 1 до минимальной длины циклического префикса. Хотя установка окон улучшает спектральное восстановление, это происходит за счет снижения устойчивости к многолучевым замираниям из-за уменьшения избыточности в защитной полосе вследствие изменения значений выборок защитной полосы для реализации сглаживания межсимвольного перехода.

На этих рисунках показано применение оконной функции с повышенным косинусом.

ofdm modulator 3

Библиография

  1. Dahlman, E., S. Parkvall, and J. Skold. 4G LTE/LTE-Advanced for Mobile Broadband.London: Elsevier Ltd., 2011.

  2. Andrews, J. G., A. Ghosh, and R. Muhamed, Fundamentals of WiMAX, Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall, 2007.

  3. Agilent Technologies, Inc., "OFDM Raised Cosine Windowing", https://rfmw.em.keysight.com/wireless/helpfiles/n7617a/ofdm_raised_cosine_windowing.htm.

  4. Montreuil, L., R. Prodan, and T. Kolze. "OFDM TX Symbol Shaping 802.3bn", https://www.ieee802.org/3/bn/public/jan13/montreuil_01a_0113.pdf. Broadcom, 2013.

  5. IEEE Standard 802.16-2017. "Part 16: Air Interface for Broadband Wireless Access Systems." March 2018.

Примеры