Материал: Теоретические основы передачи ВЧ сигналов

Многоканальные коммуникационные системы

Цифровые системы связи требуют, чтобы каждый канал работал на определенной частоте и с определенной пропускной способностью. Фактически, системы коммуникации развивались таким образом, чтобы обеспечить передачу наибольшего количества данных в конечном диапазоне частот. В этом разделе мы познакомимся с современными достижениями систем связи, применяющих различные механизмы для эффективного использования частотного спектра. А именно, мы увидим, как обычное (FDM) и ортогональное (OFDM) частотное мультиплексирование могут эффективно использовать частотный спектр. Кроме того, мы приведем отличия между ними и выясним, почему системы OFDM в настоящее время применяются в наиболее распространенных системах связи.

Частотное мультиплексирование

При частотном мультиплексировании (FDM) каждый канал размещается в уникальном частотном диапазоне. Этот диапазон задается центральной частотой и шириной канала. Поскольку эти каналы не перекрываются, многие пользователи могут работать одновременно, используя различные каналы в частотной области. Ниже показана частотная область системы FDM. Из диаграммы видно, что каждый канал оперирует разной несущей частотой, и что эти каналы имеют ограничение полосы.

Важно отметить, что ограничение полосы в заданном частотном диапазоне осуществляется с помощью фильтров - формирователей импульсов («Pulse-Shaping»), о которых мы будем рассказывать далее.

Применение FDM в промышленности

FDM обычно используется в различных протоколах связи, включая Bluetooth и протоколы сотовой связи, такие как GSM, TDMA и CDMA. Первый пример - Bluetooth, протокол цифровой связи, который используется сотовыми телефонами, ноутбуками и карманными компьютерами. Он работает в нелицензируемом диапазоне 2,4 ГГц и использует FDM, определяя 79 каналов с частотами от 2,402 ГГц до 2,480 ГГц, которые расположены с интервалом 1 МГц. Ограничение полосы каждого канала осуществляется с помощью гауссовского фильтра.

Второй пример использования FDM - применение в протоколе GSM, который является стандартом сотовой связи 3G. В GSM частотный диапазон разделен на каналы передачи от базовой станции к абонентам в диапазоне 890 - 915 МГц и каналы обратной передачи в диапазоне 935 - 960 МГц. Кроме того, эти полосы частот делятся на 124 канала, расположенных с интервалом 200 кГц. Полоса каждого из каналов ограничивается с помощью фильтра с косинусоидальным сглаживанием (root raised cosine filter).

Использование формирователей импульсов для ограничения полосы частот

Поскольку при цифровой модуляции для передачи информации используются изменяющиеся характеристики несущего синусоидального сигнала, фильтрация является важным механизмом ограничения скорости их изменения. Резкие изменения синусоиды приводят к появлению гармоник несущей на более высоких частотах. Это может вызвать серьезную помеху в системах связи по двум причинам. Во-первых, гармоники требуют большей мощности при генерации. Во-вторых, канал без фильтра отдает существенную часть мощности в смежные каналы, что может вызывать интерференцию. Проиллюстрируем эту ситуацию. Рассмотрим систему, каждый канал которой имеет полосу 80 МГц и расположен с интервалом в 100 МГц. Ниже на диаграмме показан тестовый канал в виде белого графика. Моделируемый физический канал показан красным цветом. Обратите внимание, что одна из гармоник тестового канала попадает в спектр соседнего канала на частоте 1,1 ГГц всего лишь с -20 dB ослаблением.

Таким образом, из рисунка видно, что отсутствие формирующего фильтра создает существенную интерференцию между соседними каналами, поэтому полосу пропускания каждого из каналов необходимо ограничивать. С применением формирующего фильтра, символьные переходы сглаживаются, и гармоники существенно ослабляются. Ниже показана частотная область той же самой физической системы после того, как была применена фильтрация с формированием импульсов для каждого из каналов. На рисунке видно, что мощность смежных каналов значительно снижена.

Таким образом, применение фильтрации уменьшает спектральную утечку в полосу соседнего канала. Из рисунка видно, что интерференция от тестового канала (1,0 ГГц) была уменьшена до -70 дБ после применения формирующего фильтра. Обратите внимание, что полоса пропускания (Bandwidth) каждого канала определяется исключительно скоростью передачи символов (symbol rate), так что:

Полоса пропускания (B_w) = 2 / Символьная скорость (R_s)

Следовательно, применяя формирующий фильтр, мы в состоянии ограничить полосу частот каждого канала для реализации многоканальных систем связи.

Уменьшение межсимвольной интерференции (ISI)

Кроме того, что формирующие фильтры могут использоваться для устранения интерференции от соседних каналов в частотной области, они могут также использоваться для устранения интерференции от следующих символов в том же самом канале. Межсимвольная интерференция (ISI) может быть вызвана слабым затуханием из-за наличия нескольких трактов распространения сигнала. Это приводит к тому, что некоторые символы могут выйти за заданный им интервал времени. В результате они могут смешиваться со следующими или предыдущими переданными символами.

Единственное решение этой проблемы - применение формирующего фильтра. Применяя фильтрацию к каждому сгенерированному символу, мы ослабляем его начальную и конечную части. Это уменьшает ISI, благодаря уменьшению последней части каждого символа, которой требуется самое большое время, чтобы достигнуть приемника. Ниже показан пример использования формирующего фильтра для каждого генерируемого символа. Из рисунка видно, что максимальное пропускание фильтра приходится на середину периода символа.

Пик каждого символа соответствует точке пересечения нуля для каждого последующего символа. Кроме того, начальные и конечные части символьного периода ослаблены. Таким образом, благодаря появлению интервала псевдозащиты, ослабляющего сигналы от многолучевых отражений, ISI уменьшается.

Ортогональное частотное мультиплексировании (OFDM)

OFDM - одна из разновидностей частотного мультиплексирования, в котором единственный канал использует кратные поднесущие на смежных частотах. Кроме того, поднесущие в системе OFDM накладываются, чтобы увеличить спектральную эффективность. Обычно, перекрытие на соседние каналы может вызывать взаимную интерференцию. Однако поднесущие в системе OFDM точно ортогональны к друг другу, поэтому они накладываются без интерференции. В результате системы OFDM позволяют увеличить спектральную эффективность, не вызывая интерференции в соседних каналах. Частотная область системы OFDM представлена на диаграмме ниже.

Обратите внимание, есть семь поднесущих для каждого отдельного канала. Поскольку с увеличением полосы пропускания канала увеличивается поток символов, такая модуляция позволяет увеличить пропускную способность по сравнению с FDM системой.

Ортогональность поднесущих канала

Системы связи OFDM в состоянии более эффективно использовать частотный спектр из-за наложения поднесущих. Эти поднесущие могут частично перекрываться, не интерферируя со смежными поднесущими, поскольку максимальная мощность каждой поднесущей совпадает с минимальной мощностью каждого соседнего канала. Ниже показана частотная область системы OFDM. На графике видно, что каждая поднесущая представлена отдельным пиком. Кроме того, пик каждой поднесущей совпадает с пересечением нуля всех каналов.

Отметим, что каналы OFDM отличаются от каналов FDM с ограниченной полосой способом применения формирующего фильтра. В системах с FDM фильтр с sinc образной характеристикой используется во временной области, формируя каждый отдельный символ и предотвращая ISI. В системах OFDM такой фильтр применяется в частотной области для каждого канала. В результате каждая поднесущая остается ортогональной к остальным.