Методические указания по выполнению работы

ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБА ФОРМИРОВАНИЯ СИГНАЛА

И СПЕКТРА ШИРОКОПОЛОСНОЙ СИСТЕМЫ С

ОРТОГОНАЛЬНЫМ ЧАСТОТНЫМ РАЗДЕЛЕНИЕМ КАНАЛОВ

И МУЛЬТИПЛЕКСИРОВАНИЕМ

Москва 2007

УДК 621.391:519.27 План подготовки УМД 2006/2007 уч. года

Лабораторный практикум

по дисциплине

«Основы теории систем связи

с подвижными объектами»

Лабораторная работа №29

ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБА ФОРМИРОВАНИЯ СИГНАЛА

И СПЕКТРА ШИРОКОПОЛОСНОЙ СИСТЕМЫ С

ОРТОГОНАЛЬНЫМ ЧАСТОТНЫМ РАЗДЕЛЕНИЕМ КАНАЛОВ

И МУЛЬТИПЛЕКСИРОВАНИЕМ

В лабораторной работе № 29 изучается математическое описание комплексной огибающей радиосигнала и способ ее формирования в широкополосной системе с технологией ортогонального частотного разделения каналов с мультиплексированием. Изучается соответствующая функциональная схема устройства, обеспечивающая формирование такого сигнала в современных системах широкополосного доступа. Изучается широко используемый в настоящее время метод вычисления спектральной плотности мощности этого сигнала.

Основной применяемый метод экспериментального исследования – имитационное моделирование на персональной ЭВМ с применением системы для научных исследований MATLAB.

Для студентов радиотехнических и телекоммуникационных специальностей.

Список лит. 3 назв., ил. 4, табл. 1.

Составитель Ю.С. Шинаков, д.т.н., профессор

Рецензент М.С. Немировский, д. т. н., профессор

Издание утверждено советом факультета Радио и Телевидения. Протокол № … от _._.2007 г.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 29

ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБА ФОРМИРОВАНИЯ СИГНАЛА

И СПЕКТРА ШИРОКОПОЛОСНОЙ СИСТЕМЫ С

ОРТОГОНАЛЬНЫМ ЧАСТОТНЫМ РАЗДЕЛЕНИЕМ КАНАЛОВ

И МУЛЬТИПЛЕКСИРОВАНИЕМ

Цель работы

Изучение способа формирования радиосигналов, используемых в цифровых системах широкополосного доступа с технологией ортогонального частотного разделения каналов с мультиплексированием. Изучение экспериментального способа измерения спектра таких сигналов при различных значениях их параметров.

Задание

2.1 Предварительная подготовка к выполнению лабораторной работы

1. Изучить рекомендованные к данной работе разделы учебного пособия [1], указанного в списке литературы.

2. Подготовить ответы на контрольные вопросы, приведенные в данном описании лабораторной работы.

3. Из табл. 1 выписать исходные данные для выполняемого в лаборатории индивидуального варианта работы. Номер варианта определить по следующему правилу: Nвар = Nфам, где Nвар - номер варианта, Nфам - номер фамилии студента в журнале группы.

4. Используя Приложение 1 к данной работе рассчитать значения основных параметров системы OFDM для заданных в выполняемом варианте значений параметров канала передачи. Эти параметры необходимо будет вводить во время диалога с имитатором в лаборатории. Пример диалога с имитатором imitatorOFDM приведен в Приложении 4.

5. Составить письменно описания основных функций системы MATLAB, используемых в диалоге с имитатором imitatorOFDM, который в интерактивном (диалоговом) режиме обеспечивает выполнение задания на экспериментальное исследование в лаборатории (см. Приложение 3). Следует обратить также внимание на правила работы с системой MATLAB: ввод численных значений параметров в процессе диалога с имитатором, интерпретация графиков на экране монитора, правила сохранения результатов исследований в памяти компьютера, специальные функции MATLAB, используемые в работе (см. Приложение 2).

6. Подготовить письменный отчет о предварительной подготовке к экспериментальным исследованиям в лаборатории принятой на кафедре формы. Отчет должен содержать:

- титульный лист;

- название и номера лабораторной работы и выполняемого варианта; формулировку цели работы;

- исходные данные выполняемого варианта;

- результаты вычислений основных параметров системы с технологией OFDM;

- функциональную схему устройства формирования исследуемого сигнала, алгоритмы которого реализует используемый в работе имитатор;

- перечень специальных функций системы MATLAB , используемых в диалоге с имитатором с описанием смысла их входных и выходных переменных.

Таблица 1. Номера вариантов и исходные данные

Nвар	[МГц]	[Мгб/с]	[мкс]		Nвар	[МГц]	[Мгб/с]	[мкс]
			0,04	0,01				0,04	0,06
			0,06	0,02				0,06	0,07
			0,1	0,03				0,001	0,08
			0,2	0,04				0,02	0,01
			0,4	0,05				0,04	0,02
			0,005	0,06				0,005	0,03
			0,25	0,07				0,025	0,04
			0,3	0,08				0,03	0,05
			0,3	0,01				0,3	0,06
			0,4	0,02				0,4	0,07
			0,05	0,03				0,05	0,08
			0,4	0,04				0,4	0,01
			0,028	0,05				0,028	0,02

В табл. 1 приняты следующие обозначения:

- полоса частот, выделяемая для линии передачи, [МГц];

- скорость передачи в линии, [Мбит/с];

- расширение задержки канала передачи, [мкс];

- относительная длительность защитного интервала;

- коэффициент скругления огибающей OFDM-символа;

- длительность интервала времени, на котором осуществляется ОДПФ;

- длительность OFDM символа.

2.2. Выполнение исследований в лаборатории

1. Убедиться в активности системы MATLAB по наличию на экране дисплея командного окна с приглашением к работе: информационная вставка в начале сеанса работы или мигающий курсор в начале строки при продолжении сеанса. Проверить список переменных в рабочем пространстве системы MATLAB (who, whos); освободить рабочеe пространство, если необходимо (clear)[1].

2. Запустить на выполнение m-файл описания imitatorOFDM . В процессе диалога с этой программой ввести численные значения параметров личного варианта лабораторной работы.

3. Продолжая диалог с программой imitatorOFDM выполнить следующие этапы лабораторного исследования:

а) построить сигнальное созвездие используемого КАМ сигнала для одной поднесущей;

б) построить графики немодулированных поднесущих и их суммы на интервале ОДПФ ;

в) добавить защитный интервал и интервал постфикса и циклически продолжить на них графики немодулированных поднесущих колебаний и их суммы;

г) используя весовое окно сгладить фронты канальных символов немодулированных поднесущих и их суммы;

д) сформировать блок комплексных КАМ символов для одного OFDM символа и построить комплексную огибающую этого OFDM символа;

е) сформировать реализации комплексных огибающих последовательности из 3-х OFDM символов и их суммы, построить графики огибающих импульсов и их суммы;

ж) сформировать реализацию комплексной огибающей суммы последовательности из большого числа OFDM символов для спектрального анализа;

з) получить оценки и построить графики спектральной плотности мощности комплексной огибающей OFDM сигнала, используя реализации комплексной огибающей, сформированные в предыдущем пункте задания;

и) построить график спектральной плотности мощности вещественного OFDM радиосигнала с несущей частотой .

Составленный при выполнении данного задания текст диалога с имитатором imitatorOFDM сохранить на жесткий диск ЭВМ в папке группы как файл с именем, в качестве которого использовать фамилию студента (строчные латинские буквы).

4. Подготовить отчет об экспериментальных исследованиях в лаборатории, содержащий:

- результаты предварительных расчетов основных параметров OFDM системы;

- оценки ширины спектра OFDM радиосигнала на уровне –3 и –40 дБ относительно максимального значения, полученные по графику спектральной плотности мощности вещественного OFDM радиосигнала;

- оценку уровня внеполосных излучений при расстройке относительно центральной частоты спектра вещественного OFDM сигнала на интервал частот, равный удвоенному значению ширины спектра радиосигнала;

- выводы о возможности реализации системы передачи с технологией OFDM c заданными в индивидуальном варианте параметрами, сформулированные письменно;выводыдолжны основываться на результатах экспериментальных исследований в лаборатории.

Содержание отчета

Письменный отчет должен содержать следующие 2 раздела:

1. Результаты предварительной подготовки к экспериментальным исследованиям в лаборатории (см. п.6 раздела 2.1);

2. Результаты экспериментальных исследований в лаборатории (см. п.4 раздела 2.2).

Методические указания по выполнению работы

Каждый студент выполняет индивидуальный вариант работы, номер которого определяется порядковым номером его фамилии в журнале академической группы.

Исследования способа формирования OFDM сигнала и получения оценки спектральной плотности мощности этого сигнала выполняются в процессе диалога с имитатором imitatorOFDM, который реализует все алгоритмы формирования комплексной огибающей такого сигнала для вводимых студентом параметров системы передачи. Следует обратить внимание, что имитатор выполняет необходимые вычисления с использованием реального масштаба как по оси времени (секунды), так и по оси частот (Герцы). Например, длительности OFDM символа и защитного интервала должны вводиться студентом в секундах, а частоты на всех графиках указаны в герцах.

Важно, чтобы число отсчетов на интервале ОДПФ было представимо целой степенью двойки, поскольку в этом случае в имитаторе используются быстрые алгоритмы спектрального анализа, что значительно сокращает время моделирования. Минимальное число таких отсчетов функционально связано с числом поднесущих колебаний, которое выбирается из других соображений. Поэтому обычно эти два требования одновременно удовлетворяются благодаря тому, что число поднесущих увеличивается формально до первого большего числа в виде степени двойки, но КАМ символы для этих добавленных поднесущих принимаются равными нулю.

Для уменьшения эффекта наложения спектров рекомендуется при лабораторных исследованиях выбирать число отсчетов на интервале ОДПФ в 2 – 4 раза больше, чем это достаточно для выполнения указанных выше требований. При увеличении частоты дискретизации улучшается также точность представления комплексной огибающей ее дискретными значениями.

Существенной особенностью имитатора является организация моделирования и всех вычислений с использованием понятия комплексной огибающей OFDM радиосигнала. Этот способ является традиционным при проведении реальных исследований в научных лабораториях и овладение им является хотя и попутной, но полезной для студентов задачей.

В системе MATLAB один отсчет сигнала представляется в цифровой форме при длительности соответствующего кодового слова, равной 4-м байтам, т.е. ошибкой квантования при проведении исследований в данной работе можно пренебречь.

Исследование в лаборатории выполняется с помощью системы MATLAB, целесообразность использования которой обусловлена тем, что в ней имеются встроенные специальные функции, обеспечивающие возможность вычисления значений исследуемых сигналов, их спектров и построение соответствующих графиков практически без программирования. Система MATLAB обеспечивает высокое качество графических представлений полученных результатов на экране монитора. Для данной лабораторной работы была составлена специальная программа imitatorOFDM, обеспечивающая диалог со студентом, необходимые вычисления и построения графиков, которые являются аналогами соответствующих функций в реальной оборудовании.

Специальные функции системы MATLAB, используемые в данной работе: subplot, plot, input, disp, figure, modmap, pwelch. Детальные сведения о правилах использования этих функций студент может получить из их описаний, которые содержатся в библиотеках системы MatLab.

Задания в данной работе используют лишь незначительную часть возможностей системы MATLAB и здесь студенты могут проявить широкую личную инициативу.

Защита работы производится за компьютером у экрана дисплея, на котором студент демонстрирует и поясняет вводимые им значения параметров системы передачи и полученные им в диалоге с имитатором графики, предъявляет отчет с результатами своих экспериментальных исследований.

Контрольные вопросы

1. Перечислите основные параметры радиосигнала с квадратурной амплитудной модуляцией (КАМ).

2. Объясните принцип “ортогонального частотного разделения каналов».

3. Что представляет собой комплексная огибающая одного OFDM-символа.

4. Поясните содержание термина «сигнальное созвездие». Нарисуйте возможные варианты сигнального созвездия.

5. Поясните способ выбора частотного интервала между значениями частот соседних поднесущих колебаний OFDM сигнала.

6. Что представляет собой префикс одного OFDM символа, каким образом он формируется?

7. Из каких соображений выбирается длительность защитного интервала времени между двумя соседними OFDM символами?

8. Что представляет собой процедура циклического продолжения поднесущих колебаний и какова цель этой процедуры?

9. Поясните принцип обеспечения ортогональности любых двух поднесущих одного OFDM символа при его формировании.

10. Поясните смысл термина “спектральная плотность мощности радиосигнала”.

11. Поясните используемый в работе способ снижения внеполосных излучений.

12. Что означает термин «мультиплексирование»?

13. Как определяется ширина спектра OFDM радиосигнала?

14. Как определяется пикфактор OFDM радиосигнала?

Литература

1. Волков Л.Н., Немировский М.С., Шинаков Ю.С. Системы цифровой радиосвязи. - М.: Экотрендз, 2005. – 390 с. (раздел 9.5)

2. Кетков Ю., Кетков А., Шульц М. MATLAB 6.x: программирование численных методов. – С.-Петербург.: БХВ-Петербург, 2004 -662 с.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1