Способ модуляции с одновременным использованием нескольких несущих частот, имеющий название OFDM (способ с мультиплексированием ортогональных частот), известен более 30 лет, однако в последние годы, с развитием цифрового ТВ вещания, преимущества этого способа модуляции оказались актуальны.
Основная идея, положенная в основу этого способа, заключается в следующем. Передаваемый цифровой поток модулирующего сигнала «распараллеливается» и передается по нескольким каналам - путем модуляции нескольких несущих. Число этих несущих выбирается так, чтобы необходимым образом сократить скорость передачи информации на каждой отдельной несущей. В результате достигается главное - на передачу одного символа на каждой отдельной несущей может быть отведено большее время. Настолько большее, чтобы сделать передачу каждого символа независимой от наличия отраженных сигналов, обусловленных так называемым «многолучевым» распространением радиоволн, что достаточно характерно для городских условий.
Рисунок 5.1 Пример демультиплексирования цифрового сигнала
На рис. 5.1 показан пример преобразования («распараллеливания») одного последовательного цифрового сигнала в пять отдельных сигналов путем демультиплексирования, что позволяет увеличить длительность передачи символа в каждом из пяти сигналов в пять раз. Далее, каждый из полученных таким образом сигналов с уменьшенной скоростью передачи символов модулирует соответствующую несущую, число которых равно числу модулирующих сигналов. При этом допускается фазовая (PSK) или квадратурная амплитудная (QAM) модуляция каждой несущей. Сами несущие частоты при этом выбираются из следующих соображений:
• число несущих должно быть таким, чтобы при неизменной скорости потока данных на входе модулятора OFDM увеличить до требуемой величины время передачи одного символа на каждой несущей;
• несущие должны быть достаточно близки по частоте друг к другу, чтобы сократить занимаемую полосу частот канала связи;
• частоты несущих должны быть выбраны так, чтобы они не создавали взаимных помех.
Последнее условие выполняется, если частоты удовлетворяют требованию ортогональности. Физический смысл этого требования заключается в следующем: спектр каждой несущей после модуляции должен иметь «нули» на частотах, на которых расположены остальные несущие. Выполнение этого условия обеспечивает отсутствие взаимных помех и независимую передачу информации на каждой несущей.
На рис. 5.2 показан спектр одной несущей в результате модуляции ее сигналом прямоугольной формы.
Рисунок 5.2 Огибающая спектра одной несущей с номером k при модуляции OFDM
Исходя из условия ортогональности, частоты несущих должны располагаться на оси частот с шагом, обратным величине Ts- времени передачи одного символа. При этом значения каждой частоты определяются выражением:
fk = f0 + k , (5.1)
где k = 0, 1, 2, ..., n - 1, N.
Таким образом, получается ряд частот, расположенных равномерно и с общим спектром, достаточно близко приближающимся к прямоугольной форме, что позволяет эффективно использовать частотный канал передачи (рис. 5.3).
Рисунок 5.3 Спектр передаваемого сигнала при модуляции OFDM
Важным фактором при таком способе модуляции является так называемая «межсимвольная интерференция» (ISI), или, по существу, перекрестные искажения. Модуляция OFDM позволяет применить простой прием для борьбы с этим явлением: при увеличении количества несущих частот время на передачу одного символа также увеличивается. Этого увеличения оказывается достаточно для того, чтобы ввести между передаваемыми символами так называемый «защитный интервал» (GI) (рис. 5.4).
В пределах защитного интервала передается как бы возвращённая назад во времени копия последующей части символа. Таким образом, время, затрачиваемое на передачу одного символа OFDM, состоит из интервала передачи полезной информации и защитного интервала:
TGS = ТG + TS, (5.2)
где TGS- время, затрачиваемое на передачу одного символа; TG- защитный интервал; TS - время передачи полезной информации.
Рисунок 5.4 Назначение защитного интервала при модуляции OFDM
Процесс формирования полного символа ОFDМ, включающего защитный интервал, схематично показан на рис. 5.5.
Рисунок 5.5 К пояснению формирования полного символа ОFDМ
Правильный выбор длительности защитного интервала позволяет в определенных пределах устранить помехи, вызываемые эхо-сигналами. На рис. 5.6 показаны временные интервалы для основного сигнала и двух его эхосигналов. Задержка первого эхосигнала находится в допустимых пределах, и переходные процессы из-за стыка двух символов приходятся на защитный интервал основного сигнала, не искажая его полезную часть. Напротив, если второй эхосигнал задержан свыше допустимых пределов, то его переходная зона приходится на полезную часть основного сигнала, т.е. защита не обеспечивается.
Рисунок 5.6 Временные интервалы основного и двух эхосигналов
Рис. 5.7 иллюстрирует суммирование нескольких задержанных сигналов с образованием мешающего сигнала, устраняемого за счет защитного интервала. На рисунке помимо основного сигнала показаны отраженные эхосигналы 1; 2 и сигнал соседнего передатчика одночастотной сети (эхосигнал 3). В приемник поступает сумма этих четырех сигналов. При выборе времени ТG больше времени импульсной реакции канала или времени задержки распространения, МСИ существенно снижается, т.к. все переходные процессы от нежелательных сигналов завершаются в пределах защитного интервала. Заметим, что даже при наличии защитного интервала интерференция между несущими сохраняется. Т.к. введение защитного интервала снижает пропускную способность системы, то обычно на практике его длительность не превышает одной четверти от длительности символа.
Рисунок 5.7 Защитный интервал в символе ОFDМ
Примерная структурная схема модулятора OFDM показана на рис. 5.8. Для формирования каждой из используемых несущих частот необходим свой задающий генератор. Так может осуществляться способ модуляции OFDM при небольшом количестве несущих, однако применительно к передаче цифрового ТВ сигнала количество несущих частот на выходе модулятора может составлять несколько тысяч, поэтому при построении модулятора было найдено оригинальное решение, позволившее избежать изготовления такой многоканальной системы передачи. Дело в том, что каждая несущая ответственна за соответствующую часть общего спектра сигнала на выходе модулятора. В радиотехнике известен прием синтеза сложного сигнала из отдельных гармонических составляющих. Таким приемом является обратное преобразование Фурье. Существуют хорошо отработанные алгоритмы, позволяющие использовать такие преобразования в минимальное время и с минимальными вычислительными затратами.
Рисунок 5.8 Формирование сигнала OFDM
На рис. 5.9 показан пример формирования сигнала OFDM с помощью обратного быстрого преобразования Фурье (ОБПФ), которому подвергается входной цифровой поток. После ОБПФ обе части вычисленного преобразования, вещественная и мнимая, переводятся в аналоговую форму, проходя ЦАП и ФНЧ для удаления высокочастотных продуктов, затем поступают в преобразователь частоты, где умножаются соответственно на основной и квадратурный сигналы - гармоническое колебание частоты f0. Это позволяет после сумматора получить спектр сигнала OFDM, смещенный на частоту f0. Такая операция соответствует преобразованию частоты, необходимому при формировании радиосигнала для выбранного канала вещания.
Рисунок 5.9 Формирование радиосигнала OFDM с помощью обратного быстрого преобразования Фурье
Следует отметить, что данный способ модуляции имеет еще один «резерв» повышения помехоустойчивости. В процессе формирования передаваемого сигнала, содержащего несколько несущих, может оказаться так, что следующие друг за другом последовательно во времени символы модулируют соседние по частоте несущие. Это обстоятельство неблагоприятно влияет на устойчивость такой системы передачи к помехам, поражающим сразу определенный диапазон частот (рис. 5.10).
Рисунок 5.10 Воздействие помех при передаче сигнала OFDM
Один из вариантов способа модуляции OFDM, известный под названием COFDM, предполагает «перемешивание» передаваемых символов во времени таким образом, что следующие друг за другом символы полезной информации на передающей стороне модулируют те несущие, номера которых предписываются специальной заранее определенной последовательностью. Эта последовательность точно выдерживается на передающей стороне и, в обратном порядке - в приемном устройстве. Такая мера позволяет сделать данный способ передачи информации практически нечувствительным к различного рода замираниям, а также помехам, исключающим на короткое время возможность использования какого-либо участка диапазона частот.
Особенностью модуляции ОFDМ является повышенная неравномерность уровня мощности группового модулированного сигнала. На рис. 5.11 показан результат суммирования пяти немодулированных несущих различных частот. Их суммарный сигнал имеет сильную неравномерность амплитуды. Отношение пиковой к средней мощности в каждом субканале системы ОFDМ также как и для систем с одиночной несущей зависит только от вида сигнального созвездия и коэффициента скругления спектра α. Теоретически различие в значениях отношений пиковой мощности к средней для полного спектра системы СОFDМ и системы с одиночной несущей составляет Δ(РМ/Р0)=10 lgN, где N - число несущих. При N = 1000 разница должна составить 30 дБ.
Рисунок 5.11 Сумма несущих ОFDМ
Однако практически за счет рандомизации данных скремблированием и других преобразований структуры потока теоретическое значение может быть достигнуто в очень редких случаях, в частности, при больших размерах сигнального созвездия. Т.к. скремблированный сигнал ОFDМ может рассматриваться как последовательность независимых одинаково распределенных несущих, то согласно центральной предельной теореме теории вероятностей при большом числе несущих (N ≥ 20) их распределение приближается к гауссовскому. При этом вероятность того, что превышение пиковой мощности над средней мощностью составит 9,6 дБ, равна 0,1%, а что превышение составит 12 дБ - менее 0,01%.
ЛИТЕРАТУРА
Основная
1. Телевидение: Учеб. для студ. вузов, обучающихся по направлению "Телекоммуникации", спец. "Радиосвязь, радиовещание и телевидение"/ ред. Джакония В.Е.. - 2-е изд.. - М.: Горячая линия - Телеком, 2002. - 639с.
2. Основы электроники, радиотехники и связи: учеб. пособие/ А.Д. Гуменюк [и др.]; под ред. Г.Д. Петрухина. - М.: Горячая линия - Телеком, 2008. - 480 с.
3. Мамчев Г.В. Основы радиосвязи и телевидения: учеб. пособие для студ. вузов/ Г.В. Мамчев. - М.: Горячая линия - Телеком, 2007. - 414 с.
4. Телекоммуникационные системы и сети: в 3-х т.: учеб. пособие для студ. вузов связи и колледжей. - 3-е изд., испр. и доп. - М.: Горячая линия - Телеком. - 2005. - Т.1: Крук Б.И. Современные технологии/ Б.И. Крук, В.Н. Попантонопуло, В.П. Шу-валов. - 2005. - 647 с.
5. Телекоммуникационные системы и сети: учеб. пособие для студентов вузов связи и колледжей: в 3 т./ Г.П. Катунин, Г.В. Мамчев, В.Н. Попантонопуло, В.П. Шувалов. - 2-е изд., испр. и доп.. - М.: Горячая линия -Телеком. - 2004. Т. 2: Радиосвязь, радиовещание, телевидение. - 2004. - 672 с.
6. Птачек М. Цифровое телевидение. Теория и техника: научное издание/ Птачек М. - М.: Радио и связь, 1990. - 528с.
7. Амочаева Г.Г. Электронный конспект лекций.
Дополнительная
1. Андердал К. Цифровое видео для "чайников": пер. с англ./ К. Андердал. - 3-е изд. - М.: Вильямс: Диалектика, 2005. - 346 с.
2. Блейк Б. 50 эффективных приемов создания и обработки цифрового видео: научное издание/ Б. Блейк, Д. Сахлин. - М.: Вильямс: Диалектика, 2006. - 399 с.
4. Внедрение цифрового телерадиовещания: проблемы, ключевые факторы успеха: научное издание/ под ред.: Ш. Ж. Сеилова, Ш. Ж. Бутенко. - Астана: Елорда, 2009. - 359 с.
5. Гусятинский И. А. Радиосвязь и радиовещание: научное издание/ Гусятинский И.А., Пирогов А.А.. - М.: Сов. радио, 1974. - 174с.
, (5.1)
