OFDM، حاملها، فرکانسی، مدولاسیون، سمبل، فرکانس

فرستنده که اصطلاحاً با نام فرستندههای مغتنم نیز شناخته میشوند از سیگنالهای متفاوتی مانند سیگنال FM، سیگنال آنالوگ تلویزیون، DAB، DVB و سیگنال موبایل برای کشف و ردگیری اهداف استفاده میشود]4[.
از علل علاقهمندی و رویکرد به سیگنال DVB-T در رادارهای پسیو میتوان به مواردی اشاره کرد از جمله اینکه فرستندههای سیگنال دیجیتال تلویزیونی، سیگنالی با قدرت و کیفیت خوب و بالا با کمترین هزینه ممکن از دید راداری ارسال میکنند. این سیگنال پهنای باند کافی برای تامین قدرت رزولوشن در برد مناسب را دارا است، این سیگنال به نوعی شبیه نویز است و این امر کمک به قابلیت فشردگی در برد و تخمین مناسب داپلر میکند. خواص آماری سیگنال در طول زمان دارای ثبات است، این سیگنال دارای ابهام کمتر در برد و داپلر نسبت به مدولاسیونهای دیگر میباشد، فرستنده در این سیگنالینگ دارای پوششی همه جهته میباشد.
پهنای باند زیاد و در نتیجه داشتن رزولوشن بالا در برد (High Range Resolution) در این سیگنالینگ قابل توجه است، در جدول زیر رزولوشن در برد برای چند دسته از رادارهای پسیو مبتنی بر چند نوع سیگنال بیان شده است. همانطور که مشخص است رزولوشن در برد در رادارهای پسیو مبتنی بر سیگنال DVB-T بسیار کمتر از رادارهای پسیو مبتنی بر دیگر سیگنالها میباشد]7-6-5[.
جدول شماره 1-1: قابلیت رزولوشن در برد برای چند سیگنالینگ مختلف
20-40 m DVB-T
200 m DAB
3 km Analog TV
1.5 up to 6 km FM Radio
1-3- ساختار پایاننامه
با توجه به هدف این پایان نامه که حذف تداخل در کانال مرجع رادار پسیو مبتنی بر سیگنال پخش تلویزیون دیجیتال توسط فرستندههای زمینی با رویکرد بازتولید میباشد، بر این تلاشیم جهت بررسی کارایی گیرندهی مورد نظر منحنی احتمال خطای آشکارسازی سمبلها را بر حسب نسبت توان سیگنال به توان نویز برای روشهای مختلف تخمین کانال ترسیم نموده و همچنین برای بررسی دقیقتر کارایی الگوریتمهای پیشنهادی منحنی اتلاف تضعیف کلاتر در گیرندهی مراقبت رادار پسیو مبتنی بر سیگنال DVB-T را نیز ترسیم نماییم. در فصل دوم این پایاننامه ابتدا به ساختار فرستنده و گیرندهی فریم OFDM و استفاده از این ساختار در سیگنال DVB-T خواهیم پرداخت، در فصل سوم نیز به آشنایی با پخش زمینی تلویزیون دیجیتال خواهیم پرداخت و در فصل چهارم شبیهسازی گیرندهیDVB-T و بازتولید سیگنالDVB-T ارائه خواهد شد و نیز مسائلی که در رابطه با موضوع حذف سیگنالهای تداخلی در کانال مرجع در رادار پسیو مبتنی بر سیگنال DVB-T با استفاده از روش بازتولید با آن مواجه هستیم از جمله عدم تعادل مولفهی همفاز و متعامددر فرستنده، عدم یکنواختی پاسخ فرکانسی، خطا در تخمین فرکانس حامل جهت بازتولید، یافتن نرخ خطای مناسب(BER) بر حسب نسبت سیگنال به نویز(SNR) بررسی و شبیهسازی خواهد شد. در انتها فصل پنجم را به نتیجهگیری و ارائهی پیشنهاداتی برای کارهای آینده اختصاص خواهیم داد.
فصل دوم
2- ساختار فرستنده و گیرندهی فریم OFDM
و استفاده از این ساختار این فریم در سیگنال DVB_T
2-1- مقدمه ای برOFDM
در این فصل به بیان مفاهیم پایهای سیستمهای OFDM میپردازیم.
روشهای رایج برای انتقال سیگنال در فرکانسهای رادیویی مبتنی بر مدولاسیون سیگنال اطلاعات بر روی یک سیگنال تکحاملی وجود دارد. طرحهای مختلف مدولاسیون دیجیتال از یک حامل تکی برای ارسال اطلاعات استفاده میکردند. نوعی مدولاسیون وجود دارد، که در صنایع نظامی استفاده می‌شده که چند تونی نامیده میشود، به این صورت که یک بازه فرکانسی را به چندین فرکانس حامل یا به عبارت علمیتر زیرحامل تقسیم می‌کردند و بر روی هرکدام از این زیر حامل‌ها بخشی از اطلاعات را ارسال می‌کردند. تسهیم تقسیم فرکانس FDM تکنیکی است که در بسیاری کاربردها برای انتقال چندین سیگنال مختلف پیام بر روی حاملهای مختلف استفاده میگردد. در واقع حروف FDM در عنوان OFDM از این واقعیت ناشی میشود که هزاران حامل مجاور هم به وسیلهی یک مدولاتور OFDM در عرض باند یک کانال بهطور همزمان ایجاد میشوند. هر حامل در یک فرکانس ثابت و مستقل از یکدیگر قرار گرفته است و فاصلهی حاملها از هم مستقیما به نرخ مؤثر دادههای ارسالی بستگی دارد.
با تقسیم اطلاعات میان تعداد زیادی از حاملهای مجاور هم، به آسانی میتوان تعیین کرد که هر حامل تنها سهم کوچکی از کل سیگنال اطلاعات را دربر میگیرد و این موضوع موجب میشود که نرخ اطلاعات هر حامل برای یک مدولاسیون مشخص (نظیر QPSK,64-QAM) و همچنین اندازهی پریود سمبل روی هر حامل را کاهش میدهد این بدان مفهوم است که چنانچه مابین سمبلها تداخل به وجود آید، درصد کمی از سمبلها تحت تاثیر قرار خواهند گرفت. بهطوریکه سبب افزایش تعداد حاملها و افزایش پریود سمبل میگردد.
سیستمهای انتقال تلفنی ساده نیز از FDM استفاده مینمایند و به طور مشابه چندین کانال تلویزیونی آنالوگ به صورت همزمان روی کانالهای مختلف RF پخش و ارسال میگردند. در تمام این سیستمها از باندهای محافظ برای تسهیل در دریافت توسط گیرنده مابین سیگنالهای RF ( کانالها) روی فرکانسهای مختلف استفاده میشود. با اینوجود امکان تقسیم یک رشته سیگنال اطلاعات به قسمتهایی با اندازهی کوچکتر اطلاعات وجود دارد. بهطوریکه هر قسمت دارای نرخ اطلاعات بسیار پایینتری نسبت به سیگنال اصلی میباشد و هر قسمت برای مدولاسیون روی یک حامل تکی از تسهیم مجموعه حاملهای تسهیم شده ( چندحاملی) میتواند استفاده شود.
مزیت این روش یکی ارسال داده به صورت موازی بود و دیگر غلبه بر محو شدگی فرکانس گزینمیباشد، چرا که در این حال هر قسمتی از دیتا روی بازهی کوچکی از باند فرکانسی حمل می‌شود که این نوع محو شدگی روی این بازهی کوچک عملا به صورت خطی ظاهر می‌شود و قابل جبران شدن و نهایتا استخراج سیگنال است. دلیل بهرهگیری از باند محافظ آنست که فیلترهای ساخته شده در گیرندهها نمیتواند حاملهای نزدیک هم را جداسازی کنند، و در نتیجه در گیرنده همشنوایی یا تداخل بین حاملها پیش خواهد آمد. در واقع مدل مدولاسیون چند تونی باعث می‌شود که هرکدام از این زیر حاملها «دو به دو» با هم متعامد باشند و در نتیجه به دلیل قابلیت تفکیک پذیری زیرحامل‌ها که متاثر از این خاصیت به وجود می‌آید می‌توان آنها را به گونه‌ای در کنار هم چید که بر روی هم همپوشانی داشته باشند چیزی که در حالت چند تونی امکان نداشت. براحتی می‌توان دریافت که بر اساس این قابلیت منطقا در یک بازه فرکانسی نسبت به حالت چند تونی می‌توان تعداد بالاتری از زیرحاملها ایجاد کرد و این خود به معنی امکان ارسال نرخ بیت بیشتر در پهنای باند فرکانسی کمتر است مثلا ارسال Mbps30 در MHz6 که نسبت این دو یعنی عدد ۵ بعنوان بهرهوری فرکانسی مطرح می‌شود. البته این بخشی از توانایی‌های این نوع مدولاسیون است توانایی غلبه بر محوشدگی چند مسیره، محوشدگی فرکانس گزین، … از دیگر مزایای استفاده از این سیستم است]8[.
تعامد، یک تکنیک معمولی استفاده شده برای تضمین آنست که دو سیگنال که یک پهنای باند را اشغال میکنند میتوانند توسط یک گیرنده مستقل از هم باشند. شرط تعامد ذکر شده در تکنیک مدولاسیون OFDM مستلزم یک ارتباط ثابت و معین بین تمام زیرحاملهای مجاور هم است. لازمهی یک سیستم OFDM آن است که حاملها در مجاور هم آرایش یابند، به طوریکه باندهای کناری هر حامل روی هم افتاده، میتواند بدون تداخل حامل دریافت شود. از این روست که حاملها بایستی متعامد باشند. تعامد موجود بین زیرحاملها در هر دو حوزهی زمان و فرکانس وجود دارد. از دیدگاه حوزهی زمان، مفهوم عمود بودن در تقسیم فرکانس به تعامد سیگنالها اشاره دارد که به یک تعریف ریاضی برمیگردد، که در آن هر گاه دو تابع سینوسی در هم ضرب شوند، انتگرال این حاصلضرب روی هر پریود زمانی برابر صفر خواهد بود. به صورت ریاضی دو شکل موج x و y بر هم عمودند اگر همبستگی متقابل آنها در بازهی زمانی به صورت زیر باشد:
(2-1)
همچنین از دیدگاه حوزهی فرکانس، در OFDM طیف فرکانسی زیرحامل ها با همدیگر همپوشانی دارند، اما طیف فرکانسی آن ها به گونهای انتخاب میشود که بر یکدیگر عمود باشند. بدین معنی که در نقطهی ماکزیمم طیف فرکانسی هر زیرحامل، طیف فرکانسی زیرحاملهای دیگر صفر است و هر حامل طوری قرار گرفته است که اگر یک حامل دارای انرژی ماکزیمم باشد مابقی حاملها در آن نقطه فرکانسی دارای انرژی صفر خواهند شد. تعامد اجازه میدهد که برخلاف FDM، با هم همپوشانی داشته باشند. هم پوشانی زیرحاملها یک مزیت برای OFDM محسوب میشود، زیرا در اثر آن OFDM از نظر طیف فرکانسی و پهنای باند مورد استفاده دارای راندمان و کارایی بیشتری نسبت به تکنیکهای اولیهی مخابرات چندحاملی است. شکل 2-1 بیانگر این موضوع میباشد.

شکل(2-1) مقایسهی ذخیرهی پهنای باند در سیستم OFDM و FDM
ناگفته نماند که در عین حال این سیستم نسبت به رفتارهای غیر خطی بخصوص در حوزهی فاز سیگنال بسیار حساس و آسیب پذیر است به همین دلیل معمولا تقویت کننده‌های توان در این نوع سیستم‌ها بسیار گرانقیمتتر از نوعی است که در مدولاسیونهای دیگر مثل DSSS یا FHSS ( طیف گسترده) استفاده می‌شوند. قابل ذکر است که همانطور که در ابتدا گفته شد OFDM نوعی کدگذاری باند پایه ‌است و برای ارسال آن باید از یکی از روشهای DPSK، QPSK، یا nQAM که (….۱۶٬۶۴٬۱۲۸n=) استفاده کرد. یکی از نقاط ضعف این مدولاسیون، نیاز به دقت بالای تطبیق فرکانس و فاز در گیرنده و فرستنده میباشد، برای مقابله با آن از COFDM استفاده میشود.
عملا در OFDM چند بیت اضافه برای یافتن تصحیح خطا اختصاص داده میشود، حرف C در عنوان COFDM مرجعی است که برای کدگذاری کانال استفاده شده به وسیلهی شکل مدولاسیون COFDM برای مقابله با محوشدگی ایجاد شده در حاملها توزیع سیگنال داده بر روی تعداد زیادی از زیرحاملها بدان معنی است که محوشدگی قسمتی از آنها سبب خواهد شد بعضی بیتهای دریافت شده با خطا همراه شده باشند، در حالیکه برخی دیگر بدرستی دریافت میگردند. بنابراین با بهکارگیری کد تصحیح خطا که به رشته بیتهای اطلاعات ارسالی در فرستنده افزوده میگردد. اطلاعات حمل شده به وسیلهی هر کدام از حاملها که ازبین رفته است قابل تصحیح است زیرا با استفاده از کد حفاظت در مقابل خطا اطلاعات بخش دیگری که وابسته به آن است (با استفاده از روشهای میانگذاری) به قسمتی دیگر از مجموعه حامل انتقال مییابند. ( توزیع تصادفی خطا مابین کل رشتهی بیت ارسال شده). روش COFDM به صورت مشخص از سیستم کدگذاری کانولوشنال ویتربی به عنوان کد تصحیح خطا استفاده مینماید. چنانچه کدگذاری کانال بهکار برده نشود محوشدگی حامل (که در تمام ارسالهای RF معمول است) بازدهی BER ( نرخ خطای بیت) را کاهش خواهد داد، در واقع هر چند در تمام شرایط محوشدگی با بکارگیری یک کد ویتربی قوی سیستم را مقاومسازی مینمایند، اگر توزیع تصادفی سیگنال میان حاملها در لحظات زمانی مختلف استفاده نشود، سیستم بدرستی کار نخواهد کرد.
برای این که گیرنده بتواند داده ها را دیمدوله کند، بایستی زمان سمبل آن قدر طولانی باشد که باشد، به این شرط، شرط تعامد میگوییم. پارامترهای اساسی در استاندارد OFDM IEEE 802.11a به طور مختصر در جدول شماره 1-2 آورده شده است ]8[.
جدول شماره 2-1: پارامترهای اساسی در استاندارد OFDM IEEE 802.11a

2-2- ساختارفرستنده و گیرندهی OFDM
در این بخش به توصیف ساختار کلی فرستنده و گیرنده میپردازیم. شکل (2-2)، ساختار کلی فرستنده و گیرندهی OFDM را نشان میدهد.

شکل(2-2) ساختار فرستنده و گیرندهی OFDM
همانطور که در شکل (2-2) مشاهده میشود، ابتدا دادههای باینری مدوله شده و از حالت رشته دادهی سریال به حالت موازی تبدیل شده و پایلوتها به دادهها اضافه میشوند. سپس پس از عبور از بلوک IFFT، پیشوند چرخشی به دادهها اضافه شده و رشته داده از حالت موازی به سریال تبدیل شده و در کانال ارسال میشود. در گیرنده نیز ابتدا رشته داده از حالت سریال به موازی تبدیل شده و پیشوند چرخشی حذف شده و پس از عبور از بلوک FFT و همسانسازی کانال با استفاده از پایلوتها و تبدیل به رشته دادهی سریال، دیمدولاسیون صورت گرفته و دادهها استخراج میشوند.
2-2-1- پریود سمبل، فواصل و فضای حامل
پریود زمانی یک سمبل OFDM شامل یک زمان فعال و پریود زمانی محافظ میتواند باشد. با COFDM، داده بین زمان سمبلهای فعال تقسیم میشود. زمان فعال سمبل میتواند نشاندهندهی وضعیت مدولاسیون بهکار برده به یک حامل معین برای یک پریود زمانی مشخص باشد (همچنین میتواند نشانگر تعداد یا تمام حاملها در یک لحظه زمانی خاص باشد).
شکل (2-3)، نحوهی استفاده از پیشوند چرخشی را نشان میدهد. همانطور که مشاهده میشود، یک فاصلهی محافظ به صورت ( یا بعضی اوقات به صورت Tg) که قسمتی از پریود زمانی کل سمبل میباشد، در هنگامی که دادهی جدید روی حاملها مدوله نشده است، تعریف میشود. این فاصلهی محافظ امکان دریافت سیگنال در محیط چندمسیره را فراهم میسازد، که در آن سیگنالهای تاخیر یافته به شکل یک دریافتی مرکب درمیآیند. در دورهی زمانی این فاصلهی زمانی هر سیگنال که با تاخیر دریافت میشود بدون ایجاد تداخل، به صورت سازنده بدون هیچگونه تداخل به سیگنال اصلی افزوده میشود. برای جلوگیری از تداخل بین سمبلی (ISI) باید زمان از ماکزیم پخش زمانی کانال بیشتر باشد.

شکل(2-3) استفاده از پیشوند پرخشی برای جلوگیری از ISI بین سمبل های OFDM
در رابطه (2-2) زمان یک سمبل مشاهده شده است، باید توجه داشت که استفاده از فاصلهی محافظ در یک سمبل، کل مدت زمان آن را افزایش میدهد و به دلیل آنکه اطلاعات یکسان در حین فاصلهی محافظ پخش میشود، موجب کاهش ظرفیت سمبل میگردد. همانطوری که در جدول شماره 2-2 مشاهده میشود، مدت فاصلهی محافظ برای یک حالت مدولاسیون ثابت و نرخ کد داخلی در ازای کاهش ظرفیت سیستم افزایش مییابد.
(2-2)
حاملها با معکوس زمان فعال () در حوزهی

این نوشته در پایان نامه ها ارسال شده است. افزودن پیوند یکتا به علاقه‌مندی‌ها.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *