Цифровой ofdm модулятор с интерполяцией частоты дискретизации

Полезная модель относится к широкополосным системам связи, в которых используются ортогональное частотное разделение со многими поднесущими. Это могут быть многопользовательские системы фиксированной и мобильной связи на основе технологий OFDM и MC-CDMA. Сущность полезной модели заключается в том, что в устройстве цифрового OFDM модулятора с интерполяцией частоты дискретизации, содержащем последовательно соединенные преобразователь из последовательных символов данных в параллельные, блок обратного быстрого преобразования Фурье, преобразователь из параллельных символов в последовательные, выход которого соединен с входом расширителя OFDM символа защитным интервалом, синфазный (I) и квадратурный (Q) каналы, выполненные идентично и состоящие из последовательно соединенных цифровых фильтров нижних частот с конечной импульсной характеристикой и перемножителей, цифровой генератор опорных колебаний промежуточной частоты, выход которого подключен к другому входу перемножителя Q канала и через фазовращатель на 90 градусов - к другому входу перемножителя I канала, а выходы перемножителей I и Q каналов через сумматор соединены с цифро-аналоговым преобразователем, размерность блока обратного быстрого преобразования Фурье увеличена в 2^m раз, а выходы расширителя OFDM символа защитным интервалом подключены к соответствующим входам цифровых фильтров нижних частот I и Q каналов.

Настоящая полезная модель относится к широкополосным системам связи, в которых используется ортогональное частотное разделение со многими поднесущими (OFDM). Это могут быть многопользовательские системы фиксированной или мобильной связи на основе технологий OFDM и MC-CDMA (многочастотного кодового разделения).

Наиболее близким аналогом является устройство цифрового OFDM модулятора с интерполяцией частоты дискретизации [1]. Данное устройство содержит последовательно соединенные преобразователь из последовательных символов данных в параллельные, блок обратного быстрого преобразования Фурье (IFFT) размерности N=2ⁿ, преобразователь из параллельных символов в последовательные и расширитель OFDM символа защитным интервалом, выход которого подключен ко входам синфазного (I) и квадратурного (Q) каналов, выполненных идентично и состоящих из последовательно соединенных интерполяторов, цифровых фильтров нижних частот с конечной импульсной характеристикой и перемножителей, цифровой генератор опорных колебаний промежуточной частоты, выход которого соединен с другим входом перемножителя Q канала и через фазовращатель на 90 градусов - с другим входом перемножителя I канала, а выходы перемножителей I и Q каналов через сумматор соединены с цифро-аналоговым преобразователем.

Этот цифровой OFDM модулятор работает следующим образом. Входной поток данных со скоростью В бит/с подается на преобразователь из последовательных символов в параллельные, в котором он разделяется на К потоков со скоростью В/К бит/с в каждом, а затем поступает на N-входовый блок IFFT размерности N. Отношение K/N

определяет защитный интервал и выбирается порядка 0,7-0,8, что является достаточным для подавления вредных краевых эффектов на концах спектра. Остальные N-К входов блока IFFT дополняются нулями [2]. Выходной сигнал блока IFFT преобразуется из параллельных символов в последовательные, а затем поступает на вход расширителя OFDM символа защитным интервалом, где производится вставка в начало OFDM символа копии некоторой его заключительной части. Далее комплексный сигнал, разделенный на действительную и мнимую составляющие, поступает на соответствующие входы интерполяторов I и Q каналов, в которых осуществляется повышение частоты дискретизации BN/К в L=2^m раз. В результате на выходах этих интерполяторов образуются сигналы, имеющие периодический спектр с периодом Lf_d, где f_d =BN/К - частота дискретизации на выходе блока IFFT. В цифровых фильтрах нижних частот каждого из каналов происходит формирование I и Q спектров OFDM символа на видеочастоте, которые переносятся на квадратурные составляющие цифрового опорного генератора промежуточной частоты f_пр, а затем суммируются. Для этой цели сигналы с выходов фильтрах нижних частот I и Q каналов подаются на первые входы перемножителей I и Q каналов, тогда как на вторые их входы подаются сдвинутые относительно друг друга на 90 градусов сигналы цифрового опорного генератора промежуточной частоты. С выхода сумматора цифровой сигнал на промежуточной частоте поступает на вход устройства цифро-аналогового преобразователя.

Согласно [3] применение интерполяторов I и Q снижает требования к амплитудно-частотной характеристике канальных цифровых фильтров нижних частот за счет соответствующего повышения частоты среза. На Фиг.1 показаны спектры IFFT сигналов до (а) и после (б) интерполяции при L=4.

Недостатком данной схемы цифрового OFDM модулятора с интерполяцией частоты дискретизации является его аппаратная сложность, обусловленная реализацией интерполяторов I и Q каналов, увеличивающаяся с ростом L.

Технический результат данной полезной модели заключается в существенном упрощении цифрового OFDM модулятора с интерполяцией частоты дискретизации, выражающемся в уменьшении числа дискретных логических элементов (вентилей), а также потребляемой мощности устройства. Указанный технический эффект достигнут за счет исключения из схемы цифрового OFDM модулятора интерполяторов I и Q каналов и реализации операции интерполяции сигнала в блоке IFFT увеличенной размерности. С этой целью размерность блока IFFT выбирается равной L·N, где L=2^m. При этом на его К входов, так же как в устройстве прототипе, поступает параллельный поток данных, а на его другие NL-K входы подаются нули. Диаграмма, характеризующая распределение «информационных» и «нулевых» входов блока IFFT показана на Фиг.2. В этом случае значения IFFT сигнала размерности L·N, взятые с шагом выборки К/BN, начиная с первого, в соответствии со свойством обратного преобразования Фурье будут совпадать с соответствующими значениями IFFT сигнала размерности N. При этом значения остальных L-1 временных отсчетов с шагом К/BNL будут интерполяцией значений отсчетов с шагом К/BN.

С учетом того, что число «нулевых» входов блока IFFT составляет не менее половины от его размерности, реализация блока IFFT размерности L·N усложняется незначительно относительно выигрыша, к которому приводит исключение канальных интерполяторов. Обычно на практике L выбирается равной 4 или 8. При этом наибольшая эффективность достигается в случае L=2.

На Фиг.3 показана предлагаемая блок-схема устройства цифрового OFDM модулятора с интерполяцией частоты дискретизации. Он содержит преобразователь 1 из последовательных символов в параллельные, блок 2 IFFT размерностью 2 ^n+m, преобразователь 3 из параллельных символов в последовательные, расширитель 4 OFDM символа защитным интервалом, цифровые фильтры нижних частот 5-6 с конечной импульсной характеристикой I и Q каналов, цифровой генератор 7 опорных колебаний

промежуточной частоты f_пр, фазовращатель 8 на 90 градусов, перемножители 9-10 I и Q каналов, сумматор 11 и цифро-аналоговый преобразователь 12.

Устройство работает следующим образом. Входной поток данных со скоростью В бит/с распараллеливается на К потоков со скоростью В/К бит/с в преобразователе 1 и поступает на К входов блока 2 IFFT размерности 2^n+m , на другие 2^n+m - К входов которого подаются нули. В преобразователе 3 осуществляются обратное преобразование OFDM сигнала из параллельного кода в последовательный. Далее в расширителе 4 производится расширение OFDM символа за счет вставки перед его началом защитного интервала, представляющего собой копию заключительной части OFDM символа. Затем комплексный OFDM сигнал делится на действительную и мнимую составляющие, которые подаются параллельно на соответствующие цифровые фильтры нижних частот 5 и 6 с конечной импульсной характеристикой I и Q каналов. В этих фильтрах осуществляется фильтрация OFDM сигнала от мешающих дискретных периодических спектров на частоте дискретизации f_d·i, i>1. Генератор 7 и фазовращатель 8 формируют сдвинутые на 90 градусов относительно друг друга sin и cos составляющие опорного колебания на промежуточной частоте f_пр в цифровой форме. В перемножителях 9-10 I и Q каналов и сумматоре 11 происходит перенос комплексного спектра OFDM сигнала на промежуточную частоту f _пр, причем берется только реальная составляющая спектра OFDM сигнала на промежуточной частоте. Далее OFDM сигнал подается на вход цифро-аналогового преобразователя 12, с выхода которого в аналоговой форме он поступает в высокочастотный блок.

Полезная модель может быть осуществлена на соответствующей элементной базе по типовым технологиям.

Источники информации:

1. Е.Р.Laurey. Adaptive techniques for multiuser OFDM. Thesis for the degree of doctor of philosophy in Electrical and computer Engineering. School of Engineering, James Cook University, Australia, 201, pp.22, 27.

2. Standard 802.16a-2003 for local and metropolitian area networks. Part 16: Air Interface for fixed. IEEE broadband wireless Access Systems Amendment 2: Medium Access Control modifications and additional physical layer specifications for 2-11 HGz, pp.139-140.

3. H. Schuire and С.Luders. Theory and applications of OFDM and CDMA. John Wiley&Sons. Ltd, 2005, p.162.

Устройство цифрового OFDM модулятора, содержащее преобразователь из последовательных символов данных в параллельные, блок обратного быстрого преобразования Фурье, преобразователь из параллельных символов в последовательные, расширитель OFDM символа защитным интервалом, два I-Q канальных фильтров нижних частот с конечной импульсной характеристикой, цифровой генератор опорных колебаний промежуточной частоты, фазовращатель на 90°, двухвходовые канальные перемножители, сумматор и цифроаналоговый преобразователь, отличающееся тем, что выходы расширителя OFDM символа непосредственно соединены с входами канальных I-Q фильтров, при этом на N входов блока обратного быстрого преобразования Фурье размерности N-L поступает поток данных, а на N(L-1) входов подаются нули, причем число входов, на которые подаются нули, составляет не менее половины от размерности N-L блока обратного быстрого преобразования Фурье.