Модулировать сигнал методом OFDM
OFDMModulator объект модулирует сигнал, используя способ модуляции с ортогональным частотным разделением. Выходной сигнал является представлением модулированного сигнала в основной полосе частот.
Для модуляции сигнала с использованием OFDM:
Создать comm.OFDMModulator и задайте его свойства.
Вызовите объект с аргументами, как если бы это была функция.
Дополнительные сведения о работе системных объектов см. в разделе Что такое системные объекты?.
hMod = comm.OFDMModulator
hMod = comm.OFDMModulator(Name,Value)comm.OFDMModulator('NumSymbols',8) задает восемь символов OFDM во временной частотной сетке.
hMod = comm.OFDMModulator(hDemod)comm.OFDMDemodulator.
waveform = hMod(data,pilot)pilot, в частотные поднесущие, указанные значением свойства PilotTraIndices hMod системный объект. Чтобы включить этот синтаксис, задайте для свойства PilotTaxingIndices значение true.
Чтобы использовать функцию объекта, укажите объект System в качестве первого входного аргумента. Например, для освобождения системных ресурсов объекта System с именем obj, используйте следующий синтаксис:
release(obj)
Создание и отображение системного object™ модулятора OFDM со значениями свойств по умолчанию.
hMod = comm.OFDMModulator
hMod =
comm.OFDMModulator with properties:
FFTLength: 64
NumGuardBandCarriers: [2x1 double]
InsertDCNull: false
PilotInputPort: false
CyclicPrefixLength: 16
Windowing: false
NumSymbols: 1
NumTransmitAntennas: 1
Измените количество поднесущих и символов.
hMod.FFTLength = 128; hMod.NumSymbols = 2;
Убедитесь, что количество поднесущих и символов изменилось.
disp(hMod)
comm.OFDMModulator with properties:
FFTLength: 128
NumGuardBandCarriers: [2x1 double]
InsertDCNull: false
PilotInputPort: false
CyclicPrefixLength: 16
Windowing: false
NumSymbols: 2
NumTransmitAntennas: 1
Используйте showResourceMapping функция объекта для отображения отображения данных, пилот-сигнала и нулевых поднесущих во временном частотном пространстве.
showResourceMapping(hMod)
Создайте системный object™ демодулятора OFDM со значениями свойств по умолчанию. Затем задайте индексы пилот-сигнала для одного символа и двух передающих антенн.
Установка PilotCarrierIndices свойство демодулятора влияет на количество передающих антенн в модуляторе OFDM, когда вы используете демодулятор при создании модулятора. Количество приемных антенн в демодуляторе не коррелирует с количеством передающих антенн.
ofdmDemod = comm.OFDMDemodulator; ofdmDemod.PilotOutputPort = true; ofdmDemod.PilotCarrierIndices = cat(3,[12; 26; 40; 54],[13; 27; 41; 55]);
Используйте OFDM-демодулятор для построения OFDM-модулятора.
ofdmMod = comm.OFDMModulator(ofdmDemod);
Отображение свойств модулятора OFDM и демодулятора, проверка соответствия применимых свойств.
disp(ofdmMod)
comm.OFDMModulator with properties:
FFTLength: 64
NumGuardBandCarriers: [2x1 double]
InsertDCNull: false
PilotInputPort: true
PilotCarrierIndices: [4x1x2 double]
CyclicPrefixLength: 16
Windowing: false
NumSymbols: 1
NumTransmitAntennas: 2
disp(ofdmDemod)
comm.OFDMDemodulator with properties:
FFTLength: 64
NumGuardBandCarriers: [2x1 double]
RemoveDCCarrier: false
PilotOutputPort: true
PilotCarrierIndices: [4x1x2 double]
CyclicPrefixLength: 16
NumSymbols: 1
NumReceiveAntennas: 1
showResourceMapping способ отображает отображение частотно-временного ресурса для каждой передающей антенны.
Создайте модулятор OFDM.
mod = comm.OFDMModulator;
Применить showResourceMapping способ.
showResourceMapping(mod)
Вставьте элемент DC null.
mod.InsertDCNull = true;
Отображение сопоставления ресурсов после добавления NULL контроллера домена.
showResourceMapping(mod)
Создайте модулятор OFDM и задайте индексы поднесущих для пилот-сигналов. Укажите индексы для каждого символа и передающей антенны. Когда число передающих антенн больше единицы, установите различные индексы пилот-сигнала для каждого символа между антеннами.
Создайте объект системы модулятора OFDM, указав два символа и вставив нуль DC.
mod = comm.OFDMModulator('FFTLength',128,'NumSymbols',2,... 'InsertDCNull',true);
Включите входной порт пилота, чтобы можно было задать индексы пилота.
mod.PilotInputPort = true;
Укажите одинаковые пилотные индексы для обоих символов.
mod.PilotCarrierIndices = [12; 56; 89; 100];
Визуализация размещения пилот-сигналов и нулей во временной частотной сетке OFDM с использованием showResourceMapping объектная функция.
showResourceMapping(mod)
Укажите различные индексы для второго символа путем объединения второго столбца пилотных индексов с PilotCarrierIndices собственность.
mod.PilotCarrierIndices = cat(2,mod.PilotCarrierIndices, ...
[17; 61; 94; 105]);Проверьте, что индексы пилотной поднесущей различаются между двумя символами.
showResourceMapping(mod)
Увеличьте число передающих антенн до двух.
mod.NumTransmitAntennas = 2;
Укажите индексы пилот-сигнала для каждой из двух передающих антенн. Чтобы обеспечить индексы для нескольких антенн при минимизации помех между антеннами, установите PilotCarrierIndices свойство как массив 3-D, так что индексы для каждого символа различаются между антеннами.
mod.PilotCarrierIndices = cat(3,[20; 50; 70; 110], [15; 60; 75; 105]);
Отображение отображения ресурсов для двух передающих антенн. Серые линии обозначают вставку пользовательских нулей. Нулевые значения создаются объектом для минимизации помех между пилотными символами от различных антенн.
showResourceMapping(mod)
Укажите длину циклического префикса для каждого символа OFDM.
Создайте модулятор OFDM, задающий пять символов, четыре левых и три правых поднесущих защитного диапазона и длину циклического префикса для каждого символа OFDM.
mod = comm.OFDMModulator('NumGuardBandCarriers',[4;3],... 'NumSymbols',5,... 'CyclicPrefixLength',[12 10 14 11 13]);
Отображение свойств модулятора OFDM, verifyING, в котором длина циклического префикса изменяется по символам.
disp(mod)
comm.OFDMModulator with properties:
FFTLength: 64
NumGuardBandCarriers: [2x1 double]
InsertDCNull: false
PilotInputPort: false
CyclicPrefixLength: [12 10 14 11 13]
Windowing: false
NumSymbols: 5
NumTransmitAntennas: 1
Получение размеров данных модулятора OFDM с помощью info объектная функция.
Создайте object™ системы модулятора OFDM с заданными пользователем индексами пилот-сигнала, вставленным нулевым DC и укажите две передающие антенны.
hMod = comm.OFDMModulator('NumGuardBandCarriers',[4;3], ... 'PilotInputPort',true, ... 'PilotCarrierIndices',cat(3,[12; 26; 40; 54], ... [11; 25; 39; 53]), ... 'InsertDCNull',true, ... 'NumTransmitAntennas',2);
Используйте info объектная функция для получения входных данных модулятора, входных данных пилот-сигнала и размеров выходных данных.
info(hMod)
ans = struct with fields:
DataInputSize: [48 1 2]
PilotInputSize: [4 1 2]
OutputSize: [80 2]
Генерировать OFDM-модулированные символы для использования в моделировании на уровне линии связи.
Создайте модулятор OFDM со вставленным нулевым DC, семью поднесущими защитного диапазона и двумя символами, имеющими различные индексы пилот-сигнала для каждого символа.
mod = comm.OFDMModulator('NumGuardBandCarriers',[4;3],... 'PilotInputPort',true, ... 'PilotCarrierIndices',[12 11; 26 27; 40 39; 54 55], ... 'NumSymbols',2, ... 'InsertDCNull',true);
Определите размеры входных данных, пилота и выходных данных.
modDim = info(mod);
Генерируют случайные символы данных для модулятора OFDM. Структурная переменная, modDimопределяет количество символов данных.
dataIn = complex(randn(modDim.DataInputSize),randn(modDim.DataInputSize));
Создайте пилот-сигнал с правильными размерами.
pilotIn = complex(rand(modDim.PilotInputSize),rand(modDim.PilotInputSize));
Применение модуляции OFDM к данным и пилот-сигналам.
modData = step(mod,dataIn,pilotIn);
Используйте объект модулятора OFDM для создания соответствующего демодулятора OFDM.
demod = comm.OFDMDemodulator(mod);
Демодулируют сигнал OFDM и выводят данные и пилот-сигналы.
[dataOut, pilotOut] = step(demod,modData);
Убедитесь, что в пределах жесткого допуска входные данные и символы пилот-сигнала совпадают с выходными данными и символами пилот-сигнала.
isSame = (max(abs([dataIn(:) - dataOut(:); ...
pilotIn(:) - pilotOut(:)])) < 1e-10)isSame = logical
1
Операция OFDM делит высокоскоростной поток данных на субпотоки с более низкой скоростью передачи данных путем разложения полосы частот передачи на N смежных индивидуально модулированных поднесущих. Множество параллельных и ортогональных поднесущих переносят выборки с почти той же полосой пропускания, что и широкополосный канал. Используя узкие ортогональные поднесущие, сигнал OFDM повышает устойчивость по частотно-избирательному каналу замирания и устраняет помехи соседних поднесущих. Межсимвольные помехи (ISI) уменьшаются, поскольку субпотоки с меньшей скоростью передачи данных имеют длительность символов, большую, чем разброс задержки канала.
Представление частотной области ортогональных поднесущих в форме сигнала OFDM выглядит следующим образом:
Передатчик применяет обратное быстрое преобразование Фурье (IFFT) к N символам одновременно. Выходной сигнал IFFT представляет собой сумму N ортогональных синусоид:
0≤t≤T,
где {Xk} - символы данных, а T - время символа OFDM. Символы Xk данных обычно сложны и могут быть из любого алфавита цифровой модуляции (например, QPSK, 16-QAM, 64-QAM).
Интервал между поднесущими равен Δf = 1/T; обеспечение ортогональности поднесущих в течение каждого периода символа, как показано ниже:
для m≠n.
Модулятор OFDM состоит из последовательно-параллельного преобразования с последующим набором N комплексных модуляторов, индивидуально соответствующих каждой поднесущей OFDM.
Отдельные поднесущие OFDM выделяются как поднесущие данных, пилот-сигнала или нулевые поднесущие.
Как показано здесь, поднесущие обозначаются как поднесущие данных, DC, пилот-сигнала или защитной полосы.
Поднесущие данных передают данные пользователя.
Поднесущие пилот-сигнала используются для оценки канала.
Нулевые поднесущие не передают данных. Поднесущие без данных используются для обеспечения DC null и служат в качестве буферов между блоками ресурсов OFDM.
Нулевая поднесущая постоянного тока является центром полосы частот со значением индекса (nfft/ 2 + 1), еслиnfft является четным, или ((nfft + 1 )/2), если nfft нечетно.
Защитные полосы обеспечивают буферы между последовательными символами OFDM для защиты целостности передаваемых сигналов путем уменьшения межсимвольных помех.
Нулевые поднесущие позволяют моделировать защитные полосы и местоположения поднесущих постоянного тока для определенных стандартов, таких как различные форматы 802.11, LTE, WiMAX или для пользовательских назначений. Можно назначить расположение нулей, назначив вектор из нулевых индексов поднесущих.
Аналогично защитным полосам, защитные интервалы используются в OFDM для защиты целостности передаваемых сигналов путем уменьшения межсимвольных помех.
Назначение защитных интервалов аналогично назначению защитных полос. Можно моделировать защитные интервалы для обеспечения временного разделения между символами OFDM. Защитные интервалы помогают сохранять межсимвольную ортогональность после прохождения сигнала через каналы с временным разделением. Защитные интервалы создаются с помощью циклических префиксов. Вставка циклического префикса копирует последнюю часть символа OFDM как первую часть символа OFDM.
До тех пор, пока интервал временной дисперсии не превышает длительность циклического префикса, преимущество вставки циклического префикса сохраняется.
Вставка циклического префикса приводит к частичному снижению пропускной способности пользовательских данных, поскольку циклический префикс занимает полосу пропускания, которая может использоваться для передачи данных.
В то время как циклический префикс создает защитный период во временной области для сохранения ортогональности, OFDM-символ редко начинается с той же амплитуды и фазы, которые проявляются в конце предшествующего OFDM-символа, вызывая повторный рост спектра и, следовательно, расширение полосы пропускания сигнала из-за интермодуляционного искажения. Чтобы ограничить этот спектральный рост, желательно создать плавный переход между последней выборкой символа и первой выборкой следующего символа. Это можно сделать, используя циклический суффикс и приподнятые косинусные окна.
Для создания циклического суффикса первые выборки NWIN данного символа добавляются к концу этого символа. Однако для соответствия стандарту 802.11g, например, длина символа не может быть произвольно увеличена. Вместо этого циклический суффикс должен перекрываться по времени и эффективно суммируется с циклическим префиксом следующего символа. Этот перекрывающийся сегмент является местом применения оконной обработки. Применяются два окна, одно из которых является математическим обратным другому. Первое приподнятое косинусное окно применяется к циклическому суффиксу символа k и уменьшается от 1 до 0 по его длительности. Второе приподнятое косинусное окно применяется к циклическому префиксу символа k + 1 и увеличивается от 0 до 1 по его длительности. Этот процесс обеспечивает плавный переход от одного символа к другому.
Приподнятое косинусное окно w (t) во временной области может быть выражено как:
иначе
где:
T - длительность символа OFDM, включая защитный интервал.
TW - длительность окна.
Настройте длину циклического суффикса с помощью свойства установки длины окна, при этом длина суффикса будет находиться в диапазоне от 1 до минимальной длины циклического префикса. В то время как оконная обработка улучшает спектральный рост, она делает это за счет устойчивости к многолучевому замиранию. Это происходит потому, что избыточность в защитной полосе уменьшается, потому что значения выборки защитной полосы нарушаются сглаживанием.
На следующих рисунках показано применение приподнятого косинусного окна.
[1] Дальман, Эрик, Стефан Парквалл и Йохан Скёльд. 4G LTE/LTE-Advanced для мобильного широкополосного доступа. Амстердам: Elsevier, Acad. Press, 2011.
[2] Эндрюс, Дж. Г., А. Гош и Р. Мухамед. Основы WiMAX. Река Верхнее Седло, Нью-Джерси: Прентис Холл, 2007.
[3] Agilent Technologies, Inc., «Увеличение косинусного окна OFDM», http://rfmw.em.keysight.com/wireless/helpfiles/n7617a/ofdm_raised_cosine_windowing.htm.
[4] Монтрёй, Л., Р. Продан и Т. Кользе. «Формирование символов TX OFDM 802,3млрд», https://www.ieee802.org/3/bn/public/jan13/montreuil_01a_0113.pdf. Вещание, 2013.
[5] «Стандарт IEEE 802.16TM-2009,» Нью-Йорк: IEEE, 2009.