Введение

Идеальные многопользовательские системы связи, которые используют мультиплексированные сигналы с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM) и прямую коррекцию ошибок (FEC), по существу невосприимчивы к узкополосным помехам высокой мощности, поскольку узкополосные помехи влияют только на одну или две поднесущие. Для внутриполосных помех FEC может восстанавливать битовые ошибки, вызванные этими заклинившими поднесущими. Для внеполосных помех полосная фильтрация может устранить помехи соседних каналов в этих идеальных многопользовательских системах.

В практических системах сигналы, принимаемые антенной, оцифровываются с использованием АЦП. Поскольку АЦП имеет фиксированное полномасштабное напряжение, входной сигнал сначала масштабируется до диапазона,. Если АЦП имеет N битов разрешения, то максимальная ошибка квантования задается. В системе с достаточным разрешением битов (например, N = 16) и без мешающего сигнала эта ошибка квантования ничтожна по сравнению с другими источниками шума в системе и может быть проигнорирована.

При наличии источника помех высокой мощности автоматический контроллер усиления (АРУ) масштабирует весь сигнал, чтобы поместиться в полномасштабный диапазон АЦП. Масштабирование эффективно уменьшает количество битов, используемых для представления требуемого сигнала. Поскольку ошибка квантования не изменяется, эффективное отношение сигнал/шум уменьшается. В зависимости от мощности мешающего сигнала и количества битов АЦП производительность системы может ухудшаться.

Моделирование влияния узкополосного интерферентора на сигналы OFDM

Генерируют сигнал OFDM с 128 поднесущими. Назначьте 64-QAM модулированный сигнал каждой поднесущей. Чтобы преувеличить эффекты ошибки квантования, установите количество битов АЦП равным 7. Предположим, что канал AWGN имеет SNR 30 дБ для простоты.

M = 64;           % Modulation order per subcarrier
numSC = 128;      % Number of OFDM subcarriers
SNR = 30;         % Signal-to-noise ratio in dB
numADCBits = 7;   % Number of ADC bits

OFDM с ADC по каналу AWGN

Пропускают сформированный сигнал OFDM через канал AWGN. АРУ масштабирует принятый сигнал до диапазона [-1 1]. Пропускайте масштабированный сигнал через биполярный АЦП. Масштабировать сигнал перед применением демодуляции OFDM и QAM. narrowbandInterfererAndOFDM функция моделирует эту систему.

Выполните моделирование без пересечений. Все биты могут быть получены без ошибок.

interfererAmp = 0;
ber = narrowbandInterfererAndOFDM(M,numSC,interfererAmp,numADCBits,SNR);
disp('BER:')
disp(ber)

BER:
     0

OFDM с ADC по каналу AWGN с помехами высокой мощности

Используйте тональный сигнал для создания помех 50-й поднесущей сигнала OFDM. Установите амплитуду помехи равной 2, что соответствует значению SIR около -28 дБ. Высокая амплитуда мешающего сигнала заставляет АРУ снижать свой коэффициент усиления, чтобы избежать насыщения. Это масштабирование уменьшает количество битов, назначенных требуемому сигналу, и уменьшает эффективную мощность требуемого сигнала. Шум квантования является функцией фиксированного полномасштабного напряжения и количества битовых свойств АЦП. В результате эффективное отношение сигнал/шум (SNR) уменьшается, и система начинает вводить битовые ошибки.

interfererAmp = 2;
ber = narrowbandInterfererAndOFDM(M,numSC,interfererAmp,numADCBits,SNR);
disp('BER:')
disp(ber)

BER:
    0.0531

Влияние пользователей смежных каналов на многопользовательскую систему

Современные системы связи определяют множество полос пропускания сигнала для обеспечения гибкости при выборе между высоконадежными соединениями или высокой пропускной способностью. Например, стандарт 802.11 WLAN определяет полосы пропускания каналов в диапазоне от 20 МГц до 160 МГц. На этом рисунке показаны доступные полосы пропускания каналов WLAN.

Как правило, такие системы сконструированы с помощью аналоговых радиочастотных фильтров с фиксированной полосой пропускания, за которыми следуют программируемые цифровые фильтры. Для оцифровки аналогового сигнала используется комбинированный сигнал АРУ и АЦП. Если один из пользователей (то есть каналы) имеет гораздо более высокую мощность, чем остальные пользователи, квантование АЦП может вызвать низкое значение SNR для пользователей с низкой мощностью. Следующий пример демонстрирует такой сценарий.

Рассмотрим систему типа Wi-Fi, в которой имеется восемь независимых передатчиков (Device 1-8) и восемь независимых приемников (Device 1 '-8'). Каждой паре передатчик-приемник назначается один из доступных диапазонов 20 МГц. 64QAM модулированные сигналы модулируются OFDM 56 поднесущими в полосе частот 20 МГц. Как показано на этой фигуре, восемь возможных пользователей передаются по каналам 36, 40, 44, 48, 52, 56, 60 и 54 с соответствующими несущими частотами (5180:20:5320) МГц. Приемники используют аналоговые фильтры, которые проходят через весь доступный диапазон 160 МГц, затем используют каналообразующие фильтры для выбора требуемого пользователя. Чтобы упростить моделирование, примите одинаковые потери в тракте и тепловые шумы для каждой пары устройств. Кроме того, имитатор использует канальный синтезатор для объединения сигналов от восьми пользователей в канале и каналообразователь для их эффективного разделения. Пунктирные линии показывают канальный синтезатор и каналообразователь.

M = 64;           % Modulation order per subcarrier
noiseFigure = 7;  % Noise figure in dB
numADCBits = 7;   % Number of ADC bits

Многопользовательская система с ADC по каналу AWGN

Генерировать сигналы, модулированные OFDM, для всех активных пользователей и объединять их с помощью dsp.ChannelSynthesizer Системный объект. Применить потери пути, эквивалентные номинальному расстоянию 10 метров. Для имитации канала AWGN пропустите сигнал через RF-интерфейс с цифрой шума 7 дБ. АРУ масштабирует принятый сигнал до диапазона [-1 1]. Пропускайте масштабированный сигнал через биполярный АЦП. Масштабировать сигнал после прохождения через фильтр каналообразователя, который разделяет сигналы пользователя. Затем применяют демодуляцию OFDM и QAM. Все биты могут быть получены без ошибок. multiuserInterferenceAndADC функция моделирует эту систему.

Установите всех пользователей как активных со всеми пользователями с относительным усилением 0 дБ. Запустите моделирование. Все пользователи работают без ошибок.

activeUsers = [1 1 1 1 1 1 1 1];
userGaindB = [0 0 0 0 0 0 0 0];

ber = multiuserInterferenceAndADC(M,noiseFigure,numADCBits,activeUsers,userGaindB);

disp('BER for each user:')
disp(ber)

BER for each user:
     0     0     0     0     0     0     0     0

Многопользовательская система с ADC по каналу AWGN с пользователем высокой мощности

Повторите тот же эксперимент с пользователем с высокой мощностью. Установите относительное усиление третьего пользователя в 30 дБ. Из-за снижения эффективной мощности сигнала по сравнению с шумом квантования (за исключением пользователя с высокой мощностью) пользователи с низкой мощностью испытывают битовые ошибки, и производительность BER ухудшается.

userGaindB = [0 0 30 0 0 0 0 0];
ber = multiuserInterferenceAndADC(M,noiseFigure,numADCBits,activeUsers,userGaindB);

disp('BER for each user:')
disp(ber)

BER for each user:
  Columns 1 through 7

    0.0369    0.0374         0    0.0363    0.0366    0.0366    0.0380

  Column 8

    0.0359

Дальнейшие исследования

Приложение Narrowband Interferer и ADC Explorer помогает быстро попробовать различные системные настройки, чтобы изучить влияние узкополосного помехи высокой мощности на производительность системы из-за фиксированного полномасштабного напряжения и шума квантования, введенного ADC. Запустить Narrowband Interferer and ADC Explorer app.

Экспериментируйте с различными значениями SNR и порядка модуляции и выясните пределы системы для обработки узкополосных помех высокой мощности.

Приложение Multiuser Interference и ADC Explorer помогает быстро попробовать различные системные настройки, чтобы изучить влияние многопользовательских помех на производительность системы из-за фиксированного полномасштабного напряжения и шума квантования, введенного ADC. Запустить Multiuser Interference and ADC Explorer app.