Введение

Идеальные многопользовательские системы связи, которые используют ортогональные частотные деления мультиплексированные (OFDM) сигналы и прямую коррекцию ошибок (FEC), по существу невосприимчивы к узкополосной интерференции высокой мощности, поскольку узкополосная интерференция влияет только на одну или две поднесущие. Для внутриполосной интерференции FEC может восстановить битовые ошибки, вызванные этими заклинившими поднесущими. Для внеполосных помех полосно-пропускающая фильтрация может удалить соседние помехи канала в этих идеальных многопользовательских системах.

В практических системах сигналы, принимаемые в антенне, оцифровываются с помощью АЦП. Поскольку АЦП имеет фиксированное полномасштабное напряжение, входной сигнал сначала масштабируется до области значений. Если АЦП имеет N биты разрешения, то максимальная ошибка квантования задается как. В системе с достаточными битами разрешения (например, N = 16) и без интерферирующего сигнала эта ошибка квантования незначительна по сравнению с другими источниками шума в системе и может быть проигнорирована.

В присутствии интерферента высокой мощности автоматический контроллер усиления (AGC) масштабирует весь сигнал, чтобы соответствовать полномасштабной области значений АЦП. Масштабирование эффективно уменьшает количество бит, используемых для представления желаемого сигнала. Поскольку ошибка квантования не меняется, отношение эффективный сигнал/шум уменьшается. В зависимости от степени интерферирующего сигнала и количества бит АЦП, производительность системы может быть отрицательно сказана.

Симулирующий эффект узкополосного интерферента на сигналы OFDM

Сгенерируйте сигнал OFDM со 128 поднесущими. Назначьте 64-QAM модулированный сигнал каждой поднесущей. Чтобы преувеличить эффекты ошибки квантования, установите количество бит АЦП равным 7. Предположим, что канал AWGN с ОСШ на 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 АЦП по каналу AWGN

Пропустите сгенерированный сигнал OFDM через канал AWGN. AGC масштабирует принятый сигнал до области значений [-1 1]. Передайте масштабированный сигнал через биполярный АЦП. Переформулируйте сигнал перед применением демодуляции OFDM и QAM. The narrowbandInterfererAndOFDM функция моделирует эту систему.

Запустите симуляцию без помех. Все биты могут быть получены без ошибок.

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

BER:
     0

OFDM с АЦП по каналу AWGN с помехой высокой мощности

Используйте тональный сигнал для помехи 50-й поднесущей сигнала OFDM. Установите амплитуду интерферента в 2, соответствующее значению SIR около -28 дБ. Высокая амплитуда интерферирующего сигнала заставляет AGC уменьшать свой коэффициент усиления, чтобы избежать насыщения. Это масштабирование уменьшает количество бит, назначенных требуемому сигналу, и уменьшает эффективную степень требуемого сигнала. Шум квантования является функцией фиксированного полномасштабного напряжения и количества бит свойств АЦП. В результате эффективное отношение сигнал/шум (ОСШ) уменьшается, и система начинает вводить битовые ошибки.

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

BER:
    0.0531

Эффект соседних пользователей канала на многопользовательской системе

Современные системы связи определяют несколько диапазонов сигналов, чтобы обеспечить гибкость в выборе между высоконадежными соединениями или высокой пропускной способностью. Например, стандарт 802.11 WLAN задает полосы пропускания канала, которые варьируются от 20 МГц до 160 МГц. Этот рисунок показывает доступные полосы пропускания канала WLAN.

Обычно такие системы спроектированы с фиксированными аналоговыми RF-фильтрами с высокой пропускной способностью, за которыми следуют программируемые цифровые фильтры. Для оцифровки аналогового сигнала используются комбо АРУ и АЦП. Если один из пользователей (т.е. каналов) имеет намного более высокую степень, чем остальные пользователи, квантование АЦП может вызвать низкое значение ОСШ для пользователей с низкой степенью. Следующий пример демонстрирует такой сценарий.

Рассмотрим систему, подобную Wi-Fi, где есть восемь независимых передатчиков (Device 1-8) и восемь независимых приемников (Device 1 '-8'). Каждой паре передатчик-получатель присваивается один из доступных полос 20 МГц. 64QAM модулированные сигналы модулируются OFDM с 56 поднесущими в полосе 20 МГц. Как показано на этом рисунке, восемь возможных пользователей передаются по каналам 36, 40, 44, 48, 52, 56, 60 и 54 с соответствующими частотами несущей (5180:20:5320) МГц. Приемники используют аналоговые фильтры, которые проходят через всюсь доступную полосу 160 МГц, затем используют каналообразующие фильтры для выбора желаемого пользователя. Чтобы упростить симуляцию, примите те же потери пути и тепловой шум для каждой пары устройств. Кроме того, симулятор использует синтезатор канала, чтобы объединить сигналы от восьми пользователей в канале и канализатор, чтобы разделить их эффективным способом. Пунктирные линии показывают синтезатор канала и канализатор.

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

Многопользовательская система с АЦП по каналу AWGN

Сгенерируйте модулированные OFDM сигналы для всех активных пользователей и объедините их с помощью dsp.ChannelSynthesizer Системный объект. Примените потери пути, эквивалентные номинальному расстоянию в 10 метров. Пропустите сигнал через радиочастотный фронтэнд с рисунком шума 7 дБ, чтобы имитировать канал AWGN. AGC масштабирует принятый сигнал до области значений [-1 1]. Передайте масштабированный сигнал через биполярный АЦП. Переформулируйте сигнал после прохождения через фильтр канализатора, который разделяет пользовательские сигналы. Затем примените демодуляцию OFDM и QAM. Все биты могут быть получены без ошибок. The multiuserInterferenceAndADC функция моделирует эту систему.

Установите всех пользователей как активных со всеми пользователями 0 дБ относительного усиления. Запустите симуляцию. 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 АЦП по каналу AWGN с высокой степенью

Повторите тот же эксперимент с потребителем высокой мощности. Установите относительный коэффициент усиления третьего пользователя равным 30 дБ. Из-за уменьшения эффективной степени сигнала по сравнению с шумом квантования (кроме пользователя с высокой мощностью) пользователи с низкой степенью испытывают битовые ошибки, и эффективность 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 исследовать эффект узкополосного интерфера высокой мощности на производительность системы из-за фиксированного полномасштабного напряжения и шума квантования, введенного АЦП. Запуск Narrowband Interferer and ADC Explorer app.

Экспериментируйте с различными значениями ОСШ и порядка модуляции и узнайте пределы системы для обработки узкополосного интерферента высокой мощности.

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