Методы укрощения OFDM

Бен Зарлинго (Ben Zarlingo)

Недавно я объяснил, почему модуляция OFDM получила столь широкое распространение в беспроводных приложениях, но почти ничего не сказал о её недостатках. Как радиоинженер, вы, наверное, догадываетесь, что их будет немало, и они создают проблемы при практической реализации изделий и при измерениях. Настало время взглянуть на парочку из них.
Близко расположенные поднесущие требуют малых фазовых шумов в процессе преобразования частоты, а широкая полоса сигналов означает, что важную роль играет АЧХ системы и канала передачи. К счастью, можно пожертвовать несколькими поднесущими, используемыми для передачи опорных и пилот-сигналов, и использовать их для непрерывной компенсации, в том числе фазового шума, АЧХ и погрешностей синхронизации.

Усилитель OFDM сигнала

Однако отслеживание пилот-сигнала не повышает линейности усилителя, которая очень важна в системах OFDM. Из центральной предельной теоремы следует, что большое число независимо модулируемых поднесущих OFDM создаёт результирующий сигнал, очень похожий на белый гауссовский шум, который в радиочастотном мире славится своей «непокорностью».
Стандартной мерой «непокорности» ВЧ сигналов является отношение пиковой мощности к средней (PAPR или PAR). Значение PAPR сигналов OFDM приближается к его значению для белого шума, которое равно примерно 10-12 дБ. Это значительно больше, чем для большинства сигналов с одной несущей, поэтому большая стоимость и низкий КПД высоколинейных усилителей, которые нужны, чтобы справиться с этой проблемой, могут свести на нет все преимущества OFDM.
Для снижения PAPR и реабилитации OFDM применялись разные методы, которые получили общее название «снижение пик-фактора» (CFR). Эти методы простираются от простого ограничения пиков, селективного сжатия и масштабирования до методов, требующих значительных вычислительных ресурсов, таких как активное расширение сигнального созвездия и резервирование тональных сигналов. Эффективность применения этих методов для снижения PAPR лучше всего демонстрируется комплементарной интегральной функцией распределения (CCDF):

Комплементарная интегральная функция распределения сигнала LTE-Advanced с полосой 20 МГц до и после применения алгоритма CFR. Сдвиг кривой влево снижает требования к линейности усилителя мощности LTE.

Ограничение пиков и сжатие особого успеха не имеют, поскольку являются нелинейными преобразованиями. Их врожденная нелинейность может создать те же проблемы, которые мы пытаемся преодолеть.
Как можно предположить, лучшее снижение PAPR без чрезмерного снижения качества модуляции или вредного влияния на соседние каналы обеспечивается методами, требующими более тщательной обработки цифрового сигнала. Это ещё один пример применения мощных современных сигнальных процессоров для повышения эффективности аналоговых схем, которые сами по себе прогрессируют значительно медленнее.
В методе резервирования тонального сигнала, подгруппа информационных поднесущих OFDM приносится в жертву или резервируется для CFR. Эти тональные сигналы модулируются индивидуально, но не данными. Вместо этого на лету рассчитываются соответствующие значения I/Q для подавления максимальных отклонений I/Q (пиковых значений ВЧ мощности), вызванных добавлением других поднесущих.
Поскольку все поднесущие по определению ортогональны, можно свободно манипулировать резервными поднесущими, не оказывая влияния на пилотные или информационные поднесущие. Таким образом, за CFR приходится расплачиваться в первую очередь вычислительной мощностью, а также потерей информационной ёмкости канала за счет принесения в жертву нескольких поднесущих.
На практике полная картина компромиссов более сложна, но один из примеров обсуждается в документе IEEE: “Пожертвовав для резервирования 11 из 256 тональных сигналов OFDM (4,3%), можно снизить аналоговый PAR беспроводных систем более чем на 3 дБ”. ^[1]
Это достаточно выгодная, но не единственно доступная сделка. Выше я упоминал активное расширение сигнального созвездия. Другие подходы включают селективное распределение и цифровые предыскажения. Все они имеют свои достоинства и недостатки, и я рассмотрю их в будущих публикациях.

^[1] Применение метода активного набора для снижения PAR в OFDM путём резервирования тональных сигналов, документ доступен на сайте IEEE.org.

Всюду OFDM. Почему?

Бен Зарлинго (Ben Zarlingo)

Одна транспортная схема используется повсюду, она просто «вездесущая»!
Работая в начале 1990-х с первыми векторными анализаторами сигналов, я из первых рядов наблюдал выход на сцену цифровых схем модуляции. Цифровая модуляция была не нова, но с пришествием второго поколения сотовых стандартов, таких как GSM, NADC, CDMA/IS-95 и PDC, она стала использоваться массово.
Целое десятилетие продолжалось непрерывное внедрение инноваций: телевидение стало цифровым, затем третье поколение сотовых стандартов потребовало огромных затрат и умственных усилий.
Шли годы, я поражался обилию типов модуляции, транспортных схем и кажущемуся бесконечным числу их комбинаций и улучшений. Всё это требовало столь же постоянного потока новых решений для изучения, анализа, оптимизации и диагностики.
С некоторым недовольством я спрашивал своих коллег: “До каких же пор будет продолжаться эта постоянная раскрутка разных типов модуляции и транспортных схем”? И все отвечали примерно одинаково: “Ну, ещё какое-то время”.
Они были правы, но в конце десятилетия появилась новая важная тенденция. Одна транспортная схема вышла вперёд и доминировала всё последующее десятилетие и далее: мультиплексирование с ортогональным делением частот или OFDM. Сегодня эта технология применяется и в сотовой связи, и в некоторых стандартах спецсвязи, и совершенно неожиданно в счетчиках электроэнергии для передачи показаний по силовых сетям.

Некоторые физические особенности OFDM.

Ключ кроется в первом слове сокращения OFDM: главной особенностью этой схемы является ортогональность большого числа поднесущих. Являясь скорее транспортной схемой, а не типом модуляции, OFDM может использовать несколько разных модуляций и, как правило, одновременно. Ортогональность поднесущих иллюстрируется приведённым ниже рисунком.

Рис. 1. Спектр трёх перекрывающихся поднесущих OFDM, в котором центр каждой поднесущей соответствует спектральным нулям всех других поднесущих. Такое беспомеховое наложение обеспечивает ортогональность, позволяющую независимо модулировать каждую несущую.

Ортогональность и независимость поднесущих в OFDM не означает, что поднесущие не перекрываются. На самом деле они сильно перекрываются, и центральные частоты расположены близко друг к другу, но спектральный пик каждой поднесущей располагается на частоте, где все другие поднесущие обращаются в ноль.
В связи с независимостью поднесущих, OFDM можно рассматривать как мультиплексирование или метод множественного доступа, чем-то напоминающий CDMA. Он не повышает теоретическую ёмкость канала, но позволяет системам работать ближе к их теоретической ёмкости в реальных условиях:

• Высокий уровень эксплуатационной гибкости за счёт управления распределением поднесущих, символов и схем кодирования сигнала, что обеспечивает поддержку разных задач с различными требованиями к скорости данных, задержкам, приоритету и многим другим аспектам.
• Множественный доступ (OFDMA) для одновременной поддержки нескольких пользователей (радиостанций) за счёт гибкого и эффективного распределения поднесущих.
• Высокая целостность символов и данных за счёт передачи их с относительно низкой символьной скоростью, смягчающей эффект многолучевого распространения и снижающей влияние импульсных помех, а также за счёт распределения потоков данных по нескольким поднесущим с символьным кодированием и упреждающей коррекцией ошибок.
• Высокая скорость передачи данных за счёт одновременной передачи по нескольким сотням и даже тысячам поднесущих с применением соответствующего кодирования сигнала.
• Надёжная работа в условиях сильных помех благодаря структуре распределённого спектра и способности компенсировать потерю некоторых групп поднесущих.
• Высокая эффективность использования спектра за счёт плотного расположения множества поднесущих и такого их распределения, что они не влияют друг на друга и позволяют отдельно модулировать каждую поднесущую.
• Высокая пространственная эффективность за счёт совместимости с методами пространственного мультиплексирования, такими как передача с несколькими входами и несколькими выходами (MIMO).

Потенциальные преимущества OFDM были понятны уже давно, но практическое применение этой технологии началось лишь тогда, когда для мобильных терминалов стали широко доступны большие вычислительные мощности. За последние 15 лет, по мере оптимизации отношения цены к производительности, OFDM закрепила своё господство и стала основной технологией.

Дополнительную информацию об этой технологии можно найти в недавних ознакомительных рекомендациях по применению OFDM, а в будущих статьях я опишу некоторые особенности реализации и тестирования.

Запрос программных лицензий Keysight

Добрый день, уважаемые коллеги.

Эта статья продолжает цикл статей-инструкций и сегодня я рассмотрю еще одну крайне необходимую операцию - это запрос и перенос программных лицензий Keysight с помощью Keysight Software Manager. Статья представляет собой пошаговую инструкцию с поясняющими изображениями, которые помогут Вам быстро и без проблем получить лицензионный ключ для разблокирования программной опции Вашего прибора.

Тайна разъёма анализатора сигналов

Бен Зарлинго (Ben Zarlingo)

Что не так на этой картинке?

Многие интригующие меня вещи среднестатистическим человеком воспринимаются совсем иначе. Но вы ведь не среднестатистический человек – иначе вы не читали бы этот блог. Поэтому, надеюсь, вы найдёте следующую картинку и пояснения столь же интересными и полезными, как это показалось мне. Внимательно взгляните на этот анализатор сигналов Keysight серии X и на те детали, которые я выделил:

Диапазон частот этого анализатора сигналов MXA простирается до 26,5 ГГц, но он оснащен входным разъёмом типа N. Поскольку верхняя граничная частота для разъёмов типа N обычно составляет 11 или 18 ГГц, то у нас, кажется, проблема.

Честно говоря, я наблюдал такую комбинацию частотного диапазона и входного разъёма много лет, прежде чем обратил внимание на это странное несоответствие. Я смутно припомнил, что разъёмы типа N предназначались для меньших частот и, наконец, нашёл время решить этот вопрос.
Объяснение оказалось достаточно сложным, учитыващим некоторые инженерные приёмы для оптимизации компромиссов, но с ним стоит разобраться. Как всегда, когда речь заходит о СВЧ сигналах и разъёмах, важную роль играют материалы, точность и геометрия.

Почему же разъем типа N?

Зачем же вообще применять разъём типа N в приборе с диапазоном частот 26 ГГц? Почему бы не поставить приборный разъём 3,5 мм, который легко соединяется и с обычными разъёмами SMA?

1. Надежность

Основная причина кроется в прочности и надёжности разъёма N в отношении ударов, скручивания и частых подключений, которые должно выдерживать контрольно-измерительное оборудование, сохраняя при этом номинальные характеристики. Прецизионные разъёмы типа N сочетают надёжность с хорошими характеристиками, непревзойдёнными в мире ВЧ/СВЧ оборудования. Кроме того, они легко подключаются и обычно затягиваются рукой.

2. Специальная конструкция позволяет расширить частотный диапазон

Стандартные разъёмы типа N рассчитаны на частоту 11 ГГц, а прецизионные на 18 ГГц. Выше 18 ГГц размер проводников и геометрия корпуса могут порождать амплитудные и фазовые ошибки, вызванные возникновением паразитных мод колебаний в кабеле. Решение этой проблемы заключается в изменении конструкции приборных разъёмов. Разъёмы типа N, используемые в приборах Keysight с диапазоном частот до 26 ГГц, имеют специальную конструкцию. Такой специальный разъём содержит внутренний бесщелевой экран, изолятор центрального контакта из специального материала и обладает более точной конструкцией. В результате резонансы можно устранить или снизить до столь малого уровня, что разъём типа N становится лучшим вариантом для контрольно-измерительного прибора в этом частотном диапазоне. 

3. Прецизионные адаптеры обеспечивают работу до 26.5 ГГц

Если вы работаете выше 18 ГГц и используете соответствующие переходники, аналогичные тем, что входят в состав набора переходников 11878, вы можете уверенно выполнять измерения. Просто подключите к передней панели прибора переходник с N на 3,5 мм и используйте кабели с разъёмами 3,5 мм или SMA.

Keysight Technologies гарантирует качество своей продукции

Примечание на странице 34 спецификации анализатора сигналов MXA гласит

Signal frequencies above 18 GHz are prone to response errors due to modes in the Type-N connector used. With the use of Type-N to APC 3.5 mm adapter part number 1250-1744, there are nominally six such modes. The effect of these modes with this connector are included within these specifications.

КСВ и другие важнейшие характеристики, указанные в спецификации, уже учитывают все возможные эффекты, связанные с возникновением паразитных мод колебаний. В результате практические преимущества разъёма типа N сочетаются с полным диапазоном частот 26,5 ГГц без ухудшения характеристик. В этом руководстве по применению Вы можете найти дополнительные подсказки для эффективного проведения СВЧ измерений.

Настройка ПО 89601B VSA на осциллографах Infiniium

   Доброго времени суток, уважаемые коллеги.

   В этой статье я расскажу, как превратить свой осциллограф в анализатор спектра с очень широкой полосой анализа (до 67 ГГц). Новые осциллографы Keysight серий S, V и Z обладают уникальными характеристиками по значению диапазона, свободного от шумов, а также эффективному числу бит, что позволяет использовать осциллографы этих серий в качестве анализаторов сигналов. Для этого в них встроены широкие базовые возможности по ВЧ-измерениям. Но для наиболее продвинутого анализа на осциллографы Infiniium можно установить ПО 89601B VSA, об установке и настройке которого речь и пойдет далее в этой статье.