МОДЕЛИРОВАНИЕ ТРАКТА ПРИЕМОПЕРЕДАТЧИКА ДЛЯ ДВУХСЛОЙНЫХ ШИРОКОПОЛОСНЫХ БЕСПРОВОДНЫХ СИСТЕМ СВЯЗИ

January 9, 2013 by admin Комментировать »

Апостолов О. В., Шелковников Б. Н. Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт» просп. Победы, 37, г. Киев, 03056, Украина тел.: +380 44 253-17-55, +380 44 542-40-50, e-mail: oleg_apostolov@mail.ru, bshelk@inbox.ru

Аннотация – На основе анализа требований к двухслойной широкополосной беспроводной системе определены требования к приемопередающему тракту и составлена его структурная схема. Моделирование и исследование структурной схемы позволило оптимально выбрать ее составные части и определить их качественные показатели.

I.                                       Введение

в последние годы беспроводные технологии очень быстро смогли занять свой сегмент рынка и стали востребованы среди большого процента населения. Темпы разработки новых стандартов (к примеру, технология WiMax) в данной области высоки и это требует проведения исследований для разработки приемопередатчиков на новой элементной базе с целью их удешевления и технического улучшения. Одной из основных задач, поэтому, является моделирование на уровне структурных схем приемопередатчиков для подобных систем с учетом требований к ним при разных видах модуляции.

Перспективной является двухслойная архитектура широкополосной беспроводной системы. Она строится по типичной топологии точка-многоточка. Зона покрытия разделяется на макросоты, радиусом 1-3 км, и микросоты, радиусом 50-500 м. Приемопередатчик макросоты работает на частоте 28 ГГц и служит для двухстороннего обмена данными с бекбоном сети, а второй, работающий на частоте 5,6 ГГц, – для решения вопроса последней мили и обеспечения конечного пользователя услугами передачи голоса, данных, мультимедиа и вещания спутникового ТВ. Допускается также возможность доступа подвижных или стационарных пользователей к ресурсу сети напрямую через базовую станцию макросоты. Пример терминального оборудования для подобной системы изображен на рис 1.

Рис. 1. Структурная схема терминального оборудования для двухслойной ШБС.

Fig. 1. Two-layer LMDS terminal equipment block diagram

Такая система обеспечивает передачу данных со скоростью до 36 Мб/с на участке абонентской линии. Полоса частот является динамической и составляет до 100 МГц. Используется спектрально эффективные методы модуляции – QPSK, QAM. Множественный доступ осуществляется методом временного разделения канала (TDMA). Допустимый уровень ошибок в канале (BER) составляет 10’®.

II.                               Основная часть

Анализ предъявленных требований к системе ШБС позволяет сформулировать требования к характеристикам работы тракта приемопередатчика.:

–   Мощность передатчика составляет не менее 24 дБм;

потери в фидере не более 1 дБ;

–   коэффициент усиления антенны 17 дБ; принимаемая мощность-67дБм;

–   ширина занимаемой полосы частот-до 100 МГц;

–   необходимо применение малошумящих усилителей в схеме тракта;

Базовая станция оснащенная таким приемопередатчиком обеспечивает покрытие в радиусе 1-3 км. Используется модуляция типа QPSK или QAM. За счет широкополосности можно использовать высокоэффективные сверточные коды, перемежение, коды Рида-Соломона, а также технологию выборочного автоматического перезапроса (Selective Automatic Repeat, ARQ), что даст возможность повысить на практике уровень допустимых ошибок в канале до 10 ®.

На основании перечисленных требований, предложена модель структурной схемы приемопередатчика, изображенная на рис 2. Она состоит из таких элементов как генератор сигнала, кодер, передатчик, смеситель, усилитель, фазовращатель, канал связи, аттенюатор, полосовой фильтр, мало шумящий усилитель, декодер и приемник На рисунке представлены источники фазового шума и задержки, а также измерительные устройства – BER-метр и векторный анализатор сигнала – использующиеся для измерений качественных показателей тракта.

Рис. 2. Структурная схема приемопередатчика.

Fig. 2. Transceiver block diagram

Моделирование осуществлялось в программном пакете Microwave Office 2003, позволяющем снимать характеристики сигнала в любой точке схемы (на рис

2  обозначены как «Точка измерения № п»).

Модулированные QPSK и QAM сигналы были пропущены через канал связи с аддитивным белым Гауе- совым шумом и получены на приемнике. Варьируя параметрами элементов, можно было наблюдать за их влиянием на качественные показатели приемопередатчика, такие как спектральная диаграмма сигнала, диаграмма значений уровня допустимых ошибок в канале (BER), диаграмма состояний и глазковая диаграмма. Наблюдение за спектральной характеристикой сигнала показало, что целесообразнее с точки зрения спектральной эффективности использовать модуляцию QAM вместо QPSK.

Рис. 5. Диаграмма состояний для приемопередатчика использующего модуляцию 64 QAM.

На рис. 3 а, б изображены спектры QAM и QPSK сигналов, полученные при прохождении сигналов на частоте 28 ГГц, со скоростях 36 Мб/с и 500 Мб/с соответственно.

Fig. 5. 64 QAM transceiver state diagrams

Рассчитав спектральную эффективность для каждого из случаев (в первом случае она составит 5,2бит/с/Гц; во втором – 0,83 бит/с/Гц), можно доказать эффективность модуляции QAM перед QPSK.

Существенное влияние на качество переданного сигнала оказывают тепловые шумы и нелинейные искажения, вносимые смесителем и усилителем.

Рис. 3. а- спектр QAM 64 сигнала; б – спектр QPSK сигнала.

Fig. 3. а- QAM 64 spectrum; Ь – QPSK spectrum

Нелинейность амплитудной характеристики смесителя P/F (PRF), снимаемая при одногармоничесокм сигнале на RF-входе, характеризуется уровнем 1-дБ декомпрессии, при которой коэффициент передачи смесителя падает на 1 дБ по сравнению с малосигнальным значением (рис.4, точка А).

Рис. 4. Амплитудная характеристика смесителя для полезных интермодуляционных продуктов 1-го, 3-го и 4-го порядков.

Fig. 4. Mixer amplitude behavior for useful 1-st, 3-rd and 4-th order intermodulation products

При использовании двойного логарифмического масштаба по осям получим, что мощность интермодуляционных продуктов третьего порядка Риме (рис.4, пунктирная линия) увеличивается с ростом PRF в три раза быстрее, чем PIF {PRF) в малосигнальной области, а мощность продуктов четвертого порядка – в четыре раза быстрее (рис.4, пунктирная линия). Это приводит к тому, что потери преобразования в смесителе растут с увеличением мощности радиочастотного порта (RF).

О степени влияния указанных факторов на характеристики работы приемопередатчика можно судить по уровню межсимвольной интерференции и фазовым шумам при анализе диаграмм состояний (рис.5) и глазковых диаграмм (рис.6).

Puc. 6. Глазковые диаграммы для сигнала на выходе передатчика и на выходе усилителя.

Fig. 6. Amplifier and transmitter output eye diagrams

Увеличение скорости модуляции в целях оптимального использования спектра сигнала, сужение полосы пропускания фильтра, отсутствие помехоустойчивого кодирования, естественные шумы фазы, формируемые гетеродином, нелинейные искажения, вносимые смесителем и усилителем мощности, а также наложение импульсов сигнала при прохождении фильтра – все это ведет к снижению допустимого уровня ошибок в канале (BER).

На рис. 7 в качестве примера приведена кривая параметра BER при разных QAM модуляциях. Видно, что увеличение порядка модуляции приводит к ухудшению качества сигнала. Это, в свою очередь, приводит к необходимости понижения порога чувствительности приемника.

Рис. 7. Сравнительная диаграмма допустимого уровня ошибок в канале при разных скоростях QAM модуляции.

Fig. 7. BER comparative curves via different QAM modulation speeds

В статье приведены примеры моделирования параметров тракта для приемопередатчика, работающего на частоте 28 ГГц. Исследование проводились и для модели с рабочим сигналом 5,6 ГГц.

Проведено исследование тракта приемопередатчика при различных видах модулирующего сигнала. Изменялись параметры (фазовые шумы, уровень нелинейных искажений и др.) элементов структурной схемы с целью оценки их влияния на качественные показатели тракта, такие как спектр сигнала, глазко- вые диаграммы, диаграммы состояний и уровень допустимых ошибок в канале. Исследование и моделирование позволило получить оптимальные качественные показатели приемопередатчика и определить требования к его составным частям.

IV.                           Список литературы

[1] IEEE Communication Magazine «LMDS systems and their applications». Май 2000 г.

[2] IEEE Communication Magazine «Wireless Internet over LMDS: architecture and experimental implementations». Май 2001 г.

[3] John Norbury «Towards the next generation Local Multipoint Distribution System (LMDS) at millimitre radio».

[4] Б. Скляр, «Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение», Москва, 2003 г., 1100 стр.

[5] И. Г. Бакланов «Тестирование и диагностика систем связи», Эко-Трендз, Москва, 2001 г., 264 стр.

TWO-LAYER BROADBAND WIRELESS COMMUNICATIONS TRACT OF TRANSCEIVER MODELLING

Apostolov O. V., Shelkovnikov B. N.

National Technical University of Ukraine «Kiev Polltechnlcal Institute»

Pobedy avenue. 37, Kiev, 03056, Ukraine Ph.: +380 44 253-17-55 +380 44 542-40-50, e-mall: oleg_apostolov@mall.ru, bshelk@lnbox.ru

Annotation – There was defined requirements for transceiver tract and composed its block diagram based on requirements for two-layer broadband wireless system. Simulating and researching of the structure chart allowed to choose in optimal way a component parts and to define their quntative measures.

I.                                         Introduction

Wireless telecommunications has managed to occupy very fast its own segment of market recently as well as become claimed much among number of people. Pace of development of new technologies (WiMax, for instance) is very high in these field. That is why it is necessary to implement researches in order to work up transceivers based on up to date element base. Thus, one of prior issue is transceiver modeling for similar systems using different modulations taking into account requirements for them so that to optimize qualitative measures and bringing down prime cost of producing them.

Two-layer architechture for wireless broadband system is very perspective. It has typical point-to-multipoint topology. Coverage area is devided in macrocells (1-3 km radius) and microcells (50-500 m radius). Macrocell transceiver operates 28 GHz and has main task to provide two-direction link with network backbone and the microcell one operating 5,6 GHz is solving last mile issues providing subscribers with telecommunucation services (voice, data, multimedia transmission and satellite TV broadcast). There is a possibility for fixed and mobile clients to use network source via macrocell directly. There is example structure of terminal equipment for such a system on fig.1.

II.                                        Main Part

The analize of formulated two-layer LMDS system requirements allows to work up transceiver charachteristics requirements.

Transceiver power is up to 24 dBm; feeder losses is no more than 1 dB; antenna gain is 17 dB;

received power is -67 dBm;

frequency band is up to 100 MHz;

low noise amplifiers is needed.

Base station equiped with such a transceiver coveres 1 -3 km area. Modulation type is QPSK or QAM. Broadband allows to use high efficient convolutional coding, interleaving, Reed-Solomon codes and even selective automatic repeat (ARQ) in order to rise bit error rate up to 10 °.

Transceiver block diagramm model was proposed based on presented requirements is on the fig.2. It consists of signal source, coder, transmitter, mixer, amplifier, phaseshifter, channel with additive Gaussian noise, attenuator, linear filter, low noise amplifier, decoder and receiver. Phase noise generator, delay source and meter equipment are on the figure as well. Researches were carried out with the help of Microwave Office 2003 software.

Modulated QPSK and QAM signals were passed through the channel with white additive Gaussian noise and received on receiver side. There was obsereved elements parameters influence while verifying them on transceiver quantative measures such as signal spectrum, bit error rate curves, state diagram and eye diagram. Spectrum analizing provided with a conclusion that it is more efficient to utilize QAM than QPSK.

Figure 3 «а» and «Ь» shows QAM 64 and QPSK spectrums. Passing 64 QAM signal through a channel with 36 Mb/s its bandwidth was equal 6,8 MHz that is 5,2 bit/s/Hz, meanwhile QPSK modulation provided with a 0,83 bit/s/Hz spectrum efficiency.

It is also revealed that material effect on signal quality is made by thermal noise and nonlinearities brought by mixer and amplifier. Mixers amplitude behaviour nonlinearity P/F (PRF) measured with a harmonic signal on RF input is characterised 1- dB decompression level that affects gain on 1 dB to compare with low-signal value (fig.3, dot A). Using double logarithmic scale it is obtained that third-order intermodulated products power Римз (fig.3, dotted line) raises three times faster with Prf raise then in low-signal field. Fourth-order intermodulated products – in four times faster (fig.3, dotted line). This research makes possible to justify that mixer conversion loss with defined value of local oscillator (LO) signal is rising with raising RF input power.

Influence value of mentioned factors on tranceiver characteristics was obvious from intersymbol interference and phase noise. Such results were obtained analizing state diagrams (fig.5) and eye diagrams (fig .6).

Modulation speed rising in order to utilize spectrum efficiently, narrowing filter bandpass, absence of unti-noise coding, natural phase noise made by local oscillator, nonlinearities brought by mixer and amplifier and also imposition signal impulses while passing filter – all tha facts that affect channel bit error rate value.

Fig. 7 illustrates BER curves versus different QAM modulation speeds. It is obvious that rising of modulation value leads to bad signal quality. In turn, it requires to make receiver threshold lower.

Examples used in this issue showes quantative measures of transceiver using 28 GHz. Modelling with 5,6 transceiver was implemented and analized with appropriate conclusions as well.

III.                                       Conclusion

Transceiver tract using different modulations research took place. There was modifying of elements parameters (phase noise, nonlinearities value, etc.) in order to analize and measure their influence on the transceiver quantative measures such as signal spectrum, state diagrams, eye diagrams and channel bit error rate transparent. Such a way of modelling provided with optimal transceiver quantative measures and helped to define requirements for element base.

IV.                                       References

[1] IEEE Communiacation Magazine «LMDS systems and their application». May 2000.

[2] IEEE Communiacation Magazine «Wireless Internet over LMDS: architecture and experimental implementation». May 2001.

[3] John Norbury «Towards the next generation Local Multipoint Distribution System (LMDS) at millimitre radio».

[4] B. Sidiar, «Digital communication. Theoretical and practical implementation», Moscow, 2003, 1100 p.

[5] E. G. Bal<lanov, «Communication systems testing and diagnostic», Eco-Trends, Moscow, 2001, 264 p.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2006г. 

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты