RU63147U1 - DIGITAL OFDM MODULATOR WITH INTERPRETATION OF THE SECRATION FREQUENCY - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к широкополосным системам связи, в которых используются ортогональное частотное разделение со многими поднесущими. Это могут быть многопользовательские системы фиксированной и мобильной связи на основе технологий OFDM и MC-CDMA. Сущность полезной модели заключается в том, что в устройстве цифрового OFDM модулятора с интерполяцией частоты дискретизации, содержащем последовательно соединенные преобразователь из последовательных символов данных в параллельные, блок обратного быстрого преобразования Фурье, преобразователь из параллельных символов в последовательные, выход которого соединен с входом расширителя OFDM символа защитным интервалом, синфазный (I) и квадратурный (Q) каналы, выполненные идентично и состоящие из последовательно соединенных цифровых фильтров нижних частот с конечной импульсной характеристикой и перемножителей, цифровой генератор опорных колебаний промежуточной частоты, выход которого подключен к другому входу перемножителя Q канала и через фазовращатель на 90 градусов - к другому входу перемножителя I канала, а выходы перемножителей I и Q каналов через сумматор соединены с цифро-аналоговым преобразователем, размерность блока обратного быстрого преобразования Фурье увеличена в 2^m раз, а выходы расширителя OFDM символа защитным интервалом подключены к соответствующим входам цифровых фильтров нижних частот I и Q каналов.The utility model relates to broadband communication systems that use orthogonal frequency division with many subcarriers. These can be multi-user fixed and mobile communication systems based on OFDM and MC-CDMA technologies. The essence of the utility model is that in a digital OFDM modulator device with interpolation of the sampling frequency, which contains a serial-connected converter from serial data characters to parallel, an inverse fast Fourier transform unit, a converter from parallel characters to serial, the output of which is connected to the input of the OFDM symbol expander guard interval, in-phase (I) and quadrature (Q) channels, made identically and consisting of digital filters connected in series in low frequencies with a finite impulse response and multipliers, a digital intermediate frequency reference oscillator, the output of which is connected to the other input of the Q channel multiplier and through the phase shifter 90 degrees to the other input of the I channel multiplier, and the outputs of the I and Q channel multipliers are connected through an adder a digital-to-analog converter, the dimension of an inverse fast Fourier transform is increased in 2 ^m times, and the expander outputs OFDM symbol guard interval are connected to corresponding inputs i Frova lowpass filters I and Q channels.

Description

Настоящая полезная модель относится к широкополосным системам связи, в которых используется ортогональное частотное разделение со многими поднесущими (OFDM). Это могут быть многопользовательские системы фиксированной или мобильной связи на основе технологий OFDM и MC-CDMA (многочастотного кодового разделения).The present utility model relates to broadband communication systems that utilize orthogonal multi-subcarrier frequency division multiplexing (OFDM). These can be multi-user fixed or mobile communication systems based on OFDM and MC-CDMA (multi-frequency code division) technologies.

Наиболее близким аналогом является устройство цифрового OFDM модулятора с интерполяцией частоты дискретизации [1]. Данное устройство содержит последовательно соединенные преобразователь из последовательных символов данных в параллельные, блок обратного быстрого преобразования Фурье (IFFT) размерности N=2ⁿ, преобразователь из параллельных символов в последовательные и расширитель OFDM символа защитным интервалом, выход которого подключен ко входам синфазного (I) и квадратурного (Q) каналов, выполненных идентично и состоящих из последовательно соединенных интерполяторов, цифровых фильтров нижних частот с конечной импульсной характеристикой и перемножителей, цифровой генератор опорных колебаний промежуточной частоты, выход которого соединен с другим входом перемножителя Q канала и через фазовращатель на 90 градусов - с другим входом перемножителя I канала, а выходы перемножителей I и Q каналов через сумматор соединены с цифро-аналоговым преобразователем.The closest analogue is a digital OFDM modulator device with interpolation of the sampling frequency [1]. This device contains a serial converter from serial data characters to parallel, an inverse fast Fourier transform (IFFT) unit of dimension N = 2 ⁿ , a converter from parallel characters to serial and an OFDM symbol extender with a guard interval, the output of which is connected to the in-phase (I) inputs and quadrature (Q) channels made identically and consisting of series-connected interpolators, digital low-pass filters with a finite impulse response and multiplying teley digital reference oscillation generator of the intermediate frequency, the output of which is connected to the other input of multiplier through a Q channel and a phase shifter 90 degrees - to the other input of multiplier I channel, and the outputs of the multipliers I and Q channels through the adder are connected to digital-to-analog converter.

Этот цифровой OFDM модулятор работает следующим образом. Входной поток данных со скоростью В бит/с подается на преобразователь из последовательных символов в параллельные, в котором он разделяется на К потоков со скоростью В/К бит/с в каждом, а затем поступает на N-входовый блок IFFT размерности N. Отношение K/N This digital OFDM modulator operates as follows. The input data stream with a speed of B bits / s is fed to the converter from sequential to parallel characters, in which it is divided into K streams with a speed of B / K bits / s in each, and then it is fed to the N-input IFFT block of dimension N. The ratio K / N

определяет защитный интервал и выбирается порядка 0,7-0,8, что является достаточным для подавления вредных краевых эффектов на концах спектра. Остальные N-К входов блока IFFT дополняются нулями [2]. Выходной сигнал блока IFFT преобразуется из параллельных символов в последовательные, а затем поступает на вход расширителя OFDM символа защитным интервалом, где производится вставка в начало OFDM символа копии некоторой его заключительной части. Далее комплексный сигнал, разделенный на действительную и мнимую составляющие, поступает на соответствующие входы интерполяторов I и Q каналов, в которых осуществляется повышение частоты дискретизации BN/К в L=2^m раз. В результате на выходах этих интерполяторов образуются сигналы, имеющие периодический спектр с периодом Lf_d, где f_d=BN/К - частота дискретизации на выходе блока IFFT. В цифровых фильтрах нижних частот каждого из каналов происходит формирование I и Q спектров OFDM символа на видеочастоте, которые переносятся на квадратурные составляющие цифрового опорного генератора промежуточной частоты f_пр, а затем суммируются. Для этой цели сигналы с выходов фильтрах нижних частот I и Q каналов подаются на первые входы перемножителей I и Q каналов, тогда как на вторые их входы подаются сдвинутые относительно друг друга на 90 градусов сигналы цифрового опорного генератора промежуточной частоты. С выхода сумматора цифровой сигнал на промежуточной частоте поступает на вход устройства цифро-аналогового преобразователя.determines the protective interval and selects about 0.7-0.8, which is sufficient to suppress harmful edge effects at the ends of the spectrum. The remaining N-K inputs of the IFFT block are complemented by zeros [2]. The output signal of the IFFT block is converted from parallel to serial characters, and then fed to the input of the OFDM symbol expander with a guard interval, where a copy of some of its final part is inserted at the beginning of the OFDM symbol. Next, the complex signal, divided into real and imaginary components, is fed to the corresponding inputs of the I and Q channel interpolators, in which the sampling frequency BN / K is increased by L = 2 ^m times. As a result, the outputs of these interpolators produce signals having a periodic spectrum with a period of Lf _d , where f _d = BN / K is the sampling frequency at the output of the IFFT block. In the digital low-pass filters of each channel, I and Q spectra of the OFDM symbol are formed at the video frequency, which are transferred to the quadrature components of the digital reference generator of the intermediate frequency f _pr , and then summed. For this purpose, the signals from the outputs of the low-pass filters of I and Q channels are fed to the first inputs of the multipliers of I and Q channels, while the signals of a digital intermediate frequency reference generator that are 90 degrees shifted relative to each other are fed to their second inputs. From the output of the adder, a digital signal at an intermediate frequency is fed to the input of the digital-to-analog converter device.

Согласно [3] применение интерполяторов I и Q снижает требования к амплитудно-частотной характеристике канальных цифровых фильтров нижних частот за счет соответствующего повышения частоты среза. На Фиг.1 показаны спектры IFFT сигналов до (а) и после (б) интерполяции при L=4.According to [3], the use of interpolators I and Q reduces the requirements for the amplitude-frequency characteristic of channel digital low-pass filters due to a corresponding increase in the cutoff frequency. Figure 1 shows the spectra of IFFT signals before (a) and after (b) interpolation at L = 4.

Недостатком данной схемы цифрового OFDM модулятора с интерполяцией частоты дискретизации является его аппаратная сложность, обусловленная реализацией интерполяторов I и Q каналов, увеличивающаяся с ростом L.The disadvantage of this scheme of a digital OFDM modulator with interpolation of the sampling frequency is its hardware complexity, due to the implementation of I and Q channel interpolators, increasing with increasing L.

Технический результат данной полезной модели заключается в существенном упрощении цифрового OFDM модулятора с интерполяцией частоты дискретизации, выражающемся в уменьшении числа дискретных логических элементов (вентилей), а также потребляемой мощности устройства. Указанный технический эффект достигнут за счет исключения из схемы цифрового OFDM модулятора интерполяторов I и Q каналов и реализации операции интерполяции сигнала в блоке IFFT увеличенной размерности. С этой целью размерность блока IFFT выбирается равной L·N, где L=2^m. При этом на его К входов, так же как в устройстве прототипе, поступает параллельный поток данных, а на его другие NL-K входы подаются нули. Диаграмма, характеризующая распределение «информационных» и «нулевых» входов блока IFFT показана на Фиг.2. В этом случае значения IFFT сигнала размерности L·N, взятые с шагом выборки К/BN, начиная с первого, в соответствии со свойством обратного преобразования Фурье будут совпадать с соответствующими значениями IFFT сигнала размерности N. При этом значения остальных L-1 временных отсчетов с шагом К/BNL будут интерполяцией значений отсчетов с шагом К/BN.The technical result of this utility model is a significant simplification of the digital OFDM modulator with interpolation of the sampling frequency, expressed in a decrease in the number of discrete logic elements (gates), as well as the power consumption of the device. The indicated technical effect was achieved due to the exclusion of the I and Q channel interpolators from the digital OFDM modulator and the implementation of the signal interpolation operation in the increased IFFT block. For this purpose, the dimension of the IFFT block is chosen equal to L · N, where L = 2 ^m . At the same time, a parallel data stream is supplied to its K inputs, just as in the prototype device, and zeros are fed to its other NL-K inputs. A diagram characterizing the distribution of “information” and “zero” inputs of the IFFT block is shown in FIG. 2. In this case, the IFFT signal values of dimension L · N taken with the sampling step K / BN, starting from the first, in accordance with the inverse Fourier transform property will coincide with the corresponding IFFT values of the signal of dimension N. Moreover, the values of the remaining L-1 time samples with K / BNL increments will be interpolation of sample values with K / BN increments.

С учетом того, что число «нулевых» входов блока IFFT составляет не менее половины от его размерности, реализация блока IFFT размерности L·N усложняется незначительно относительно выигрыша, к которому приводит исключение канальных интерполяторов. Обычно на практике L выбирается равной 4 или 8. При этом наибольшая эффективность достигается в случае L=2.Given that the number of “zero” inputs of the IFFT block is at least half of its dimension, the implementation of the IFFT block of dimension L · N is complicated slightly relative to the gain resulting from the exclusion of channel interpolators. Usually, in practice, L is chosen equal to 4 or 8. Moreover, the greatest efficiency is achieved in the case of L = 2.

На Фиг.3 показана предлагаемая блок-схема устройства цифрового OFDM модулятора с интерполяцией частоты дискретизации. Он содержит преобразователь 1 из последовательных символов в параллельные, блок 2 IFFT размерностью 2^n+m, преобразователь 3 из параллельных символов в последовательные, расширитель 4 OFDM символа защитным интервалом, цифровые фильтры нижних частот 5-6 с конечной импульсной характеристикой I и Q каналов, цифровой генератор 7 опорных колебаний Figure 3 shows the proposed block diagram of a digital OFDM modulator with interpolation of the sampling frequency. It contains a converter 1 from serial to parallel characters, an IFFT block 2 of dimension 2 ^{n + m} , a converter 3 from parallel to serial characters, an OFDM symbol extender 4 with a guard interval, digital low-pass filters 5-6 with a finite impulse response of I and Q channels, digital generator 7 reference oscillations

промежуточной частоты f_пр, фазовращатель 8 на 90 градусов, перемножители 9-10 I и Q каналов, сумматор 11 и цифро-аналоговый преобразователь 12.intermediate frequency f _CR , phase shifter 8 by 90 degrees, multipliers of 9-10 I and Q channels, adder 11 and digital-to-analog converter 12.

Устройство работает следующим образом. Входной поток данных со скоростью В бит/с распараллеливается на К потоков со скоростью В/К бит/с в преобразователе 1 и поступает на К входов блока 2 IFFT размерности 2^n+m, на другие 2^n+m - К входов которого подаются нули. В преобразователе 3 осуществляются обратное преобразование OFDM сигнала из параллельного кода в последовательный. Далее в расширителе 4 производится расширение OFDM символа за счет вставки перед его началом защитного интервала, представляющего собой копию заключительной части OFDM символа. Затем комплексный OFDM сигнал делится на действительную и мнимую составляющие, которые подаются параллельно на соответствующие цифровые фильтры нижних частот 5 и 6 с конечной импульсной характеристикой I и Q каналов. В этих фильтрах осуществляется фильтрация OFDM сигнала от мешающих дискретных периодических спектров на частоте дискретизации f_d·i, i>1. Генератор 7 и фазовращатель 8 формируют сдвинутые на 90 градусов относительно друг друга sin и cos составляющие опорного колебания на промежуточной частоте f_пр в цифровой форме. В перемножителях 9-10 I и Q каналов и сумматоре 11 происходит перенос комплексного спектра OFDM сигнала на промежуточную частоту f_пр, причем берется только реальная составляющая спектра OFDM сигнала на промежуточной частоте. Далее OFDM сигнал подается на вход цифро-аналогового преобразователя 12, с выхода которого в аналоговой форме он поступает в высокочастотный блок.The device operates as follows. The input data stream with a speed of V bps is parallelized to K streams with a speed of V / K bps in converter 1 and goes to the K inputs of IFFT block 2 of dimension 2 ^{n + m} , to the other 2 ^{n + m} - K inputs of which zeros are fed . In the converter 3, the OFDM signal is inversely converted from the parallel to the serial code. Then, in the expander 4, the OFDM symbol is expanded by inserting a guard interval before its beginning, which is a copy of the final part of the OFDM symbol. Then the complex OFDM signal is divided into real and imaginary components, which are fed in parallel to the corresponding digital low-pass filters 5 and 6 with a finite impulse response of I and Q channels. These filters filter the OFDM signal from interfering discrete periodic spectra at a sampling frequency f _d · i, i> 1. The generator 7 and the phase shifter 8 form the components of the reference oscillation shifted by 90 degrees relative to each other sin and cos at the intermediate frequency f _CR in digital form. In the multipliers of 9-10 I and Q channels and the adder 11, the complex spectrum of the OFDM signal is transferred to the intermediate frequency f _pr , and only the real component of the spectrum of the OFDM signal at the intermediate frequency is taken. Next, the OFDM signal is fed to the input of the digital-to-analog converter 12, from the output of which in analog form it enters the high-frequency unit.

Полезная модель может быть осуществлена на соответствующей элементной базе по типовым технологиям.The utility model can be implemented on the appropriate elemental base for standard technologies.

Источники информации:Information sources:

1. Е.Р.Laurey. Adaptive techniques for multiuser OFDM. Thesis for the degree of doctor of philosophy in Electrical and computer Engineering. School of Engineering, James Cook University, Australia, 201, pp.22, 27.1. E.R. Laurey. Adaptive techniques for multiuser OFDM. Thesis for the degree of doctor of philosophy in Electrical and computer Engineering. School of Engineering, James Cook University, Australia, 201, pp. 22, 27.

2. Standard 802.16a-2003 for local and metropolitian area networks. Part 16: Air Interface for fixed. IEEE broadband wireless Access Systems Amendment 2: Medium Access Control modifications and additional physical layer specifications for 2-11 HGz, pp.139-140.2. Standard 802.16a-2003 for local and metropolitian area networks. Part 16: Air Interface for fixed. IEEE broadband wireless Access Systems Amendment 2: Medium Access Control modifications and additional physical layer specifications for 2-11 HGz, pp. 139-140.

3. H. Schuire and С.Luders. Theory and applications of OFDM and CDMA. John Wiley&Sons. Ltd, 2005, p.162.3. H. Schuire and C. Luders. Theory and applications of OFDM and CDMA. John Wiley & Sons. Ltd, 2005, p. 162.

Claims (1)

Устройство цифрового OFDM модулятора, содержащее преобразователь из последовательных символов данных в параллельные, блок обратного быстрого преобразования Фурье, преобразователь из параллельных символов в последовательные, расширитель OFDM символа защитным интервалом, два I-Q канальных фильтров нижних частот с конечной импульсной характеристикой, цифровой генератор опорных колебаний промежуточной частоты, фазовращатель на 90°, двухвходовые канальные перемножители, сумматор и цифроаналоговый преобразователь, отличающееся тем, что выходы расширителя OFDM символа непосредственно соединены с входами канальных I-Q фильтров, при этом на N входов блока обратного быстрого преобразования Фурье размерности N-L поступает поток данных, а на N(L-1) входов подаются нули, причем число входов, на которые подаются нули, составляет не менее половины от размерности N-L блока обратного быстрого преобразования Фурье.

A digital OFDM modulator device comprising a serial-to-parallel data converter, an inverse fast Fourier transform unit, a parallel-to-serial converter, an OFDM symbol extender with a guard interval, two IQ channel low-pass filters with a finite impulse response, a digital intermediate frequency reference oscillator , 90 ° phase shifter, two-input channel multipliers, adder and digital-to-analog converter, characterized in that the output The OFDM symbol expander is directly connected to the inputs of channel IQ filters, while a data stream is supplied to the N inputs of the inverse fast Fourier transform unit of dimension NL, and zeros are fed to the N (L-1) inputs, and the number of inputs to which zeros are at least half of the dimension NL of the inverse fast Fourier transform block.