CAPITOLO 1 IMPAIRMENT NEI TRASMETTITORI OFDM

Transcript

1 Le omuniazioni digitali hanno subito notevoli sviluppi a partire dall ultima deade del seolo sorso a ausa della resente domanda di onnettività wireless e di broadasting video e audio. Come diretta onseguenza i gruppi R&S (Riera & Sviluppo), sono stati, e sono attualmente, spinti alla progettazione e realizzazione di omponenti e sistemi aratterizzati da prestazioni sempre più elevate in termini di veloità di trasmissione ed effiienza in banda. noltre per favorire il suesso delle nuove tenologie, è determinante fornire un livello di qualità del servizio he soddisfi i potenziali utenti o quantomeno risulti aettabile; al ontempo bisogna far fronte alle regole imposte dagli standard nazionali ed internazionali. Da qui si evine l importanza di disporre di adeguate proedure di analisi, he onsentano di provvedere al testing di apparati e sistemi garantendo un ridotto time to market, fattore ruiale di un merato sempre più ompetitivo. Ogni sistema di omuniazione digitale è rappresentabile mediante il modello elementare introdotto da Shannon e Weaver. Una sorgente (F) di informazioni invia ad un destinatario (D) un messaggio (M); tale messaggio viene opportunamente trasformato da un trasmettitore (T) in un segnale (S) he, attraverso un anale (C), giunge ad un rievitore (R) he lo rionverte in (M) prima di farlo giungere al destinatario. F M T S C S R M D Figura 1.1: Modello elementare del proesso di trasmissione. l presente elaborato mira alla realizzazione di un algoritmo di stima e valutazione dei difetti / di un trasmettitore digitale, la ui funzione speifia, all interno del suddetto modello è di odifiare il messaggio M per poi onvertirlo in segnale S. Di seguito verrà presentata la struttura interna di tale apparato e si desriveranno i metodi di troubleshooting annoverati in letteratura. 2

2 1.1 Struttura di un trasmettitore digitale. Cod. Canale Dati digitali Cod. Simbolo Filtro in Banda Base Modulatore / Filtro F Mixer Amplifiatore Osillatore loale F Osillatore loale RF Figura 1.2: Shema di un trasmettitore digitale di tipo /. dati digitali sono organizzati in un flusso binario, ui segue la odifia di anale volta a garantire he questi arrivino a destinazione senza errori grazie all aggiunta di una quantità di informazione ridondante per mezzo di odii ad individuazione o orrezione di errore. Si osservi he, in questa sede, si è preferito non introdurre la odifia di sorgente e di linea. Suessivamente, i dati sono organizzati in trame (frame), la ui struttura dipende dallo speifio sistema di trasmissione. l odifiatore di simbolo (symbol enoder) opera una onversione serie/parallelo (mapping) alimentando i rami e della sezione in banda base: questo proesso viene sandito da un osillatore loale (lok) he determina la frequenza di simbolo (symbol rate) in trasmissione. Una volta generati, i segnali in banda base vengono filtrati per venire inontro a due esigenze: rallentare le veloi transizioni tra stati onseutivi, limitando osì la banda oupata; minimizzare l interferenza intersimbolia (S, nter Symbol nterferene). A tale sopo, vengono adottati filtri della prima lasse di Nyquist (he in teoria dovrebbero annullare l S), in partiolare funzioni a roll off sinusoidale, ome il filtro on risposta impulsiva di tipo oseno rialzato (raised osine filter). segnali in banda base, filtrati, modulano una oppia di portanti in quadratura di fase, ad una frequenza intermedia (F, ntermediate Frequeny), fornite da un osillatore 3

3 loale (LO, Loal Osillator); il segnale subise un ulteriore filtraggio he limita l interferenza on i anali adiaenti (ACP, Adjaent Channel Power) e viene traslato alla frequenza di trasmissione, modulando una portante a radiofrequenza generata loalmente. nfine, il segnale viene inviato all amplifiatore di potenza, la ui sezione di usita è ollegata all antenna trasmittente. La tendenza attuale è quella di effettuare un implementazione digitale di parte del sistema, he può variare a seonda del tipo di trasmettitore da realizzare e a seonda delle appliazioni ui esso è destinato. Una prima possibilità è quella di implementare numeriamente i filtri in banda base onservando la natura analogia della traslazione in frequenza, ottenuta a valle della onversione: in tal aso è neessario un onvertitore digitale/analogio (DAC) per iasun anale, loalizzato subito dopo il filtro numerio (figura 1.3). mplementazione numeria Cod. Simbolo Filtro in Banda Base DAC Modulatore / Filtro F Mixer Amplifiatore Osillatore loale F Osillatore loale RF Figura 1.3: Trasmettitore digitale on modulazione F analogia. Una seonda possibilità è posporre la onversione D/A alla modulazione a frequenza intermedia he, dunque, è realizzata in forma numeria; in tal aso, è neessario un solo DAC, a monte del filtraggio limitatore di banda e della onversione a radiofrequenza: 4

4 mplementazione numeria Cod. Simbolo Filtro in Banda Base Modulatore / DAC Filtro F Mixer Amplifiatore Osillatore loale F Osillatore loale RF Figura 1.4: Trasmettitore digitale on modulazione F numeria. n entrambi i asi, il segnale a F (o RF) è omunque analogio. Lo shema di figura 1.5 è quello più diffuso, poihé l implementazione della sezione in banda base e della sezione a frequenza intermedia del trasmettitore per via numeria evita aluni dei tipii problemi he si possono risontrare in un implementazione analogia. Tuttavia, possono sorgere altri problemi, sia pure meno frequenti se il trasmettitore è ben progettato e realizzato on omponenti duraturi e di qualità. noltre, l implementazione numeria garantise maggiore stabilità nel tempo e riproduibilità, ad un osto ridotto, rispetto alle realizzazioni analogihe. 1.2 Prinipali difetti sui rami / (/ impairmen. Gli / impairment possono essere ausati da problemi di disadattamento dovuti alle asimmetrie he si possono manifestare sui rami e di un trasmettitore. Essi si risontrano nella parte del trasmettitore evidenziata in figura 1.6, nota ome sezione /: 5

5 Figura 1.5: Sezione del trasmettitore digitale interessata da / impairment. n tale sezione del trasmettitore è presente un osillatore loale (LO) he, tramite uno sfasatore di 90 gradi, fornise due portanti in quadratura; una di esse verrà modulata dalla omponente del segnale, l altra dalla omponente. L ortogonalità tra le due portanti (per il ramo e per il ramo ) assiura l indipendenza tra le due omponenti del segnale il he permette di ombinare le due omponenti in un unio segnale omposito. Tale segnale sarà poi somposto in riezione tramite l ausilio di un LO, sintonizzato sulla frequenza portante, he genererà le due portanti ortogonali per la demodulazione. Vista la struttura del trasmettitore, nel aso in ui le omponenti e del segnale non vengano elaborate in perfetta simmetria di proedure possono nasere impairment sul segnale trasmesso he omportano problemi nel reupero dei dati in fase di riezione. Di seguito saranno analizzati i più omuni difetti sui rami e ed infine, presentato il modello generale he tiene onto dell effetto di una qualsiasi ombinazione degli stessi sul segnale a F generato dal trasmettitore Sbilaniamento dei guadagni (/ Gain mbalane). Consiste in guadagni non omogenei per i ammini e, iò si manifesta on un errato posizionamento di iasun simbolo nel diagramma della ostellazione. Dal punto di vista analitio, si onsideri l espressione del segnale in usita dal bloo evidenziato in figura 1.5, ioè del segnale a F in assenza di impairment: y( ( os(2f ( sin(2f (1.1) dove ( e ( ne rappresentano rispettivamente le omponenti in fase ed in quadratura e on si è indiata la frequenza portante. 6

6 Nel aso di un trasmettitore affetto da Gain mbalane, l espressione analitia del segnale diviene: y( G ( os(2f G ( sin(2f dove on G e G sono indiati i differenti guadagni rispettivamente per i rami e. Risulta quindi evidente ome la presenza di Gain mbalane produa una ostellazione asimmetria lungo i due rami e, ome mostrato in figura 1.6 on riferimento ad una segnalazione 64AM a valore massimo per i rami e unitario e guadagno sul ramo maggiore di quello del ramo. (1.2) Figura 1.6: Effetto di / Gain mbalane per segnalazione 64 AM. Con il punto e la roe sono indiati rispettivamente la posizione nominale e quella attuale di iasun simbolo della ostellazione Errore di quadratura (uadrature Phase Errore). Sfasamento fra le portanti prodotte dall osillatore loale nella sezione F (o RF) del trasmettitore, he moltipliano nel modulatore i segnali e in banda base, non è esattamente pari a 90. A partire dall espressione analitia del segnale ideale a frequenza intermedia (1.1), in presenza di un errore di quadratura, essa diviene: 7

7 y( ( os(2f ( sin(2f t ) (1.3) dove on si è indiato il uadrature Error. L effetto di tale impairment onsiste in una distorsione della ostellazione ome indiato in figura 1.7. Figura 1.7: Effetto di / uadrature Error per segnalazione 64 AM. Con il punto e la roe sono indiati rispettivamente la posizione nominale e quella attuale di iasun simbolo della ostellazione Offset sui rami / (/ offse. Offset in ontinua sui rami e del trasmettitore spesso introdotti dagli amplifiatori presenti sui singoli ammini. ndiati on C e C gli offset sul ramo e rispettivamente, l espressione analitia del segnale in presenza di / offset risulta essere: y( [ ( ]os(2f [ ( ]sin(2f Anhe questo difetto ha degli effetti sul diagramma delle ostellazioni, on una traslazione rigida di quest ultimo rispetto all origine degli assi e (figura 1.8). (1.4) 8

8 Figura 1.8: Effetto di / offset per segnalazione 64 AM. Con il punto e la roe sono indiati rispettivamente la posizione nominale e quella attuale di iasun simbolo della ostellazione Presenza di impairment multipli. Nel aso in ui siano presenti ontemporaneamente: sbilaniamento dei guadagni, errore di quadratura ed anhe offset sui rami, per quanto appena visto, l espressione analitia del segnale a frequenza intermedia diventa:,, y () t G y () t os(2 f G y () t sin(2 f t ) (1.5) F bb F bb F L effetto di una tale situazione ombinazione è visibile in figura 1.9. Figura 1.9: Effetto di / Gain mbalane, uadrature Error ed offset per segnalazione 64 AM. Con il punto e la roe sono indiati rispettivamente la posizione nominale e quella attuale di iasun simbolo della ostellazione. 9

9 Equivalentemente l espressione (1.5) può essere risritta ome: y () t G(1 g) y () t os(2 f F bb, F G(1 g) y ( sin(2 f t) bb, F (1.6) dove g rappresenta la semi-differenza tra i guadagni dei due rami, normalizzata al loro valore medio G. G g G G G G G G (1.8) 2 Dunque, nel aso di valore medio G unitario, il segnale equivalente in banda base avrà la seguente espressione: (1.7) 1 1 j zbb t g ybb, t j g ybb, t e (1.9) 1.3 mpairments su modulazione OFDM. Gli effetti degli impairments su modulazioni a singola portante sono generalmente ben onosiuti; questo apitolo si prefigge lo sopo di mostrare e analizzare gli effetti degli stessi difetti appliati ad un trasmettitore OFDM, evidenziandone, dove opportuno, le differenze rispetto agli shemi di modulazione a singola portante. n quest ultimi ogni sovrapposizione tra gli spettri di segnali adiaenti si tradue in interferenza (nter-carrier nterferene, C); invee nei sistemi OFDM, almeno quelli ideali, le sottoportanti sono addirittura sovrapposte ma essendo esse ortogonali, la sovrapposizione non ausa aluna interferenza. L ortogonalità assiura he gli zeri dello spettro di ogni portante oinidano on il entro dello spettro delle altre (figura 1.10 e 1.11), garantendo l assenza di C e la possibilità, in riezione, di reuperare l informazione legata ad ogni sottoportante (Appendie A). 10

10 Figura 1.10: Spettri ortogonali delle sottoportanti del segnale OFDM. Figura 1.11: n rosso lo spettro di ampiezza di un segnale OFDM. n evidenza le prime 4 sottoportanti. Dopo la demodulazione, è possibile esaminare la qualità del segnale in banda base attraverso una omparazione on un segnale ideale di riferimento; detto segnale viene riavato analitiamente dalla modulazione dell informazione, estratta demodulando il segnale effettivamente trasmesso, una volta noti i parametri dei filtri e la frequenza di lok: 11