Апостолів О В, Шелковников Б Н Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут» просп Перемоги, 37, м Київ, 03056, Україна тел: +380 44 253-17-55, +380 44 542-40-50, e-mail: oleg_apostolov@mailru, bshelk@inboxru

Анотація – На основі аналізу вимог до двошарової широкосмугового бездротового системі визначено вимоги до Приймальнопередавальне тракту і складена його структурна схема Моделювання та дослідження структурної схеми дозволило оптимально вибрати її складові частини і визначити їх якісні показники

I                                       Введення

в останні роки бездротові технології дуже швидко змогли зайняти свій сегмент ринку і стали затребувані серед великого відсотка населення Темпи розробки нових стандартів (наприклад, технологія WiMax) в даній області високі і це вимагає проведення досліджень для розробки приемопередатчиков на новій елементній базі з метою їх здешевлення та технічного поліпшення Одним з основних завдань, тому, є моделювання на рівні структурних схем приемопередатчиков для подібних систем з урахуванням вимог до них при різних видах модуляції

Перспективною є двошарова архітектура широкосмугової бездротової системи Вона будується за типовою топології точка-многоточка Зона покриття поділяється на макростільниками, радіусом 1-3 км, і мікростільники, радіусом 50-500 м Приймач макростільниками працює на частоті 28 ГГц і служить для двостороннього обміну даними з бекбону мережі, а другий, що працює на частоті 5,6 ГГц, – для вирішення питання останньої милі і забезпечення кінцевого користувача послугами передачі голосу, даних, мультимедіа та мовлення супутникового ТБ Допускається також можливість доступу рухливих або стаціонарних користувачів до ресурсу мережі безпосередньо через базову станцію макростільниками Приклад термінального обладнання для подібної системи зображений на рис 1

Рис 1 Структурна схема термінального обладнання для двошарової ШБС

Fig 1 Two-layer LMDS terminal equipment block diagram

Така система забезпечує передачу даних зі швидкістю до 36 Мб / с на ділянці абонентської лінії Смуга частот є динамічною і складає до 100 МГц Використовується спектрально ефективні методи модуляції – QPSK, QAM Множинний доступ здійснюється методом тимчасового поділу каналу (TDMA) Допустимий рівень помилок у каналі (BER) складає 10 ®

II                               Основна частина

Аналіз предявлених вимог до системи ШБС дозволяє сформулювати вимоги до характеристик роботи тракту приймача-:

– Потужність передавача становить не менше 24 дБм

втрати у фідері не більше 1 дБ

коефіцієнт посилення 17 дБ приймається потужність-67дБм

– ширина займаної смуги частот-до 100 МГц

– необхідне застосування малошумні підсилювачів в схемі тракту

Базова станція оснащена таким приемопередатчиком забезпечує покриття в радіусі 1-3 км Використовується модуляція типу QPSK або QAM За рахунок широкополосности можна використовувати високоефективні згорткові коди, перемеженіє, коди Ріда-Соломона, а також технологію вибіркового автоматичного перезапроса (Selective Automatic Repeat, ARQ), що дасть можливість підвищити на практиці рівень допустимих помилок в каналі до 10 ®

На підставі перерахованих вимог, запропонована модель структурної схеми приймача-, зображена на рис 2 Вона складається з таких елементів як генератор сигналу, кодер, передавач, змішувач, підсилювач, фазообертач, канал звязку, атенюатор, смуговий фільтр, мало шумлячий підсилювач, декодер і приймач На малюнку представлені джерела фазового шуму і затримки, а також вимірювальні пристрої – BER-метр і векторний аналізатор сигналу – що використовуються для вимірювань якісних показників тракту

Рис 2 Структурна схема

Fig 2 Transceiver block diagram

Моделювання здійснювалося в програмному пакеті Microwave Office 2003, що дозволяє знімати характеристики сигналу в будь-якій точці схеми (на рис

2 позначені як «Точка вимірювання № п»)

Модульовані QPSK і QAM сигнали були пропущені через канал звязку з адитивним білим Гауе-совим шумом і отримані на приймачі Варіюючи параметрами елементів, можна було спостерігати за їх впливом на якісні показники приемопередатчика, такі як спектральна діаграма сигналу, діаграма значень рівня допустимих помилок в каналі (BER), діаграма станів і глазковая діаграма Спостереження за спектральної характеристикою сигналу показало, що доцільніше з точки зору спектральної ефективності використовувати модуляцію QAM замість QPSK

Рис 5 Діаграма станів для приемопередатчика використовує модуляцію 64 QAM

На рис 3 а, б зображені спектри QAM і QPSK сигналів, отримані при проходженні сигналів на частоті 28 ГГц, зі швидкостях 36 Мб / с і 500 Мб / с відповідно

Fig 5 64 QAM transceiver state diagrams

Розрахувавши спектральну ефективність для кожного з випадків (у першому випадку вона складе 5,2 біт / с / Гц в другому – 0,83 біт / с / Гц), можна довести ефективність модуляції QAM перед QPSK

Істотний вплив на якість переданого сигналу надають теплові шуми і нелінійні спотворення, що вносяться змішувачем і підсилювачем

Рис 3 а-спектр QAM 64 сигналу б – спектр QPSK сигналу

Fig 3 а-QAM 64 spectrum Ь – QPSK spectrum

Нелінійність амплітудної характеристики змішувача P / F (PRF), що знімається при одногармонічесокм сигналі на RF-вході, характеризується рівнем 1-дБ декомпресії, при якій коефіцієнт передачі змішувача падає на 1 дБ у порівнянні з малосигнальної значенням (рис4, точка А)

Рис 4 Амплітудна характеристика змішувача для корисних інтермодуляционних продуктів 1-го, 3-го і 4-го порядків

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

При використанні подвійного логарифмічного масштабу по осях отримаємо, що потужність інтермодуляционних продуктів третього порядку Римі (рис4, пунктирна лінія) збільшується з ростом PRF в три рази швидше, ніж PIF {PRF) в малосигнальної області, а потужність продуктів четвертого порядку – у чотири рази швидше (рис4, пунктирна лінія) Це призводить до того, що втрати перетворення в змішувачі ростуть із збільшенням потужності радіочастотного порту (RF)

Про ступінь впливу зазначених факторів на характеристики роботи прийомопередавача можна судити за рівнем межсимвольной інтерференції і фазовим шумів при аналізі діаграм станів (мал 5) і глазкових діаграм (Рис6)

Puc 6 Глазковиє діаграми для сигналу на виході передавача і на виході підсилювача

Fig 6 Amplifier and transmitter output eye diagrams

Збільшення швидкості модуляції з метою оптимального використання спектра сигналу, звуження смуги пропускання фільтра, відсутність завадостійкого кодування, природні шуми фази, що формуються гетеродином, нелінійні спотворення, що вносяться змішувачем і підсилювачем потужності, а також накладення імпульсів сигналу при проходженні фільтра – все це веде до зниження допустимого рівня помилок у каналі (BER)

На рис 7 як приклад приведена крива параметра BER при різних QAM модуляціях Видно, що збільшення порядку модуляції призводить до погіршення якості сигналу Це, в свою чергу, призводить до необхідності зниження порогу чутливості приймача

Рис 7 Порівняльна діаграма допустимого рівня помилок в каналі при різних швидкостях QAM модуляції

Fig 7 BER comparative curves via different QAM modulation speeds

У статті наведені приклади моделювання параметрів тракту для приемопередатчика, що працює на частоті 28 ГГц Дослідження проводилися і для моделі з робочим сигналом 5,6 ГГц

Проведено дослідження тракту приймача-при різних видах модулюючого сигналу Змінювалися параметри (фазові шуми, рівень нелінійних спотворень і ін) елементів структурної схеми з метою оцінки їх впливу на якісні показники тракту, такі як спектр сигналу, Глазко-ші діаграми, діаграми станів і рівень допустимих помилок в каналі Дослідження та моделювання дозволило отримати оптимальні якісні показники приймача-і визначити вимоги до його складових частин

IV                           Список літератури

[1] IEEE Communication Magazine «LMDS systems and their applications» Травень 2000

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

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

[4] Б Скляр, «Цифрова звязок Теоретичні основи і практичне застосування », Москва, 2003 р, 1100 стор

[5] І Г Бакланов «Тестування і діагностика систем звязку», Еко-Трендз, Москва, 2001 р, 264 стор

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@mallru, bshelk@lnboxru

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 fig1

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 fig2 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 (fig3, dot A) Using double logarithmic scale it is obtained that third-order intermodulated products power Рімз (fig3, dotted line) raises three times faster with Prf raise then in low-signal field Fourth-order intermodulated products – in four times faster (fig3, 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 (fig5) 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

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2006р