OFDM-jelek előállítása, tulajdonságai és méréstechnikája Mérési útmutató Kidolgozta: Szombathy Csaba tudományos segédmunkatárs Budapest, 2016.
A mérés célja, eszközei A jelen laborgyakorlat célja sokvivős digitális rádiófrekvenciás jelek tulajdonságainak vizsgálata. Első lépésben egy kétvivős adást állítunk elő egy általános I/Q-modulátor segítségével, az OFDM-adások alapsávi jelei közötti összefüggések érzékeltetése céljából, majd DVB-T adáson gyakorlati méréseket végzünk. A laborgyakorlat során egy általános célú vektor-jelgenerátort, egy DVB-T tesztadót, egy többnormás mérőjel-generátort és egy DVB-T mérővevőt használunk. Az általános célú vektor-jelgenerátor ugyanaz a műszer, amely a Digitális QAM-jelek tulajdonságai és méréstechnikája című laborgyakorlat egyik fő berendezése. A DVB-T tesztadó és a többnormás mérőjel-generátor szintén egy-egy I/Q-modulátor, amelyek egy belső, szabványspecifikus alapsávi generátorral is rendelkeznek. Az előbbivel a szabványostól eltérő jeltípusok is előállíthatók (ettől tesztadó), míg az utóbbin csak szabványos paraméterek állíthatók be. A DVB-T mérővevő egy szuperheterodin vevő, melynek KF-sávszélessége rögzített, a földfelszíni TV-adások raszterének megfelelően 8 MHz. Értelemszerűen DVB-T mérődemodulátorral rendelkezik, amely minden OFDM-jellemző vizsgálatára alkalmas, de KF-jelútjában FFT-analizátor és amplitúdó-statisztika mérő fokozat is található. 1. ábra Az OFDM-mérővevők jellemző felépítése Elméleti háttér A többutas hullámterjedés lineáris torzítást okoz, ami két formában nyilvánul meg: 1. a spektrumban alul-, felül- vagy sáváteresztő, illetve sávzáró hatás jelentkezik 2. az időtartományban az egymást követő szimbólumok között átlapolódás (áthallás) lép fel A felsorolt két jelenség ellen a következőképpen védekezhetünk:
1. A csatorna lineáris torzítását (közel) valós időben kell kompenzálni, ehhez az átviteli út karakterisztikájának inverzét ki kell számítani. Ez sokvivős modulációval biztosítható, melynek lényege, hogy az információt nem egyetlen, a teljes csatornát kitöltő, nagy szimbólumsebességű vivőn továbbítják, hanem egymás mellett elhelyezett, több száz vagy ezer, egymástól független, kicsi szimbólumsebességű (és ezzel arányosan kisebb sávfoglalású) hullámon, amelyek együttesen ugyanannyi spektrumrészt foglalnak el és ugyanannyi információmennyiséget közvetítenek, mintha egyetlen vivőn történne az átvitel. Egyes vivőket azonban nem modulálunk, hanem folytonos szinuszhullámként, mint referenciajeleket visszük át. Ezek segítségével (mint mérőjelekkel) felvehető a csatorna relatív amplitúdó- és fázismenete, aminek ismeretében kiszámítható annak inverze is. Ezt követően már csak egy valós időben hangolható, digitális (FIR) szűrőt kell beállítani erre az inverz karakterisztikára, amellyel megszorozva a többi vivő komplex amplitúdóját (bizonyos határok között) visszakompenzálható a csatorna lineáris torzítása. A fenti műveletekhez a jel FFT-felbontását kell elvégezni. Ehhez adott hosszúságú, átlapolódásoktól mentes időbeli (integrálási) jelszakaszra van szükség. A (reflexiók okozta) áthallás miatt a demodulálható szimbólumhossz azonban rövidebb, mint az adó által kisugárzott szimbólumok hossza, ezért annak érdekében, hogy az 1. pontban leírt kompenzáló mechanizmus működhessen, a következőnek kell teljesülnie: 2. Az adónak hosszabb szimbólumot kell kisugároznia, mint a vevő integrálási ideje. A szimbólumok e megnyújtásának mértéke a védelmi idő (ciklikus előtag); ha a visszaverődésekből származó leghosszabb jelút késletetése rövidebb, mint e nyújtás mértéke, a vett jelben lesz legalább a vevő FFT-idejéhez szükséges hosszúságú, átlapolódásoktól mentes szakasz, így a jel demodulálható lesz. Ellenkező esetben összeomlik a kapcsolat. Megjegyezzük, hogy sokvivős rendszerekben egy szimbólum az összes vivő egy szimbólumidőben kisugárzott együttes, eredő jelalakját jelenti! E ponton fontos megjegyezni, hogy Fourier-transzformációval akkor különíthető el az egyes vivők információtartalma (azaz akkor állítható vissza minden vivő egyedi komplex amplitúdója), ha a vivők matematikai értelemben függetlenek egymástól. Ez azt jelenti, hogy bármely két vivő szorzatának a szimbólumidőre vett integrálja 0 kell, hogy legyen, ami pedig akkor teljesül, ha a spektrum minden egyes vivője egész számú rezgést végez egy szimbólumidő alatt. E feltétel következménye, hogy a vivők közötti frekvenciatávolság az FFT-szimbólumidő reciproka. A fentiekből következik, hogy éppen a vivők ortogonalitása miatt az adó a nyújtást, tehát a védelmi időt (ciklikus előtagot) az inverz FFT-vel előállított OFDM-szimbólumok végének előremásolásával, vagy elejének a végére másolásával hozzák létre.
Szükséges előismeretek, ajánlott irodalom A labormérés elvégzéséhez a következő alapfogalmak ismerete szükséges: A Digitális QAM-jelek tulajdonságai és méréstechnikája című laborgyakorlat teljes anyaga (http://www.mht.bme.hu/~lenart/vill_mb02/qam.pdf) Vivők közötti ortogonalitás fogalmának és a védelmi idő működésének az ismerete A felkészüléshez ajánlott irodalom: [1] Szombathy Csaba, Dr. Gschwindt András, Vécsi Sándor, Konyha Lajos: DVB RENDSZEREK MÉRÉSTECHNOLÓGIÁJA II. RÉSZ: DVB-T JELEK MÉRÉSTECHNIKÁJA; Tanulmány és mérési utasítás a Nemzeti Hírközlési Hatóság részére, Budapest, 2007. [2] Szombathy Csaba, Kollár Zsolt, Jákó Péter: DIGITÁLIS RÁDIÓRENDSZEREK ÉS MÉRÉSTECHNIKÁJUK; Tanulmány a Nemzeti Hírközlési Hatóság részére, Budapest, 2009. [3] Walter Fischer: A digitális műsorszórás alapjai; ORTT-ATKI, Budapest, 2005.
Elvégzendő gyakorlatok 1. Alapgyakorlatok Kapcsolja be az általános célú vektor-jelgenerátort és az OFDM-mérővevőt! Külön szoftverrel hozzon létre olyan alapsávi I/Q-jelet, amely a vivőtől +10 khz-re QPSK, -10 khz-re pedig 8 PSK konstellációt képez le! Segítségképpen: az I/Q-jeleket Excel-ben vagy egyéni szoftverrel hozza létre, majd töltse be a jelgenerátor memóriájába! Elegendő 10 szimbólumot előállítani, alkalmazzon tízszeres túlmintavételezést, az FFT-szimbólumidő 1 ms, a védelmi idő pedig ¼ legyen! Ellenőrizze vissza az előállított két vivő konstellációját és spektrumát! Iktassa ki az egyik, majd a másik vivő komplex alapsávi összetevőit! Mi történik? Figyelje meg, hogy mi történik, ha kiiktatja az egyik alapsávi jelet! Borítsa fel az ortogonalitást a két vivő között! Figyelje meg, hogy mi lesz ennek a következménye! 2. DVB-T adás mérése A DVB-T tesztadó segítségével sugározzon ki egy TV-műsort! Az adóantenna mozgatásával figyelje meg a mérővevőn a többutas terjedés hatását! Ellenőrizze a csatorna impulzusválaszát is! A mérővevőbe épített zajgenerátor segítségével fokozatosan rontsa le az adás minőségét! Jegyezze fel a különféle jel/zaj-viszony beállításokhoz tartozó bithiba- és modulációshiba-arányokat! Mi figyelhető meg? A mérésvezető állítson be váratlan helyzetet! Miből látszik ez? Mi a megoldás? Tekintse át a mérővevő által vizsgált jellemzőket! Figyelje meg a DVB-T jel dinamikáját! Az átviteli út nemlinearitásai hogyan jelenkeznek a CCDF-karakterisztikán?