Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Воскресенье, 19 ноября
 
 


Это интересно!

Ранее

Что такое Project 25

APCO P25 — современный и популярный во всем мире стандарт цифровой транкинговой связи, ориентированный на передачу голоса и пакетных данных по радиоканалу. В статье рассматриваются основные принципы работы радиостанции стандарта APCO P25, механизмы доступа к общему радиоинтерфейсу и передачи сигнализации, а также методы модуляции и демодуляции сигналов C4FM.

Процессоры обработки данных как альтернатива RTL-ускорителям

В статье рассмотрены основные преимущества применения процессоров для обработки данных Tensilica. Приведены сравнительные результаты различных методов ускорения.

Высококачественная телефония — от мифа к реальности

Конвергенция систем передачи речи и данных в единую мультимедийную сеть стала популярным трендом. Необходимость перехода от существующих сетей осознана рынком, процесс этот начался и постепенно набирает обороты. В статье обсуждаются вопросы высококачественной передачи речи с помощью технологий IP-телефонии.

Реклама

По вопросам размещения рекламы обращайтесь в отдел рекламы

Реклама наших партнеров

 

13 мая

Проектирование Edge QAM-модуляторов для прямых РЧ-интерфейсов

Квадратурная амплитудная модуляция (Quadrature Amplitude Modulation — QAM) выполняет функцию шлюза для каналов радиопередачи видеоданных вместо кабельных сетей. Универсальный краевой QAM-модулятор (Universal Edge QAM — uEQAM), который входит в состав передающей головной станции, захватывает транспортный видеопоток, поступающий по Ethernet или оптоволоконным сетям, и модулирует видеоданные на нескольких радиочастотах. Обычно в EQAM-системах используются интерфейсы промежуточной частоты (ПЧ) и аналоговые смесители для преобразования сигнала с повышением частоты. В статье обсуждается методика проектирования цифровых Edge QAM-модуляторов с использованием FPGA для прямых РЧ-интерфейсов последнего поколения, что не требует применения дорогих и громоздких аналоговых компонентов.



В

ведение

Практическое применение uEQAM-модуляторов началось в 2009 г. uEQAM-модуляторы расположены на границах оптоволоконной сети и преобразуют выходную цифровую информацию, передаваемую по сети, в РЧ-сигналы для распределения ее среди абонентов.
Первая волна применения QAM наблюдается на рынках, где конкуренция с IPTV особенно сильна, т.е. в таких странах как Южная Корея, Япония и Франция. Надо сказать, что и Китай может занять лидирующие позиции в этой области благодаря развертыванию своей системы Next Generation Broadcast (NGB), которая будет обеспечивать сервис по доставке цифрового видео абонентам в следующем десятилетии. В EQAM используется стандарт передачи данных по сетям кабельного телевидения Data Over Cable Service Interface Specifications (DOCSIS). Версии стандарта DOCSIS 1.0, 1.1 и 2.0 обеспечивают скорость передачи до 40 Мбит/с. Последняя версия — DOCSIS 3.0 — способна передавать HD-видео со скоростью до 160 Мбит/с.
Число QAM-каналов на один РЧ-порт удваивается примерно каждые три года, хотя сдерживающим фактором и серьезной проблемой в этом отношении остается высокая потребляемая мощность.
EQAM представляет собой, по сути, модуль формирования и передачи РЧ-сигнала, который выносится за пределы кабельного модема CMTS (Cable Modem Termination System). Поскольку в последней версии DOCSIS был введен модульный принцип построения CMTS (M-CMTS), для EQAM понадобился еще один интерфейс к MAC-модулю. Новым интерфейсом является Ethernet, который, как определено в спецификации на интерфейсе DEPI (Downstream External Physical Interface), требуется для связи с удаленным модулем EQAM. EQAM-модуляторы могут также сопрягаться с видеосерверами через Ethernet и обеспечивать прямой канал радиопередачи, который предоставляет цифровой видеосервис абоненту.
Современные цифровые кабельные системы, развернутые по всему миру, используют стандарт QAM, в котором определяется структура кадра входных данных, прямое исправление ошибок в канале, вид фильтрации и QAM-распределение. Обычно, в цифровом ТВ в сигнале прямого канала используется формат 64- или 256-QAM. Источником данных, как правило, являются транспортные пакеты MPEG2 или H.264 (см. рис. 1).

Рис. 1. Типовая блок-схема QAM-модулятора

QAM широко используется для модулирования цифрового видео, голосовых или информационных сигналов на несущей радиочастоте и обеспечивает ряд преимуществ, по сравнению с другими видами модуляции данных, например, фазовой манипуляции (Phase Shift Keying — PSK). QAM — это модулированный сигнал с двумя несущими основной полосы частот, сдвинутых по фазе на 90°, в результате чего формируется сигнал, в котором присутствует как изменение амплитуды, так и фазы. Поэтому этот вид модуляции можно рассматривать как сочетание амплитудной и фазовой модуляции. Амплитуда и фаза переносят цифровую информацию.
Международный телекоммуникационный союз (ITU) определил спецификацию J.83 версий Annex A, B и C, в которых описывается структура кадров, кодировка канала и канальная модуляция для цифровых мультисервисных систем передачи цифрового ТВ.
Исходный проект 8-канального QAM-модулятора основной полосы частот должен обеспечивать следующие требования:
– поддержку QAM-распределения и канальной фильтрации для 64-, 32-, 16- (Annex A), 256-, 64- (Annex B) и 64-точечных созвездий (Annex C);
– поддержку нескольких скоростей передачи и форматов QAM в соответствии с версией Annex. Различные каналы могут одновременно иметь разные скорости передачи и форматы QAM;
– выходной сигнал фильтра преобразуется с повышением частоты от основной частоты до цифровой радиочастоты.
Для простоты изложения мы не будем рассматривать блоки прямого исправления ошибок (FEC), т.к. они обычно они имеют одинаковую архитектуру для любого QAM-модулятора.


Работа системы

J83-модулятор включен между модулем кодирования канала (FEC, устройством перемежения, шифратором, модулятором, решетчатым кодом) и цифровым преобразователем с повышением частоты (Digital Upconverter — DUC). DUC спроектирован с помощью программного средства Altera DSP Builder Advanced Blockset (как показано на рисунке 2).

Рис. 2. Блок-диаграмма J83-модулятора

Генератор нулевого пакета, который используется в качестве источника внутреннего сигнала, подключается ко входу TS (Transport Stream) и формирует частоту, которая задается на выходе TS_data_refclk. Используется интерфейс транспортного потока (TS) c возможностью синхронизации по PCR (Program Clock Reference).
Трафик блока прямого исправления ошибок (FEC) передается в J83-модулятор через агрегатор, который мультиплексирует/объединяет 8/16 потоков символьных данных с частотой 64 МГц в поток шины Avalon на частоте 256 МГц. Модулятор вначале пересылает строб соответствующей скорости передачи в блок FEC, который построен в соответствии с версией Annex и скоростью передачи. Блок FEC возвращает символьные данные вместе с полезным сигналом. Данные всех четырех каналов в пределах блока могут быть рабочими в одном и том же цикле. Выход блока FEC может иметь от 4 до 8 бит, в зависимости от созвездия (сетки QAM-точек).
На вход агрегатора подается сигнал от 2/4 4-канальных блоков FEC, а на выходе формируется 8/16 независимо канализированных TDM-шин. Для упрощения синхронизации тактовые сигналы для блока FEC и логической схемы агрегатора формируются одной схемой ФАПЧ. Программный анализатор синхронизации Quartus TimeQuest Analyzer рассматривает всю область передачи тактового сигнала как синхронизированную, в которой все тактовые сигналы выровнены по нарастающему фронту. Агрегатированный вход FEC передается в модулятор, работающий на той же тактовой частоте, но с другой фазой.
В процессе QAM-распределения/кодирования модулятор захватывает символьные данные, распределяет их по созвездию (сетке) и генерирует I- и Q-символы. Хотя I/Q-символы имеют только 16, 8, 6 или 4 уровня (для 256-, 64-, 32- и 16-QAM ), используется 5 бит для представления I/Q-значений. Теперь TDM-шина используется полностью — максимально 32 канала по 8 МГц дают полосу 256 МГц.
Фильтр канала управления радиоресурсами (Radio Resource Control — RRC) получает I/Q-символы и формирует их в соответствии с коэффициентом избирательности. Выходная частота RRC-фильтра в два раза выше частоты передачи символа, поэтому необходимы два канала передачи (шины Avalon). Начиная с этого момента, обработка сигнала разделяется на два параллельных канала. После RRC-фильтра используется каскад усиления, чтобы в любом случае обеспечить сигнал полной шкалы.
Конвертор частоты выборки (Sample Rate Converter — SRC) должен захватывать данные синхронно с процессом преобразования частоты, поэтому между RRC-фильтром и SRC нужно включить компенсирующую FIFO-память. Статус записи и чтения FIFO-памяти доступен для отладки. Таким образом, любое опережение или отставание частоты можно будет скомпенсировать.
SRC использует один и тот же фильтр для всех скоростей передачи данных, но разные коэффициенты синхронизации — входной период отсчетов (input_sample_period) и выходной период отсчетов (output_sample_period). Устанавливая разные коэффициенты синхронизации, SRC может преобразовывать частоту входного сигнала в выходную частоту, отличную от 16 Мвыб/с (если исходить из использования 4096-МГц ЦАП). Например, если применять 4,608-ГГц ЦАП, то можно использовать ту же систему, но на более высокой частоте, и установить частоту выборки, равную 18 Мвыб/с.
После SRC включен каскад усиления/ослабления, который обеспечивает повышение/понижение уровня сигнала с шагом 1 дБ в диапазоне от 6 до –8 дБ. Поэтому на выходе SRC поддерживается уровень сигнала полной шкалы, и повышение уровня сигнала даже на 1 дБ может вызывать насыщение.
Проверка режима насыщения выполняется на всех выходах, для чего доступен статус переполнения, хотя в некоторых блоках системы гарантируется отсутствие переполнения при любых условиях. Частотные характеристики RRC-фильтра и комбинации RRC и SRC-фильтров показаны на рисунках 3 и 4.

Рис. 3. Частотная характеристика RRC-фильтра

Рис. 4. Частотная характеристика комбинации RRC- и SRC-фильтра

Цифровой преобразователь с повышением частоты (DUC) является ключевым компонентом для всех систем передачи сигнала с цифровой модуляцией, в том числе для беспроводных и кабельных систем. В состав цифрового преобразователя входят аппаратные умножители и память. Основная задача DUC — фильтрация, повышение частоты выборки и модуляция цифрового сигнала основной полосы частот, в результате чего формируется ПЧ- или РЧ-сигнал с последующим преобразованием его в несущий аналоговый сигнал, готовый для радиопередачи. Для повышения частоты выборки сигнала основной частоты используется интерполирующий КИХ-фильтр. Для увеличения выходной частоты можно включить последовательно несколько интерполирующих фильтров. Если блок интерполирующих КИХ-фильтров увеличивает частоту выборки входного сигнала в I раз, то I — это целое число, которое определяется коэффициентом интерполяции. Процесс преобразования частоты состоит из двух этапов. На первом этапе производится повышение частоты выборки входного сигнала до более высокой частоты с помощью добавления I-1 нулевых данных между отсчетами, а на втором этапе производится фильтрация сигнала повышенной частоты с помощью прямой реализации КИХ-фильтра. Блок интерполирующих КИХ-фильтров реализует оба этапа — повышение частоты выборки и фильтрацию, используя структуру многофазного фильтра, которая более эффективна, чем использование алгоритма прямого повышения частоты выборки сигнала с последующей фильтрацией.
Исходный проект 8-канального цифрового QAM-преобразователя с повышением частоты содержит J.83B-модулятор основной частоты, цифровой преобразователь с повышением частоты (объединение каналов + повышение частоты выборки + модуляция несущей) и LVDS-интерфейс (см. рис. 5).

Рис. 5. Блок-схема системы

Средство разработки DSP Builder Advanced Blockset представляет собой набор функциональных блоков на основе спецификаций. В процессе проектирования задается максимальная частота, для которой средство разработки выбирает необходимое число конвейеров и поддерживает необходимую точность алгоритма канала передачи данных.
Входной сигнал для DUC формируется предварительным модулятором. Он выполняет следующие функции:
– обеспечивает входному потоку QAM-канала 6-МГц полосу пропускания на промежуточной частоте;
– выполняет 256-позиционное QAM-распределение;
– осуществляет фильтрацию канала, используя КИХ-фильтр с характеристикой типа «корень из приподнятого косинуса» (root raised cosine) с коэффициентом избирательности 0,12;
– разделяет I и Q компоненты.
DUC выполняет следующие операции:
– повышает частоту выборки до частоты цифрового РЧ-сигнала;
– преобразует частоту всех 6-МГц каналов;
– повышает частоту сигнала до несущей радиочастоты в диапазоне 55…880 МГц.

Рис. 6. Функциональная блок-схема цифрового преобразователя с повышением частоты (DUC)

На рисунке 6 показана общая блок-схема DUC с различными каскадами повышения частоты. В данном примере частота выборки сигналов по 8-ми каналам повышается в 16 раз до 256 Мвыб/с, используя последовательно включенные интерполирующие фильтры. Затем частотам 8-канальных сигналов присваиваются значения центральной частоты: –21, –15, –9, –3, 3, 9, 15 и 21 МГц путем умножения компонентов I и Q на cos(x) и sin(x) и сложения результатов. Восемь каналов с полосой 6 МГц дают суммарный сигнал с полосой 48 МГц.
Далее 48-МГц полоса преобразуется с повышением частоты в 16 раз до частоты выборки 4096 Мвыб/с, используя еще одну последовательность интерполирующих фильтров. Затем частота выборки сигнала повышается до радиочастоты несущей 860 МГц путем умножения компонентов I и Q на cos(x) и sin(x) и сложения результатов. Из-за ограничения максимальной рабочей частоты FPGA интерполирующие фильтры и модуляцию радиочастоты несущей реализуют с помощью М-параллельных ветвлений.


1-я интерполяция с помощью 16-ти фильтров до 256 МГц

Интерполирующие фильтры выполняют 16-кратное повышение частоты (256 МГц/16 МГц = 16) и фильтрацию нижних частот, чтобы сохранить входную полосу частот, препятствуя наложению спектров сигнала в процессе повышения частоты.
16-кратное повышение частоты обеспечивается 4-мя каскадами фильтров с половинной полосой пропускания (half-band filters). Эти фильтры делят полосу частот на две равные части, что позволяет использовать меньшее число умножителей. Фильтр с половинной полосой пропускания имеет то свойство, что все его четные коэффициенты, кроме центрального, равны нулю. Каждый фильтр с половинной полосой пропускания увеличивает выходную частоту выборки в два раза (как показано на рисунке 7).

Рис. 7. Спектр фильтра с половинной полосой пропускания

1-я интерполяция с помощью 16-ти фильтров после 256 МГц

Интерполирующие фильтры выполняют 16-кратное повышение частоты (4096 МГц/256 МГц = 16) и фильтрацию нижних частот, чтобы сохранить входную полосу частот и в то же время препятствовать наложению спектров сигнала в процессе повышения частоты.

Многофазный генератор с числовым управлением

Генератор с числовым управлением (NCO) используется для формирования цифровой радиочастоты несущей. Частота несущей ограничивается, согласно теореме Найквиста, половиной частоты выборки NCO. Частота выборки NCO в данном случае составляет 256 МГц. Для использования совместно с гигагерцовым ЦАП была предложена схема многофазной модуляции, в которой применен высокоскоростной LVDS-интерфейс, встроенный в FPGA, с тем, чтобы получить радиочастоту несущей, превышающую частоту Найквиста. Чтобы синтезировать несущую радиочастоту на частоте выборки 4,096 ГГц, нужно 16 генераторов с числовым управлением (NCO) для передачи 16 фаз 860-МГц синусоидального сигнала.

Заключение

Имеются два важных параметра, которые часто используются для описания сигналов с цифровой модуляцией: коэффициент битовых ошибок (bit error ratio — BER) и коэффициент ошибок модуляции (modulation error ratio — MER). BER — это один из нескольких показателей, используемых в передаче цифровых данных. Например, если передается 1, а затем она принимается как 0, то это означает появление битовой ошибки. BER оценивается путем передачи некоторого числа бит и сравнения числа ошибочных бит, принятых на другом конце канала, с общим числом принятых бит. В общем случае BER — это отношение ошибочных бит к общему числу переданных, принятых или обработанных бит за определенный промежуток времени. Для математического описания BER часто используют две формулы:
BER = (число ошибочных бит)/(общее число бит);
BER = (число ошибок в измеряемый период времени)/(скорость передачи бит × измеряемый период времени).
MER в большей степени зависит от типа созвездия QAM. MER определяется как отношение средней мощности QAM-символа к средней мощности ошибки:
MER, дБ = 10•log (средняя мощность символа/средняя мощность ошибки).
Чем выше величина MER, тем лучше, так же и для отношения сигнал-шум. Каждая точка данного QAM-созвездия имеет фиксированное положение. Если точка созвездия отклоняется от заданного положения, что означает ухудшение характеристик системы, то MER уменьшается (см. табл. 1).

Таблица 1. Допустимые значения MER для различных типов QAM-созвездия

Формат модуляции

Нижний порог

Верхний порог

QPSK

7…10 дБ

40…45 дБ

16 QAM

15…18 дБ

40…45 дБ

64 QAM

22…24 дБ

40…45 дБ

256 QAM

28…30 дБ

40…45 дБ

Для сигналов с цифровой модуляцией коэффициент мощности в соседнем канале (Adjacent Channel Power — ACP) обычно рассчитывают как отношение мощности в основном канале к мощности в соседнем канале. В случае цифровой модуляции основной канал будет иметь статистику, подобную шумовому сигналу. Обусловлены ли сигналы в соседнем канале широкополосным шумом, фазовым шумом или интермодуляцией шумоподобных сигналов в главном канале, в этом (соседнем) канале будет наблюдаться шумоподобная статистика. Одной из задач спецификации DRFI (Downstream RF Interface) DOCSIS является гарантия минимального значения отношения мощности несущей к шуму (Carrier-to-Noise Ratio — CNR) для аналогового канала на уровне 60 дБ в системах, использующих до 119 QAM-каналов. В данной спецификации принимается, что уровень передаваемой мощности цифровых каналов будет на 6 дБ ниже максимального значения мощности огибающей сигнала изображения аналоговых каналов, что является обычным режимом для 256 QAM. В таблице 2 показаны требования по ACP для любого модулированного QAM-канала в пределах выделенной РЧ-полосы в соответствии со спецификацией DRFI DOCSIS.

Таблица 2. Реальные измеренные уровни ACP для 8-канального QAM

№№ п/п

Полоса частот

Число объединенных каналов на РЧ-порт, N

1

2

3

4

N>4

1

Соседний канал (до 750 кГц от края блока каналов)

<–58 дБc

<–58 дБc

<–58 дБc

<–58 дБc

<10•log10 [10–58/10÷(0,75/6)•(10÷(N–2) •10–73/10)], дБc

2

Соседний канал (750 кГц от края блока каналов до 6 МГц от края блока каналов)

<–62 дБc

<–60 дБc

<–60 дБc

<–60 дБc

<10•log10 [10–52/10÷(5,25/6)•(10–55/10÷(N–2) •10–73/10)], дБc

3

Следующий соседний канал (6 МГц от края блока каналов до 12 МГц от края блока каналов)

<–65 дБc

<–64 дБc

<–63,5 дБc

<–63 дБc

<10•log10 [10–55/10÷(N–1) •10–73/10], дБc

4

Третий соседний канал (12 МГц от края блока каналов до 18 МГц от края блока каналов)

<–73 дБc

<–70 дБc

<–67 дБc

<–65 дБc

Для N=5: –64,5 дБc;

Для N=6: –64 дБc;

Для N=7: <–73 ÷ 10•log10(N), дБc

5

Шум в других каналах (от 47 до 1000 МГц), измеренный в каждом 6-МГц канале, кроме следующих случаев:

а) полезные канал(ы)

б) 1-й, 2-й и 3-й соседние каналы (см. п.п. 1, 2, 3, 4 данной табл.)

в) совпадение каналов со 2-й и 3-й гармоникой (см. п. 6 данной табл.)

<–73 дБc

<–70 дБc

<–68 дБc

<–67 дБc

<-73 ÷ 10•log10N, дБc

6

В каждом из 2N смежном 6-МГц канале или каждом из 3N смежном 6-МГц канале, совпадающим со 2-й и
3-й гармоникой, соответственно (до 1000 МГц)

<–73 ÷ 10•log10(N), или –63 дБc в зависимости от того, что больше


Литература

1. Tam Do. Next Generation Direct RF EdgeQAM Design//www.eejournal.com.

 

 



Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь.
Оцените материал:

Автор: Тэм До (Tam Do), старший менеджер по маркетингу, Altera Corporation



Комментарии

0 / 0
0 / 0

Прокомментировать





 
 
 




Rambler's Top100
Руководителям  |  Разработчикам  |  Производителям  |  Снабженцам
© 2007 - 2017 Издательский дом Электроника
Использование любых бесплатных материалов разрешено, при условии наличия ссылки на сайт «Время электроники».
Создание сайтаFractalla Design | Сделано на CMS DJEM ®
Контакты