Моделювання безпровідної системи на частоті 240 ГГц

Моделювання безпровідної системи на частоті 240 ГГц

У статті представлена змодельована безпровідна система на частоті 240 ГГц. Доцільність вибору робочої частоти полягає в тому, що цей діапазон має високу пропускну здатність і низьку втрату через наявність атмосферних вікон прозорості. У склад моделі входять наступні модулі: джерело цифрової послідовності 128QAM, гетеродин 120 ГГц, перетворювачі вверх та вниз по частоті, підсилювач потужності та смугопропускний фільтр. Виконано порівняльний аналіз якісних та кількісних характеристик існуючих терагерцових систем 200−300 ГГц. Результати моделювання системи 240 ГГц лежать в межах норми та їх можна побачити у вигляді графіків.

Оскільки кількість мультимедійних послуг зростає, то і безперервно зростає потреба в передачі даних на високій швидкості. Хвилі міліметрового діапазону ідеально підходять для збільшення швидкості передачі даних в системах безпровідного зв’язку, тому що експлуатаційні абсолютні смуги частот ростуть при зростанні несучої частоти. Використання частот від 200 до 300 ГГц для безпровідної передачі даних можуть служити цікавою альтернативою вирішення проблеми недостатності смуги пропускання. Ця смуга частот добре підходить для зв’язку і передачі даних додатків через високу доступну пропускну здатність, а також низьку втрату через наявність атмосферних вікон прозорості. Системи зв’язку в цьому режимі можуть подалати швидкість передачі даних більше ніж 10 Гбіт/с. Але проблемою залишається збільшення відстані передачі без погіршення BER.

Для моделювання безпровідної системи було обрано робочу частоту 240 ГГц. Доцільність використання її полягає в тому, що вибрана частота 240 ГГц має найменше значення загасання в атмосфері.

Для досягнення необхідної пропускної спроможності і смуги пропускання, передача даних може бути покращена за допомогою більш складних методів модуляції, які поставляються разом з величезною кількістю обробки даних основної смуги частот. зі швидкістю до 10 Гбіт/с більш ніж на 1,2 м при використанні коллиматорної лінзи, де потужність передавання 10 мкВт.

Інша система, яка представлена в [2], забезпечує швидкість передачі даних до 25 Гбіт/с. Працює в діапазоні 200…280 ГГц і несуща частота складає 240 ГГц. Канал повністю розроблен за технологією MMIC і передача може досягати 40 Гбіт/c на кілометрову відстань. Вимірювання були проведені на відстань 60 см при швидкості 25 Гбіт/с і отриманий сигнал показав хорошу продуктивність до 25 Гбіт/с і коефіцієнт бітових помилок дорівнює 5×10−4. Максимальна вихідна потужніть складає 7dBm. Оскільки коефіцієнт шуму в приймачі в основному залежить від першої стадії підсилювача, характеристики приймача і малошумлящого підсилювача робить істотний вплив на продуктивність системи. У роботі пропоновано використання технології HEMT. Ця технологія забезпечує відмінні шумові характеристики в поєднанні з високим коефіцієнтом виграшу перетворення.

У системі, що описана в [3], використовується MMIC безпровідна передача сигналу при швидкості 12.5 Гбит/с, використовуючи несущу на 220 ГГц. І приймач і передавач системи використовують однакові блоки множення частоти і етапи перетворення. Перетворення частоти здійснюється за допомогою двонаправленого резистивного змішувача і генератора локального сигналу (LO). Чотириступінчастий малошумний підсилювач на виході приймача забезпечує 20 дБ посилення слабкого сигналу. У передавачі, так само 4-каскадний МТТТП використовується для підсилення РЧ сигналу на змішувачі, забезпечуючи передавальну потужність до 0 дБм. Була продемонстрована передача на відстань 2 метра і був отриманий BER 3.0−10 10. Сигнал модулюється на несучій частоті 220 ГГц, використовуючи повністю інтегрований 50 нм метаморфічний на основі HEMT передатчик і MMIC приймач. В майбутньому, ця технологічна платформа може забезпечити нові рішення для широкосмугових підключень останньої милі.

У роботі [4] представлена безпровідна передача сигналів телебачення DVB-C при 256-QAM модуляції на частоті 220 ГГц. Тракт радіочастоти використовує активний однокристальний передавач і отримувач у вигляді MMICs. Розробка на основі InP HEMT MMIC передавача та приймача дозволяє отримати швидкість передачі до 10 Гбіт/c. В цій системі розроблені передавачі та приймачі на основі виділених багатофункціональних MMICs. У системі подвоювач частоти забезпечує сигнал місцевого генератора (LO) до змішувача, який через свою біспрямованість, може діяти або як понижуючий перетворювач або як підвищувальний перетворювач частоти. У приймачі чотирьохкаскадний малошумлящий підсилювач забезпечує 20 дБ підсилення слабкого сигналу і встановлює загальний показник шуму приймача 7,3 дБ. У передавачі, так само чотирьох каскадний МТТТП використовується як підсилювач РЧ змішувача. Модуль передавача досягає вихідної потужності від -3.4 до 1.3 dBm між 218 і 238 ГГц, в той час як приймач показує втрати перетворення тільки 1 дБ через малошумлящий підсилювач. Виміряний BER в когерентній передачі встановлює на відстані передачі від 1 м дорівнює 1.7−10−5 і 9.1−10−4 для 128- і 256-QAM модуляції відповідно. Швидкість досягає 55 Мбіт/c при 256-QAM модуляції.

Результати порівняння якісних та кількісних характеристик винесено в Табл. 1.

Характеристики телекомунікаційних систем терагерцового діапазону Табл. 1

Отже проблемою все ж залишається збільшення відстані передачі без погіршення BER та інших сукупних якісних характеристик. Виходячи з результатів аналізу можна зробити висновок, що використання різних методів модуляції, різної частоти або технології дають різні вихідні результати [5]. Системи відрізняються структурою, елементною базою, технологіями виготовлення.

Метою роботи є дослідження зміни основних характеристик системи на вихідні результати, а також створення моделі системи з ліпшими характеристиками і аналіз отриманих результатів. Через те, що проблемою є досягнення кращого BER та якісних характеристик і збільшення відстані передавання інформації. Отже, для досягнення мети, необхідно вирішити наступні задачі: частота безпровідний терагерцовий діапазон вибір робочої частоти системи;

обґрунтування вибору необхідних модулів;

скласти вимоги до основних части системи;

аналіз ключових показників та характеристик змодельованої системи.

Моделювання системи на частоті 240 ГГц.

Для моделювання безпровідної системи було обрано робочу частоту 240 ГГц. Доцільність використання її полягає в наступному Коливання молекулярного кисню і молекул води викликають високе затухання хвиль близько резонансної частоти молекул. Резонансні частоти молекули води в атмосфері Землі розташовані в 182 і 325 GHz. Смуга частоти безпровідного зв’язку на 240 ГГц з шириною смуги 60 ГГц розташована в атмосферному вікні між цими двома резонансними частотами і гранична частота зі значеннями загасання між 2,7 дБ/км на 213 ГГц і 4,54 дБ/км на 280 ГГц. Тому вибрана частота 240 ГГц має найменше значення загасання в атмосфері.

На відміну від моделі в роботі [6], для створення системи на частоті 240 ГГц були використанні модулі приймача та передавача по технології MMIC. Кожен модуль може бути вироблений на окремому чіпі.

До складу змодельованної системи входять наступні блоки: локальний осцилятор, два змішувачі, підсилювачі, смугопропуский фільтр та приймач (Рис.1).

На вхід РЧ змішувача на передавальній стороні поступає QAM сигнал з послідовністю псевдовипадкових біт. Сигнал промодельований 128 QAM модуляцією. На LO вхід змішувача поступає сигнал LO 120 ГГц, що далі пройшов через подвоювач та генератор фазового шуму. Наявність фазового шуму в підсхеми використовується для додавання фазового шуму в 28GHz тоном.

Змішувач в схемі реалізує модель поведінки нелінійного двобалансного змішувача. Інтермодуляційні спотворення автоматично розраховуються з використанням основних рівнянь. Гармонійні спотворення задані явно. Втрати перетворення -6 дБ. Точка стиснення 1дБ змішувача дорівнює 30 дБм.

Точка інтермодуляції третього порядку знаходиться на рівні 40 дБм. Відношення вхідного сигналу до шуму на виході дорівнює 6 дБ. Шум моделюється як тепловий шум на виході. Далі вихідний сигнал поступає на нелінійний підсилювач. Коефіцієнт підсилення 10 дБ. Після того проходить через смугопропускний фільтр. Нижня частота якого дорівнює 239,5 ГГц і верхня 240,5 ГГц. Звідти на ідеальний приймач, де вимірюється BER.

В системі використовується сигнал промодульований QAM-128.

Якість модуляції системи оцінюється параметром MER (Modulation Error Ratio) за зоряним сузір'ям (Рис. 2):

MER = 10 log Pl, (1).

P2.

де P1, P2 — середня потужність одного символу та помилки відповідно.

Рис. 2. Зоряне сузір'я в системі QAM-128

Підвищуючи рівень модуляції, збільшується спектральна ефективність сигналу (зростає кількість переданих біт в одному символі). Тим не менш, якщо рівень потужності джерела залишається постійним, крапки в зоряному сузір'ї розташовуються ближче одна до одної, завадостійкість системи знижується — характеристика BER погіршується. Таким чином, QAM більш високих порядків можуть передавати більший обсяг біт в символі, але менш надійно, ніж QAM низьких порядків з постійним рівнем потужності.

Спектр сигналу показаний на Рис 3., де можна побачити на робочій частоті 240 ГГц потужність сигналу має свій максимум і складає після проходження підсилювача потужності -2.7 дБм, на виході з фільтру складає -25.66 дБм і після малошумлячого підсилювача -4.86 дБм.

Наступним було визначення лінійних властивостей підсилювача на виході з першого змішувача. Векторний аналізатор спектру (VSA) підключений до підсилювача потужності й використовується для побудови амплітудної характеристики підсилювача.

Як видно з Рис. 4, миттєві значення сигналу не виходять вище точки компресії 1 дБ (-15 дБм) і підсилювач не переходить у нелінійний режим.

Змодельована система орієнтована на демонстрацію характеристик підсилювача потужності передавача, що характеризується нелінійною характеристикою підсилення. Для переходу підсилювача в нелінійний режим, у схемі передбачений елемент «Атенюатор» перед підсилювачем потужності, що виконує функцію послаблення рівня сигналу до заданого рівня перед подачею сигналу на вхід підсилювача потужності.

На Рис. 5 показані характеристики AM/AM підсилювача потужності при зменшенні значення точки перетину інтермодуляції першого и третього порядку перед його подачею на підсилювач потужності, що призводить до переходу підсилювача в нелінійний режим.

У випадку ж недостатнього ослаблення сигналу перед подачею на вхід підсилювача, достатнє ослаблення сигналу на вході підсилювача виконуватися не буде і підсилювач буде переходити в нелінійний режим (Рис. 5), тобто робоча точка може знаходитися вище точки компресії. Тому необхідно зменшити амплітуду сигналу, для того щоб знову працювати на лінійній ділянці.

Рис. 5. Перехід підсилювача в нелінійний режим

Результати моделювання ймовірності бітової помилки (BER) обчислюються як функція рівня сигналу на вході приймача на основі моделювання за методом Монте Карло (Monte Carlo). Послаблення сигналу на вході підсилювача потужності передавача використовується для установки підходящого рівня спектральної характеристики.

На рівні BER 10−4, SNR дорівнює 27.2 (Рис. 6).

Висновки

У статті розглянуто якісні та кількісні показники існуючих систем в терагерцовому діапазоні. Був зроблений порівняльний аналіз залежності BER від частоти та швидкості системи, розглянуті сукупні показники, вхідна та віхи дна потужність. Наступним кроком була проведена розробка моделі безпровідної системи і аналіз отриманих результатів. Базовими критеріями було отримання найкращих сукупних якісних характеристик та кращої BER — результат 1 * 10−6, що, виходячи з аналізу інших систем, лежить в межах норми для частоти 240 ГГц. В результаті того, що були задані вимоги та параметри до окремого елементу системи, можна проектувати окремі частини за цими вимогами.

Література.

Tae Jin Chung. 10-Gbit/s Wireless Communication System at 300 GHz / Tae Jin Chung, Won-Hui Lee // ETRI Journal. — 2013. — № 3. — P. 386−296.

Antes J. System concept and implementation of a mmW wireless link providing data rates up to 25 Gbit/s / J. Antes, J. Reicharty // Institute of Technology, Institut fur Hochfrequenztechnik und Elektronik. — 2012. — № 5. — P. 220−234.

Antes J. MMIC based wireless data transmission of a12.5 Gbit/s signal using a 220 GHz carrier / J. Antes, D. Lopez-Diaz // Proceedings of the 41st European Microwave Conference. — 2011. — № 10. — P. 238−242.

Kallfass I. Wireless DVB-C Transmission at 220 GHz Using Active Single-Chip Receive and Transmit MMICs / I. Kallfass, A. Tessmann // published in IEEE Int. Microwave Symposium, Baltimore, 2011. — P. 120−129.

Lopez-Diaz D. A 240 GHz Quadrature Receiver and Transmitter for Data Transmission up to 40 Gbit/s / D. Lopez-Diaz, A. Tessmann, A. Leuther // Proceedings of the 8th European Microwave Integrated Circuits Conference. -2013. -P. 89−91.

Христенко В. И. Моделирование радиосистемы на частоте 130 ГГц с использованием QPSK модуляции / В. И. Христенко, Б. Н. Шелковников, О. В. Бойченко // Наукові записки Українського науково-дослідного інституту зв’язку. — 2011. — № 2(18). — C. 63−69.