ハイパワー干渉器が ADC のパフォーマンスに与える影響

この例では、ハイパワーな帯域内または帯域外干渉器がアナログデジタルコンバーター (ADC) を使用した通信システムのパフォーマンスに及ぼす影響を示します。

はじめに

狭帯域干渉は 1 つまたは 2 つのサブキャリアのみに影響を及ぼすため、直交周波数分割多重方式 (OFDM) 信号と前方誤り訂正 (FEC) を使用する理想的なマルチユーザー通信システムは、基本的にはハイパワーな狭帯域干渉に影響されません。帯域内干渉の場合、FEC はこうした混雑したサブキャリアが原因で発生したビット誤りを復元できます。帯域外干渉器の場合、こうした理想的なマルチユーザーシステムで生じる隣接チャネルの干渉をバンドパスフィルター処理によって削除できます。

実用的なシステムでは、アンテナで受信された信号は ADC でデジタル化されます。ADC には固定されたフルスケール電圧 $V_{f_s}$ があるため、入力信号は最初に $[-V_{f_s}$ 、 $V_{f_s})$ の範囲にスケーリングされます。ADC に N ビットの分解能がある場合、最大量子化誤差は $2V_{f_s}/2^{N+1}$ で求められます。十分なビット数の分解能があり (たとえば、N=16)、干渉信号がないシステムでは、この量子化誤差はシステム内の他のノイズ源と比較して取るに足らないものであるため、無視できます。

ハイパワーな干渉器が存在する場合、自動ゲインコントローラー (AGC) は ADC のフルスケール範囲内に収まるように信号全体をスケーリングします。スケーリングにより、目的の信号を表すために使用されるビット数が効果的に減少します。量子化誤差は変わらないため、ノイズ比に対する有効信号は減少します。干渉信号のパワーおよび ADC ビットの数によっては、システムのパフォーマンスが悪影響を受ける可能性があります。

狭帯域干渉器が OFDM 信号に及ぼす影響のシミュレーション

128 個のサブキャリアを使用して OFDM 信号を生成します。64-QAM 変調信号を各サブキャリアに割り当てます。量子化誤差の影響を誇張するには、ADC ビットの数を 7 に設定します。簡略化するために、SNR が 30 dB の AWGN チャネルを想定します。

M = 64;           % Modulation order per subcarrier
numSC = 128;      % Number of OFDM subcarriers
SNR = 30;         % Signal-to-noise ratio in dB
numADCBits = 7;   % Number of ADC bits

AWGN チャネル経由での ADC による OFDM

生成された OFDM 信号を AWGN チャネルを通して渡します。AGC は受信信号を [-1 1] の範囲にスケーリングします。スケーリングされた信号をバイポーラ ADC を通して渡します。OFDM および QAM 復調を適用する前に信号を再スケーリングします。関数 narrowbandInterfererAndOFDM はこのシステムをシミュレートします。

干渉を使用せずにシミュレーションを実行します。すべてのビットを誤差なく受信できます。

interfererAmp = 0;
ber = narrowbandInterfererAndOFDM(M,numSC,interfererAmp,numADCBits,SNR);
disp('BER:')
disp(ber)

BER:
     0

ハイパワー干渉器を使用した AWGN チャネル経由での ADC による OFDM

トーンを使用し、OFDM 信号の 50 番目のサブキャリアで干渉します。干渉器の振幅を、約 -28 dB の SIR 値に対応する 2 に設定します。干渉信号の振幅が高いため、飽和を回避するために AGC が強制的にゲインを減らします。このスケーリングにより、目的の信号に割り当てられるビット数が減少し、目的の信号の有効電力が削減されます。量子化ノイズは固定されたフルスケール電圧と ADC のビット数プロパティの関数です。結果的に、有効な S/N 比 (SNR) が減少し、システムでビット誤りが発生し始めます。

interfererAmp = 2;
ber = narrowbandInterfererAndOFDM(M,numSC,interfererAmp,numADCBits,SNR);
disp('BER:')
disp(ber)

BER:
    0.0533

隣接チャネルユーザーがマルチユーザーシステムに及ぼす影響

最新の通信システムでは、信頼性の高い接続と高スループットの間で柔軟に選択できるようにするために、複数の信号帯域幅を定義します。たとえば、802.11 WLAN 標準は 20 MHz から 160 MHz の範囲のチャネル帯域幅を定義します。次の図は、使用可能な WLAN チャネル帯域幅を示しています。

通常、こうしたシステムの設計では、固定された高帯域幅のアナログ RF フィルターと、その後にプログラミング可能なデジタルフィルターが続けて使用されます。AGC と ADC の組み合わせはアナログ信号のデジタル化に使用されます。複数のユーザー (つまりチャネル) のうちのあるユーザーのパワーが残りのユーザーよりもはるかに高い場合、ADC 量子化により、パワーの低いユーザーの SNR 値が低くなる可能性があります。以下にそのようなシナリオを示します。

8 個の独立した送信機 (デバイス 1 ～ 8) と 8 個の独立した受信機 (デバイス 1' ～ 8') が存在する Wi-Fi システムについて考えます。送信機と受信機の各ペアに使用可能な 20 MHz 帯域のいずれかが割り当てられます。64-QAM 変調された信号は、20 MHz の帯域幅内で 56 個のサブキャリアを使用して OFDM 変調されます。次の図に示すように、対応する搬送波周波数 (5180:20:5320) MHz を使用して、可能性のある 8 ユーザーがチャネル 36、40、44、48、52、56、60、および 54 を介して搬送されます。受信機では使用可能な 160 MHz の帯域全体を通過するアナログフィルターを使用し、次にチャネライザーフィルターを使用して目的のユーザーを選択します。シミュレーションを簡略化するために、各デバイスペアに対して同じパス損失と熱ノイズを想定します。また、シミュレーターはマルチバンドコンバイナーを使用してチャネル内の 8 ユーザーからの信号を組み合わせ、チャネライザーを使用してそれらを効率的な方法で分離します。点線はマルチバンドコンバイナーとチャネライザーを示しています。

M = 64;           % Modulation order per subcarrier
noiseFigure = 7;  % Noise figure in dB
numADCBits = 7;   % Number of ADC bits

AWGN チャネル経由での ADC によるマルチユーザーシステム

すべてのアクティブユーザーに対して OFDM 変調信号を生成し、comm.MultibandCombiner System object を使用してそれらを組み合わせます。10 メートルのノミナル距離に等しいパス損失を適用します。7 dB のノイズ指数を指定して RF フロントエンドを通して信号を渡し、AWGN チャネルを再現します。AGC は受信信号を [-1 1] の範囲にスケーリングします。スケーリングされた信号をバイポーラ ADC を通して渡します。チャネライザーフィルターの通過後に信号を再スケーリングします。これにより、ユーザー信号が分離されます。次に、OFDM および QAM 復調を適用します。すべてのビットを誤差なく受信できます。関数 multiuserInterferenceAndADC はこのシステムをシミュレートします。

全ユーザーの相対ゲインを 0 dB に指定して、全ユーザーをアクティブに設定します。シミュレーションを実行します。すべてのユーザーがエラーなく動作します。

activeUsers = [1 1 1 1 1 1 1 1];
userGaindB = [0 0 0 0 0 0 0 0];

ber = multiuserInterferenceAndADC(M,noiseFigure,numADCBits,activeUsers,userGaindB);

disp('BER for each user:')
disp(ber)

BER for each user:
     0     0     0     0     0     0     0     0

ハイパワーユーザーを使用した AWGN チャネル経由での ADC によるマルチユーザーシステム

ハイパワーユーザーを使用して同じ実験を繰り返します。3 番目のユーザーの相対ゲインを 30 dB に設定します。量子化ノイズと比較した場合の有効信号強度の減少により (ハイパワーユーザーを除く)、パワーの低いユーザーではビット誤りと BER パフォーマンスの低下が発生します。

userGaindB = [0 0 30 0 0 0 0 0];
ber = multiuserInterferenceAndADC(M,noiseFigure,numADCBits,activeUsers,userGaindB);

disp('BER for each user:')
disp(ber)

BER for each user:
  Columns 1 through 7

    0.0369    0.0404         0    0.0408    0.0364    0.0383    0.0392

  Column 8

    0.0382

その他の調査

Narrowband Interferer and ADC Explorer アプリを使用すると、さまざまなシステム設定を迅速に試して、固定されたフルスケール電圧および ADC がもたらす量子化ノイズが原因でハイパワーな狭帯域干渉器がシステムパフォーマンスに及ぼす影響を調査できます。Narrowband Interferer and ADC Explorer app を実行します。

[Simulation] スイッチをクリックしてシミュレーションを開始します。
[QAM Modulation order] を 16 に変更します。
干渉器の振幅を 4 に増やします。サブキャリア 50 では狭帯域干渉器による干渉が発生します。単一のサブキャリアが影響を受けるため、[Bit errors in a Frame] ゲージには 0 ～ 4 ビットの間のビットエラーが示されます。
[Number of ADC Bits] を減らし、[Received Spectrum] と [Bit Errors in a Frame] を観察します。7 ビット辺りで、ADC 量子化誤差によってシステムパフォーマンスが著しく低下し始めます。

さまざまな SNR 値と変調次数値を指定して実験し、ハイパワーな狭帯域干渉器に対処するシステムの限界を見つけます。

Multiuser Interference and ADC Explorer アプリを使用すると、さまざまなシステム設定を迅速に試して、固定されたフルスケール電圧および ADC がもたらす量子化ノイズが原因でマルチユーザー干渉がシステムパフォーマンスに及ぼす影響を調査できます。Multiuser Interference and ADC Explorer app を実行します。

[Simulation] スイッチをクリックしてシミュレーションを開始します。
[QAM Modulation order] を 64 に変更します。
1 番目のユーザーのゲインを 40 dB に増やします。
ADC ビットの数を徐々に減らします。受信スペクトルのノイズフロアが増加し始めます。パワーの低いユーザーは 10 ビット辺りでビット誤りが発生し始めます。
ADC ビットの数を 5 に減らし、ノイズフロアを信号レベルより上に上げます。

ハイパワー干渉器が ADC のパフォーマンスに与える影響

はじめに

狭帯域干渉器が OFDM 信号に及ぼす影響のシミュレーション

隣接チャネル ユーザーがマルチユーザー システムに及ぼす影響

その他の調査

隣接チャネルユーザーがマルチユーザーシステムに及ぼす影響