Влияние фазового шума на точность оценивания матрицы канальных коэффициентов MIMO системы передачи информации.

Проведен анализ влияния фазового шума синтезатора частот на погрешность измерения канальных коэффициентов, а также расчет ошибки вычисления канальной матрицы MIMO системы передачи информации при действии комплекса фазового и теплового шумов.

Отработка методики и алгоритмов измерения канальной матрицы; анализ влияния дополнительной ошибки оценивания канального коэффициента, вызванной действием фазового шума, на дисперсию ошибки оценивания; сравнительный анализ величин дополнительной ошибки для различных синтезаторов частоты.

Важность использования MIMO канала связи в системах передачи информации от мобильных объектов в настоящее время трудно переоценить, так как это позволяет значительно повысить пропускную способность в сложных условиях многолучевого распространения радиоволн. При этом преимущество MIMO системы над традиционной системой передачи SISO будет тем выше, чем сильнее многолучевость в зоне электромагнитной доступности корреспондентов. Однако, для MIMO пространственного кодирования и декодирования необходимо максимально точно знать значения канальных коэффициентов, что требует их периодического тестирования и предполагает стабильность фаз задающего генератора передатчика и гетеродина приемника на время, равное периоду тестирования. 

Для проведения эксперимента используется программно-аппаратный комплекс тестирования матрицы канальных коэффициентов, в состав которого входят передатчик тестового сигнала, цифровой приемник, спроектированный по архитектуре SDR и пакет программ обработки. Передатчик генерирует тестовый сигнал в виде гармонического колебания с использованием синтезатора косвенного синтеза. Далее сигнал поступает на усилитель мощности и антенный переключатель, осуществляющий поочередную коммутацию передающих антенн. Управление передатчиком выполняет микроконтроллер. На приеме, сигналы с антенн поступают на малошумящие усилители и управляемые аттенюаторы, которые регулируют общий коэффициент усиления приемного тракта. Далее сигнал поступает на демодулятор, который производит перенос на нулевую частоту с разложением на квадратуры. Квадратурные составляющие преобразуются в цифровую форму и передаются на ПЭВМ с помощью интерфейса Ethernet. Запись отсчетов сигнала в файл для дальнейшей обработки в пакете прикладных программ MATLAB происходит в среде GNURadio, предназначенной для работы с SDR-устройствами. Программа на MATLAB реализует вычисление канальных коэффициентов по квазиоптимальному алгоритму, вычисление дополнительной ошибки под действием фазового шума, а также суммирование этих компонентов. Эксперимент производится при различных отношениях сигнал-шум и двух различных синтезаторов с различными характеристиками фазового шума.

Анализ полученных данных позволяет определить величину дополнительной ошибки оценивания канальной коэффициента вследствие фазового шума. При этом наибольшее влияние фазового шума на точность оценок отмечено при высоких отношениях сигнал-шум. В связи с этим в системах, требующих высокой точности оценивания канальных коэффициентов и работающих при высоких отношениях сигнал-шум, необходимо дополнительно уменьшать фазовые шумы синтезаторов с помощью фильтров в цепи обратной связи управляемого генератора. Сравнительный анализ двух синтезаторов с различными спектрами фазового шума показал при больших задержках уменьшение дисперсии ошибки на 10 дБ для синтезатора ADF4360-1, имеющего меньшую мощность фазовых шумов, по сравнению с синтезатором ADF4350.
Влияние ошибки оценивания канального коэффициента проявляется вследствие разнесения во времени измерения канального коэффициента момента времени, когда значения канальных коэффициентов применяются для пространственного декодирования принимаемых сигналов. Особенно заметно влияние задержки во времени, когда передающие антенны поочередно излучают тестовый сигнал последовательно во времени. Канальная матрица вычисляется с некоторой периодичностью и используется при пространственном декодировании сигнала. Однако непосредственно операции оценки канального коэффициента и пространственного декодирования сигнала происходят в различные моменты времени. Таким образом, неточность оценки канального коэффициента приведет к уменьшению  пропускной способности MIMO системы передачи информации. 

1. Siew J., Piechocki R., Nix A., Armour S. A channel estimation method for MIMO-OFDM systems // London Communications Symposium, London, September 2002. – P. 1-4.
2. Паршин Ю.Н., Жариков П.В., Казначеев П.А. Программно-аппаратный комплекс тестиро-вания канальной матрицы MIMO системы передачи информации от подвижного объекта // Вестник Рязанского государственного радиотехнического университета – Рязань: РГРТУ, 2015 №4, вып. 54, Часть 1. – С. 3-8.
3. Манасевич В. Синтезаторы частот: теория и проектирование / пер. с англ. под ред. А.С. Галина. – М.: Связь, 1979. – 384 с.
4. Двайт Г.Б. Таблицы интегралов и другие математические формулы. – М.: Наука, 1966. – 228 с.
5. Вентцель Е.С. Теория вероятностей: учебник для вузов. 7-е изд. – М.: Высшая школа, 2001. – 575 с.

Produced modeling of the phase noise of frequency synthesizer, and evaluation of the additional error computation channel matrix of the MIMO transmission system by the action of the phase and white noise.