إزاحة تردد الموجة الحاملة في الاتصالات CFO

يُعد تخالف تردد الموجة الحاملة (CFO) أحد الظروف غير المثالية العديدة التي قد تؤثر في تصميم مستقبل النطاق الأساسي، حيث عند تصميم مستقبل النطاق الأساسي يجب ألّا نلاحظ فقط الانحطاط الناتج عن القناة والضوضاء غير المثالية، بل يجب أيضاً اعتبار الأجزاء الترددية والتناظرية الاعتبار الرئيسي.

أسباب تكون إزاحة تردد الموجة الحاملة CFO

• عدم تطابق التردد بين مذبذبات (Tx) و(Rx)، حيث لا يوجد جهازان متماثلان وهناك دائماً بعض الاختلاف بين المواصفات الاسمية للشركة المصنعة والتردد الحقيقي لذلك الجهاز، وعلاوة على ذلك فإنّ هذا التردد الفعلي يتغير باستمرار أي قليلاً مع درجة الحرارة والضغط والعمر وبعض العوامل الأخرى.

• تأثير دوبلر، حيث يؤدي تحريك (Tx) أو (Rx) أو أي نوع من الحركة حول القناة إلى حدوث تحول دوبلر يؤدي إلى إزاحة تردد الموجة الحاملة أيضاً.

ملاحظة:“CFO” هي اختصار لـ “Carrier frequency offset”.

أساسيات إزاحة تردد الموجة الحاملة CFO

في أنظمة الاتصالات اللاسلكية المستندة إلى (OFDM)، كان إزاحة تردد الموجة الحاملة (CFO) أحد العوامل المهمة التي تضعف أداء الاتصالات، حيث تفقد الموجات الحاملة الموضوعة بشكل متعامد مع بعضها البعض تعامدها، من خلال تأثرها بتحولات التردد بسبب الاختلافات في البلورات في المستقبل والمرسل أو بسبب تأثيرات القناة.

لهذا السبب تُستخدم مقدرات لتحديد اختلافات تردد الموجة الحاملة، ولهذا الهدف يتم تقدير (CFO) باستخدام إشارات تجريبية موضوعة في كتلة (OFDM)، كما يتم اشتقاق الحد الأدنى  (CRLB) لتقدير (CFO) بناءً على إشارة التتبع المرجعية (TRS) المستخدمة في معايير (5G)، بالإضافة إلى ذلك يتم التحقق من مقدرات المنظم القائم على المربعات القصوى والاحتمالية القصوى لـ (TRS) وتقارير مساهمة (3GPP).

يتم تقدم خوارزمية تقدير إزاحة تردد الموجة الحاملة (CFO) مع التزامن لمستقبلات الاتصالات الرقمية، حيث تستخدم الخوارزمية فترات زمنية كسرية للوصول إلى تقدير (CFO) تقريبي، ويتم تحسين موثوقية تقدير (CFO) التقريبي باستخدام معلومات من فرق الطور عبر فترة التمهيد، والخوارزمية المقترحة ليست خاصة بأي معيار ويمكن تقدير (CFO) بأحجام كبيرة.

هذا الجانب مفيد بشكل خاص في السيناريو، حيث تقصر فترة التمهيد في التقاط معلومات المرحلة المقابلة لنطاق (CFO) المحدد بواسطة المعيار ويتم إجراء دراسات محاكاة لإثبات أداء الخوارزمية، وتعد أنظمة تعدد الإرسال (OFDM) و(MIMO) و(SC-FDMA) عرضة لإزاحة تردد الموجة الحاملة (CFO)، بين أجهزة الإرسال والاستقبال.

• “OFDM” هي اختصار لـ “Orthogonal frequency-division multiplexing” و”MIMO” هي اختصار لـ “Multiple-In Multiple-Out”.

• “SC-FDMA” هي اختصار لـ “Single-carrier frequency division multiple access” و”TRS” هي اختصار لـ “Tracking Reference signal”.

• “CRLB” هي اختصار لـ “Cramer Rao Lower Bound” و”3GPP” هي اختصار لـ “The 3rd Generation Partnership Project”.

مبدأ إزاحة تردد الموجة الحاملة CFO

يشتمل مستقبل (OFDM) على مزيل تشكيل لاستقبال إشارة نطاق مرور لها رموز متعددة وواحد أو أكثر من الرموز هو رمز مرجعي، ولتحويل إشارة نطاق المرور إلى إشارة النطاق الأساسي ودائرة تعويض (CFO) لاستقبال إشارة النطاق الأساسي، وتعديل المرحلة من إشارة النطاق الأساسي استجابةً لإشارة تحكم أولى ودائرة تحويل لترجمة إشارة النطاق الأساسي من دائرة تعويض (CFO) إلى كوكبة مجال تردد.

وكذلك معادل لاستقبال كوكبة مجال التردد وتعديل كوكبة مجال التردد القائمة جزئياً على الأقل على الرمز المرجعي ودائرة تقدير CFO مقترنة بين إخراج المعادل ودائرة تعويض (CFO) في تكوين التغذية المرتدة، ودائرة تقدير (CFO) قادرة على قياس الاختلاف في خطأ الطور بين الرموز المتعددة المستلمة من المعادل وتوليد إشارة التحكم الأولى، والتي تمثل فرق خطأ الطور المقاس.

في سياق نظام اتصالات لاسلكي متعدد الإرسال بتقسيم متعامد (OFDM) المتوافق مع معيار (IEEE 802.11)، ينبغي إدراك أنّ النظام أو أي نظام اتصال لاسلكي معين يكون قابلاً للتطبيق بشكل عام على تقنيات تحسين تقدير (CFO) في نظام اتصال لاسلكي، وعلى الرغم من أنّه مناسب تمامًا للاستخدام مع معيار (IEEE 802.11) يمكن استخدام الاختراع مع معايير أخرى وكذلك في الأنظمة غير القياسية.

يشتمل نظام (OFDM) النموذجي على جهاز إرسال قابل للتكوين لإرسال إشارة إلى مستقبل عبر قناة اتصال، ومودم (WLAN) وقابل للتكوين للتشغيل في وضع الإرسال أو وضع الاستقبال أو كليهما ويشمل رابط اتصال لاسلكي مثل خلوي وتردد لاسلكي (RF) وميكروويف وقمر صناعي، وقد يشمل أيضاً خط اتصال مخصص مثل الهاتف والكابل والألياف البصرية وما إلى ذلك.

• “WLAN ” هي اختصار لـ “Wireless Local Area Network”.

• “RF” هي اختصار لـ “Radio frequency”.

كيفية عمل إزاحة تردد الموجة الحاملة CFO

قد يكون للقناة معدل بيانات معين مرتبط بها والذي يحدد عدد العينات في الثانية التي يمكن نقلها على تلك الوسائط المحددة، كما يمكن تجميع القنوات ذات المعدل المنخفض في قناة واحدة ذات معدل أعلى باستخدام وعلى سبيل المثال معددات الإرسال، وبالمثل يمكن استخراج القنوات ذات المعدل المنخفض من قناة ذات معدل أعلى باستخدام وعلى سبيل المثال أجهزة إزالة تعدد الإرسال.

بالنسبة للمرسل من حيث الكتل الوظيفية بما في ذلك كتلة تعديل اتساع التربيع (QAM) تكون مقترنة بمدخل من المرسل، وهو محول فورييه سريع معكوس (IFFT) كتلة مقترنة بـ (QAM)، وهو مشفر بادئة دورية (CP) مقترناً بكتلة (IFFT)، ومعدِّل مقترنًا بمشفِّر (CP) وكتلة مكون حقيقية (Re) مقترنة بالمغير.

يشكل ناتج الكتلة ناتج المرسل، كما يفضل أن يكون المرسل قابلاً للتكوين لاستقبال عينات الإدخال (DIN) التي قد تشتمل على بيانات الحمولة النافعة من مصدر البيانات، وعلى الرغم من إظهاره ككتل وظيفية منفصلة إلّا أنّه يمكن دمج أو دمج جزء على الأقل من واحدة أو أكثر من الكتل، والتي تشتمل على المرسل مع واحدة أو أكثر من الكتل الوظيفية الأخرى، ويمكن مشاركة أجزاء معينة من الكتل الوظيفية المجمعة.

مثل المرسل قد يتم وصف المستقبل التوضيحي من حيث الكتل الوظيفية بما في ذلك مزيل التشكيل مقترنًا بمدخل المستقبِل، ومرشح مقترنًا بمخرج مزيل التشكيل وكتلة العضو الدوار مقترنة بمخرج قدره المرشح ومفكك تشفير (CP) أي إزالة (CP) مقترن بناتج العضو الدوار، وكتلة تحويل فورييه سريع (FFT) مقترنة بإخراج وحدة فك تشفير (CP)، ومعادل مجال تردد (FDQ) مقترن بناتج كتلة (FFT)، وقاطعة مقترنة بناتج (FDQ).

ويفضل أن يشكل ناتج (FDQ) ناتجاً لجهاز الاستقبال ومقدر (CFO) مقترنًا بتكوين تغذية مرتدة بين ناتج (FDQ) والجزء المتحرك، كما يشكل مُقدر (CFO) والعضو الدوار معوض (CFO) مثالي، ويتطابق ناتج البيانات (DOUT) من المستقبل إلى حد كبير مع إدخال البيانات الأصلي (DIN) المقدم إلى المرسل.

وعلى الرغم من أنّه يظهر على شكل كتل وظيفية منفصلة، إلّا أنه يمكن دمج جزء واحد أو أكثر من الكتل التي تشتمل على المستقبل أو متكامل مع واحد أو أكثر من الكتل الوظيفية الأخرى، ويمكن مشاركة أجزاء معينة من الكتل الوظيفية المجمعة.

• “IFFT” هي اختصار لـ “Inverse Fast Fourier Transformer”.

• “FDQ” هي اختصار لـ “Fair Distributed Queue”.

• “FFT” هي اختصار لـ “Fast Fourier Transformer”.

• “CP” هي اختصار لـ “Cyclic Prefix”.

• “QAM” هي اختصار لـ “Quadrature Amplitude Modulation”.