بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله سامانهای هوشمند برای کشف و تفکیک خطاهای سیستمی در فرستنده مدولاسیون تقسیم فرکانس متعامد - OFDM - طراحی شده است. خطاهایی که عواملی چون فشارها و تنشهای کاری شدید، فرسودگی، تشعشعات و مشکلات سازگاری الکترومغناطیس - EMC - دارند. برای این کار ابتدا یک فرستنده OFDM و اجزای آن شامل ماژول محاسبه کننده تبدیل فوریه معکوس - IFFT - ، مبدل آنالوگ به دیجیتال - DAC - و میکسر شبیهسازی شده است. خطاهایی که امکان وقوع آنها در اجزای این فرستنده وجود دارند، با توجه به پارامتر نرخ خرابی تعیین شده و تاثیر هر یک به سیستم تزریق شد.
این خطاها شامل، خطای آفست در مبدل DAC، خطای اتصال کوتاه و مدار باز در ترانزیستور هدایت کننده سیگنال پیغام و سیگنال حامل در میکسر میباشد. سپس کل سیستم OFDM با استفاده از مدلسازی ترکیبی و روش تخمین شبکههای عصبی موجک وفقی - AWNN - مدلسازی شد. برای تفکیک مودهای سیستم نیز، ضرایب خروجی تخمینی مورد بررسی قرار گرفت. در نتایج بدست آمده مشاهده شد که خطاهای این فرستنده با دقتی بیش از 98% کشف و تفکیک شدهاند.
کلید واژه فرستنده OFDM، تشخیص خطا، مدلسازی، شبکههای عصبی موجک وفقی
مقدمه
ایده استفاده از ارسال داده موازی و مالتی پلکس فرکانسی در دهه شصت میلادی ارائه شد. مدولاسیون تقسیم فرکانس متعامد که به اختصار OFDM نامیده میشود، یک تکنیک مدولاسیون است که براساس اصل انتقال همزمان n فرکانس متعامد است. این مدولاسیون، در تبادل اطلاعات با حجم بالا مورد استفاده قرار میگیرد و در صنایع نظامی کاربرد وسیعی دارد. سیستم فرستنده OFDM از بخشهای مختلفی نظیر ماژول IFFT ، مبدل دیجیتال به آنالوگ DAC و مدار میکسر ساخته میشود.
ساختار بلوکی فرستنده OFDM
در هر یک از اجزای مذکور سازنده این فرستندهها، با توجه به نحوه استفاده اپراتور، شرایط و عوامل محیطی مانند دمای بالا، رطوبت، تغییرات فشار و همچنین فرسودگی سیستم، امکان بروز خطا وجود دارد. بروز خطا در سیستم به معنای رخ دادن تغییری ناخواسته در حداقل یکی از ویژگیها و یا متغیرهای آن است به شرطی که سبب از کار افتادن سیستم نشود. پیاده سازی و تحقق سیستمهای الکتریکی و الکترونیکی با استفاده از تجهیزات الکتریکی و الکترونیکی مانند مدارات آنالوگ و دیجیتال که شامل ترانزیستور، دیود، تقویت کنندهها، المانهای منطقی و سوییچها میباشند.
برای آشکارسازی خطا، از یک مدل ریاضی برای سیستم استفاده میشود. مزیت این روش عدم نیاز به سخت افزار اضافی است و این الگوریتم میتواند در قالب یک برنامه کامپیوتری تحقق پیدا کند. در شناسایی سیستمها و مدلسازی، شبکههای عصبی هوشمند کاربرد زیادی دارند [2]؛ چرا که بدون نیاز به دانستن ساختار دقیق سیستم و با نگاه ورودی و خروجی، تخمین مناسبی از آن را در قالب ضرایب وزنی ارائه میدهند.
در این رابطه
زمان بررسی عملکرد تجهیز برحسب ساعت، و به ترتیب تعداد المانهای معیوب و کل المانها است. پارامتر به دما و مودهای کاری سیستم وابسته است. با توجه به خطاهای آفست در مبدل DAC و خطای اتصال کوتاه و مدار باز در ترانزیستورهای هدایت کننده سیگنال پیغام و حامل در نظر گرفته میشود.
خطا در مبدل DAC
با توجه با معماری و ساختار مبدلهای دیجیتال به آنالوگ و نحوه و شرایط به کار گیری آنها، امکان رخ دادن خطاهایی در این بخش از این سیستم OFDM وجود خواهد داشت. تقویت کنندههای عملیاتی - آپ امپ - با در نظر گرفتن پارامتر λ، در معرض بروز خطا در سیستم DAC و کل فرستنده OFDM میباشند. اگر در تقویت کننده عملیاتی به کار رفته در مبدل DAC خطایی رخ دهد، منجر به ایجاد خطای آفست مثبت و یا منفی خواهد کرد.
خطا در مدار میکسر
مدار میکسر در سیستم فرستنده OFDM، برای بالا بردن فرکانس سیگنال قبل از ارسال آن توسط آنتن مورد استفاده قرار میگیرد. میکسر آنالوگ دارای دو تحقق مداری فعال و تحقق غیر فعال است. تحقق مداری فعال به صورت کلی دارای توپولوژی مداری مانند شکل 2 است که از ترانزیستورهای FET در آن استفاده میشود. ترانزیستورهای سازنده آن میتوانند دچار خطا شوند . خطای اتصال کوتاه و مدار باز در ترانزیستور M3 در میکسر سبب میشود که مدار مانند تقویت کننده تفاضلی سورس مشترک کار کند.
که در آن ضریب K عددی منفی - از لحاظ اندازه حدود 1 با تنظیم مقاومتهای و - و دو برابر بهره تقویت سورس مشترک است. خطای اتصال کوتاه در ترانزیستورهای M1 یا M2 از ضرب شدن سیگنالها در هم جلوگیری میکند و کل مدار میکسر مانند یک تقویت کننده - سورس مشترک برای 1 و گیت مشترک برای عمل خواهد کرد.
مدل سیستم OFDM
به منظور بررسی و تحلیل عملکرد سیستم OFDM ابتدا میبایست آنرا با استفاده از ورودی و خروجیهایش شناسایی نمود. سپس خطاهای محتمل در اجزای سیستم OFDM به صورت جداگانه به آن تزریق شده و مدل هر سیستم در مودهای مختلف خطا نیز به همین ترتیب شناسایی میشود. سیستم OFDM همانطور که گفته شد سیستمی مرکب از چند زیر سیستم شامل ماژولهای IFFT ، مبدل DAC و میکسر است. این زیر سیستمها دارای دینامیک و رفتار داخلی خاصی دارند. حال برای درگیر نشدن در آن، سیگنال مدوله شده توسط مدولاسیون QPSK به عنوان ورودی و خروجی میکسر که سیگنال ارسالی OFDM فرض - به آنتن - است، به عنوان خروجی نهایی سیستم میشود.
شبکه های عصبی موجک وفقی میتواند ابزار مناسبی برای شناسایی سیستم مورد نظر باشد. از این رو برای مدلسازی این سیستم، معادل کسینوسی سیگنال مدوله شده را به عنوان ورودی و سیگنال خروجی میکسر که به آنتن میرود به عنوان خروجی در نظر گرفته میشود. برای نمایش ورودی مدلسازی میتوان بیتهای سیگنال دیجیتال پیام را به صورت در مدولاسیون QPSK در نظر گرفت.
که در آن تعداد زیرحاملهای متعامد، فرکانس سیگنال پیغام بر حسب رادیان بر ثانیه، فرکانس حامل بر حسب رادیان بر ثانیه، فرکانس زیرحاملهای متعامد بر حسب رادیان بر ثانیه و دامنه هر یک از موجهای کسینوسی و سیگنال ارسالی به آنتن میباشد. وقوع هر یک از این خطاها سبب ایجاد تغییر در سیگنال خروجی خواهد شد. میبایست تاثیر هر خطا در شکل و فرمول ریاضی سیگنال خروجی مشخص گردد. خطای آفستهای مثبت و منفی و خطای دیفرانسیلی در مبدل DAC نیز موجب تغییر فرم سیگنال خروجی سیستم OFDM میشود؛ به نحوی که دامنه موجهای کسینوسی موجود در خروجی را از حالت عدد صحیح خارج کرده و یا ممکن است مجموع اندازه دامنه حاملها برابر عدد 4 نباشد.
