Неортогональное мультиплексирование с частотным разделением каналов

Неортогональное частотное мультиплексирование ( N-OFDM ) — это метод кодирования цифровых данных на нескольких несущих частотах с неортогональными интервалами между частотами поднесущих. ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]}^{[ 3 ]} Сигналы N-OFDM могут использоваться в системах связи и радиолокации .

Система поднесущих

Эквивалентный сигнал нижних частот N-OFDM выражается как: ^{[ 3 ]}^{[ 2 ]}

\nu (t)=\sum _{k=0}^{N-1}X_{k}e^{j2\pi \alpha kt/T},\quad 0\leq t<T,

где $X_{k}$ являются символами данных, $N$ - количество поднесущих, и $T$ - время символа N-OFDM . Расстояние между поднесущими $\alpha /T$ для $\alpha <1$ делает их неортогональными в течение каждого периода символа.

История

История теории сигналов N-OFDM началась в 1992 году с патента РФ № 2054684. ^{[ 1 ]} В этом патенте Вадим Слюсарь предложил первый метод оптимальной обработки сигналов N-OFDM после быстрого преобразования Фурье (БПФ).

В этой связи необходимо сказать, что В. Козек и А. Ф. Молиш писали в 1998 г. о сигналах N-OFDM с $\alpha <1$ что «восстановить информацию из принятого сигнала невозможно даже в случае идеального канала». ^{[ 4 ]}

В 2001 году В. Слюсарь предложил неортогональную частотную цифровую модуляцию (N-OFDM) как альтернативу OFDM для систем связи. ^{[ 5 ]}

Следующая публикация об этом методе имеет приоритет в июле 2002 г. ^{[ 2 ]} перед докладом на конференции, посвященным SEFDM И. Дарвазе и MRD Родригесу (сентябрь 2003 г.). ^{[ 6 ]}

Преимущества N-OFDM

Несмотря на повышенную сложность демодуляции сигналов N-OFDM по сравнению с OFDM , переход к неортогональному расположению частот поднесущих дает ряд преимуществ:

более высокая спектральная эффективность, что позволяет уменьшить полосу частот, занимаемую сигналом, и улучшить электромагнитную совместимость многих терминалов;
адаптивная отстройка от сосредоточенных по частоте помех путем изменения номинальных частот поднесущих; ^{[ 7 ]}
возможность учета доплеровских сдвигов частот поднесущих при работе с абонентами, движущимися на высоких скоростях;
снижение пик-фактора смеси многочастотных сигналов.

Идеализированная модель системы

В этом разделе описывается простая идеализированная модель системы N-OFDM, подходящая для неизменяемого во времени канала AWGN . ^{[ 8 ]}

Передатчик сигналов N-OFDM

Сигнал несущей N-OFDM представляет собой сумму ряда неортогональных поднесущих, при этом данные основной полосы частот на каждой поднесущей модулируются независимо, обычно с использованием некоторого типа квадратурной амплитудной модуляции (QAM) или фазовой манипуляции (PSK). Этот составной групповой сигнал обычно используется для модуляции основной радиочастотной несущей.

$s[n]$ представляет собой последовательный поток двоичных цифр. При обратном мультиплексировании они сначала демультиплексируются в $\scriptstyle N$ параллельные потоки, и каждый из них отображается в (возможно, сложный) поток символов с использованием некоторой комбинации модуляции ( QAM , PSK и т. д.). Обратите внимание, что созвездия могут быть разными, поэтому некоторые потоки могут иметь более высокую скорость передачи данных, чем другие.

Цифровой сигнальный процессор (DSP) рассчитывает каждый набор символов, предоставляя набор сложных выборок во временной области. Эти выборки затем квадратурно смешиваются с полосой пропускания стандартным способом. Действительные и мнимые компоненты сначала преобразуются в аналоговый формат с помощью цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП); аналоговые сигналы затем используются для модуляции косинусоидальных и синусоидальных волн на несущей частоте, $f_{\text{c}}$ , соответственно. Затем эти сигналы суммируются для получения сигнала передачи: $s(t)$ .

Демодуляция

Получатель

Приемник принимает сигнал $r(t)$ , который затем квадратурно микшируется до модулирующего сигнала с использованием косинуса и синусоидальных волн на несущей частоте . Это также создает сигналы, сосредоточенные на $2f_{\text{c}}$ , поэтому для их отклонения используются фильтры нижних частот. Затем модулирующие сигналы дискретизируются и оцифровываются с помощью аналого-цифровых преобразователей (АЦП), а прямое БПФ для обратного преобразования в частотную область используется .

Это возвращает $N$ параллельные потоки, которые используются в соответствующем детекторе символов .

Демодуляция после БПФ

Первый метод оптимальной обработки сигналов N-OFDM после БПФ был предложен в 1992 году. ^{[ 1 ]}

Демодуляция без БПФ

Демодуляция с использованием АЦП выборок

Метод оптимальной обработки сигналов N-OFDM без БПФ был предложен в октябре 2003 года. ^{[ 3 ]}^{[ 9 ]} В этом случае могут быть использованы образцы АЦП .

Демодуляция после дискретного преобразования Хартли

N-OFDM+MIMO

Комбинация технологий N-OFDM и MIMO аналогична OFDM. Для построения системы MIMO может быть использована цифровая антенная решетка в качестве передатчика и приемника сигналов N-OFDM.

Fast-OFDM

Fast-OFDM ^{[ 10 ]}^{[ 11 ]}^{[ 12 ]} Метод был предложен в 2002 году. ^{[ 13 ]}

Модуляция нескольких несущих с набором фильтров (FBMC)

Модуляция с несколькими несущими с набором фильтров (FBMC). ^{[ 14 ]}^{[ 15 ]}^{[ 16 ]} В качестве примера FBMC можно рассмотреть Wavelet N-OFDM.

Вейвлет N-OFDM

N-OFDM стал методом связи по линиям электропередачи (PLC). В этой области исследований в качестве метода создания неортогональных частот вводится вейвлет-преобразование, заменяющее ДПФ. Это связано с преимуществами вейвлетов, которые особенно полезны на шумных линиях электропередачи. ^{[ 17 ]}

Для создания сигнала отправителя вейвлет N-OFDM использует банк синтеза, состоящий из $N$ -диапазонный трансмультиплексор, за которым следует функция преобразования

F_{n}(z)=\sum _{k=0}^{L-1}f_{n}(k)z^{-k},\quad 0\leq n<N

На стороне приемника для повторной демодуляции сигнала используется банк анализа. Этот банк содержит обратное преобразование

G_{n}(z)=\sum _{k=0}^{L-1}g_{n}(k)z^{-k},\quad 0\leq n<N

за которым следует еще один $N$ -диапазонный трансмультиплексор. Связь между обеими функциями преобразования такова:

{\begin{aligned}f_{n}(k)&=g_{n}(L-1-k)\\F_{n}(z)&=z^{-(L-1)}G_{n}*(z-1)\end{aligned}}

Спектрально-эффективное FDM (SEFDM)

N-OFDM — это спектрально эффективный метод. ^{[ 6 ]}^{[ 18 ]} Все методы SEFDM аналогичны N-OFDM . ^{[ 6 ]}^{[ 19 ]}^{[ 20 ]}^{[ 21 ]}^{[ 22 ]}^{[ 23 ]}^{[ 24 ]}

Обобщенное мультиплексирование с частотным разделением (GFDM)

Обобщенное мультиплексирование с частотным разделением каналов ( GFDM ).

См. также

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б ^с RU2054684 (С1) G01R 23/16. Методика измерения АЧХ// Слюсарь В. – Прикл. Номер SU 19925055759, Приоритетные данные: 19920722. – Данные официальной публикации: 20 февраля 1996 г. [1]
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Slyusar, V. I. Smolyar, V. G. Multifrequency operation of communication channels based on super-Rayleigh resolution of signals// Radio electronics and communications systems c/c of Izvestiia- vysshie uchebnye zavedeniia radioelektronika.. – 2003, volume 46; part 7, pages 22–27. – Allerton press Inc. (USA) [2]
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Слюсарь, В.И., Смоляр, В.Г. Метод неортогональной частотно-дискретной модуляции сигналов для узкополосных каналов связи // Радиоэлектроника и системы связи к/с Известия-высшие учебные заведения радиоэлектроники. – 2004, том 47; часть 4, страницы 40–44. – Allerton press Inc. (США) [3]
^ В. Козек и А. Ф. Молиш. «Неортогональные формы импульсов для связи с несколькими несущими в каналах с двойной дисперсией», IEEE J. Sel. Районы Сообщества, вып. 16, нет. 8, стр. 1579–1589, октябрь 1998 г.
^ Пэт. Украины № 47835 А. IPС8 H04J1/00, H04L5/00. Метод частотного мультиплексирования узкополосных информационных каналов// Слюсарь Вадим Иванович, Смоляр Виктор Григорьевич. – Прил. № 2001106761, Приоритетные данные 03.10.2001. – Данные официальной публикации 15.07.2002 г., Официальный бюллетень № 7/2002.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с MRD Родригес и И. Дарвазе. Спектрально эффективная система связи на основе мультиплексирования с частотным разделением каналов. // InOWo'03, 8-й международный семинар по OFDM, материалы, Гамбург, Германия, 24–25 сентября 2003 г. - https://www.researchgate.net/publication/309373002
^ Василий Майстренко, Владимир Майстренко, Александр Любченко. Анализ помехоустойчивости оптимального демодулятора при пиковом мультиплексировании спектра N-OFDM.//Доклад Международной сибирской конференции по управлению и связи (SIBCON) 2017 г. · Июнь 2017 г. - DOI: 10.1109/SIBCON.2017.7998458
^ Василий Майстренко, Владимир В. Майстренко, Евгений Юрьевич Копытов, Александр Любче. Анализ алгоритмов работы N-OFDM модема в каналах с AWGN.//Доклад конференции 2017 г. Динамика систем, механизмов и машин (Динамика). Ноябрь 2017. DOI: 10.1109/Dynamics.2017.8239486.
^ Майстренко В.А. и Майстренко В.В. (2014). Модифицированный метод демодуляции сигналов N-OFDM. 2014 12-я Международная конференция по актуальным проблемам электронного приборостроения (APEIE). дои:10.1109/apeie.2014.7040919
^ Димитриос Карампацис, MRD Родригес и Иззат Дарвазе. Последствия линейной фазовой дисперсии для систем OFDM и Fast-OFDM.// Лондонский симпозиум по связи, 2002 г. - http://www.ee.ucl.ac.uk/lcs/previous/LCS2002/LCS112.pdf .
^ Д. Карампацис и И. Дарвазе. Сравнение производительности систем связи OFDM и FOFDM в типичных условиях многолучевого распространения GSM. // Лондонский симпозиум по коммуникациям 2003 (LCS2003), Лондон, Великобритания, стр. 360 – 372. – http://www.ee.ucl.ac.uk/lcs/previous/LCS2003/94.pdf .
^ К. Ли и И. Дарвазе. Сравнение производительности системы Fast-OFDM и перекрывающейся схемы DS-CDMA с несколькими несущими. // Лондонский симпозиум по связи, 2006 г. - http://www.ee.ucl.ac.uk/lcs/previous/LCS2006/54.pdf .
^ MRD Родригес, Иззат Дарвазе. Быстрое OFDM: предложение по удвоению скорости передачи данных в схемах OFDM.// Международная конференция по коммуникациям, ICT 2002, Пекин, Китай, июнь 2002. – С. 484 – 487
^ Физический уровень Bellanger MG FBMC: введение / MG Bellanger et al. -Январь 2010г.
^ Фарханг-Боружени Б. OFDM и набор фильтров с несколькими несущими // Журнал IEEE Signal Processing.— 2011.— Том. 28, № 3.— С. 92— 112.
^ Бехруз Фарханг-Боружени. Набор фильтров с несколькими несущими для следующего поколения систем связи.//Технологический симпозиум Вирджинии по беспроводной персональной связи. - 2–4 июня 2010 г.
^ С. Галли; Х. Кога; Н. Нодокама (май 2008 г.). «Расширенная обработка сигналов для PLCS: Wavelet-OFDM». 2008 Международный симпозиум IEEE по линиям электропередачи и их приложениям . стр. 187–192. дои : 10.1109/ISPLC.2008.4510421 . ISBN 978-1-4244-1975-3 . S2CID 12146430 .
^ Сафа Исам Ахмед. Спектрально эффективные сигналы связи и приемопередатчики FDM: проектирование, математическое моделирование и оптимизация системы.//Диссертация на соискание ученой степени доктора философии. — Группа исследований в области коммуникаций и информационных систем, факультет электроники и электротехники Университетского колледжа Лондона. - Октябрь 2011 г. - http://discovery.ucl.ac.uk/1335609/1/1335609.pdf.
^ Масанори Хамамура, Шиничи Тачикава. Повышение эффективности использования полосы пропускания для систем с несколькими несущими. //15-й Международный симпозиум IEEE по персональной, внутренней и мобильной радиосвязи, том. 1 сентября 2004 г., стр. 48–52.
^ Ли. DB Технология и метод высокоэффективного использования спектра для мультиплексирования с частотным разделением с перекрытием [P]. 2006, PCT/CN2006/002012 (на китайском языке)
^ Син Ян, Вэньбао Айт, Тяньпин Шуайт, Даобен Ли. Алгоритм быстрого декодирования сигналов неортогонального мультиплексирования с частотным разделением // Коммуникации и сети в Китае, 2007. CHINACOM '07. — 22–24 авг. 2007 г., С. 595–598.
^ И. Канарас, А. Чорти, М. Родригес и И. Дарвазе, «Комбинированное обнаружение MMSE-ML для спектрально эффективного неортогонального сигнала FDM», в журнале Broadband Communications, Networks and Systems, 2008. BROADNETS 2008. 5-й Международный Конференция, сентябрь 2008 г., стр. 421–425.
^ И. Канарас, А. Чорти, М. Родригес и И. Дарвазе, «Спектрально эффективные сигналы FDM: увеличение пропускной способности за счет сложности приемника», на Международной конференции IEEE по коммуникациям, 2009. ICC '09., июнь 2009 г. , стр. 1–6.
^ Бхарадвадж, С., Нитин Кришна, Б.М.; Сутаршун, В.; Судиш, П.; Джаякумар, М. Схема обнаружения низкой сложности для систем NOFDM, основанная на обнаружении ML в гиперсферах. Международная конференция по устройствам и коммуникациям 2011 г., ICDeCom 2011 – Материалы, Месра, 24–25 февраля 2011 г., стр. 1-5.

[patent-1] Перейти обратно: ^а ^б ^с RU2054684 (С1) G01R 23/16. Методика измерения АЧХ// Слюсарь В. – Прикл. Номер SU 19925055759, Приоритетные данные: 19920722. – Данные официальной публикации: 20 февраля 1996 г. [1]

[N-OFDM1-2] Перейти обратно: ^а ^б ^с Slyusar, V. I. Smolyar, V. G. Multifrequency operation of communication channels based on super-Rayleigh resolution of signals// Radio electronics and communications systems c/c of Izvestiia- vysshie uchebnye zavedeniia radioelektronika.. – 2003, volume 46; part 7, pages 22–27. – Allerton press Inc. (USA) [2]

[N-OFDM-3] Перейти обратно: ^а ^б ^с Слюсарь, В.И., Смоляр, В.Г. Метод неортогональной частотно-дискретной модуляции сигналов для узкополосных каналов связи // Радиоэлектроника и системы связи к/с Известия-высшие учебные заведения радиоэлектроники. – 2004, том 47; часть 4, страницы 40–44. – Allerton press Inc. (США) [3]

[4] В. Козек и А. Ф. Молиш. «Неортогональные формы импульсов для связи с несколькими несущими в каналах с двойной дисперсией», IEEE J. Sel. Районы Сообщества, вып. 16, нет. 8, стр. 1579–1589, октябрь 1998 г.

[5] Пэт. Украины № 47835 А. IPС8 H04J1/00, H04L5/00. Метод частотного мультиплексирования узкополосных информационных каналов// Слюсарь Вадим Иванович, Смоляр Виктор Григорьевич. – Прил. № 2001106761, Приоритетные данные 03.10.2001. – Данные официальной публикации 15.07.2002 г., Официальный бюллетень № 7/2002.

[rodriges2003-6] Перейти обратно: ^а ^б ^с MRD Родригес и И. Дарвазе. Спектрально эффективная система связи на основе мультиплексирования с частотным разделением каналов. // InOWo'03, 8-й международный семинар по OFDM, материалы, Гамбург, Германия, 24–25 сентября 2003 г. - https://www.researchgate.net/publication/309373002

[7] Василий Майстренко, Владимир Майстренко, Александр Любченко. Анализ помехоустойчивости оптимального демодулятора при пиковом мультиплексировании спектра N-OFDM.//Доклад Международной сибирской конференции по управлению и связи (SIBCON) 2017 г. · Июнь 2017 г. - DOI: 10.1109/SIBCON.2017.7998458

[8] Василий Майстренко, Владимир В. Майстренко, Евгений Юрьевич Копытов, Александр Любче. Анализ алгоритмов работы N-OFDM модема в каналах с AWGN.//Доклад конференции 2017 г. Динамика систем, механизмов и машин (Динамика). Ноябрь 2017. DOI: 10.1109/Dynamics.2017.8239486.

[9] Майстренко В.А. и Майстренко В.В. (2014). Модифицированный метод демодуляции сигналов N-OFDM. 2014 12-я Международная конференция по актуальным проблемам электронного приборостроения (APEIE). дои:10.1109/apeie.2014.7040919

[10] Димитриос Карампацис, MRD Родригес и Иззат Дарвазе. Последствия линейной фазовой дисперсии для систем OFDM и Fast-OFDM.// Лондонский симпозиум по связи, 2002 г. - http://www.ee.ucl.ac.uk/lcs/previous/LCS2002/LCS112.pdf .

[11] Д. Карампацис и И. Дарвазе. Сравнение производительности систем связи OFDM и FOFDM в типичных условиях многолучевого распространения GSM. // Лондонский симпозиум по коммуникациям 2003 (LCS2003), Лондон, Великобритания, стр. 360 – 372. – http://www.ee.ucl.ac.uk/lcs/previous/LCS2003/94.pdf .

[12] К. Ли и И. Дарвазе. Сравнение производительности системы Fast-OFDM и перекрывающейся схемы DS-CDMA с несколькими несущими. // Лондонский симпозиум по связи, 2006 г. - http://www.ee.ucl.ac.uk/lcs/previous/LCS2006/54.pdf .

[13] MRD Родригес, Иззат Дарвазе. Быстрое OFDM: предложение по удвоению скорости передачи данных в схемах OFDM.// Международная конференция по коммуникациям, ICT 2002, Пекин, Китай, июнь 2002. – С. 484 – 487

[14] Физический уровень Bellanger MG FBMC: введение / MG Bellanger et al. -Январь 2010г.

[15] Фарханг-Боружени Б. OFDM и набор фильтров с несколькими несущими // Журнал IEEE Signal Processing.— 2011.— Том. 28, № 3.— С. 92— 112.

[16] Бехруз Фарханг-Боружени. Набор фильтров с несколькими несущими для следующего поколения систем связи.//Технологический симпозиум Вирджинии по беспроводной персональной связи. - 2–4 июня 2010 г.

[WaveletOFDM-17] С. Галли; Х. Кога; Н. Нодокама (май 2008 г.). «Расширенная обработка сигналов для PLCS: Wavelet-OFDM». 2008 Международный симпозиум IEEE по линиям электропередачи и их приложениям . стр. 187–192. дои : 10.1109/ISPLC.2008.4510421 . ISBN 978-1-4244-1975-3 . S2CID 12146430 .

[18] Сафа Исам Ахмед. Спектрально эффективные сигналы связи и приемопередатчики FDM: проектирование, математическое моделирование и оптимизация системы.//Диссертация на соискание ученой степени доктора философии. — Группа исследований в области коммуникаций и информационных систем, факультет электроники и электротехники Университетского колледжа Лондона. - Октябрь 2011 г. - http://discovery.ucl.ac.uk/1335609/1/1335609.pdf.

[19] Масанори Хамамура, Шиничи Тачикава. Повышение эффективности использования полосы пропускания для систем с несколькими несущими. //15-й Международный симпозиум IEEE по персональной, внутренней и мобильной радиосвязи, том. 1 сентября 2004 г., стр. 48–52.

[20] Ли. DB Технология и метод высокоэффективного использования спектра для мультиплексирования с частотным разделением с перекрытием [P]. 2006, PCT/CN2006/002012 (на китайском языке)

[21] Син Ян, Вэньбао Айт, Тяньпин Шуайт, Даобен Ли. Алгоритм быстрого декодирования сигналов неортогонального мультиплексирования с частотным разделением // Коммуникации и сети в Китае, 2007. CHINACOM '07. — 22–24 авг. 2007 г., С. 595–598.

[22] И. Канарас, А. Чорти, М. Родригес и И. Дарвазе, «Комбинированное обнаружение MMSE-ML для спектрально эффективного неортогонального сигнала FDM», в журнале Broadband Communications, Networks and Systems, 2008. BROADNETS 2008. 5-й Международный Конференция, сентябрь 2008 г., стр. 421–425.

[23] И. Канарас, А. Чорти, М. Родригес и И. Дарвазе, «Спектрально эффективные сигналы FDM: увеличение пропускной способности за счет сложности приемника», на Международной конференции IEEE по коммуникациям, 2009. ICC '09., июнь 2009 г. , стр. 1–6.

[24] Бхарадвадж, С., Нитин Кришна, Б.М.; Сутаршун, В.; Судиш, П.; Джаякумар, М. Схема обнаружения низкой сложности для систем NOFDM, основанная на обнаружении ML в гиперсферах. Международная конференция по устройствам и коммуникациям 2011 г., ICDeCom 2011 – Материалы, Месра, 24–25 февраля 2011 г., стр. 1-5.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]

[ 18 ]

[ 19 ]

[ 20 ]

[ 21 ]

[ 22 ]

[ 23 ]

[ 24 ]