Неортогональное мультиплексирование с частотным разделением каналов

Способ кодирования цифровых данных на нескольких несущих частотах

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 радиолокационных системах.

Система поднесущих

Система поднесущих сигналов N-OFDM после БПФ

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

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

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

История

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

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

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 по SEFDM И. Дарвазе и MRD Родригеса (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:

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

Идеализированная модель системы

В этом разделе описывается простая идеализированная модель системы N-OFDM, подходящая для неизменного 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.

${\displaystyle s[n]}$представляет собой последовательный поток двоичных цифр. При обратном мультиплексировании они сначала демультиплексируются в 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. ${\displaystyle \scriptstyle N}$

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 аналоговую область с помощью цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП); аналоговые сигналы затем используются для модуляции косинусоидальных и синусоидальных волн на несущей частоте соответственно. Эти сигналы затем суммируются для получения сигнала передачи . ${\displaystyle f_{\text{c}}}$ ${\displaystyle s(t)}$

Демодуляция

Получатель

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

Это возвращает параллельные потоки, которые используются в соответствующем детекторе символов . ${\displaystyle N}$

Демодуляция после БПФ

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

Демодуляция без БПФ

Демодуляция с использованием выборок АЦП

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

Модель системы 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

Метод Fast-OFDM ^{[10] [11] [12]} 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 вейвлет 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 -диапазонного трансмультиплексора, за которым следует функция преобразования. ${\displaystyle N}$

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

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

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

за ним следует еще один -диапазонный трансмультиплексор. Связь между обеими функциями преобразования такова: ${\displaystyle N}$

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

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 ).

Смотрите также

• Технологический портал

• ОЧМ
• КОФДМ

Рекомендации

1. 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]
2. Слюсарь, В.И. Смоляр, В.Г. Многочастотная работа каналов связи на основе сверхрэлеевского разрешения сигналов // Радиоэлектроника и системы связи к/к Известия-высшие учебные заведения радиоэлектроники. – 2003, том 46; часть 7, стр. 22–27. – Allerton press Inc. (США)[2]
3. 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, Официальный бюллетень № 7/2002.
6. 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 А. 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 2010 г.
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.
17. С. Галли; Х. Кога; Н. Нодокама (май 2008 г.). «Расширенная обработка сигналов для PLCS: Wavelet-OFDM». 2008 Международный симпозиум IEEE по линии электропередачи и ее 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.