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Multiplexación por división de frecuencia no ortogonal

La multiplexación por división de frecuencia no ortogonal ( N-OFDM ) es un método para codificar datos digitales en múltiples frecuencias portadoras con intervalos no ortogonale...

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La multiplexación por división de frecuencia no ortogonal ( N-OFDM ) es un método para codificar datos digitales en múltiples frecuencias portadoras con intervalos no ortogonales entre las frecuencias de las subportadoras. [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] Las señales N-OFDM se pueden utilizar en sistemas de comunicación y radar .

Sistema de subportadoras

Sistema de subportadoras de señales N-OFDM después de la FFT

La señal N-OFDM equivalente de paso bajo se expresa como: [ 3 ] [ 2 ]

ν(t)=∑k=0norte−1incógnitakmij2παkt/T,0≤t<T,{\displaystyle \nu (t)=\sum _{k=0}^{N-1}X_{k}e^{j2\pi \alpha kt/T},\quad 0\leq t<T,}

dóndeincógnitak{\displaystyle X_{k}}son los símbolos de datos,norte{\displaystyle N}es el número de subportadoras, yT{\displaystyle T}es el tiempo del símbolo N-OFDM . El espaciado de subportadorasα/T{\displaystyle \alpha /T}paraα<1{\displaystyle \alpha <1} hace que no sean ortogonales en cada período de símbolo.

Historia

La historia de la teoría de señales N-OFDM comenzó en 1992 con la patente de la Federación Rusa No. 2054684. [ 1 ] En esta patente, Vadym Slyusar propuso el primer método de procesamiento óptimo para señales N-OFDM después de la transformada rápida de Fourier (FFT).

En este sentido, es necesario decir que W. Kozek y AF Molisch escribieron en 1998 sobre señales N-OFDM conα<1{\displaystyle \alpha <1}que "no es posible recuperar la información de la señal recibida, incluso en el caso de un canal ideal". [ 4 ]

En 2001, V. Slyusar propuso la modulación digital de frecuencia no ortogonal (N-OFDM) como una alternativa a la OFDM para sistemas de comunicaciones. [ 5 ]

La siguiente publicación sobre este método tiene prioridad en julio de 2002 [ 2 ] antes del artículo de la conferencia sobre SEFDM de I. Darwazeh y MRD Rodrigues (septiembre de 2003). [ 6 ]

Ventajas de N-OFDM

A pesar de la mayor complejidad de la demodulación de señales N-OFDM en comparación con OFDM , la transición a una disposición de frecuencias de subportadoras no ortogonales ofrece varias ventajas:

  1. mayor eficiencia espectral, lo que permite reducir la banda de frecuencia ocupada por la señal y mejorar la compatibilidad electromagnética de muchos terminales;
  2. desintonización adaptativa de la interferencia concentrada en frecuencia mediante el cambio de las frecuencias nominales de las subportadoras; [ 7 ]
  3. la capacidad de tener en cuenta los desplazamientos de frecuencia Doppler de las subportadoras al trabajar con abonados que se mueven a altas velocidades;
  4. reducción del factor pico de la mezcla de señales multifrecuencia.

Modelo de sistema idealizado

Esta sección describe un modelo de sistema N-OFDM idealizado simple adecuado para un canal AWGN invariante en el tiempo . [ 8 ]

Señales N-OFDM del transmisor

Una señal portadora N-OFDM es la suma de varias subportadoras no ortogonales, cuyos datos de banda base se modulan de forma independiente en cada subportadora, generalmente mediante modulación de amplitud en cuadratura (QAM) o modulación por desplazamiento de fase (PSK). Esta señal de banda base compuesta se utiliza normalmente para modular una portadora de radiofrecuencia principal .

s[norte]{\displaystyle s[n]}es una secuencia serial de dígitos binarios. Mediante multiplexación inversa , estos se desmultiplexan primero ennorte{\displaystyle \scriptstyle N}Flujos paralelos, cada uno asignado a un flujo de símbolos (posiblemente complejo) mediante alguna constelación de modulación ( QAM , PSK , etc.). Cabe destacar que las constelaciones pueden variar, por lo que algunos flujos pueden tener una tasa de bits mayor que otros.

Un procesador de señales digitales (DSP) realiza cálculos sobre cada conjunto de símbolos, lo que da como resultado un conjunto de muestras complejas en el dominio del tiempo. Estas muestras se mezclan luego en cuadratura para que pasen a la banda de paso de la manera estándar. Los componentes real e imaginario se convierten primero al dominio analógico mediante convertidores digital-analógico (DAC); las señales analógicas se utilizan luego para modular ondas coseno y seno en la frecuencia portadora .Fdo{\displaystyle f_{\text{c}}}, respectivamente. Estas señales se suman luego para dar la señal de transmisión,s(t){\displaystyle s(t)}.

Demodulación

Receptor

El receptor capta la señal.r(t){\displaystyle r(t)}, que luego se mezcla en cuadratura hasta la banda base utilizando ondas coseno y seno en la frecuencia portadora . Esto también crea señales centradas en2Fdo{\displaystyle 2f_{\text{c}}}Por lo tanto, se utilizan filtros de paso bajo para rechazarlas. A continuación, las señales de banda base se muestrean y digitalizan mediante convertidores analógico-digitales (ADC), y se utiliza una transformada rápida de Fourier (FFT) directa para convertirlas de nuevo al dominio de la frecuencia.

Esto regresanorte{\displaystyle N}flujos paralelos, que utilizan un detector de símbolos apropiado .

Demodulación tras FFT

El primer método de procesamiento óptimo para señales N-OFDM después de la FFT se propuso en 1992. [ 1 ]

Demodulación sin FFT

Demodulación mediante el uso de muestras de ADC

El método de procesamiento óptimo para señales N-OFDM sin FFT fue propuesto en octubre de 2003. [ 3 ] [ 9 ] En este caso se pueden utilizar muestras ADC .

Demodulación tras la transformada discreta de Hartley

N-OFDM+MIMO

Modelo de sistema N-OFDM+MIMO

La combinación de las tecnologías N-OFDM y MIMO es similar a OFDM. Para la construcción de un sistema MIMO se puede utilizar una matriz de antenas digitales como transmisor y receptor de señales N-OFDM.

OFDM rápido

El método Fast-OFDM [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] fue propuesto en 2002. [ 13 ]

Modulación multiportadora con banco de filtros (FBMC)

La modulación multicarrier con banco de filtros (FBMC) es. [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] Como ejemplo de FBMC se puede considerar Wavelet N-OFDM.

Ondícula N-OFDM

N-OFDM se ha convertido en una técnica para comunicaciones por línea eléctrica (PLC). En este campo de investigación, se introduce una transformada wavelet para reemplazar la DFT como método para generar frecuencias no ortogonales. Esto se debe a las ventajas que ofrecen las wavelets, particularmente útiles en líneas eléctricas ruidosas. [ 17 ]

Para crear la señal del emisor, el N-OFDM wavelet utiliza un banco de síntesis que consta de unnorte{\displaystyle N}-transmultiplexor de banda seguido de la función de transformación

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

En el lado del receptor, se utiliza un banco de análisis para demodular la señal nuevamente. Este banco contiene una transformada inversa.

GRAMOnorte(z)=∑k=0L−1gramonorte(k)z−k,0≤norte<norte{\displaystyle G_{n}(z)=\sum _ {k=0}^{L-1}g_{n}(k)z^{-k},\quad 0\leq n<N}

seguido de otronorte{\displaystyle N}-transmultiplexor de banda. La relación entre ambas funciones de transformación es

Fnorte(k)=gramonorte(L−1−k)Fnorte(z)=z−(L−1)GRAMOnorte∗(z−1){\displaystyle {\begin{aligned}f_{n}(k)&=g_{n}(L-1-k)\\F_{n}(z)&=z^{-(L-1)}G_{n}*(z-1)\end{aligned}}}

FDM espectralmente eficiente (SEFDM)

N-OFDM es un método espectralmente eficiente. [ 6 ] [ 18 ] Todos los métodos SEFDM son similares a N-OFDM . [ 6 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]

Multiplexación por división de frecuencia generalizada (GFDM)

La multiplexación por división de frecuencia generalizada ( GFDM ) es.

Véase también

Referencias

  1. 1 2 3 RU2054684 (C1) G01R 23/16. Técnica de medición de respuesta amplitud-frecuencia// Slyusar V. – Número de solicitud SU 19925055759, datos de prioridad: 19920722. – Fecha de publicación oficial: 1996-02-20
  2. 1 2 3 Slyusar, VI Smolyar, VG Operación multifrecuencia de canales de comunicación basada en la resolución super-Rayleigh de señales // Radioelectrónica y sistemas de comunicaciones c/c de Izvestiia- vysshie uchebnye zavedeniia radioelektronika.. – 2003, volumen 46; parte 7, páginas 22–27. – Allerton Press Inc. (EE. UU.)
  3. 1 2 3 Slyusar, VI Smolyar, VG El método de modulación discreta de frecuencia no ortogonal de señales para canales de comunicación de banda estrecha // Radioelectrónica y sistemas de comunicaciones c/c de Izvestiia- vysshie uchebnye zavedeniia radioelektronika. – 2004, volumen 47; parte 4, páginas 40–44. – Allerton Press Inc. (EE. UU.)
  4. ↑ W. Kozek y AF Molisch. "Formas de pulsos no ortogonales para comunicaciones multiportadora en canales doblemente dispersivos", IEEE J. Sel. Áreas Comunitarias, vol. 16, núm. 8, págs. 1579-1589, octubre de 1998.
  5. ↑ Patente de Ucrania n.º 47835 A. IPC8 H04J1/00, H04L5/00. Método de multiplexación por división de frecuencia de canales de información de banda estrecha // Sliusar Vadym Ivanovych, Smoliar Viktor Hryhorovych. – Solicitud n.º 2001106761, datos de prioridad 03.10.2001. – Publicación oficial 15.07.2002, Boletín oficial n.º 7/2002
  6. 1 2 3 M. RD Rodrigues e I. Darwazeh. Un sistema de comunicaciones basado en multiplexación por división de frecuencia espectralmente eficiente.// InOWo'03, 8.º Taller Internacional OFDM, Actas, Hamburgo, Alemania, 24-25 de septiembre de 2003. - https://www.researchgate.net/publication/309373002
  7. ↑ Vasilii A. Maystrenko, Vladimir V. Maystrenko, Alexander Lyubchenko. Análisis de inmunidad a interferencias de un demodulador óptimo bajo multiplexación de picos del espectro N-OFDM.//Artículo de la Conferencia Internacional Siberiana de Control y Comunicaciones (SIBCON) de 2017. · Junio ​​de 2017. - DOI: 10.1109/SIBCON.2017.7998458
  8. ↑ Vasilii A. Maystrenko, Vladimir V. Maystrenko, Evgeny Y. Kopytov, Alexander Lyubche. Análisis de algoritmos de operación de módem N-OFDM en canales con ruido blanco gaussiano aditivo (AWGN).// Artículo de la conferencia Dynamics of Systems, Mechanisms and Machines (Dynamics) de 2017. Noviembre de 2017. DOI: 10.1109/Dynamics.2017.8239486
  9. ↑ Maystrenko, VA, & Maystrenko, VV (2014). Método modificado de demodulación de señales N-OFDM. XII Conferencia Internacional sobre Problemas Actuales de Ingeniería de Instrumentación Electrónica (APEIE) de 2014. doi:10.1109/apeie.2014.7040919
  10. ↑ Dimitrios Karampatsis, MRD Rodrigues e Izzat Darwazeh. Implicaciones de la dispersión de fase lineal en los sistemas OFDM y Fast-OFDM.// Simposio de Comunicaciones de Londres 2002. - http://www.ee.ucl.ac.uk/lcs/previous/LCS2002/LCS112.pdf .
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  12. ↑ K. Li e I. Darwazeh. Comparación del rendimiento del sistema Fast-OFDM y el esquema DS-CDMA multicarrier superpuesto.// Simposio de Comunicaciones de Londres 2006. - http://www.ee.ucl.ac.uk/lcs/previous/LCS2006/54.pdf .
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