N-OFDM ( Non-Orthogonal Frequency Division Multiplexing ) är en digital moduleringsmetod som använder många tätt placerade, icke-ortogonala frekvensunderbärvågor [1] [2] . Som i OFDM , moduleras varje underbärvåg med ett konventionellt moduleringsschema (t.ex. kvadraturamplitudmodulering).
N-OFDM-signalen bildas av harmoniska underbärvågor, som kan fördelas i frekvens både i lika intervall (i detta fall talar vi om ekvidistant placering av underbärvågor) och i olika frekvensintervall (icke-ekvidistant version av N-OFDM) . Med en ekvidistant frekvensfördelning är den totala bandbredden som upptas av N-OFDM-signalen uppdelad i underkanaler, vars bredd är , där är varaktigheten av signalsamplet, över vilket FFT- operationen utförs (symbolintervall).
Således, om vi skriver uttrycket för frekvensintervallet mellan underbärvågor som , kommer fallet att motsvara OFDM , och den ekvidistanta versionen av N-OFDM.
Med icke-ekvidistant placering av underbärvågor, i det allmänna fallet, inom ett multifrekvenspaket, kan inte bara frekvensintervall kombineras utan även de som är inneboende i OFDM ( ) och till och med FDM ( ). Fördelen med icke-ekvidistant placering av underbärvågor är möjligheten till en signifikant minskning av estimeringsfelen för kvadraturkomponenterna för signalamplituderna jämfört med ett enhetligt frekvensintervall [1] [2] .
Prototypen för denna signalmoduleringsmetod var en metod för att mäta amplitud-frekvenskarakteristiken (AFC) för ett radiotekniksystem med hjälp av ett flerfrekvenssignalpaket, beskrivet i beskrivningen av Ryska federationens patent för uppfinning nr 2054684 [ 3] . I denna uppfinning användes en optimal uppskattning av amplituderna för var och en av övertonssignalerna, identisk med den som användes därefter för demodulering av N-OFDM-signaler. Den väsentliga skillnaden med denna metod var att frekvenserna för ingångsåtgärderna i det totala paketet av insignaler kan separeras med ett frekvensintervall som är mindre än Rayleighs upplösningsgräns (bredden på frekvenssvaret för frekvensfiltret).
År 2001, Slyusarem V.I. utvecklingen av N-OFDM-teorin [4] [5] [6] [7] inleddes . Denna vetenskapliga riktning var en generalisering av OFDM -teknologin och kännetecknas av super-Rayleigh-frekvenskomprimering av signaler med efterföljande signaldemodulering genom att optimalt lösa systemet med sannolikhetsekvationer med avseende på okända amplituduppskattningar.
Liknande verk utomlands dök upp första gången hösten 2003 [8] [9] [10] [11] [12] [13] . I detta fall används termerna NOFDM [14] , n-OFDM [15] , Spectrally Efficient FDM (SEFDM) [8] [16] etc, motsvarande N-OFDM, som i själva verket beskriver det kända från publikationer om N-OFDM [ 3] [4] [5] [6] [7] metoder för bildning och bearbetning av signaler som inte är ortogonala i frekvens, samt representerar deras vidareutveckling.
Trots den ökade komplexiteten hos demodulerande N-OFDM-signaler jämfört med OFDM , ger övergången till icke-ortogonalt underbärvågsfrekvensavstånd ett antal fördelar:
N-OFDM-signalen är summan av en uppsättning icke-ortogonala underbärvågor [1] , på var och en av vilka data som sänds vid huvudfrekvensen moduleras oberoende med användning av en av moduleringstyperna (BPSK, QPSK, 8-PSK, QAM , etc.). Radiofrekvensbärvågen moduleras sedan med denna summasignal.
är en seriell ström av binära siffror. Innan signalprocessorn (DSP) omvandlas denna ström först till N parallella strömmar, varefter var och en av dem mappas till en symbolström med hjälp av en fas (BPSK, QPSK, 8-PSK) eller amplitud-fas kvadraturmodulering (QAM) procedur. När man använder BPSK-modulering erhålls en ström av binära tal (1 och −1), med QPSK, 8-PSK, QAM - en ström av komplexa tal. Eftersom strömmarna är oberoende kan moduleringsmetoden och därför antalet bitar per symbol i varje ström vara olika. Därför kan olika strömmar ha olika bithastigheter. Till exempel är bandbredden på linjen 2400 baud (tecken per sekund), och den första strömmen fungerar med QPSK (2 bitar per symbol) och sänder 4800 bps, och den andra fungerar med QAM-16 (4 bitar per symbol) och sänder 9600 bps med.
Den digitala signalprocessorn (DSP) använder N samtidigt ankommande symboler, vilket skapar samma uppsättning komplexa sampel i tidsdomänen (tidsdomänsampel), motsvarande summan av spänningssampel av övertonssignaler som inte är ortogonala i frekvens. Därefter omvandlar digital-till-analog-omvandlare (DAC) de verkliga och imaginära komponenterna separat till analog form, varefter de modulerar RF-cosinusvågen respektive sinusformen. Dessa signaler summeras ytterligare och ger den sända signalen s(t) .
Mottagaren tar emot en signal r(t) , extraherar cosinus ( cos ) och sinus ( sin ) kvadraturkomponenter från den genom att multiplicera r(t) med och - och lågpassfilter som filtrerar bort svängningar i bandet runt . De resulterande signalerna digitaliseras sedan med användning av analog-till-digital-omvandlare (ADC), som utsätts för direkt snabb Fourier-transform (FFT). Detta resulterar i en N-OFDM-signal i frekvensdomänen.
Uppsättningen av N parallella dataströmmar matas till en symbolavkodare, som, med hjälp av en given algoritm, omvandlar den binära sekvensen till informationssymboler för fasmodulering (när de används i en BPSK, QPSK, 8-PSK-sändare) eller amplitud-fas kvadratur modulering (när den används i en QAM-sändare). Idealiskt erhålls en bitström som är lika med den bitström som sänds av sändaren.
För demodulering av N-OFDM-signaler föreslogs det i [17] [18] att använda den klassiska Gram-Schmidt (GS) signalortogonaliseringsproceduren, som gör det möjligt att förvandla ett linjärt oberoende system av vektorer till ett ortonormalt. Nackdelen med detta tillvägagångssätt är en signifikant ökning av ortogonaliseringsfel med en ökning av antalet signalunderbärvågor i ett paket, speciellt med en minskning av deras frekvensseparation. Mer robust mot fel är Löwdin-ortogonaliseringsproceduren (Per-Olov Löwdin, LO) [17] . Som jämförelse, i Fig . [17] . BER-värdets beroende av interfrekvensintervallet för 16 och 32 underbärvågor under demodulering av N-OFDM-signaler med Gram-Schmidt- och Levdin-metoderna visas. Ett särdrag hos dessa ortogonaliseringsmetoder är behovet av amplitud-faskorrigering av signaler efter att ha utfört ortogonaliseringsproceduren, som är associerad med de åtföljande distorsionerna av motsvarande underbärvågsparametrar. Korrektionskoefficienterna kan beräknas från pilotsignalerna under förvärvsfasen.
Vid bearbetning av analog-till-digitalomvandlare (ADC) -sampel reduceras uppgiften att demodulera N-OFDM-signaler till att lösa ett ekvationssystem sammanställt från signalblandningsspänningssampel i förhållande till okända kvadraturkomponenter av underbärvågsamplituder.
Kärnan i detta bearbetningsalternativ är att före syntesen av frekvensfilter med användning av FFT- operationen på den mottagande sidan, decimeras informationsflödet av ytterligare grindning ( decimering ) av ADC- samplen (ackumulering enligt en viss lag i fasta tidsintervall med återställ) [5] [19] Motsvarande bearbetning av signalsamplingar, med hänsyn till heltalsvaraktigheten för stroben M ( decimeringsfaktor ), kan representeras som: [19]
,där T är samplingsperioden för ADC (intervall mellan sampel). - ingångsavläsningar av signalspänningar före decimering , M - strobe-varaktighet, - mittfrekvens för N-OFDM-signalpaket.
Om , då gäller och därför [19]
, .När vi får
, .Ytterligare syntes av FFT- filter utförs enligt proverna av signalblandningen som bildas som ett resultat av decimering [5] . Förutom att minska kraven på prestanda hos bearbetningsanordningar, gör denna decimering det möjligt att öka brusimmuniteten för mottagande kanaler genom att undertrycka signalmottagning utanför bandet med hjälp av decimatorns frekvenssvar . Dessutom gör läsning av decimering det möjligt att förenkla implementeringen av digital strålformningsutrustning vid användning av digitala antennuppsättningar för att ta emot N-OFDM-signaler , till exempel i ett MIMO -system .
Om du behöver bättre anti-aliasing-filtrering av ADC -avläsningar, bör du ersätta vektorn av viktkoefficienter i det specificerade uttrycket för decimeringsproceduren :
,Ett exempel på denna typ av viktbearbetning vid är decimering med en udda gate-varaktighet: [20]
Eftersom decimeringen av ADC - samplen åtföljs av en frekvensberoende parasitisk fasomkastning av alla underbärvågor, såväl som distorsionen av frekvenssvaret för FFT - filtren under demoduleringen av N-OFDM- signaler , kommer uppskattningarna av kvadraturkomponenterna för signalamplituderna bör korrigeras för att kompensera för de indikerade fas- och frekvensdistorsionerna. Liknande bearbetning med decimering av ADC- avläsningar kan tillämpas i fallet med OFDM , COFDM- signaler.
En detaljerad beskrivning av N-OFDM-demoduleringsproceduren efter syntesen av frekvensfilter med användning av FFT ges i beskrivningen av Ryska federationens patent för uppfinning nr 2054684 [3] .
Om du vägrar att bilda FFT-filter är demodulering av N-OFDM-signaler möjlig med hjälp av korrelationsmetoden. Ett exempel av detta slag betraktas i verk av Makarov S. B., Zavyalov S. V. [21]
För att demodulera N-OFDM-signaler, som är en uppsättning harmoniska underbärvågor som inte är ortogonala i frekvens, kan wavelet- filtrering användas på den mottagande sidan. I det enklaste fallet kan detta vara ett system av wavelet-filter ortogonala i frekvens, syntetiserade på basis av wavelet-transformationer, vilket leder till ett frekvenssvar som beskrivs av analytiska funktioner [22] . Ett exempel på denna typ av wavelets är harmoniska skurar och Morlet wavelet [23] .
I denna version av N-OFDM bildas signaler på sändningssidan genom att modulera cas-funktioner enligt lagen om pulsamplitudmodulering (PAM) eller kvadraturamplitudmodulering (QAM). På den mottagande sidan, i processen för signaldemodulering, uppskattas amplituderna för var och en av cas-funktionerna med användning av maximum likelihood-metoden eller minsta kvadratmetoden [24] . I detta fall, för bearbetning, kan samplingar användas som följer tempot för ADC-samplingsperioden eller efter deras decimering. Hartley-funktionen används som decimerande funktion. [25]
I synnerhet, om och , så utförs decimeringen enligt uttrycket [25]
, .År 2002 föreslog Izzat Darwazeh och MRD Rodrigues [26] metoden Fast-OFDM-datafrekvensmultiplexering (FOFDM), som använder ett frekvensunderbärvågsavstånd som är 2 gånger mindre än i fallet med OFDM. Denna omständighet tillåter oss att betrakta Fast-OFDM med en hög grad av villkorlighet som en mellanlänk mellan OFDM och N-OFDM.
Fast-OFDM-metoden är baserad på det faktum att den reella delen av korrelationskoefficienten för två komplexa underbärvågor är lika med noll om frekvensavståndet mellan underbärvågorna är en heltalsmultipel av 1/(2T) (T är ackumuleringsintervallet) (halvsymbolsintervall mellan underbärvågor.). Det är väsentligt att, trots dubbelfrekvensmultiplexeringen jämfört med OFDM, signalerna fortfarande förblir ortogonala mot varandra. På fig. spektrumet för ett signalpaket med 32 underbärvågor illustreras i fallet med OFDM- och Fast-OFDM-moduleringar [17] . Det bör särskilt noteras att när frekvensmultiplexeringen ökar, minskar nivån av signalemission utanför bandet.
Det är dock viktigt att notera att vinsten i spektral effektivitet i förhållande till OFDM i fallet med Fast-OFDM endast är möjlig när man använder den verkliga representationen av signaler och endimensionella (riktiga) moduleringsscheman - BPSK eller M-ary FRÅGA. Annars kan informationen som sänds med hjälp av Fast-OFDM-signaler inte återställas på den mottagande sidan.
En sådan betydande brist hindrade dock inte författarna till denna metod från att fortsätta studera dess kapacitet [27] [28] [29] och föra utvecklingen av motsvarande teori till experimentella demonstrationer i fiberoptiska dataöverföringssystem [30] [ 31] [32] Till exempel faktum [32] dataöverföring med 20 Gigabit/s med 4-ASK F-OFDM-modulering över fiberoptisk kabel över en sträcka av 840 km. I detta fall, för frekvensvalet av underbärvågor, istället för FFT, används en diskret cosinustransform. Med hänsyn till analysen av egenskaperna hos Fast-OFDM verkar en radikal övergång till superupplösning i spektralområdet vara mer lovande, vilket gör det möjligt att placera signalfrekvenser tätare, vilket gör dem icke-ortogonala mot varandra.
Tyvärr valdes metodens namn inte särskilt väl, eftersom det inte tillåter en entydigt att bedöma essensen av metoden: till exempel faller OFDM , som använder en snabb Fourier-transform (FFT) filterbank, också under denna definition .
Faktum är att FBMC-tekniken som presenteras i utländska publikationer är baserad på användningen i sändnings- och mottagningssegmenten av en extra filtrering med hög frekvensselektivitet jämfört med den snabba Fouriertransformen . Detta gör att du avsevärt kan undertrycka strålning utanför bandet, samt öka den spektrala effektiviteten för en flerfrekvenssignal och brusimmuniteten för kommunikationskanaler. Den mest använda ytterligare filtreringen är genom viktad summering av svaren från flera FFT-filter, till exempel genom ett Hamming-viktfönster.
I publicerade arbeten om FBMC-metoden används ofta frekvensavståndet mellan underbärvågor som är karakteristiskt för OFDM [34] [35] . Samtidigt, i fallet med FBMC, ligger skillnaden i en avsevärt reducerad nivå av out-of-band-mottagning.
Men i likhet med Fast-OFDM-metoden, i fallet med FBMC, kan frekvensmultiplexering av kanaler motsvarande ett halvsymbolsintervall mellan underbärvågor [36] också erhållas . Detta faktum gör att vi kan klassificera FBMC med en viss grad av konventionalitet som en klass av metoder med icke-ortogonala frekvenssignaler (Non-Ortogonal Waveform).
Ett av de första ryskspråkiga verken om analys av den utländska versionen av FBMC-metoden presenterades i maj 2012 vid den allryska vetenskapliga och tekniska konferensen för studenter, doktorander och unga forskare "Scientific Session TUSUR-2012" på Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics (TUSUR) [37]
Historien om FBMC - metoden kommer från arbeten som ägnas åt att lösa problemet med att undertrycka sidoloberna för frekvenssvaret för filter syntetiserade baserat på den snabba Fouriertransformen . I detta fall, till skillnad från FBMC-metoden, undertrycktes sidoloberna för frekvenssvaret inte för varje FFT-filter, utan för hela deras bank som helhet. En av de första publikationerna av detta slag var avhandlingen av Eric Phillip Lawrey [38] , där man, för att undertrycka sidolober, föreslog att man skulle använda preliminär digital filtrering av OFDM -signalsampel erhållna från ADC-utgången, baserad på FIR-filter med viktningskoefficienter motsvarande kända vikt "fönster" såväl som "fönster" som föreslagits av Lawrey själv.
I utvecklingen av detta tillvägagångssätt föreslogs idén att syntetisera en frekvensfilterbank i mottagningssegmentet med hjälp av viktad summering av FFT-filtersvar, liknande FBMC, i april 2004 [39] . I detta fall användes ytterligare filtrering av flerfrekvenssignaler innan Fouriertransformen utfördes för att undertrycka sidoloberna för frekvenssvaret för frekvensfiltren. För detta användes en viktad summering av svaren från tre frekvensdecimatorfilter, syntetiserade med den snabba Fouriertransformen :
,där , , är de initiala svaren för Fouriertransformen, är resultatet av den fönsterförsedda transformationen, motsvarar Hann (Hanning)-fönstret, - till Hamming- fönstret [2] [39] . Implementeringen av den specificerade viktningen utförs i det glidande fönsterläget på uppsättningen av svar från Fouriertransformen.
Eftersom det enligt vissa lagar för viktad summering av FFT-filtersvar (Hamming, Hanning (Hanna), etc.), är möjligt att analytiskt beskriva förändringslagen i frekvenssvaret för de resulterande filtren som bildar filtreringsbanken, intervallet mellan underbärvågor kan ställas in på mindre än hälften av symbolintervallet. Som ett resultat kommer det att finnas en hybrid av N-OFDM och FBMC-teknologi ( N-OFDM+FBMC ).
För närvarande är generaliseringar av FBMC kända, med hänsyn tagen till användningen av MIMO -principen ( FBMC + MIMO ).
En variant av FBMC är användningen av wavelet -filtrering av de mottagna N-OFDM-signalerna [22] .
GFDM ( Engelska Generalized Frequency Division Multiplexing ) - en generaliserad metod för frekvensdiskret multiplexing
UFMC ( eng. universal filter multi-carrier ) är en universell filtreringsteknik för flera underbärare. Tillhandahåller filtrering av grupper av ortogonala underbärvågor i sändaren för att minska strålning utanför bandet och minska skyddsintervallet mellan intilliggande datakanaler [40] [41] .
UFMC kan tillämpas i fallet med N-OFDM-signaler förutom att filtrera enskilda underbärvågsgrupper i mottagaren [40] .
N-OFDM-metoden ansågs vara en prototyp av den tekniska basen för 5G -kommunikationsnätverk , vars fysiska skikt var planerat att implementeras på icke-ortogonala signaler (Methodology for 5G Physical Layer Based on Non-ortogonal Waveforms). Det europeiska projektet för att standardisera behandlingen av icke-ortogonala signaler för 5G-nätverk har fått namnet 5GNOW (5th Generation Non-Orthogonal Waveforms). Projektwebbplats http://www.5gnow.eu/ . Varianter av den icke-ortogonala klassen av signaler FBMC, GFDM, etc. ansågs vara kandidater för standardisering.
N-OFDM-signaler kan användas för att lösa radarproblem, inklusive i integrerade radarkommunikationssystem baserade på MIMO -teknik [42] .