N-OFDM ( Non-Orthogonal Frequency Division Multiplexing ) er en digital modulationsmetode, der bruger mange tætsiddende, ikke-ortogonale frekvensunderbærere [1] [2] . Som i OFDM moduleres hver underbærebølge med et konventionelt modulationsskema (f.eks. kvadraturamplitudemodulation).
N-OFDM-signalet er dannet af harmoniske underbærebølger, som kan fordeles i frekvens både i lige store intervaller (i dette tilfælde taler vi om ækvidistant placering af underbærere) og i forskellige frekvensintervaller (ikke-ækvidistant version af N-OFDM) . Med en ækvidistant frekvensfordeling opdeles den samlede båndbredde optaget af N-OFDM-signalet i underkanaler, hvis bredde er , hvor er varigheden af signalprøven, over hvilken FFT -operationen udføres (symbolinterval).
Hvis vi således skriver udtrykket for frekvensintervallet mellem underbærebølger som , vil sagen svare til OFDM , og til den ækvidistante version af N-OFDM.
Med ikke-ækvidistant placering af underbærere, i det generelle tilfælde inden for én multi-frekvenspakke, kan ikke kun frekvensintervaller kombineres , men også dem, der er iboende i OFDM ( ) og endda FDM ( ). Fordelen ved ikke-ækvidistant placering af underbærebølger er muligheden for en betydelig reduktion i estimeringsfejlene af kvadraturkomponenterne af signalamplituderne sammenlignet med et ensartet frekvensinterval [1] [2] .
Prototypen af denne signalmodulationsmetode var en metode til måling af amplitude-frekvenskarakteristika (AFC) af et radioteknisk system ved hjælp af en multi-frekvens signalpakke, beskrevet i beskrivelsen af patentet fra Den Russiske Føderation for opfindelse nr. 2054684 [ 3] . I denne opfindelse blev der anvendt et optimalt estimering af amplituderne af hvert af de harmoniske signaler, identisk med det, der efterfølgende blev brugt til demodulation af N-OFDM-signaler. Den væsentlige forskel ved denne metode var, at frekvenserne af inputhandlingerne i den samlede pakke af inputsignaler kan adskilles med et frekvensinterval, der er mindre end Rayleigh-opløsningsgrænsen (bredden af frekvensresponsen af frekvensfilteret).
I 2001, Slyusarem V.I. udviklingen af N-OFDM teorien [4] [5] [6] [7] blev igangsat . Denne videnskabelige retning var en generalisering af OFDM -teknologien og er kendetegnet ved super-Rayleigh-frekvenskomprimering af signaler med efterfølgende signaldemodulation ved optimalt at løse systemet af sandsynlighedsligninger med hensyn til ukendte amplitudeestimater.
Lignende værker i udlandet udkom første gang i efteråret 2003 [8] [9] [10] [11] [12] [13] . I dette tilfælde anvendes betegnelserne NOFDM [14] , n-OFDM [15] , Spectrally Efficient FDM (SEFDM) [8] [16] osv. svarende til N-OFDM , som faktisk beskriver det kendte fra bl.a. publikationer om N-OFDM [ 3] [4] [5] [6] [7] metoder til dannelse og behandling af signaler, der ikke er ortogonale i frekvens, samt repræsenterer deres videre udvikling.
På trods af den øgede kompleksitet af demodulerende N-OFDM-signaler sammenlignet med OFDM , giver overgangen til ikke-ortogonal underbærebølgefrekvensafstand en række fordele:
N-OFDM-signalet er summen af et sæt ikke-ortogonale underbærebølger [1] , på hvilke de data, der transmitteres ved hovedfrekvensen, uafhængigt moduleres ved hjælp af en af moduleringstyperne (BPSK, QPSK, 8-PSK, QAM , etc.). Radiofrekvensbæreren moduleres så med dette sumsignal.
er en seriel strøm af binære cifre. Før signalprocessoren (DSP) konverteres denne strøm først til N parallelle strømme, hvorefter hver af dem afbildes til en symbolstrøm ved hjælp af en fase (BPSK, QPSK, 8-PSK) eller amplitude-fase kvadraturmodulation (QAM) procedure. Ved brug af BPSK-modulation opnås en strøm af binære tal (1 og -1) med QPSK, 8-PSK, QAM - en strøm af komplekse tal. Da strømmene er uafhængige, kan modulationsmetoden og derfor antallet af bits pr. symbol i hver strøm være forskellig. Derfor kan forskellige streams have forskellige bithastigheder. For eksempel er linjens båndbredde 2400 baud (tegn pr. sekund), og den første stream arbejder med QPSK (2 bits pr. symbol) og transmitterer 4800 bps, og den anden fungerer med QAM-16 (4 bit pr. symbol) og sender 9600 bps med.
Den digitale signalprocessor (DSP) bruger N samtidigt ankommende symboler, hvilket skaber det samme sæt af komplekse samples i tidsdomænet (tidsdomæne samples), svarende til summen af spændingssamples af harmoniske signaler, der ikke er ortogonale i frekvens. Dernæst konverterer digital-til-analog konvertere (DAC'er) de reelle og imaginære komponenter separat til analog form, hvorefter de modulerer henholdsvis RF cosinusbølgen og sinusoiden. Disse signaler summeres yderligere og giver det transmitterede signal s(t) .
Modtageren modtager et signal r(t) , udtrækker cosinus ( cos ) og sinus ( sin ) kvadraturkomponenter fra det ved at gange r(t) med og - og lavpasfiltre , der frafiltrerer oscillationer i båndet omkring . De resulterende signaler digitaliseres derefter ved hjælp af analog-til-digital-konvertere (ADC), der udsættes for direkte hurtig Fourier-transformation (FFT). Dette resulterer i et N-OFDM-signal i frekvensdomænet.
Sættet af N parallelle datastrømme føres til en symboldekoder, som ved hjælp af en given algoritme konverterer den binære sekvens til informationssymboler for fasemodulation (når de bruges i en BPSK-, QPSK-, 8-PSK-sender) eller amplitude-fase- kvadratur modulering (når det bruges i en QAM-sender). Ideelt set opnås en bitstrøm, der er lig med den bitstrøm, der transmitteres af senderen.
Til demodulation af N-OFDM-signaler blev det foreslået i [17] [18] at bruge den klassiske Gram-Schmidt (GS) signalortogonaliseringsprocedure, som gør det muligt at omdanne et lineært uafhængigt system af vektorer til et ortonormalt. Ulempen ved denne fremgangsmåde er en signifikant stigning i ortogonaliseringsfejl med en stigning i antallet af signalunderbærere i en pakke, især med en reduktion i deres frekvensseparation. Mere robust over for fejl er Löwdin-ortogonaliseringsproceduren (Per-Olov Löwdin, LO) [17] . Til sammenligning, i figur [17] . BER-værdiens afhængighed af interfrekvensintervallet for 16 og 32 underbærere under demodulation af N-OFDM-signaler ved Gram-Schmidt- og Levdin-metoderne er vist. Et træk ved disse ortogonaliseringsmetoder er behovet for amplitude-fasekorrektion af signaler efter udførelse af ortogonaliseringsproceduren, som er forbundet med de ledsagende forvrængninger af de tilsvarende underbærebølgeparametre. Korrektionskoefficienterne kan beregnes ud fra pilotsignalerne under optagelsesfasen.
Ved behandling af analog-til-digital konverter (ADC) prøver, reduceres opgaven med at demodulere N-OFDM signaler til at løse et system af ligninger kompileret ud fra signalblandingsspændingsprøver i forhold til ukendte kvadraturkomponenter af underbærebølgeamplituder.
Essensen af denne behandlingsmulighed er, at før syntesen af frekvensfiltre ved hjælp af FFT -operationen på den modtagende side, decimeres informationsstrømmen ved yderligere gating ( decimering ) af ADC- prøverne (akkumulering i henhold til en bestemt lov i faste tidsintervaller med reset) [5] [19] Den tilsvarende behandling af signalprøver, under hensyntagen til heltalsvarigheden af stroben M ( decimeringsfaktor ), kan repræsenteres som: [19]
,hvor T er prøvetagningsperioden for ADC (interval mellem prøver). - indgangsaflæsninger af signalspændinger før decimering , M - strobevarighed, - centerfrekvens af N-OFDM signalpakke.
Hvis , så holder og derfor [19]
, .Når vi får
, .Yderligere syntese af FFT -filtre udføres i henhold til prøverne af signalblandingen dannet som et resultat af decimering [5] . Ud over at reducere kravene til ydeevnen af behandlingsanordninger gør denne decimering det muligt at øge støjimmuniteten af modtagende kanaler ved at undertrykke signalmodtagelse uden for båndet ved hjælp af decimatorens frekvensrespons . Derudover gør læsning af decimering det muligt at forenkle implementeringen af digitalt stråleformningsudstyr i tilfælde af brug af digitale antennearrays til modtagelse af N-OFDM-signaler , for eksempel i et MIMO -system .
Hvis du har brug for bedre anti-aliasing-filtrering af ADC -aflæsninger, bør du erstatte vektoren af vægtkoefficienter i det specificerede udtryk for decimeringsproceduren :
,Et eksempel på denne form for vægtbehandling ved er decimering med en ulige gate-varighed: [20]
Da decimeringen af ADC - prøverne er ledsaget af en frekvensafhængig parasitisk fasevending af alle underbærebølger, såvel som forvrængning af frekvensresponsen af FFT - filtrene under demodulationen af N-OFDM- signaler , vil estimaterne af kvadraturkomponenterne af signalamplituderne bør korrigeres for at kompensere for de angivne fase- og frekvensforvrængninger. Lignende behandling med decimering af ADC- aflæsninger kan anvendes i tilfælde af OFDM , COFDM- signaler.
En detaljeret beskrivelse af N-OFDM-demodulationsproceduren efter syntesen af frekvensfiltre ved hjælp af FFT er givet i beskrivelsen af patentet fra Den Russiske Føderation for opfindelse nr. 2054684 [3] .
Hvis du nægter at danne FFT-filtre, er demodulation af N-OFDM-signaler mulig ved hjælp af korrelationsmetoden. Et eksempel af denne art betragtes i værket af Makarov S. B., Zavyalov S. V. [21]
For at demodulere N-OFDM-signaler, som er et sæt af harmoniske underbærebølger, der ikke er ortogonale i frekvens, kan wavelet - filtrering bruges på den modtagende side. I det enkleste tilfælde kan dette være et system af wavelet-filtre ortogonale i frekvens, syntetiseret på basis af wavelet-transformationer, hvilket fører til en frekvensrespons beskrevet af analytiske funktioner [22] . Et eksempel på denne slags wavelets er harmoniske bursts og Morlet wavelet [23] .
I denne version af N-OFDM dannes signaler på den transmitterende side ved at modulere cas-funktioner i henhold til loven om pulsamplitudemodulation (PAM) eller kvadraturamplitudemodulation (QAM). På den modtagende side, i processen med signaldemodulation, estimeres amplituderne af hver af cas-funktionerne ved hjælp af maksimum sandsynlighedsmetoden eller mindste kvadraters metode [24] . I dette tilfælde kan der til behandling bruges prøver, der følger tempoet i ADC-samplingperioden eller efter deres decimering. Hartley-funktionen bruges som decimeringsfunktion. [25]
Især hvis og , så udføres decimeringen i henhold til udtrykket [25]
, .I 2002 foreslog Izzat Darwazeh og MRD Rodrigues [26] Fast-OFDM data frequency multiplexing (FOFDM) metoden, som bruger en frekvens underbærebølgeafstand, der er 2 gange mindre end i tilfældet med OFDM. Denne omstændighed giver os mulighed for at betragte Fast-OFDM med en høj grad af konditionalitet som et mellemled mellem OFDM og N-OFDM.
Fast-OFDM-metoden er baseret på det faktum, at den reelle del af korrelationskoefficienten for to komplekse underbærebølger er lig med nul, hvis frekvensafstanden mellem underbærerne er et heltal på 1/(2T) (T er akkumuleringsintervallet) (halv-symbol interval mellem underbærere.). Det er væsentligt, at på trods af den dobbelte frekvensmultipleksing sammenlignet med OFDM, forbliver signalerne ortogonale i forhold til hinanden. På fig. spektret af en signalpakke på 32 underbærebølger er illustreret i tilfælde af OFDM- og Fast-OFDM-modulationer [17] . Det skal især bemærkes, at når frekvensmultipleksingen øges, falder niveauet af signaludsendelse uden for båndet.
Det er dog vigtigt at bemærke, at gevinsten i spektral effektivitet i forhold til OFDM i tilfælde af Fast-OFDM kun er mulig, når der bruges den reelle repræsentation af signaler og endimensionelle (reale) modulationsskemaer - BPSK eller M-ary SPØRG. Ellers kan den information, der transmitteres ved hjælp af Fast-OFDM-signaler, ikke gendannes på den modtagende side.
En så væsentlig mangel forhindrede imidlertid ikke forfatterne af denne metode i at fortsætte med at studere dens muligheder [27] [28] [29] og bringe udviklingen af den tilsvarende teori til eksperimentelle demonstrationer i fiberoptiske datatransmissionssystemer [30] [ 31] [32] For eksempel faktum [32] datatransmission ved 20 Gigabit/s ved hjælp af 4-ASK F-OFDM-modulation over fiberoptisk kabel over en afstand på 840 km. I dette tilfælde anvendes en diskret cosinustransformation til frekvensvalg af underbærebølger i stedet for FFT. Når man tager analysen af Fast-OFDM's muligheder i betragtning, ser en radikal overgang til superopløsning i spektralområdet ud til at være mere lovende, hvilket gør det muligt at placere signalfrekvenser tættere, hvilket gør dem ikke-ortogonale i forhold til hinanden.
Desværre blev navnet på metoden ikke valgt særlig godt, da det ikke tillader en entydigt at bedømme essensen af metoden: for eksempel falder OFDM , som bruger en hurtig Fourier transformation (FFT) filterbank, også ind under denne definition .
Faktisk er FBMC-teknologien, der præsenteres i udenlandske publikationer, baseret på brugen i sende- og modtagesegmenterne af en ekstra filtrering med høj frekvensselektivitet sammenlignet med den hurtige Fourier-transformation . Dette giver dig mulighed for betydeligt at undertrykke out-of-band-stråling, samt øge den spektrale effektivitet af et multi-frekvenssignal og støjimmuniteten af kommunikationskanaler. Den mest udbredte yderligere filtrering er ved vægtet summering af svarene fra flere FFT-filtre, for eksempel ved et Hamming-vægtvindue.
I publicerede værker om FBMC-metoden bruges ofte frekvensafstanden mellem underbærebølger , der er karakteristiske for OFDM [34] [35] . Samtidig ligger forskellen i tilfældet med FBMC i et markant reduceret niveau af out-of-band-modtagelse.
Men i lighed med Fast-OFDM-metoden kan der i tilfælde af FBMC også opnås frekvensmultipleksing af kanaler svarende til et halvsymbolinterval mellem underbærebølger [36] . Dette faktum giver os mulighed for at klassificere FBMC med en vis grad af konventionalitet som en klasse af metoder med ikke-ortogonale frekvenssignaler (Non-Orthogonal Waveform).
Et af de første russisksprogede værker om analyse af den udenlandske version af FBMC-metoden blev præsenteret i maj 2012 på den all-russiske videnskabelige og tekniske konference for studerende, postgraduates og unge videnskabsmænd "Scientific Session TUSUR-2012" på Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics (TUSUR) [37]
Historien om FBMC - metoden stammer fra værker dedikeret til at løse problemet med at undertrykke sidesløjferne af frekvensresponsen af filtre syntetiseret baseret på den hurtige Fourier - transformation . I dette tilfælde, i modsætning til FBMC-metoden, blev sidesløjferne af frekvensresponsen undertrykt ikke for hvert FFT-filter, men for hele deres bank som helhed. En af de første publikationer af denne art var afhandlingen af Eric Phillip Lawrey [38] , hvori det for at undertrykke sidesløjfer blev foreslået at anvende foreløbig digital filtrering af OFDM -signalprøver opnået fra ADC-udgangen, baseret på FIR-filtre med vægtningskoefficienter svarende til kendte vægt "vinduer" såvel som "vinduer" foreslået af Lawrey selv.
I udviklingen af denne tilgang blev ideen om at syntetisere en frekvensfilterbank i modtagesegmentet ved hjælp af vægtet summering af FFT-filtersvar, svarende til FBMC, foreslået i april 2004 [39] . I dette tilfælde blev yderligere filtrering af multi-frekvenssignaler brugt før udførelse af Fourier-transformationen for at undertrykke sidesløjferne af frekvensresponsen af frekvensfiltrene. Til dette blev en vægtet summering af svarene fra tre frekvensdecimatorfiltre brugt, syntetiseret ved hjælp af den hurtige Fourier-transformation :
,hvor , , er de indledende svar af Fourier-transformationen, er resultatet af den windowed transformation, svarer til Hann (Hanning) vinduet, - til Hamming -vinduet [2] [39] . Implementeringen af den specificerede vægtning udføres i den glidende vinduestilstand på rækken af svar fra Fourier-transformationen.
Da det under visse love for vægtet summering af FFT-filterresponser (Hamming, Hanning (Hanna) osv.) er muligt analytisk at beskrive ændringsloven i frekvensresponsen for de resulterende filtre, der danner filtreringsbanken, intervallet mellem underbærere kan indstilles til mindre end halvdelen af symbolintervallet. Som følge heraf vil der være en hybrid af N-OFDM og FBMC teknologi ( N-OFDM+FBMC ).
På nuværende tidspunkt kendes generaliseringer af FBMC under hensyntagen til brugen af MIMO- princippet ( FBMC + MIMO ).
En variation af FBMC er brugen af wavelet -filtrering af de modtagne N-OFDM-signaler [22] .
GFDM ( engelsk Generalized Frequency Division Multiplexing ) - en generaliseret metode til frekvensdiskret multipleksing
UFMC ( eng. universal filter multi-carrier ) er en universel filtreringsteknologi til flere underbærere. Giver filtrering af grupper af ortogonale underbærere i senderen for at reducere stråling uden for båndet og reducere beskyttelsesintervallet mellem tilstødende datakanaler [40] [41] .
UFMC kan anvendes i tilfælde af N-OFDM-signaler ud over at filtrere individuelle underbærebølgegrupper i modtageren [40] .
N-OFDM-metoden blev betragtet som en prototype af det teknologiske grundlag for 5G -kommunikationsnetværk , hvis fysiske lag var planlagt til at blive implementeret på ikke-ortogonale signaler (Methodology for 5G Physical Layer Based on Non-ortogonal Waveforms). Det europæiske projekt til standardisering af behandlingen af ikke-ortogonale signaler til 5G-netværk har fået navnet 5GNOW (5th Generation Non-Orthogonal Waveforms). Projektwebsted http://www.5gnow.eu/ . Varianter af den ikke-ortogonale klasse af signaler FBMC, GFDM osv. blev betragtet som kandidater til standardisering.
N-OFDM-signaler kan bruges til at løse radarproblemer, herunder i integrerede radarkommunikationssystemer baseret på MIMO -teknologi [42] .