Μελέτη και κατασκευή συστήματος πολυπλεξίας ορθογωνικών ημιτονικών σημάτων

Abstract

In this doctoral dissertation was conducted the study and construction of a system multiplexing orthogonal sinusoidal signals. This multiplexing technique is referred to the literature as OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). The OFDM is based on the idea of separating a fast information stream on more and slower parallel transmitted streams in order to increase the duration of each symbol and to eliminate the intersymbol interference. Therefore, as the orthogonality in OFDM allows the simultaneous transmission of a large number of carriers (modulated sine wave signals) it enables the end user to transmit a larger amount of wired or wireless information.The aim of this doctoral dissertation was the study of an OFDM system which would incorporate the best combination of techniques such as Cyclic Prefix, Zero Padding and a very good technique of reducing PAPR. Also this system would be capable of producing a large number of subcarriers (compared with other systems). Then this system should be simulated with several types of noise and without the presence of coding. Eventually, this system (transmitter and receiver, without the PAPR technique) should be implemented in DSP. In this phase of the research it should be conducted measurements to confirm the proper operation of the system. However, in this thesis the system which was designed, it contained besides the techniques above, new techniques of coding and reducing PAPR. Two new PAPR reduction techniques and a new type of coding – decoding scheme were discovered. Also, additional researches were conducted such as those for reduced PAPR in Turbo Coded OFDM (TC-OFDM), and the study of TC-OFDM in the presence of many noise types. Additionally, the final stage of the system construction was achieved by implementing it in DSP with the help of a GUI (Graphical User Interface). This GUI gives the ability of changing various features of the system without each time the need of redesigning it.Initially, in this doctoral dissertation were studied the structural characteristics of the system (i.e. FFT and IFFT) which constitute the basic functions of the OFDM technology. This technology presents a problem of power fluctuation output. After its extensive study and research, it was considered necessary to develop new techniques which would be simpler than the existing and they would not require the reverse procedures at the receivers. Two new techniques were discovered which were compared to others and showed excellent performance. Such performance was exhibited also by the newly developed Turbo codes. Then the Turbo coding was combined with an original OFDM system. This original OFDM system had been studied already with Additive White Gaussian Noise, phase noise as well as with other noise types without the presence of coding. Finally, the resulting Turbo Coded OFDM (TC-OFDM) system was studied for various types of noise including the relevant Ricean fading with Rayleigh processes with AWGN and phase noise. It is also worth mentioning that the better of the two PAPR techniques was inserted and simulated in TC-OFDM. The performance results were excellent. Additionally, in the course of research was created a more improved version of the Turbo codes.The final phase of this dissertation was concerned with the integration of the system in DSP. This system contained convolutional coding. The implemented system was measured using a spectrum analyzer and oscilloscope. The previous procedure included the measurement of the produced spectrum and the comparison of the originally generated signal with the received signal. This measurement was achieved by sending repeatedly the same data to the receiver, wherein by means of the oscilloscope was found the total delay of the system. As soon as this delay was taken into consideration in the measurement process then the correct operation of the system was confirmed.

Σε αυτή τη διδακτορική διατριβή έγινε μελέτη και κατασκευή συστήματος πολυπλεξίας ορθογωνικών ημιτονικών σημάτων. Αυτή η τεχνική πολυπλεξίας αναφέρεται στη βιβλιογραφία ως OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Η OFDM βασίζεται στην ιδέα του διαχωρισμού ενός γρήγορου κυματοσυρμού (stream) πληροφορίας σε περισσότερους και αργότερους κυματοσυρμούς παράλληλης μετάδοσης με σκοπό την αύξηση της διάρκειας του κάθε συμβόλου και την εξάλειψη της διασυμβολικής παρεμβολής. Επομένως, επειδή η ορθογωνιότητα στην OFDM επιτρέπει την ταυτόχρονη εκπομπή ενός μεγάλου αριθμού φορέων (διαμορφωμένα ημιτονικά σήματα) παρέχει τη δυνατότητα στον τελικό χρήστη να μεταδίδει και μεγαλύτερο όγκο πληροφορίας ενσύρματα ή ασύρματα.Σκοπός αυτής τη διδακτορικής διατριβής ήταν η μελέτη ενός OFDM συστήματος το οποίο θα ενσωμάτωνε τον καλύτερο συνδυασμό τεχνικών όπως το Κυκλικό Πρόθεμα, η Πρόσθεση μηδενικών και μία πολύ καλή τεχνική μείωσης της PAPR. Επίσης αυτό το σύστημα θα μπορούσε να παράγει μεγάλο αριθμό υποφορέων (συγκρινόμενο με άλλα συστήματα). Στη συνέχεια αυτό το σύστημα θα έπρεπε να προσομοιωθεί με αρκετούς τύπους θορύβου και χωρίς την παρουσία κωδικοποίησης. Τελικά, αυτό το σύστημα (πομπός και δέκτης, χωρίς την τεχνική PAPR) θα έπρεπε να ενσωματώνονταν σε DSP. Σε αυτή τη φάση της έρευνας θα διεξάγονταν και μετρήσεις για την επιβεβαίωση της σωστής λειτουργίας του συστήματος. Όμως, στην παρούσα διδακτορική διατριβή το σύστημα το οποίο σχεδιάστηκε περιείχε εκτός από τις τεχνικές που προαναφέρθηκαν, νέες τεχνικές κωδικοποίησης και μείωσης PAPR. Ανακαλύφθηκαν δύο καινούργιες τεχνικές μείωσης της PAPR καθώς και ένας καινούργιος τύπος κωδικοποίησης-αποκωδικοποίησης. Επίσης, διεξήχθησαν και άλλες πρότυπες έρευνες όπως π.χ. για μειωμένη PAPR σε Turbo Coded OFDM (TC-OFDM) και μελέτη TC-OFDM με την παρουσία πολλών τύπων θορύβου. Επιπροσθέτως η τελική φάση της κατασκευής του συστήματος επετεύχθη ενσωματώνοντας το σε DSP με τη βοήθεια ενός GUI (Graphical User Interface). Αυτό το GUI δίνει τη δυνατότητα αλλαγής διαφόρων χαρακτηριστικών του συστήματος χωρίς να χρειάζεται κάθε φορά η επανασχεδίασή του.Σε αυτή τη διδακτορική διατριβή αρχικά μελετήθηκαν τα δομικά χαρακτηριστικά του συστήματος (π.χ. IFFT και FFΤ) που αποτελούν βασικές λειτουργίες της τεχνολογίας OFDM. Αυτή τη τεχνολογία εμφανίζει ένα πρόβλημα αυξομείωσης ισχύος εξόδου. Κατόπιν εκτεταμένης μελέτης και έρευνας, κρίθηκε αναγκαίο να αναπτυχθούν καινούργιες τεχνικές οι οποίες θα ήταν πιο απλές σε σχέση με τις υπάρχουσες και δεν θα απαιτούσαν τις ανάστροφες διαδικασίες στους δέκτες. Δύο καινούργιες τεχνικές ανακαλύφθηκαν οι οποίες συγκρίθηκαν με άλλες και εμφάνισαν εξαιρετικές επιδόσεις. Τέτοιου είδους επιδόσεις εμφάνισαν και οι καινούργιοι Turbo κώδικες που αναπτύχθηκαν. Στη συνέχεια η Turbo κωδικοποίηση συνενώθηκε με ένα αρχικό σύστημα OFDM. Αυτό το αρχικό OFDM σύστημα είχε ήδη μελετηθεί με Προσθετικό Λευκό Γκαουσιανό Θόρυβο, θόρυβο φάσης καθώς και με άλλους τύπους θορύβου χωρίς την παρουσία κωδικοποίησης. Τελικά, το προκύπτον Turbo Coded OFDM (TC-OFDM) σύστημα μελετήθηκε για διάφορους τύπους θορύβου συμπεριλαμβανομένων και των σχετικών της διάλειψης Rician με διεργασίες Rayleigh μαζί με AWGN και θόρυβο φάσης. Αξίζει επίσης να σημειωθεί ότι η καλύτερη από τις δύο τεχνικές PAPR εισήχθη και προσομοιώθηκε στην TC-OFDM. Τα αποτελέσματα της απόδοσής της ήταν εξαιρετικά. Επιπλέον, κατά τη διάρκεια της έρευνας δημιουργήθηκε και μια πιο βελτιωμένη έκδοση των Turbo κωδικών.Η τελική φάση αυτής της διδακτορικής διατριβής ήταν σχετική με την ενσωμάτωση του συστήματος σε DSP. Αυτό το σύστημα περιείχε συνελικτική κωδικοποίηση. Το υλοποιημένο σύστημα μετρήθηκε με τη βοήθεια αναλυτή φάσματος και παλμογράφου. Η προηγούμενη διαδικασία συμπεριλάμβανε τη μέτρηση του παραγόμενου φάσματος καθώς και της σύγκρισης του αρχικά παραγόμενου σήματος με το ληφθέν σήμα. Αυτή η μέτρηση επετεύχθη με την αποστολή επαναλαμβανόμενων δεδομένων στο δέκτη όπου και με τη βοήθεια παλμογράφου βρέθηκε η ολική καθυστέρηση του συστήματος. Μόλις αυτή η καθυστέρηση ελήφθη υπόψη στη διαδικασία μέτρησης τότε επιβεβαιώθηκε και η ορθή λειτουργία του συστήματος.