mireabulletinRussian Technological JournalRussian Technological Journal2782-32102500-316XRTU MIREA10.32362/2500-316X-2024-12-5-17-32EBOWFTmireabulletin-978Research ArticleСОВРЕМЕННЫЕ РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫMODERN RADIO ENGINEERING AND TELECOMMUNICATION SYSTEMSПомехоустойчивость приема сигнала OFDM с использованием квадратурной амплитудной модуляции с мягкими решениями при наличии узкополосных помехNoise immunity of QAM-OFDM signal reception using soft-decision demodulation in the presence of narrowband interferencehttps://orcid.org/0000-0002-4537-4626ПарамоновА. А.ParamonovA. A.

Парамонов Алексей Анатольевич, д.т.н., профессор, кафедра радиоэлектронных систем и комплексов, Институт радиоэлектроники и информатики

119454, Москва, пр-т Вернадского, д. 78

Scopus Author ID 57208923552

Alexey A. Paramonov, Dr. Sci. (Eng.), Professor, Department of Radio Electronic Systems and Complexes, Institute of Radio Electronics and Informatics

78, Vernadskogo pr., Moscow, 119454 

Scopus Author ID 57208923552

paramonov@mirea.ruhttps://orcid.org/0009-0003-0143-0168ЧуВ. В.ChuV. V.

Чу Ван Вуонг, аспирант, кафедра радиоэлектронных систем и комплексов, Институт радиоэлектроники и информатики

119454, Москва, пр-т Вернадского, д. 78

Chu Van Vuong, Postgraduate Student, Department of Radio Electronic Systems and Complexes, Institute of Radio Electronics and Informatics

78, Vernadskogo pr., Moscow, 119454 

muadem1110@gmail.comМИРЭА – Российский технологический университетРоссияMIREA – Russian Technological UniversityRussian Federation2024041020241251732Copyright © Парамонов А.А., Чу В.В., 20242024Парамонов А.А., Чу В.В.Paramonov A.A., Chu V.V.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.rtj-mirea.ru/jour/article/view/978Цели

Цели. Целью работы является исследование помехоустойчивости передачи цифровой информации в системах на основе мультиплексирования с ортогональным частотным разделением (orthogonal frequency division multiplexing, OFDM) и квадратурной амплитудной модуляцией (quadrature amplitude modulation, QAM) поднесущих в присутствии узкополосной помехи. В качестве способа борьбы с этой помехой исследовано применение демодулятора с мягкими выходами и последующее декодирование используемых в системе сверточного кода и кода LDPC (low-density parity-check code).

Методы

Методы. Представленные в статье результаты получены с использованием методов статистической радиотехники, математической статистики, теории кодирования и компьютерного моделирования.

Результаты

Результаты. Представлен простой метод вычисления мягких оценок битов в демодуляторе М-ичных сигналов QAM, где М является четной степенью двойки. Получен большой объем численных результатов, показывающих зависимость вероятности ошибки на бит передаваемой информации от кратности М, от отношений сигнал/шум, сигнал/узкополосная помеха, от скорости кодов.

Выводы

Выводы. Из полученных результатов можно сделать вывод, что использование кодирования с мягкими решениями демодулятора значительно улучшает помехоустойчивость приема OFDM-сигнала, позволяя эффективно бороться с узкополосными помехами. Кодирование LDPC показывает превосходство над сверточным кодированием в повышении помехоустойчивости приема сигнала OFDM как в отсутствие узкополосных помех, так и при их наличии. Наряду с использованием в системах QAM-OFDM, предложенный простой метод демодуляции сигналов QAM с мягкими решениями может применяться в любых системах беспроводной связи, использующих М-позиционные сигналы QAM, у которых М представляет собой число 2 в четной степени.

Objectives

Objectives. The aim of this paper is to study the noise immunity of digital information transmission in systems with orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) and quadrature amplitude modulation (QAM) of subcarriers in the presence of narrowband interference. As a way of managing this interference, the paper studies the use of a demodulator with soft outputs and subsequent decoding of the convolutional code and low-density paritycheck (LDPC) code used in the system.

Methods

Methods. The results presented in the article were obtained using statistical radio engineering, mathematical statistics, encoding theory, and computer modeling.

Results

Results. The paper presents a simple method for calculating soft bit estimates in the M-point signal QAM demodulator, where M is an even power of two. A considerable amount of numerical results were obtained which show the dependence of the transmitted information bit error rate on M, as well as on the signal-to-noise ratio, signal-to-narrowband interference, and code rates.

Conclusions

Conclusions. It can be concluded from the above results that the use of encoding with soft demodulator decisions significantly improves the noise immunity of OFDM signal reception, and enables narrowband interference to be managed efficiently. LDPC encoding is superior to convolutional encoding in increasing the noise immunity of OFDM signal reception both in the absence and in the presence of narrowband interference. Along with the use in QAM-OFDM systems, the proposed simple method for demodulating QAM signals with soft decisions can be used in any wireless communication system using M-position QAM signals, where M is 2 to an even power. 

OFDMквадратурная амплитудная модуляциямягкое решениекодированиеузкополосная помехапомехоустойчивостькоэффициент битовых ошибокOFDMsoft decisionencodingnarrowband interferencenoise immunitybit error rateReferencesCimini Jr. L.J. Analysis and simulation of a digital mobile channel using orthogonal frequency division multiplexing. IEEE Trans. Commun. 1985;33(7):665–675. URL: https://doi.org/10.1109/TCOM.1985.1096357Cimini Jr. L.J. Analysis and simulation of a digital mobile channel using orthogonal frequency division multiplexing. IEEE Trans. Commun. 1985;33(7):665–675. URL: https://doi.org/10.1109/TCOM.1985.1096357Mosse P.H. A technique for orthogonal frequency division multiplexing frequency offset correction. IEEE Trans. Commun. 1994;42(10):2908–2914. https://doi.org/10.1109/26.328961Mosse P.H. A technique for orthogonal frequency division multiplexing frequency offset correction. IEEE Trans. Commun. 1994;42(10):2908–2914. https://doi.org/10.1109/26.328961Van Nee R., Prasad R. OFDM for Wireless Multimedia Communications. Boston: Artech House; 2000. 260 р.Van Nee R., Prasad R. OFDM for Wireless Multimedia Communications. Boston: Artech House; 2000. 260 р.Pandey S., Bharti M., Agrawal A.K. Analysis of M-ary QAM-Based OFDM Systems in AWGN Channel. In: Bansal R.C., Agrawal A., Jadoun V.K. (Eds.). Advances in Energy Technology: Select Proceedings of EMSME. 2022;(766):223–235. https://doi.org/10.1007/978-981-16-1476-7_22Pandey S., Bharti M., Agrawal A.K. Analysis of M-ary QAM-Based OFDM Systems in AWGN Channel. In: Bansal R.C., Agrawal A., Jadoun V.K. (Eds.). Advances in Energy Technology: Select Proceedings of EMSME. 2022;(766):223–235. https://doi.org/10.1007/978-981-16-1476-7_22Van Wyk J., Linde L. Bit error probability for a M-ary QAM OFDM-based system. In: AFRICON 2007. IEEE; 2007. https://doi.org/10.1109/AFRCON.2007.4401578Van Wyk J., Linde L. Bit error probability for a M-ary QAM OFDM-based system. In: AFRICON 2007. IEEE; 2007. https://doi.org/10.1109/AFRCON.2007.4401578Fuqin Xiong. M-ary amplitude shift keying OFDM system. IEEE Trans. Commun. 2003;51(10):1638–1642. https://doi.org/10.1109/TCOMM.2003.818103Fuqin Xiong. M-ary amplitude shift keying OFDM system. IEEE Trans. Commun. 2003;51(10):1638–1642. https://doi.org/10.1109/TCOMM.2003.818103Batra A., Zeidler J.R. Narrowband interference mitigation in OFDM systems. In: MILCOM 2008. 2008 IEEE Military Communications Conference. 2008. https://doi.org/10.1109/MILCOM.2008.4753296Batra A., Zeidler J.R. Narrowband interference mitigation in OFDM systems. In: MILCOM 2008. 2008 IEEE Military Communications Conference. 2008. https://doi.org/10.1109/MILCOM.2008.4753296Coleri S., Ergen M., Puri A., Bahai A. Channel estimation techniques based on pilot arrangement in OFDM systems. IEEE Trans. Broadcast. 2002;48(3):223–229. http://doi.org/10.1109/TBC.2002.804034Coleri S., Ergen M., Puri A., Bahai A. Channel estimation techniques based on pilot arrangement in OFDM systems. IEEE Trans. Broadcast. 2002;48(3):223–229. http://doi.org/10.1109/TBC.2002.804034Lu B., Yue G., Wang X.D. Performance analysis and design optimization of LDPC-coded MIMO OFDM systems. IEEE Trans. Signal Process. 2004;52(2):348–361. https://doi.org/10.1109/TSP.2003.820991Lu B., Yue G., Wang X.D. Performance analysis and design optimization of LDPC-coded MIMO OFDM systems. IEEE Trans. Signal Process. 2004;52(2):348–361. https://doi.org/10.1109/TSP.2003.820991Lu B., Wang X. Space-time code design in OFDM systems. In: Globecom ‘00 – IEEE. Global Telecommunications Conference. Conference Record (Cat. No.00CH37137). IEEE; 2000. V. 2. P. 1000–1004. https://doi.org/10.1109/GLOCOM.2000.891288Lu B., Wang X. Space-time code design in OFDM systems. In: Globecom ‘00 – IEEE. Global Telecommunications Conference. Conference Record (Cat. No.00CH37137). IEEE; 2000. V. 2. P. 1000–1004. https://doi.org/10.1109/GLOCOM.2000.891288Wang Q., Onotera L.Y. Coded QAM using a binary convolutional code. IEEE Trans. Commun. 1995;43(6):2001–2004. https://doi.org/10.1109/26.387437Wang Q., Onotera L.Y. Coded QAM using a binary convolutional code. IEEE Trans. Commun. 1995;43(6):2001–2004. https://doi.org/10.1109/26.387437Mosleh M.F. Log-Likelihood Ratio to Improve Hard Decision Viterbi Algorithm. Eng. & Tech. J. 2013;31(9):1779–1790. https://doi.org/10.30684/etj.2013.82189Mosleh M.F. Log-Likelihood Ratio to Improve Hard Decision Viterbi Algorithm. Eng. & Tech. J. 2013;31(9):1779–1790. https://doi.org/10.30684/etj.2013.82189Hagenauer J., Hoeher P. A Viterbi algorithm with soft-decision outputs and its applications. In: 1989 IEEE Global Telecommunications Conference and Exhibition “Communications Technology for the 1990s and Beyond.” 1989;3:1680–1686. https://doi.org/10.1109/GLOCOM.1989.64230Hagenauer J., Hoeher P. A Viterbi algorithm with soft-decision outputs and its applications. In: 1989 IEEE Global Telecommunications Conference and Exhibition “Communications Technology for the 1990s and Beyond.” 1989;3:1680–1686. https://doi.org/10.1109/GLOCOM.1989.64230Cao S., Kam P.Y., Yu C. Pilot-Aided Log-Likelihood Ratio for LDPC Coded MPSK-OFDM Transmission. IEEE Photon. Technol. Lett. 2013;25(6):594–597. https://doi.org/10.1109/LPT.2013.2246563Cao S., Kam P.Y., Yu C. Pilot-Aided Log-Likelihood Ratio for LDPC Coded MPSK-OFDM Transmission. IEEE Photon. Technol. Lett. 2013;25(6):594–597. https://doi.org/10.1109/LPT.2013.2246563Cao S., Kam P.Y., Yu C. Pilot-aided log-likelihood ratio for LDPC coded M-QAM CO-OFDM system. OFC 2014. 2014, W3. https://doi.org/10.1364/OFC.2014.W3J.1Cao S., Kam P.Y., Yu C. Pilot-aided log-likelihood ratio for LDPC coded M-QAM CO-OFDM system. OFC 2014. 2014, W3. https://doi.org/10.1364/OFC.2014.W3J.1Chen J., Dholakia A., Ftheriou E., et al. Reduced-complexity decoding of LDPC codes. IEEE Trans. Commun. 2005;53(8):1288–1299. https://doi.org/10.1109/TCOMM.2005.852852Chen J., Dholakia A., Ftheriou E., et al. Reduced-complexity decoding of LDPC codes. IEEE Trans. Commun. 2005;53(8):1288–1299. https://doi.org/10.1109/TCOMM.2005.852852Jiabin T., Yue X., Lilin D., Wei X., et al. Efficient LLR Approximation for Coded Constant Envelope OFDM. IEEE Trans. Vehicular Technol. 2023;72(5):6194–6208. https://doi.org/10.1109/TVT.2022.3231912Jiabin T., Yue X., Lilin D., Wei X., et al. Efficient LLR Approximation for Coded Constant Envelope OFDM. IEEE Trans. Vehicular Technol. 2023;72(5):6194–6208. https://doi.org/10.1109/TVT.2022.3231912Zhenyu Z., Caihong G., Hua L., et al. Soft-Input Soft-Output Detection via Expectation Propagation for Massive Spatial Modulation MIMO Systems. IEEE Commun. Lett. 2021;25(4):1173–1177. https://doi.org/10.1109/LCOMM.2020.3047081Zhenyu Z., Caihong G., Hua L., et al. Soft-Input Soft-Output Detection via Expectation Propagation for Massive Spatial Modulation MIMO Systems. IEEE Commun. Lett. 2021;25(4):1173–1177. https://doi.org/10.1109/LCOMM.2020.3047081Чу В.В. Помехоустойчивость OFDM системы передачи при использовании LDPC кода. В сб.: Фундаментальные, поисковые, прикладные исследования и инновационные проекты: сборник трудов Национальной научно-практической конференции. М: РТУ МИРЭА; 2022. С. 389–392.Chu V.V. Noise immunity of OFDM transmission system when using LDPC code. In: Fundamental, Exploratory, Applied Research and Innovation Projects: Proceedings of the National Scientific and Practical Conference. Moscow: RTU MIREA; 2022. Р. 389–392 (in Russ.).]

The authors declare that there are no conflicts of interest present.