Помехоустойчивость приема сигнала OFDM с использованием квадратурной амплитудной модуляции с мягкими решениями при наличии узкополосных помех

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

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. 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.

1. Cimini 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.1985.1096357

2. Mosse P.H. A technique for orthogonal frequency division multiplexing frequency offset correction. IEEE Trans. Commun. 1994;42(10):2908–2914. https://doi.org/10.1109/26.328961

3. Van Nee R., Prasad R. OFDM for Wireless Multimedia Communications. Boston: Artech House; 2000. 260 р.

4. 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_22

5. Van 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.2007.4401578

6. Fuqin Xiong. M-ary amplitude shift keying OFDM system. IEEE Trans. Commun. 2003;51(10):1638–1642. https://doi.org/10.1109/TCOMM.2003.818103

7. Batra 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.2008.4753296

8. Coleri 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.2002.804034

9. Lu 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.2003.820991

10. Lu 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.2000.891288

11. Wang Q., Onotera L.Y. Coded QAM using a binary convolutional code. IEEE Trans. Commun. 1995;43(6):2001–2004. https://doi.org/10.1109/26.387437

12. Mosleh 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.2013.82189

13. Hagenauer 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.1989.64230

14. Cao 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.2013.2246563

15. Cao 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.1

16. Chen 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.2005.852852

17. Jiabin 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.2022.3231912

18. Zhenyu 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.2020.3047081

19. Чу 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.