Frequency domain equalization of modulation formats with low peak to average power ratio [Elektronische Ressource] = Frequenzbereichsentzerrung von Modulationsverfahren mit niedrigem Spitzen- zu Mittelwert-Verhältnis / vorgelegt von Tufik Buzid

Publié le : vendredi 1 janvier 2010
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Dissertation
Frequency Domain Equalization
of Modulation Formats
with Low Peak to Average Power
Ratio
Frequenzbereichsentzerrung
von Modulationsverfahren
mit niedrigem Spitzen- zu Mittelwert Verh¨altnis
Der Technischen Fakultaet Fakulta¨t der
Universit¨at Erlangen-Nu¨rnberg
zur Erlangung des Grades
DOKTOR-INGENIEUR
vorgelegt von
Tufik Buzid, MSc.
Erlangen, 20102
Als Dissertation genehmigt von
der Technischen Fakulta¨t der
Universit¨at Erlangen-Nu¨rnberg
Tag der Einreichung: 20.07.2009
Tag der Promotion: 16.12.2009
Dekan: Prof. Dr.-Ing. habil. Reinhard German
Berichterstatter: Prof. Dr. Mario Huemer
Prof. Dr. Leonard Reindl
Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. habil. Robert Weigel
SC/FDE - Buzid———————————————————-Zusammenfassung
Der Austausch von Informationen mit hohen Datenraten zwischen verschiedenen mo-
bilenoderstationa¨renEndger¨atenbeno¨tigtTechniken,welchedieBeschra¨nkungendurch
den Funkkanal u¨berwinden. Ein Funkkanal, ein Kanal mit Mehrwegeausbreitung, wird
durch die verschiedenen Signalwege bis hin zum Ziel beschrieben. Zusa¨tzlich zum di-
rekten Weg, falls dieser u¨berhaupt existiert, ko¨nnen verzerrte Kopien des Signals auch
durch Reflexion, Beugung und Streuung zum Empf¨anger gelangen. Eine der gro¨ßten
¨Herausforderungen der Datenu¨bertragung mit hoher Datenrate ist die Uberwindung der
durch die Mehrwegeausbreitung verursachten Zeitdispersion. Eine Herangehensweise an
das Problem der Zeitdispersion ist die Anwendung des Orthogonal Frequency Division
Multiplexing (OFDM). Der Hauptnachteil hierbei ist allerdings der große Dynamikbere-
ich des OFDM-Signals. Dieser ist definiert durch das Peak to Average Power Ratio
(PAPR). Dies ist ein wichtiges Thema falls der HF-Leistungsversta¨rker durch Nichtlin-
earita¨t beeintra¨chtigt wird, was bis zu einem gewissen Maß praktisch immer der Fall
ist. Zudem sind Versta¨rker fu¨r Signale mit hohem Spitzen-zu Mittelvert Verha¨ltnis
meist sehr ineffizient. Eine weitere Breitbandtechnik ist die Eintra¨geru¨bertragung mit
Frequenzbereichsentzerrung (engl. single carrier transmission with frequency domain
equalisation, SC/FDE). SC/FDE bringt nachweislich die gleiche Leistungsfa¨higkeit wie
OFDM und weist weniger PAPR auf als dieses. Besondere Beachtung fand SC/FDE in
Kombination mit Quadratur-Amplitudenmodulation (QAM), die noch immer ein sub-
optimales PAPR aufweist. Allerdings erlaubt SC/FDE im Gegensatz zu OFDM den
Einsatz von Modulationsarten mit konstanter Einhu¨llender. Durch Verwendung dieser
Modulationsart, welche zur Klasse der nichtlinearen Modulationsverfahren geh¨ort und
sich durch kontinuierliche Phaseneigenschaften auszeichnet, kann das PAPR des betra-
chteten Systems auf den Wert Eins reduziert werden. Durch den Einsatz der Laurent
Darstellung wird eine lineare Form des Signals mit kontinuierlicher Phasenmodulation
(CPM)erreicht,dieeserm¨oglichtdasCPM-Signallinearzudemodulieren. Folglichwird
die urspru¨nglich wegen seiner Trellis-Struktur große Komplexita¨t des Empf¨angers deut-
lichreduziert. Daru¨berhinausko¨nnenTechnikenwiez.B.MatchedFilteringundlineare
Entzerrung, die bereits fu¨r lineare Modulation entwickelt wurden, ohne Schwierigkeiten
fu¨rdienichtlineareModulationverwendetwerden. IndieserArbeitwirddielinearisierte
FormderCPMaufSC/FDE(CPM-SC/FDE)angewendet. EineandereFormderModu-
lationmitkonstanterAmplitude,diealsTamedFrequenzmodulation(TFM)bekanntist
undvoreinemJahrzehnteingefu¨hrtwurde,wirdebenfallsaufSC/FDEangewendet. Das
resultierendeSystemwirdmitOFDMunterdemAspektderNichtlinearita¨tderHF-Stufeiii
verglichen. Der Vergleich zeigt, dass die Leistungsfa¨higkeit der CPM-SC/FDE nicht
so stark beeintra¨chtigt wird wie die der OFDM, deren Leistungsfa¨higkeit dramatisch
nachla¨sst. Obwohl das erhaltene System im nichtlinearen Bereich des Versta¨rkers ar-
beitet, bleibt seine Fehler Performanz aufgrund der inha¨renten differentiellen Codierung
unbefriedigend. Um diese Fehler-Performanz zu verbessern, wird eine vereinfachte Vari-
ante des Laurent Mapping angewendet. Zur Verbesserung der CPM-SC/FDE Band-
breiteneffizienz wird die Multiple Input Multiple Output (MIMO)-Technik eingefu¨hrt.
Dabeiwirdvorallemra¨umlichesMultiplexingverwendet,daesdieTransmissionseffizienz
stark erho¨ht und somit die Systembandbreite linear mit der Anzahl der verwendeten
Antennen ansteigt. Daru¨ber hinaus wird SC/FDE mit linearen und nichtlinearen Mod-
ulationsarten erweitert fu¨r ”Point to Multipoint”-Anwendungen und mit Spreizcodes
(Code Division Multiple Access, CDMA) kombiniert. Schließlich wird SC/FDE-CDMA
mit einer Kombination von OFDM und CDMA (MC-CDMA) verglichen und skizziert,
dasseineAnwendungderFourierSpreizcodesaufeinvollausgelastetesSC/FDE-CDMA
zu einem OFDM-System fu¨hrt, w¨ahrend die Kombination von OFDM und CSMA ein
SC/FDE-Verfahren erzeugt.
SC/FDE - BuzidAbstract
High dataratesand theexchange oflarge amountsof information among various mobile
or roaming and stationary terminals require techniques that conquer the restrictions
imposed by the wireless channels. A wireless channel, known as multipath channel, is
modeled by a number of paths that a signal travels to reach its destination. In ad-
dition to a direct path, if it exists, distorted copies of the signal may arrive at the
receiver through different paths that are formed by reflections, diffractions and scat-
tering. One of the most challenging problems in high data rate wireless transmission
is to overcome the time dispersion caused by multipath propagation. An approach to
overcome the problems of time dispersion is the use of orthogonal frequency division
multiplexing (OFDM). A primary drawback is the large dynamic range of the OFDM
signal. The signal dynamic range is defined by the peak to average power ratio (PAPR).
This is an important topic when RF power amplifiers suffer from nonlinearity, which is
in practice always the case to some extent. Another broadband technique is the single
carrier transmission with frequency domain equalization (SC/FDE). SC/FDE has been
shown to exhibit similar performance as OFDM and shows less PAPR than OFDM.
Mainly SC/FDE has been investigated in combination with quadrature amplitude mod-
ulation(QAM)formatswhichstillshownon-optimumPAPR.But,incontrasttoOFDM,
SC/FDEalsoallowstheuseofconstantamplitudetypeofmodulations. Byusingacon-
stant amplitude type of modulation, which is nonlinear and marked by the continuous
phase property, the PAPR of the concerned system can be reduced to one. By the
deployment of the Laurent representation a linear form of the CPM signals is estab-
lished, which enables the CPM signals to be linearly demodulated. Consequently, the
receiver complexity which is originally high due to the trellis nature of the structure of
the CPM receivers, is significantly reduced. Further, the techniques already developed
for linear modulation, e.g. matched filtering and linear equalization can be straightfor-
wardly adapted to non-linear modulation. In this work, the linearized form of the CPM
is adapted to SC/FDE (CPM-SC/FDE). Another form of modulation with a constant
amplitude, that is known as tamed frequency modulation (TFM), introduced a decade
ago, is also adapted to SC/FDE. The resulting (emerged) system is compared to OFDM
under the constraints of the non-linearity of the RF stage. The comparison shows that
the performance of CPM-SC/FDE is not affected as OFDM whose performance deteri-
orates dramatically. Although the emerged system is effective in the non-linear region
of the amplifier, its error performance remains unsatisfactory because of the inherent
differential encoding. To improve the error performance, a simplified approach of Lau-v
rent mapping is applied. In order to improve the CPM-SC/FDE bandwidth efficiency,
a multiple input multiple output (MIMO) technique is introduced. Spatial multiplexing
is particularly applied as it improves the transmission efficiency tremendously. There-
fore, the system bandwidth efficiency increases linearly with the number of the deployed
antennas. Further, SC/FDE with linear and non-linear modulation formats is extended
to ”point to multipoint” applications. It is combined with code division multiple ac-
cess (CDMA). Finally, SC/FDE-CDMA is compared to the combination of OFDM and
CDMA (MC-CDMA), and it is outlined, that applying Fourier spreading codes to full
loadSC/FDE-CDMAyieldstoanOFDMsystem,whereas,incontrary,thecombination
of OFDM and CDMA produces an SC/FDE scheme.
SC/FDE - BuzidList of Abbreviations
ACI Adjacent channel interference
ACTS Advanced communications technologies and services
ADSL Asymmetric digital subscriber line
AGC Automatic gain control
AMPS Advanced mobile phone service
ASK Amplitude shift keying
AWGN Additive white Gaussian noise
B3G Beyond 3G
BER Bit error rate
BPSK Binary phase shift keying
BT Bandwidth time product
CDMA Code division multiple access
CDPD Cellular digital packet data
COHASK Coherent amplitude shift keying
COHFSK Coherent frequency shift keying
COHPSK Coherent phase shift keying
CPM Continuous phase modulation
DCS1800 Digital cellular system 1800
DECT Digital European cordless telephone
DEPSK Differential encoded PSK
DFT Discrete Fourier transform
DMSK Duobinary MSK
DPSK Differential phase shift keying
DVB-C Digital video broadcasting-Cable
DVB-S Digital video broadcasting-Satellitevii
DVB-T Digital video broadcasting-Terrestrial
EDGE Enhanced data rates for GSM evolution
ETSI European telecommunications standard institute
FDM Frequency division multiplexing
FDMA Frequency division multiple access
FDOSS Frequency domain orthogonal signature sequences
FFT Fast Fourier transform
FPLMTS Future public land mobile telephone system
FSK Frequency shift keying
GMSK Gaussian minimum shift keying
GPRS General packet radio service
GPS Global positioning system
GSM Group special mobile
GSMSK Generalized SMSK
GTFM Generalized tamed frequency modulation
HPA High power amplifier
IDFT Inverse discrete Fourier transform
IFFT Inverse fast Fourier transform
IJF-QPSK Intersymbol-interference and jitter-free QPSK
ISI Intersymbol interference
ITU International telecommunication union
JTACS Japanese total access communication system
LMDS Local multipoint distribution service
MMDS Multichannel multipoint distribution service
MMSE Minimum mean square error
MSK Minimum shift keying
NMT-450 Nordic mobile telephones
NONCASK Non-coherent amplitude shift keying
NONCFSK Non-coherent frequency shift keying
OFDM Orthogonal frequency division multiplexing
OFDMA Orthogonal frequency division multiple access
OOK On-off keying
OQASK Offset quadrature amplitude shift keying
SC/FDE - Buzidviii
OQPSK Offset quadrature phase shift keying
PA Power amplifier
PAM Pulse amplitude modulation
PAPR Peak to average power ratio
PDC Personal digital cellular
PDM Pulse duration modulation
PHS Personal handyphone system
PPM Pulse position modulation
PSK Phase shift keying
PSTN Public switching telephone networks
QAM Quadrature amplitude modulation
QPSK Quadrature phase shift keying
SAW Surface acoustic wave device
SC/FDE Single carrier with frequency domain equalization
SFSK Sinusoidal frequency shift keying
SMSK Simplified MSK
SOQPSK Shaped offset quadrature phase shift keying
SOQPSK Staggered offset quadrature phase shift keying
TACS Total access communication systems
TDMA Time division multiple access
TETRA Terrestrial radio access
TFM Tamed frequency modulation
UMTS Universal mobile telecommunication system
UW Unique word
V-BLAST Vertical-Bell laboratories layered space- time
VCO Voltage controlled oscillator
WLAN Wireless local area network
XPSK Cross-Correlated PSK
ZF Zero forcing
SC/FDE - Buzid

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