Ανάπτυξη, μοντελοποίηση και προσομοίωση προηγμένων τεχνικών εκτίμησης και βελτίωσης της επίδοσης δορυφορικών τηλεπικοινωνιακών συστημάτων σε μη γραμμικούς διαύλους

Abstract

In satellites, non-linear amplifiers used near saturation cause severe distortions of the transmitted signal. This thesis proposes novel signal processing techniques that counteract these distortions to improve performance. Firstly, the fact that the non-linearities introduced by memoryless bandpass amplifiers preserve the symmetries of the M-ary Quadrature Amplitude Modulation constellation is exploited, to present a Cluster-Based Sequence Equalizer. The proposed equalizer exhibits enhanced performance compared to other techniques, including Volterra equalizers and RBF network equalizers. Moreover, this gain in performance is obtained at a substantially lower computational cost. Secondly, a new constellation shaping technique, which efficiently and effectively reduces the Peak-to-Average Power Ratio (PAPR) of Orthogonal-Frequency-Division-Multiplexing systems, is proposed. The proposed technique requires minimal implementation complexity, while it offers considerable performance gains. Closed form analytical expressions for the distribution of the PAPR and the Bit Error Rate (BER) are derived and their accuracy is verified via simulations. Finally, a detailed comparative study of two single-carrier frequency-division multiple access schemes is presented, namely localized FDMA scheme (LFDMA) and interleaved FDMA scheme (IFDMA), versus orthogonal FDMA scheme (OFDMA), for a satellite up-link based on the digital video broadcasting via satellite (DVB-S) standard. Considering two state-of-the-art high power amplifiers, operating in the K- and S-bands, the performance of synchronous and asynchronous LFDMA, IFDMA and OFDMA is evaluated in a multi-user environment including inter-block interference.

Το κύριο αντικείμενο της έρευνας, στα πλαίσια αυτής της διδακτορικής διατριβής, ήταν η ανάπτυξη τεχνικών εκτίμησης και βελτίωσης της επίδοσης τηλεπικοινωνιακών συστημάτων, παρουσία μη γραμμικών φαινομένων. Το πεδίο εφαρμογής των τεχνικών αυτών είναι οι μη γραμμικοί δίαυλοι (κανάλια), που εμφανίζονται στις δορυφορικές επικοινωνίες. Τα προβλήματα που μελετήθηκαν σχετίζονται με τη μετάδοση σήματος από έναν ή και περισσότερους χρήστες. Μας απασχόλησαν προβλήματα, όπως η δημιουργία ισοσταθμιστών βασισμένων σε τεχνικές ομαδοποίησης, η μοντελοποίηση του τύπου της μη γραμμικότητας (με μνήμη ή χωρίς) και η αναζήτηση συμμετριών μετά τη διέλευση του σήματος από τη μη γραμμικότητα, η εκμετάλλευση των οποίων θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τη μείωση της πολυπλοκότητας του αλγορίθμου. Ασχοληθήκαμε με τη μείωση του λόγου της μέγιστης προς τη μέση ισχύ του σήματος που παρουσιάζεται μετά από διαμόρφωση ορθογώνιας πολυπλεξίας διαίρεσης συχνότητας καθώς και το ζήτημα της επιλογής του κατάλληλου πρωτοκόλλου πολλαπλής πρόσβασης για ένα σενάριο βασισμένο στη ψηφιακή μετάδοση σήματος video για δορυφόρους. Σε όλες τις περιπτώσεις, η σύγκριση έγινε με τη βοήθεια της προσομοίωσης των προτεινόμενων τεχνικών με τις επικρατέστερες στην ανοιχτή βιβλιογραφία και στα βιομηχανικά πρότυπα. Τα αποτελέσματα έδειξαν την επικράτηση των τεχνικών που προτείναμε. Μάλιστα, στα πλαίσια μιας ανεξάρτητης έρευνας που έγινε υπό την αιγίδα της Ευρωπαϊκής Διαστημικής Επιτροπής, η τεχνική μείωσης του λόγου της ισχύος, εμφανίζεται ως η πλέον ενδεδειγμένη προς υιοθέτηση για μελλοντικά δορυφορικά συστήματα