Μελέτη ψηφιακού τηλεπικοινωνιακού συστήματος (πομποδέκτη) υψηλού ρυθμού και διευρυμένου φάσματος

Abstract

Direct Sequence Spread Spectrum, (DS/SS), has emerged as the most widely adopted third generation air interface. Code Division Multiple Access, (CDMA), is a DS/SS system where a number of users occupy the same bandwidth simultaneously, separated via the use of a set of orthogonal sequences. These sequences spread users signals over a bandwidth much larger than the transmitted data bandwidth. The dissertation analyzes the characteristics and performance of a high bit rate broadband digital communication system, (transceiver). It is organized as follows: Chapters 1 and 2 give an overview of wireless communications and spread spectrum modulation correspondingly. In chapter 3 the proposed decision feedback equalizer is presented. Its novelty is the usage of a series of parallel branches that introduce different sampling phase prior to the equalizer. Receiver performance is studied to show its advantages over other systems. In the next chapter the non-uniform tap spacing of a RAKE receiver is examined. An implementation with non-uniform taps distribution is proposed. Taps optimization is done according to the correlation properties of the signals at the outputs of the receiver branches. Analysis of the receiver shows its improved performance comparing to other implementations. In chapter 5 a mathematical model for the study of the effect of multiple access interference on the performance of the selective RAKE is developed. Conclusions about the system capacity and the simplification of the receiver structure are drawn. The last chapter contains a summary of the concluding remarks and provides a discussion for future research. Three appendices complete the thesis. Appendix A provides analytical expressions for the correlation coefficients at the braches outputs of a RAKE receiver for rectangular chip waveforms and propagation environment with uniform or exponential power delay profile. Appendix B gives an overview of multi-objective optimization techniques. An English to Greek glossary for the terms and acronyms used here is finally given.

Ο χώρος των τηλεπικοινωνιών αποτελεί τις τελευταίες δεκαετίες έναν από τους ταχύτερα εξελισσόμενους τομείς στο χώρο της έρευνας και της τεχνολογίας. Οι ασύρματες τηλεπικοινωνίες ειδικότερα, έχουν βρει πέρα από την επιστημονική, εντυπωσιακή εμπορική ανάπτυξη βελτιώνοντας το βιοτικό επίπεδο, εισάγοντας νέες συνήθειες αλλά και δημιουργώντας καινούργιες ανάγκες στη ζωή του ανθρώπου. Η διαμόρφωση διευρυμένου φάσματος και τα συστήματα πολλαπλής πρόσβασης με διαίρεση κώδικα διαδραματίζουν σημαντικότατο ρόλο στο σύγχρονο τοπίο των ασύρματων κυψελωτών επικοινωνιών γενικότερα και των συστημάτων 3ης γενιάς ειδικότερα. Σειρά χαρακτηριστικών γνωρισμάτων τους όπως η δυνατότητα απόρριψης των παρεμβολών, η ασφάλεια του σήματος, η αυξημένη χωρητικότητα, η χαμηλή φασματική πυκνότητα ισχύος και η μικρή απαιτούμενη ισχύ εκπομπής τα καθιστούν μία ιδιαίτερα ελκυστική λύση. Αντικείμενο της διατριβής είναι ο σχεδιασμός και μελέτη ευρυζωνικού ψηφιακού τηλεπικοινωνιακού συστήματος, (πομποδέκτη), υψηλού ρυθμού δεδομένων. Στα πλαίσια αυτής προτάθηκε σειρά λύσεων για το σχεδιασμό δεκτών και τη βελτιστοποίηση ασύρματων κυψελωτών συστημάτων που στηρίζουν τη λειτουργία τους στη πολλαπλή πρόσβαση με διαίρεση κώδικα. Στο πρώτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η ιστορική εξέλιξη των ασύρματων κυψελωτών συστημάτων ξεκινώντας από τα αναλογικά συστήματα 1ης γενιάς και καταλήγοντας στα σημερινά 3G συστήματα και στις μελλοντικές προτάσεις των ενοποιημένων ασύρματων επικοινωνιών 4ης γενιάς. Σύντομη αναφορά γίνεται και σε δύο άλλες μορφές ασύρματης μορφής επικοινωνιών, τις δορυφορικές και τις σταθερές επίγειες. Το δεύτερο κεφάλαιο έχει ως αντικείμενο την παρουσίαση ορισμένων γενικών αρχών των μεθόδων πολλαπλής πρόσβασης, των κυριότερων χαρακτηριστικών της διαμόρφωσης διευρυμένου φάσματος και των συστημάτων που στηρίζουν τη λειτουργίας τους σε αυτή. Σύντομη αναφορά και σε άλλες πλην των επίγειων ασύρματων τηλεπικοινωνιακών εφαρμογών της διαμόρφωσης φάσματος παρατίθεται στο τέλος του κεφαλαίου. Στο τρίτο κεφάλαιο, αρχικά περιγράφονται τα βασικά χαρακτηριστικά των καναλιών περιορισμένου εύρους ζώνης, της ισοστάθμισης και των ισοσταθμιστών αναδραστικής απόφασης. Στη συνέχεια παρουσιάζεται ο προτεινόμενος κλασματικά διαχωρισμένος ισοσταθμιστής αναδραστικής απόφασης πολλαπλών κλάδων, MB FS DFE. Η καινοτομία του συγκεκριμένου είναι η χρησιμοποίηση πριν από το εμπρόσθιο φίλτρου σειράς παράλληλων κλάδων κάθε ένας από τους οποίους εισάγει μια διαφορετική φάση δειγματοληψίας στην είσοδο του DFE. Από τις επιμέρους εξόδους των κλάδων επιλέγεται το αντίγραφο του σήματος που χαρακτηρίζεται από το μικρότερο στιγμιαίο MSE, το οποίο και επεξεργάζεται από τον ισοσταθμιστή. Η βελτιστοποίηση των ρευματοληπτών των φίλτρων γίνεται με τη βοήθεια MMSE κριτηρίου. Η συμπεριφορά και ανωτερότητα του δέκτη σε σχέση με άλλες δομές της βιβλιογραφίας αναδεικνύεται με σειρά χαρακτηριστικών παραδειγμάτων. Στις προσομοιώσεις λαμβάνονται υπόψη τόσο τα χαρακτηριστικά του δέκτη όσο και σειρά παραμέτρων του πομπού και του καναλιού διάδοσης. Αντικείμενο του τέταρτου κεφαλαίου είναι η μελέτη της βελτίωσης της απόδοσης δέκτη RAKE με ανομοιόμορφη διευθέτηση των ρευματοληπτών του. Αρχικά παρουσιάζονται τα βασικά χαρακτηριστικά των καναλιών διαλείψεων πολλαπλών οδεύσεων, των τεχνικών διαφορικής λήψης και των κριτηρίων επιλογής απόφασης των δεκτών RAKE, ενώ στη συνέχεια περιγράφεται η δομή και λειτουργία του προτεινόμενου δέκτη RAKE μέγιστης πιθανοφάνειας, MPMC RAKE. Η καινοτομία του συγκεκριμένου δέκτη έγκειται στην ανομοιόμορφη διευθέτηση των ρευματοληπτών του. Η τελευταία στηρίζεται στη μεγιστοποίηση του τετραγώνου του αθροίσματος της μέσης λαμβανομένης ισχύος σε κάθε έναν κλάδο και την ταυτόχρονη ελαχιστοποίηση του αθροίσματος των τετραγώνων της συσχέτισης μεταξύ των σημάτων διαφορετικών κλάδων. Το συγκεκριμένο κριτήριο ονομάστηκε κριτήριο μέγιστης ισχύος ελάχιστης συσχέτισης, (MPMC). Η ανωτερότητα της προτεινόμενης υλοποίησης σε σχέση με άλλες δομές της βιβλιογραφίας αναδεικνύεται μέσα από σειρά χαρακτηριστικών συγκριτικών παραδειγμάτων. Η συμπεριφορά του δέκτη σε διάφορες μορφές περιβάλλοντος διάδοσης και η ανοχή του σε διαφόρων μορφών σφάλματα αποτελούν αντικείμενο ιδιαίτερης μελέτης και συμβάλλουν στην καλύτερη κατανόηση της λειτουργίας του καθώς και στην ανάδειξη της υπεροχής του. ....................................................................................................................