Advanced Modulation/Demodulation Schemes For Wireless Communications

Le modulazioni a fase continua CPM ("Continuous phase modulations") e le modulazioni multiportante, sono due schemi di modulazione che sembrano essere molto adatti a trasmissioni wireless. In particolare, le CPM formano un'ampia classe di modulazioni caratterizzata da fase continua ed inviluppo costante e quindi particolarmente efficienti sia energeticamente che spettralmente. Inoltre, la natura ricorsiva del modulatore le rende particolarmente adatte in schemi di concatenazione seriale, decodificati iterativamente. I due problemi maggiori nel progetto di sistemi pratici che impieghino segnale CPM sono l'elevata complessità nel ricevitore (in termini di filtri di "front end" e di numero di stati nel trellis) e l'elevata sensibilità alla non perfetta sincronizzazione di fase. Nella seguente tesi, si analizzano i segnali CPM prima di tutto dal punto di vista capacitivo. Applicando il metodo di Arnold e Loeliger, si valuta l'informazione media mutua delle CPM su canale additivo gaussiano bianco (AWGN) e su canali affetti da rumore di fase. In particolare, si considera un processo di rumore di fase di Wiener ed anche un processo di rumore di fase di maggior interesse pratico, ovvero il SATMODE, tipico di canali satellitari. Inoltre, siccome nonostante le buone proprietà spettrali delle CPM, le modulazioni lineari spesso offrono una maggiore efficienza spettrale (specialmente per valori di efficienza spettrale medio-alti), si propone un metodo di massimizzazione dell'efficienza spettrale, ottenuto ottimizzando le probabilità di ingresso degli ingressi. Si restringe la ricerca ad ingressi di Markov di un certo ordine e si ottiene di conseguenza la capacità di Markov. Secondariamente, allo scopo di superare uno dei principali svantaggi delle CPM, si affronta il problema della derivazione di algoritmi a complessità ridotta per segnali CPM. In particolare, si considerano CPM concatenate serialmente con un codice a correzione di errori (schemi SCCPM). Questi ricevitori sono particolarmente interessanti poiché possono assumere praticamente le stesse prestazioni del ricevitore ottimo ma con una complessità nettamente ridotta. La complessità del ricevitore complessivo dipende principalmente dal rivelatore CPM, e quindi ci si concentra sulla derivazione di schemi di rivelazione a bassa complessità a partire da una strategia di rivelazione a massima probabilità a posteriori (MAP) sui simboli, dato che tale tecnica permette di avere stime di affidabilità sulle decisioni del rivelatore, necessarie per schemi SCCPM. Si prendono in considerazione due approcci per la derivazione di algoritmi: il primo basato su rappresentazioni alternative del segnale CPM, e l'altro basato su tecniche di riduzione di complessità del trellis. Si considera anche combinazioni dei due approcci. In particolare, per ogni formato CPM considerato si riesce sempre a trovare almeno un rivelatore a complessità ridotta, con praticamente le stesse prestazioni di quello ottimo. Si affronta quindi l'altro grande limite delle CPM (ovvero la sensibilità al rumore di fase) considerando algoritmi di rivelazione ad ingressi ed uscite "soft" (ovvero con stime di affidabilità sulle decisioni) per segnali CPM, in presenza di rumore di fase: la stima di fase è implementata congiuntamente alla rivelazione. Anche in questo caso si seguono due approcci: uno non-bayesiano, per il quale il rumore di fase è assunto come una quantità deterministica non nota al ricevitore, e l'altro bayesiano, che consiste nell'assumere un modello stocastico con cui modellizzare il rumore di fase nella derivazione dell'algoritmo di rivelazione. In particolare vengono proposti due modelli di rumore di fase, quello di Wiener e un altro modello statistico, qui derivato per descrivere il rumore di fase SATMODE. Si confrontano tutti gli algoritmi così ottenuti in termini di bit error rate (BER) e si confrontano questi risultati con quelli di informazione mutua precedentemente ottenuti. L'altro scenario considerato è rappresentato da schemi multiportante, utilizzati per trasmissioni digitali su canali doppiamente selettivi. Si comincia considerando la tecnica "orthogonal frequency-division multiplexing" (OFDM), che è un efficiente schema modulativo che fa parte della più ampia classe di modulazioni multiportante. OFDM è molto efficiente su canali selettivi in frequenza, siccome riesce a decomporli in un set di sottocanali, ortogonali e quindi privi di interferenza. Tuttavia il principale svantaggio dell'OFDM è l'elevata sensibilità alle variazioni temporali della risposta all'impulso del canale: in presenza di canali tempo-varianti si perde infatti l'ortogonalità fra le sottoportanti e si verifica interferenza. Ci sono quindi due possibili soluzioni: la prima prevede il progetto di ricevitori complessi con memoria o di complesse tecniche di equalizzazione. L'altra prevede il tentativo di prevenire il più possibile l'insorgere di interferenza, piuttosto che cercare di affrontarla al rivelatore. Nel presente lavoro di tesi, ci si rivolge al secondo approccio, derivando algoritmi di modulazione multiportante alternativi all'OFDM, allo scopo di ridurre la sensibilità alla tempo varianza del canale quando si considerano canali doppiamente selettivi. In dettaglio, si è dimostrato come, partendo da un generale sistema basato su banchi di filtri di trasmissione, si possa derivare un modello di sistema a tempo discreto sovracampionato, con lo scopo di fornire una via di implementazione pratica a diversi schemi di modulazione multiportante. Si è dimostrato come vari formati di modulazione multiportante già presenti in letteratura siano ricavabili come casi particolari di questo modello generale e come essi possano essere implementati in una modalità a complessità ridotta, ricorrendo ad opportune trasformate come la DFT (Discrete Fourier Transform), la DCT (Discrete Cosine Transform) e la DST (Discrete Sine Transform). Si sono quindi generalizzati questi schemi al caso di impulso prototipo non rettangolare, ma opportunamente progettato per ottenere la maggior compattezza possibile nel piano tempo-frequenza. Infine, ispirati dalla base di Wilson, che risulta essere un modo ingegnoso per progettare un set di segnali ortogonali e ben localizzati, si è derivato un nuovo sistema multiportante che sembra essere molto promettente per trasmissioni su canali doppiamente selettivi.