Spectral and Power Efficient Modulation Methods in Presence of Nonlinear Distortions

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.advisor Mämmelä, Aarne, Res. Prof., VTT Technical Research Centre, Finland
dc.contributor.author Kiviranta, Markku
dc.date.accessioned 2017-04-08T09:00:36Z
dc.date.available 2017-04-08T09:00:36Z
dc.date.issued 2017
dc.identifier.isbn 978-952-60-7355-2 (Aalto, electronic)
dc.identifier.isbn 978-952-60-7356-9 (Aalto, printed)
dc.identifier.isbn 978-951-38-8525-0 (VTT, electronic)
dc.identifier.isbn 978-951-38-8526-7 (VTT, printed)
dc.identifier.issn 1799-4942 (Aalto, electronic)
dc.identifier.issn 1799-4934 (Aalto, printed)
dc.identifier.issn 1799-4934 (Aalto, ISSN-L)
dc.identifier.issn 2242-1203 (VTT, electronic)
dc.identifier.issn 2242-119X (VTT, printed)
dc.identifier.issn 2242-119X (VTT, ISSN-L)
dc.identifier.uri https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/25044
dc.description.abstract This thesis presents a state-of-the-art review and brings new contributions to the waveform design for 5G systems in the presence of analog nonlinearities. A system model for the typical analog impairments at each stage of the transmitter and the receiver with a channel is first presented. The highlighted nonlinearities are power amplifier (PA), phase noise, and DC offset. In this thesis, the further development of the orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) is considered since the evolutionary approach from the 4G to the 5G is assumed to be more mature for technology demonstrations. In particular, the constant envelope OFDM (CE-OFDM) where phase modulation creates a constant envelope is studied, and the results indicate that CE-OFDM has an advantage compared to OFDM when the PA efficiency is taken into account in the simulations. Since the phase noise transforms just into an additive noise term after the phase detector, CE-OFDM is very resistant to phase noise unlike OFDM. CE-OFDM can be seen as an interesting candidate for the 5G scenarios when the power efficiency is a more important parameter than the spectral efficiency. This thesis presents also new findings and results for the constant envelope tamed frequency modulation (TFM) and trellis-coded modulation (TCM) that is a traditional combined coding and modulation technique for spectral and power limited systems. In phase or frequency modulation spectral spreading and detection performance are controlled using a modulation index. In a simple analog implementation of TFM, the modulation index deviates during the transmission and generates time varying phase jitter. In this work a modulation index estimator in conjunction with per-survivor processing (PSP) carrier phase estimation is presented for the TFM which has also very small spectral out-of-band radiation compared to other known CPM methods. A novel scheme based on multiple TCM, PSP and Reed–Solomon (RS) coding is proposed and shown to prevent the trellis-code to become a catastrophic code in the presence of phase noise. In general, the TCM and CPM modulations can complement the future adaptive OFDM based 5G systems. en
dc.description.abstract Väitöskirja sisältää kirjallisuuskatsauksen ja esittää uusia tuloksia tulevaisuuden 5G-järjestelmien aaltomuodon suunnitteluun analogiaosien aiheuttamien vääristymien läsnäollessa. Tyypillisille epälineaarisuuksille lähettimessä ja vastaanottimessa esitetään järjestelmämalli, joka sisältää myös kanavan. Erityistä huomiota kiinnitetään epälineaariseen tehovahvistimeen, vaihekohinaan ja DC offsetiin. Väitöskirjassa keskitytään 4G-järjestelmissä käytettävän OFDM (orthogonal frequency division multiplexing) monikantoaaltotekniikan jatkokehittämiseen, koska 4G-evoluution oletetaan olevan riittävän kypsä tulevaisuuden 5G-järjestelmien demonstroinneille. Erityistä huomiota kiinnitetään vaihemodulaation avulla saavutettavaan vakioverhokäyräiseen OFDM-modulaatioon. Suorituskykytulokset osoittavat, että vakioverhokäyräisellä OFDM-järjestelmällä on etu vastaavaan OFDM-järjestelmään nähden, kun lähettimen tehovahvistimen hyötysuhde otetaan huomioon simuloinneissa. Vakioverhokäyräinen OFDM sietää myös paremmin vaihekohinaa, koska vaihekohina muuttuu summa termiksi vaiheilmaisen lähdössä. Vakioverhokäyräinen OFDM on mielenkiintoinen vaihtoehto 5G-järjestelmille, kun energiatehokkuus on tärkeämpi kriteeri kuin spektrin tehokkuus. Väitöskirjassa esitetään myös uusia tuloksia vakioverhokäyräiselle TFM-modulaatiolle (tamed frequency modulation), jonka kaistan ulkopuolinen säteily on pieni verrattuna muihin tunnettuihin CPM-modulaatiomenetelmiin (continuous phase modulation). Vaihe- ja taajuusmodulaatiossa kaistanleveyttä ja ilmaisun suorituskykyä säädetään modulaatioindeksin avulla. TFM-modulaation yksinkertaisessa analogiatoteutuksessa modulaatioindeksi poikkeaa kuitenkin asetetusta nimellisarvosta lähetyksen aikana aiheuttaen vaihevärinää. Ilmaisun suorituskyvyn parantamiseksi tässä työssä esitetään uusi modulaatioindeksin estimaattori vastaanottimessa yhdistettynä selviytyjäkohtaista käsittelyä (per-survivor processing, PSP) hyödyntävään kantoaallon vaiheen estimointiin. Väitöskirjassa esitetään myös uusia tuloksia TCM-modulaatiolle (trellis-coded modulation), joka on yhdistetty koodaus- ja modulaatiomenetelmä teho- ja kaistarajoitetuille järjestelmille. Työssä osoitetaan, että hyödyntämällä niin sanottua moni-trelliskoodattua modulaatiota (multiple trellis-coded modulation), PSP-kantoaallon vaihesynkronointia ja Reed–Solomon (RS) koodausta voidaan TCM-modulaatio estää tulemasta katastrofaaliseksi koodiksi vaihekohinan yhteydessä. TCM- ja CPM-menetelmät voivat täydentää tulevaisuuden OFDM pohjaisia 5G-järjestelmiä. fi
dc.format.extent 122
dc.format.mimetype application/pdf en
dc.language.iso en en
dc.publisher Aalto University en
dc.publisher Aalto-yliopisto fi
dc.relation.ispartofseries Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS en
dc.relation.ispartofseries 56/2017
dc.relation.ispartofseries VTT Science
dc.relation.ispartofseries 149
dc.relation.haspart [Publication 1]: Kiviranta M., Mämmelä A., Zhang Y., Moilanen I., Boumard S., Sarkkinen T., & Jämsä T. 2005. A real-time simulation of impairments in the analog parts of the transmitter-receiver. In Proc. IEEE VTC, pp. 968-972. DOI: 10.1109/VETECS.2005.1543450
dc.relation.haspart [Publication 2]: Kiviranta M., Mämmelä A., Cabric D., Sobel D., & Brodersen R. W. 2005. Constant envelope multicarrier modulation: Performance evaluation in AWGN and fading channel. In Proc. IEEE MILCOM, pp. 807-813. DOI: 10.1109/MILCOM.2005.1605780
dc.relation.haspart [Publication 3]: Kiviranta M., Mämmelä A., Paaso H., Höyhtyä M., & Moilanen I. 2009. Digital signal design and nonlinear distortions in antenna array beamforming. In Proc. WCNC, pp. 1-6. DOI: 10.1109/WCNC.2009.4917670
dc.relation.haspart [Publication 4]: Kiviranta M. & Mämmelä A. 2014. Receiver structure and estimation of the modulation index for tamed frequency modulated (TFM) signals. Physical Communication, vol. 10, pp. 61-71. DOI: 10.1016/j.phycom.2013.11.012
dc.relation.haspart [Publication 5]: V Kiviranta M. & Mämmelä A. 2015. Multiple trellis-coded modulation, persurvivor processing and Reed-Solomon coding in the presence of phase noise. Physical Communication, vol. 17, pp. 86-93. DOI: 10.1016/j.phycom.2015.08.004
dc.relation.haspart [Publication 6]: Kiviranta M. Mämmelä A., & Apilo O. 2017. Power efficiency, phase noise, and DC offset in constant envelope OFDM transceivers. Transactions on Emerging Telecommunications Technologies, vol. 28, pp. 1-11. DOI: 10.1002/ett.3068
dc.subject.other Electrical engineering en
dc.title Spectral and Power Efficient Modulation Methods in Presence of Nonlinear Distortions en
dc.title Spektri- ja energiatehokkaat modulaatiomenetelmät epälineaaristen vääristymien läsnä ollessa fi
dc.type G5 Artikkeliväitöskirja fi
dc.contributor.school Sähkötekniikan korkeakoulu fi
dc.contributor.school School of Electrical Engineering en
dc.contributor.department Signaalinkäsittelyn ja akustiikan laitos fi
dc.contributor.department Department of Signal Processing and Acoustics en
dc.subject.keyword continuous phase modulation (CPM) en
dc.subject.keyword constant envelope orthogonal frequency division multiplexing (CE-OFDM) en
dc.subject.keyword nonlinearity en
dc.subject.keyword tamed frequency modulation (TFM) en
dc.subject.keyword trellis-coded modulation (TCM) en
dc.identifier.urn URN:ISBN:978-952-60-7355-2
dc.type.dcmitype text en
dc.type.ontasot Doctoral dissertation (article-based) en
dc.type.ontasot Väitöskirja (artikkeli) fi
dc.contributor.supervisor Wichman, Risto, Prof., Aalto University, Department of Signal Processing and Acoustics, Finland
dc.opn Renfors, Markku, Prof., Tampere University of Technology, Finland
dc.rev Bogucka, Hanna, Prof., Poznan University of Technology, Poland
dc.rev Vitetta, Giorgio M., Prof., University of Modena and Reggio Emilia, Italy
dc.date.defence 2017-06-01


Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search archive


Advanced Search

article-iconSubmit a publication

Browse

My Account