Швидке перетворення Фур'є в OFDM: алгоритмічні підходи та їхня роль в інформаційних технологіях

Юлій БОЙКО; Ілля ПЯТІН; Володимир ДРУЖИНІН; Олександр ЄРЬОМЕНКО

doi:10.17721/ISTS.2025.9.81-92

Автор(и)

Юлій БОЙКО Хмельницький національний університет Автор https://orcid.org/0000-0003-0603-7827
Ілля ПЯТІН Хмельницький політехнічний фаховий коледж Національного університету "Львівська політехніка" Автор https://orcid.org/0000-0003-1898-6755
Володимир ДРУЖИНІН Київський національний університет імені Тараса Шевченка Автор https://orcid.org/0009-0009-5049-0099
Олександр ЄРЬОМЕНКО Хмельницький національний університет Автор https://orcid.org/0000-0001-5110-3761

DOI:

https://doi.org/10.17721/ISTS.2025.9.81-92

Ключові слова:

ортогональне частотне мультиплексування (OFDM), швидке перетворення Фур'є (FFT), інформаційні системи, коефіцієнт бітових помилок, програмована вентильна матриця (FPGA)

Анотація

Вступ. Технологія мультиплексування з ортогональним частотним поділом каналів – OFDM (Orthogonal frequency-division multiplexing) є ключовою технологією сучасних інформаційних систем і використовується в мобільних мережах 4G, 5G, стандарті IEEE 802.11 (Wi-Fi) і цифровому телебаченні (DVB-T). Збільшення пропускної здатності каналів зв'язку вимагає оптимального вибору параметрів перетворень сигналів для ефективного використання апаратних ресурсів програмованої вентильної матриці FPGA (Field-programmable gate array) для реалізації OFDM.
Методи. Використано такі методи: математичне моделювання системи зв'язку з OFDM у середовищі Simulink, що дозволило дослідити функціональні перетворення сигналу, а також аналіз коефіцієнта бітових помилок для різних параметрів модуляції. Реалізацію алгоритмів FFT виконано з використанням HDL-кодування для порівняння ефективності алгоритмів швидкого перетворення Фур'є (FFT) Streaming Radix-2² і Burst Radix-2.
Результати. Результати моделювання показали, що використання передискретизації сигналу на передавачі покращує енергетику каналу, знижуючи необхідний рівень потужності на 12 дБ. Залежність коефіцієнта бітових помилок від відношення сигнал-шум демонструє, що збільшення довжини FFT з 512 до 2048 точок потребує підвищення відношення сигнал / шум SNR на 6 дБ. Аналіз впливу циклічного префікса (СP) показав, що оптимальна довжина CP становить 1/16 символу OFDM, що зменшує втрати швидкості передачі. Вплив модуляції на коефіцієнт бітових помилок (BER) свідчить про необхідність збільшення потужності під час переходу до вищих порядків квадратурної амплітудної модуляції (QAM).
Висновки. Зроблено висновок, що параметри FFT і передискретизації є критичними для ефективності системи OFDM. Отримані результати можуть бути використані для оптимізації реалізації OFDM на FPGA.

Завантажити

Дані для завантаження поки недоступні.

Посилання

Бойко, Ю., Єрьоменко, О., & Гур'єв, О. (2023). Можливості LDPC-кодів у підвищенні продуктивності оптичних телекомунікацій з OFDM. Measuring and computing devices in technological processes, 4, 13–26. https://doi.org/10.31891/2219-9365-2023-76-2

Бойко, Ю., Єрьоменко, О., & Пятін, І. (2024). Оцінка частотно-фазових спотворень в оптичних телекомунікаціях з OFDM. Інфокому- нікаційні технології та електронна інженерія, 4(2), 130–140. https://doi.org/10.23939/ictee2024.02.130

Бойко, Ю., Пятін, І., Єрьоменко, О., & Шаюк, Д. (2022). Оцінювання впливу зміщення несучих частот на завадостійкість телекомунікацій з OFDM. Measuring and computing devices in technological processes, 3, 19–26. https://doi.org/10.31891/2219-9365-2022-71-3-3

Бойко Ю. М., & Новіков Д. В. (2021). Оцінка ефективності канального кодування у телекомунікаціях з OFDM. Herald of Khmelnytskyi National University. Technical sciences, 5(301), 150–159. https://www.doi.org/10.31891/2307-5732-2021-301-5-150-159

Algnabi, Y. S., Teymourzadeh, R., Othman, M., & Islam, M. S. (2018). FPGA Implementation of pipeline Digit-Slicing Multiplier-Less Radix 2 power of 2 DIF SDF Butterfly for Fourier Transform Structure. Signal Processing. https://doi.org/10.48550/arXiv.1806.04570

Alqahtani, A. S., Pandiaraj, S., Alshmrany, S. Ali Jaber A., Sandeep P. & U. Arun K. (2024). Enhancing MIMO-OFDM channel estimation in 5G and beyond with conditional self-attention generative adversarial networks. Wireless Networks, 30, 1719–1736. https://doi.org/10.1007/s11276-023-03615-y

Ayhan, T., Dehaene, W., & Verhelst, M. (2014). A 128:2048/1536 Point FFT Hardware Implementation with Output Pruning. In European Signal Processing Conference (EUSIPCO) (pp. 1–5). Isola delle Femmine – Palermo. https://www.eurasip.org/Proceedings/Eusipco/Eusipco2014/HTML/papers/1569925329.pdf

Kakkad, Y., Patel, D. K., Kavaiya, S., Sun, S. & López-Benítez, M. (2023). Optimal 3GPP Fairness Parameters in 5G NR Unlicensed (NR-U) and WiFi Coexistence. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 72(4), 5373–5377. https://ieeexplore.ieee.org/document/9954188

Kleider, J. E., Maalouli, G., Gifford, S., & Chuprun, S. (2005). Preamble and embedded synchronization for RF carrier frequency-hopped OFDM. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 23(5), 920–931. https://ieeexplore.ieee.org/document/1425638

Kishore, K. K., Suman, J. V., Mallam, M., Hema, M., & Guntreddi, V. (2024). Scrambled UFMC and OFDM Techniques With APSK Modulation in 5G Networks Using Particle Swarm Optimization. IEEE Access, 12, 104091–104101. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2024.3421311

Kumar, V. M., Selvakumar, D. A., & Sobha, P. M. (2015). Area and frequency optimized 1024 point Radix-2 FFT processor on FPGA. In IEEE International Conference on VLSI-SATA (pp. 1–6). Bengaluru, India. https://ieeexplore.ieee.org/document/7050487

Lalitha, H. & Kumar, N. (2024). Carrier frequency synchronization for WLAN systems based on MIMO-OFDM-IM. EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking, 77, (2024). https://doi.org/10.1186/s13638-024-02406-z

Liu, J. & He, J. (2024). Design and analysis of CP-free OFDM PDMA transmission system. EURASIP Journal on Advances in Signal Processing, 68, (2024). https://doi.org/10.1186/s13634-024-01154-y

Meenalakshmi, M., Chaturvedi, S. & Dwivedi, V. K. (2024). Enhancing channel estimation accuracy in polar-coded MIMO–OFDM systems via CNN with 5G channel models. AEU - International Journal of Electronics and Communications, 173, 155016. https://doi.org/10.1016/j.aeue.2023.155016

Qiao, S., Wang, H., Zhao, C., & Zhang, T. (2021). BER enhanced receiver for PHO-OFDM-based optical wireless communications. Physical Communication, 47, 101350. https://doi.org/10.1016/j.phycom.2021.101350

Shamani, F., Shamani F., Airoldi R., Fakour V,Tapani A., & Nurmi J. (2016). FPGA Implementation Issues of a Flexible Synchronizer Suitable for NC-OFDM-Based Cognitive Radios. Journal of Systems Architecture, 76, 102–116. https://doi.org/10.1016/j.sysarc.2016.11.006

Shammaa, M., Mashaly, M., & El-mahdy, A. (2024). The Use of Deep Learning Techniques in OFDM Receivers for 5G NR: A Survey. Procedia Computer Science, 231, 32–39. https://doi.org/10.1016/j.procs.2023.12.154

Srinivasa, R. M., Madhumati, G. L., & Sailaja, M. (2024). An area efficient 64 point Radix-42 MDC FFT architecture for OFDM applications. Integration, 99, 102244. https://doi.org/10.1016/j.vlsi.2024.102244

Zegrar, S. E., & Arslan, H. (2022). Common CP-OFDM Transceiver Design for Low-Complexity Frequency Domain Equalization. IEEE Wireless Communications Letters, 11(7), 1349–1353. https://ieeexplore.ieee.org/document/9756521

Zhurakovskiy, B., Boiko, J., Druzhynin, V., & Pyatin, I. (2023). Performance Analysis of Concatenated Coding for OFDM Under Selective Fading Conditions. CEUR Workshop Proceedings, 3624, 403–413. https://ceur-ws.org/Vol-3624/Paper_33.pdf.