Abstract

This thesis deals with the fascinating subject of the design of digital communication systems — or more precisely one topic therein, i.e., modulation. Modulation and its counterpart demodulation are the means of making the information ride the beast of a wireless radio channel. The introduction of mMFSK and amMFSK generated ideas of applying the approach to other modulation methods. The straightforward extension was to apply the method to CSK modulation to introduce mMCSK modulation. The analysis shows that due to the orthogonality of the signaling waveforms of mMCSK (with Walsh codes) and mMFSK, the same performance is achieved for modulation methods with the same modulation alphabet. But with CSK it is rather easy to construct non-orthogonal signaling waveforms. Hence, the thesis also gives analytical results for non-orthogonal mMCSK and especially considers (as an example) the use of Gold and Kasami codes. The results indicate that the best choice of codes for a non-coherent mMCSK system is the orthogonal code family, which is a rather intuitive result. However, for a coherent mMCSK system, better performance could be achieved with non-orthogonal codes. Given that we can construct a code set where the cross-correlation between the codes in the family is negative (ρi,j<0), performance improvement compared to the orthogonal code family is achieved. The results show that, for instance, a 0.5 dB performance improvement in the AWGN channel can be achieved by using a specifically constructed set of Kasami codes as the basis functions in the modulation. The thesis also presents the performance analysis results of mMCSK in a flat Rayleigh fading channel. To further enlarge the modulation alphabet sizes (with the price of larger spectrum usage) it was realized that combining the mMFSK and mMCSK would be an interesting choice. The mMCSK-mMFSK modulation was hence introduced, which can be viewed as the main contribution of this thesis. A method to analyze this two-component modulation was developed and the performance analyses give results for mMCSK-mMFSK modulation in AWGN and flat Rayleigh fading channels for both coherent and non-coherent receivers. The performance was also assessed with orthogonal and non-orthogonal code constructs. Moreover, an antipodal extension of the mMCSK-mMFSK modulation was introduced with the analysis of the performance. A third contribution of the thesis was to introduce the mPPM modulation method following the mMFSK principles. The performance results obtained in the mMCSK can also be applied to these modulation formats in certain scenarios. PPM modulation has been widely suggested to be used in UWB systems. In UWB systems, the means to adapt the data rate is the use of pulse repetition. Hence, the performance analysis of the mPPM modulation methods with pulse repetition and a non-coherent receiver was computed. The performance of pulse repetition in impulsive interference was also computed.

Tiivistelmä

Tässä väitöskirjatyössä tarkastellaan tietoliikennejärjestelmän suunnitteluun liittyvää osa-aluetta modulaatiomenetelmä. Modulaatio ja sen vastinpari demodulaatio ovat mekanismit, joiden avulla siirrettävä tieto saatetaan muotoon, jolla se voidaan siirtää radiokanavassa. mMFSK ja amMFSK modulaatiomenetelmien kehittäminen loi pohjan, jota lähdettiin soveltamaan myös muihin modulaatiotekniikoihin. Suoritetut matemaattiset analyysit osoittavat, että samalle modulaatioaakkoston koolle mMCSK (käyttäen Walsh-koodeja) ja mMFSK saavuttavat saman suorituskyvyn olettaen modulaatioiden olevan ortogonaalisia. CSK-tekniikalla on kuitenkin helppo rakentaa koodeja, jotka ovat epäortogonaalisia. Väitöskirjassa analysoidaan myös muutamia tapauksia epaortogonaaliselle mMCSK:lle, jossa esimerkinomaisesti tarkastellaan Gold- ja Kasami-koodien käyttöä. Tulokset osoittavat, että epäkoherentille mMCSK:lle paras valinta koodiperheeksi on ortogonaalinen koodiperhe, joka tuloksena on myös intuitiivinen. Koherentille mMCSK:lle voidaan kuitenkin rakentaa epäortogonaalisia koodikonstruktioita, joissa koodien välinen ristikorrelaatio on negatiivinen ja tällöin saavutetaan suorituskyvyn parantumista ortogonaaliseen koodiperheeseen verattuna. Tulokset Gold- ja Kasami-koodeille AWGN-kanavassa osoittavat, että n. 0.5 dB suorituskyvyn paraneminen on saavutettavissa. Työssä johdetaan myös analyyttiset tulokset vastaaville tapauksille Rayleigh-häipyvässä kanavassa. Tutkittaessa mMCSK- ja mMFSK-modulaatioita, huomattiin, että yhdistämällä nämä kaksi voidaan saavuttaa erittäin suuria modulaatioaakkostoja. Hintana on suurempi spektrin käyttö. mMCSK-mMFSK-modulaation kehittämistä voidaan pitää tämän työn päätuloksena. Työssä kehitetään likimääräinen menetelmä tämän kaksi-komponenttisen modulaation suorituskyvyn analysoimiseksi. Tuloksina esitetään modulaatiomenetelmän suorituskyky sekä AWGN- että Rayleigh-häipyvässä kanavassa. Suorituskykytuloksia esitetään myös epäortogonaalisille koodikonstruktioille. Lisäksi kehitettiin antipodaalinen laajennus mMCSK-mMFSK-modulaatiosta ja suoritettiin suorituskykyanalyysi AWGN-kanavassa. Työn kolmantena tuloksena esitetään mPPM-modulaatiomenetelmä hyödyntäen mMCSK-modulaation periaatteita. mMCSK-suorituskykyanalyysia voidaan tietyin ehdoin soveltaa myös näihin modulaatiomenetelmiin, joiden käyttöä esitetään usein ultralaajakaistajärjestelmissä (UWB). UWB-järjestelmissä datanopeutta säädetään usein pulssin toistoa käyttämällä. Työssä johdetaan suorityskykytulokset epäkoherentille mPPM-vastaanottimelle myös pulssintoiston yhteydessä. Lisäksi johdettiin suorituskykylausekkeet ko. modulaatioille impulsiivisen häiriön läsnäollessa.