多頻帶正交頻分復用系統的雙載波32-QAM調制技術*

楊潤豐，李銘釗

(1.東莞職業技術學院電子工程系，廣東 東莞523808；2.中國電子信息產業集團有限公司，北京100846)

超寬帶無線電平臺已被計劃用于對占用較大帶寬的無線通信系統進行標準化，特別是在無線個人局域網中使用的無線通信設備，以取代億萬條數據線的使用。在2002年，美國聯邦通訊委員會(FCC)批準了免授權使用的3.1 GHz～10.6 GHz(共 7 500 MHz)頻帶向 UWB 設備開放并限定了超寬帶的有效等向輻射功率為-41.3 dBm/MHz。在2005年，WiMedia聯盟與ECMA國際組織合作并宣布建立以WiMedia聯盟的多頻帶正交頻分復用(MB-OFDM)技術方案的超寬帶無線電平臺作為全球的超寬帶標準。ECMA-368[1]被選擇為高數據速率的無線電平臺標準，用于實現高速無線通用串行總線、快速藍牙以及無線高清多媒體接口。

以ECMA-368標準的多頻帶正交頻分復用系統采用正交相移鍵控（QPSK）和雙載波調制（DCM）作為調制方案。ECMA-368可提供高達480 Mb/s的瞬時比特率的高速率傳輸模式。然而在實際環境中最大數據傳輸速率480 Mb/s無法實現，這是因為無線電頻道條件不穩定，導致數據包被丟棄，需要重新發送被丟棄的數據包，造成吞吐量較低。為了提高比特率，并在實際的系統中適量丟包情況下保證有效的480 Mb/s性能，16-QAM可以用作一種替代DCM的調制方案來增加系統的吞吐量。然而，使用16-QAM只能以速率640 Mb/s完成近1 m的傳輸。本文提出一種低成本、高性能的調制方案,稱為雙載波32-QAM，并根據ECMA-368中的要求進行測試，使超寬帶系統的吞吐量得以提高。

1 ECMA-368標準的MB-OFDM

ECMA-368標準指定了超寬帶系統占用14個子頻段。每個子頻段為528 MHz的OFDM符號。每個OFDM符號由計算128點快速傅里葉逆變換（IFFT）輸出組成，也就是128個子載波，其中包括100個數據子載波、12個導頻子載波、6個零值和10個保護子載波。10個保護子載波用于減少符號間干擾(ISI)，位于OFDM符號的兩邊緣與最外面的5個數據子載波有相同的值。利用保護子載波可以作為另一形式的時間和頻率分集來提高接收機性能[2]。

物理層匯聚協議（PLCP）用于完成物理層對媒體訪問控制層的接口服務，并為物理層服務數據單元 （PSDU）轉換物理層匯聚協議數據單元（PPDU）提供了合適方法。故使PPDU由PLCP前導符PLCP包頭和PSDU三部分組成并按照傳輸順序排列。為了傳輸一個包含信息的PSDU，ECMA-368應用了不同層次的編碼和不同類型的復用構造成8個傳輸模式，以53.3 Mb/s、80 Mb/s、106.7 Mb/s、160 Mb/s、200 Mb/s、320 Mb/s、400 Mb/s 和480 Mb/s不同的速率向媒體訪問控制層傳送。比特流經過比特交織后，把這些已編碼和交織的二進制數據序列映射到一個QPSK或者DCM調制的星座圖上。由此產生的復數裝載到由IFFT生成的和OFDM符號的數據子載波上。圖1和圖2分別描繪了側流擾碼后的PSDU的編碼和解碼過程。系統的接收機中應用了低成本、簡單而高效的信道估計和均衡器解決方案[3]。

圖1 側流擾碼的PSDU在發射機中的編碼過程

圖2 側流擾碼的PSDU在接收機中的解碼過程

2 雙載波32-QAM

2.1 雙載波32-QAM調制

當數據速率為 320 Mb/s、400 Mb/s和 480 Mb/s時，使用四維星座圖的DCM可實現的系統性能約3.8 m 480 Mb/s[4]。矩形格雷編碼的16-QAM可以用作調制方案來增加系統的吞吐量(從640 Mb/s～960 Mb/s)。然而，在多徑傳輸的干擾下完全不能實現960 Mb/s速率的傳輸，或以640 Mb/s速率卻僅能完成近1 m的傳輸。

既然16-QAM調制不適合多頻帶正交頻分復用系統的高速率傳輸，那么更高階調制方式，如32-QAM、64-QAM等就更不用考慮了。雙載波32-QAM調制適用于現有ECMA-368標準的結構，使更多的信息比特映射到一個OFDM符號中，同時也能提供足夠的歐幾里德符號距離來維持在較高的傳輸速率，使數據在多徑環境中成功傳輸。經過位交織處理后，1 500個已編碼和交織位需要被劃分成250位為一組，然后再組合成50組，每組5位重新排序。每一組的5位表示為：

其 中 ，k∈[0，… ，49]，(bg(k)+50，bg(k)+51，bg(k)+100，bg(k)+101)交 錯映射到兩個QPSK符號——(xg(k)+jxg(k)+50)和(xg(k)+1+jxg(k)+51)，如式(2)所示。

這兩對比特位不是連續順序的比特流。bg(k)+50和bg(k)+100映射到一個QPSK符號，而bg(k)+51和bg(k)+101映射到另一個QPSK符號，以進一步實現位交織來應對突發誤碼。根據bg(k)的值把這兩個QPSK符號調制到兩個雙載波 32-QAM 符 號(yT(k)，yT(k+50))中 ，如 式(3)所 示 ，其 中

其中：

每個雙載波32-QAM符號在星座圖中有相等區域給對應的信息位。雙載波32-QAM調制在兩個OFDM數據子載波中有兩個不同的星象映射圖，如圖3所示。此外，星座點定位在圓形的位點上，可提供恒定功率到每個雙載波32-QAM符號，這意味著對自動增益控制和模擬數字轉換器較低幅度沖擊的影響。

兩個雙載波 32-QAM符號(yT(k)，yT(k+50))被分配到相隔50個子載波的兩個獨立OFDM數據子載波上來實現頻率分集，如圖4所示。128點的IFFT模塊需要100個雙載波32-QAM符號組成一個OFDM符號。DCM調制技術利用頻率分集能有良好的性能提升[5]。雙載波32-QAM也將使用大帶寬隔離以實現頻率分集。每個OFDM子載波占用的帶寬約為 4 MHz，與兩個復數(IT(k)，QT(k))和(IT(k+50)，QT(k+50))相關的兩個 OFDM數據子載波之間的帶寬至少有200 MHz，因此所產生的頻率分集能更有效地對抗信道深衰落,將有利于恢復交錯映射到兩個雙載波32-QAM符號中的5個信息位。

2.2 雙載波32-QAM解調

通過均衡得到的兩個復數值對應于發射時不同的數據子載波，由雙載波32-QAM利用軟比特方法進行解映射得到5位軟比特，然后按順序輸出250位的軟比特組。映射和位交織還原得到的軟比特通過維特比譯碼器來恢復原始的信息位。 bg(k)+50、bg(k)+51、bg(k)+100、bg(k)+101中每一位的軟比特值完全對應于I/Q的幅度。除此之外，每個軟比特根據它們相對應的(IR(k)，QR(k))和(IR(k+50)，QR(k+50))符號進行映射還原。不使用常化因子不影響映射還原的效果。對yR(k)進行映射還原的方法是：如果接收的符號是其靠近于 I軸的星象圖定點，映射還原值可認作為‘1’；如果接收的符號是其靠近于Q軸的星象圖定點，映射還原值可認作為‘0’。然而，對yR(k+50)進行映射還原的方法是，如果接收的符號是其靠近于I軸的星象圖定點，映射還原值可認作為‘0’；如果接收的符號是其靠近于Q軸的星象圖定點，映射還原值可認作為‘1’。bg(k)所占區域在兩個星象圖的映射是不同的，對yR(k)和 yR(k+50)所對應I和Q的值不能直接合并。因此，先對所在映射區域每一個接收的符號的歐幾里得進行度量，然后把兩個歐幾里德的度量值相加作為bg(k)的軟比特值。

在OFDM調制中，OFDM子載波受到不同的影響，如回聲、強衰落等。特別是在處理頻域均衡時噪聲的影響會降低解映射的軟判斷。每個OFDM子載波有一個可靠動態值的估算，稱為信道狀態信息(CSI)，可提高信道解碼器的糾錯性能[4]。每個數據子載波存在不同的CSI，它們是基于相應頻率的信道功率的估算。每個數據的載波在不同頻帶傳輸時有著不同的CSI。映射到兩個符號的bg(k)被調制為兩個OFDM數據子載波，產生與兩個OFDM數據子載波相關的兩個CSI值。如果一個較小或較大的CSI值被選擇作為一個可靠的比例項，會導致不同OFDM數據子載波信號功率的不平等。采用CSI的平均值賦予bg(k)。雙載波32-QAM由CSI輔助解映射得到的5個軟比特的公式如下所示：

3 系統性能測量與比較

3.1 測試配置

該系統是在 Foerster的信道模型 1（CM1）[6]中具有現實性多徑信道環境的100個信道進行模擬仿真，并要與ECMA-368測試的要求一致。所有仿真結果平均取值于超過2 000個數據包的傳輸，其中在PSDU里的每個數據包要有1 024 B，并取90%信道作為有效結果（舍去最差的10%信道實現結果）。鏈接成功的概率被定義為系統在90%信道中可以成功地獲得和解調包，所得的誤包率小于8%（若有一個比特錯誤，一個數據包為接收錯誤）[7]。在定點運算的系統里嚴格地遵守系統時序要求，使用時間頻率碼(TFC=1)的跳頻特性，加入2.5 dB的實現損耗[7]。

3.2 16-QAM、雙載波32-QAM與DCM的系統性能比較

為了比較16-QAM、雙載波32-QAM和DCM調制技術的性能，需設置相同的系統編碼率。在改變調制和相應的位交織方式的情況下，采用16-QAM能提高系統吞吐量到640 Mb/s,采用雙載波32-QAM吞吐量為600 Mb/s，而采用DCM吞吐量為480 Mb/s。從圖5可以看出，雙載波32-QAM能成功傳輸并接近DCM的性能。若使用16-QAM在960 Mb/s速率傳輸就不實現鏈接。或者通過改變編碼模式來降低數據速率，使用16-QAM的系統傳輸距離僅為1.2 m。若使用雙載波32-QAM能實現系統傳輸距離為3.4 m，接近于DCM的3.8 m 480 Mb/s。在多徑環境下傳輸，盡管會有適量的數據包丟失也能使有效速率達到480 Mb/s。

ECMA-368給高速無線個人局域網提供了一個功能強大的無線傳輸解決方案和低成本的無線服務。要創建一個市場可以接受的ECMA-368解決方案，設備不僅要符合標準，還需要成本效益和低功耗、高性能的解決方案。本文提出了改善成本效益和高性能的調制方案，雙載波32-QAM可適用在ECMA-368的配置中。此調制方案在3.4 m的多徑環境中的成功鏈接，使系統的吞吐量提高到600 Mb/s，還保持輸出恒定的調制符號能量，這有利于自動增益控制和模擬數字轉換器的工作。

[1]ECMA International.ECMA-368：high rate ultra wideband PHY and MAC standard[S].2008.

[2]SHERRATT R S，YANG R.A dual QPSK soft-demapper for multiband OFDM exploiting time-domain spreading and guard interval diversity[J].IEEE Transactions on Consumer Electronics，2007，53(1)：46-49.

[3]楊潤豐，卞建勇，楊洋.適用于 MB-OFDM系統的高效均衡器[J].硅谷，2011(3)：163-165.

[4]Yang Runfeng，SHERRATT R S.Multiband OFDM modulation and demodulation for ultra wideband communications[C].in：Novel Applications of The UWB Technologies，Croatia，InTech，2011.

[5]YANG R，SHERRATT R S.Dual carrier modulation demapping methods and performances for Wireless USB[C].the 9th Annual Postgraduate Symposium(PGNET 2008)，Liverpool，UK，2008.

[6]FOERSTER J.Channel modeling sub-committee report final[C].IEEE P802.15 Working Group for Wireless Personal Area Networks(WPANs)，IEEE P802.15-02/490-SG3a.2003.

[7]Multiband OFDM Alliance Special Interest Group.Multiband OFDM physical layer proposal for IEEE 802.15.3a[S].IEEE P802.15-03/268r3，2004.