基于軟件無線電的恒包絡OFDM的設計與實現(xiàn)

肖 丹，周勝源，陳穎光，陳 英

(桂林電子科技大學 信息與通信學院，廣西 桂林541004)

責任編輯:薛 京

OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)具有頻譜利用率高、抗多徑干擾能力強、成本低等特點[1]，適合無線通信高速化、帶寬化和移動化的要求，因此成為第四代移動通信的核心調(diào)制技術(shù)[2]。然而OFDM存在較高的峰值平均功率比，使得OFDM對發(fā)射機引起的非線性扭曲非常敏感，從而需要很大的輸入功率補償，在很大程度上限制了OFDM的應用[2]。針對這種情況，本文重點研究把OFDM信號調(diào)制到載波的頻率信息中，使OFDM已調(diào)信號變成恒包絡OFDM信號(Constant Envelope OFDM，CE-OFDM)，這樣可以將峰值平均功率比降到0 dB，從而提高功率放大器效率，大大節(jié)省功耗。而SDR把硬件作為無線通信的基本平臺，具有通用性、靈活性和開放性三大特點，基于軟件無線電技術(shù)的硬件開發(fā)大大節(jié)省了硬件投資并縮短了開發(fā)周期，使得這一技術(shù)成為了當前通信的重大趨勢[3]。所以在本文中，將軟件無線電技術(shù)和恒包絡OFDM系統(tǒng)的建模仿真結(jié)合起來。

本文首先闡述基于FM調(diào)制的CE-OFDM的相關(guān)理論，并進行相關(guān)的性能分析，然后結(jié)合軟件無線電的思想，利用System Generator開發(fā)工具[4]，對CE-OFDM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)進行詳細的建模和仿真。并將最終的系統(tǒng)生成位比特文件下載到小型軟件無線電開發(fā)平臺SFF SDR(Software Define Radio)中進行硬件協(xié)調(diào)仿真，驗證模塊的正確性。

1 OFDM的PAPR分析

與單載波系統(tǒng)相比，由于OFDM是多個子載波調(diào)制信號的疊加和，所以當相位一致時，多個獨立的經(jīng)過調(diào)制的子載波信號疊加之和很大，從而產(chǎn)生很大的幅值功率，由此會帶來較大的峰值平均功率比，簡稱峰均比(Peak to Average Power Ratio，PAPR)[5]。

式中:sn表示經(jīng)過OFDM調(diào)制(也就是經(jīng)過IFFT變換)以后的信號。假設數(shù)據(jù)符號的最大幅度為Amax，每個符號的平均能量為，則OFDM的PAPR為

由上述分析表明:隨著N的增大，PAPR也會增大。

2 恒包絡OFDM原理

2.1 恒包絡OFDM的基本特征

由于恒包絡OFDM是把OFDM信號調(diào)制到幅度恒定的載波信號中，所以可以把恒包絡OFDM信號看成是OFDM信號通過角度調(diào)制映射到單位圓上[6]，如圖1所示。

圖1 恒包絡OFDM的波形映射

由圖1可以看出，OFDM的瞬時功率變化很大，而CE-OFDM的瞬時功率是恒定不變的，也就是說它的功率峰值和平均功率都為一個常數(shù)[6]。恒包絡OFDM與OFDM的瞬時功率對比如圖2所示。

圖2 恒包絡OFDM與OFDM的瞬時功率比

假設數(shù)據(jù)符號的最大幅度為Amax，每個符號的平均能量為σ2x，N表示符號長度，Ng是循環(huán)前綴長度，在此設計中，選擇的IFFT點數(shù)為64點，循環(huán)前綴為它的1/4，則OFDM和CE-OFDM的PAPR值如表1所示[5]。

表1 OFDM和CE-OFDM的PAPR比較

從表1可知，隨著M的增加，PAPR也增大，這就限制了OFDM頻譜利用率的增加。而不管采用哪種調(diào)制方式，CE-OFDM的PAPR恒為0 dB。這就表明，這種調(diào)制方式可以徹底解決OFDM的高PAPR的問題，從而避免OFDM的輸入功率補償問題，提高功放效率。

2.2 恒包絡OFDM的基本特征

與一般FM的區(qū)別是，在軟件無線電中，所有的信號處理都是數(shù)字的，所以必須先把調(diào)制信號進行數(shù)字化處理，即進行采樣后再進行正交FM調(diào)制。FM信號的一般表達式[7]為

式中:kf為調(diào)頻靈敏度(rad/(s·V));A，wc分別代表載波的振幅和角頻率;x(τ)為調(diào)制信號。結(jié)合軟件無線電的思想，把式(3)中的積分運算轉(zhuǎn)換成相應的數(shù)值積分。具體方法為:將積分區(qū)間[a，b]進行n等分，xk=kh，h=，可得

將源信號x(τ)進行數(shù)值積分帶入式(3)中，并且展開可得

綜上所述,主動教學法用于臨床護理教學的有效性顯著,可以顯著提升實習生護理操作能力,對于實習生的多元化能力有著較為突出的培養(yǎng)作用,值得推廣和應用。

式中:x(n)是m(n)的相關(guān)函數(shù)，x(n)=f(m(n))[8]，m(n)為OFDM已調(diào)信號，且有

3 基于軟件無線電的恒包絡OFDM的方案分析

CE-OFDM是恒包絡調(diào)制技術(shù)和正交頻分復用技術(shù)的結(jié)合，它是一種基于信號變換的技術(shù)。簡要地說，即在發(fā)射機端，把OFDM信號調(diào)制在FM信道中，使得OFDM信號變成恒包絡信號(CE-OFDM)，在接收端，先對信號進行相反的處理，恢復出原信號。CE-OFDM系統(tǒng)框圖如圖3[8]所示。

圖3 CE-OFDM系統(tǒng)框圖

要傳輸?shù)脑夹盘柺紫扔成錇镸，然后通過快速傅里葉逆變換(IFFT)完成OFDM調(diào)制(通過快速傅里葉變換(FFT)完成OFDM解調(diào))，使數(shù)據(jù)從頻域變到時域，得到OFDM已調(diào)信號m(n)，為了匹配FM發(fā)射機，再把m(n)進行相應的數(shù)據(jù)處理得到x(n)以后，用來調(diào)制中心頻率為fc的載波的頻率，得到FM已調(diào)信號Z(t)。通過射頻進行發(fā)送，在接收端接收到的信號為R(t)，然后在接收端進行與發(fā)送端相反的處理，恢復出原始信號[9]。圖中，s(n)為FM接收機解調(diào)信號，nw為FM接收機輸出的高斯白噪聲信號，M'為OFDM輸出的解調(diào)信號。

在對OFDM進行角度調(diào)制之前，為使OFDM與FM調(diào)制器相匹配，必須對OFDM信號進行相應的數(shù)據(jù)處理。首先，因為OFDM是基帶調(diào)制，輸出的信號頻譜很寬，為了限制信號帶寬，以防止信號通過帶限系統(tǒng)時引起碼間串擾，先把OFDM信號經(jīng)過基帶成形濾波器，消除帶外雜散。其次，由于在進行FM調(diào)制時，必須匹配FM調(diào)制器采樣率，所以成形以后的OFDM信號要進行內(nèi)插處理，在此，采用CIC濾波器內(nèi)插濾波，匹配FM的采樣率，使得混頻器兩端的采樣率保持一致。另外，為了有效地利用頻譜資源，要把最大頻偏限制在一定的范圍內(nèi)，所以OFDM已調(diào)信號峰值也要限制在一定的范圍內(nèi)，以保證最大頻偏范圍。而這個處理過程必然會帶來非線性畸變，從而使得OFDM信號產(chǎn)生ICI和帶外頻譜的增加。為了使得非線性畸變對后續(xù)處理的影響達到最小，在信號處理時，必須保證CR(Clip Ratio)＞CF(Crest Factor)[8]，其中，CR=，CR表示非線性處理引入的畸變程度，AC是OFDM已調(diào)信號非線性處理以后的最大值，σX為OFDM信號的均方根值。

同理，在接收端要進行相應的逆處理，以恢復出OFDM信號。

4 基于軟件無線電的恒包絡OFDM的建模仿真

根據(jù)對恒包絡OFDM調(diào)制解調(diào)相關(guān)理論的研究分析，可以得到恒包絡OFDM的調(diào)制解調(diào)框圖如圖4所示，仿真波形如圖5所示。

為了進行對比分析，分別對第1路信號和第3路信號進行不同的延時。如圖5所示:第1路信號為進行OFDM調(diào)制之前的I路信號，第2路信號為OFDM解調(diào)之后的I路信號。對比發(fā)現(xiàn)，調(diào)制解調(diào)前后的信號基本一致，但是因為OFDM在進行FM調(diào)制解調(diào)的過程中，存在上采樣、下采樣以及濾波器等數(shù)據(jù)處理過程，所以，解調(diào)以后的幅度與調(diào)制之前相比有很小的偏差。但是在QAM判決過程中，這種偏差會消除，使得最終信號可以無失真地恢復出來。圖中第3路信號是發(fā)送端的原始二進制碼元，第4路信號是經(jīng)過恒包絡OFDM系統(tǒng)后最終解調(diào)出來的碼元，對比發(fā)現(xiàn)，兩路信號基本一致，仿真結(jié)果表明該系統(tǒng)能正確地完成恒包絡OFDM的調(diào)制解調(diào)，較好地完成設計目的。

當OFDM的子載波采用64QAM調(diào)制時，CE-OFDM調(diào)制前后64QAM星座圖如圖6～圖8所示。

圖6為64QAM調(diào)制星座圖，信號精準地映射在±1，±3，±5，±7處。圖7是載波頻偏使得星座圖發(fā)生旋轉(zhuǎn)。圖8為加入循環(huán)前綴和信道均衡措施以后解調(diào)出來的信號。從圖8可以看出，解調(diào)出來的信號比較準確地收斂在64個點上，但是與發(fā)送端相比，有一定的發(fā)散。所以在后續(xù)工作中可以采取前向糾錯、自動增益控制、開關(guān)分集技術(shù)、噪聲控制、預加重、去加重等方法來提高OFDM在FM信道中傳輸時的BER[10]。

5 小結(jié)

本文主要利用Xilinx與MATLAB聯(lián)合開發(fā)工具System Generator，對OFDM和恒包絡調(diào)制技術(shù)進行聯(lián)合調(diào)制解調(diào)的建模仿真，并在Xilinx公司的Spartan-6系列XC6SLX150芯片實際加載運行，證明聯(lián)合算法設計完全可以支持恒包絡OFDM的調(diào)制解調(diào)，該算法結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定、性能可靠，易于更改和升級，并且完全解決了傳統(tǒng)OFDM的高PAPR的問題。

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