多載波通信系統(tǒng)的性能研究

文 譚鴿偉

引言

在下一代移動(dòng)通信中，正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)是關(guān)鍵技術(shù)。正交頻分復(fù)用的基本原理是將高速數(shù)據(jù)流通過(guò)串并變換分為若干窄帶的低速數(shù)據(jù)流，并將這些低速數(shù)據(jù)流分別放在若干相互正交的子信道上進(jìn)行傳輸，這樣就使得系統(tǒng)中碼元周期變長(zhǎng)，能夠克服無(wú)線信道中頻率選擇性衰落的影響。但在OFDM中必須加入循環(huán)前綴，這樣就浪費(fèi)了系統(tǒng)的傳輸功率和傳輸帶寬。

而基于小波包變換的正交復(fù)用系統(tǒng)因其不需要加循環(huán)前綴，從而具有更高的頻譜利用率而備受關(guān)注。此外，小波變換具有時(shí)頻局部性，其時(shí)域、頻域正交，主、副瓣功率相差45dB，在不加窗的情況下就能很好地抑制頻譜旁瓣，從而減少了符號(hào)間干擾的影響。本文從抗干擾性能、頻譜利用率、峰均比等方面研究多載波系統(tǒng)的性能。

系統(tǒng)組成

OFDM系統(tǒng)中，傳送的比特信息先進(jìn)行QAM映射、串/并變換，之后是用IFFT變換進(jìn)行調(diào)制、并/串變換并插入保護(hù)間隔，最后送入信道中傳輸。在接收端先去掉保護(hù)間隔，之后進(jìn)行串/并變換，用FFT變換進(jìn)行OFDM解調(diào)，經(jīng)過(guò)并/串變換和QAM解映射之后就可以恢復(fù)出原始的比特信息。

OWPM系統(tǒng)中，原始數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)QAM映射之后，進(jìn)行串并變換后，再經(jīng)小波包重構(gòu)，這一過(guò)程相當(dāng)于將數(shù)據(jù)調(diào)制到各個(gè)小波包函數(shù)波形上，之后經(jīng)過(guò)上變頻發(fā)送出去。相應(yīng)的在接收端進(jìn)行逆過(guò)程，先對(duì)接收到的信號(hào)下變頻，再對(duì)信號(hào)做小波包分解，這一過(guò)程相當(dāng)于進(jìn)行數(shù)據(jù)解調(diào)，對(duì)分解后的信號(hào)做并串變換，之后對(duì)信號(hào)解映射還原出原始數(shù)據(jù)。

圖3.1 兩系統(tǒng)高斯白噪聲下的誤碼率比較

圖3.2 多徑信道條件下誤碼率比較

多載波通信系統(tǒng)的性能研究比較

1、抗干擾能力及仿真

在OFDM與OWPM系統(tǒng)中，干擾分為同一子信道上的符號(hào)間干擾（ISI）以及不同子信道間干擾（ICI）。OFDM系統(tǒng)利用插入循環(huán)前綴可以很好的減小ISI以及信道中多徑效應(yīng)帶來(lái)的ICI。在OWPM系統(tǒng)中，同一子信道中用來(lái)調(diào)制信息的是小波包函數(shù)在同一分解節(jié)點(diǎn)處的不同移位，因?yàn)樵谕环纸夤?jié)點(diǎn)處小波包函數(shù)間是平移正交的，所以，天然的具有減小ISI的優(yōu)點(diǎn)。

在Matlab中對(duì)這兩個(gè)系統(tǒng)的抗干擾能力進(jìn)行仿真分析。

圖3.1是OWPM系統(tǒng)和OFDM系統(tǒng)在信道中只存在加性高斯白噪聲時(shí)的誤碼性能。從圖中可以看出，在信噪比處于（-20～2dB）時(shí)，OWPM系統(tǒng)的誤碼性能要優(yōu)于OFDM系統(tǒng)。當(dāng)信噪比處于（2～10dB）時(shí)，OWPDM系統(tǒng)的誤碼性能略差于OFDM系統(tǒng)，但兩者差距不大。這表明，當(dāng)信道中的背景噪聲很大、信道通信條件很差時(shí)，OWPM系統(tǒng)比OFDM系統(tǒng)更具有實(shí)用價(jià)值。

圖3.2是OWPM系統(tǒng)和OFDM系統(tǒng)在不存在多普勒頻移的多徑信道中的誤碼性能。其中多徑信道中的信道參數(shù)為[1，0，0.2，0.3]，這表示信道中存在4條路徑，其中直達(dá)路徑的幅度衰減因子為1；第二條路徑時(shí)延為1個(gè)碼元時(shí)長(zhǎng)，幅度衰減因子為0；第三條路徑時(shí)延為兩個(gè)碼元時(shí)長(zhǎng)，幅度衰減因子為0.2；第四條路徑時(shí)延為3個(gè)碼元時(shí)長(zhǎng)，幅度衰減因子為0.3。由圖中我們可以看出，OWPM系統(tǒng)的抗多徑性能要比OFDM系統(tǒng)強(qiáng)，在誤碼率為10-1時(shí)能獲得大約3dB的信噪比增益。

2、頻譜利用率及仿真

OFDM相對(duì)于FDM技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是利用各子信道間的頻譜交叉重疊來(lái)提高頻譜的利用率，節(jié)約頻率資源。但是因?yàn)镕ourier濾波器的主副瓣功率差僅為13dB，如果接收端相鄰子信道之間不能保持正交，就會(huì)產(chǎn)生很嚴(yán)重的信道間干擾。所以O(shè)FDM技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中，通常會(huì)插入一些不傳輸數(shù)據(jù)的虛載波，以克服子信道間的干擾。當(dāng)采用db5小波作為調(diào)制解調(diào)基函數(shù)時(shí)，小波濾波器幅頻響應(yīng)的主副瓣功率差25dB，主瓣能量更加集中，不需插入循環(huán)前綴，節(jié)約了頻率資源。當(dāng)采用db10小波作為調(diào)制解調(diào)基函數(shù)時(shí)，濾波器的主副瓣功率相差近40dB，隨著小波基支撐長(zhǎng)度的增加，主副瓣能量越集中，能獲得更高的頻譜利用率。

3、峰均比特性比較

OFDM系統(tǒng)采用一組具有周期性的余弦函數(shù)作為正交基，各子載波出現(xiàn)同相的概率很大，系統(tǒng)具有較大的峰均比，但OWPM系統(tǒng)選用一組非周期，波形不規(guī)則的小波包函數(shù)作為正交基，所以，各子載波達(dá)到同相的概率很小，所得到信號(hào)的峰均比會(huì)比較低。

結(jié)論

OWPM系統(tǒng)相比于OFDM系統(tǒng)在多個(gè)方面具有更加優(yōu)異的性能。雖然說(shuō)OFDM技術(shù)已經(jīng)獲得了大規(guī)模的應(yīng)用，但在某些特定的領(lǐng)域，如電力線通信領(lǐng)域，OWPM系統(tǒng)由于其良好的抗窄帶干擾能力正越來(lái)越受到人們的重視，而且隨著頻譜資源的日益緊缺，OWPM系統(tǒng)不需要插入循環(huán)前綴以及高頻譜利用率的優(yōu)點(diǎn)一定能獲得工業(yè)界的青睞。