F-OFDM通信系統(tǒng)的多子帶可變?yōu)V波器設(shè)計(jì)

林榅財(cái) 凌朝東

（華僑大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,福建 廈門 361021）

1 引言

OFDM編碼技術(shù)以其頻譜利用率高、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、易于與MIMO結(jié)合等優(yōu)點(diǎn),目前已被廣泛應(yīng)用于4G LTE以及WIFI無線保真等通信網(wǎng)絡(luò)中[1]。但是傳統(tǒng)的OFDM系統(tǒng)存在著帶外泄漏高。要求嚴(yán)格同步,以及整個(gè)帶寬僅支持一種波形參數(shù)等諸多缺點(diǎn)。未來5G通信的編碼方式需要依據(jù)不同的業(yè)務(wù)需求,靈活快速地選擇適合的波形參數(shù),以最小的消耗滿足最大的需求,且對(duì)4G無線網(wǎng)絡(luò)具有良好的兼容性[2]。

為了滿足上述要求,需進(jìn)一步改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)。本文基于原OFDM技術(shù),介紹一種自適應(yīng)軟件定義的空口技術(shù),即基于F-OFDM的可變子載波寬帶接入技術(shù)。F-OFDM編碼技術(shù)將通信信道分為一系列相互正交的子帶,各子帶進(jìn)行不同類型的濾波處理,降低帶外泄漏[3]。本文在優(yōu)化設(shè)計(jì)基于FOFDM信道編碼的移動(dòng)通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,使用MATLAB進(jìn)行仿真驗(yàn)證,實(shí)驗(yàn)表明,F-OFDM系統(tǒng)能夠有效降低帶外頻譜泄漏,提高系統(tǒng)性能。

2 F-OFDM通信系統(tǒng)的總體架構(gòu)

F-OFDM總體工作原理如圖1所示。

圖1 F-OFDM系統(tǒng)的下行鏈路結(jié)構(gòu)圖

從圖1可以看到,在下行鏈路中,首先根據(jù)子載波間隔寬度,進(jìn)行資源映射,從某個(gè)載波開始,給用戶分配載波資源；然后完成IFFT和加循環(huán)前綴(CP)操作；接著對(duì)各子帶濾波并發(fā)射出去,在接收端經(jīng)過相反的過程,最后進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)。各子帶相互獨(dú)立傳輸,子帶濾波模塊對(duì)各子帶濾波處理,使得子帶間互不重疊,同時(shí)在每個(gè)子帶間預(yù)留較小的保護(hù)帶來避免相互干擾[4]。

F-OFDM系統(tǒng)與OFDM系統(tǒng)的最大不同之處在于增加了子帶濾波[5]。通過子帶濾波,可以有效地削弱各子載波間的影響,從而F-OFDM系統(tǒng)可在兩方面對(duì)原有的OFDM系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn):一是可以根據(jù)不同的數(shù)據(jù)傳輸要求對(duì)各子載波添加不同的CP；二是可以節(jié)省保護(hù)帶開銷,將這部分保護(hù)帶用于信息的傳輸,提升系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸效率。

3 F-OFDM通信系統(tǒng)發(fā)射部分

這一部分主要包括訓(xùn)練序列的生成,子載波的映射,導(dǎo)頻插入,IFFT/FFT,添加循環(huán)前綴和子帶濾波六部分。雖然發(fā)射機(jī)已有訓(xùn)練序列,但是F-OFDM符號(hào)還存在隨時(shí)間積累的剩余頻偏,影響系統(tǒng)接收端的解調(diào)性能。故需在子載波間插入導(dǎo)頻信號(hào),對(duì)接收到的符號(hào)相位進(jìn)行同步跟蹤[6]。為了對(duì)抗多徑效應(yīng),降低符號(hào)間干擾（ISI）和信道干擾（ICI）,需在F-OFDM符號(hào)間插入保護(hù)間隔（GI）,且保護(hù)間隔的長(zhǎng)度一般要高于實(shí)際信道的時(shí)延[7]。這里重點(diǎn)介紹子載波映射和子帶濾波。

3.1 子載波映射

根據(jù)設(shè)計(jì)要求,將通信信道劃分為兩個(gè)相鄰的子帶。然后將劃分出來的兩個(gè)子帶分別分配30和15個(gè)正交子載波。然后求出它們各自點(diǎn)數(shù)和符號(hào)長(zhǎng)度,設(shè)置保護(hù)帶寬度。在時(shí)域中兩子帶的采樣頻率都為30.72MHz。本文設(shè)計(jì)的實(shí)例中,子帶1和子帶2的子載波間隔f1和f2分別為15KHz和30KHz。設(shè)子帶1的子載波數(shù)目為M1,若將2048個(gè)總子載波數(shù)目進(jìn)行編號(hào),且編號(hào)為[Kmin,Kmax],那么Kmin和Kmax的取值范圍是[-1023,1024]。以子帶1的子載波間隔為間距的保護(hù)載波數(shù)目為N1,子帶2的子載波數(shù)為M2,并以子帶2的子載波間隔作為間距的保護(hù)子載波數(shù)目為N2,其映射關(guān)系如圖2所示。由于兩子帶帶寬都是720KHz,根據(jù)子載波的間隔可以得到M1=48,M2=24。

圖2 兩子帶映射成相鄰子帶的子載波映射關(guān)系

圖3 快速傅里葉變換濾波結(jié)構(gòu)

保護(hù)子載波數(shù)目越大,對(duì)濾波器過渡帶的要求越低,從而可以減少子帶濾波器的資源占用,但是頻率資源浪費(fèi)也越多。根據(jù)映射關(guān)系,可以求得子帶2的子載波編號(hào)是:

上式中,Kmax+N1為偶數(shù)。由于濾波器的系數(shù)是低通原型濾波器系數(shù)與調(diào)制系數(shù)相乘得到的,所以需設(shè)計(jì)因果低通濾波器,其設(shè)計(jì)方法主要有窗函數(shù)法和頻率抽樣法等。

3.2 overlap-save子帶濾波

濾波器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)是F-OFDM通信系統(tǒng)的核心問題,也是本文研究設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。子帶濾波的設(shè)計(jì)采用窗函數(shù)法即:

本次采用MATLAB的濾波器設(shè)計(jì)工具filter Designer來實(shí)現(xiàn)。窗函數(shù)的選擇需要在時(shí)域局域化和通帶內(nèi)的平坦度之間進(jìn)行折中,Hamming窗因主瓣寬度較窄,且對(duì)改善頻譜泄漏有很好的效果,所以子帶1的濾波器選用Hamming窗,設(shè)計(jì)好FIR濾波器后導(dǎo)出其系數(shù)。由3.1節(jié)分析知,子帶1的中心頻率可以表示為:

子帶2的中心頻率可以表示為:

設(shè)h(k)為濾波器系數(shù),由子帶映射關(guān)系,可以求得子帶1的濾波器系數(shù)表達(dá)式為:

子帶2的濾波器系數(shù)表達(dá)式為:

求出濾波器系數(shù)后,采用FFT快速傅里葉變換處理,實(shí)現(xiàn)overlap-save可變子帶濾波器結(jié)構(gòu)。其FPGA實(shí)現(xiàn)的硬件架構(gòu)可分為5個(gè)部分,分別為數(shù)據(jù)緩存模塊、FFT處理模塊、復(fù)數(shù)乘法器模塊IFFT模塊和輸出緩存模塊,其總體架構(gòu)如圖3所示。

4 F-OFDM通信系統(tǒng)接收部分的同步檢測(cè)

F-OFDM通信系統(tǒng)接收需要對(duì)傳輸信道進(jìn)行估計(jì),從而對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行矯正[8]。接收機(jī)在準(zhǔn)確解調(diào)出有用信號(hào)之前,需要在信道噪聲和衰弱的情況下迅速識(shí)別出發(fā)射的信號(hào),對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行頻偏補(bǔ)償,降低信號(hào)的ICI。同步檢測(cè)是接收機(jī)的第一個(gè)工作模塊,主要有載波采樣時(shí)鐘同步和幀同步,FOFDM符號(hào)中的訓(xùn)練序列就是協(xié)助接收機(jī)完成同步檢測(cè)而設(shè)計(jì)的。同步檢測(cè)算法如圖4所示。

圖4 同步檢測(cè)算法圖

其中,P模塊為延時(shí)模塊的自相關(guān),C模塊自相關(guān)的結(jié)果。將C模塊進(jìn)行能量計(jì)算后,與P模塊能量進(jìn)行歸一化,就可以得到判決變量Mn。其中

D為延遲16個(gè)周期時(shí)鐘,L為接收的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。延時(shí)D個(gè)時(shí)鐘的自相關(guān)能量為

所以判決變量mn為

可以看到,同步檢測(cè)的正確與否與mn的選定有很大的關(guān)系,且受噪聲的影響較大,因此在實(shí)際中,我們可以提高mn的門限值或者提高延遲相關(guān)算法的保持時(shí)間。同步檢測(cè)之后,還需要進(jìn)行信道估計(jì)與均衡以應(yīng)對(duì)多徑衰弱效應(yīng),這里不一一贅述。

5 系統(tǒng)測(cè)試鏈路及其仿真

建立如圖5所示的F-OFDM仿真鏈路,并在Matlab上建立鏈路并仿真。通過開關(guān)的開閉可以將系統(tǒng)設(shè)置成兩子帶F-OFDM和單子帶OFDM鏈路。其中F-OFDM子帶鏈路也有不同的調(diào)制模式,如QPAK,16QAM,64QAM,不同的保護(hù)子載波數(shù)目和碼元速率等等。

圖5 F-OFDM仿真鏈路

圖6 子帶1增加濾波器前后頻譜圖

(1)設(shè)置子帶1、2都采用QPSK調(diào)制,turbo編碼速率分別為1/2和1/3,保護(hù)子載波數(shù)目都為0,采用EPA信道得到如圖6所示的頻譜,其中黃線和藍(lán)線分別表示OFDM和F-OFDM系統(tǒng)子帶1的頻譜圖。從圖中可以明顯地看出,與OFDM相比,增加子帶濾波以后,對(duì)帶外頻譜泄漏的抑制效果顯著。

(2)設(shè)子帶1的調(diào)制方式為QPSK,編碼速率為1/2,子帶2為16QAM調(diào)制,速率為1/3。同時(shí)設(shè)置子帶1和子帶2的子載波數(shù)目分別為0和1,衰弱信道模型選擇EPA。在信噪比為15分貝的條件下,得出如圖7所示的功率譜密度曲線。

圖7 子帶1和子帶2濾波前后功率譜密度

在頻率為1MHz處,子帶1濾波后帶外衰減降低了大約13dB,而子帶2的帶外抑制更加明顯。此時(shí)子帶的數(shù)據(jù)傳輸誤塊率（BLER）為0,表明了本設(shè)計(jì)的可行性。進(jìn)一步地,分析OVERLAP-SAVE可變子帶濾波器性能,在不同鏈路參數(shù)條件下測(cè)得接收端子帶1的性能曲線,如圖8所示。

圖8 不同條件下子帶1的BLER性能

其中,曲線1,2的N1和N2分別為2,0；曲線3,4的N1和N2分別為0,1；曲線5,6的N1和N2分別為0,2。從中可以看到,在QPSK和16QAM調(diào)制方式下,F-OFDM和OFDM的BLER性能基本相同。但是在64QAM調(diào)制下差異明顯,在相同BLER的情況下,Eb/Eo的差異小于1/2dB,驗(yàn)證了FOFDM的性能。

6 結(jié)論

本文在現(xiàn)有OFDM的基礎(chǔ)上,提出了基于子帶濾波的正交頻分復(fù)用,即F-OFDM編碼技術(shù),并在MATLAB上仿真對(duì)比了不同條件下系統(tǒng)的性能,結(jié)果表明,F-OFDM可以有效地降低帶外泄漏,降低頻譜的保護(hù)帶開銷,提高頻譜利用率。且在相同條件下,F-OFDM的BLER性能要好于OFDM編碼技術(shù)。仿真結(jié)果表明,本文的通信系統(tǒng)優(yōu)化方法具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

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