一種5G FBMC-16QAM抗干擾系統(tǒng)仿真研究

李明輝

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0 引 言

近年來，新研發(fā)的第五代移動通信技術(shù)（5G）在資源利用率和傳輸速率方面相較于傳統(tǒng)技術(shù)表現(xiàn)出更高的水平，得到了廣泛關(guān)注。在5G技術(shù)的研究中，基于偏移正交幅度調(diào)制（Offset Quadrature Amplitude Modulation，OQAM）構(gòu)建的濾波器組多載波技術(shù)（Filter Bank Multicarrier，F(xiàn)BMC）是一種基于非正交多載波傳輸原理的新型數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。該技術(shù)采用了原型濾波器，并將之應(yīng)用于時頻聚焦上，替代傳統(tǒng)正交頻分復(fù)用技術(shù)（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）中的矩形窗函數(shù)，以此來降低外發(fā)射功率并提高傳輸魯棒性。在5G通信領(lǐng)域，F(xiàn)BMC是一種潛力巨大的、可替代OFDM的方案［1-3］。

相較于OFDM，F(xiàn)BMC更加完善，擁有更為豐富的特性，能夠更好地滿足第五代移動通信系統(tǒng)的需求。FBMC 采用了交錯正交幅度調(diào)制，并選擇了功能更強大的濾波器，具備優(yōu)異的時頻聚焦特性，有效解決了循環(huán)前綴過多導(dǎo)致的系統(tǒng)效率問題，增強了對相鄰子載波和符號間干擾的抵抗能力，大幅減少了帶外衰減程度［4-6］。此外，F(xiàn)BMC系統(tǒng)還采用了正交幅度調(diào)制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM），使得傳遞信息比特的通道更加豐富［7］，同時支持相位和載波幅度2種傳輸方式，大幅提高了頻帶利用率。這一優(yōu)勢在短距離、同條件對比中尤為明顯。

本文對FBMC的結(jié)構(gòu)框架進(jìn)行了介紹，說明了其組成和功能，并詳細(xì)描述了FBMC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。最后對16QAM調(diào)制條件下的FBMC系統(tǒng)進(jìn)行了誤碼率的仿真分析和研究，并對結(jié)果進(jìn)行了分析和評估，為相關(guān)研究和應(yīng)用提供了參考依據(jù)。

1 FBMC-16QAM系統(tǒng)模型

1.1 FBMC原理模型

FBMC多載波通信技術(shù)在時頻方面采用合適的交錯正交基，可達(dá)到時間與頻率的均衡，其獨特之處在于新的原型濾波器的使用和調(diào)制方式的改變。假設(shè)FBMC系統(tǒng)的載波數(shù)目為N，則它的基帶等效發(fā)送信號可表示為［8-9］：

在接收后，系統(tǒng)接收端可以解調(diào)出的信號為［10］：

在FBMC系統(tǒng)中，由于多載波濾波器的各個子載波之間相互影響，一般采用OQAM。在基帶解調(diào)器中，正交多載波（FMT）與FBMC的多載波是等效的，它們的旋轉(zhuǎn)和解調(diào)操作相互抵消，這意味著在方法實施過程中，這些公式是相同的。基于上述分析，F(xiàn)BMC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示［11］。

圖1 FBMC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 System structure of FBMC

根據(jù)Nyquist定理，傳輸濾波器的脈沖必須經(jīng)過零軸，且這種狀態(tài)在整個碼元循環(huán)的整數(shù)倍時發(fā)生。在頻域中，這種狀態(tài)通過與截止頻率相關(guān)的對稱性來實現(xiàn)轉(zhuǎn)換，其中截止頻率等于碼元率的1/2。設(shè)計奈奎斯特濾波器時，我們需要充分考慮頻域因素和應(yīng)用的對稱性。通常情況下，奈奎斯特濾波器分為發(fā)射奈奎斯特濾波器和接收奈奎斯特濾波器，以滿足頻譜對稱性的要求。在FBMC系統(tǒng)中，原型濾波器的電路結(jié)構(gòu)為：

其中：M為子載波數(shù)量；K為重疊系數(shù)；k為子載波索引號；對M個子載波進(jìn)行調(diào)制，且調(diào)制頻率分別為。在頻率區(qū)域內(nèi)，濾波器的頻率響應(yīng)包含（2k-1）個數(shù)據(jù)點，其中重疊系數(shù)K的取值范圍為0～4。通過進(jìn)行內(nèi)插運算，得到連續(xù)頻率特性轉(zhuǎn)換為取樣信號的頻率因子。

1.2 16QAM調(diào)制解調(diào)模型

QAM就是利用兩路并行信號與相位相同且正交的2 個載波進(jìn)行乘法運算。調(diào)制過程的基本步驟如下［11-13］：首先將待調(diào)制信號（二進(jìn)制碼元序列）輸入到QAM系統(tǒng)，通過串/并變換將單行碼元序列轉(zhuǎn)換為兩路并行序列，輸出速率為原始信號的一半；接著經(jīng)過2 電平至L（L=log2M）電平的轉(zhuǎn)換器作用，將兩路2 電平基帶信號轉(zhuǎn)換為L電平基帶信號。隨后使用低通濾波器（LPF）濾除高頻信號，從而抑制帶外輻射，并消除不必要的相位抖動。之后將兩基帶信號與同相載波和正交載波分別進(jìn)行乘法運算。最后將調(diào)制后的2 個基帶信號相加得出調(diào)制結(jié)果，并輸出至調(diào)制系統(tǒng)。

解調(diào)是調(diào)制的逆過程，主要采用模擬、數(shù)字及全數(shù)字相干解方式。解調(diào)過程中，使用低通濾波器對信號進(jìn)行處理，得到一組包括同相和正交兩路的多電平基帶信號I（t）和 （t），通過進(jìn)行電平判定，確定直流分量為Am/2 和Bm/2；然后依次進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換（從L電平到2 電平）和并、串轉(zhuǎn)換，最終得到數(shù)字信號，并將其輸出到解調(diào)系統(tǒng)［14-15］。研究的16 QAM調(diào)制解調(diào)模型如圖2 所示。

圖2 16QAM 調(diào)制解調(diào)模型Fig.2 16QAM modulation and demodulation model

2 系統(tǒng)仿真結(jié)果分析

2.1 星座圖分析

如圖3（a）所示，在SNR=10 dB 的情況下，采樣點的信號呈現(xiàn)混亂狀態(tài)，仿真數(shù)據(jù)顯示星座圖缺乏明顯的規(guī)律性，系統(tǒng)誤碼率約為0.16。而在圖3（b）中，當(dāng)SNR=15 dB時，采樣點的信號已經(jīng)可觀測，仿真數(shù)據(jù)顯示星座圖清晰地呈現(xiàn)出了16 個點，誤碼率約為0.007。此外，圖3（c）展示了SNR=20 dB時的星座圖。由仿真結(jié)果可以看出，在這種條件下，星座圖已經(jīng)非常清晰，能夠明顯看到16 個點，采樣點的信號也表現(xiàn)出良好的規(guī)律性，盡管存在輕微偏差，但此時的誤碼率已非常接近于0。最后，圖3（d）顯示了SNR=25 dB時的星座圖。仿真結(jié)果表明，當(dāng)信噪比為25 dB時，星座圖非常整齊清晰，可以明確看到16 個點，采樣點的信號呈現(xiàn)出良好的規(guī)整性，此時的誤碼率可近似看作0。

圖3 星座圖Fig.3 Constellation diagram

2.2 調(diào)制前后模型圖分析

FBMC-16QAM 系統(tǒng)在噪聲信道中的調(diào)制解調(diào)結(jié)果如圖4 所示。當(dāng)信噪比為10 dB時，誤碼率約為0.156；信噪比增加至15 dB時，誤碼率約為0.007；信噪比為20 dB時，幾乎沒有誤碼；信噪比為25 dB時，誤碼率為0。表明在該系統(tǒng)中，隨著信噪比的增大，誤碼率逐漸降低，驗證了當(dāng)信噪比增大而誤碼率趨近于0 的現(xiàn)象。當(dāng)誤碼率超過20 dB時，整個調(diào)制解調(diào)過程對信號的還原程度較高，失真較小。因此，可以得到與原信號高度相似的解調(diào)信號。

圖4 FBMC-16QAM 系統(tǒng)在噪聲信道中調(diào)制解調(diào)結(jié)果Fig.4 Modulation and demodulation results of FBMC-16QAM system in noisy channel

3 結(jié) 語

本文旨在研究5G FBMC系統(tǒng)中16QAM調(diào)制解調(diào)器的設(shè)計與實現(xiàn)。通過觀察星座圖，并分析FBMC-16QAM調(diào)制解調(diào)器數(shù)據(jù)及誤碼率的仿真曲線，對其進(jìn)行比較和評估。得出的結(jié)論是，隨著信噪比的增加，星座圖呈現(xiàn)出更高的穩(wěn)定性，并且誤碼率隨著信噪比的增大而減少。經(jīng)過對FBMC-16QAM 調(diào)制和解調(diào)數(shù)據(jù)及誤碼率進(jìn)行分析，得到在該系統(tǒng)中信噪比越高、誤碼率越低的結(jié)論。除此之外，還觀察到在相同信噪比下，隨著進(jìn)制數(shù)的增加，誤碼率也呈現(xiàn)上升趨勢。