單載波系統(tǒng)與OFDM比較及均衡技術(shù)研究

蘭海洋，徐偉掌，余心樂(lè)

(中國(guó)傳媒大學(xué)廣播電視數(shù)字化教育部工程研究中心，北京 100024)

單載波系統(tǒng)與OFDM比較及均衡技術(shù)研究

蘭海洋，徐偉掌，余心樂(lè)

(中國(guó)傳媒大學(xué)廣播電視數(shù)字化教育部工程研究中心，北京 100024)

介紹OFDM與基于塊傳輸單載波通信系統(tǒng)的技術(shù)對(duì)比，以及單載波系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)頻域均衡的兩種算法。由于單載波系統(tǒng)傳輸時(shí)加入了UW(Unique Word)符號(hào)，使其在接收端的頻域均衡技術(shù)大大簡(jiǎn)化。它與多載波OFDM通信系統(tǒng)相比較有相似的抗干擾性能和較小的峰均比特性，是對(duì)未來(lái)通信系統(tǒng)多載波傳輸?shù)囊粋€(gè)有利補(bǔ)充。

單載波;OFDM;頻域均衡

1 引言

未來(lái)無(wú)線通信系統(tǒng)是一個(gè)高速率、大容量系統(tǒng)。傳輸信道相對(duì)于有線和衛(wèi)星信道，無(wú)線信道的信道特性是非常惡劣的，主要表現(xiàn)為多徑衰落。多徑衰落會(huì)使信號(hào)產(chǎn)生碼間干擾，嚴(yán)重影響通信的可靠性。IEEE在2003年4月提出的IEEE 802.16a標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了正交頻分復(fù)用(OFDM)系統(tǒng)和單載波頻域均衡(SC-FDE)系統(tǒng)兩種克服多徑衰落的傳輸模式。本文將對(duì)兩種傳輸模式的性能進(jìn)行對(duì)比分析，同時(shí)給出了兩種單載波頻域均衡的性能對(duì)比。

2OFDM通信系統(tǒng)

2.1OFDM 簡(jiǎn)介

OFDM正交頻分復(fù)用系統(tǒng)是一種多載波傳輸技術(shù)。OFDM的基本思想是將串行的數(shù)據(jù)并行地調(diào)制在多個(gè)正交的子載波上，這樣可降低每個(gè)子載波的碼元速率，增大碼元的符號(hào)周期，提高系統(tǒng)的抗衰落和干擾的能力，同時(shí)由于每個(gè)子載波的正交性，頻譜的利用率大大提高，所以非常適合衰落移動(dòng)場(chǎng)合中的高速傳輸。經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，多載波傳輸系統(tǒng)的調(diào)制解調(diào)都可以利用離散傅里葉變換(Discrete Fourier Transform，DFT)實(shí)現(xiàn)，由于DFT有著名的快速算法FFT(Fast Fourier Transform)，使得多載波傳輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)起來(lái)大為簡(jiǎn)化。

2.2OFDM的基本原理

設(shè)OFDM系統(tǒng)有N個(gè)子信道，每個(gè)子信道采用的子載波為

式中:Bk為第k路子載波的振幅，它受基帶碼元的調(diào)制;fk為第路子載波的頻率;φk為k第路子載波的初始相位。則在此系統(tǒng)中的N路子信號(hào)之和可以表示為

為了使這N路子信道信號(hào)在接收時(shí)能夠完全分離，要求他們滿足正交條件。在碼元持續(xù)時(shí)間內(nèi)Ts任意兩個(gè)子載波都是正交的條件是:

同時(shí)，OFDM系統(tǒng)還運(yùn)用插入大于信道時(shí)延擴(kuò)展的循環(huán)前綴技術(shù)來(lái)對(duì)抗信道的干擾，運(yùn)用同步等技術(shù)來(lái)保證系統(tǒng)的性能。

2.3OFDM的優(yōu)缺點(diǎn)

·優(yōu)點(diǎn):

(1)由于 OFDM的正交頻分的特點(diǎn)，使得OFDM系統(tǒng)在窄帶帶寬下也能夠發(fā)出大量的數(shù)據(jù);。

(2)對(duì)抗頻率選擇性衰落或窄帶干擾、多徑干擾效果較好;在多載波系統(tǒng)中，只有一部分載波受到干擾可通過(guò)糾錯(cuò)碼來(lái)進(jìn)行糾錯(cuò)。并且OFDM碼元持續(xù)周期較長(zhǎng)，能夠?qū)苟鄰剿ヂ洹?/p>

(3)通過(guò)個(gè)子載波聯(lián)合編碼，有很強(qiáng)的抗衰落能力;

(4)頻譜利用率高。各個(gè)子載波之間是正交的，節(jié)省頻譜資源(省去了各子信道隔離帶所占用的頻譜資源)。

·缺點(diǎn):

(1)對(duì)相位噪聲和頻偏非常敏感。相位噪聲會(huì)導(dǎo)致碼元星座點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)、擴(kuò)散，從而形成ICI。頻偏會(huì)破壞各子載波之間的正交性，導(dǎo)致信號(hào)失真。

(2)峰均比過(guò)大。OFDM信號(hào)是多個(gè)小信號(hào)的總和，這小小信號(hào)相位是由傳輸數(shù)據(jù)決定的。對(duì)某些數(shù)據(jù)，這些小信號(hào)可能是同相，而幅度上疊加在一起從而產(chǎn)生了很大的瞬時(shí)峰值幅度。這樣會(huì)增加A/D、D/A的復(fù)雜性。也會(huì)降低射頻功率放大器效率。并且，發(fā)射端放大器限制了信號(hào)的峰值，會(huì)在OFDM頻段和鄰頻段間產(chǎn)生干擾。

3 基于塊傳輸單載波系統(tǒng)

圖1是OFDM系統(tǒng)和單載波系統(tǒng)框圖的對(duì)比。可以看出，這兩種傳輸系統(tǒng)的區(qū)別在于OFDM在發(fā)送端進(jìn)行了IFFT操作，使得各個(gè)傳輸子載波之間正交。而單載波系統(tǒng)是在接收端進(jìn)行了FFT、頻域均衡、IFFT操作。

圖1 OFDM和單載波系統(tǒng)框圖

3.1 單載波塊傳輸系統(tǒng)

OFDM系統(tǒng)可以通過(guò)插入循環(huán)前綴(Circle Prefix)的方法，來(lái)使在接收端進(jìn)行的頻域均衡復(fù)雜度大大降低，這也是OFDM系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)之一。這是由于所插入的CP長(zhǎng)度大于傳輸信道的沖擊響應(yīng)。但CP的內(nèi)容是不可確知的，這導(dǎo)致CP只能用作保護(hù)間隔，卻不能用作信道估計(jì)、均衡和同步，這使信道的效率降低了。于是，對(duì)于單載波系統(tǒng)，人們提出了用已知的訓(xùn)練序列代替CP，從而克服了CP的這一弊端。這個(gè)訓(xùn)練序列即UW(Unique Word)序列。

同時(shí)，單載波系統(tǒng)中UW的插入，可以讓線性卷積變?yōu)檠h(huán)卷積，

圖2 OFDM和單載波系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)

設(shè)信道沖擊響應(yīng)為 hn(τ)，n=1，2，...，NT。

3.2 單載波頻域均衡技術(shù)

頻域均衡(Frequency-Domain Equalization)是利用可調(diào)濾波器的頻率特性來(lái)彌補(bǔ)實(shí)際信道的幅頻特性和群延時(shí)特性，使包括均衡器在內(nèi)的整個(gè)系統(tǒng)的總頻率特性滿足無(wú)碼間干擾傳輸條件。頻域均衡滿足奈奎斯特整形定理的要求，僅在判決點(diǎn)滿足無(wú)碼間干擾的條件相對(duì)寬松一些。

圖3 信號(hào)經(jīng)過(guò)信道和均衡器的框圖

本文主要介紹在估計(jì)理想的情況下，頻域的迫零均衡和MMSE均衡技術(shù)。

·迫零均衡(Zero Forcing)

由圖三知信號(hào)經(jīng)過(guò)信道的數(shù)學(xué)模型為，信號(hào)與信道的沖擊響應(yīng)進(jìn)行卷積，再加入高斯白噪聲到達(dá)接收端。在接收端rn經(jīng)過(guò)均衡器處理，得出dn即是我們所期望得到的信號(hào)。其時(shí)域數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

在頻域表達(dá)式為Rp=HpSp+Wp，則迫零均衡器的頻域表達(dá)式為Vp=。信號(hào)經(jīng)過(guò)均衡器后Dp=Rp·Vp。由于高斯白噪聲的存在，使得Dp只能近似等于Sp，此時(shí)需要通過(guò)信道編解碼和調(diào)制解調(diào)來(lái)使得Dp恢復(fù)為發(fā)送信號(hào)Sp。迫零均衡存在的一個(gè)缺點(diǎn)就是均衡器在恢復(fù)發(fā)送信號(hào)的同時(shí)，也放大了噪聲。因此迫零均衡的使用對(duì)信道估計(jì)的要求比較高，且當(dāng)系統(tǒng)信噪比較小的時(shí)候，不建議使用該方法。

·MMSE均衡

MMSE(Minimum Mean Square Error)，最小均方誤差均衡的原理是系統(tǒng)的接收信號(hào)為rn=hn*sn+wn，設(shè)系統(tǒng)的期望信號(hào)為yn。

令均衡器頻域表達(dá)式為

3.3 系統(tǒng)仿真曲線

由圖4可知，當(dāng)信道特性相對(duì)理想時(shí)，ZF均衡和MMSE均衡的校正特性比較相似。因此，當(dāng)信道特性相對(duì)理想時(shí)，ZF均衡即可滿足系統(tǒng)的要求。

圖4 信道特性理想時(shí)ZF和MMSE信噪比曲線

由圖5可知，當(dāng)信道特性惡劣時(shí)，MMSE均衡的校正特性明顯優(yōu)于ZF均衡，因此，當(dāng)信道特性惡劣時(shí)，需要運(yùn)用MMSE均衡。

圖5 信道傳輸特性惡劣時(shí)ZF和MMSE信噪比曲線

同時(shí)由于MMSE的運(yùn)算量要大于ZF均衡，這也引出了通信系統(tǒng)中可靠性和有效性的矛盾。所以提升通信系統(tǒng)的性能，就需要犧牲系統(tǒng)的有效性，從中取得一個(gè)我們可以接受的平衡點(diǎn)。

4 總結(jié)

本文介紹了兩種克服信道多徑衰落的數(shù)據(jù)傳輸方式，OFDM多載波系統(tǒng)和基于塊傳輸單載波系統(tǒng)，對(duì)兩種系統(tǒng)的性能進(jìn)行了分析。并著重介紹了兩種基于塊傳輸單載波系統(tǒng)的頻域均衡方法迫零均衡和MMSE均衡。從而說(shuō)明了單載波系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，并且該技術(shù)是未來(lái)通信系統(tǒng)的一個(gè)重要應(yīng)用。

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Research of the Signal Carrier System and OFDM as well as Frequency Domain Equalization Technology

LAN Hai-yang，XU Wei-zhang，YU Xin-le
(ECDAV，Communication University of China，Beijing 100024，China)

This paper mainly introduces the comparison of the capability of Orthogonal Frequency Division Multiplexing(OFDM)and signal carrier system based on block transmission，as well as another two key technologies about frequency domain equalization(FDE).Due to the use of the Unique Word(UW)in signal carrier transmission system，here the FDE technology at receiver is to certain extent simplified.Although the signal carrier system has similar ability of resistance to interference compared to OFDM，the much lower PAPR makes signal carrier system a good technology in the development of communication system.

single carrier;OFDM;frequency domain equalization

TN911.5

A

1673-4793(2011)04-0051-04

2010-12-30

蘭海洋(1987- )，男(蒙古族)，吉林大安人，中國(guó)傳媒大學(xué)碩士研究生.E-mail:lhycuc@163.com

(責(zé)任編輯

:王謙)