多載波通信系統的性能研究

文 譚鴿偉

引言

在下一代移動通信中，正交頻分復用（OFDM）技術是關鍵技術。正交頻分復用的基本原理是將高速數據流通過串并變換分為若干窄帶的低速數據流，并將這些低速數據流分別放在若干相互正交的子信道上進行傳輸，這樣就使得系統中碼元周期變長，能夠克服無線信道中頻率選擇性衰落的影響。但在OFDM中必須加入循環前綴，這樣就浪費了系統的傳輸功率和傳輸帶寬。

而基于小波包變換的正交復用系統因其不需要加循環前綴，從而具有更高的頻譜利用率而備受關注。此外，小波變換具有時頻局部性，其時域、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的性能。

系統組成

OFDM系統中，傳送的比特信息先進行QAM映射、串/并變換，之后是用IFFT變換進行調制、并/串變換并插入保護間隔，最后送入信道中傳輸。在接收端先去掉保護間隔，之后進行串/并變換，用FFT變換進行OFDM解調，經過并/串變換和QAM解映射之后就可以恢復出原始的比特信息。

OWPM系統中，原始數據經過QAM映射之后，進行串并變換后，再經小波包重構，這一過程相當于將數據調制到各個小波包函數波形上，之后經過上變頻發送出去。相應的在接收端進行逆過程，先對接收到的信號下變頻，再對信號做小波包分解，這一過程相當于進行數據解調，對分解后的信號做并串變換，之后對信號解映射還原出原始數據。

圖3.1 兩系統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

多載波通信系統的性能研究比較

1、抗干擾能力及仿真

在OFDM與OWPM系統中，干擾分為同一子信道上的符號間干擾（ISI）以及不同子信道間干擾（ICI）。OFDM系統利用插入循環前綴可以很好的減小ISI以及信道中多徑效應帶來的ICI。在OWPM系統中，同一子信道中用來調制信息的是小波包函數在同一分解節點處的不同移位，因為在同一分解節點處小波包函數間是平移正交的，所以，天然的具有減小ISI的優點。

在Matlab中對這兩個系統的抗干擾能力進行仿真分析。

圖3.1是OWPM系統和OFDM系統在信道中只存在加性高斯白噪聲時的誤碼性能。從圖中可以看出，在信噪比處于（-20～2dB）時，OWPM系統的誤碼性能要優于OFDM系統。當信噪比處于（2～10dB）時，OWPDM系統的誤碼性能略差于OFDM系統，但兩者差距不大。這表明，當信道中的背景噪聲很大、信道通信條件很差時，OWPM系統比OFDM系統更具有實用價值。

圖3.2是OWPM系統和OFDM系統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為[1，0，0.2，0.3]，這表示信道中存在4條路徑，其中直達路徑的幅度衰減因子為1；第二條路徑時延為1個碼元時長，幅度衰減因子為0；第三條路徑時延為兩個碼元時長，幅度衰減因子為0.2；第四條路徑時延為3個碼元時長，幅度衰減因子為0.3。由圖中我們可以看出，OWPM系統的抗多徑性能要比OFDM系統強，在誤碼率為10-1時能獲得大約3dB的信噪比增益。

2、頻譜利用率及仿真

OFDM相對于FDM技術的優勢是利用各子信道間的頻譜交叉重疊來提高頻譜的利用率，節約頻率資源。但是因為Fourier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，就會產生很嚴重的信道間干擾。所以OFDM技術在實際應用中，通常會插入一些不傳輸數據的虛載波，以克服子信道間的干擾。當采用db5小波作為調制解調基函數時，小波濾波器幅頻響應的主副瓣功率差25dB，主瓣能量更加集中，不需插入循環前綴，節約了頻率資源。當采用db10小波作為調制解調基函數時，濾波器的主副瓣功率相差近40dB，隨著小波基支撐長度的增加，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系統采用一組具有周期性的余弦函數作為正交基，各子載波出現同相的概率很大，系統具有較大的峰均比，但OWPM系統選用一組非周期，波形不規則的小波包函數作為正交基，所以，各子載波達到同相的概率很小，所得到信號的峰均比會比較低。

結論

OWPM系統相比于OFDM系統在多個方面具有更加優異的性能。雖然說OFDM技術已經獲得了大規模的應用，但在某些特定的領域，如電力線通信領域，OWPM系統由于其良好的抗窄帶干擾能力正越來越受到人們的重視，而且隨著頻譜資源的日益緊缺，OWPM系統不需要插入循環前綴以及高頻譜利用率的優點一定能獲得工業界的青睞。