單載波系統與OFDM比較及均衡技術研究

蘭海洋，徐偉掌，余心樂

(中國傳媒大學廣播電視數字化教育部工程研究中心，北京 100024)

單載波系統與OFDM比較及均衡技術研究

蘭海洋，徐偉掌，余心樂

(中國傳媒大學廣播電視數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的技術對比，以及單載波系統的關鍵技術頻域均衡的兩種算法。由于單載波系統傳輸時加入了UW(Unique Word)符號，使其在接收端的頻域均衡技術大大簡化。它與多載波OFDM通信系統相比較有相似的抗干擾性能和較小的峰均比特性，是對未來通信系統多載波傳輸的一個有利補充。

單載波;OFDM;頻域均衡

1 引言

未來無線通信系統是一個高速率、大容量系統。傳輸信道相對于有線和衛星信道，無線信道的信道特性是非常惡劣的，主要表現為多徑衰落。多徑衰落會使信號產生碼間干擾，嚴重影響通信的可靠性。IEEE在2003年4月提出的IEEE 802.16a標準，規定了正交頻分復用(OFDM)系統和單載波頻域均衡(SC-FDE)系統兩種克服多徑衰落的傳輸模式。本文將對兩種傳輸模式的性能進行對比分析，同時給出了兩種單載波頻域均衡的性能對比。

2OFDM通信系統

2.1OFDM 簡介

OFDM正交頻分復用系統是一種多載波傳輸技術。OFDM的基本思想是將串行的數據并行地調制在多個正交的子載波上，這樣可降低每個子載波的碼元速率，增大碼元的符號周期，提高系統的抗衰落和干擾的能力，同時由于每個子載波的正交性，頻譜的利用率大大提高，所以非常適合衰落移動場合中的高速傳輸。經過分析發現，多載波傳輸系統的調制解調都可以利用離散傅里葉變換(Discrete Fourier Transform，DFT)實現，由于DFT有著名的快速算法FFT(Fast Fourier Transform)，使得多載波傳輸系統實現起來大為簡化。

2.2OFDM的基本原理

設OFDM系統有N個子信道，每個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。則在此系統中的N路子信號之和可以表示為

為了使這N路子信道信號在接收時能夠完全分離，要求他們滿足正交條件。在碼元持續時間內Ts任意兩個子載波都是正交的條件是:

同時，OFDM系統還運用插入大于信道時延擴展的循環前綴技術來對抗信道的干擾，運用同步等技術來保證系統的性能。

2.3OFDM的優缺點

·優點:

(1)由于 OFDM的正交頻分的特點，使得OFDM系統在窄帶帶寬下也能夠發出大量的數據;。

(2)對抗頻率選擇性衰落或窄帶干擾、多徑干擾效果較好;在多載波系統中，只有一部分載波受到干擾可通過糾錯碼來進行糾錯。并且OFDM碼元持續周期較長，能夠對抗多徑衰落。

(3)通過個子載波聯合編碼，有很強的抗衰落能力;

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

·缺點:

(1)對相位噪聲和頻偏非常敏感。相位噪聲會導致碼元星座點的旋轉、擴散，從而形成ICI。頻偏會破壞各子載波之間的正交性，導致信號失真。

(2)峰均比過大。OFDM信號是多個小信號的總和，這小小信號相位是由傳輸數據決定的。對某些數據，這些小信號可能是同相，而幅度上疊加在一起從而產生了很大的瞬時峰值幅度。這樣會增加A/D、D/A的復雜性。也會降低射頻功率放大器效率。并且，發射端放大器限制了信號的峰值，會在OFDM頻段和鄰頻段間產生干擾。

3 基于塊傳輸單載波系統

圖1是OFDM系統和單載波系統框圖的對比?？梢钥闯?，這兩種傳輸系統的區別在于OFDM在發送端進行了IFFT操作，使得各個傳輸子載波之間正交。而單載波系統是在接收端進行了FFT、頻域均衡、IFFT操作。

圖1 OFDM和單載波系統框圖

3.1 單載波塊傳輸系統

OFDM系統可以通過插入循環前綴(Circle Prefix)的方法，來使在接收端進行的頻域均衡復雜度大大降低，這也是OFDM系統的優勢之一。這是由于所插入的CP長度大于傳輸信道的沖擊響應。但CP的內容是不可確知的，這導致CP只能用作保護間隔，卻不能用作信道估計、均衡和同步，這使信道的效率降低了。于是，對于單載波系統，人們提出了用已知的訓練序列代替CP，從而克服了CP的這一弊端。這個訓練序列即UW(Unique Word)序列。

同時，單載波系統中UW的插入，可以讓線性卷積變為循環卷積，

圖2 OFDM和單載波系統幀結構

設信道沖擊響應為 hn(τ)，n=1，2，...，NT。

3.2 單載波頻域均衡技術

頻域均衡(Frequency-Domain Equalization)是利用可調濾波器的頻率特性來彌補實際信道的幅頻特性和群延時特性，使包括均衡器在內的整個系統的總頻率特性滿足無碼間干擾傳輸條件。頻域均衡滿足奈奎斯特整形定理的要求，僅在判決點滿足無碼間干擾的條件相對寬松一些。

圖3 信號經過信道和均衡器的框圖

本文主要介紹在估計理想的情況下，頻域的迫零均衡和MMSE均衡技術。

·迫零均衡(Zero Forcing)

由圖三知信號經過信道的數學模型為，信號與信道的沖擊響應進行卷積，再加入高斯白噪聲到達接收端。在接收端rn經過均衡器處理，得出dn即是我們所期望得到的信號。其時域數學表達式為:

在頻域表達式為Rp=HpSp+Wp，則迫零均衡器的頻域表達式為Vp=。信號經過均衡器后Dp=Rp·Vp。由于高斯白噪聲的存在，使得Dp只能近似等于Sp，此時需要通過信道編解碼和調制解調來使得Dp恢復為發送信號Sp。迫零均衡存在的一個缺點就是均衡器在恢復發送信號的同時，也放大了噪聲。因此迫零均衡的使用對信道估計的要求比較高，且當系統信噪比較小的時候，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的接收信號為rn=hn*sn+wn，設系統的期望信號為yn。

令均衡器頻域表達式為

3.3 系統仿真曲線

由圖4可知，當信道特性相對理想時，ZF均衡和MMSE均衡的校正特性比較相似。因此，當信道特性相對理想時，ZF均衡即可滿足系統的要求。

圖4 信道特性理想時ZF和MMSE信噪比曲線

由圖5可知，當信道特性惡劣時，MMSE均衡的校正特性明顯優于ZF均衡，因此，當信道特性惡劣時，需要運用MMSE均衡。

圖5 信道傳輸特性惡劣時ZF和MMSE信噪比曲線

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

4 總結

本文介紹了兩種克服信道多徑衰落的數據傳輸方式，OFDM多載波系統和基于塊傳輸單載波系統，對兩種系統的性能進行了分析。并著重介紹了兩種基于塊傳輸單載波系統的頻域均衡方法迫零均衡和MMSE均衡。從而說明了單載波系統的優勢，并且該技術是未來通信系統的一個重要應用。

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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，中國傳媒大學碩士研究生.E-mail:lhycuc@163.com

(責任編輯

:王謙)