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    基于多頻帶OFDM超寬帶通信系統(tǒng)性能的仿真研究

    2013-08-14 11:21:52楊玉蘭
    河南科技 2013年4期
    關(guān)鍵詞:超寬帶頻帶載波

    謝 丹 楊玉蘭

    (1.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河南 鄭州 450000;2.河南經(jīng)貿(mào)職業(yè)學(xué)院,河南 鄭州 450000)

    1 引言

    超寬帶(UWB)是近年來進入公眾視野并逐漸引起關(guān)注的一種無線傳輸技術(shù)。它具有傳輸速率高、系統(tǒng)容量大、功耗和成本較一般系統(tǒng)低等特點,被視為短距離、高速無線連接最具開發(fā)潛力的物理層技術(shù)之一。2002年美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)對民用UWB作了如下定義:凡是中心頻率大于2.5GHz,10dB帶寬大于500MHz或者頻寬載頻比大于20%的系統(tǒng)均可以稱作超寬帶系統(tǒng)。

    目前超寬帶UWB物理層技術(shù)標(biāo)準存在兩種主流方案,單載波UWB(Direct Sequence UWB)和多頻帶UWB(MB OFDM UWB)。其中多頻帶UWB是利用現(xiàn)有成熟的跳頻技術(shù)與OFDM相結(jié)合,具有較高的頻譜利用率、較強的抗干擾性等優(yōu)異性能已獲得絕大多數(shù)廠商的支持。本文詳細闡述了多頻帶OFDM技術(shù)的基本原理和系統(tǒng)模型,在IEEE802.15.3a推薦的四種情況下的信道模型下,通過MATLAB仿真了MB-OFDM系統(tǒng)性能曲線,并給出了仿真結(jié)果。

    2 多頻帶UWB系統(tǒng)

    2.1 多頻帶UWB系統(tǒng)原理

    FCC將超寬帶MB OFDM系統(tǒng)的7500MHz頻段劃分為分為14個子頻帶,每個子頻段帶寬為528MHz,數(shù)據(jù)符號在每個子頻帶上經(jīng)過OFDM調(diào)制后進行傳輸。同時,F(xiàn)CC還規(guī)定了每個子頻帶的載波數(shù)和每個MB OFDM符號長度:其中MBOFDM發(fā)射系統(tǒng)使用的子載波信道數(shù)為128個,通過QPSK調(diào)制方式;每個符號長度定位為312.5ns,包括了60.6ns的循環(huán)前綴(CP)和9.5ns的保護間隔(GI),這樣是為了進一步降低信道間干擾。

    2.2 多頻帶UWB系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    MB-OFDM系統(tǒng)是一個采用OFDM和FH機制相結(jié)合的多載波UWB系統(tǒng)。從圖1、圖2可以看出,MB-OFDM系統(tǒng)發(fā)送接收結(jié)構(gòu)與OFDM系統(tǒng)相類似,只是FFT的長度、子載波間隔等具體參數(shù)不同。另外,F(xiàn)CC對UWB系統(tǒng)功率限制在41.3dBm,因此只能采用QPSK調(diào)制方式,一方面可以以較低的輻射功率保證傳輸?shù)目煽啃?,另一方面也弱化了MB-OFDM系統(tǒng)的峰均比問題。

    3 IEEE802.15.3a 標(biāo)準信道模型

    由于超寬帶信號頻帶極寬,因此其信道模型不同于一般的無線衰落信道。IEEE標(biāo)準化組織802.15.3a工作組于2003公布了UWB室內(nèi)信道建模的最終建議,被稱為改進的S-V信道模型。目前,該信道模型己經(jīng)得到廣泛的認可,并成為各研究機構(gòu)進行超寬帶系統(tǒng)性能仿真的公開信道平臺。

    該模型的時域沖激響應(yīng)可以表示為:

    其中,X是代表信道幅度增益的對數(shù)正態(tài)隨機變量,αi,k是第i簇中第k條路徑的系數(shù),Ti是第i簇的到達時間,τi,k是第i簇中第k條路徑的時延。

    根據(jù)式(1)所描述的數(shù)學(xué)模型,IEEE802.15.3a工作組給出了四種典型應(yīng)用環(huán)境下的模型參數(shù)值,其中CM1對應(yīng)的是0~4米的視距(LOS)環(huán)境,CM2是0~4米的非視距(NLOS)環(huán)境,CM3是4~10米非視距(NLOS)環(huán)境,CM4是極限NLOS多徑信道。圖3分別仿真了CM1至CM4環(huán)境下信道模型的沖激響應(yīng):

    從圖中可以看出,CM1信道第一條多徑分量傳輸?shù)哪芰孔罡?,而CM2、CM3和CM4信道一樣,時間彌散性較CM1來說越來越嚴重,但最強峰值都不是出現(xiàn)在第一條路徑,這是NLOS情況下發(fā)射機和接收機之間有障礙物的典型結(jié)果。

    4 多頻帶UWB系統(tǒng)仿真

    在多頻帶UWB系統(tǒng)仿真中,系統(tǒng)子載波用QPSK調(diào)制方式,每個子頻帶的載波數(shù)目為128。圖4是一個MB-OFDM基帶信號時域的仿真波形,從圖中我們可以看出MB-OFDM符號周期內(nèi)包括9.5ns的保護間隔和60.6ns的循環(huán)前綴,總符號長度為312.5ns。

    圖5是在CM1~CM4四種信道環(huán)境下,MB-OFDM UWB系統(tǒng)的誤碼率性能曲線。從圖中看出,CM1信道性能最好,CM2與CM3性能比較接近,而CM4為極端多徑信道,性能有較大惡化。

    5 小結(jié)

    本文結(jié)合MATLAB仿真軟件,深入研究了IEEE802.15.3a標(biāo)準信道模型下MB-OFDM系統(tǒng)性能,并對整個基帶傳輸系統(tǒng)進行建模和仿真。通過仿真研究可以看出,采用不同的信道環(huán)境得到不同的系統(tǒng)性能,環(huán)境越差,系統(tǒng)性能越差。但是MB-OFDM UWB系統(tǒng)由于多載波調(diào)制,一個主要缺點就是存在高峰值平均功率比(PAPR)問題,因此,采用一定的技術(shù)來降低MB-OFDM信號的峰均比將成為新的研究熱點。

    [1]李長青,UWB-OFDM系統(tǒng)中若干關(guān)鍵技術(shù)的研究,北京郵電大學(xué)博士學(xué)位論文,2006.

    [2]張新躍,沈樹群。OFDM技術(shù)在UWB系統(tǒng)中的應(yīng)用及前景展望。數(shù)據(jù)通信,2004,5-1

    [3]蔣婷婷,UWB多徑信道分析與MB-OFDM系統(tǒng)的信道仿真,上海大學(xué)碩士學(xué)位論文,2007

    [4]尹長川,羅濤,樂光新。多載波寬帶無線通信技術(shù)[M].北京郵電大學(xué)出版社,2004.

    [5][意]Maria-Gabriella Di Benedetto;Guerino Giancola著;葛利嘉,朱林,袁曉芳,陳幫富等譯.超寬帶無線電基礎(chǔ)[M],電子工業(yè)出版社,2005

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