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空時編碼在OFDM系統(tǒng)中的應(yīng)用

2011-05-08 02:09:26張偉崗
電子科技 2011年9期
關(guān)鍵詞:接收端載波選擇性

張偉崗,尚 宇

(西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院,陜西西安 710032)

MIMO技術(shù)在一定程度上可以利用傳播中的多徑分量,也就是說MIMO可以抗多徑衰落,但對于頻率選擇性深衰落,MIMO技術(shù)依然無能為力。而OFDM通過將頻率選擇性多徑衰落信道在頻域內(nèi)轉(zhuǎn)換為平坦信道,從而減小了多徑衰落的影響。目前解決MIMO技術(shù)中的頻率選擇性衰落的方案可以結(jié)合OFDM技術(shù),將頻率選擇性衰落轉(zhuǎn)換為子載波上的平坦衰落。另外,OFDM是4G的核心技術(shù),而OFDM提高頻譜利用率的作用有限,因此在OFDM的基礎(chǔ)上合理開發(fā)空間資源,也就是MIMO+OFDM[1],就可以成倍地提高頻譜利用率以及可靠的數(shù)據(jù)傳輸速率。

1 OFDM的系統(tǒng)原理

OFDM是一種特殊的多載波傳送方案,單個用戶的信息流被串并變換為多個低速率碼流,每個碼流都用一條載波發(fā)送。OFDM棄用傳統(tǒng)的用帶通濾波器來分隔子載波頻譜的方式,改用跳頻方式選用那些即便頻譜混疊也能保持正交的波形。因此,OFDM既可以當(dāng)作調(diào)制技術(shù),也可以當(dāng)作復(fù)用技術(shù)。OFDM增強了抗頻率選擇性衰落和抗窄帶干擾的能力。在單載波系統(tǒng)中,單個衰落或者干擾可能導(dǎo)致整條鏈路不可用,但在多載波系統(tǒng)中,只有一小部分載波會受影響。糾錯碼的應(yīng)用可以幫助其恢復(fù)一些易錯載波上的信息。

在傳統(tǒng)的并行通信系統(tǒng)中,整個系統(tǒng)頻帶被劃分為N個互不混疊的子信道,每個子信道被一個獨立的信源符號調(diào)制,即N個子信道被頻分復(fù)用。這種做法,雖然可以避免不同信道互相干擾但卻以犧牲頻帶利用率為代價,這在頻帶資源緊張的今天是不能被接受的。上世紀中期,人們提出了頻帶混疊的子信道方案,信息速率為a,并且每個信道之間距離也為a Hz,這樣可以避免使用高速均衡和抗突發(fā)噪聲差錯,同時可以充分利用信道帶寬,節(jié)省了50%。為減少各子信道間的干擾,則希望各個載波間正交。這種“正交”表示的是載波的頻率間精確的數(shù)學(xué)關(guān)系。如前所述,傳統(tǒng)的頻分復(fù)用的載波頻率之間有一定的保護間隔,通過濾波器接收所需信息。在這樣的接收機下,保護頻帶分隔不同載波頻率,使頻譜的利用率降低[2]。

1.1 OFDM原理框圖

發(fā)送端先由信源發(fā)生器隨機產(chǎn)生0和1的bit流,并且設(shè)定0和1等概分布。因為根據(jù)信息論,0和1等概是信源編碼的目的。然后進入串并變換器,bit流變成若干路并行信號。接著,QPSK調(diào)制器對每路并行的信號進行調(diào)制。隨后IFFT變換器對所有的并行信號進行IFFT運算。加入循環(huán)前綴,并且送入加性高斯白噪聲AWGN信道進行傳輸。

到達接收端后,接收端和發(fā)送端相反,先刪除循環(huán)前綴,然后對每個OFDM符號進行FFT運算。接著對每個并行的信號進行QPSK解調(diào)。最后進行并串轉(zhuǎn)換形成輸出的bit流,如圖1所示。

圖1 OFDM系統(tǒng)框圖

1.2 原理仿真

仿真結(jié)果主要受循環(huán)前綴的長度及信道信噪比等參數(shù)的影響,首先將信噪比設(shè)為10,循環(huán)前綴長度設(shè)為32,此時,無線信道中信號的多徑時延小于循環(huán)前綴的長度,接收端在恢復(fù)原信號時去掉循環(huán)前綴,消除了前一碼元多徑分量對后一碼元造成的影響。同時保持OFDM符號子載波之間的正交性,因此,信號通過白噪聲信道,解調(diào)出的波形和信源波形一致。

但當(dāng)信噪比下降為6時,符號的最大多徑時延仍然小于循環(huán)前綴的長度,消除了前一碼元多徑分量對后一碼元造成的影響,誤碼個數(shù)仍然為0。當(dāng)信噪比繼續(xù)下降,前一符號的最大多徑時延大于符號的循環(huán)前綴長度,前一碼元對后一碼元的解調(diào)產(chǎn)生了影響,使解調(diào)出現(xiàn)錯誤。當(dāng)信噪比<6 dB時,前30個信號中出現(xiàn)了誤碼,如圖2所示。

圖2 信噪比<6 dB恢復(fù)信號與原始信號對比

由圖中可以看出,接收端恢復(fù)波形時,第24個樣點出現(xiàn)了錯誤。

以上分析可知,OFDM傳輸系統(tǒng)抗傳輸多徑干擾的能力很強,只有在信道干擾十分嚴重的情況下,才會出現(xiàn)誤碼。對于最大延遲單元小于循環(huán)長度的多徑時延,均能有效地消除碼間串?dāng)_ISI。盡管如此,此時接收到信號的頻譜受到信道頻率選擇性衰減仍然嚴重,OFDM系統(tǒng)并沒有消除信道的頻率選擇性衰減,只是在解調(diào)時利用循環(huán)前綴技術(shù)將碼間串?dāng)_消除了。

2 STBC-OFDM系統(tǒng)

文中以具有代表性的兩個發(fā)射天線和一個接收天線的STBC-OFDM系統(tǒng)進行討論,結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

在t時刻,STBC編碼器的輸出為

圖3 STBC-OFDM系統(tǒng)

傳輸過程中,設(shè)系統(tǒng)理想同步,信道柯西平穩(wěn),即在每個OFDM幀的傳輸間隔內(nèi),信道衰落系數(shù)是一個常量,幀與幀之間的衰落相互獨立。設(shè)分別為t時刻,第k個頻率間隙對應(yīng)兩個信道的衰落,由于柯西平穩(wěn),有。若接收端單天線接收,則OFDM解調(diào)輸出可以表示為

2.1 編碼方式

采用四進制的QPSK調(diào)制,首先調(diào)制每一組2個信息bit,然后通過串并轉(zhuǎn)換,編碼器在每一次編碼中選擇2個調(diào)制符號x1和x2為一組,并映射到發(fā)射天線,

在兩個連續(xù)的周期內(nèi)從兩根發(fā)射天線發(fā)射出去。在第1個周期內(nèi)信號x1和x2分別從天線1和天線2發(fā)射出去,在第2個周期內(nèi)信號分別從天線1和天線2發(fā)射出去。圖4應(yīng)用立體視覺角度體現(xiàn)出系統(tǒng)是如何編碼的。

圖4 STBC-OFDM系統(tǒng)的編碼方式

2.2 系統(tǒng)仿真

基于上述系統(tǒng)模型,進行了系統(tǒng)仿真:信道總帶寬1 MHz,采用QPSK數(shù)字調(diào)試方式,兩個發(fā)射天線,一個接收天線的Alamouti空時分組編碼[3],OFDM調(diào)制的子載波數(shù)目L=128,為防止符號間干擾,每個OFDM幀加入長度為32 μs的循環(huán)前綴。兩路多徑信道相互獨立,具有相同的平均功率,均為柯西平穩(wěn)的衰落信道。在接收端,信道狀態(tài)可以理想恢復(fù)。

仿真過程:初始端256 bit數(shù)據(jù)經(jīng)過QPSK數(shù)字調(diào)制,映射成為128符號,經(jīng)空時編碼,成為兩路128符號的序列,分為經(jīng)過128個子載波的OFDM調(diào)制(128 IFFT),每OFDM幀加入冗余前綴32 bit。接收端首先去掉冗余信息,經(jīng)過128點的FFT,即完成OFDM的解調(diào),再進行解碼。仿真結(jié)果如圖5所示。

由仿真結(jié)果可以看出,STBC-OFDM系統(tǒng)的性能明顯優(yōu)于未經(jīng)空時編碼的OFDM系統(tǒng)性能。在誤碼率接近為10-2時,可獲得近4 dB的信噪比增益。對于編碼的STBC-OFDM系統(tǒng)來說,隨著接收端天線數(shù)目的增加,其性能也越來越好。這是因為隨著接收端天線數(shù)目的增加,系統(tǒng)獲得的分集增益[4]越來越大。

圖5 STBC-OFDM仿真結(jié)果與OFDM仿真結(jié)果對比

3 結(jié)束語

研究了空時分組碼在頻率選擇性衰落信道下的應(yīng)用,針對空時分組碼與OFDM技術(shù)的結(jié)合,得出未編碼的OFDM系統(tǒng)和接收端天線數(shù)目不同時STBCOFDM系統(tǒng)的仿真結(jié)果。

通過仿真可以看出空時編碼在OFDM系統(tǒng)中應(yīng)用的正確性,OFDM技術(shù)將頻率選擇性信道轉(zhuǎn)化為多個并行的非頻率選擇性衰落信道,使得在頻率選擇性衰落信道中,STBC-OFDM系統(tǒng)中的空時編碼分組碼仍然保持了在平坦衰落信道下的性能和特點,同時也使整個系統(tǒng)獲得了發(fā)射分集增益和接收分集增益,從而使編碼后的整個系統(tǒng)性能明顯優(yōu)于編碼前。

[1]薛輝,張紅.無線 M IMO系統(tǒng)中空時編碼技術(shù)研究[D].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2010.

[2]張軍,曹麗娜.現(xiàn)代通信原理與技術(shù)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2002.

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[4]薛明.MIMO-OFDM編碼技術(shù)研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2010.

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