《電子技術(shù)應(yīng)用》
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無線多徑信道對濾波多音(FMT)調(diào)制性能的影響

2008-08-21
作者:王秋瑾, 高振明, 朱維紅,

  摘 要: 比較了在無線多徑" title="多徑">多徑信道" title="多徑信道">多徑信道" title="多徑信道">多徑信道" title="多徑信道">多徑信道" title="多徑信道">多徑信道" title="多徑信道">多徑信道" title="多徑信道">多徑信道" title="多徑信道">多徑信道" title="多徑信道">多徑信道" title="多徑信道">多徑信道" title="多徑信道">多徑信道" title="多徑信道">多徑信道" title="多徑信道">多徑信道" title="多徑信道">多徑信道" title="多徑信道">多徑信道" title="多徑信道">多徑信道" title="多徑信道">多徑信道" title="多徑信道">多徑信道" title="多徑信道">多徑信道" title="多徑信道">多徑信道" title="多徑信道">多徑信道" title="多徑信道">多徑信道" title="多徑信道">多徑信道" title="多徑信道">多徑信道" title="多徑信道">多徑信道" title="多徑信道">多徑信道" title="多徑信道">多徑信道" title="多徑信道">多徑信道" title="多徑信道">多徑信道" title="多徑信道">多徑信道" title="多徑信道">多徑信道" title="多徑信道">多徑信道" title="多徑信道">多徑信道" title="多徑信道">多徑信道" title="多徑信道">多徑信道" title="多徑信道">多徑信道" title="多徑信道">多徑信道" title="多徑信道">多徑信道" title="多徑信道">多徑信道" title="多徑信道">多徑信道" title="多徑信道">多徑信道" title="多徑信道">多徑信道" title="多徑信道">多徑信道" title="多徑信道">多徑信道" title="多徑信道">多徑信道" title="多徑信道">多徑信道" title="多徑信道">多徑信道" title="多徑信道">多徑信道" title="多徑信道">多徑信道" title="多徑信道">多徑信道" title="多徑信道">多徑信道" 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  關(guān)鍵詞: 濾波多音(FMT) 多徑信道 誤碼率 可達比特率


  移動通信的發(fā)展要解決的重要問題是高數(shù)據(jù)傳輸速率" title="傳輸速率">傳輸速率、高頻譜資源利用率和功率利用率。在無線多徑衰落環(huán)境下進行高速率的數(shù)據(jù)傳輸,容易造成符號周期小于信道多徑擴展,符號間干擾(ISI)問題嚴重。多載波技術(shù)是將信道的頻帶劃分為若干條子信道,信息在每條子信道上并行傳輸。采用并行傳輸,將使每個子信道內(nèi)符號周期增加,并大于信道的記憶長度或信道多徑擴展,這樣,系統(tǒng)就可以有效地克服信道造成的ISI, 達到更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。
  根據(jù)劃分信道的頻譜重疊情況,可以將多載波技術(shù)分為兩類。一類是以正交頻分復(fù)用(OFDM)或離散多音(DMT)為代表的各子信道頻譜重疊方式。OFDM技術(shù)已經(jīng)被多個標準(IEEE802.11a、HIPERRLAN/2、DAB等)所采用,是無線通信中的研究熱點,也是相對成熟的技術(shù)。另一類多載波技術(shù)是以濾波多音(FMT)調(diào)制技術(shù)為代表的子信道頻譜不重疊方式。FMT技術(shù)在1999年首先由Giovanni Chenrubin 等人提出,用于高速數(shù)字用戶環(huán)路(VDSL)的接入。該技術(shù)可以有效地避免近端串擾(NEXT)、回聲(ECHO)和窄帶射頻干擾等問題[1],因此成為VDSL的物理層標準[2]。
  FMT技術(shù)不局限于VDSL, 也可以用于無線信道[3]。但是到目前為止,在無線信道下FMT技術(shù)的性能研究很少。本文研究了FMT技術(shù)在無線多徑信道中的信息誤碼率和可達比特率性能,分析了多徑信道對FMT系統(tǒng)性能的影響。
1 FMT調(diào)制系統(tǒng)模型
  濾波多音(FMT)調(diào)制是通過濾波器組將整個信道劃分為頻帶有限且互不重疊的子信道,用多個子載波在這些子信道上并行傳輸信息。
  如圖1所示,F(xiàn)MT發(fā)射端首先將符號周期為T的調(diào)制碼元Am(nT)經(jīng)過采樣因子為K的插值(圖1中用↑K表示),再經(jīng)過原型濾波器H(f)帶限,用一組頻率間隔相等的子載波調(diào)制到不同的子信道中,調(diào)制信號疊加以K/T的傳輸速率傳輸串行數(shù)據(jù)。在接收端,對應(yīng)子載波解調(diào)出調(diào)制信號,通過原型濾波器的匹配濾波器H*(f)后,以采樣因子L進行抽取(圖1中用↓L表示),得到符號周期為LT/K的接收碼元。通常抽取因子L取值為K,得到符號周期為T的接收碼元。
  當采樣因子K與信道個數(shù)M相等時,系統(tǒng)為嚴格采樣;當K>M時,系統(tǒng)為非嚴格采樣。由圖1(b)可以看出,當K>M,即系統(tǒng)為非嚴格采樣時,發(fā)送信號的頻譜相對于嚴格采樣時有所展寬,但這樣可以降低對原型濾波器的性能要求和實現(xiàn)復(fù)雜度。因此,在實現(xiàn)過程中可以考慮非嚴格采樣以實現(xiàn)系統(tǒng)性能和復(fù)雜度的折衷。


  發(fā)送端輸出信號x(kT/K)可以表示為[1] :
  
  記
  
  明顯地,ai(nT)是Am(nT)的逆離散傅立葉變換(IFFT),而(4)式中的是原型濾波器H(f)的一個多相" title="多相">多相分量。
  假設(shè)信道理想,則接收端第i條路徑解調(diào)輸出信號為:
  
  是原型濾波器的匹配濾波器H*(f)的一個多相分量。所以,F(xiàn)MT系統(tǒng)可以用IDFT/DFT與原型濾波器多相分量結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。當采用嚴格抽樣時,系統(tǒng)的IDFT/DFT+原型濾波器多相分量的有效實現(xiàn)框圖如圖2所示。


  僅從FMT頻譜圖看,除了相鄰子信道間沒有保護間隔外,它與單載波頻分復(fù)用(FDD)系統(tǒng)的頻譜十分相似。但FMT與單載波頻分復(fù)用最大的區(qū)別是:信息碼元通過串/并變換在子信道上并行傳輸,增大了碼元周期。通過保證子信道的符號周期大于信道的記憶長度,F(xiàn)MT系統(tǒng)比普通單載波頻分復(fù)用技術(shù)支持更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。
  由于低通原型濾波器有很好的頻譜限制,使得相鄰子載波并不重疊,因此與其他噪聲相比,可以忽略碼間干擾(ICI)的影響。為了達到各子信道頻譜嚴格帶限,原型濾波器必須放松理想重構(gòu)條件的要求。由此需要在系統(tǒng)接收端加入有效均衡以消除原型濾波器和信道引入的ISI。
2 多徑信道模型
  信號在無線信道中傳播,接收信號不僅是通過單一直射路徑得到,還包括不同路徑到達的反射、衍射和散射信號,這種現(xiàn)象稱為多徑傳播。來自不同路徑的接收信號有不同程度的幅度衰減、相位偏移和時延。這些信號到達接收機,同相疊加則幅度增強,反相疊加則幅度減小,產(chǎn)生多徑衰落,接收信號失真。
  多徑信道模型應(yīng)當能夠表示出這些失真??梢圆捎镁€性濾波器加高斯白噪聲表示多徑信道,如圖3所示。


  圖3中,c(τ,t)是等效低通信道的脈沖響應(yīng)。當存在大量路徑時,應(yīng)用中心極限定理,c(τ,t)可以建模為復(fù)高斯隨機過程。假設(shè)信道是慢衰落,即至少在一個符號傳輸間隔內(nèi)信道的脈沖響應(yīng)是平穩(wěn)的,認為每個符號傳輸間隔內(nèi)信道特性不變。由此,c(τ,t)可以簡化為
  
  其中,α n是第n條路徑接收信號的衰減因子,τn為第n條路徑的傳播延時,則表示第n條路徑引入的相位噪聲。
  圖3中,發(fā)送信號為x(t),在一個符號傳輸間隔內(nèi),等效低通接收信號y(t)為:
  
  式中w(t)表示惡化信號的復(fù)高斯白噪聲過程。
  文中采用具有指數(shù)衰減特性的Rayleigh衰落信道模型,因為Rayleigh信道是IEEE 802.11 WLAN標準中用于比較調(diào)制方法性能的基帶信道模型[4]。信道的脈沖響應(yīng)是相位服從均勻分布,幅度服從Rayleigh分布,平均功率呈指數(shù)衰減的復(fù)值采樣序列。
3 多徑信道下FMT系統(tǒng)的誤碼率性能和可達比特率性能
  在仿真實驗中,F(xiàn)MT系統(tǒng)模型采用64個子載波,調(diào)制方式為4PSK,采樣速率為20MHz,信道為具有指數(shù)衰減特性的多徑Rayleigh衰落信道模型。
  衡量多徑衰落信道的一個重要參數(shù)是均方根時延擴展Trms(root mean square delay spread),Trms可以很好地度量多徑擴展性,它表明ISI的嚴重程度。對于室內(nèi)和室外近距離信道,Trms的典型值是20ns~300ns[5]。對于不同的Trms,多徑信道下的FMT系統(tǒng)的誤碼率性能仿真結(jié)果如圖4所示。圖4中AWGN曲線是高斯白噪聲信道下根據(jù)誤碼率公式得到的誤碼率理想曲線[6]。可以看出,隨著均方根時延擴展的增加誤碼率有所下降,但是誤碼率性能與理想曲線都比較接近(在誤碼率為10-6時,均方根時延擴展為280ns時比理想的AWGN信道的信噪比損失約5dB),可以認為FMT系統(tǒng)滿足室內(nèi)及室外近距離環(huán)境下的誤碼率性能要求。


  衡量高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)性能的另一個指標是可達比特率(achievable bit rate)??蛇_比特率是指所有能夠符合特定比特差錯概率的子信道的比特速率和[3]。仿真得到的多徑信道下FMT系統(tǒng)的可達比特率性能如圖5所示。結(jié)果表明,可達比特率對時延擴展的變化不敏感,特別是當信噪比大于27dB時,不同時延擴展下的可達比特率趨于一致。


  本文分析了頻譜不重疊的多載波調(diào)制技術(shù)濾波多音(FMT)系統(tǒng)的構(gòu)成及其高效實現(xiàn)形式??紤]到無線多徑信道的信道特性,采用802.11WLAN標準中建議的具有指數(shù)衰減特性的瑞利衰落信道模型,用計算機仿真的方法給出了多徑信道對FMT系統(tǒng)的影響,比較不同時延擴展下的誤碼率性能和可達比特率性能。結(jié)果表明FMT系統(tǒng)可以應(yīng)用在無線室內(nèi)及室外近距離環(huán)境,并且在大信噪比的情況下,可達比特率受多徑時延擴展的影響很小。
參考文獻
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