多载波通信系统的性能研究

文 谭鸽伟

引言

在下一代移动通信中，正交频分复用（OFDM）技术是关键技术。正交频分复用的基本原理是将高速数据流通过串并变换分为若干窄带的低速数据流，并将这些低速数据流分别放在若干相互正交的子信道上进行传输，这样就使得系统中码元周期变长，能够克服无线信道中频率选择性衰落的影响。但在OFDM中必须加入循环前缀，这样就浪费了系统的传输功率和传输带宽。

而基于小波包变换的正交复用系统因其不需要加循环前缀，从而具有更高的频谱利用率而备受关注。此外，小波变换具有时频局部性，其时域、频域正交，主、副瓣功率相差45dB，在不加窗的情况下就能很好地抑制频谱旁瓣，从而减少了符号间干扰的影响。本文从抗干扰性能、频谱利用率、峰均比等方面研究多载波系统的性能。

系统组成

OFDM系统中，传送的比特信息先进行QAM映射、串/并变换，之后是用IFFT变换进行调制、并/串变换并插入保护间隔，最后送入信道中传输。在接收端先去掉保护间隔，之后进行串/并变换，用FFT变换进行OFDM解调，经过并/串变换和QAM解映射之后就可以恢复出原始的比特信息。

OWPM系统中，原始数据经过QAM映射之后，进行串并变换后，再经小波包重构，这一过程相当于将数据调制到各个小波包函数波形上，之后经过上变频发送出去。相应的在接收端进行逆过程，先对接收到的信号下变频，再对信号做小波包分解，这一过程相当于进行数据解调，对分解后的信号做并串变换，之后对信号解映射还原出原始数据。

图3.1 两系统高斯白噪声下的误码率比较

图3.2 多径信道条件下误码率比较

多载波通信系统的性能研究比较

1、抗干扰能力及仿真

在OFDM与OWPM系统中，干扰分为同一子信道上的符号间干扰（ISI）以及不同子信道间干扰（ICI）。OFDM系统利用插入循环前缀可以很好的减小ISI以及信道中多径效应带来的ICI。在OWPM系统中，同一子信道中用来调制信息的是小波包函数在同一分解节点处的不同移位，因为在同一分解节点处小波包函数间是平移正交的，所以，天然的具有减小ISI的优点。

在Matlab中对这两个系统的抗干扰能力进行仿真分析。

图3.1是OWPM系统和OFDM系统在信道中只存在加性高斯白噪声时的误码性能。从图中可以看出，在信噪比处于（-20～2dB）时，OWPM系统的误码性能要优于OFDM系统。当信噪比处于（2～10dB）时，OWPDM系统的误码性能略差于OFDM系统，但两者差距不大。这表明，当信道中的背景噪声很大、信道通信条件很差时，OWPM系统比OFDM系统更具有实用价值。

图3.2是OWPM系统和OFDM系统在不存在多普勒频移的多径信道中的误码性能。其中多径信道中的信道参数为[1，0，0.2，0.3]，这表示信道中存在4条路径，其中直达路径的幅度衰减因子为1；第二条路径时延为1个码元时长，幅度衰减因子为0；第三条路径时延为两个码元时长，幅度衰减因子为0.2；第四条路径时延为3个码元时长，幅度衰减因子为0.3。由图中我们可以看出，OWPM系统的抗多径性能要比OFDM系统强，在误码率为10-1时能获得大约3dB的信噪比增益。

2、频谱利用率及仿真

OFDM相对于FDM技术的优势是利用各子信道间的频谱交叉重叠来提高频谱的利用率，节约频率资源。但是因为Fourier滤波器的主副瓣功率差仅为13dB，如果接收端相邻子信道之间不能保持正交，就会产生很严重的信道间干扰。所以OFDM技术在实际应用中，通常会插入一些不传输数据的虚载波，以克服子信道间的干扰。当采用db5小波作为调制解调基函数时，小波滤波器幅频响应的主副瓣功率差25dB，主瓣能量更加集中，不需插入循环前缀，节约了频率资源。当采用db10小波作为调制解调基函数时，滤波器的主副瓣功率相差近40dB，随着小波基支撑长度的增加，主副瓣能量越集中，能获得更高的频谱利用率。

3、峰均比特性比较

OFDM系统采用一组具有周期性的余弦函数作为正交基，各子载波出现同相的概率很大，系统具有较大的峰均比，但OWPM系统选用一组非周期，波形不规则的小波包函数作为正交基，所以，各子载波达到同相的概率很小，所得到信号的峰均比会比较低。

结论

OWPM系统相比于OFDM系统在多个方面具有更加优异的性能。虽然说OFDM技术已经获得了大规模的应用，但在某些特定的领域，如电力线通信领域，OWPM系统由于其良好的抗窄带干扰能力正越来越受到人们的重视，而且随着频谱资源的日益紧缺，OWPM系统不需要插入循环前缀以及高频谱利用率的优点一定能获得工业界的青睐。