F-OFDM通信系统的多子带可变滤波器设计

林榅财 凌朝东

（华侨大学信息科学与工程学院,福建 厦门 361021）

1 引言

OFDM编码技术以其频谱利用率高、实现简单、易于与MIMO结合等优点,目前已被广泛应用于4G LTE以及WIFI无线保真等通信网络中[1]。但是传统的OFDM系统存在着带外泄漏高。要求严格同步,以及整个带宽仅支持一种波形参数等诸多缺点。未来5G通信的编码方式需要依据不同的业务需求,灵活快速地选择适合的波形参数,以最小的消耗满足最大的需求,且对4G无线网络具有良好的兼容性[2]。

为了满足上述要求,需进一步改进现有技术。本文基于原OFDM技术,介绍一种自适应软件定义的空口技术,即基于F-OFDM的可变子载波宽带接入技术。F-OFDM编码技术将通信信道分为一系列相互正交的子带,各子带进行不同类型的滤波处理,降低带外泄漏[3]。本文在优化设计基于FOFDM信道编码的移动通信系统的基础上,使用MATLAB进行仿真验证,实验表明,F-OFDM系统能够有效降低带外频谱泄漏,提高系统性能。

2 F-OFDM通信系统的总体架构

F-OFDM总体工作原理如图1所示。

图1 F-OFDM系统的下行链路结构图

从图1可以看到,在下行链路中,首先根据子载波间隔宽度,进行资源映射,从某个载波开始,给用户分配载波资源；然后完成IFFT和加循环前缀(CP)操作；接着对各子带滤波并发射出去,在接收端经过相反的过程,最后进行信号检测。各子带相互独立传输,子带滤波模块对各子带滤波处理,使得子带间互不重叠,同时在每个子带间预留较小的保护带来避免相互干扰[4]。

F-OFDM系统与OFDM系统的最大不同之处在于增加了子带滤波[5]。通过子带滤波,可以有效地削弱各子载波间的影响,从而F-OFDM系统可在两方面对原有的OFDM系统进行改进:一是可以根据不同的数据传输要求对各子载波添加不同的CP；二是可以节省保护带开销,将这部分保护带用于信息的传输,提升系统的数据传输效率。

3 F-OFDM通信系统发射部分

这一部分主要包括训练序列的生成,子载波的映射,导频插入,IFFT/FFT,添加循环前缀和子带滤波六部分。虽然发射机已有训练序列,但是F-OFDM符号还存在随时间积累的剩余频偏,影响系统接收端的解调性能。故需在子载波间插入导频信号,对接收到的符号相位进行同步跟踪[6]。为了对抗多径效应,降低符号间干扰（ISI）和信道干扰（ICI）,需在F-OFDM符号间插入保护间隔（GI）,且保护间隔的长度一般要高于实际信道的时延[7]。这里重点介绍子载波映射和子带滤波。

3.1 子载波映射

根据设计要求,将通信信道划分为两个相邻的子带。然后将划分出来的两个子带分别分配30和15个正交子载波。然后求出它们各自点数和符号长度,设置保护带宽度。在时域中两子带的采样频率都为30.72MHz。本文设计的实例中,子带1和子带2的子载波间隔f1和f2分别为15KHz和30KHz。设子带1的子载波数目为M1,若将2048个总子载波数目进行编号,且编号为[Kmin,Kmax],那么Kmin和Kmax的取值范围是[-1023,1024]。以子带1的子载波间隔为间距的保护载波数目为N1,子带2的子载波数为M2,并以子带2的子载波间隔作为间距的保护子载波数目为N2,其映射关系如图2所示。由于两子带带宽都是720KHz,根据子载波的间隔可以得到M1=48,M2=24。

图2 两子带映射成相邻子带的子载波映射关系

图3 快速傅里叶变换滤波结构

保护子载波数目越大,对滤波器过渡带的要求越低,从而可以减少子带滤波器的资源占用,但是频率资源浪费也越多。根据映射关系,可以求得子带2的子载波编号是:

上式中,Kmax+N1为偶数。由于滤波器的系数是低通原型滤波器系数与调制系数相乘得到的,所以需设计因果低通滤波器,其设计方法主要有窗函数法和频率抽样法等。

3.2 overlap-save子带滤波

滤波器的设计和实现是F-OFDM通信系统的核心问题,也是本文研究设计的重点。子带滤波的设计采用窗函数法即:

本次采用MATLAB的滤波器设计工具filter Designer来实现。窗函数的选择需要在时域局域化和通带内的平坦度之间进行折中,Hamming窗因主瓣宽度较窄,且对改善频谱泄漏有很好的效果,所以子带1的滤波器选用Hamming窗,设计好FIR滤波器后导出其系数。由3.1节分析知,子带1的中心频率可以表示为:

子带2的中心频率可以表示为:

设h(k)为滤波器系数,由子带映射关系,可以求得子带1的滤波器系数表达式为:

子带2的滤波器系数表达式为:

求出滤波器系数后,采用FFT快速傅里叶变换处理,实现overlap-save可变子带滤波器结构。其FPGA实现的硬件架构可分为5个部分,分别为数据缓存模块、FFT处理模块、复数乘法器模块IFFT模块和输出缓存模块,其总体架构如图3所示。

4 F-OFDM通信系统接收部分的同步检测

F-OFDM通信系统接收需要对传输信道进行估计,从而对数据进行矫正[8]。接收机在准确解调出有用信号之前,需要在信道噪声和衰弱的情况下迅速识别出发射的信号,对接收信号进行频偏补偿,降低信号的ICI。同步检测是接收机的第一个工作模块,主要有载波采样时钟同步和帧同步,FOFDM符号中的训练序列就是协助接收机完成同步检测而设计的。同步检测算法如图4所示。

图4 同步检测算法图

其中,P模块为延时模块的自相关,C模块自相关的结果。将C模块进行能量计算后,与P模块能量进行归一化,就可以得到判决变量Mn。其中

D为延迟16个周期时钟,L为接收的数据长度。延时D个时钟的自相关能量为

所以判决变量mn为

可以看到,同步检测的正确与否与mn的选定有很大的关系,且受噪声的影响较大,因此在实际中,我们可以提高mn的门限值或者提高延迟相关算法的保持时间。同步检测之后,还需要进行信道估计与均衡以应对多径衰弱效应,这里不一一赘述。

5 系统测试链路及其仿真

建立如图5所示的F-OFDM仿真链路,并在Matlab上建立链路并仿真。通过开关的开闭可以将系统设置成两子带F-OFDM和单子带OFDM链路。其中F-OFDM子带链路也有不同的调制模式,如QPAK,16QAM,64QAM,不同的保护子载波数目和码元速率等等。

图5 F-OFDM仿真链路

图6 子带1增加滤波器前后频谱图

(1)设置子带1、2都采用QPSK调制,turbo编码速率分别为1/2和1/3,保护子载波数目都为0,采用EPA信道得到如图6所示的频谱,其中黄线和蓝线分别表示OFDM和F-OFDM系统子带1的频谱图。从图中可以明显地看出,与OFDM相比,增加子带滤波以后,对带外频谱泄漏的抑制效果显著。

(2)设子带1的调制方式为QPSK,编码速率为1/2,子带2为16QAM调制,速率为1/3。同时设置子带1和子带2的子载波数目分别为0和1,衰弱信道模型选择EPA。在信噪比为15分贝的条件下,得出如图7所示的功率谱密度曲线。

图7 子带1和子带2滤波前后功率谱密度

在频率为1MHz处,子带1滤波后带外衰减降低了大约13dB,而子带2的带外抑制更加明显。此时子带的数据传输误块率（BLER）为0,表明了本设计的可行性。进一步地,分析OVERLAP-SAVE可变子带滤波器性能,在不同链路参数条件下测得接收端子带1的性能曲线,如图8所示。

图8 不同条件下子带1的BLER性能

其中,曲线1,2的N1和N2分别为2,0；曲线3,4的N1和N2分别为0,1；曲线5,6的N1和N2分别为0,2。从中可以看到,在QPSK和16QAM调制方式下,F-OFDM和OFDM的BLER性能基本相同。但是在64QAM调制下差异明显,在相同BLER的情况下,Eb/Eo的差异小于1/2dB,验证了FOFDM的性能。

6 结论

本文在现有OFDM的基础上,提出了基于子带滤波的正交频分复用,即F-OFDM编码技术,并在MATLAB上仿真对比了不同条件下系统的性能,结果表明,F-OFDM可以有效地降低带外泄漏,降低频谱的保护带开销,提高频谱利用率。且在相同条件下,F-OFDM的BLER性能要好于OFDM编码技术。仿真结果表明,本文的通信系统优化方法具有一定的现实意义。

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