肖 丹，周勝源，陳穎光，陳 英

(桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院，廣西 桂林541004)

責(zé)任編輯:薛 京

OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)具有頻譜利用率高、抗多徑干擾能力強(qiáng)、成本低等特點(diǎn)[1]，適合無線通信高速化、帶寬化和移動(dòng)化的要求，因此成為第四代移動(dòng)通信的核心調(diào)制技術(shù)[2]。然而OFDM存在較高的峰值平均功率比，使得OFDM對(duì)發(fā)射機(jī)引起的非線性扭曲非常敏感，從而需要很大的輸入功率補(bǔ)償，在很大程度上限制了OFDM的應(yīng)用[2]。針對(duì)這種情況，本文重點(diǎn)研究把OFDM信號(hào)調(diào)制到載波的頻率信息中，使OFDM已調(diào)信號(hào)變成恒包絡(luò)OFDM信號(hào)(Constant Envelope OFDM，CE-OFDM)，這樣可以將峰值平均功率比降到0 dB，從而提高功率放大器效率，大大節(jié)省功耗。而SDR把硬件作為無線通信的基本平臺(tái)，具有通用性、靈活性和開放性三大特點(diǎn)，基于軟件無線電技術(shù)的硬件開發(fā)大大節(jié)省了硬件投資并縮短了開發(fā)周期，使得這一技術(shù)成為了當(dāng)前通信的重大趨勢(shì)[3]。所以在本文中，將軟件無線電技術(shù)和恒包絡(luò)OFDM系統(tǒng)的建模仿真結(jié)合起來。

本文首先闡述基于FM調(diào)制的CE-OFDM的相關(guān)理論，并進(jìn)行相關(guān)的性能分析，然后結(jié)合軟件無線電的思想，利用System Generator開發(fā)工具[4]，對(duì)CE-OFDM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的建模和仿真。并將最終的系統(tǒng)生成位比特文件下載到小型軟件無線電開發(fā)平臺(tái)SFF SDR(Software Define Radio)中進(jìn)行硬件協(xié)調(diào)仿真，驗(yàn)證模塊的正確性。

1 OFDM的PAPR分析

與單載波系統(tǒng)相比，由于OFDM是多個(gè)子載波調(diào)制信號(hào)的疊加和，所以當(dāng)相位一致時(shí)，多個(gè)獨(dú)立的經(jīng)過調(diào)制的子載波信號(hào)疊加之和很大，從而產(chǎn)生很大的幅值功率，由此會(huì)帶來較大的峰值平均功率比，簡(jiǎn)稱峰均比(Peak to Average Power Ratio，PAPR)[5]。

式中:sn表示經(jīng)過OFDM調(diào)制(也就是經(jīng)過IFFT變換)以后的信號(hào)。假設(shè)數(shù)據(jù)符號(hào)的最大幅度為Amax，每個(gè)符號(hào)的平均能量為，則OFDM的PAPR為

由上述分析表明:隨著N的增大，PAPR也會(huì)增大。

2 恒包絡(luò)OFDM原理

2.1 恒包絡(luò)OFDM的基本特征

由于恒包絡(luò)OFDM是把OFDM信號(hào)調(diào)制到幅度恒定的載波信號(hào)中，所以可以把恒包絡(luò)OFDM信號(hào)看成是OFDM信號(hào)通過角度調(diào)制映射到單位圓上[6]，如圖1所示。

圖1 恒包絡(luò)OFDM的波形映射

由圖1可以看出，OFDM的瞬時(shí)功率變化很大，而CE-OFDM的瞬時(shí)功率是恒定不變的，也就是說它的功率峰值和平均功率都為一個(gè)常數(shù)[6]。恒包絡(luò)OFDM與OFDM的瞬時(shí)功率對(duì)比如圖2所示。

圖2 恒包絡(luò)OFDM與OFDM的瞬時(shí)功率比

假設(shè)數(shù)據(jù)符號(hào)的最大幅度為Amax，每個(gè)符號(hào)的平均能量為σ2x，N表示符號(hào)長(zhǎng)度，Ng是循環(huán)前綴長(zhǎng)度，在此設(shè)計(jì)中，選擇的IFFT點(diǎn)數(shù)為64點(diǎn)，循環(huán)前綴為它的1/4，則OFDM和CE-OFDM的PAPR值如表1所示[5]。

表1 OFDM和CE-OFDM的PAPR比較

從表1可知，隨著M的增加，PAPR也增大，這就限制了OFDM頻譜利用率的增加。而不管采用哪種調(diào)制方式，CE-OFDM的PAPR恒為0 dB。這就表明，這種調(diào)制方式可以徹底解決OFDM的高PAPR的問題，從而避免OFDM的輸入功率補(bǔ)償問題，提高功放效率。

2.2 恒包絡(luò)OFDM的基本特征

與一般FM的區(qū)別是，在軟件無線電中，所有的信號(hào)處理都是數(shù)字的，所以必須先把調(diào)制信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理，即進(jìn)行采樣后再進(jìn)行正交FM調(diào)制。FM信號(hào)的一般表達(dá)式[7]為

式中:kf為調(diào)頻靈敏度(rad/(s·V));A，wc分別代表載波的振幅和角頻率;x(τ)為調(diào)制信號(hào)。結(jié)合軟件無線電的思想，把式(3)中的積分運(yùn)算轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)值積分。具體方法為:將積分區(qū)間[a，b]進(jìn)行n等分，xk=kh，h=，可得

將源信號(hào)x(τ)進(jìn)行數(shù)值積分帶入式(3)中，并且展開可得

綜上所述,主動(dòng)教學(xué)法用于臨床護(hù)理教學(xué)的有效性顯著,可以顯著提升實(shí)習(xí)生護(hù)理操作能力,對(duì)于實(shí)習(xí)生的多元化能力有著較為突出的培養(yǎng)作用,值得推廣和應(yīng)用。

式中:x(n)是m(n)的相關(guān)函數(shù)，x(n)=f(m(n))[8]，m(n)為OFDM已調(diào)信號(hào)，且有

3 基于軟件無線電的恒包絡(luò)OFDM的方案分析

CE-OFDM是恒包絡(luò)調(diào)制技術(shù)和正交頻分復(fù)用技術(shù)的結(jié)合，它是一種基于信號(hào)變換的技術(shù)。簡(jiǎn)要地說，即在發(fā)射機(jī)端，把OFDM信號(hào)調(diào)制在FM信道中，使得OFDM信號(hào)變成恒包絡(luò)信號(hào)(CE-OFDM)，在接收端，先對(duì)信號(hào)進(jìn)行相反的處理，恢復(fù)出原信號(hào)。CE-OFDM系統(tǒng)框圖如圖3[8]所示。

圖3 CE-OFDM系統(tǒng)框圖

要傳輸?shù)脑夹盘?hào)首先映射為M，然后通過快速傅里葉逆變換(IFFT)完成OFDM調(diào)制(通過快速傅里葉變換(FFT)完成OFDM解調(diào))，使數(shù)據(jù)從頻域變到時(shí)域，得到OFDM已調(diào)信號(hào)m(n)，為了匹配FM發(fā)射機(jī)，再把m(n)進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理得到x(n)以后，用來調(diào)制中心頻率為fc的載波的頻率，得到FM已調(diào)信號(hào)Z(t)。通過射頻進(jìn)行發(fā)送，在接收端接收到的信號(hào)為R(t)，然后在接收端進(jìn)行與發(fā)送端相反的處理，恢復(fù)出原始信號(hào)[9]。圖中，s(n)為FM接收機(jī)解調(diào)信號(hào)，nw為FM接收機(jī)輸出的高斯白噪聲信號(hào)，M'為OFDM輸出的解調(diào)信號(hào)。

在對(duì)OFDM進(jìn)行角度調(diào)制之前，為使OFDM與FM調(diào)制器相匹配，必須對(duì)OFDM信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。首先，因?yàn)镺FDM是基帶調(diào)制，輸出的信號(hào)頻譜很寬，為了限制信號(hào)帶寬，以防止信號(hào)通過帶限系統(tǒng)時(shí)引起碼間串?dāng)_，先把OFDM信號(hào)經(jīng)過基帶成形濾波器，消除帶外雜散。其次，由于在進(jìn)行FM調(diào)制時(shí)，必須匹配FM調(diào)制器采樣率，所以成形以后的OFDM信號(hào)要進(jìn)行內(nèi)插處理，在此，采用CIC濾波器內(nèi)插濾波，匹配FM的采樣率，使得混頻器兩端的采樣率保持一致。另外，為了有效地利用頻譜資源，要把最大頻偏限制在一定的范圍內(nèi)，所以O(shè)FDM已調(diào)信號(hào)峰值也要限制在一定的范圍內(nèi)，以保證最大頻偏范圍。而這個(gè)處理過程必然會(huì)帶來非線性畸變，從而使得OFDM信號(hào)產(chǎn)生ICI和帶外頻譜的增加。為了使得非線性畸變對(duì)后續(xù)處理的影響達(dá)到最小，在信號(hào)處理時(shí)，必須保證CR(Clip Ratio)＞CF(Crest Factor)[8]，其中，CR=，CR表示非線性處理引入的畸變程度，AC是OFDM已調(diào)信號(hào)非線性處理以后的最大值，σX為OFDM信號(hào)的均方根值。

同理，在接收端要進(jìn)行相應(yīng)的逆處理，以恢復(fù)出OFDM信號(hào)。

4 基于軟件無線電的恒包絡(luò)OFDM的建模仿真

根據(jù)對(duì)恒包絡(luò)OFDM調(diào)制解調(diào)相關(guān)理論的研究分析，可以得到恒包絡(luò)OFDM的調(diào)制解調(diào)框圖如圖4所示，仿真波形如圖5所示。

為了進(jìn)行對(duì)比分析，分別對(duì)第1路信號(hào)和第3路信號(hào)進(jìn)行不同的延時(shí)。如圖5所示:第1路信號(hào)為進(jìn)行OFDM調(diào)制之前的I路信號(hào)，第2路信號(hào)為OFDM解調(diào)之后的I路信號(hào)。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，調(diào)制解調(diào)前后的信號(hào)基本一致，但是因?yàn)镺FDM在進(jìn)行FM調(diào)制解調(diào)的過程中，存在上采樣、下采樣以及濾波器等數(shù)據(jù)處理過程，所以，解調(diào)以后的幅度與調(diào)制之前相比有很小的偏差。但是在QAM判決過程中，這種偏差會(huì)消除，使得最終信號(hào)可以無失真地恢復(fù)出來。圖中第3路信號(hào)是發(fā)送端的原始二進(jìn)制碼元，第4路信號(hào)是經(jīng)過恒包絡(luò)OFDM系統(tǒng)后最終解調(diào)出來的碼元，對(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩路信號(hào)基本一致，仿真結(jié)果表明該系統(tǒng)能正確地完成恒包絡(luò)OFDM的調(diào)制解調(diào)，較好地完成設(shè)計(jì)目的。

當(dāng)OFDM的子載波采用64QAM調(diào)制時(shí)，CE-OFDM調(diào)制前后64QAM星座圖如圖6～圖8所示。

圖6為64QAM調(diào)制星座圖，信號(hào)精準(zhǔn)地映射在±1，±3，±5，±7處。圖7是載波頻偏使得星座圖發(fā)生旋轉(zhuǎn)。圖8為加入循環(huán)前綴和信道均衡措施以后解調(diào)出來的信號(hào)。從圖8可以看出，解調(diào)出來的信號(hào)比較準(zhǔn)確地收斂在64個(gè)點(diǎn)上，但是與發(fā)送端相比，有一定的發(fā)散。所以在后續(xù)工作中可以采取前向糾錯(cuò)、自動(dòng)增益控制、開關(guān)分集技術(shù)、噪聲控制、預(yù)加重、去加重等方法來提高OFDM在FM信道中傳輸時(shí)的BER[10]。

5 小結(jié)

本文主要利用Xilinx與MATLAB聯(lián)合開發(fā)工具System Generator，對(duì)OFDM和恒包絡(luò)調(diào)制技術(shù)進(jìn)行聯(lián)合調(diào)制解調(diào)的建模仿真，并在Xilinx公司的Spartan-6系列XC6SLX150芯片實(shí)際加載運(yùn)行，證明聯(lián)合算法設(shè)計(jì)完全可以支持恒包絡(luò)OFDM的調(diào)制解調(diào)，該算法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定、性能可靠，易于更改和升級(jí)，并且完全解決了傳統(tǒng)OFDM的高PAPR的問題。

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