無線多徑信道對濾波多音(FMT)調制性能的影響

1、無線多徑信道對濾波多音(FMT)調制性能的影響無線多徑信道對濾波多音(FMT)調制性能的影響類別：通信網(wǎng)絡摘要：比例了在無線多徑信道環(huán)境不同時延擴展的情況下，濾波多音（FMT）調制的誤碼率以及可達比特率性能，分析了該技術在無線環(huán)境下應用的可行性，探討FMT技術在線領域的應用環(huán)境。 關鍵詞：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、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

2、行傳輸，將使每個信道內(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)就可以有效克服信道造成的ISI，達到更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。圖1 根據(jù)劃分信道的頻譜重疊情況，可以將多載波技術分為兩類。一類是以正交頻分復用（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。另一類多載波技術是以濾波多音（FMT）調制技術為代表的子信道頻譜重疊方式。FMT技術在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

3、接入。該技術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，因此成為VDSL的物理層標準。圖2 FMT技術不局限于VDSL，也可以用于無線信道，但是到目前為止，在無線信道下FMT技術的性能研究很少。本文研究了FMT技術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調制系統(tǒng)模型 濾波多音（FMT）調制是通過濾波器組將整修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

4、（f）帶限，用一組頻率間隔相等的子載波調制到不同的子信道中，調制信號疊加以K/T的傳輸速率傳輸串行數(shù)據(jù)。在接收端，對應于載波解調制信號，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KM時，系統(tǒng)為非嚴格采樣。由圖1（b）可以看出，當KM，即系統(tǒng)為嚴格采樣時，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)性能和復雜度的折衷。 發(fā)送端輸出信號

5、x(kT/K)可以表示為： 明顯地，ai(nT)是Am(nT)的逆離散傅立葉變換（IFFT），而（4）式中的h(lMT/K+iT/K)是原型濾波器H（f）的一個多相分量。 假設信道理想，則接收端第I條路徑解調輸出信號為： 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構實現(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頻譜圖像，除了相鄰子信道間沒有保護間隔外，它與單載波頻分復用（FDD）系統(tǒng)的頻譜十分相似。但FMT與單頻波頻分復用最大的區(qū)別是：信息碼元通過串/并變換在子信道上并行

6、傳輸，增大了碼元周期。通過保證了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用（FDD）系統(tǒng)的頻譜十分相似。但FMT與單載波分復用最大的區(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。通過保證了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用技術支持更高的數(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。為了達到了各子信道頻譜嚴格帶限，原型濾波器必須放松理想重構條件的要求。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

7、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、衍射和數(shù)據(jù)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。 多徑信道模型應當能夠表示出這些失真。廳以采用線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(,t)是等效低通信道的脈沖響應。當存在大量路徑時，應用中心極限定理，c(,t)可以建模為復高斯隨機過程。假設信道是慢衰落，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(,t)可以

8、簡化為 其中，n是第n條路徑接收信號的衰減因子,n為第n條路徑的傳播延時，e-j2fcn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(t)表示惡化信號的復高斯白噪聲過程。 文中采用具有指數(shù)衰減特性的Rayleigh衰落信道模型，因為Rayleigh信道為IEEE 802.11 WLAN標準中用于比較調制方法性能的基帶信道模型。信道的脈沖響應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個子載時

9、，調制方式為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20ns300ns。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?？梢钥闯?，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號特定比特差錯概率的子信道的比特速率和。仿真得到了多徑信道下FMT系統(tǒng)的可達比特率性能如圖5所示。結果表明，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。 本文介紹了頻譜不重疊的多載波調制技術濾波多音（FMT）系統(tǒng)的構成及其高效實現(xiàn)形式?？紤]