MB-OFDM-UWB 系统的研究与仿真分析.doc

精品论文mb-ofdm-uwb 系统的研究与仿真分析王鑫，王传瑞 中国矿业大学信息与电气工程学院，徐州（221008） e-mail：摘要：多频带ofdm(正交频分复用)已作为支持高速、低功率和点对点无线通信uwb的重 要解决方案。通过介绍多频带ofdm系统的原理, 给出了仿真模型的统计特征和信道样本， 并对多频带ofdm 的uwb系统进行仿真研究。在matlab7.0平台上建立了一个完整的mb-ofdm-uwb无线通信系统信道模型。基带处理部分所有参数都严格按照ieee802.15.3a协议的规定进行设置，仿真模型的设计也完全按照fcc和ieee802.15.3a协议的规定，并给出 了发射和接收系统的模型。通过仿真得到的基带接收信号的功率谱和接收机信号分布以及信 道响应仿真图，得出mb-ofdm-uwb系统工作稳定,接收信号准确,并且能在短时间内减小功耗。关键词：多频带ofdm；uwb；仿真；信道1. 前言超宽带技术(uwb)又被称为脉冲无线发射技术,根据美国联邦通信委员会(fcc)的定义, 是指在 3.1g-10.6g 频段内占用 10db 带宽大于 500mhz 的无线发射方案1。它不需载波,能 直接调制脉冲信号,产生带宽高达几 ghz 的窄脉冲波形,其带宽远远大于目前任何商业无线 通信技术所占用的带宽。在应用方面,它能为无线局域网和个域网的接入技术提供低功耗、 高带宽且易于实现的底层技术支撑,便于实现 wlans,wans,wpans 和 wbans 的互联,建立 可兼容的全 ip 网络。2. 多频带 ofdm-uwb 系统目前,国际上主要的 uwb 设计方案有直接序列 ds-uwb 和多载波 ofdm-uwb 方案。 多载波 ofdm-uwb 系统将频带分成带宽大于 500m 的子带,在子带上进行信息处理2。图 1 和图 2 是 mb-ofdm-uwb 发射接收机基本原理框图。从框图中可以清楚看到系统发射接收 机的工作流程。在 mb-ofdm 系统中,ofdm、跳频、时间扩展、频率扩展和信道编码有机 的结合在一起进行高效的远程通信,并且能在同一地区进行多路传输。图 1 mb-ofdm-uwb 发射机基本原理框图- 5 -图 2 mb-ofdm-uwb 接收机基本原理框图2.1 多频带 ofdmofdm 是一种多载波传输的特殊例子,它允许子载波在频率上重叠却不会相互的干扰。 可靠的通信来源于传输序列平行下高吞吐量和多脉冲结合。多频带 ofdm 采用频率编码脉n冲序列 p(t ) ,表示为: p(t ) = s(t nt )en =1( j 2 c ( n ) 1 )tc（1）其中,s(t) 为基本脉冲,脉冲持续时间ts t ,ts 为基本脉冲的持续时间, t 为子载波信号的周期,p(t ) 的持续周期tp = nt ,每个脉冲经频率 fn = c(n) / tc 调制,c(n) 为排列整数1,2,n。 公式(2)如下:tp0 ( p(t) exp( j2 kf0t )( p(t) exp( j 2 kf0t )dt = exp( j (k m) f0ts ) sin c(k m) f0ts )（2）k采用公式(2),很容易证明每个调制脉冲 p (t ) = p(t )e j 2 kf0t ,k= 1,2,n相互正交3。2.2 跳频多频带 ofdm 的基础就是跳频与 ofdm 技术的结合。ofdm 受 par(峰均值比)的影响, 如果 par 过高将增加了发射机设计的难度并且降低了功率放大器的效率,因此,引入了跳频。 根据 fcc 分配,整个 3.1 到 10.6ghz 的带宽被分成多频带,在跳频的作用下根据不同带宽进行 信号发射。跳频后,系统带宽能占到高达 7.2ghz,而在 ofdm 信号的子载波仅有 4.125mhz4。2.3 扩展为了更好的应对信道衰减,引入两种扩展方式:时扩和频扩。在时扩中,相同的 ofdm 信号 通过不同带宽发射,然后聚集于接收机;在频扩中,在相同的 ofdm 信号下,qpsk 数据通过两 个子载波进行发射5。他们包含相同的 qpsk 信号,然后被分离在各自的频率信道中进行独 立的衰减。这两种方式可选择性的利用或结合来获取一个理想的数据速率。2.4 编码已被普遍认可的 ofdm 系统5,即使有扩展技术做辅助,也不能在可选频率信道提供可靠 的无线通信,对于 uwb 通信中的 snr(信噪比)尤为明显,因此它需要和一些信道编码进行结 合,来形成编码 ofdm(cofdm) 6。3. simulink 仿真模型根据以上的发射接收机原理,下面介绍多频带 ofdm-uwb 的一种基于 ieee802.15.3a 标 准,发射接收机 simulink 仿真模型。此模型支持 7 组数据速率(55480mb/s),最高速率可达200mb/s。ofdm 信号通过跳频的形式来发射。并且此模型能为最高数据速率和最高跳频模 式捕捉到端对端物理层。模型主要参数设置:射频传输带宽 528mhz,跳频(3 子带,分别以3.43,3.96,4.49ghz 为中心),编码速率(r=5/8),调制方式为 qpsk,ofdm 传输(128 点 ifft, zero-dc),每个 ofdm 有效载荷(100 个)。信道模型采用 intel 公司提供并且被 ieee802.15.3a 采用的 uwb 信道 matlab 编码。 图 3 为发射机 simulink 模型,此模型将 qpsk 信号的载荷转换为大量的 ofdm 信号(每个对 应 165 采样点)传输到发射机前端。图 4 为接收机 simulink 模型,由于 ofdm 包含更多的信 号处理,故将经历以下四个过程:循环处理,fft,信道估计/补偿,时间扩展并且前两者有效的减 小了多径现象。信道估计/补偿子系统采用了一种较为简单且经济相位补偿方法。这种方式 避免的复杂的设计,保证了大量分割输出保持在一个较小的动态范围内7 8。图 3 一种 mb-ofdm-uwb 系统发射机仿真系统模型图 4 一种 mb-ofdm-uwb 系统接收机仿真系统模型4. 仿真结果分析uwb 有 4 种信道,这里以信道 1 为模型,初始化信道 snr 一个较大的值(60db),以便于减 小干扰误差。图 5 与图 6 分别表示基带接收信号的功率谱和接收机的信号分布图。图 5 基带接收信号的功率谱图 6 接收机信号分布图大量信号从 ofdm 发射机发射出时,近似按照多径频率选择衰减的特性来进行9。ofdm 的动态范围为 30db 左右,发射机发射的信号通过不同频带进行发射,从上图可以清晰 的看到接收机信号分布图呈分布均匀的 x 状,也证明了多频带 ofdm-uwb 接收机系统的稳 定性和准确性。此仿真系统对应的信道响应,以 uwb1,2 信道为例,图 7 为 uwb 信道 1,2 的 响应仿真图,可以看到在 10ns 的时候,功率衰减趋于零,在短时间内达到减小功耗的效果。5. 结论图 7 uwb 信道 1,2 的信道响应仿真图mb-ofdm-uwb 方案采用将整个频带划分为若干子频带的方式，能够在小得多的带宽上处理信息，具有多载波调制的诸多优点，可以有效对抗多径传播带来的符号间干扰(isi), 对频率选择性衰落信道具有很好的鲁棒性(robustness),而且频谱利用率很高、可以有效减小 接收机的复杂度等。通过仿真研究,可以看出多频带 ofdm-uwb 系统具有较高稳定性与准 确性,并且在短时间内减小功耗,提高频谱利用率。因此 mb-ofdm-uwb 是一类十分适合多 径传播环境的超宽带方案。参考文献1 刘吕龙. 超宽带无线通信系统的研究与建模 硕士学位论文. 中国矿业大学电子图书馆, 西安理工大 学,2006.2 张冬梅;饶 俊等.基于 ofdm 的 uwb 系统研究j.现代电子技术,通信与信息技术,2007(7).3 邹小龙;卢晓春等.多频带-正交频分复用超宽带系统的研究与仿真j.时间频率学报,2007.12(2).4 李长青.uwb-ofdm 系统中若干关键技术的研究博士学位论文.中国矿业大学电子图书馆,北京邮电大 学.2006.10.5 周 余;杨万全.多频带 ofdm-uwb 系统的仿真研究j.信息技术,2006(10).6 martin clark;mike mulligan;dave jackson and darel linebarger.accelerating fixed-point design formb-ofdm uwb systemsj.the mathworks,26,2005(3:24 h).7 john mccorkle and gregg rasor.comparing the fading characteristics of short-pulse uwb to long-pulse multi-band ofdm uwb provides a dramatic contrastj.wireless net designline, january 08,2008.8 jeff foerster and qinghua li.ieee p802.15 working group for wireless personal area networks(wpans).intel research and development,june 24,2002.9 khiam-boon png;xiaoming peng; suttinan chattong.joint carrier and sampling frequency offset estimation for mb-ofdm uwb system j.2008 ieee radio and wireless symposium,rws,2008,p 29-32.the study and simulation of mb-ofdm-uwb systemwang xin, wang chuan-ruicumt, school of information and electric engineering, xuzhou (221008)abstractmultiband orthogonal frequency divison multiplexing(mb-ofdm) has been considered as apro-minent solution for ultra wideband(uwb) technology supporting high speed, low-power and point-to-point wireless communications. this paper introduced the principle of the mb-ofdm system, gives the statistical characteristics and some pulse responses of the mb-ofdm-uwb channel,and studied the mb-ofdm-uwb system. a complete mb-ofdm-uwb wireless communication system channel model has been establishment on matlab7.0. all of the baseband processor parameters were set strictly according to ieee802.15.3a agreement, the simulation model was designed fully in accordance with the fcc and ieee802.15.3a agreement, and gives the transmitting and receiving system model. the graphs of the baseband signal and power spectrum signal receiver , as well as distribution channel in response by simulation showed that this systemworks very steadily, and receivesthe signals correctly , meanwhile it