石成鋒，文 鴻，任 松，黎 彪

（湖南工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，株洲 412007）

1 引言

隨著無(wú)線系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，頻譜作為一種有限資源面臨日益短缺的現(xiàn)狀，超寬帶技術(shù)為解決這一問(wèn)題提供了新的思路[1]。超寬帶系統(tǒng)中的多帶正交頻分復(fù)用（MB-OFDM，Multi-Band Orthogonal Frequency Division Multiplexing）， 具有發(fā)射功率低、保密性好、速率高，抗多徑衰落強(qiáng)的特點(diǎn)[2]。但超寬帶系統(tǒng)存在與窄帶用戶因?yàn)轭l率共用產(chǎn)生互干擾的問(wèn)題[3]。如何解決這一問(wèn)題引起了研究者的高度關(guān)注。當(dāng)前解決UWB通信系統(tǒng)互干擾問(wèn)題主要包括以下方法：動(dòng)態(tài)優(yōu)化塊傳輸方法[4]，其在信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)制、串并轉(zhuǎn)換后，將數(shù)據(jù)模塊通過(guò)封裝函數(shù)處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)頻譜的整形，但這一方法增加了發(fā)射機(jī)的復(fù)雜度和設(shè)計(jì)成本。積極干擾消除AIC算法[5]，在被法定用戶占用的頻段信道兩邊定義一種對(duì)應(yīng)的子信道，通過(guò)引入算法使定義的兩個(gè)通道上傳輸?shù)男畔⒌窒噜忀d波頻譜泄露對(duì)法定用戶產(chǎn)生的干擾。AIC算法會(huì)增大信號(hào)功率譜的波紋抖動(dòng)，對(duì)窄帶用戶正常通信造成干擾。子載波補(bǔ)零法[6]，在信號(hào)的離散傅立葉逆變換（IFFT）變換之前，使與窄帶用戶存在頻率重疊的子載波不攜帶通信信號(hào)，產(chǎn)生頻譜凹槽。這種方法易于實(shí)現(xiàn)，但頻譜利用率低，降低相互干擾的效果有限[7]。

本文重點(diǎn)研究基于改進(jìn)的時(shí)域加窗法來(lái)提高M(jìn)B-OFDM UWB系統(tǒng)的抗干擾能力問(wèn)題。在發(fā)射機(jī)端數(shù)模轉(zhuǎn)換之后加入改進(jìn)的時(shí)域升余弦窗函數(shù)。利用改進(jìn)的升余弦窗的時(shí)域特性，濾除可能存在相互干擾頻段的波形，對(duì)MB-OFDM UWB信號(hào)進(jìn)行頻譜整形。通過(guò)仿真比較原始MB-OFDM UWB信號(hào)和加窗情況下信號(hào)的功率譜密度（PSD，Power Spectral Density）、星座圖，驗(yàn)證改進(jìn)的時(shí)域加窗可以降低MB-OFDM UWB系統(tǒng)與窄帶系統(tǒng)的相互干擾。

2 改進(jìn)的時(shí)域加窗MB-OFDM UWB系統(tǒng)模型

如圖1所示，與一般的OFDM符號(hào)生成方式類似，取不同的符號(hào)長(zhǎng)度，循環(huán)前綴及保護(hù)間隔等系統(tǒng)參數(shù)，可以產(chǎn)生MB-OFDM UWB信號(hào)。根據(jù)FCC對(duì)UWB信號(hào)的定義，MB-OFDM系統(tǒng)可以使用3.1～10.6GHz的頻段，將這之間的7.5GHz頻段劃分成14個(gè)帶寬為528MHz的子頻帶，同時(shí)把這14個(gè)子頻帶分為5組，前面4個(gè)帶組每個(gè)含有3個(gè)子頻帶，第五組含有2個(gè)子頻帶。這些子頻帶使用正交頻分復(fù)用技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)[8]。

圖1 改進(jìn)的時(shí)域加窗MB-OFDM UWB系統(tǒng)發(fā)射機(jī)框圖

雖然FCC將3.1～10.6GHz之間的頻段分配給UWB，但是4.8GHz以上頻率總鏈路容限的提高不大，會(huì)加大系統(tǒng)的復(fù)雜度和設(shè)計(jì)成本[9]。因而目前業(yè)界主要使用的是第1帶組中的3168～4752MHz三個(gè)子頻帶，并將其作為標(biāo)準(zhǔn)的操作模式（模式1）。MB-OFDM必須能夠支持標(biāo)準(zhǔn)操作模式[10]。MB-OFDM方案?jìng)鬏敺绞讲捎玫氖菚r(shí)頻交織技術(shù)，即傳輸信息在每個(gè)帶組的三個(gè)不同子頻帶之間交織，如圖2所示。

圖2 MB-OFDM時(shí)頻交織示意圖

信源信號(hào)首先經(jīng)過(guò)信道卷積編碼和交織等處理，然后進(jìn)行QPSK調(diào)制，將比特?cái)?shù)據(jù)映射成基帶信號(hào)，再經(jīng)過(guò)串并變換，將高速串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成低速并行數(shù)據(jù)，然后通過(guò)IFFT模塊處理，保證載波間的正交性，加入前導(dǎo)序列和保護(hù)間隔，之后經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換，調(diào)頻處理，發(fā)送到UWB信道中，在接收端通過(guò)相反的過(guò)程將信源信號(hào)解調(diào)出來(lái)，完成MB-OFDM UWB系統(tǒng)的信號(hào)傳輸過(guò)程[11]。每個(gè)MB-OFDM信號(hào)由N個(gè)正交的子載波組成，被N個(gè)子載波調(diào)制成N路并行的數(shù)據(jù)流，經(jīng)過(guò)串并變換和星座映射后可以得到N路離散子信號(hào)Xk（k=0，1，…，N-1），令T為MB-OFDM信號(hào)的符號(hào)持續(xù)時(shí)間，從t=ts開(kāi)始的OFDM輸出信號(hào)時(shí)域上表示為：

如果用Re（.）表示取函數(shù)的實(shí)部，NB表示MB-OFDM UWB系統(tǒng)實(shí)際使用的子頻帶數(shù)，fn表示第n個(gè)子頻帶的中心頻率，經(jīng)過(guò)快速傅里葉逆變換產(chǎn)生第n個(gè)子頻帶OFDM符號(hào)的復(fù)基帶信號(hào)，持續(xù)的時(shí)間為（0-Ts）。則MB-OFDM信號(hào)的時(shí)域表示為：

MB-OFDM UWB系統(tǒng)通過(guò)將高速傳輸數(shù)據(jù)的頻率選擇性衰落信道轉(zhuǎn)換成低速并行傳輸數(shù)據(jù)的平坦衰落信道，能有效克服多徑效應(yīng)和符號(hào)間干擾。為了滿足頻譜高效使用和避免與窄帶用戶產(chǎn)生相互干擾，要求對(duì)MB-OFDM信號(hào)波形進(jìn)行頻譜整形，使其靈活適應(yīng)任何頻譜要求。待傳輸?shù)臒o(wú)線信號(hào)經(jīng)過(guò)信道編碼交織后，接著經(jīng)過(guò)QPSK調(diào)制，IFFT處理加入循環(huán)前綴，確保各載波間的正交性。引入改進(jìn)的窗函數(shù)能加大頻譜旁瓣的抑制，降低帶外能量輻射對(duì)窄帶系統(tǒng)的干擾。由于MB-OFDM UWB系統(tǒng)為多載波信號(hào)傳輸系統(tǒng)，其頻譜分量較多，頻譜特征復(fù)雜，它的波紋抖動(dòng)和頻譜泄露相對(duì)其他窗函數(shù)都較小，選取改進(jìn)的升余弦窗作為窗函數(shù)。經(jīng)過(guò)IFFT模塊處理后的信號(hào)加入前導(dǎo)序列和保護(hù)間隔，再將加入保護(hù)間隔序列的MB-OFDM信號(hào)與改進(jìn)的升余弦窗函數(shù)相乘，形成了發(fā)射機(jī)待傳輸?shù)男盘?hào)。

根據(jù)UWB系統(tǒng)的要求可以確定不同的滾降系數(shù)。隨著β取值增大，功率譜密度的旁瓣抑制加強(qiáng)，MB-OFDM信號(hào)對(duì)窄帶用戶的干擾越??；從另一方面來(lái)看，滾降系數(shù)β越大，傳輸?shù)腗B-OFDM信號(hào)中插入的前導(dǎo)序列和保護(hù)間隔的時(shí)間間隔會(huì)變小，這樣會(huì)加大系統(tǒng)的時(shí)延擴(kuò)展和碼間串?dāng)_影響通信質(zhì)量。w（t）為改進(jìn)的升余弦窗函數(shù)，當(dāng)Ts≤t≤（1+β）Ts這里選用β為1/20。在t0時(shí)刻加入改進(jìn)的升余弦窗后MB-OFDM信號(hào)的表達(dá)式為：

式中，Xm為分配的各子載波的數(shù)據(jù)符號(hào)；為子信道的頻帶寬帶；（1+β）Ts為加窗后的MB-OFDM符號(hào)長(zhǎng)度；Ym為重疊頻段的窄帶數(shù)據(jù)符號(hào)。相鄰的符號(hào)間有βTs個(gè)符號(hào)重疊。為滿足子載波間的正交性，通過(guò)加改進(jìn)的升余弦窗有效濾除UWB頻譜旁瓣，產(chǎn)生更深的頻譜凹槽，對(duì)窄帶系統(tǒng)能量輻射減小，同時(shí)也降低了窄帶系統(tǒng)對(duì)MB-OFDM UWB系統(tǒng)的干擾，從而提高M(jìn)B-OFDM UWB系統(tǒng)抗干擾能力。

3 仿真與分析

下面通過(guò)仿真對(duì)MB-OFDM UWB信號(hào)進(jìn)行分析，設(shè)定IFFT點(diǎn)數(shù)為512個(gè)，原始載波數(shù)為220，每個(gè)子載波所含的符號(hào)數(shù)為40個(gè)。滾降系數(shù)設(shè)定為1/20，本系統(tǒng)采用QPSK調(diào)制。仿真得到MB-OFDM系統(tǒng)信號(hào)的功率譜密度圖，仿真結(jié)果為圖3所示。

圖3（a）為未作處理的原始MB-OFDM信號(hào)，圖3（b）為改進(jìn)的時(shí)域加窗的信號(hào)功率譜密度。加改進(jìn)的升余弦窗后可以發(fā)現(xiàn)，MB-OFDM信號(hào)頻譜旁瓣的衰減加快，衰減幅度由-29dB下降到-47dB，衰減幅度較大，說(shuō)明圖3（b）旁瓣的功率輻射比圖3（a）小，較原始MB-OFDM UWB信號(hào)衰減幅度有較大提升。說(shuō)明采取改進(jìn)的時(shí)域加窗方法，發(fā)射信號(hào)的帶外頻譜抑制加強(qiáng)，有效降低了UWB系統(tǒng)干擾。

圖3 MB-OFDM信號(hào)的頻譜密度圖

圖4為MB-OFDM系統(tǒng)信號(hào)的星座圖，圖4（a）為未作改進(jìn)的原始MB-OFDM信號(hào)星座圖，圖4（b）為改進(jìn)的時(shí)域加窗MB-OFDM信號(hào)的星座圖。由星座圖可以看出此時(shí)系統(tǒng)性能，在對(duì)應(yīng)的點(diǎn)上圖4（a）的星座圖受到干擾較大，與理想情況下的矢量點(diǎn)偏離較遠(yuǎn)，誤碼率也較高。圖4（b）的星座點(diǎn)分布較集中，系統(tǒng)性能有一定改善。兩圖比較可以看出，在相同的系統(tǒng)參數(shù)下，改進(jìn)的時(shí)域加窗函數(shù)可以提高系統(tǒng)調(diào)制性能，有效降低UWB系統(tǒng)的干擾。說(shuō)明改進(jìn)的時(shí)域加窗方法比未作處理的UWB系統(tǒng)穩(wěn)定性更高，抗噪聲能力更強(qiáng)。

圖4 MB-OFDM信號(hào)的星座圖

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)MB-OFDM UWB系統(tǒng)與窄帶系統(tǒng)的互干擾問(wèn)題，本文提出了在MB-OFDM UWB系統(tǒng)發(fā)射機(jī)端引入改進(jìn)的時(shí)域加窗方法，實(shí)現(xiàn)降低MB-OFDM UWB系統(tǒng)與窄帶系統(tǒng)相互干擾并改善系統(tǒng)調(diào)制性能的目標(biāo)。根據(jù)子載波數(shù)和無(wú)線信道中的符號(hào)數(shù)等系統(tǒng)參數(shù)決定采用改進(jìn)的升余弦窗。改進(jìn)的時(shí)域加窗方法同原始MB-OFDM信號(hào)相比能加大頻譜旁瓣的抑制，系統(tǒng)的調(diào)制性能和穩(wěn)定性也較好。仿真結(jié)果驗(yàn)證了改進(jìn)的時(shí)域加窗函數(shù)能有效增強(qiáng)MB-OFDM UWB系統(tǒng)抗干擾性能。

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