中图分类号:TN911 文献标识码:A 文章编号:1009-2552(2007)04-0009-04
宽带传输方案SC-FDE系统与OFD M系统的比较 唐海慧，葛万成
(同济大学电子与信息工程学院，上海200092)
摘 要：采用ADS仿真软件对OFDM系统和SC-FDE系统进行了仿真实现，对这两个系统的结构和性能进行了对比，分析了两个系统对功率放大器的要求。仿真结果表明，综合这两个系统优点的双模式系统将会是一个技术上更为优越的宽带传输方案。 关键词：正交频分复用；单载波；频域判决反馈均衡；频域线性均衡 Comparison between SC-FDE system and OFDM system
in broadband communication
TANG Hai-hui,GE Wan-cheng
(School of Electronic and Inform atio n Engineering,Tongji University,Shanghai200092,China) Abstract:
With help of ADS soft w ar e tool,the OFDM system and SC-FDE system are implemented and simulated.Their structures and perfor mances are compared.Their requirements for the linearity of power amplifiers are analyzed.The simulation results show that the dual mode system based on the two systems will be the better broadband communication system.
信道均衡Key words:OFDM;SC;frequency domain decisive feedback equalization;frequenc y domain linear equa-lization 0 引言
无线通信领域的发展，从早期的模拟蜂窝系统，到现在的数字蜂窝系统、无线局域网(Wireless LAN)接入以及未来的3G和4G系统，无线通信系统正以迅猛的技术进步为用户提供了越来越高速、可靠的无线接入服务。
为了满足无线多媒体和高速率数据的要求，需要开发新一代的无线通信系统———宽带无线通信系统。IE EE802委员会于1999年成立了802.16工作组来专门开发宽带无线标准。该工作组主要负责为宽带无线接入接口及其相关功能制定标准。2001年3月颁布的建议方案802.16.3c建议单载波频域均衡系统(SC-FDE)和正交频分复用(OFD M)系统作为频段在11GHz以下的宽带无线接入的物理层模式。802.16a标准建议了2GHz～11GHz频段之间的宽带无线接入采用SC,OFD M和OFDMA三种技术作为
物理层的传输模式。
目前OFD M技术是减小无线通信中码间干扰的主要方法。OFDM技术其实是多载波调制技术的一个分支。但是,OFDM系统存在对定时误差、载频同步误差比较敏感和大的峰均功率比(PAPR)等不足，直接影响了OFDM技术的更大规模应用。
频域均衡技术的单载波传输技术SC-FDE是另外一种解决宽带无线通信系统中的码间干扰问题的方案。SC-FDE有效地结合了OFDM和单载波传输的优点,SC-FDE系统具有较强的克服频率选择性衰落的能力，并克服了OFDM系统的不足。如果SC-FDE系统在频域均衡后与时域判决反馈均衡相结合，可以增强系统抗多径干扰的能力。
本文研究分析两个系统的特点，通过对这两个系统的仿真实现，总结各自的优缺点。并对基于这两个系统的双模式系统应用前景进行了展望。
收稿日期:2006-09-20
基金项目：本文受到德国罗德与施瓦茨公司资助
作者简介：唐海慧(1982-)，女，同济大学硕士研究生，主要从事信号与信息处理方面的研究。
DOI:10.13274/j ki.hdzj.2007.04.003
1 OFD M 传输系统和SC -FDE 传输系统
1.1 OFDM 系统
OFDM 技术是一种频谱部分重叠的多载波调制技术，其主要原理是：将串并变换后的信道分成许多正交子信道，在每个子信道上进行窄带调制和传输，这样减少了子信道之间的相互干扰，提高了频谱利
用率。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的频率选择性衰落是平坦的，大大消除了符号间干扰。另外，由于采用IFFT 和FFT 方法，大大降低了OFD M 的应用复杂性。
(1)OFD M 系统的结构OFDM 系统结构如图1所示
。
图1 OFD M 系统结构图
OFD M 物理层的信道编码由随机化、向前错误
纠正(FE C )、交织这3个步骤组成。经过比特交织之后，二进制数据进入星座映射器。经过星座映射后的数据随后调制到所分配的数据载波上。OFDM 物理层是以OFDM 调制为基础的，也适应于NLOS 范围内的操作。
(2)OFDM 系统的优缺点
与传统的FDM 系统相比,OFDM 系统中，各子载波上的信号频谱是相互重叠的，提高了频带利用率。同时系统可以通过选择载波间的最小间隔使这些载波在整个符号周期上正交。这样即使载波信号频谱上存在重叠，也能无失真地进行信号复原。
OFDM 系统把高速数据流通过串 并变换，使得每个子载波上的数据符号持续时间长度相对增加，从而有效地减少了由于无线信道的时间弥散带来的I SI ，减小了接收机内均衡的复杂度。
无线数据业务一般存在非对称,OFD M 系统可以通过使用不同数量的子信道来实现上行与下行链路中不同的传输速率。
同时,OFDM 系统也存在一些缺点。第一，由于
OFDM 技术区分各个子信道的反法是利用各个子载波之间的严格正交性。频偏和相位噪声会使各个子载波之间的正交特性恶化。因此,OFD M 系统对载波频率偏移和相位噪声都很敏感，这就要求接收机采用相位系数更小的调谐器和其他模拟器件以实现精确的载波频率同步，提高了系统的成本。第二，由于传输的OFDM 信号是大量慢速调制子载波的和，即使是在每个子载波上使用比较简单的QPSK 调制,OFDM 系统依然拥有很高的均值峰值功率比。因此这就要求发射机的功率放大器有更宽的线性范围，降低了射频功率放大器的功率效率。1.2 SC -FDE 系统
(1)SC -FDE 系统的结构
SC -FDE 技术是宽带无线传输中一种很有前途的抗干扰的方法，它将传统的单载波传输接收端的均衡结构由时域均衡变为频域均衡。SC -FDE 系统发送的是调制后的高速率单载波信号，接收端通过FFT 和IFFT 变换来实现频域均衡，实际上是对接收信号的频域分析。SC 系统的结构如图2所示，使用N 点FFT 变换和有N 个抽头系数的频域均衡器
。
图2 SC -FDE 系统结构框图
(2)SC -FDE 系统的特点
SC -FDE 具有与OFDM 近似的性能，且有效地结合了OFDM 技术和普通单载波传输的优点，弥补了OFDM 的不足，其主要特点有：第一，由于使用了普通的单载波调制方法，降低了峰均功率比及对载波频率偏移和相位噪声的敏感性，较之于OFDM 系统可以放宽对接收机模拟元器件的约束。第二，在信道时延扩展很长的情况下，也能获得与OFDM 系统近似的性能。其计算复杂度与OFD M 相当，比单载波时域均衡系统低得多。
SC -FDE 技术是在原有的单载波调制技术基础上发展而来的，而原有的单载波调制技术已经很成熟了，这为SC -FDE 技术的发展和应用奠定了坚实的基础。
2 SC -FDE 系统与OFDM 系统的仿真与比较
OFDM 和SC -FDE 系统的计算复杂度与信道延
迟扩展的对数成正比。两种系统都采用分组传输，并且都利用CP ，在频域实现对信道的均衡。CP 的基本功能也是相同的，即消除ISI ，变线性卷积为循环卷积。
从上文分析，可以看出SC -FDE 系统和OFDM 系统在结构上的主要区别:OFD M 系统中,IFFT 模块在发送端，使数据符号调制在子载波上，实现频分复用；在SC -FDE 系统中,IFFT 模块在接收端，把完成频域均衡的信号变换回时域中。在使用同样长度的DFT 数据块长度时，两种系统单纯从信道均衡能力
角度而言是等效的。但是他们之间存在本质的区别:OFDM 系统接收判决是在不同子载波频率上独立完成的，因此对于那些位于深度幅度衰落处的载波做出的判决是不太可靠的。这种技术不能被用于受到时变多径衰减影响的信道，这时在信号频谱不同区域中频繁产生的随机误差需要通过强大的误差纠错编码技术来克服。这也是很多OFDM 都是采用信道编码(Coded OFDM )的原因。
在频率选择性衰落信道中,OFDM 系统的性能对码率的选用很敏感。SC -FDE 系统实际上有效减轻了OFDM 系统的这个不足：一旦在频域完成信道均衡运算以后，信号就会被变换回时域。接收判决是基于在整个信道带宽上传输的信号功率进行的，即系统的SNR 值也是相对于整个信道带宽上的平均SNR 而言的。因此，信号频谱上的深凹口对SC -FDE 系统的影响比OFDM 系统要小，即在多径衰落信道中,SC -FDE 系统比不编码的OFD M 系统性能优异。如果使用编码，在低码率和中码率时,OFDM 系统和采用线性均衡的SC -FDE 系统性能相似，而在高码率时，后者性能更好。
SC -FDE 系统没有OFDM 系统的高PAPR 和高频偏敏感性问题。非自适应OFDM 系统必须通过编码才能使性能最优，而SC -FDE 可以不用编码就能对抗频率选择性问题。
在相同的性能指标下,OFDM 系统比SC -FDE 系统对功率放大器的线性度要求更高。图3显示了QPSK 调制下,OFDM 系统和SC -FDE 系统的功率放
大器输出功率
。
图3 OFDM 系统和SC -FDE 系统功放输出比较
图3(1)是一个QPSK 调制256点OFDM 系统的功率放大器输出功率谱:(a )理想功率放大器(无限功率后退);(b )典型的有10dB 功率后退的功率放大
器;(c )多信道微波分布式系统(MMDS )的FCC 频谱遮罩。图3(2)是一个QPSK 调制256点的SC -FDE 系统的功率放大器输出功率谱:(a )理想功率放大器(无限功率后退);(b )典型的有10dB 功率后退的
功率放大器;(c )MMDS 的FCC 频谱遮罩。
两个系统都使用256点FFT 运算,OFD M 系统中有25%的子载波不使用,SC -FDE 系统中有25%
的额外带宽。图3中也表示了理想功率放大器的输出功率频谱情况以及6MHz 带宽的多信道微波分布式系统(MMDS )的FC C 频谱遮罩。从这个例子可以很明显地看到OFDM 系统的输出功率必须退避大于
10dB 才能符合FCC 遮罩的要求。因此，在相同的性能指标下,OFDM 系统比SC -FDE 系统对功率放大器的线性度要求更高。
下面再看一下两个系统的仿真比较。利用Agi -lent 公司提供的ADS 仿真软件进行SC -FDE 系统的模型构建，仿真采用的参数：信源发送速率为10Mb s ，帧长度为512，信道为SUI -5信道，噪声为加性高斯白噪声,UW 是长度为64的Chu 序列，编码为RS -C C 联合编码、RS 编码(N =255,K =239,T =8)、卷积编码(速率为1 2，长度为7)，调制方式为QPSK ,16-QAM ,64-QAM 。
对于OFD M 系统，同样按照802.16a 协议中建议的参数选取仿真系统参数：信源发送速率为10Mb s ，每一帧长度为512。信道采用SUI -5信道，第二径和第三径的时延分别为4μs 和10μs ，噪声为加性高斯白噪声。OFDM 系统采用导频辅助的估计方法，每一个OFDM 符号插入32个导频，采用FFT 运算点数为512。两个系统分别采用不同的调制方式进行仿真，得到图4
。
图4 不同调制方式下SC -FDE 系统和OFD M 系统的比较
其中,FD -LE 代表SC 的线性均衡,FD -DFE 代表SC 的反馈均衡,MFB 代表有匹配滤波器且无
码间干扰的理想系统。
由图4可以看出，在QPSK 调制时，在误比特率为1e -3时，判决反馈均衡(FD -DFE )比OFDM 系
统约好0.8dB ，判决反馈均衡(FD -DFE )比线性均衡(FD -LE )系统约好1.5dB 。在16-QAM 调制时，在误比特率为10e -3时，判决反馈均衡(FD -DFE )比OFDM 系统约好0.4dB ，判决反馈均衡(FD -DFE )比线性均衡(FD -LE )系统约好2.5dB 。在64-QAM 调制时，在误比特率为10e -3时，判决反馈均衡(FD -DFE )和OFDM 系统有相当的性能，判决反馈均衡(FD -DFE )比线性均衡(FD -LE )系统约好3.5dB 。
3 结束语
通过仿真实现，在结构与性能等方面比较分析了SC -FDE 系统和OFDM 系统。两个系统在硬件方面的主要不同是在IFFT 运算模块的位置上，但在使用相同的FFT 数据块长度时，信号处理的计算复杂度基本上是一样的。这两个系统在系统结构上的相似性为两种系统共存创造了条件。IEEE802.16.3c 提出了一种双模式方案：上行链路采用SC -FDE ，下行链路采用OFDM ，通过“软切换”IFFT 模块的位置，就可以同时支持OFDM 和SC -FDE 。双模式系统把IFFT ,FFT 等复杂度高、功耗大的模块尽量放在基
站，降低了客户端的硬件复杂度和功耗，另外，客户端采用单载波发射，发射信号峰均小，因此可以采用低成本功率放大器。这样高效地发挥两种技术的优势，在宽带无线通信中将有更广阔的应用前景。参考文献:
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责任编辑：肖滨
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