单载波系统与OFDM比较及均衡技术研究

兰海洋，徐伟掌，余心乐

(中国传媒大学广播电视数字化教育部工程研究中心，北京 100024)

单载波系统与OFDM比较及均衡技术研究

兰海洋，徐伟掌，余心乐

(中国传媒大学广播电视数字化教育部工程研究中心，北京 100024)

介绍OFDM与基于块传输单载波通信系统的技术对比，以及单载波系统的关键技术频域均衡的两种算法。由于单载波系统传输时加入了UW(Unique Word)符号，使其在接收端的频域均衡技术大大简化。它与多载波OFDM通信系统相比较有相似的抗干扰性能和较小的峰均比特性，是对未来通信系统多载波传输的一个有利补充。

单载波;OFDM;频域均衡

1 引言

未来无线通信系统是一个高速率、大容量系统。传输信道相对于有线和卫星信道，无线信道的信道特性是非常恶劣的，主要表现为多径衰落。多径衰落会使信号产生码间干扰，严重影响通信的可靠性。IEEE在2003年4月提出的IEEE 802.16a标准，规定了正交频分复用(OFDM)系统和单载波频域均衡(SC-FDE)系统两种克服多径衰落的传输模式。本文将对两种传输模式的性能进行对比分析，同时给出了两种单载波频域均衡的性能对比。

2OFDM通信系统

2.1OFDM 简介

OFDM正交频分复用系统是一种多载波传输技术。OFDM的基本思想是将串行的数据并行地调制在多个正交的子载波上，这样可降低每个子载波的码元速率，增大码元的符号周期，提高系统的抗衰落和干扰的能力，同时由于每个子载波的正交性，频谱的利用率大大提高，所以非常适合衰落移动场合中的高速传输。经过分析发现，多载波传输系统的调制解调都可以利用离散傅里叶变换(Discrete Fourier Transform，DFT)实现，由于DFT有著名的快速算法FFT(Fast Fourier Transform)，使得多载波传输系统实现起来大为简化。

2.2OFDM的基本原理

设OFDM系统有N个子信道，每个子信道采用的子载波为

式中:Bk为第k路子载波的振幅，它受基带码元的调制;fk为第路子载波的频率;φk为k第路子载波的初始相位。则在此系统中的N路子信号之和可以表示为

为了使这N路子信道信号在接收时能够完全分离，要求他们满足正交条件。在码元持续时间内Ts任意两个子载波都是正交的条件是:

同时，OFDM系统还运用插入大于信道时延扩展的循环前缀技术来对抗信道的干扰，运用同步等技术来保证系统的性能。

2.3OFDM的优缺点

·优点:

(1)由于 OFDM的正交频分的特点，使得OFDM系统在窄带带宽下也能够发出大量的数据;。

(2)对抗频率选择性衰落或窄带干扰、多径干扰效果较好;在多载波系统中，只有一部分载波受到干扰可通过纠错码来进行纠错。并且OFDM码元持续周期较长，能够对抗多径衰落。

(3)通过个子载波联合编码，有很强的抗衰落能力;

(4)频谱利用率高。各个子载波之间是正交的，节省频谱资源(省去了各子信道隔离带所占用的频谱资源)。

·缺点:

(1)对相位噪声和频偏非常敏感。相位噪声会导致码元星座点的旋转、扩散，从而形成ICI。频偏会破坏各子载波之间的正交性，导致信号失真。

(2)峰均比过大。OFDM信号是多个小信号的总和，这小小信号相位是由传输数据决定的。对某些数据，这些小信号可能是同相，而幅度上叠加在一起从而产生了很大的瞬时峰值幅度。这样会增加A/D、D/A的复杂性。也会降低射频功率放大器效率。并且，发射端放大器限制了信号的峰值，会在OFDM频段和邻频段间产生干扰。

3 基于块传输单载波系统

图1是OFDM系统和单载波系统框图的对比。可以看出，这两种传输系统的区别在于OFDM在发送端进行了IFFT操作，使得各个传输子载波之间正交。而单载波系统是在接收端进行了FFT、频域均衡、IFFT操作。

图1 OFDM和单载波系统框图

3.1 单载波块传输系统

OFDM系统可以通过插入循环前缀(Circle Prefix)的方法，来使在接收端进行的频域均衡复杂度大大降低，这也是OFDM系统的优势之一。这是由于所插入的CP长度大于传输信道的冲击响应。但CP的内容是不可确知的，这导致CP只能用作保护间隔，却不能用作信道估计、均衡和同步，这使信道的效率降低了。于是，对于单载波系统，人们提出了用已知的训练序列代替CP，从而克服了CP的这一弊端。这个训练序列即UW(Unique Word)序列。

同时，单载波系统中UW的插入，可以让线性卷积变为循环卷积，

图2 OFDM和单载波系统帧结构

设信道冲击响应为 hn(τ)，n=1，2，...，NT。

3.2 单载波频域均衡技术

频域均衡(Frequency-Domain Equalization)是利用可调滤波器的频率特性来弥补实际信道的幅频特性和群延时特性，使包括均衡器在内的整个系统的总频率特性满足无码间干扰传输条件。频域均衡满足奈奎斯特整形定理的要求，仅在判决点满足无码间干扰的条件相对宽松一些。

图3 信号经过信道和均衡器的框图

本文主要介绍在估计理想的情况下，频域的迫零均衡和MMSE均衡技术。

·迫零均衡(Zero Forcing)

由图三知信号经过信道的数学模型为，信号与信道的冲击响应进行卷积，再加入高斯白噪声到达接收端。在接收端rn经过均衡器处理，得出dn即是我们所期望得到的信号。其时域数学表达式为:

在频域表达式为Rp=HpSp+Wp，则迫零均衡器的频域表达式为Vp=。信号经过均衡器后Dp=Rp·Vp。由于高斯白噪声的存在，使得Dp只能近似等于Sp，此时需要通过信道编解码和调制解调来使得Dp恢复为发送信号Sp。迫零均衡存在的一个缺点就是均衡器在恢复发送信号的同时，也放大了噪声。因此迫零均衡的使用对信道估计的要求比较高，且当系统信噪比较小的时候，不建议使用该方法。

·MMSE均衡

MMSE(Minimum Mean Square Error)，最小均方误差均衡的原理是系统的接收信号为rn=hn*sn+wn，设系统的期望信号为yn。

令均衡器频域表达式为

3.3 系统仿真曲线

由图4可知，当信道特性相对理想时，ZF均衡和MMSE均衡的校正特性比较相似。因此，当信道特性相对理想时，ZF均衡即可满足系统的要求。

图4 信道特性理想时ZF和MMSE信噪比曲线

由图5可知，当信道特性恶劣时，MMSE均衡的校正特性明显优于ZF均衡，因此，当信道特性恶劣时，需要运用MMSE均衡。

图5 信道传输特性恶劣时ZF和MMSE信噪比曲线

同时由于MMSE的运算量要大于ZF均衡，这也引出了通信系统中可靠性和有效性的矛盾。所以提升通信系统的性能，就需要牺牲系统的有效性，从中取得一个我们可以接受的平衡点。

4 总结

本文介绍了两种克服信道多径衰落的数据传输方式，OFDM多载波系统和基于块传输单载波系统，对两种系统的性能进行了分析。并着重介绍了两种基于块传输单载波系统的频域均衡方法迫零均衡和MMSE均衡。从而说明了单载波系统的优势，并且该技术是未来通信系统的一个重要应用。

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Research of the Signal Carrier System and OFDM as well as Frequency Domain Equalization Technology

LAN Hai-yang，XU Wei-zhang，YU Xin-le
(ECDAV，Communication University of China，Beijing 100024，China)

This paper mainly introduces the comparison of the capability of Orthogonal Frequency Division Multiplexing(OFDM)and signal carrier system based on block transmission，as well as another two key technologies about frequency domain equalization(FDE).Due to the use of the Unique Word(UW)in signal carrier transmission system，here the FDE technology at receiver is to certain extent simplified.Although the signal carrier system has similar ability of resistance to interference compared to OFDM，the much lower PAPR makes signal carrier system a good technology in the development of communication system.

single carrier;OFDM;frequency domain equalization

TN911.5

A

1673-4793(2011)04-0051-04

2010-12-30

兰海洋(1987- )，男(蒙古族)，吉林大安人，中国传媒大学硕士研究生.E-mail:lhycuc@163.com

(责任编辑

:王谦)