基于改进时域加窗的MB-OFDM超宽带系统频谱整形技术研究

石成锋，文 鸿，任 松，黎 彪

（湖南工业大学计算机学院，株洲 412007）

1 引言

随着无线系统的广泛应用，频谱作为一种有限资源面临日益短缺的现状，超宽带技术为解决这一问题提供了新的思路[1]。超宽带系统中的多带正交频分复用（MB-OFDM，Multi-Band Orthogonal Frequency Division Multiplexing）， 具有发射功率低、保密性好、速率高，抗多径衰落强的特点[2]。但超宽带系统存在与窄带用户因为频率共用产生互干扰的问题[3]。如何解决这一问题引起了研究者的高度关注。当前解决UWB通信系统互干扰问题主要包括以下方法：动态优化块传输方法[4]，其在信号经过调制、串并转换后，将数据模块通过封装函数处理，实现对频谱的整形，但这一方法增加了发射机的复杂度和设计成本。积极干扰消除AIC算法[5]，在被法定用户占用的频段信道两边定义一种对应的子信道，通过引入算法使定义的两个通道上传输的信息抵消相邻载波频谱泄露对法定用户产生的干扰。AIC算法会增大信号功率谱的波纹抖动，对窄带用户正常通信造成干扰。子载波补零法[6]，在信号的离散傅立叶逆变换（IFFT）变换之前，使与窄带用户存在频率重叠的子载波不携带通信信号，产生频谱凹槽。这种方法易于实现，但频谱利用率低，降低相互干扰的效果有限[7]。

本文重点研究基于改进的时域加窗法来提高MB-OFDM UWB系统的抗干扰能力问题。在发射机端数模转换之后加入改进的时域升余弦窗函数。利用改进的升余弦窗的时域特性，滤除可能存在相互干扰频段的波形，对MB-OFDM UWB信号进行频谱整形。通过仿真比较原始MB-OFDM UWB信号和加窗情况下信号的功率谱密度（PSD，Power Spectral Density）、星座图，验证改进的时域加窗可以降低MB-OFDM UWB系统与窄带系统的相互干扰。

2 改进的时域加窗MB-OFDM UWB系统模型

如图1所示，与一般的OFDM符号生成方式类似，取不同的符号长度，循环前缀及保护间隔等系统参数，可以产生MB-OFDM UWB信号。根据FCC对UWB信号的定义，MB-OFDM系统可以使用3.1～10.6GHz的频段，将这之间的7.5GHz频段划分成14个带宽为528MHz的子频带，同时把这14个子频带分为5组，前面4个带组每个含有3个子频带，第五组含有2个子频带。这些子频带使用正交频分复用技术传输数据[8]。

图1 改进的时域加窗MB-OFDM UWB系统发射机框图

虽然FCC将3.1～10.6GHz之间的频段分配给UWB，但是4.8GHz以上频率总链路容限的提高不大，会加大系统的复杂度和设计成本[9]。因而目前业界主要使用的是第1带组中的3168～4752MHz三个子频带，并将其作为标准的操作模式（模式1）。MB-OFDM必须能够支持标准操作模式[10]。MB-OFDM方案传输方式采用的是时频交织技术，即传输信息在每个带组的三个不同子频带之间交织，如图2所示。

图2 MB-OFDM时频交织示意图

信源信号首先经过信道卷积编码和交织等处理，然后进行QPSK调制，将比特数据映射成基带信号，再经过串并变换，将高速串行数据转换成低速并行数据，然后通过IFFT模块处理，保证载波间的正交性，加入前导序列和保护间隔，之后经过数模转换，调频处理，发送到UWB信道中，在接收端通过相反的过程将信源信号解调出来，完成MB-OFDM UWB系统的信号传输过程[11]。每个MB-OFDM信号由N个正交的子载波组成，被N个子载波调制成N路并行的数据流，经过串并变换和星座映射后可以得到N路离散子信号Xk（k=0，1，…，N-1），令T为MB-OFDM信号的符号持续时间，从t=ts开始的OFDM输出信号时域上表示为：

如果用Re（.）表示取函数的实部，NB表示MB-OFDM UWB系统实际使用的子频带数，fn表示第n个子频带的中心频率，经过快速傅里叶逆变换产生第n个子频带OFDM符号的复基带信号，持续的时间为（0-Ts）。则MB-OFDM信号的时域表示为：

MB-OFDM UWB系统通过将高速传输数据的频率选择性衰落信道转换成低速并行传输数据的平坦衰落信道，能有效克服多径效应和符号间干扰。为了满足频谱高效使用和避免与窄带用户产生相互干扰，要求对MB-OFDM信号波形进行频谱整形，使其灵活适应任何频谱要求。待传输的无线信号经过信道编码交织后，接着经过QPSK调制，IFFT处理加入循环前缀，确保各载波间的正交性。引入改进的窗函数能加大频谱旁瓣的抑制，降低带外能量辐射对窄带系统的干扰。由于MB-OFDM UWB系统为多载波信号传输系统，其频谱分量较多，频谱特征复杂，它的波纹抖动和频谱泄露相对其他窗函数都较小，选取改进的升余弦窗作为窗函数。经过IFFT模块处理后的信号加入前导序列和保护间隔，再将加入保护间隔序列的MB-OFDM信号与改进的升余弦窗函数相乘，形成了发射机待传输的信号。

根据UWB系统的要求可以确定不同的滚降系数。随着β取值增大，功率谱密度的旁瓣抑制加强，MB-OFDM信号对窄带用户的干扰越小；从另一方面来看，滚降系数β越大，传输的MB-OFDM信号中插入的前导序列和保护间隔的时间间隔会变小，这样会加大系统的时延扩展和码间串扰影响通信质量。w（t）为改进的升余弦窗函数，当Ts≤t≤（1+β）Ts这里选用β为1/20。在t0时刻加入改进的升余弦窗后MB-OFDM信号的表达式为：

式中，Xm为分配的各子载波的数据符号；为子信道的频带宽带；（1+β）Ts为加窗后的MB-OFDM符号长度；Ym为重叠频段的窄带数据符号。相邻的符号间有βTs个符号重叠。为满足子载波间的正交性，通过加改进的升余弦窗有效滤除UWB频谱旁瓣，产生更深的频谱凹槽，对窄带系统能量辐射减小，同时也降低了窄带系统对MB-OFDM UWB系统的干扰，从而提高MB-OFDM UWB系统抗干扰能力。

3 仿真与分析

下面通过仿真对MB-OFDM UWB信号进行分析，设定IFFT点数为512个，原始载波数为220，每个子载波所含的符号数为40个。滚降系数设定为1/20，本系统采用QPSK调制。仿真得到MB-OFDM系统信号的功率谱密度图，仿真结果为图3所示。

图3（a）为未作处理的原始MB-OFDM信号，图3（b）为改进的时域加窗的信号功率谱密度。加改进的升余弦窗后可以发现，MB-OFDM信号频谱旁瓣的衰减加快，衰减幅度由-29dB下降到-47dB，衰减幅度较大，说明图3（b）旁瓣的功率辐射比图3（a）小，较原始MB-OFDM UWB信号衰减幅度有较大提升。说明采取改进的时域加窗方法，发射信号的带外频谱抑制加强，有效降低了UWB系统干扰。

图3 MB-OFDM信号的频谱密度图

图4为MB-OFDM系统信号的星座图，图4（a）为未作改进的原始MB-OFDM信号星座图，图4（b）为改进的时域加窗MB-OFDM信号的星座图。由星座图可以看出此时系统性能，在对应的点上图4（a）的星座图受到干扰较大，与理想情况下的矢量点偏离较远，误码率也较高。图4（b）的星座点分布较集中，系统性能有一定改善。两图比较可以看出，在相同的系统参数下，改进的时域加窗函数可以提高系统调制性能，有效降低UWB系统的干扰。说明改进的时域加窗方法比未作处理的UWB系统稳定性更高，抗噪声能力更强。

图4 MB-OFDM信号的星座图

4 结束语

针对MB-OFDM UWB系统与窄带系统的互干扰问题，本文提出了在MB-OFDM UWB系统发射机端引入改进的时域加窗方法，实现降低MB-OFDM UWB系统与窄带系统相互干扰并改善系统调制性能的目标。根据子载波数和无线信道中的符号数等系统参数决定采用改进的升余弦窗。改进的时域加窗方法同原始MB-OFDM信号相比能加大频谱旁瓣的抑制，系统的调制性能和稳定性也较好。仿真结果验证了改进的时域加窗函数能有效增强MB-OFDM UWB系统抗干扰性能。

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