一种5G FBMC-16QAM抗干扰系统仿真研究

李明辉

北京京能清洁能源电力股份有限公司北京分公司 北京 100028

0 引 言

近年来，新研发的第五代移动通信技术（5G）在资源利用率和传输速率方面相较于传统技术表现出更高的水平，得到了广泛关注。在5G技术的研究中，基于偏移正交幅度调制（Offset Quadrature Amplitude Modulation，OQAM）构建的滤波器组多载波技术（Filter Bank Multicarrier，FBMC）是一种基于非正交多载波传输原理的新型数据传输技术。该技术采用了原型滤波器，并将之应用于时频聚焦上，替代传统正交频分复用技术（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）中的矩形窗函数，以此来降低外发射功率并提高传输鲁棒性。在5G通信领域，FBMC是一种潜力巨大的、可替代OFDM的方案［1-3］。

相较于OFDM，FBMC更加完善，拥有更为丰富的特性，能够更好地满足第五代移动通信系统的需求。FBMC 采用了交错正交幅度调制，并选择了功能更强大的滤波器，具备优异的时频聚焦特性，有效解决了循环前缀过多导致的系统效率问题，增强了对相邻子载波和符号间干扰的抵抗能力，大幅减少了带外衰减程度［4-6］。此外，FBMC系统还采用了正交幅度调制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM），使得传递信息比特的通道更加丰富［7］，同时支持相位和载波幅度2种传输方式，大幅提高了频带利用率。这一优势在短距离、同条件对比中尤为明显。

本文对FBMC的结构框架进行了介绍，说明了其组成和功能，并详细描述了FBMC系统结构图。最后对16QAM调制条件下的FBMC系统进行了误码率的仿真分析和研究，并对结果进行了分析和评估，为相关研究和应用提供了参考依据。

1 FBMC-16QAM系统模型

1.1 FBMC原理模型

FBMC多载波通信技术在时频方面采用合适的交错正交基，可达到时间与频率的均衡，其独特之处在于新的原型滤波器的使用和调制方式的改变。假设FBMC系统的载波数目为N，则它的基带等效发送信号可表示为［8-9］：

在接收后，系统接收端可以解调出的信号为［10］：

在FBMC系统中，由于多载波滤波器的各个子载波之间相互影响，一般采用OQAM。在基带解调器中，正交多载波（FMT）与FBMC的多载波是等效的，它们的旋转和解调操作相互抵消，这意味着在方法实施过程中，这些公式是相同的。基于上述分析，FBMC系统结构如图1 所示［11］。

图1 FBMC系统结构Fig.1 System structure of FBMC

根据Nyquist定理，传输滤波器的脉冲必须经过零轴，且这种状态在整个码元循环的整数倍时发生。在频域中，这种状态通过与截止频率相关的对称性来实现转换，其中截止频率等于码元率的1/2。设计奈奎斯特滤波器时，我们需要充分考虑频域因素和应用的对称性。通常情况下，奈奎斯特滤波器分为发射奈奎斯特滤波器和接收奈奎斯特滤波器，以满足频谱对称性的要求。在FBMC系统中，原型滤波器的电路结构为：

其中：M为子载波数量；K为重叠系数；k为子载波索引号；对M个子载波进行调制，且调制频率分别为。在频率区域内，滤波器的频率响应包含（2k-1）个数据点，其中重叠系数K的取值范围为0～4。通过进行内插运算，得到连续频率特性转换为取样信号的频率因子。

1.2 16QAM调制解调模型

QAM就是利用两路并行信号与相位相同且正交的2 个载波进行乘法运算。调制过程的基本步骤如下［11-13］：首先将待调制信号（二进制码元序列）输入到QAM系统，通过串/并变换将单行码元序列转换为两路并行序列，输出速率为原始信号的一半；接着经过2 电平至L（L=log2M）电平的转换器作用，将两路2 电平基带信号转换为L电平基带信号。随后使用低通滤波器（LPF）滤除高频信号，从而抑制带外辐射，并消除不必要的相位抖动。之后将两基带信号与同相载波和正交载波分别进行乘法运算。最后将调制后的2 个基带信号相加得出调制结果，并输出至调制系统。

解调是调制的逆过程，主要采用模拟、数字及全数字相干解方式。解调过程中，使用低通滤波器对信号进行处理，得到一组包括同相和正交两路的多电平基带信号I（t）和 （t），通过进行电平判定，确定直流分量为Am/2 和Bm/2；然后依次进行电平转换（从L电平到2 电平）和并、串转换，最终得到数字信号，并将其输出到解调系统［14-15］。研究的16 QAM调制解调模型如图2 所示。

图2 16QAM 调制解调模型Fig.2 16QAM modulation and demodulation model

2 系统仿真结果分析

2.1 星座图分析

如图3（a）所示，在SNR=10 dB 的情况下，采样点的信号呈现混乱状态，仿真数据显示星座图缺乏明显的规律性，系统误码率约为0.16。而在图3（b）中，当SNR=15 dB时，采样点的信号已经可观测，仿真数据显示星座图清晰地呈现出了16 个点，误码率约为0.007。此外，图3（c）展示了SNR=20 dB时的星座图。由仿真结果可以看出，在这种条件下，星座图已经非常清晰，能够明显看到16 个点，采样点的信号也表现出良好的规律性，尽管存在轻微偏差，但此时的误码率已非常接近于0。最后，图3（d）显示了SNR=25 dB时的星座图。仿真结果表明，当信噪比为25 dB时，星座图非常整齐清晰，可以明确看到16 个点，采样点的信号呈现出良好的规整性，此时的误码率可近似看作0。

图3 星座图Fig.3 Constellation diagram

2.2 调制前后模型图分析

FBMC-16QAM 系统在噪声信道中的调制解调结果如图4 所示。当信噪比为10 dB时，误码率约为0.156；信噪比增加至15 dB时，误码率约为0.007；信噪比为20 dB时，几乎没有误码；信噪比为25 dB时，误码率为0。表明在该系统中，随着信噪比的增大，误码率逐渐降低，验证了当信噪比增大而误码率趋近于0 的现象。当误码率超过20 dB时，整个调制解调过程对信号的还原程度较高，失真较小。因此，可以得到与原信号高度相似的解调信号。

图4 FBMC-16QAM 系统在噪声信道中调制解调结果Fig.4 Modulation and demodulation results of FBMC-16QAM system in noisy channel

3 结 语

本文旨在研究5G FBMC系统中16QAM调制解调器的设计与实现。通过观察星座图，并分析FBMC-16QAM调制解调器数据及误码率的仿真曲线，对其进行比较和评估。得出的结论是，随着信噪比的增加，星座图呈现出更高的稳定性，并且误码率随着信噪比的增大而减少。经过对FBMC-16QAM 调制和解调数据及误码率进行分析，得到在该系统中信噪比越高、误码率越低的结论。除此之外，还观察到在相同信噪比下，随着进制数的增加，误码率也呈现上升趋势。