无线多径信道对滤波多音(FMT)调制性能的影响

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无线多径信道对滤波多音(FMT)调制性能的影响

摘要：比例了在无线多径信道环境不同时延扩展的情况下，滤波多音（FMT）调制的误码率以及可达比特率性能，分析了该技术在无线环境下应用的可行性，探讨FMT技术在线领域的应用环境。     关键词：滤波多音（FMT） 多径信道 误码率可达比特率
移动通信的发展要解决的重要问题是高数据传输速率、高频谱资源利用率和功率利用率。在无线多径衰落环境下进行高速率的数据传输，容易造成符号周期小于信道多径扩展，符号间干扰（ISI）问题严重。多载波技术是将信道的频带划分为若干条子信道，信息在每条子信道上并行传输。采用并行传输，将使每个信道内符号周期增加，并大于信道的记忆长度或信道多径扩展，这样，系统就可以有效克服信道造成的ISI，达到更高的数据传输速率。


图1
根据划分信道的频谱重叠情况，可以将多载波技术分为两类。一类是以正交频分复用（OFDM）或离散多音（DMT）为代表的各子信道频谱重叠方式。OFDM技术已经被多个标准（IEEE802.11a、HIPERRLAN/2、DAB等）所采用，是无线通信中的研究热点，也是相对成熟的技术。另一类多载波技术是以滤波多音（FMT）调制技术为代表的子信道频谱重叠方式。FMT技术在1999年首先由Giovanni Chenrubin等人提出，用于高速数字用户环路（VDSL）的接入。该技术可以有效地避免近端串扰（NEXT）、回声（ECHO）和窄带射频干扰等问题，因此成为VDSL的物理层标准。


图2

    FMT技术不局限于VDSL，也可以用于无线信道，但是到目前为止，在无线信道下FMT技术的性能研究很少。本文研究了FMT技术在无线多径信道中的信息误码率和可达比特率性能，分析了多径信道对FMT系统性能的影响。
1 FMT调制系统模型
滤波多音（FMT）调制是通过滤波器组将整修信道划分为频带有限且互不重叠的子信道，用多个子载波在这些子信道上并行传输信息。

    如图1所示，FMT发射端首先将符号周期为T的调制码元Am(nT)经过采样因子为K的插值（图1中用↑K表示），再经过原型滤波器H（f）带限，用一组频率间隔相等的子载波调制到不同的子信道中，调制信号叠加以K/T的传输速率传输串行数据。在接收端，对应于载波解调制信号，通过原型滤波器的匹配滤波器H*（f）后，以采样因子L进行抽取（图1中用↓L表示），得到符号周期为LT/K的接收码元。通常抽取因子L取值为K，得到符号周期为T的接收码元。
当采样因子K与信道个数M相等时，系统为严格采样；当K>M时，系统为非严格采样。由图1（b）可以看出，当K>M，即系统为严格采样时，发送信号的频谱相对于严格采样时有所展宽，但这样可以降低对原型滤波器的性能要求和实现复杂度。因此，在实现过程中可以考虑非严格采样以实现系统性能和复杂度的折衷。
发送端输出信号x(kT/K)可以表示为：


明显地，ai(nT)是Am(nT)的逆离散傅立叶变换（IFFT），而（4）式中的h(lMT/K+iT/K)是原型滤波器H（f）的一个多相分量。
假设信道理想，则接收端第I条路径解调输出信号为：

是原型滤波器的匹配滤波器H*（f）的一个多相分量。所以，FMT系统可以用IDFT/DFT与原型滤波器多相分量结构实现。当采用严格抽样时，系统的IDFT/DFT+原型滤波器多相分量的有效实现框图如图2所示。
仅从FMT频谱图像，除了相邻子信道间没有保护间隔外，它与单载波频分复用（FDD）系统的频谱十分相似。但FMT与单频波频分复用最大的区别是：信息码元通过串/并变换在子信道上并行传输，增大了码元周期。通过保证了信道的符号周期大于信道的记忆长度，FMT系统比普通单载波频分复用（FDD）系统的频谱十分相似。但FMT与单载波分复用最大的区别是：信息码元通过串/并变换在子信道上并行传输，增大了码元周期。通过保证了信道的符号周期大于信道的记忆长度，FMT系统比普通单载波频分复用技术支持更高的数据传输速率。
由于低通原型滤波器有很好的频谱限制，使得相邻子载波并不重叠，因此与其他噪声相比，可以忽略码间干扰（ICI）的影响。为了达到了各子信道频谱严格带限，原型滤波器必须放松理想重构条件的要求。由此需要在系统接收端加入有效均衡以消除原型滤波器和信道引入的ISI。

2 多径信道模型
信号在无线信道中传播，接收信号不仅是通过单一直射路径得到，还包括不同路径到达的反射、衍射和数据信号，这种现象称为多径传播。来自不同路径的接收信号有不同程度的幅度衰减、相位偏移和时延。这些信号到达接收机，同相叠加则幅度增强，反相叠加则幅度减小，产生多径衰落，接收信号失真。
多径信道模型应当能够表示出这些失真。厅以采用线性滤波器加高斯白噪声表示多径信道，如图3所示。
图3中，c(τ,t)是等效低通信道的脉冲响应。当存在大量路径时，应用中心极限定理，c(τ,t)可以建模为复高斯随机过程。假设信道是慢衰落，即至少在一个符号传输间隔内信道的脉冲响应是平稳的，认为每个符号传输间隔内信道特性不变。由此，c(τ,t)可以简化为

其中，αn是第n条路径接收信号的衰减因子,τn为第n条路径的传播延时，e-j2πfcτn则表示第n条路径引入的相位噪声。
图3中，发送信号为x(t)，在一个符号传输间隔内，等效低通接收信号y(t)为：

式中ω(t)表示恶化信号的复高斯白噪声过程。
文中采用具有指数衰减特性的Rayleigh衰落信道模型，因为Rayleigh信道为IEEE 802.11 WLAN标准中用于比较调制方法性能的基带信道模型。信道的脉冲响应是相位服从均匀分布，幅度服从Rayleigh分布，平均功率呈指数衰减的复值采样序列。
3 多径信道下FMT系统的误码率性能和可达比特率性能
在仿真实验中，FMT系统模型采用64个子载时，调制方式为4PSK，采样速率为20MHz，信道为具有指数衰减特性的多径Rayleigh衰落信道模型。
衡量多径衰落信道的一个重要参数是均方根时延扩展Trms（root mean square delay spread）,Trms可以很好地度量多径扩展性，它表明ISI的严重程度。对于室内和室外近距离信道，Trms的典型值是20ns～300ns。对于不同的Trms，多径信道下的FMT系统的误码率性能仿真结果如图4所示。图4中AWGN曲线是高斯白噪声信道下根据误码率公式得到的误码率理想曲线。可以看出，随着均方根时延扩展的增加误码率有所下降，但是误码率性能与理想曲线都比较接近（在误码率为10 -6时，均方根时延扩展为280ns时比理想的AWGN信道的信噪比损失约5dB），可以认为FMT系统满足室内及室外近距离环境下的误码率性能要求。

    衡量高速数据传输系统性能的另一个指标是可达比特率（achievable bit rate）。可达比特率是指所有能够符号特定比特差错概率的子信道的比特速率和。仿真得到了多径信道下FMT系统的可达比特率性能如图5所示。结果表明，可达比特率对时延扩展的变化不敏感，特别是当信噪比大于27dB时，不同时延扩展下的可达比特率趋于一致。
本文介绍了频谱不重叠的多载波调制技术滤波多音（FMT）系统的构成及其高效实现形式。考虑到无线多径信道的信道特性，采用802.11WLAN标准中建议的具有指数衰减特性的瑞利衰落信道模型，用计算机仿真的方法给出了多径信道对FMT系统的影响，比较不同时延扩展下的误码率性能和可达比特率性能。结果表明FMT系统可以应用在无线室内及室外近距离环境，并且在大信噪比的情况下，可达比特率受多径时延扩展的影响很小。