基于正交频分复用技术的超宽带通信系统

第３３卷第６期　应　用　科　技　２００６年６月　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　文章编号：１００９—６７１Ｘ（２００６）０６—００８７—０３　基于正交频分复用技术的超宽带通信系统　薛睿，赵旦峰，陈艳　（哈尔滨工程大学信息与通信工程学院，黑龙江哈尔滨１５Ｏｏ０１）　摘要：介绍了超宽带技术及其标准化进程，阐述了基于正交频分复用（ＯＦＤＭ）技术的超宽带系统的设计思想　和基本原理，分析多频带正交频分复用超宽带（ＭＢ—ＯＦＤＭ—ＵＷＢ）系统中的关键技术和系统性能．研究结果　表明，凭借ＯＦＤＭ技术应用于超宽带系统的优势，基于ＯＦＤＭ技术的超宽带方案得到了业内绝大多数厂商的支　持，有望成为超宽带物理层的标准．　关键词：超宽带；多频带；正交频分复用：时频交织　中图分类号：ＴＮ９２　文献标识码：Ａ　Ｕｌｔｒａ－ｗｉｄｅｂａｎｄ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＯＦＤＭ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ＸＵＥ　Ｒｕｉ，ＺＨＡＯ　Ｄａｎ—ｆｅｎｇ，ＣＨＥＮ　Ｙａｎ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈａｒｂｉｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｒｂｉｎ　１５０００１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｕｌｔｒａ　ｗｉｄｅｂａｎｄ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ｓｔａｎｄａｒｄｉｚｅｄ　ａｄｖａｎｃｅｍｅｎｔ　ａｒｅ　ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄ．Ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｉｄｅａ　ａｎｄ　ｂａｓｉｃ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ａｒｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｄｉｖｉｓｉｏｎ　ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｔｈｅ　ｅｓｓｅｎｔｉａｌ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ａｎｄ　ｓｙｓｔｅｍ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｕｌｔｉ－－ｂａｎｄ　ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｄｉｖｉｓｉｏｎ　ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ　ｕｌｔｒａ　－ｗｉｄｅ－－　ｂａｎｄ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｒｅ　ａｎａｌｙｓｅｄ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｒｅｓｕｌｔ　ｉｎｄｉｃａｔｅｓ　ｔｈａｔ，ｄｕｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｓｕｐｅｒｉｏｒｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＯＦＤＭ　ｔｏ　ｔｈｅ　ＵＷＢ　ｓｙｓｔｅｍｓ，ＵＷＢ　ｓｃｈｅｍｅ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ＯＦＤＭ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｈａｓ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ｓｕｐｐｏｒｔｓ　ｆｒｏｍ　ｍｏｓｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｒｓ，ａｎｄ　ｉｓ　ｅｘｐｅｃｔｅｄ　ｔｏ　ｂｅｃｏｍｅ　ｔｈｅ　ｓｔａｎｄａｒｄ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｈｙｓｉｃａｌ　ｌａｙｅｒ　ｏｆ　ＵＷＢ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｕｌｔｒａ　ｗｉｄｅｂａｎｄ；ｍｕｈｉｂａｎｄ；ＯＦＤＭ；ｔｉｍｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｉｎｔｅｒｌｅａｖｉｎｇ　超宽带（ｕｌｔｒａ．ｗｉｄｅｂａｎｄ）是一种先进的无线通　信技术，这种原来专属军方使用的技术随着２００２年　１　ＵＷＢ技术及其标准化进程　２月美国联邦通信委员会（ＦＣＣ）正式将其解禁而备　ＵＷＢ早期的名称有脉冲无线电（ｉｍｐｕｌｓｅ　ｒａ—　受世人关注．ＵＷＢ具有数据传输速率高、成本低、功　ｄｉｏ）、无载波（ｃａｒｄｅｒ　ｆｒｅｅ）等，直到１９８９年，美国国　耗小、抗干扰能力强等优点，被认为是下一代无线个　人局域网（ＷＰＡＮ）物理层的标准技术．在物理层方　防部才正式使用ＵＷＢ这一术语．它的基本概念是　产生、发送和接收一段持续时间非常短的爆发式射　面，到２００３年７月基本上只剩下２个主要竞争者，　即多频带正交频分复用（ＭＢ．ＯＦＤＭ）方案和直接序　频脉冲，持续时间范围一般在几十个皮秒到几个纳　列码分多址（ＤＳ．ＣＤＭＡ）方案．由于双方都没有达到　秒…．由傅里叶变换的性质可知，此脉冲在时域内　ＩＥＥＥ标准所要求的７５％的投票率，因此，均未能成　的持续时间极短，在频域内必然占有极宽的带宽，利　为ＵＷＢ物理层的标准．　用如此宽的频带，可以实现数据的高速传输，这可由　仙农公式给出解释：　Ｃ＝Ｗｌｏｇ（１＋Ｐ／Ⅳ）ｂｉｔ／ｓ．　（１）　式中：Ｃ为传输速率，　为信道带宽，Ｐ为信号的平　收稿日期：０５—０６—２２．　作者简介：薛睿（１９８０一），男，博士研究生，主要研究方向：超宽带通信、通信信号处理，Ｅ—ｍａｉｌ：ｘｕｅｔｕｉ＠ｈｒｂｅｕ．ｅｄｕ．ｃｎ　维普资讯 http://www.cqvip.com

・８８・　应　用，　均功率，Ⅳ为噪声功率．　为了促进并规范ＵＷＢ技术的发展，ＦＣＣ重新　给出了ＵＷＢ信号的定义，即ＵＷＢ信号的绝对带宽　应大于５００　ＭＨｚ或相对带宽（ｆｒａｃｔｉｏｎａｌ　ｂａｎｄｗｉｄｔｈ）　大于Ｏ．２『２］，这里相对带宽定义为　／，　，、　ＦＢ＝　．　（２）　【　】　式中　和　分别为系统的高端和低端频点（按－１Ｏ　ｄＢ　计算）．从ＦＣＣ的定义可以看出，现在的ＵＷＢ已不仅　仅局限于最初的脉冲通信了，而是包括了任何使用超　宽频谱（带宽大于５００　ＭＨｚ或相对带宽大于０．２）的无　线通信形式．　到目前为止，ＵＷＢ仍然没有形成统一的标准，　这成为制约其飞速发展的瓶颈．２个主要竞争者的　分歧体现在ＵＷＢ技术的实现方式上　，由Ｉｎｔｅｌ和　１ｒＩ领导的多频带ＯＦＤＭ联盟提交的ＭＢＯＦＤＭ方案　采用多频带方式，由Ｍｏｔｏｒａｌａ、ＣＲＬ、Ｄｅｃａｗａｖｅ和Ｏｋｉ　半导体、公司等行业组织联合支持的ＤＳ—ＣＤＭＡ方　案则为单频带方式．鉴于目前的情况，研究分析ＭＢ－　ＯＦＤＭ方案的系统性能具有重要的现实意义．　２　多频带的设计思想　尽管ＦＣＣ已为ＵＷＢ分配了３．１至１０．６　ＧＨｚ　全部频谱，但有关资料显示，使用４．８ＧＨｚ以上的频　率仅能够将当前ＲＦ　ＣＭＯＳ技术的总链路容量提高　１　ｄＢ，而这还会造成更大的复杂性与更多功耗．由于　链路容量的增益有限，再加上复杂性和功耗问题，于　是可以得出这样的结论，即３．１～４．８　ＧＨｚ之间的带　宽是ＵＷＢ器件初始部署的有效带宽．事实上，将上　限频率限制为４．８　ＧＨｚ还有一些明显的好处，加快　产品的上市进程、简化ＲＦ及模拟前端电路的设计　（低噪音放大器及混频器）、使其更适于ＣＭＯＳ工艺　以及避免来自Ｕ．ＮＩＩ频带（ＩＥＥＥ　８０２．１１ａ信号驻留　于此）的干扰　．　就３．１—４．８ＧＨｚ带宽而言，设计ＵＷＢ系统有数　种方法．其中一种就是利用整个１　７００　ＭＨｚ的带宽，这　种实现ＵＷＢ方法的主要缺点是使射频ＲＦ和模拟前　置电路具有如此宽的带宽，在硬件实现上几乎是不可　能的；需要高速率的模数转换器（Ａ／Ｄ）处理宽带信　号，将造成巨大的功率浪费；在多径移动信道中捕捉　多径能量需要使用ｒａｋｅ接收机，增加了系统的复杂　度．ＦＣＣ规定ＵＷＢ信号的最小带宽应为５００　ＭＨｚ，这　使得ＵＷＢ系统设计在许多方面发生了翻天覆地的变　化，不需要使用整个频带来传输信息，而把频带分为　科　技　第３３卷　若干子带，每个子带带宽约为５００　ＭＨｚ．通过交错各　子带的信号，ＵＷＢ系统仍可以保持同样的传输功能，　好像它们使用的是整个带宽一样．　３　ＭＢ．ＯＦＤＭ．ＵＷＢ通信系统　多带方案将整个可用频带（３．１—１０．６　ＧＨｚ）分　为１３个子频带，图１为多带频谱划分方案，每个子　带带宽为５２８　ＭＨｚ．把这１３个子带分为４个不同的　组：Ａ组用于第１代设备中（３．１～４．９　ＧＨｚ）；Ｂ组保　留将来用（４．９—６．０　ＧＨｚ）；Ｃ组用于ＳＯＰ（６．０—８．１　ＧＨｚ）；Ｄ组保留将来用（８．１～１０．６　ＧＨｚ）　．　垂　隹　ｆ／ＭＨｚ　图１多带频谱划分方案　鉴于频带范围在３．１　ＧＨｚ至４．８　ＧＨｚ之间，以　及ＦＣＣ要求ＵＷＢ信号的带宽至少为５００　ＭＨｚ，因　此，初始部署的多频带ＯＦＤＭ系统只有Ａ组中的３　个子带可用，之所以在每一个子带上采用ＯＦＤＭ技　术传输信息，是因为ＯＦＤＭ拥有一些非常好的特　性，包括频谱利用率高、抗干扰能力强以及捕获多径　能量效率高等优点，此外该技术非常成熟并已进行　商用（如ＩＥＥＥ　８０２．１１ａ／ｇ）．通过（Ｔｉｍｅ－￣ｅｑｕｅｎｃｙ　ｉｎ－　ｔｅｒｌｅａｖｉｎｇ，ＴＦＩ）技术把不同子带上的信息比特进行　交织，而在每一个子带中采用ＯＦＤＭ调制进行数据　的发送．ＴＦＩ．ＯＦＤＭ系统既可以看做是一个全频带　的ＯＦＤＭ系统，也可以看做是一个子频带系统．以３　个子带为例说明通过ＴＦＩ技术如何传输ＯＦＤＭ符　号，图２为ＴＦＩ－ＯＦＤＭ时频交织示意图．　９．５　ＵＳ保护间隔　－ＩＩ－　Ｉ黯　日苻ＯＦ　ＤＭ￣６０一，６　循环前缀　ｌ一　目　。　周期＝９８７．５　ｕｓ　。　ｌ，　图２　ＴＦＩ—ＯＦＤＭ时频交织不意图　在子带１上传输第１个ＯＦＤＭ符号，在子带３　上传输第２个ＯＦＤＭ符号，在子带２上传输第３个　符号，而第４个ＯＦＤＭ符号重新在子带１上进行传　输．实际上ＴＦＩ周期可能长很多，ＴＦＩ的确切长度和　模式可能随着超帧或者微网的不同而不同．从图２　可以看出，循环前缀（ＣＰ）和保护间隔（ＧＩ）的长度　维普资讯 http://www.cqvip.com

第６期　薛窖，等：基于正交频分复用技术的超宽带通信系统　・８９・　分别为６Ｏ．６　ｎ８和９．５　ｎ８，循环前缀插在每个ＯＦＤＭ　叠，提高了频谱利用率；调制解调易于实现，各个信　符号的开头，而保护间隔则加在每个ＯＦＤＭ符号之　道的正交调制和解调可以通过采用ＩＦＦＴ／ＦＦＴｒ来实　后．保护间隔可以确保发送机与接收机有足够的时　现．它的缺点就是发送器稍显复杂，峰均功率比　间转换至下一个子带，ｃｐ的长度决定着捕获多径能　（ＰＡＰＲ）较大，对器件的非线性敏感，以及ＩＦＦＴ／Ｆ丌　量的大小，ｃＰ之外的任何多径能量都会导致载波间　运算量较大Ｈ　．　干扰（ＩＣＩ）．ＵＷＢ信道模型具有很高的离散性，最糟　基于ＯＦＤＭ技术的ＵＷＢ系统除具有传统　糕的信道环境出现了２５　ｎｓ均方根时延，ｃＰ的长度　ＯＦＤＭ系统的优点以外，还具有许多特有的优点：　通常为均方根时延的２—４倍，为了充分捕获多径能　ＯＦＤＭ．ＵｗＢ系统相对于普通的ＵＷＢ系统，有更高　量并尽量减少ＩＣＩ对所有子信道的影响，ｃＰ的持续　的时间分辨率，可以更好的分离多径，实现ｒａｋｅ接　时间应选择为６Ｏ．６　ｎ８【　．图３为ＭＢ—ＴＦＩ—ＯＦＤＭ通　收；完全避开了Ｕ．ＮＩＩ频段的干扰，可以与世界各地　信系统发送端框图．　不同地方的频谱规则保持一致，信道和子载波分配　灵活，频谱效率高于单载波和多载波ＵＷＢ系统；合　理地设置ｃＰ长度，可以有效地克服多径干扰；系统　ＯＦＤＭ　鲣　只需一条发送链路和一条接收链路，易于进行升级；　系统只使用了ＵＷＢ的低频段，简化ＲＦ及模拟前端　电路的设计，易于用ＣＭＯＳ实现，缩短了ＵＷＢ的上　速率ｌ／３约束长度７　ＱＰＳＫ　１２８点　市时间．　图３　ＭＢ—ＴＦＩ—ＯＦＤＭ发送端原理图　５　结束语　系统的部分参数如表１所示．　表１　ＭＢ－ＴＦＩ－ＯＦＤＭ方案部分参数　基于ＯＦＤＭ技术的超宽带系统可在小得多的　参数　数值　带宽上处理信息，不仅极大降低设计的复杂性、减小　．７、ｒ：子载波总数　１２８　功耗、降低成本，而且还能提高频谱的灵活性，有助　Ｂ：子频带带宽／ＭＨｚ　５２８　于在全球范围内符合相关标准，从目前的形势来看，　△Ｆ：子载波间隔／ＭＨｚ　４．１２５（＝Ｂ／Ｎ）　多带ＯＦＤＭ超宽带方案得到了众多ＵＷＢ厂商的支　丌：ＩＦ兀’／ＦＦＴ周期／ｎｓ　２４２．４（＝１／△Ｆ）　持，在不久的将来有望成为ＵＷＢ的物理层标准．　Ｔｃ　：循环前缀长度／ｎｓ　６ｏ．６１（＝３２／Ｂ）　：保护间隔长度／ｎｓ　９．４７（＝５／Ｂ）　参考文献：　ＹＭ：符号间隔／ｎｓ　３１２．５（＝　Ｆｒ＋　Ｐ＋　）　［１］范伟．超宽带（ＵＷＢ）通信技术［Ｊ］．微计算机信息，　图中ＯＦＤＭ信号的合成方法与传统的ＯＦＤＭ　２００５，２１（２）：１５４．　系统类似，只是符号长度、子载波间隔、循环前缀长　［２］ＭＡＲＩＡ　Ｇ．超宽带无线电基础［Ｍ］，北京：电子工业出版　度等的具体参数与传统系统有较大差别．每个子带　社。２００５．　使用１２８个子载波，其中１００个数据子载波，１２个　［３］约瑟夫，曹志刚．超宽带（ＵＷＢ）通信标准化现状［Ｊ］．标　导频子载波及ｌ６个空子载波．　准与技术追踪，２００４（７）：２４—２９．　［４］ＢＡＴＲＡ　Ａ，ＢＡＬＡＫＲＩＳＨＮＡＮ　Ｊ．ＴＩ　ｐｈｙｓｉｃａｌ　ｌａｙｅｒ　ｐｒｏｐｏｓａｌ　４关键技术及系统性能分析　ｆｏｒ　ＩＥＥＥ８０２．１５　ｔａｓｋ　ｇｒｏｕｐ　３ａ［ＥＢ／ＯＬ］．ＩＥＥＥ　Ｐ８０２．１５—　０３／１４２ｒ２一ＴＧ３ａ，２００３．　ＭＢ．ＯＦＤＭ系统是一个采用ＯＦＤＭ技术和跳频　［５］王春光，周　正．超宽带无线通信标准的演进和展望　机制相结合的多载波系统，ＯＦＤＭ是系统的核心技　［Ｊ］．前沿技术，２００４（６）：２８—３０．　术，它具有如下优点：ＯＦＤＭ是一种高效的数据传输　［６］张新跃，沈树群．ＯＦＤＭ在ＵＷＢ系统中的应用及前景展　方式，把高速率的数据流进行串并转换，并采用插入　望［Ｊ］．数据通信，２００４（５）：１－４．　循环前缀的方法，消除了符号间干扰（ＩＳＩ），甚至可　［７］尹长川，罗　涛．多载波宽带无线通信技术［Ｍ］．北京：　以不用均衡器，降低了接收机的复杂程度；由于各个　邮电大学出版社，２００５．　子载波之间存在正交性，允许子信道的频谱相互重　［责任编辑：马兰兰］