多频带_正交频分复用超宽带系统的研究与仿真

2007年12月 Journal of Time and Frequency Dec., 2007

时间频率学报

多频带-正交频分复用超宽带系统的研究与仿真

邹小龙

1,2

，卢晓春，李孝辉，徐劲松

111,2

，邹德财

1,2

（1. 中国科学院国家授时中心，陕西 西安 710600；

2. 中国科学院研究生院，北京 100039）

摘要：简要阐述了多频带-正交频分复用（MB－OFDM）超宽带系统的基本原理及信号格式，具体分析了相应的发射机与接收机的基本组成与工作原理。在此基础上，利用SystemView仿真平台对发射机、接收机以及信道进行了仿真设计，并互连成一个MB－OFDM超宽带系统。最后，分别给出了功率谱密度、子频带切换以及发射端与接收端信号比较结果，通过对仿真结果的分析证明了整个系统的正确性与可靠性。 关 键 词：多频带-正交频分复用（MB-OFDM）；超宽带（UWB）；SystemView仿真平台 中图分类号：TN91 文献标识码：A 文章编号：1001-14(2007)02-00-08 1 引 言

超宽带（Ultra-wideband，UWB）技术起初被称为无载波无线电，或脉冲无线电（impulse radio，IR）。2002年，联邦通信委员会（Federal Communication Commission，FCC）对超宽带赋予了最新的定义：任何绝对带宽大于500 MHz，或者相对带宽大于20%的无线电信号均称为超宽带信号。目前，国际上主要的UWB设计方案有直接序列DS-UWB和多频带OFDM-UWB方案。

超宽带信号带宽超过500 MHz，可以提供几百Mbps甚至几Gbps的数据传输速率，系统功耗低，抗多径能力强，具有较强的穿透能力，且对现有窄带系统的干扰很小。所以，无论是室内还是室外，超宽带技术都是短距离无线高速通信的首选；同时，超宽带信号纳秒级的时域分辨率使得它在精确导航定位方面有着十分广阔的应用前景。

本文在简要阐述多频带-正交频分复用（MB-OFDM）超宽带（UWB）系统的基本原理及信号格式，并具体分析相应的发射机与接收机的基本组成与工作原理的基础上，主要针对利用MB-OFDM超宽带技术进行短距离通信的问题，利用SystemView仿真平台对发射机、接收机以及信道进行了仿真设计，并互连成一个MB-OFDM超宽带系统。

[1]

收稿日期：2007-08-09；修回日期：2007-11-05 基金项目：863资助项目（2006AA12Z314）；西部之光人才培养计划资助项目（2005ZD02） 作者简介：邹小龙，男，硕士研究生，主要从事超宽带室内导航定位研究。 90 时间频率学报 总30卷

2 多频带-正交频分复用（MB-OFDM）超宽带系统

多频带-正交频分复用（MB-OFDM）是IEEE 802.15.3a工作组无线个域网（wireless personal area network, 简称为WPAN）物理层标准的候选提案之一，它的核心技术是时频交织正交频分复用（TFI-OFDM），即信息比特在所有的子频带之间进行交织，每个子频带的信号为一个OFDM信号，它由128路正交的子载波信号合成进行数据的发送。同时，多频带（MB）技术的应用使得超宽带系统可以根据各国制定的不同的频带分配原则，选择合适的频带进行高速数据传输，可以有效地避免影响某些特定频段，容易实现与现有的无线通信系统共存。

MB-OFDM-UWB系统将3.1 GHz到10.6 GHz范围的频段划分为14个子频带，每个子频带带宽为528 MHz，同时将所有的14个子频带又分为5个子频带组（band group）。其中，子频带组1~4各包含3个528 MHz带宽的子频带，而子频带组5仅包含2个子频带。本文所阐述的MB-UWB系统采用第1子频带组，即第 1、2、3子频带，中心频率分别为3 432 MHz，3 960 MHz以及4 488 MHz，各个子频带划分及传输信号格式如图1所示。

子频带 1 子频带 2 子频带 3

4224 4752

频率f /MHz3168 3696

IFFT输出

（OFDM符号）

补零后缀

时间

符号

[2]

图1 利用第1子频带组（1、2、3子频带）传输RF信号格式

注：IFFT为反向快速傅立叶变换；OFDM为正交频分复用

2.1 发射端设计原理

MB-OFDM超宽带发射系统的基带组成与一般的OFDM基带系统十分相似，通过扰码、卷积、打孔、交织、四相相移键控（QPSK）星座映射以及反向快速傅立叶变换（IFFT），生成OFDM数字基带信号，再经过高速数模转换（DAC），转换成适合无线传输的模拟信号，最后应用时频编码技术，产生MB-OFDM信号。发射端结构框图如图2所示。

[3]

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基带信号处理 输入数据扰码器卷积编码器打孔比特交织 QPSK映射IFFT+补零后缀数模转换 时频码exp（j2πfcct）exp(j2πft)

时频码 图2 发射端结构框图

注：QPSK为四相相移键控；IFFT为反向快速傅立叶变换

在工程上，扰码器和卷积编码器可以通过移位寄存器来实现，卷积码的编码速率有 11/32、1/2、5/8和3/4几种，信道比特速率恒定为0 Mbps；卷积编码是冗余编码，经过卷积编码后信息传输速率大增，为了减小系统压力，根据要得到的码率的不同，周期性地删除要进入信道的编码序列中的某些比特，这就是所说的打孔；交织的作用是将连续的突发错误随机化，通常需要两级以上的交织，按行读入，按列读出，工程上通过RAM来实现该过程；交织器输出的数据经过串并转换，通过QPSK映射，进行IFFT处理，在工程实现上，IFFT是一个难点，通过调用IP CORE可以比较容易地实现。生成的OFDM 基带符号，每个符号时宽为242.42 ns，包含128个子载波（sub-carriers），子载波间隔为4.125 MHz，其中100个为数据子载波（data tone），12个导频子载波（pilot tone）用于信道估计，10个为系统扩充保留子载波（guard tone），剩余6个为空子载波。为了防止符号间干扰（ISI），在每个OFDM符号前插入60.61 ns的循环前缀（CP）。而在每个OFDM符号后，加入9.47 ns的保护间隔（GI）用于不同子带的跳频切换

[4, 5]

。OFDM基带符号经过数模转换（DAC）后，采用时频编码（TFC）

慢跳频方式在3个子带上交错传输。

2.2 接收端设计原理

接收模块如图3所示,总体结构上可以看成是发射模块的逆过程。天线接收到的射频信号经前置滤波器和低噪声放大器后进行下变频，解调时分两路采用相干解调的方法，解调信号通过低通滤波器和可变增益放大器后，经过模数变换器（ADC），转换为数字基带OFDM信号。接收到的OFDM符号在去除循环前缀、保护间隔后进行傅立叶变换（FFT），再移除导频信号，进行解交织、然后送至Viterbi译码器进行译码，最后，由解扰码输出相应的数据。接收机从得到的基带数据包中一方面获取包同步、载波同步和定时信息，进行载波同步和符号相位跟踪；另一方面获取信道的有关信息进行信道估计，得到信道的时域冲激响应和最佳信号处理时间。

[6]

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射频前端前置滤波器低噪声放大器低通滤波器可变增益放大器cos（j2π） cos(2πfcctt)低通滤波器可变增益放大器模数转换自动增益补偿基带信号处理部分同步+删除循环前缀+FFT模数转换FEQ+移除导频解交织Viterbi译码解扰数据cos（j2πcos(2πffcct） )载波相位、时间跟踪图3 接收模块结构图

注：FEQ为频率均衡（frequency equalization）

3 SystemView仿真

SystemView是信号级的系统仿真软件，主要用于电路和通信系统的设计仿真，能满足滤波器设计和数字信号处理等简单的功能模块的设计和仿真，也可以满足复杂通信系统的设计、仿真要求。将要给出的SystemView仿真系统主要针对利用MB-OFDM超宽带技术进行短距离通信的问题，实现了低误码率下的高速通信。

3.1 系统介绍

根据上面的接收机和发射机的原理，设计MB-OFDM超宽带系统的SystemView仿真模型，主要包括发射部分、信道传输和接收部分，如图4所示。

本模型基于IEEE 802.15.3a标准，支持110 MHz的数据传输速率，基本参数设置为：卷积编码速率R=11/32，射频传输带宽528 MHz，占用3个相邻频带，中心频率分别是3.43 GHz，3.96 GHz，4.49 GHz，调制方式为QPSK，OFDM传输（128点的IFFT/FFT，zero-DC），每个OFDM符号的有效载荷为100个。图中用户数据信息模块0采用110 Mbps的随机序列；上变频和下变频的载波源如模块181和183所示，分别产生用于调制解调的3种频率的正弦和余弦信号；同时模块71输出幅度为1V、脉冲宽度为156.25×10s和频率为3.2 MHz的脉冲序列-1，0，+1，-1，0，+1……，该序列用来控制调制解调时的频率选择，所以称为频带选择开关；发射端的增益放大器23的增益设为+12 dB，以使发射机的输出为-42.5 dBm，满足FCC制定的室内UWB设备的辐射掩蔽，相应地将接收端的增益放大器29的增益设为-12 dB；在接收链路加入噪声源，功率谱密度为72×10

-12

-9

W/Hz；用于收发端的射频带通

滤波器：模块22和模块30，为3阶的Butterworth滤波器，低频截止频率为2 GHz，高频截止频率为6GHz；接收端的模数转换（DAC）的采样速率为528 MHz；应该注意的是，该仿真模型的信道模型

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并非是Intel公司提供并且被IEEE 802.15.3a采用的超宽带信道，而是给接收链路加入经过增益放大的高斯白噪声，接收机的同步用2抽样延时（模块45）的逻辑信号来保持。

图4 MB-OFDM-UWB系统仿真模型

3.2 仿真结果分析

图5是利用SystemView仿真平台对第一组子频带，即子频带1、2、3，进行仿真所得到的发射机功率谱密度图。其中白线表示的是功率谱的100点的滑动平均，相应中心频率为3.960 GHz；相对于中心频率，-12 dB点分别为3.233 GHz和4.749 GHz（带宽为1.516 GHz），-20 dB点分别为3.163 GHz，满足了传输OFDM信号的频带要求，同时带外功率特性控制在很和4.756 GHz（带宽为1.593 GHz）低的范围内，带外干扰很小。

功率p /dBm

频率f /Hz

图5 MB-OFDM子频带1、2、3的功率谱密度

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图6是整个系统的仿真结果图，该图使用相同的时间坐标轴（2.6×10 s ~ 4.4×10 s，系统输入延时和系统输出由于存在327点抽样延时，所以起始时间为5.57×10 s和7.37×10 s）。图6（a）给出了发射信号的形成过程，从原始的随机序列抽样，到OFDM调制输出（给出的是I路），最后是上变频后的射频（RF）输出，分别与SystemView仿真模型图中的模块59、模块66和模块61相对应；图6（b）为接收机的信号处理，信号先进行下变频输出，然后再AD采样，得到OFDM解调输入（给出的是I路），再经过解交织、解调、解码得到系统输出，分别与SystemView仿真模型图中的模块68、模块和模块60相对应；从波形上看，仿真系统不同阶段的输出波形对应关系良好，实现了数字通信功能。

振幅/V

时间t /s

时间t /s

时间t /s

振幅/V

-6

-6

-6-6

振振幅幅 /V/ v 时间t /s

振幅/V

振幅/V 振幅/V 时间t /s

时间t /s

（a） 发射端信号形成图 （b） 接收端信号处理图

图6 系统仿真结果

图7为利用子频带选择开关（模块178）进行子频带的切换结果，在指令开始执行后，根据子带选择开关输出的循环序列：-1，0，+1，-1，0，+1，……，接收机和发射机上的子带选择开关循环的切换子带1、2、3，OFDM信号被依次调制到这3个子频带上循环发送。

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振幅/V

时间t /s

图7 子带选择开关循环切换子带1、2、3

图8为MB-OFDM-UWB发射系统的输入延时（模块59，延时了327个抽样点）与接收系统的输出（模块60）比较图，为了便于观察比较，本文将接收端输出信号幅度偏移了0.05 V，我们看到的幅值稍小一些的就是接收端的输出信号，实际上系统输入信号延时与系统输出信号是完全重合的，误码率极低，从而证明了整个系统的可实现性和稳定性。

时间t /s

图8 MB-OFDM-UMB系统输出信号与系统输入信号延时对比

振幅/V 4 结 论

本文对MB-OFDM超宽带系统基本原理及组成进行了概括性的分析与说明，主要是用SystemView仿真软件实现了110 MHz数据传输速率的MB-OFDM超宽带系统。由系统的仿真结果来看，该系统传输速率高，发射功率低，误码率小，且具有良好的带外功率特性，可与其他无线电信号共存，从而论证了该通信系统的正确性与可实现性；同时，该仿真系统还具有多种速率的可扩展性，对不同需求的工程实现具有借鉴意义。

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参考文献：

[1] 毕光国. 我国高速UWB通信系统的研发回顾与展望[R]. 南京：东南大学信息科学与工程学院移动通信国家重点实验室，

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[4] ISO/IEC. Information Technology - telecommunications and Information Exchange between Systems - High Rate Ultra Wideband

PHY and MAC Standard. ISO/IEC：ISO/IEC 26907-2007[P]. 2007.

[5] 吴仁铭. Overview of MB-OFDM UWB Baseband System [R]. ：国立清华大学通信工程研究所，2005：10-13. [6] LEENAERTS D M W. Transceiver Design for Multiband OFDM UWB[J]. EURASIP Journal on Wireless Communications and

Networking，2006，3（2）：2-5.

Research and Simulation of MB-OFDM-UWB System

ZOU Xiao-long1,2, LU Xiao-chun1, LI Xiao-hui1, XU Jin-song 1,2, ZOU De-cai1,2

（1. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi’an, Shaanxi 710600, China;

2. Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China）

Abstract：The basic principle and transmitted signal structure for the MB-OFDM-UWB system are discussed firstly; more details about the basic structure and operation principle of transmitter and receiver are given. Based on above analyses, the transmitter, receiver and signal channel are simulated separately, and then the three parts are assembled into a complete MB-OFDM-UWB system. At last, the power spectrum, frequency band switch and comparison of transmitted and received signal are shown. The analysis of the simulation result proves the correctness and reliability of the system.

Key words：MB-OFDM；UWB；SystemView