宽带短波通信中快跳频 OFDM 系统的设计.doc

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1、精品论文宽带短波通信中快跳频 OFDM 系统的设计与实现甘君心，唐碧华，毕卫松5（北京邮电大学电子工程学院，北京 100876） 摘要：本文设计了一种能在宽带短波环境下表现良好的 FFH-OFDM（快跳频 OFDM）系统。 针对采用块状导频结构的 OFDM 系统设计了相应的 FFH 和 OFDM 结合方式，使得在一个 符号间隔内，并非所有子载波都参与跳频，而只有数据符号间发生跳频，为 FFH-OFDM 系10统的实际应用提供了理论基础。同时，通过引入跳频粒度（G）的概念 来实现不同跳频间 隔（分集程度）的选择。在宽带短波信道条件下将快跳频 OFDM 系统与普通 OFDM 系统性能进行了仿真对比

2、，结果表明本文设计的 FFH-OFDM 系统较之普通 OFDM 系统有着较大的性能增益。关键词：OFDM；快跳频；宽带短波信道15中图分类号：TN911.72Design and Implementation of FFH-OFDM System forWideband Short-wave CommunicationGan Junxin, Tang Bihua, Bi Weisong20(School of Electronic Engineering, Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing100876, Be

3、ijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876)Abstract: In this paper, a FFH-OFDM (Fast Frequency Hopping OFDM) system which is fit to the wideband short-wave communications is proposed. To design an appropriate FFH-OFDM mode for OFDM systems with block pilot structures, it can pr

4、ovide a theoretical base for its practical25application. At the same time, this paper proposed the theory of G by which we can change the frequency hopping interval. Then this paper makes a comparison of the proposed FFH-OFDM system and the ordinary OFDM system in the broadband shortwave channel con

5、ditions, and the results have proved that the proposed system has better performance.Key words: OFDM; FFH; wideband short-wave channel300引言随着无线通信技术的发展，人们对通信速率的要求越来越高，短波通信也不例外，再加 上频谱资源日渐紧张，宽带短波通信系统的研究与应用势在必行。正交频分复用技术（OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing）是对抗多径衰落的一种有效的调制35技术12，非常适用于短波通信。国内外诸

6、多机构从未停止过 OFDM 技术在短波通信领域的 应用研究。但是 OFDM 技术应用于宽带短波通信领域时，由于短波信道环境的影响，性能 依然难以满足要求，FFH-OFDM 技术正是在这个背景下应运而生的。FFH-OFDM 技术通过 在 OFDM 符号内进行频率分集，从而使系统性能大大提高，同时避免了信道编码，故可以 大大提高有效信息传输速率。另一方面，短波通信在军事领域内应用广泛，因而对保密性有40着很高的要求，而 FFH-OFDM 解调时，需要知道调制的跳频图案，可以增强信号保密性。FFH-OFDM 是在一个 OFDM 符号时间内，不同的采样时刻将一个发送数据调制到不同作者简介：甘君心(19

7、88-)，男，硕士研究生，主要研究方向：无线通信等通信联系人：唐碧华（1964-），女，教授，主要研究方向：无限传感器网络等. E-mail: bhtang- 10 -的子载波上。OFDM 调制技术要用到 IFFT 变换，并且该变换是通过变换矩阵来完成的，实际系统中，为了避免相邻频带的干扰，在频域两侧要设置保护间隔，同时，直流载波也要设45置为空载波。这样，在设计 FFH-OFDM 系统时，就要在用到 IFFT 变换的基础上，避免保 护间隔和直流载波发生跳频，同时又要避免发送数据跳频到保护间隔和直流载波的位置。针对上述的问题，本文将设计一种结合方式，使 OFDM 和 FFH 两种技术能够完美的

8、结 合在一起。1FFH-OFDM 原理50T.Scholand 和 T.Faber 等人在 2005 年提出了 FFH 的概念3。在 OFDM 的调制方式中， IFFT 变换后得到的是不同时刻发送数据调制到各个子载波上的采样数据的叠加，而每个时 刻每个发送数据调制到的子载波频率都是固定的，所以每个发送数据经历的都是相同频率的 衰落。一旦某个子载波衰落严重，就会造成发送数据的错误解调。FFH 技术正是改变了这 一点，在不同时刻，得到的是发送数据调制到不同子载波上的采样数据的叠加。这样，在发55送过程中，每个发送数据所经历的是多个子载波调制，即使有某个子载波频率衰落严重，经 过频率分集后，仍然可以

9、有较高的性能。OFDM 调制技术之所以得到广泛应用，是因为在发送和接收端，可以采用 IFFT 和 FFT 来代替多载波调制模块。采用 FFH 后，只采用简单的 IFFT 和 FFT 就无法实现，如何在 OFDM 系统的快速调制的基础上实现 FFH，就成了 FFH-OFDM 系统的关键。下面通过具体的系统60模型来说明这一问题。设 OFDM 系统子载波个数为 N，则调制信号可表示为：N -1s (t ) =k =0j 2p k Df td ek(1)其中， d k 为发送数据， D f足：为子载波间隔，为保证子载波间的正交性，子载波间隔满165Df = T1(2)其中，T 为符号持续时间，以周期

10、为：N Df对 OFDM 符号进行采样，可以得到采样结果s (n) =N -1k =0dk ej 2p k Df nN DfN -1= k =0dk ej 2p k n Nn = 0,1,LL, N -1;(3)70数。由上式可以看出，s(n)为 dk 的逆傅立叶变换，其中 k 表示载波序数，n 表示时域样点序若以变换矩阵来表示这一过程，可以设 N 个基带信号向量为:TS = d0发送端的 IFFT 变换矩阵如下所示：d1 LLdN -1 (4)1 1 1 L 1 2p 4p2p ( N -1) j j j 1 e N e NL e N 1 j 4pj 8pj =4p ( N -1) NNDN

11、 = 1 e eL e N N M M M2p (n -1)( m -1)je N M 2p ( N -1)4p ( N -1)=2p ( N -1)2 j j j1e N e NL e N(5)75以 v, 分别表示矩阵的行数、列数，且n , m = 1, 2, L, N 。其中矩阵每一行表示一个采n -1样时隙序数，从 0 到 v1 对应的采样时刻依次为N Df；矩阵每一列表示一个载波序数，0到 1 对应的载波频率依次为 (m -1) Df 。可以得到 DN 的通项，其第 v 行第 列的元素为D = 1 exp j 2p (n -1) ( m -1) 。N n ,m N N IFFT 是将

12、数据从频域变换到时域，因此，行数 v 表示 OFDM 符号时域采样点的序数，80DN 每一行元素对应一个采样时隙，其第 v 行与基带信号向量 s 相乘得到 OFDM 符号时域的 第n -1个采样点；列数 表示系统的载波序数，第 列对应的载波频率为 fm = (m -1) Df 。 矩阵 DN 与发送数据的基带向量 S 相乘后，即完成了发送数据在子载波上的调制以及采样过 程。N相对于 IFFT 的变换矩阵 DN，FFT 变换矩阵为D H ，其中 (g)H表示共轭转置，且有H N85D D HN N= I ，其中 IN 是单位矩阵。D H 与接收数据向量相乘后，数据由时域变换到频域，9095100

13、完成数据在各个子载波上的解调。FFH-OFDM 调制可以通过改进传统 OFDM 调制中 IFFT 变换矩阵的方式完成，前提是 保证仍然可以通过 IFFT 模块完成子载波调制。在 IFFT 变换矩阵中，每一行代表一个采样 时刻，变换结果即为在该时刻复数待发送值调制到不同频率子载波上的加和。为了取得频率 分集，要使得在每个时刻，复数待发送值都调制到不同的子载波上，这样，同一待发送值所 经历的是不同的发送子载波频率，在 OFDM 符号时间内得到了频率分集。这样就避免了某 一发送数据经由衰落严重的子信道发送，同时又大大增强了发送数据的保密性。在实际 OFDM 系统中，为了避免相邻频带的干扰，我们常常在

14、频域两端设置保护间隔， 为了避免直流载波无法调制到高频的影响，又常常会设置直流载波为空载波。而在FFH-OFDM 系统中，一旦发送数据跳频到频域保护间隔或者直流空载波上，就会对系统性 能带来不必要的损失。所以我们在设计 FFH-OFDM 调制矩阵时，必须避免发送数据跳频到 频域保护空载波和直流载波所在的位置。除去空载波之外，在 OFDM 的应用中，我们需要通过信道估计来完成对信道传输函数 的估计，以此来对信号进行补偿。而信道估计大多都是通过设置导频来完成的，即在子载波 上设置导频，根据导频数据变化来确定信道传输函数。在设计 FFH-OFDM 时，必须要避免 数据跳频到导频子载波上从而导致无法根

15、据导频数据来完成信道估计。同时还要避免导频数105据发生跳频从而导致得到错误的信道估计值。SynPilotDATADATA块状导频和梳状导频是现在得到广泛使用的 OFDM 导频设置方式。块状导频的设置方 式如图 1，是每相隔一定数量的 OFDM 符号发送一块导频符号，根据导频数据完成信道估 计，估计值即为该段信号内所有 OFDM 符号的信道估计值。本文针对采用块状导频形式的 OFDM 系统，设计相应的 FFH 结合方式。110115L DATA Pilot DATA L图 1 块状导频结构2针对块状导频的 FFH-OFDM 设计对于采用块状导频的 OFDM 系统，由于是每隔一定数量的 OFDM

16、 符号发送一个完全导 频符号，而在完全导频符号内是不需要进行跳频的，所以只需要考虑数据符号内频域两侧保 护间隔空载波和直流空载波带来的影响。设 N 为子载波个数，Nc 为数据子载波个数，直流空载波数目为 1，前后保护间隔空载 波数目分别为 ceil(N-Nc)/2)和 floor(N-Nc)/2)。这里我们引入跳频粒度（G）的概念，不同的 G 表示不同跳频间隔的跳频图案，也代表了不同程度的频率分集。以跳频粒度 G=2 为例进 行说明，将数据载波由直流空载波为界限分成两个部分，第 1 个采样时刻，待发送数据 d0 在第 1 个数据子载波上发送；第 2 个采样时刻，d0 在第二部分的第一个数据子载

17、波上发送； 第 3 个采样时刻，d0 在第 1 个数据子载波上发送；第 N 个采样时刻，d0 在第二部分 的第一个数据载频上发送，如图 2 所示：空载波MM M M ML数据载波1d 0ddNMc 2 +10dNc 2 +1数据载波Nc/2L直流载波 数据载波Nc/2+1Mc +12M M MNMcd2cdNc2d NcdNdNd0dNM0c +1d2MN数据载波NcdcM M MNNNMdddLc 2cc 2空载波M M M120图 2 FFH-OFDM 示意图(块状导频，G=2)和传统 OFDM 中 IFFT 变换矩阵相似，来构造如下 FFH-OFDM 矩阵：x = G ( DN ) =

18、D% N sN N N上式中 D% = F ( D ) ， D% 是 NN 方阵，其元素为：(6) % 12p (n -1) 1 2p (n -1) ( m -1) n ,m DN =exp jNN=exp jNN， 1 m N ,n 是奇数；n ,m NC 12p (n -1) 1 2p (n -1) m -1 + 2 + 1 D%= exp jn ,m =exp j ， 1 m N,n 是偶数； N n ,m NN NN 2 NC D 12p (n -1) 1 2p (n -1) m -1 - 2 + 1 D%= exp jn ,m =exp j ， N+ 1 m N ,n 是偶数；N n

19、 ,m NN NN 2 125(7)将 D%与N N 1 N 2 3 N 4n m 可以发现类似于 (m -1) ，因此可以看做N n ,m N , 进行对比，n ,m n ,m N N是基带信号 s 中第 个子信道上的基带信号 d 在第 v 个采样时刻的载频。可以通过矩阵运 算得到 D% 和 D 的关系：130D% = G ( D ) =D D D + D D D其中 D1 、 D 2 、 D 3 、 D 4 为对角矩阵，并且：(8) 2p (n -1) NC+ 1 2 exp j n 是偶数；D1 n ,n = N 1n 是奇数。 (9)D2 n ,n 1 0 n N 2 ;= (10)0

20、 N + 1 n N。2 2p (n -1) -NC -1 2 exp j n 是偶数；D3 n ,n = N 1n 是奇数。 (11)135D4 n ,n 00 n N 2 ;= (12)将上述值代入 6 式中得：1N+ 1 n N。2x = G ( DN )s = D% N s=D1DN s%1 + D3DN s%2 = D1DN (D2s) + D3 DN (D4s)(13)从上式可以看出，要在采用块状导频的 OFDM 系统中实现 FFH，可以先通过 D 2 和 D 4 对140发送数据进行预编码，然后在时域通过 D1 和 D 3 进行加成，即可完成 FFH-OFDM 调制。3系统性能仿

21、真3.1仿真参数本文算法仿真采用的是典型 Watterson 短波宽带信道模型4。其整个信道的联合冲激响 应为：h (t ) =M -1i =0i ia e j (2p f Di (t )t +fi )d (t - t )(14)145上式中，M 是总的传输路径条数，ai 是对应路径 i 的相对幅度，fDi(t)是指路径 i 在时刻t 的多普勒频移， fi 是路径 i 的相对起始相位值，i 是路径 i 的相对路径延时。文献5采用了DAMSON 声探测器(Doppler And Multipath Sounding Network)对 HF 信道进行了测量。根据 该次测量的测量数据，本文仿真信道

22、采用了以下信道参数：150表 1 仿真信道参数iaifi (deg)i(ms)fDi(t)(Hz)11.00271.03.4-16.120.78111.74.9-8.530.81235.25.6-17.9155在上述信道环境下，根据跳频粒度 G 的不同进行仿真，并与传统 OFDM 系统在短波宽带环境下的性能表现做了对比。FFH-OFDM 系统的仿真参数如下表：表 2 系统参数表子载波数目4096子载波间隔78.125Hz数据子载波3072符号时间12.8ms直流载波数目1CP 长度1/4系统带宽320kHz卷积码编码率3/4调制方式64QAM检测方式MMSE3.2仿真结果通信系统导频形式采用块

23、状导频，OFDM 符号仿真数目为 10000，导频间隔为 10 个符 号，即每隔 10 个 OFDM 符号插入一个导频符号。010No FFH G=2-110 G=4G=6-210-3BER10-410-510-6101601650 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20SNR图 3 理想信道估计条件下 FFH-OFDM 系统性能仿真图 3 是在理想信道估计条件下的系统仿真结果，仿真图显示的是随着信噪比 SNR 的变 化不同系统误码率的变化。图中有四条曲线，如图中所标示，分别代表的是不采用 FFH（No FFH）、采用不同跳频粒度 FFH（分别是 G=2、G=4、G=6）的系统性能

24、曲线。由仿真结果 可以看出，此时，FFH-OFDM 系统与传统 OFDM 系统相比，在 SNR 小于 4 时，性能稍差， 而当 SNR 大于 4 时，性能有所提升。并且随着跳频粒度的增大即分集程度的加深，系统性 能提升更大，在从 G=2 变为 G=4 时，性能提升最大。010No FFH G=210-1 G=4G=6-210BER-310-410-5100 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20SNR170175180185图 4 短波信道条件下 FFH-OFDM 系统性能仿真图 4 是在所设定信道条件下的系统仿真结果，该信道条件较差，含有三条传播路径，其 多普勒频移都较大。仿真图

25、显示的是随着信噪比 SNR 的变化不同系统误码率的变化。图中 有四条曲线，如图中所标示，分别代表的是不采用 FFH（No FFH）、采用不同跳频粒度 FFH（分别是 G=2、G=4、G=6）的系统性能曲线。由仿真结果可以看出，此时，FFH-OFDM 系 统与传统 OFDM 系统相比，性能有明显提升，即 FFH-OFDM 系统在短波宽带信道环境下表 现更好。而且随着跳频粒度不同，性能提升不同，跳频粒度 G 的越，分集程度越深，系统 性能就越好。另外，随着 G 的增大，提升效果有所变化，其中，从 G=2 变为 G=4 时，性能 提升最大。4结论本文首先介绍了快跳频技术的原理，然后设计了一种适用于宽

26、带短波通信的快跳频技术 和 OFDM 技术相结合的调制方式。仿真结果表明，本文提出的 FFH-OFDM 联合调制方式在 短波宽带信道条件下，比传统 OFDM 系统的性能有着较大的提高。另外，本文提出了跳频 粒度的概念，不同跳频粒度代表了不同的分集程度，仿真结果表明，跳频粒度值越大，系统 性能提升越大。参考文献 (References)1901 J.A.C. Bingham. Multicarrier Modulation for Data Transmission: An idea whose time has comeJ. IEEE Commun. Mag., May.1990, pp.5-

27、14.2 Richard van Nee and Ramjee Prasad. OFDM Wireless Multimedia CommunicationsM. Artech House, 2000. 3 T. Scholand, T. Faber and A. Seebens. Fast Frequency Hopping OFDM ConceptJ. IEEE Electronics Letters, June 2005, vol.41, No.13: 748-749.4 Nilsson J E M, Timothy C G. Wideband Multi-Carrier Transmi

28、ssion for Military HF CommunicationJ. Proc.195IEEE MILCOM97, Monterey, California, U.S.A., Nov.1997, 1046-1051.5 Broms M, Lundborg B, Jodalen V. Doppler Effects on High Latitude HF paths During an IonosphericDisturbanceJ. Proc. IEEE Seventh International Conf. HF Radio Systems and Techniques, Nottingham, UK, July1997,pp.75-79.