UFMC与OFDM调制

打开直播脚本

这个例子比较了通用滤波多载波(UFMC)和正交频分复用(OFDM)，突出了第五代(5G)通信系统的候选调制方案的优点。

在3GPP Release 14期间，在3GPP RAN研究第一阶段中，UFMC被认为是OFDM的交替波形。

介绍

OFDM作为一种多载波调制技术，已被LTE、Wi-Fi®等4G通信系统广泛采用。它具有对信道延迟的鲁棒性、单抽头频域均衡和高效实现等优点。通常不被强调的是它的成本，如由于更高的旁瓣和严格的同步要求而造成的频谱效率的损失。因此，人们正在考虑采用新的调制技术，用于5G通信系统，以克服其中一些因素。

作为示例，在20MHz信道带宽处的LTE系统使用每个12个子载波的100个资源块，每个子载波为15kHz的单独子载波间隔。这仅利用了18 MHz的分配光谱，导致10％的损失。另外，每个OFDM符号的144或160样品的循环前缀导致另一个〜7％的效率损失，总体上的频谱效率的总体损失为17％。

根据国际电联目前对5G系统的规定，应用程序需要更高的数据速率、更低的延迟和更有效的频谱使用。本例重点介绍了一种新的调制技术，即通用滤波多载波(UFMC)，并将其与通用框架下的OFDM进行了比较。

s = rng（211）;为可重复性设置RNG状态

系统参数

为示例定义系统参数。可以修改这些参数以探索它们对系统的影响。

numFFT = 512;% FFT点数subbandSize = 20;％必须> 1numSubbands = 10;% numSubbands*subbandSize <= numFFTsubbandOffset = 156;频带中心的％numfft / 2-subbandsize * numsubbands / 2多尔夫-切比雪夫窗设计参数filterlen = 43;%类似循环前缀长度slobeAtten = 40;旁瓣衰减百分比，dBbitsPerSubCarrier = 4;% 2: 4qam, 4: 16qam, 6: 64qam, 8: 256qamsnrdB = 15;DB中％SNR

通用滤波多载波调制

UFMC被看作是滤波OFDM和FBMC(滤波器组多载波)调制的推广。滤波OFDM对整个频带进行滤波，FBMC对单个子载波进行滤波，UFMC对一组子载波(子频带)进行滤波。

这种子载波分组允许减少过滤器长度(与FBMC相比)。此外，UFMC仍然可以使用QAM，因为它保留了复杂的正交性(与FBMC相比)，这与现有的MIMO方案一起工作。

子载波的全频带(N)分为子带。每个子频带有固定数量的子载波，并不是所有子频带都需要用于给定的传输。一个N-pt计算每个子带的IFFT，为未分配的载波插入零。每个子带由一个长度滤波器进行过滤l和不同子带的响应总结。完成过滤以减少带外光谱排放。可以应用每个子带的不同滤波器，但是，在此示例中，每个子带使用相同的滤波器。使用具有参数化侧瓣衰减的Chebyshev窗口来过滤每个子带的IFFT输出[1]。

发送端处理如下图所示。

%指定衰减的设计窗口原型过滤器= chebwin(filterLen, slobeAtten);%发送端处理%初始化数组inpData = zeros(bitsPerSubCarrier*subbandSize, numSubbands); / /输入数据txSig = complex(0 (numFFT+ filterlen - 1,1));hFig =图;轴([-0.5 0.5 -100 20]);持有在；网格在包含(归一化频率的）;ylabel (“PSD(瓦分贝/ Hz)”） 标题（[“UFMC”,num2str (numSubbands)'子带，'．..num2str (subbandSize)每副载波的]）每个子带的％循环为bandIdx = 1:numSubbands bitsIn = randi([0 1]， bitsPerSubCarrier*subbandSize, 1);％QAM符号映射器symbolsin = qammod（bitsin，2 ^ bitspersubcarrier，'输入类型'，“一点”，．..'onemaveragepower',真正的);inpData (:, bandIdx) = bitsIn;%日志位进行比较%将子带数据打包到OFDM符号中抵消= subbandOffset + (bandIdx-1) * subbandSize;symbolsInOFDM =[0(抵消,1);symbolsIn;．..0 (numFFT-offset-subbandSize 1)];ifftOut =传输线(ifftshift (symbolsInOFDM));每个子带的％过滤器以频率移位bandfilter = prototypefilter。* exp（1i * 2 * pi *（0：filterlen-1）'/ numfft *．..((bandIdx-1/2) * subbandSize + 0.5 + subbandOffset + numFFT / 2));filterOut = conv (bandFilter ifftOut);%绘制每个子带的功率谱密度(PSD)[psd,f] = periodogram(filterOut, rectwin(length(filterOut)))，．..numfft * 2,1，“中心”）;情节(f, 10 * log10 (psd));%对经过过滤的子带响应求和，形成汇总发送％ 信号txSig = txSig + filterOut;结束套（HFIG，'位置'， figposition([20 50 25 30]);持有从；

图中包含一个轴对象。标题为UFMC的轴对象，10个子带，20个子载波各包含10个类型为line的对象。

计算峰均功率比(PAPR)papr = comm.ccdf（“PAPROutputPort”， 真的，'PowerUnit'，“瓦分贝”）;[~, ~, paprUFMC] =地表铺面(txSig);disp (['峰均功率比(PAPR)为UFMC = 'num2str (paprUFMC)“数据库”]）;

UFMC的峰平均功率比（PAPR）= 8.2379 dB

相应参数的OFDM调制

为了比较，我们回顾了现有的OFDM调制技术，但使用全占用频带，而没有循环前缀。

symbolsin = qammod（inpdata（:)，2 ^ bitspersubcarrier，'输入类型'，“一点”，．..'onemaveragepower',真正的);％将所有子带一起处理在一起抵消= subbandOffset;symbolsInOFDM = [0 (offset, 1);symbolsIn;．..0 (numFFT-offset-subbandSize * numSubbands, 1)];ifftOut =√numFFT)。*传输线(ifftshift (symbolsInOFDM));%绘制所有副载波的功率谱密度(PSD)[psd,f] = periodogram(ifftOut, rectwin(length(ifftOut)))， numFFT*2，．..1，“中心”）;hFig1 =图;情节(f, 10 * log10 (psd));网格在轴([-0.5 0.5 -100 20]);包含(归一化频率的）;ylabel (“PSD(瓦分贝/ Hz)”） 标题（[OFDM,num2str (numSubbands * subbandSize)副载波的]）设置（HFIG1，'位置'， figposition([46 50 25 30]));

图中包含一个轴对象。标题为OFDM, 200子载波的axes对象包含一个line类型的对象。

计算峰均功率比(PAPR)PAPR2 = comm.CCDF (“PAPROutputPort”， 真的，'PowerUnit'，“瓦分贝”）;[〜，〜，paprofdm] = papr2（ifftout）;disp ([OFDM的峰值平均功率比(PAPR) =num2str (paprOFDM)“数据库”]）;

OFDM的峰值平均功率比(PAPR) = 8.8843 dB

比较OFDM和UFMC方案的谱密度图，发现UFMC方案具有较低的旁瓣。这允许更高地利用分配的频谱，从而提高频谱效率。UFMC的PAPR也略好一些。

无信道UFMC接收机

该示例下一步突出显示基本UFMC接收处理，例如OFDM，是基于FFT的。子带滤波将接收时间窗口扩展到FFT操作的下一个两个长度。每个备用频率值对应于子载波主瓣。在典型方案中，每个子载波均衡用于均衡信道和子带滤波的联合效果。

在这个例子中，只有子带滤波器被均衡，因为没有信道效应被建模。在接收信号中加入噪声以达到预期的信噪比。

%添加WGNrxsig = awgn（txsig，snrdb，'测量'）;

接收端处理如下图所示。

% Pad接收矢量为FFT长度的两倍(注意使用txSig作为输入)百分比没有采用窗口或额外的过滤yRxPadded = [rxSig;0 (2 * numFFT-numel (txSig), 1)];%执行FFT和向下采样2RxSymbols2x = fftshift (fft (yRxPadded));RxSymbols = RxSymbols2x(1:2:结束);%选择数据子载波datarxsymbols = rxsymbols（子带Offset +（1：numsubbands * subbandsize））;% Plot收到符号星座constDiagRx = comm.ConstellationDiagram (“ShowReferenceConstellation”，．..假的,'位置'， figposition([20 15 25 30])，．..'标题'，“UFMC Pre-Equalization符号”，．..“名字”，“UFMC接待”，．..“XLimits”，[-150 150]，“YLimits”，[-150 150]）;constdiagrx（datarxsymbols）;

% OFDM解调后使用零强迫均衡器rxf = [prototypeFilter。* exp(1 * 2 *π* 0.5 * (0:filterLen-1) / numFFT);．..0 (numFFT-filterLen 1)];prototypeFilterFreq = fftshift (fft (rxf));prototypeFilterInv = 1. / prototypeFilterFreq (numFFT / 2-subbandSize / 2 + (1: subbandSize));％均衡每个子带 - 撤消过滤器失真datarxsymbolsmat = Rehape（DataRxSymbols，子带化，Numsubbands）;companyizedrxsymbolsmat = bsxfun（@ times，datarxsymbolsmat，prototypefilterinv）;companyizedrxsymbols = companyizedrxsymbolsmat（:);％绘图均衡符号星座constdigeq = comm.constellationDiagram（“ShowReferenceConstellation”，．..假的,'位置'， figposition([46 15 25 30])，．..'标题'，'UFMC均等的符号'，．..“名字”，“UFMC均衡”）;constDiagEq (EqualizedRxSymbols);

%的误码率计算数量= comm.ErrorRate;执行艰难的决策并衡量错误rxBits = qamdemod(EqualizedRxSymbols, 2^bitsPerSubCarrier，“OutputType”，“一点”，．..'onemaveragepower',真正的);BER = BER（INPDATA（:)，RXBITS）;disp (['UFMC接待，BER ='num2str（BER（1））' at SNR = '．..num2str (snrdB)“数据库”]）;

接收，在信噪比= 15db时，误码率= 0

%恢复RNG状态rng(年代);

结论与进一步探索

该实例介绍了在通信系统的发送端和接收端使用UFMC调制方案的基本特点。探索不同的系统参数值的子频带数，每个子频带的子载波数，滤波器长度，副瓣衰减和信噪比。

指FBMC与OFDM调制以描述FBMC (Filter Bank Multi-Carrier)调制方案为例。的F-OFDM与OFDM调制示例介绍了滤波ofdm调制方案。

与OFDM相比，UFMC具有更高的频谱效率。子带滤波的好处是减少了子带之间的保护，也减少了滤波器的长度，这使得该方案对短突发有吸引力。后者的特性也使得它比FBMC更有吸引力，后者的过滤器长度要长得多。

选定的参考书目

陈勇，“5G波形的竞争——对短包和低延迟传输的适用性”，车载技术会议，第1-5页，2014。
野生，T.，Schaich，F.，Chen Y.，基于通用过滤（UF-）OFDM的5G空中接口设计“，Proc。19国际联盟。关于数字信号处理，PP。699-704，2014。