Inhaltsverzeichnis
1. Orthogonales Frequenzmultiplex (OFDM)
2. Filterbank-Mehrfachträger (FBMC)
OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) und FBMC (Filter Bank Multi-Carrier) sind zwei häufig verwendete Modulationstechnologien, die in modernen Kommunikationssystemen wie 5G weit verbreitet sind. Im Folgenden stellen wir die Leistung des Unterträgerspektrums unter diesen beiden Modulationsmethoden im Detail vor.
1. Orthogonales Frequenzmultiplex (OFDM)
OFDM ist eine Mehrträgermodulationstechnologie. Ihre Hauptidee besteht darin, einen Hochgeschwindigkeitsdatenstrom in mehrere Unterdatenströme mit niedrigerer Geschwindigkeit aufzuteilen und diese parallel auf mehreren orthogonalen Unterträgern zu übertragen. Diese Technologie kann Mehrwegeeffekten und Intersymbolinterferenzen wirksam widerstehen und verbessert so die Zuverlässigkeit und Effizienz der Datenübertragung.
In einem OFDM-System ist die Spektralform jedes Unterträgers normalerweise eine Rechteckwelle, und zwischen den Unterträgern werden orthogonale Beziehungen aufrechterhalten. Unter idealen Umständen entspricht die Spektrumleistung von OFDM-Unterträgern daher dem Spektrum einer einzelnen Rechteckwelle, d. h. die Hauptkeulenbreite des Spektrums ist schmal und es gibt keine Nebenkeuleninterferenz. Aufgrund des Einflusses verschiedener Faktoren in tatsächlichen Systemen wird jedoch die Orthogonalität zwischen Unterträgern zerstört, was zu Interferenzen zwischen Unterträgern und Spektrumverlust führt. Um die Leistung von OFDM-Systemen zu optimieren, sind in der Regel komplexe Technologien wie zyklische Präfix- und Frequenzbereichsentzerrung erforderlich, um diese Interferenzen zu kontrollieren.
2. Filterbank-Mehrfachträger (FBMC)
FBMC ist eine auf Filterbanken basierende Modulationstechnologie. Ihre Hauptidee besteht darin, den Datenstrom in mehrere Teilströme aufzuteilen und diese jeweils durch eine Reihe von Filtern zu übertragen. Im Gegensatz zu OFDM haben die Filter in FBMC-Systemen nicht ideale Eigenschaften, was dazu führt, dass das Spektrum jedes Unterträgers unterschiedliche Formen und Größen aufweist. FBMC verwendet einen Satz paralleler Subbandfilter, um Mehrträgersignale zu filtern. Dieser Filtersatz wird vom gleichen Prototyp-Tiefpassfilter moduliert. Es gibt grob zwei Möglichkeiten, FBMC-Systeme zu implementieren: Frequenzbereich und Zeitbereich. Der Frequenzbereich wird mithilfe einer erweiterten FFT implementiert, und der Zeitbereich wird mithilfe eines mehrphasigen Filternetzwerks implementiert. Das FBMC-System besteht aus einer umfassenden Filterbank am Sender und einer Analysefilterbank am Empfänger. Die Analysefilterbank zerlegt das Eingangssignal in mehrere Teilbandsignale, und die Synthesefilterbank synthetisiert jedes Teilbandsignal und rekonstruiert dann die Ausgabe. Es ist ersichtlich, dass die Analysefilterbank und die Synthesefilterbank inverse Strukturen sind gegenseitig. Unabhängig davon, ob es sich um eine analytische Filterbank oder eine umfassende Filterbank handelt, ist ihre Kernstruktur der Prototypfilter. Die anderen Filter in der Filterbank werden basierend auf der Frequenzverschiebung des Prototypfilters erhalten. Die analytische Filterbank und die umfassende Filterbank Prototypfunktionen von sind zueinander konjugiert und zeitlich umgekehrt.
In FBMC-Systemen sind Filterdesign und -auswahl von entscheidender Bedeutung. Zu den gängigen Filtern gehören Quadratwurzel-Raised-Cosine-Filter, Filterbankfilter usw. Durch die rationale Auswahl von Filtern kann die Spektrumleistung von Unterträgern optimiert und Nebenkeuleninterferenzen sowie Intersymbolinterferenzen reduziert werden. Im Vergleich zu OFDM ist die Intersymbolinterferenz in FBMC-Systemen komplexer, die Auswirkungen von Interferenzen können jedoch durch die Optimierung des Filterdesigns effektiv reduziert werden.
In einem realen System müssen auch die Komplexität der Implementierung und Hardwarebeschränkungen berücksichtigt werden. Da der Entwurf und die Implementierung von Filtern relativ komplex sind, sind in der Regel Optimierungsalgorithmen und digitale Signalverarbeitungstechniken erforderlich, um den Rechenaufwand und die Hardwarekosten zu reduzieren. Darüber hinaus hängt die Leistung des FBMC-Systems eng mit der Auswahl der Filter zusammen, sodass geeignete Filter basierend auf tatsächlichen Anwendungsszenarien und Systemanforderungen ausgewählt werden müssen.
OFDM und FBMC sind zwei häufig verwendete Modulationstechnologien mit ihren eigenen Eigenschaften und Vorteilen. Das OFDM-System ist einfach, leicht zu implementieren und verfügt über einen guten Anti-Multipath-Effekt und eine gute Intersymbol-Interferenzleistung; während das FBMC-System die Spektrumnutzung und Leistung durch Optimierung des Filterdesigns verbessert. In praktischen Anwendungen muss die geeignete Modulationsmethode entsprechend den spezifischen Szenarien und Anforderungen ausgewählt werden. In zukünftigen Kommunikationssystemen werden diese beiden Modulationstechnologien weiterhin einen wichtigen Anwendungswert haben und möglicherweise weiterentwickelt werden, um höhere Datenübertragungsraten und komplexere Kommunikationsszenarien zu unterstützen.
3. MATLAB-Kernprogramm
for m=0:u-1
r=m+1;% 原型滤波器方程K=4
% 如果需要，你可以根据需要打开以下两行代码，这是K=3和K=2的原型滤波器表达式
p1(m+1)=y(1,1)-2*y(1,2)*cos(r*s)+2*y(1,3)*cos(2*r*s)-2*y(1,4)*cos(3*r*s);
end
% 计算lp-1的值
for m=0:M-1
p2(m+1)=1;
end
% OFDM的原型滤波器
figure (1)
[H,w] = freqz(p1);% 使用freqz函数计算滤波器的频率响应H，w为频率向量
H=H./max(H);% 将H的幅度范围限制在[-1,1]之间，以更好地在图中显示
hold on
plot(w/pi,20*log10(abs(H)));% 在同一图形窗口中绘制多条曲线
plot(-w/pi,20*log10(abs(H))); % 绘制幅度为H的曲线，x轴为归一化频率w/pi，y轴为dB单位对数值20*log10(abs(H))
plot((w+.5)/pi,20*log10(abs(H)),'r');% 绘制幅度为H的曲线，x轴为归一化频率-w/pi，y轴为dB单位对数值20*log10(abs(H))，与上面一条线组成一个完整的振幅曲线图（虚线表示负频率）
plot((-w+.5)/pi,20*log10(abs(H)),'r'); %%% 绘制幅度为H的曲线，x轴为归一化频率(w+0.5)/pi，y轴为dB单位对数值20*log10(abs(H)),绘制红色的曲线为了与前面的曲线区分开
plot((w+1)/pi,20*log10(abs(H)),'m');%绘制幅度为H的曲线，x轴为归一化频率- (w+0.5)/pi，y轴为dB单位对数值20*log10(abs(H)),绘制红色的曲线为了与前面的曲线区分开
plot((-w+1)/pi,20*log10(abs(H)),'m'); %%% 绘制幅度为H的曲线，x轴为归一化频率(w+1)/pi，y轴为dB单位对数值20*log10(abs(H)),绘制紫色的曲线为了与前面的曲线区分开
up22214. Simulationsergebnisse
Die Spektrumsunterschiede zwischen OFDM und FBMC spiegeln sich hauptsächlich in der Bandbreiteneffizienz, Nebenkeuleninterferenz, Spektrumsverlust und Multiplexfähigkeiten wider.
- Bandbreiteneffizienz: Unter idealen Umständen beträgt der Frequenzabstand von OFDM 1/T und es gibt keine Spektrumverschwendung. In praktischen Anwendungen führt die Einführung von CP jedoch zu einer Verringerung der Frequenzbandauslastung. Im Gegensatz dazu ist der Frequenzabstand von FBMC normalerweise größer als 1/T, aber aufgrund der nicht rechteckigen Eigenschaften des Filters kann es Spektrumressourcen effektiver nutzen und die Bandbreiteneffizienz verbessern.
- Nebenkeuleninterferenz und Spektrumsverlust: OFDM stellt hohe Synchronisationsanforderungen und reagiert sehr empfindlich auf Frequenzversatz. Daher muss CP verwendet werden, um die durch Zeitexpansion verursachte Zerstörung orthogonaler Bedingungen zu überwinden. Aber selbst mit CP ist der Spektrumsverlust immer noch groß und die Nebenkeuleninterferenz ist stark. Im Gegensatz dazu kann FBMC aufgrund der Eigenschaften der Filterbank Nebenkeuleninterferenzen und Spektrumslecks effektiver kontrollieren.
- Wiederverwendungsfähigkeit: FBMC kann das zugewiesene Spektrum effizient nutzen und Spektrum-„Löcher“ für Spektrumerfassungsanwendungen erzeugen oder belegen und verfügt so über eine stärkere Wiederverwendungsfähigkeit des Spektrums.