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OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)과 FBMC(Filter Bank Multi-Carrier)는 5G와 같은 현대 통신 시스템에서 널리 사용되는 두 가지 일반적으로 사용되는 변조 기술입니다. 아래에서는 이 두 가지 변조 방법에 따른 부반송파 스펙트럼 성능을 자세히 소개합니다.
1. 직교주파수분할다중화(OFDM)
OFDM은 다중 반송파 변조 기술로, 주요 아이디어는 고속 데이터 스트림을 여러 개의 저속 하위 데이터 스트림으로 나누고 이를 여러 개의 직교 부반송파를 통해 병렬로 전송하는 것입니다. 이 기술은 다중 경로 효과와 기호 간 간섭을 효과적으로 방지하여 데이터 전송의 신뢰성과 효율성을 향상시킬 수 있습니다.
OFDM 시스템에서 각 부반송파의 스펙트럼 모양은 일반적으로 직사각형파이며 부반송파 간에는 직교 관계가 유지됩니다. 따라서 이상적인 상황에서 OFDM 부반송파의 스펙트럼 성능은 단일 직사각형파의 스펙트럼입니다. 즉, 스펙트럼의 메인 로브 폭이 좁고 사이드 로브 간섭이 없습니다. 그러나 실제 시스템의 다양한 요인의 영향으로 인해 부반송파 간의 직교성이 파괴되어 부반송파 간 간섭 및 스펙트럼 누출이 발생하게 됩니다. OFDM 시스템의 성능을 최적화하려면 일반적으로 이러한 간섭을 제어하기 위해 순환 프리픽스 및 주파수 도메인 등화와 같은 복잡한 기술이 필요합니다.
2. 필터 뱅크 다중 캐리어(FBMC)
FBMC는 필터 뱅크 기반 변조 기술로, 주요 아이디어는 데이터 스트림을 여러 하위 스트림으로 분할하고 각각 필터 세트를 통해 전송하는 것입니다. OFDM과 달리 FBMC 시스템의 필터는 비이상적인 특성을 가지므로 각 부반송파의 스펙트럼이 서로 다른 모양과 크기를 나타냅니다. FBMC는 병렬 하위 대역 필터 세트를 사용하여 다중 반송파 신호를 필터링합니다. 이 필터 세트는 동일한 프로토타입 저역 통과 필터에서 변조됩니다. FBMC 시스템을 구현하는 방법에는 대략 주파수 도메인과 시간 도메인의 두 가지 방법이 있습니다. 주파수 영역은 확장된 FFT를 사용하여 구현되고, 시간 영역은 다상 필터 네트워크를 사용하여 구현됩니다. FBMC 시스템은 송신기의 포괄적인 필터 뱅크와 수신기의 분석 필터 뱅크로 구성됩니다. 분석 필터 뱅크는 입력 신호를 여러 개의 서브밴드 신호로 분해하고, 합성 필터 뱅크는 각 서브밴드 신호를 합성한 후 출력을 재구성하는데, 분석 필터 뱅크와 합성 필터 뱅크는 의 역구조임을 알 수 있다. 서로. 분석 필터 뱅크이든 종합 필터 뱅크이든 핵심 구조는 프로토타입 필터입니다. 필터 뱅크의 다른 필터는 프로토타입 필터의 주파수 편이를 기반으로 얻어집니다. 분석 필터 뱅크와 종합 필터 뱅크는 의 프로토타입 함수는 상호 공액 및 시간 역전입니다.
FBMC 시스템에서는 필터 설계와 선택이 핵심입니다. 일반적인 필터에는 제곱근 올림 코사인 필터, 필터 뱅크 필터 등이 포함됩니다. 필터를 합리적으로 선택하면 부반송파의 스펙트럼 성능을 최적화할 수 있고 사이드 로브 간섭과 기호 간 간섭을 줄일 수 있습니다. OFDM과 비교할 때 FBMC 시스템의 기호 간 간섭은 더 복잡하지만 필터 설계를 최적화하면 간섭의 영향을 효과적으로 줄일 수 있습니다.
실제 시스템에서는 구현 복잡성과 하드웨어 제한 사항도 고려해야 합니다. 필터의 설계와 구현은 상대적으로 복잡하기 때문에 일반적으로 계산 복잡성과 하드웨어 비용을 줄이기 위해 최적화 알고리즘과 디지털 신호 처리 기술이 필요합니다. 또한, FBMC 시스템의 성능은 필터 선택과 밀접한 관련이 있으므로 실제 적용 시나리오 및 시스템 요구 사항에 따라 적절한 필터를 선택하는 것이 필요합니다.
OFDM과 FBMC는 고유한 특성과 장점을 지닌 일반적으로 사용되는 두 가지 변조 기술입니다. OFDM 시스템은 간단하고 구현이 쉬우며 다중 경로 방지 효과와 기호 간 간섭 성능이 우수하고, FBMC 시스템은 필터 설계를 최적화하여 스펙트럼 활용도와 성능을 향상시킵니다. 실제 응용 분야에서는 특정 시나리오 및 요구 사항에 따라 적절한 변조 방법을 선택해야 합니다. 미래의 통신 시스템에서 이 두 변조 기술은 여전히 중요한 응용 가치를 가지며 더 높은 데이터 전송 속도와 더 복잡한 통신 시나리오를 지원하기 위해 추가로 개발될 수 있습니다.
3.MATLAB 핵심 프로그램
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. 시뮬레이션 결과
OFDM과 FBMC 간의 스펙트럼 차이는 주로 대역폭 효율성, 사이드 로브 간섭, 스펙트럼 누출 및 다중화 기능에 반영됩니다.
- 대역폭 효율성: 이상적인 상황에서 OFDM의 주파수 간격은 1/T이며 스펙트럼 낭비가 없습니다. 그러나 실제 응용 분야에서는 CP를 도입하면 주파수 대역 활용도가 감소합니다. 이에 비해 FBMC의 주파수 분리는 일반적으로 1/T보다 크지만, 필터의 직사각형이 아닌 특성으로 인해 스펙트럼 자원을 보다 효과적으로 활용하고 대역폭 효율성을 향상시킬 수 있습니다.
- 사이드 로브 간섭 및 스펙트럼 누출: OFDM은 동기화 요구 사항이 높고 주파수 오프셋에 매우 민감하므로 시간 확장으로 인한 직교 조건 파괴를 극복하기 위해 CP를 사용해야 합니다. 그러나 CP를 사용하더라도 스펙트럼 누출은 여전히 크고 사이드 로브 간섭이 강합니다. 이에 비해 FBMC는 필터 뱅크의 특성으로 인해 사이드 로브 간섭과 스펙트럼 누출을 보다 효과적으로 제어할 수 있습니다.
- 재사용 기능: FBMC는 할당된 스펙트럼을 효율적으로 활용하고 스펙트럼 감지 애플리케이션을 위한 스펙트럼 "홀"을 생성하거나 점유할 수 있으므로 더 강력한 스펙트럼 재사용 기능을 갖습니다.