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基于 OFDM的 UWB无线通信系统的研究
摘 要：本文讨论了基于MB-OFDM方案的超宽带通信系统,并在对MB- OFDM- UWB 系统进
行研究分析的基础上, 提出了一种基于BPSK 调制的MB-OFDM-UWB发送接收系统, 使用
相应的数学描述公式对发送机和接收机的工作原理进行了详细的阐述。
关键词：超宽带，MB－OFDM，BPSK，跳频
中图分类号：
1. 引言
UWB(Ultra Wide Band，超宽带)是一种以极低功率在短距离内高速传输数据的无线技
术。这种原来专属军方使用的技术随着2002年2月美国联邦通信委员会(FCC)正式批准民用而
备受世人的关注。UWB具有一系列优良独特的技术特性，是一种极具竞争力的短距无线传
输技术。UWB技术在最近几年的研究成果有：
美国XtremeSpectrun公司能够提供在各种设备之间无线传输音频、视频的UWB芯片组，
它采用双相调制技术和 协议，传输速率达到 100Mb/s。
2003 年 1 月，Philips 和 GA 签订了一个备忘录，利用 Philips 在 BiCOMS 的优势和 GA
的 UWB 技术联合开发组，并支持 标准。PulseLink 速率达 480Mb/s 的 UWB
芯片公司在 2003 年第一季度推出了传输速率达 400Mb/s 的 UWB 芯片组。
美国 DiscreteTime 公司开发了多频段 UWB 技术，它采用不同频段发送信息而不是发射
单个脉冲。与单频段 UWB 相比，多频段 UWB 系统的每频段内可以用较低的速率发送信息，
这降低了 UWB 的成本，具有较好的自适应性，可以与 共存。
2007年日本厂商Y-E Data日前宣布出货市面上首款基于Ultra Wideband（UWB超宽带）
技术的无线USB集线器YD-300。该款YD-300是采用Wisair生产的UWB芯片，其无线连接可
以替代任何有线的USB连接。可以将任何采用USB连接的外围设备诸如打印机、扫描仪、数
码相机或者移动硬盘等随意放置，通过无线连接使其和主机PC相连。
目前, 针对基于UWB 的物理层形成了两种技术方案, 一种是将跳频( FH) 与OFDM结
合起来的MB- OFDM- UWB 方案 , 另一种是保存了原始脉冲属性的DS- UWB (Direct
Sequence- UWB)[1,2]。就目前的趋势来看, MB- OFDM方式已经获得了绝大多数厂商的支持。
2004 年1 月由Intel 发起与TI, Nokia 等几个大公司组建的MBOA 联盟, 其主要的技术基础
就是MB- OFDM。本文研究分析了MB- OFDM- UWB 无线通信系统, 提出了一种基于二进
制相移键控(BPSK) 调制的MB- OFDM- UWB发送接收系统。
2. MB- OFDM- UWB 系统
2. 1 系统介绍
OFDM
正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing ,OFDM) 是频率正交的一种
频分复用方式。作为一种特殊的多载波调制技术,其核心思想是将信道分成若干个正交子信
道,在每个子信道上进行窄带调制和传输,这样减少了子信道之间的相互干扰。每个子信道上
的信号带宽小于信道的相关带宽,因此每个子信道上的频率选择性衰落是平坦的,大大消除了
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符号间干扰。另外,由于在OFDM系统中各个子信道的载波相互正交,于是它们的频谱是相互
重叠的,这样不但减小了子载波间的相互干扰,同时又提高了频谱利用率。在各个子信道中的
这种正交调制和解调可以采用IFFT 和FFT 方法来实现。正因为OFDM技术具有高速数据传
输能力、高效的频谱利用率和抗多径干扰等诸多优点,并可方便地与自适应调制、自适应功
率分配等自适应技术相结合。因而引起了广泛的兴趣,并被应用到无线通信系统中,例如
ETSIHiperLAN2 和IEEE802. 11. a等。同时,OFDM 被普遍认为是下一代无线通信的有效技
术之一。
MB-OFDM-UWB
2004 年 1 月由 Intel 发起与 TI、Nokia 等几个大公司组建了 MBOA 联盟，其主要技
术基础是 MB-OFDM，到 2004 年 9 月已有成员公司 180 多家。MB-OFMA 技术是根据
FCC 规范的说明，将 频段分成 14 个频段，5 个频段组，前 4 个频段组分别
由 3 个频段组成，第 5 个频段组由 2 个频段组成。每个频段的带宽为 528MHz。系统的
传输可达到 、80、110、160、200、320、400 和 480Mbps。每一个频段被分成 128
个子载波，其中 122 个为数据调制和导频子载波。采用前向纠错码(FEC)的卷积编码，
码率分别为 1/3、11/32、1/2、5/8 和 3/4。系统中每一个频段共使用时频交织
OFDM(TFI-OFDM)方式，允许将每一个 UWB 频段分成一组正交的窄带信道。特点是频
谱利用高、频段配置灵活、速率扩展性好。MB-OFDM 物理层建议:
频带数 14 频段组成 5 个频段组，基本 3 个强制频段
带宽 11 个可选频段 528MHz
频率范围 1 组：
2 组：
3 组：
4 组：
5 组：
调制方式 TFI-OFDM(128 点的 FFT)QPSK
多址方式 时频交织
共微微网的数目 4 纠错码 卷积码码速率
11/32 @ 110Mbps
5/8 @ 200Mbps
3/4 @ 480Mpbs
链路预算 @ 10m @ 110Mpbs
@ 4m @ 200Mbps
@ 2m @ 480Mpbs
符号周期 OFDM 符号
缓解多径的方式 单抽头(在延时扩展为 时系统具有稳键性)及保护间隔
MB- OFDM- UWB 发送信号
MB- OFDM- UWB 系统是一个采用OFDM和FH 机制相结合的多载波UWB 系统。FH
是一种扩展信号频谱的方式, 它是指用一定码序列进行选择的多频率频移键控。也就是说,
根据不同的扩频码序列去进行频移键控调制, 使载波频率不断地跳变, 在不同的频带上发送
不同的符号。通过对跳频率、符号率和子载波数等参数的调整,获得不同的系统性能。MB-
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OFDM- UWB 信号是基于跳频脉冲序列的, 这些跳频脉冲可以是高斯或者是矩形脉冲等,
在时域上的宽度仅为几个纳秒。跳频脉冲序列可定义为：
（1）
式中: s( t) 是具有单位能量的基本脉冲信号, 周期为Ts ,重复周期为T, Ts≤T; N 是跳频
脉冲序列的脉冲个数;p( t) 信号由N 个s( t) 组成, 周期为Tp=NT; 每个短脉冲调制在不同的
频率c ( n) /Tc, 1/Tc为跳频分辨率, Tc<<Ts ; {c( n) }是一个取值范围为{ 0, 1, �, N- 1}的有序
序列; 整个脉冲序列选择一组正交频率进行调制[3]。跳频脉冲序列产生的框图如图1 所示。
图1 跳频脉冲序列产生框图
图中a( t) , b( t) 分别为
OFDM信号的基本要求是各载波间的发送信号彼此正交。MB- OFDM- UWB 系统就是
利用跳频序列p( t) 来设计彼此正交或近似正交的发送信号的。第k 个用户发送的OFDM信
号可以表示为
（2）
式中: f0为基本频率, 不同用户的信息调制到不同的载波频率kf0上, 于是产生了不同的
频段。假设系统的发射信号用x(t) 表示, 在不同的OFDM载波上, 用户采用的是BPSK 调制。
经过表达式的变形, 式(2) 表示的系统可以被看作是传统的OFDM系统, 在每一个不同的频
段采用的是跳频的方案。经过信息符号调制的OFDM- UWB 信号形式为
（3）
式中: br表示在第k 子载波上第r 时隙发送的信息符号," 确定每比特平均发送功率。下
面来验证一下对于不同子载波上的信号的正交性是否满足OFDM信号的基本要求。
定义
（4）
（5）
因为fk1 ( t) 与fk2 ( t) 的内积等于 所以
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（6）
由式( 6) 可以看出, 取f0=1/NT, 如果k2- k1不是N 的倍数, 子载波的信号是正交的; 如
果k2- k1是N 的倍数m,可通过s( t) 的设计获得Xs( 0, m/T) =0 对任意整数m 成立; 或者通过
在每N 个子载波组间设置发送间隔! 使得 来保持子载波之间的正交
性。其中一种较佳的考虑是设计c( n) 为正交的Costas 序列, 使得不同子载波k1和k2的信号
接近正交[6]。
MB- OFDM- UWB 信号发射端结构
相对于传统的UWB 系统而言, MB- OFDM- UWB 系统实现起来更加复杂, 但是系统性
能的提高足以弥补系统实现的复杂性[4,5]。 技术的不断发展, 为该系统的完善提供了
很好的借鉴。MB- OFDM- UWB 信号产生的方法与传统OFDM系统类似, 只是FFT 的长度、
子载波间隔等具体参数不同。为了提高系统各方面的性能, 目前已有一些相对比较完善的技
术: 如借助IFFT/FFT 进行OFDM调制解调, 使得系统的频谱利用率高、符号持续时间长; 在
OFDM符号前增加循环保护间隔, 可以有效地抑制码间干扰( ISI) 及多径干扰; 再结合跳频
技术、交织技术、插入导频技术等, 系统可以进一步在时域和频域获得分集增益。笔者提出
的系统是在信息符号采用BPSK调制下, 采用IFFT/FFT 调制解调技术, 结合插入循环前缀以
及插入导频技术而形成的一个MB- OFDM- UWB 信号的发送系统, 具体框图如图2 所示。
图2 MB- OFDM- UWB 信号发射端框图
OFDM各个子载波的调制是通过IFFT 来实现的, 为了避免落入保护间隔内, 信号的时
间必须同步; 而OFDM信号各个子载波相互重叠, 为了保证它们之间的正交性,频率也必须
同步。插入导频的目的正是为解决系统中的时间和载波同步问题。所谓导频插入就是在发送
有用信号的同时, 在适当的频率位置上, 插入一个( 或多个) 称作导频的正弦波, 接收端就
可由导频提取出载波。
在OFDM系统中, 符号间干扰( ISI) 会导致较高的误码率, 同时产生载波间干扰( ICI) ,
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损失正交性, 使系统性能下降。为削弱ISI 的影响, 通常在OFDM符号中插入保护间隔, 但是
这样也会引入ICI, 破坏了子载波间的正交性。如果引入的保护间隔由信号的循环扩展构成,
即引入循环前缀, 长度满足消除ISI 的循环前缀亦可消除ICI。循环前缀不仅可以减轻ISI 和
ICI, 还为时频偏移估计提供了一种高效而且结构简单的方案。
MB- OFDM- UWB 信号接收端结构
移动信道的主要特征就是多径干扰, 尤其是在UWB短距离无线通信系统中, 信道的最
大时延扩展达200 ns以上, 可分辨多径数量通常高达几十至上百条, 多径干扰更为严重; 另
一方面, 多径干扰中携带着有用的信息, 可以在适当的时候进行抽样、叠加有用信息, 实现
RAKE接收。因此, 如何避免多径干扰并且利用多径干扰的能量就成了目前研究的一个热点。
目前已有多种实现方法: 文献[6]中使用快速跳频的方法, 并配合RAKE 等技术来实现系统
性能的最佳;MBOA 联盟的提案则通过慢速跳频和频域分集提供增益改善性能[5]; 还有人提
出了使用多载波扩频的方法以及多径最大似然接收机的概念[7]等。笔者提出的系统是基于快
速跳频的方法, 采用插入导频的同步技术来实现的, 与发送端结构相对应, MB- OFDMUWB
信号接收端框图如图3 所示。
图3 MB- OFDM- UWB 信号接收端框图
下面, 先来推导出接收信号的表达式。MB- OFDM- UWB 系统的传输信道是个典型的
多径信道, 其信道模型的冲击响应可以用延迟线滤波器的形式表示为
（7）
式中: L 是能分辨的多径路数; al是信道第l 条路径的复包络; ()是单位冲击函数。假设
n( t) 为高斯白噪声过程, 发送信号x( t) 经过上述信道模型传播后的接收信号r( t) 可表示为
（8）
带入x( t) 的表达式可得
（9）
图3 中
（10）
在接收端, 子载波间干扰几乎等于零, OFDM各子载波之间继续保持正交性, 可以使得
OFDM- UWB 系统利用正交频分多址接入技术(Orthogonal Frequency Division Multiplex
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Access, OFDMA) 实现不同用户多址接入。
3. 结论
MB- OFDM- UWB 技术是UWB 技术的一种技术实现方案。与传统的脉冲UWB 系统
相比, 具有系统容量大、抗多径干扰能力强、信道利用率高等优点。笔者通过对MB- OFDM-
UWB 发送接收信号与结构进行分析, 得出了一个基于BPSK 调制的适合于MB- OFDM-
UWB 系统的收发结构。该结构通过插入循环前缀和导频, 可以有效降低ISI 和ICI, 并解决
系统中的时间和载波同步问题。
目前, 移动通信已有很大发展, 但仍满足不了需求。解决移动通信的容量问题成为当务
之急。多输入多输出(Multiple Input Multiple Output, MIMO) 技术能在不增加带宽的情况下成
倍地增加通信系统的容量和频谱利用率, 而OFDM技术被普遍认为是新一代无线通信系统
的技术核心, 所以结合MIMO 技术的MB- OFDM- UWB 系统将成为新的研究热点。
参考文献
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Research on multi - band OFDM UWB system
Zhu Yuan
Beijing University of Posts and Telecommunications，Beijing （100876）
Abstract
In this paper , a multi - band OFDM (MB - OFDM) system for ultra - wideband (UWB)
communication is the basis of analyzing the system of MB-OFDM-UWB deeply, A new
sending- receiving system based on BPSK is put forward; The principles of transmitter and receiver are
described in detail, and mathematic formulas are given.
Keywords：UWB，MB- OFDM(Multiband- UWB Orthogonal Frequency Division- multiplexing)，
BPSK(Binary Phase Shift Keying)，Frequency hopping
