Ch5.3移动通信--关键技术-OFDM2

1、张张 文文胜胜School School of Information Science and of Information Science and EngineeringEngineeringShandong UniversityShandong University第第5 5章章 移动通信系统移动通信系统III. III. 关键技术关键技术OFDM 2OFDM 2通信系统概论通信系统概论2Orthogonal Frequency Division Multiplexing（OFDM）正交频分复用 （Part 2）3基于FFT的OFDM系统Serial-to-ParallelConverte

2、rSignalMapperIFFTParallel-to-SerialConverterGuardIntervalInsertionSerial Data Inputx bits0d1d1nd0s1s1nsD/A &Low passFilterUp-ConverterDown-ConverterA/D GuardIntervalRemovalSerial-to-ParallelConverterFFTOne-tapEqualizerSignalDemapperParallel-to-SerialConverterSerial Data Output0dx bits1d1nd0 s1 s1nsC

3、hannel)(tsTimeFrequencySubchannelsFast Fourier TransformGuard IntervalsSymbols4OFDM 通信系统的基带模型对于均匀子载波间隔, 0,1,1,kfkkNf 5OFDM 信号：以调制 BPSK 信号1，1，-1，-1，1为例 OFDM调制调制时时域域描述描述1aaaRTR符号速率为，持续时间为x(N-1),x(2),x(1),x(0)S/PX(0)X(1)X(2)X(3)X(N-1).02jf te12jf te32jf te22jf te12Njftex(t)timefrequency1aaTR持续时间为aRfreq

4、uencytimeaRaN TaRN.aaRTNTN符号速率为，持续时间为10( )( )exp( 2)Nkkx tX kjf t OFDM调制调制时域时域描述描述例例 ：以简单的以简单的BPSKBPSK调制的各个子载波的波形来详细的描述，考察经调制的各个子载波的波形来详细的描述，考察经调制后调制器输出的实部的基带波形调制后调制器输出的实部的基带波形。-111-102jf te12jf te32jf te22jf teS/P-1,1,1,-1OFDM 原理原理频率选择性衰落 产生码间串扰使误码增加 自适应均衡措施克服码间串扰 频率非选择性衰落(子载波信道)数据码元时间宽度加长 减少码间串扰 并

5、行码调制到一组正交载波集 OFDM调制调制时域时域描述描述10( )( )exp( 2),0Nkkx tX kjf ttT 01kkN其中是子载波的序号1,0,1,2,.,1;kccffk ffkNfT 为射频载波子载波（子载波（sub carrier） 子载波必须是一组正交函数集，定义为., 0),(,0,2exp),(otherwisektgTttfjktgkTTTkkTdtktgdtktgktgkkdtktgktg00200*000*.,),(),(),(, 0),(),(满足 OFDM调制调制时域时域描述描述子载波（子载波（sub carrier）v在一个符号的持续时间T内每个载波要有

6、整数个周期；v相邻的载波间隔为f=1/T；v该载波间隔是在T时间内两个载波正交的最小间隔。 OFDM调制调制频域描述频域描述 sinT,1, 2,.xxkfkT 持续时间为 的矩形脉冲，其频谱为型，在处出现零点12与OFDM系统相对应的单载波系统时频描述 OFDM调制调制频频域域描述描述x(N-1),x(2),x(1),x(0)S/PX(0)X(1)X(2)X(3)X(N-1).x(t)ff.02jf te12jf te32jf te22jf te12Njfte OFDM调制调制频域描述（仿真结果频域描述（仿真结果）15时频特性傅立叶变换特性2( ( )( 2)( ( )( 2 ()jftf

7、tF jff teF jffFF16需要考虑的几个问题相邻子载波间的频差有多少？(多普勒)给定频带内能放置几个子载波？(效率)OFDM 时域符号长度为多少？(有效长度)OFDM 信号如何与现有调制方式相结合？ OFDM调制调制频域描述频域描述OFDM系统的频谱有若干系统的频谱有若干 的子信道的频谱交叠而成的子信道的频谱交叠而成子载波在一个符号周期内子载波在一个符号周期内 正交正交频谱的交叠不影响符号的频谱的交叠不影响符号的 恢复恢复 OFDM的频谱利用率高的频谱利用率高 当子载波数较大时信道的当子载波数较大时信道的 的频谱接近矩型的频谱接近矩型 18lOFDM 的频谱利用率高l当子载波数较大时

8、，OFDM 信道的频谱接近矩形l有效利用了频谱频谱效率频谱效率 使用使用FFT的的OFDM系统系统 Back 使用使用FFT的的OFDM系统系统N个并行的符号个并行的符号X(k)经过经过反傅立叶反傅立叶变换变换，得到一，得到一组组序列序列x(n)， n=0，1，.N-1 ，被叫做一个被叫做一个OFDM的符号的符号 101( )( )exp( 2),0,NkkKx tX kjf ttTfk fkT 以以T/N为周期进行抽样，得到的离散序列为为周期进行抽样，得到的离散序列为10101()()exp22( )()expNkNkTTx nXkjknNTNx nXkjnkN 012xxx21xxNN使用

9、使用FFT的的OFDM系统系统 （保护间隔）（保护间隔） 012xxx21xxNN21xxNN保护间隔 Cyclic Prefix在OFDM系统中保护间使用了循环前缀(CP)相邻的两个符号被一段时间隔离防止符号间干扰 （ISI）为符号时间同步提供方便* 加入保护间隔的OFDM符号波形 /符号样值( )R t OFDM信号频谱成型滤波信号频谱成型滤波 (D/A)及射频调制及射频调制f102( )()exp;0,1,2,.1Nkx nXkjnknNNt102( )()exp;,1,.,1,0,1,2,.1Nkx nXkjnknNi NiNNN( )( )( )x ts tx nS(t)( )x t

10、2( )( )cjf tR tx t efcf OFDM系统接收端模型系统接收端模型 ( )x t *exp;ccy tx th tjtw tttff10),(2exp)(1)(10NkkWknNjnyNkYNn( )x t OFDM系统接收端模型系统接收端模型 *exp;ccy tx th tjtw tttff假设：假设：理想信道理想信道忽略高斯噪声忽略高斯噪声理想本振理想本振理想同步理想同步 0ccff( )1h t 0w t y txt( )( )y nx n101012( )( )exp12( )expNnNnY ky njknNNx njknNN OFDM系统接收端模型系统接收端模型

11、1100122( )( )exp,( )( )expNNnkY kx njknx nX kjnkNNN其中角标k表示了第k个并行的受调数据及第k个子载波，为 频域的序号；角标n表示了一个OFDM符号以T/N为周期进行抽样的第n 个抽样点，为时域的序号。1100122( )( )expexpNNnkY mX kjnkjmnNNN OFDM系统接收端模型系统接收端模型11001100122()() expexp1()()exp2NNnkNNnkYmXkjnkjm nNNNkmYmXkjnNN mk 由于各个子载波的正交特性，特定点始终为0；mk 传输信号的子载波上的响应为1。OFDM时域信号特征

12、基于大数定理，发端信号经过IFFT变换后（OFDM时域信号）呈均值为0的高斯信号分布 该时域信号信号不像单载波系统那样存在规则的眼图 时域信号的峰值可能很大，信号峰均比（Peak to Average Power Ratio, PAPR）的值很大 峰均比大的信号对发端功率放大器的要求很高282.6 保护间隔和循环前缀OFDM符号lOFDM 符号周期292.6 保护间隔和循环前缀OFDM系统中，需考虑两种类型干扰l符号间干扰Intersymbol interference (ISI) ：同一子信道在连续的时间间隔为T的FFT帧之间的串扰l载波间干扰Inter-carrier interferen

13、ce (ICI) ：同一FFT帧内相邻子信道或频带间的串扰302.6 保护间隔和循环前缀为抑制ISI的影响，保护间隔内不传输数据.保护间隔（或：循环前缀）在OFDM系统用来对抗多径衰落. :保护间隔 :多径时延扩展上述情况下，虽然ISI得到很好抑制，但随之出现了ICI问题. 产生ICI的原因是：FFT间隔内，子信道的周期数不再保持为整数.312.6保护间隔和循环前缀322.6保护间隔和循环前缀为抑制ICI，OFDM符号在保护间隔的构造上采用循环扩展的方式. 这样OFDM符号在FFT处理间隔内有整数个周期，即使延迟小于保护间隔也是这样Guard Interval(Cyclic Extension

14、)332.6保护间隔和循环前缀例如：在保护间隔内填0，研究多径的影响。延迟后的2号载波会对1号载波形成ICI，反之亦然.Part of subcarrier #2 causing ICI on subcarrier #1Guard time FFT integration time=1/carrier spacingGuard timeFFT integration time=1/carrier spacingOFDM symbol timeOFDM symbol timeSubcarrier #1Delayed subcarrier #2342.6保护间隔和循环前缀包含保护间隔的OFDM符号

15、的时域和频域表示. TimeFrequencyTTg1/TSubchannelsFast Fourier TransformGuard IntervalsSymbols35抵抗多径信道由于多径时延的影响，破坏了各子载波的正交性，造成了子载波之间的干扰，为此在每个时域符号前加上一段时域保护间隔。加入时域保护间隔后，OFDM 的符号中有一部分是重复的，使得传输效率下降，变为 T / (T + G)36OFDMA物理意义物理意义vOFDM _Orthogonal Frequency Division Multiplexing；v正交频分复用技术。 vOFDMA_Orthogonal Frequenc

16、y Division Multiple v正交频分多址；vOFDMA是OFDM技术的演进；v对OFDM子载波信道进行子信道化；v部分子载波上加载传输数据的传输技术。Access OFDMA 与与OFDM OFDM仅在时域分配用户 OFDMA在频域和时域分配用户 Time domainUser3User2 User1 Time domainFrequency domainFrequency domain User3 User2 User1 OFDMA = OFDM + FDMA OFDMA 与与OFDMSub-carriersFFTTimeSymbols5 MHz BandwidthGuard

17、IntervalsFrequency OFDM系统小结系统小结串并转换，多径信道鲁棒性好，串并转换，多径信道鲁棒性好， 减小减小ISIISI频谱利用率高频谱利用率高IFFT/FFTIFFT/FFT实现子载波调制解调实现子载波调制解调非对称业务中灵活的上下行资源分配非对称业务中灵活的上下行资源分配与其他多种接入方法结合，构成与其他多种接入方法结合，构成OFDMAOFDMA系统系统q对系统的同步要求高对系统的同步要求高q存在较高的峰值与平均功率存在较高的峰值与平均功率比比qhttp:/ ;3.3.信道条件要考虑（信道条件要考虑（RayleighRayleigh，RiceRice，NakagamiNakagami，或者参考标准信道模型）；，或者参考标准信道模型）；4.4.基本结果要求：基本结果要求： BER vs SNRBER vs SNR等；等；5.5.提高结果要求：系统中断概率，系统频谱利用率，能效分析等提高结果要求：系统中断概率，系统频谱利用率，能