第十一章-OFDM多载波调制技术课件

第11章OFDM多载波调制技术

杨鸿文

yanghong@--1

第11章OFDM多载波调制技术

杨鸿文

y多径传播与频率选择性信号从发送端到接收端的传播方式：多径多径信道的参数时延扩展、相干带宽发送信号的参数符号间隔、信号带宽信道分为两种：平衰落或频率选择性衰落满足以下条件是平衰落信道的时延扩展远小于发送信号的符号间隔发送信号的带宽远小于信道的相干带宽其余是频率选择性衰落--2多径传播与频率选择性信号从发送端到接收端的传播方式：多径--频率选择性信道的频率选择性会引起符号间干扰（InterSymbolInterference）解决方案均衡技术（5.7节）接收端加一个均衡器以消除或减少ISI扩频技术（10.8节）扩频能抗干扰，包括能抗多径引起的符号间干扰进一步还能利用多径实现分集（Rake）多载波通信（11章）--3频率选择性信道的频率选择性会引起符号间干扰（InterSy单载波通信系统的基带模型--4单载波通信系统的基带模型--4单载波系统的时域均衡带宽为B符号持续时间T=1/B当max«T不满足产生符号间干扰(ISI)均衡用于消除ISI时域均衡阶数n=B*max

B增大，n增大，时域均衡复杂度大幅增大新的思路：多载波传输！--5单载波系统的时域均衡带宽为B--5多载波并行传输数据速率越高，则符号间隔越小，信号带宽越大，信道的频率选择性也越强多载波并行传输是将高速数据分解成N路低速数据，分别用N个不同的载频进行调制后同时发送。只要N足够大，每个子路的符号间隔将足够大，其已调信号的带宽将足够窄，使得信道对于该子路的已调信号来说近似是平的，ISI近似可以忽略。--6多载波并行传输数据速率越高，则符号间隔越小，信号带宽越大，信例信道时延扩展为30msBPSK，数据速率是1Mb/s，基带采用矩形脉冲成形，BPSK主瓣带宽2MHz符号间隔1ms，符号间干扰严重分成1000路每路的符号间隔是1ms，主瓣带宽是2kHz每个子BPSK经历的信道近似是平衰落1000路总的带宽是2MHz，总数据速率是1Mb/s--7例信道时延扩展为30ms--7OFDM系统(N个子载波)将可用带宽分为N

个子带宽每个符号占用很窄的带宽，但是持续时间变长每个子载波的带宽f=B/N符号持续时间T=N/BT=1/f--8OFDM系统(N个子载波)将可用带宽分为N个子带OFDM通信系统的基带模型对于均匀子载波间隔--9OFDM通信系统的基带模型对于均匀子载波间隔--9正交基函数作为第k个子载波的正交基函数为基函数满足正交条件--10正交基函数作为第k个子载波的正交基函数为--10OFDM信号：以调制BPSK信号1，1，-1，-1，1为例--11OFDM信号：以调制BPSK信号1，1，-1，-1，1分析OFDM信号等效于在带宽B

的频带内传输了N

个正交子载波子载波的相位、幅度由待传信号决定子载波的频率共有N

个，分别为：每个子载波占有带宽Δf，持续时间为1/ΔfOFDM信号为调制了信息的N个子载波的叠加，利用正交性原理可以在接收端解调出信号OFDM的时域信号波形不规则——PAPR--12分析OFDM信号等效于在带宽B的频带内传输了N个正发送信号时域表达式设一个OFDM符号期间[0,Ts]内各子载波发送的数据是A0,A1,…,AN-1，均取值于±1--13发送信号时域表达式设一个OFDM符号期间[0,Ts]内各子载单个OFDM符号的频谱表达式设一个OFDM符号间隔[0,Ts]内各子载波发送的数据是A0,A1,…,AN-1，均取之于±1--14单个OFDM符号的频谱表达式设一个OFDM符号间隔[0,TsN=8Df--15N=8Df--15功率谱密度假设数据是独立等概的二进制序列，则BPSK-OFDM的功率谱密度是各个子载波上BPSK的功率谱密度之和：--16功率谱密度假设数据是独立等概的二进制序列，则BPSK-OFDOFDM的频谱利用率高当子载波数较大时，OFDM信道的频谱接近矩形有效利用了频谱频谱效率--17OFDM的频谱利用率高频谱效率--17与FDM比较FDM：frequencydivisionmultiplexingFDM系统需要将各个子载波间隔开OFDM：orthogonalfrequencydivisionmultiplexingOFDM系统的各个子载波是相互交叉存在的--18与FDM比较FDM：frequencydivision--19--19BPSK-OFDM的解调框图N个并行的BPSK解调器--20BPSK-OFDM的解调框图N个并行的BPSK解调器--20例：子载波数的设计给定条件信道带宽为1MHz，信道时延扩展为20msN应满足OFDM符号间隔Ts远大于时延扩展20msN一般取为2的整幂答案：若10倍算远大于，则N=256若20倍算远大于，则N=512若100倍算远大于，则N=2048--例：子载波数的设计给定条件--21QAM-OFDM每一路的比特率=Rb/NN个并行、载波正交的M进制QAMOFDM符号间隔Ts=N·Tblog2M--22QAM-OFDM每一路的比特率=Rb/NN个并行、载波正交的信号表达式复包络第i个子载波上的QAM星座点：Ai同相分量、正交分量--23信号表达式复包络第i个子载波上的QAM星座点：Ai同相分量、I/Q正交调制--24I/Q正交调制--24OFDM的数字化实现在[0,Ts]时间内，对复包络a(t)采样序列{am}是序列{Ai}的IDFT序列{Ai}是序列{am}的DFT称Ai为频域符号，称am为时域样值--25OFDM的数字化实现在[0,Ts]时间内，对复包络a(t)采----26保护间隔由于多径时延扩展，OFDM符号经过多径信道后将变宽实际当中，信道的时延扩展与OFDM的符号间隔Ts相比不是无穷小--27保护间隔由于多径时延扩展，OFDM符号经过多径信道后将变宽保护间隔在OFDM符号之间留出保护间隔可以防止前后干扰保护间隔Tg应比最大时延扩展更大--28保护间隔在OFDM符号之间留出保护间隔可以防止前后干扰保护间子载波的正交性两个正交的子载波--29子载波的正交性两个正交的子载波--29空白保护间隔不能保证子载波的正交性在[0,Ts]窗口内，第1径上第1子载波和第2径上的第2子载波不正交，后果是子载波间干扰（ICI）--30空白保护间隔不能保证子载波的正交性在[0,Ts]窗口内，第1将保护间隔的内容设计为OFDM信号的周期延拓（循环前缀）可以解决问题Tg内的信号是OFDM信号Ts内末尾部分的重复--31将保护间隔的内容设计为OFDM信号的周期延拓（循环前缀）可以循环前缀（CyclicPrefix）

--32循环前缀（CyclicPrefix）

--32OFDM系统--33OFDM系统--33峰均比OFDM中多个子载波信号叠加的结果将导致已调信号的峰值功率与平均功率之比（PeaktoAveragePowerRatio）增大高PAPR对放大器的线性度、ADC的动态范围等有很高的要求，使硬件成本、复杂度及功耗增高。--34峰均比OFDM中多个子载波信号叠加的结果将导致已调信号的峰值载频偏移与ICI

--35载频偏移与ICI

--35

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第11章OFDM多载波调制技术

杨鸿文

y多径传播与频率选择性信号从发送端到接收端的传播方式：多径多径信道的参数时延扩展、相干带宽发送信号的参数符号间隔、信号带宽信道分为两种：平衰落或频率选择性衰落满足以下条件是平衰落信道的时延扩展远小于发送信号的符号间隔发送信号的带宽远小于信道的相干带宽其余是频率选择性衰落--37多径传播与频率选择性信号从发送端到接收端的传播方式：多径--频率选择性信道的频率选择性会引起符号间干扰（InterSymbolInterference）解决方案均衡技术（5.7节）接收端加一个均衡器以消除或减少ISI扩频技术（10.8节）扩频能抗干扰，包括能抗多径引起的符号间干扰进一步还能利用多径实现分集（Rake）多载波通信（11章）--38频率选择性信道的频率选择性会引起符号间干扰（InterSy单载波通信系统的基带模型--39单载波通信系统的基带模型--4单载波系统的时域均衡带宽为B符号持续时间T=1/B当max«T不满足产生符号间干扰(ISI)均衡用于消除ISI时域均衡阶数n=B*max

B增大，n增大，时域均衡复杂度大幅增大新的思路：多载波传输！--40单载波系统的时域均衡带宽为B--5多载波并行传输数据速率越高，则符号间隔越小，信号带宽越大，信道的频率选择性也越强多载波并行传输是将高速数据分解成N路低速数据，分别用N个不同的载频进行调制后同时发送。只要N足够大，每个子路的符号间隔将足够大，其已调信号的带宽将足够窄，使得信道对于该子路的已调信号来说近似是平的，ISI近似可以忽略。--41多载波并行传输数据速率越高，则符号间隔越小，信号带宽越大，信例信道时延扩展为30msBPSK，数据速率是1Mb/s，基带采用矩形脉冲成形，BPSK主瓣带宽2MHz符号间隔1ms，符号间干扰严重分成1000路每路的符号间隔是1ms，主瓣带宽是2kHz每个子BPSK经历的信道近似是平衰落1000路总的带宽是2MHz，总数据速率是1Mb/s--42例信道时延扩展为30ms--7OFDM系统(N个子载波)将可用带宽分为N

个子带宽每个符号占用很窄的带宽，但是持续时间变长每个子载波的带宽f=B/N符号持续时间T=N/BT=1/f--43OFDM系统(N个子载波)将可用带宽分为N个子带OFDM通信系统的基带模型对于均匀子载波间隔--44OFDM通信系统的基带模型对于均匀子载波间隔--9正交基函数作为第k个子载波的正交基函数为基函数满足正交条件--45正交基函数作为第k个子载波的正交基函数为--10OFDM信号：以调制BPSK信号1，1，-1，-1，1为例--46OFDM信号：以调制BPSK信号1，1，-1，-1，1分析OFDM信号等效于在带宽B

的频带内传输了N

个正交子载波子载波的相位、幅度由待传信号决定子载波的频率共有N

个，分别为：每个子载波占有带宽Δf，持续时间为1/ΔfOFDM信号为调制了信息的N个子载波的叠加，利用正交性原理可以在接收端解调出信号OFDM的时域信号波形不规则——PAPR--47分析OFDM信号等效于在带宽B的频带内传输了N个正发送信号时域表达式设一个OFDM符号期间[0,Ts]内各子载波发送的数据是A0,A1,…,AN-1，均取值于±1--48发送信号时域表达式设一个OFDM符号期间[0,Ts]内各子载单个OFDM符号的频谱表达式设一个OFDM符号间隔[0,Ts]内各子载波发送的数据是A0,A1,…,AN-1，均取之于±1--49单个OFDM符号的频谱表达式设一个OFDM符号间隔[0,TsN=8Df--50N=8Df--15功率谱密度假设数据是独立等概的二进制序列，则BPSK-OFDM的功率谱密度是各个子载波上BPSK的功率谱密度之和：--51功率谱密度假设数据是独立等概的二进制序列，则BPSK-OFDOFDM的频谱利用率高当子载波数较大时，OFDM信道的频谱接近矩形有效利用了频谱频谱效率--52OFDM的频谱利用率高频谱效率--17与FDM比较FDM：frequencydivisionmultiplexingFDM系统需要将各个子载波间隔开OFDM：orthogonalfrequencydivisionmultiplexingOFDM系统的各个子载波是相互交叉存在的--53与FDM比较FDM：frequencydivision--54--19BPSK-OFDM的解调框图N个并行的BPSK解调器--55BPSK-OFDM的解调框图N个并行的BPSK解调器--20例：子载波数的设计给定条件信道带宽为1MHz，信道时延扩展为20msN应满足OFDM符号间隔Ts远大于时延扩展20msN一般取为2的整幂答案：若10倍算远大于，则N=256若20倍算远大于，则N=512若100倍算远大于，则N=2048--例：子载波数的设计给定条件--56QAM-OFDM每一路的比特率=Rb/NN个并行、载波正交的M进制QAMOFDM符号间隔Ts=N·Tblog2M--57QAM-OFDM每一路的比特率=Rb/NN个并行、载波正交的信号表达式复包络第i个子载波上的QAM星座点：Ai同相分量、正交分量--58信号表达式复包络第i个子载波上的QAM星座点：Ai同相分量、I/Q正交调制--59I/Q正交调制--24OFDM的数字化实现在[0,Ts]时间内，对复包络a(t)采样序列{am}是序列{Ai}的IDFT序列{Ai}是序列{am}的DFT称Ai为频域符号，称am为时域样值--60OFDM的数字化实现在[0,Ts]时间内，对复包络a(t)采----61保护间隔由于