第二章 移动通信技术及原理-ofdm

现代通信系统（OFDM）王德胜20072023/2/51第3章OFDM1.1引言

☆单载波系统描述☆多载波系统导入☆OFDM系统描述☆ICI分析☆加窗技术2023/2/52SingleCarrierSystemTimeT=1/B(1s)Frequency

B(1MHz)When_max>TIntersymbolinterference(ISI)

Bandwidth=BSymbolDurationT=1/BEqualiserisneededtoreduceISI2023/2/53FrequencyTimeT(1ms)

Bf(1kHz)AvailablebandwidthisdividedintoNsubbandEachsymboloccupiesanarrowbandbutlongertimeperiodForeachsubcarriersBandwidthf=B/NSymboldurationT=N/BOFDMSystems(Nsubcarriers)2023/2/54BasebandmodelofanOFDMcommunicationsystem

---FortheuniformsubcarrierspacingMulti-Carriers2023/2/55ThebasicorthogonalfunctionforthekthsubcarrierisdefinedasThebasicfunctionssatisfiestheconditionoforthogonality2023/2/56StructureofOFDMsystemsusingFFTEncoding(BPSK…)IFFTGuardinsertionLowpassfilteringCarriermodulationBinarydataChannelCarrierdemodulationLowpassfilteringA/DconvertingGuarddeletingFFTdecoding(BPSK…)BinarydataOFDMsymbolsynchronisationChannelestimationX(k)x(n)x’(n)s(t)y’(k)y(n)y’(n)r(t)2023/2/57OFDM调制器正交频分复用调制(条件）2023/2/582023/2/59正交频分复用调制-续OFDM信号的频谱结构当fi=fc+iRb/N(i=1,2,…N)时可基于快速离散傅立叶变换实现调制和解调2023/2/510OFDM系统性能

1．频带利用率2．抗脉冲干扰比单载波系统强。3．抗多径干扰抗频率选择性衰落的性能优于单载波系统，并具有较强的抗瑞利衰落能力。正交频分复用调制-续2023/2/511无码间串扰数字基带传输系统余弦滚降数字基带传输系统（三部分构成）此系统无码间串扰的最大码速率为2W，故一般选0.2<<1。W：互补对称频率2023/2/5122023/2/513ComparisonwithFDMAch1ch2ch3Frequencyguard2023/2/514AssumetheinformationdatasequencebeX(k),k=0,1…N-1,thenthetransmittedsignals(t)canbeexpressedasandThereceivedsignalr(t)ish(t):Channelresponse;w(t):AWGNsignalOFDMsymbolperiodSystemDescription（1）2023/2/515Thereceivedonsubcarrierk0is

Assumeh(t)=1,w(t)=0(idealchannel),thenY(k)becomes2023/2/516UsingFFTandIFFTforcarriermodulation/demodulationInpractice,suchparalleldatamodulationandcoherentdemodulationcanbesimplydonebyusinginversefastFouriertransfer(IFFT)andfastFouriertransfer(FFT)Thebasicorthogonalfunctionis2023/2/517SystemDescription（2）2023/2/518Cont..(ICI的引入）2023/2/519降低带外泄漏－时域加窗技术功率谱的带外衰减速度不够快。虽然随着子载波数量的增加，OFDM信号功率谱的带外衰减速度会加快，但是即使在256个子载波的情况中，其-40dB带宽仍然是-3dB带宽的4倍。为了加快OFDM信号功率谱带外部分的下降速度，可以对每个OFDM符号进行加窗处理，使符号周期边缘的幅度值逐渐过渡到零。

2023/2/520分析采用了升余弦窗函数之后，可以显著提高OFDM符号功率谱带外部分的下降速度。例如，对于64个子载波的OFDM符号，加入β=0.025的升余弦窗，此时滚降区域虽然仅占符号间隔的2.5%，但却可以使-40dB带宽减小为未加窗时的一半。需要注意的是，β值的选择要适当，选择大的β值虽然可以大大改善OFDM符号的频带效率，但同时也会降低OFDM符号对时延扩展的容忍程度。2023/2/521Thetransmitteddiscretetimedomainsignalx(n)is

Afterinsertingguardinterval,thesignalbecomesx’(n)withlengthN+GAssumethelowpassfilterhasrectangularshapeor,降低带外泄漏－（频域加窗)Signalrepresentations2023/2/522与单载波比较采用OFDM传输系统的一个主要原因是当信道存在较大的时延扩展时，与单载波系统相比，OFDM系统的实现复杂度要低很多。单载波系统的实现复杂度主要集中于均衡器部分。一般来说，当时延扩展大于数据符号周期的10%时，在单载波系统中就必须要采用均衡器来克服符号间干扰。而在OFDM系统中，实现复杂度主要取决于IFFT/FFT的计算的复杂度。2023/2/523与单载波比较（续）在IEEE802.11a标准中，系统的传输方式为具有64个子载波的OFDM，可以处理的信道最大时延扩展长度为250ns。当系统的信息传输速率为24Mbit/s时（47ns)，如果采用单载波的GMSK调制解调器来实现以上的信息传输速率，需要具有20个前馈抽头和20个反馈抽头的判决反馈均衡器来克服信道上的符号间干扰。考虑到GMSK信号的解调仅需要复数运算的实数部分，则单载波系统每秒需要进行的实数运算次数为2×20×24×106=960×106在OFDM系统中，每个符号周期T=4μs内需要进行64点的FFT运算，如果采用基4的算法，64点的FFT将需要96次复数乘法，因此OFDM系统每秒需要进行96×106次实数运算。由此可知，单载波系统的实现复杂度是OFDM系统实现复杂度的10倍，而且这种复杂度的差异将随着带宽和时延扩展乘积的增加而显著增加。2023/2/524OFDM参数选择(1)确定保护间隔根据经验，我们一般选择保护间隔的时间长度为时延扩展均方根值的2到4倍。(2)选择符号周期考虑到保护间隔所带来的信息传输效率的损失和系统的实现复杂度以及系统的峰值平均功率比等因素，在实际系统中，一般选择符号周期长度是保护间隔长度的5倍。(3)确定子载波的数量子载波数可直接利用-3dB带宽除以子载波间隔(即去掉保护间隔之后的符号周期的倒数)得到。或者可以利用所要求的比特速率除以每个子信道中的比特速率来确定子载波的数量。2023/2/525OFDMABasics(1)

OFDMexploitsthefrequencydiversityofthemultipathchannelbycodingandinterleavingtheinformationacrossthesub-carriers(upto2048)priortotransmissions.2023/2/526OFDMABasics(2)

Thecyclicprefix(CP)cancompletelyeliminateInter-SymbolInterference(ISI)aslongastheCPdurationislongerthanthechanneldelayspread.AperceiveddrawbackofCPisthatitintroducesoverhead,whicheffectivelyreducesbandwidthefficiency.2023/2/527OFDMASymbolStructureandSub-Channelization(1)

Datasub-carriersfordatatransmissionPilotsub-carriersforestimationandsynchronizationpurposesNullsub-carriersfornotransmission;usedforguardbandsandDCcarriers2023/2/528OFDMASymbolStructureandSub-Channelization(2)

Therearetwotypesofsub-carrierpermutationsforsub-channelization;diversity(分布)andcontiguous(相邻).ThediversitypermutationsincludeDLFUSC(FullyUsedSub-Carrier),DLPUSC(PartiallyUsedSub-Carrier)andOnlyULPUSCandadditionaloptionalpermutations.WithDLPUS