OFDM通信系統(tǒng)課件

1、數(shù)字通信數(shù)字通信 (第十一講第十一講)OFDM 基礎(chǔ)基礎(chǔ)2011 OFDM 簡(jiǎn)介OFDMlOrthogonal frequency division multiplexingl正交頻分復(fù)用下一代寬帶通信系統(tǒng)中的核心技術(shù)lWiMAXlLTE優(yōu)點(diǎn)l高頻譜效率l抵抗多徑信道l支持寬帶傳輸單載波通信系統(tǒng)的基帶模型OFDM 通信系統(tǒng)的基帶模型對(duì)于均勻子載波間隔, 0,1,1,kfkkNf OFDM 信號(hào)：以調(diào)制 BPSK 信號(hào)1，1，-1，-1，1為例 OFDM調(diào)制調(diào)制時(shí)時(shí)域域描述描述1aaaRTR符號(hào)速率為，持續(xù)時(shí)間為x(N-1),x(2),x(1),x(0)S/PX(0)X(1)X(2)X(3)X(

2、N-1).02jf te12jf te32jf te22jf te12Njftex(t)timefrequency1aaTR持續(xù)時(shí)間為aRfrequencytimeaRaN TaRN.aaRTNTN符號(hào)速率為，持續(xù)時(shí)間為10)2exp()()(NKktfjkXtx OFDM調(diào)制調(diào)制時(shí)域時(shí)域描述描述例例 ：以簡(jiǎn)單的以簡(jiǎn)單的BPSKBPSK調(diào)制的各個(gè)子載波的波形來(lái)詳細(xì)的描述，考察經(jīng)調(diào)制的各個(gè)子載波的波形來(lái)詳細(xì)的描述，考察經(jīng)調(diào)制后調(diào)制器輸出的實(shí)部的基帶波形調(diào)制后調(diào)制器輸出的實(shí)部的基帶波形。-111-102jf te12jf te32jf te22jf teS/P-1,1,1,-1OFDM 原理原理頻

3、率選擇性衰落 產(chǎn)生碼間串?dāng)_使誤碼增加 自適應(yīng)均衡措施克服碼間串?dāng)_ 頻率非選擇性衰落(子載波信道)數(shù)據(jù)碼元時(shí)間寬度加長(zhǎng) 減少碼間串?dāng)_ 并行碼調(diào)制到一組正交載波集 OFDM調(diào)制調(diào)制時(shí)域時(shí)域描述描述10( )( )exp( 2),0NkKx tX kjf ttT 01kkN其中是子載波的序號(hào)1,0,1,2,.,1;kccffk ffkNfT 為射頻載波子載波（子載波（sub carrier） 子載波必須是一組正交函數(shù)集，定義為., 0),(,0,2exp),(otherwisektgTttfjktgkTTTkkTdtktgdtktgktgkkdtktgktg00200*000*.,),(),(),(

4、, 0),(),(滿足 OFDM調(diào)制調(diào)制時(shí)域時(shí)域描述描述子載波（子載波（sub carrier）v在一個(gè)符號(hào)的持續(xù)時(shí)間T內(nèi)每個(gè)載波要有整數(shù)個(gè)周期；v相鄰的載波間隔為f=1/T；v該載波間隔是在T時(shí)間內(nèi)兩個(gè)載波正交的最小間隔。 OFDM調(diào)制調(diào)制頻域描述頻域描述 sinT,1, 2,.xxkfkT 持續(xù)時(shí)間為 的矩形脈沖，其頻譜為型，在處出現(xiàn)零點(diǎn)與OFDM系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)的單載波系統(tǒng)時(shí)頻描述 OFDM調(diào)制調(diào)制頻頻域域描述描述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 O

5、FDM調(diào)制調(diào)制頻域描述（仿真結(jié)果頻域描述（仿真結(jié)果）時(shí)頻特性傅立葉變換特性2( ( )( 2)( ( )( 2 ()jftf tF jff teF jffFF需要考慮的幾個(gè)問題相鄰子載波間的頻差有多少？(多普勒)給定頻帶內(nèi)能放置幾個(gè)子載波？(效率)OFDM 時(shí)域符號(hào)長(zhǎng)度為多少？(有效長(zhǎng)度)OFDM 信號(hào)如何與現(xiàn)有調(diào)制方式相結(jié)合？ OFDM調(diào)制調(diào)制頻域描述頻域描述OFDM系統(tǒng)的頻譜有若干系統(tǒng)的頻譜有若干 的子信道的頻譜交疊而成的子信道的頻譜交疊而成子載波在一個(gè)符號(hào)周期內(nèi)子載波在一個(gè)符號(hào)周期內(nèi) 正交正交頻譜的交疊不影響符號(hào)的頻譜的交疊不影響符號(hào)的 恢復(fù)恢復(fù) OFDM的頻譜利用率高的頻譜利用率高 當(dāng)

6、子載波數(shù)較大時(shí)信道的當(dāng)子載波數(shù)較大時(shí)信道的 的頻譜接近矩型的頻譜接近矩型 lOFDM 的頻譜利用率高l當(dāng)子載波數(shù)較大時(shí)，OFDM 信道的頻譜接近矩形l有效利用了頻譜頻譜效率頻譜效率 使用使用FFT的的OFDM系統(tǒng)系統(tǒng) Back 使用使用FFT的的OFDM系統(tǒng)系統(tǒng)N個(gè)并行的符號(hào)個(gè)并行的符號(hào)X(k)經(jīng)過(guò)反傅立葉變換，得到一組序列經(jīng)過(guò)反傅立葉變換，得到一組序列x(n)， n=0，1，.N-1 ，被叫做一個(gè)被叫做一個(gè)OFDM的符號(hào)的符號(hào) 101( )( )exp( 2),0,NkkKx tX kjf ttTfk fkT 以以T/N為周期進(jìn)行抽樣，得到的離散序列為為周期進(jìn)行抽樣，得到的離散序列為1010

7、1()()exp22( )()expNkNkTTx nXkjknNTNx nXkjnkN 012xxx21xxNN使用使用FFT的的OFDM系統(tǒng)系統(tǒng) （保護(hù)間隔）（保護(hù)間隔） 012xxx21xxNN21xxNN保護(hù)間隔 Cyclic Prefix在OFDM系統(tǒng)中保護(hù)間使用了循環(huán)前綴(CP)相鄰的兩個(gè)符號(hào)被一段時(shí)間隔離防止符號(hào)間干擾 （ISI）為符號(hào)時(shí)間同步提供方便* 加入保護(hù)間隔的OFDM符號(hào)波形 /符號(hào)樣值( )R t OFDM信號(hào)頻譜成型濾波信號(hào)頻譜成型濾波 (D/A)及射頻調(diào)制及射頻調(diào)制f102( )()exp;0,1,2,.1Nkx nXkjnknNNt102( )()exp;,1,

8、.,1,0,1,2,.1Nkx nXkjnknNi NiNNN( )( )( )x ts tx nS(t)( )x t2( )( )cjf tR tx t efcf OFDM系統(tǒng)接收端模型系統(tǒng)接收端模型 ( )x t *exp;ccy tx th tjtw tttff10),(2exp)(1)(10NkkWknNjnyNkYNn( )x t OFDM系統(tǒng)接收端模型系統(tǒng)接收端模型 *exp;ccy tx th tjtw tttff假設(shè)：假設(shè)：理想信道理想信道忽略高斯噪聲忽略高斯噪聲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

9、( )( )exp12( )expNnNnY ky njknNNx njknNN OFDM系統(tǒng)接收端模型系統(tǒng)接收端模型1100122( )( )exp,( )( )expNNnkY kx njknx nX kjnkNNN其中角標(biāo)k表示了第k個(gè)并行的受調(diào)數(shù)據(jù)及第k個(gè)子載波，為 頻域的序號(hào)；角標(biāo)n表示了一個(gè)OFDM符號(hào)以T/N為周期進(jìn)行抽樣的第n 個(gè)抽樣點(diǎn)，為時(shí)域的序號(hào)。1100122()( )expexpNNnkY mX kjnkjmnNNN OFDM系統(tǒng)接收端模型系統(tǒng)接收端模型11001100122()() expexp1()()exp2NNnkNNnkYmXkjnkjm nNNNkmYmXk

10、jnNN mk 由于各個(gè)子載波的正交特性，特定點(diǎn)始終為0；mk 傳輸信號(hào)的子載波上的響應(yīng)為1。OFDM時(shí)域信號(hào)特征 基于大數(shù)定理，發(fā)端信號(hào)經(jīng)過(guò)IFFT變換后（OFDM時(shí)域信號(hào)）呈均值為0的高斯信號(hào)分布 該時(shí)域信號(hào)信號(hào)不像單載波系統(tǒng)那樣存在規(guī)則的眼圖 時(shí)域信號(hào)的峰值可能很大，信號(hào)峰均比（Peak to Average Power Ratio, PAPR）的值很大 峰均比大的信號(hào)對(duì)發(fā)端功率放大器的要求很高-10-8-6-4-20246810050100150200250300Central Limit theorem, N=60信號(hào)呈高斯分布，PAPR很大發(fā)端OFDM信號(hào)pdf分布實(shí)例發(fā)端放大器的

11、輸入輸出曲線例 Normal amplifier responseInputOutputLinear range非線性區(qū)間，輸出信號(hào)產(chǎn)生削頂現(xiàn)象-10-8-6-4-20246810050100150200250300Central Limit theorem, N=60削頂后的OFDM時(shí)域信號(hào)分布其他特性濾波器對(duì)系統(tǒng)特性的影響Signal Constellation with different lowpass filters-4-3-2-101234-4-3-2-101234 R=0.5; % roll-factor delay=3; % number of side lobesSignal

12、 Constellation with different lowpass filters R=0.2; % roll-factor delay=3; % number of side lobes-4-3-2-101234-4-3-2-101234Signal Constellation with different lowpass filters R=0.2; % roll-factor delay=5; % number of side lobes-4-3-2-101234-4-3-2-101234OFDM時(shí)域信號(hào)特性總結(jié) 呈高斯分布 發(fā)端信號(hào)可能被削頂 收端A/D變換其的最大區(qū)間要選擇的

13、合適 接收端需要采取同步策略，以確定OFDM時(shí)域信號(hào)的FFT起始時(shí)刻的位置OFDM 關(guān)鍵技術(shù) 最大功率與平均功率的比值問題最大功率與平均功率的比值問題 同步問題同步問題 信道響應(yīng)估計(jì)問題信道響應(yīng)估計(jì)問題 載波頻率誤差問題載波頻率誤差問題 采樣時(shí)鐘偏差問題采樣時(shí)鐘偏差問題后面逐一講解后面逐一講解 OFDM系統(tǒng)同步問題分析系統(tǒng)同步問題分析 發(fā)射機(jī)與接收機(jī)的載波頻率偏差；發(fā)射機(jī)與接收機(jī)采樣的頻率偏差；發(fā)射機(jī)與接收機(jī)定時(shí)偏差。OFDMA物理意義物理意義vOFDM _Orthogonal Frequency Division Multiplexing；v正交頻分復(fù)用技術(shù)。 vOFDMA_Orthogon

14、al Frequency Division Multiple v正交頻分多址；vOFDMA是OFDM技術(shù)的演進(jìn)；v對(duì)OFDM子載波信道進(jìn)行子信道化；v部分子載波上加載傳輸數(shù)據(jù)的傳輸技術(shù)。Access OFDMA 與與OFDM OFDM僅在時(shí)域分配用戶 OFDMA在頻域和時(shí)域分配用戶 Time domainUser3User2 User1 Time domainFrequency domainFrequency domain User3 User2 User1 OFDMA = OFDM + FDMA OFDMA 與與OFDMSub-carriersFFTTimeSymbols5 MHz BandwidthGuard IntervalsFrequency