第二章 移動通信技術(shù)及原理-ofdm

現(xiàn)代通信系統(tǒng)（OFDM）王德勝20072023/2/51第3章OFDM1.1引言

☆單載波系統(tǒng)描述☆多載波系統(tǒng)導(dǎo)入☆OFDM系統(tǒng)描述☆I(lǐng)CI分析☆加窗技術(shù)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調(diào)制器正交頻分復(fù)用調(diào)制(條件）2023/2/582023/2/59正交頻分復(fù)用調(diào)制-續(xù)OFDM信號的頻譜結(jié)構(gòu)當(dāng)fi=fc+iRb/N(i=1,2,…N)時(shí)可基于快速離散傅立葉變換實(shí)現(xiàn)調(diào)制和解調(diào)2023/2/510OFDM系統(tǒng)性能

1．頻帶利用率2．抗脈沖干擾比單載波系統(tǒng)強(qiáng)。3．抗多徑干擾抗頻率選擇性衰落的性能優(yōu)于單載波系統(tǒng)，并具有較強(qiáng)的抗瑞利衰落能力。正交頻分復(fù)用調(diào)制-續(xù)2023/2/511無碼間串?dāng)_數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)余弦滾降數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)（三部分構(gòu)成）此系統(tǒng)無碼間串?dāng)_的最大碼速率為2W，故一般選0.2<<1。W：互補(bǔ)對稱頻率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降低帶外泄漏－時(shí)域加窗技術(shù)功率譜的帶外衰減速度不夠快。雖然隨著子載波數(shù)量的增加，OFDM信號功率譜的帶外衰減速度會加快，但是即使在256個子載波的情況中，其-40dB帶寬仍然是-3dB帶寬的4倍。為了加快OFDM信號功率譜帶外部分的下降速度，可以對每個OFDM符號進(jìn)行加窗處理，使符號周期邊緣的幅度值逐漸過渡到零。

2023/2/520分析采用了升余弦窗函數(shù)之后，可以顯著提高OFDM符號功率譜帶外部分的下降速度。例如，對于64個子載波的OFDM符號，加入β=0.025的升余弦窗，此時(shí)滾降區(qū)域雖然僅占符號間隔的2.5%，但卻可以使-40dB帶寬減小為未加窗時(shí)的一半。需要注意的是，β值的選擇要適當(dāng)，選擇大的β值雖然可以大大改善OFDM符號的頻帶效率，但同時(shí)也會降低OFDM符號對時(shí)延擴(kuò)展的容忍程度。2023/2/521Thetransmitteddiscretetimedomainsignalx(n)is

Afterinsertingguardinterval,thesignalbecomesx’(n)withlengthN+GAssumethelowpassfilterhasrectangularshapeor,降低帶外泄漏－（頻域加窗)Signalrepresentations2023/2/522與單載波比較采用OFDM傳輸系統(tǒng)的一個主要原因是當(dāng)信道存在較大的時(shí)延擴(kuò)展時(shí)，與單載波系統(tǒng)相比，OFDM系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度要低很多。單載波系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度主要集中于均衡器部分。一般來說，當(dāng)時(shí)延擴(kuò)展大于數(shù)據(jù)符號周期的10%時(shí)，在單載波系統(tǒng)中就必須要采用均衡器來克服符號間干擾。而在OFDM系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度主要取決于IFFT/FFT的計(jì)算的復(fù)雜度。2023/2/523與單載波比較（續(xù)）在IEEE802.11a標(biāo)準(zhǔn)中，系統(tǒng)的傳輸方式為具有64個子載波的OFDM，可以處理的信道最大時(shí)延擴(kuò)展長度為250ns。當(dāng)系統(tǒng)的信息傳輸速率為24Mbit/s時(shí)（47ns)，如果采用單載波的GMSK調(diào)制解調(diào)器來實(shí)現(xiàn)以上的信息傳輸速率，需要具有20個前饋抽頭和20個反饋抽頭的判決反饋均衡器來克服信道上的符號間干擾?？紤]到GMSK信號的解調(diào)僅需要復(fù)數(shù)運(yùn)算的實(shí)數(shù)部分，則單載波系統(tǒng)每秒需要進(jìn)行的實(shí)數(shù)運(yùn)算次數(shù)為2×20×24×106=960×106在OFDM系統(tǒng)中，每個符號周期T=4μs內(nèi)需要進(jìn)行64點(diǎn)的FFT運(yùn)算，如果采用基4的算法，64點(diǎn)的FFT將需要96次復(fù)數(shù)乘法，因此OFDM系統(tǒng)每秒需要進(jìn)行96×106次實(shí)數(shù)運(yùn)算。由此可知，單載波系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度是OFDM系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度的10倍，而且這種復(fù)雜度的差異將隨著帶寬和時(shí)延擴(kuò)展乘積的增加而顯著增加。2023/2/524OFDM參數(shù)選擇(1)確定保護(hù)間隔根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，我們一般選擇保護(hù)間隔的時(shí)間長度為時(shí)延擴(kuò)展均方根值的2到4倍。(2)選擇符號周期考慮到保護(hù)間隔所帶來的信息傳輸效率的損失和系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度以及系統(tǒng)的峰值平均功率比等因素，在實(shí)際系統(tǒng)中，一般選擇符號周期長度是保護(hù)間隔長度的5倍。(3)確定子載波的數(shù)量子載波數(shù)可直接利用-3dB帶寬除以子載波間隔(即去掉保護(hù)間隔之后的符號周期的倒數(shù))得到。或者可以利用所要求的比特速率除以每個子信道中的比特速率來確定子載波的數(shù)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(相鄰).ThediversitypermutationsincludeDLFUSC(FullyUsedSub-Carrier),DLPUSC(PartiallyUsedSub-Carrier)andOnlyULPUSCandadditionaloptionalpermutations.WithDLPUS