第二章 移動(dòng)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(hào)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(wú)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(wú)碼間串?dāng)_的最大碼速率為2W，故一般選0.2<<1。W：互補(bǔ)對(duì)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(hào)功率譜的帶外衰減速度會(huì)加快，但是即使在256個(gè)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(hào)功率譜帶外部分的下降速度，可以對(duì)每個(gè)OFDM符號(hào)進(jìn)行加窗處理，使符號(hào)周期邊緣的幅度值逐漸過(guò)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(hào)功率譜帶外部分的下降速度。例如，對(duì)于64個(gè)子載波的OFDM符號(hào)，加入β=0.025的升余弦窗，此時(shí)滾降區(qū)域雖然僅占符號(hào)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(hào)的頻帶效率，但同時(shí)也會(huì)降低OFDM符號(hào)對(duì)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(gè)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(lái)說(shuō)，當(dāng)時(shí)延擴(kuò)展大于數(shù)據(jù)符號(hào)周期的10%時(shí)，在單載波系統(tǒng)中就必須要采用均衡器來(lái)克服符號(hào)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(gè)子載波的OFDM，可以處理的信道最大時(shí)延擴(kuò)展長(zhǎng)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(lái)實(shí)現(xiàn)以上的信息傳輸速率，需要具有20個(gè)前饋抽頭和20個(gè)反饋抽頭的判決反饋均衡器來(lái)克服信道上的符號(hào)間干擾。考慮到GMSK信號(hào)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(gè)符號(hào)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(zhǎng)度為時(shí)延擴(kuò)展均方根值的2到4倍。(2)選擇符號(hào)周期考慮到保護(hù)間隔所帶來(lái)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(hào)周期長(zhǎng)度是保護(hù)間隔長(zhǎng)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(hào)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(gè)子信道中的比特速率來(lái)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