第10章 OFDM技术

北邮信息理论与技术教研中心BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter第十章OFDM技术主讲人:牛凯BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter2•系统的通信能力实际上受制于信道的传播特性。对于高速数据业务，发送符号的周期可以与时延扩展相比拟，甚至小于时延扩展，此时将引入严重的码间干扰，导致系统性能的急剧下降。•信道均衡是经典的抗码间干扰技术，在许多移动通信系统中都采用了均衡技术消除码间干扰。但是如果数据速率非常高，采用单载波传输数据，往往要设计几十甚至上百个抽头的均衡器，这不啻是硬件设计的噩梦。•OFDM系统既可以维持发送符号周期远远大于多径时延，又能够支持高速的数据业务，并且不需要复杂的信道均衡。BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter3§10.1OFDM基本原理•OFDM的基本原理是将高速的数据流分解为多路并行的低速数据流，在多个载波上同时进行传输。对于低速并行的子载波而言，由于符号周期展宽，多径效应造成的时延扩展相对变小。当每个OFDM符号中插入一定的保护时间后，码间干扰几乎就可以忽略。•OFDM系统设计关键参数：1、子载波的数目2、保护时间3、符号周期4、载波间隔5、载波的调制方式6、前向纠错编码的选择BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter4•10.1.1OFDM信号的生成OFDM符号通带信号可以表示为：•OFDM信号的基带形式为：12220.5()Reexp2NNciNiistdjftT1222()exp2NTNiNiixtdjtTdwBUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter5•由于子载波的正交特性，可以采用一路子载波信号进行解调，从而提取出这一路的数据。例如对第路子载波进行解调可以得到(具体参照课本)：k12222exp2exp2NTNNikNikijtdjtdtdTTTBUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter6•子载波数目时，承载的数据为，四个载波独立的波形和迭加后的信号00.20.40.60.81-3-2-101234N(1,1,1,1)dBUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter7•虽然四个子载波的幅度范围恒为，但迭加之后的OFDM符号的幅度范围却变化很大，这也就是OFDM系统具有高峰均比的现象。•由于OFDM子载波之间满足正交性，因此可以采用离散傅立叶变换(DFT)表示信号。直接进行IDFT/DFT变换，算法复杂度为，计算量非常大，但如果采用IFFT/FFT来实现，则算法复杂度降低为(基2算法)，极大降低了OFDM系统的实现难度。2()ON2log()2NON[1,1]BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter8OFDM符号频谱结构BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter9•OFDM系统满足Nyquist无码间干扰准则。但此时的符号成型不象通常的系统，不是在时域进行脉冲成型，而是在频域实现的。因此时频对偶关系，通常系统中的码间干扰(ISI)变成了OFDM系统中的子载波间干扰(ICI)。为了消除ICI，要求OFDM系统在频域采样点无失真。BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter10•10.1.2保护时间和循环前缀•多径衰落信道：•OFDM接收机收到的信号为：()1()()()lLjtlllhtAtet12122()()()()()exp2()()NLNllliNlirtxthtntidAtjttntTBUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter11•对第路子载波进行解调可以得到：•第个子载波的解调信号中包括了有用信号、噪声信号以及码间干扰。其中输出噪声的方差是k121222()()()()NLiNlNlkiNliikytdHtdHtztk*2()()EztzstsBUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter12•多径效应造成的码间干扰(ICI)为：•为了消除码间干扰，需要在OFDM的每个符号中插入保护时间，只要保护时间大于多径时延扩展，则一个符号的多径分量不会干扰相邻符号。保护时间内可以完全不发送信号。但此时由于多径效应的影响，子载波可能不能保持相互正交，从而引入了子载波间干扰。1222()()NiNliNiikItdHtBUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter13•保护时间内发送全零信号由于多径效应造成的子载波间干扰(ICI)保护时间FFT积分时间子载波1延迟的子载波2OFDM符号周期子载波2对子载波1的干扰部分BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter14•当OFDM接收机解调子载波1的信号时，会引入子载波2对它的干扰，同理亦然。这主要是由于在FFT积分时间内两个子载波的周期不再是整倍数，从而不能保证正交性。•为了减小ICI，OFDM符号可以在保护时间内发送循环扩展信号，称为循环前缀(CP)。循环前缀是将OFDM符号尾部的信号搬移到头部构成的。这样可以保证有时延的OFDM信号在FFT积分周期内总是具有整倍数周期。因此只要多径延时小于保护时间，就不会造成载波间干扰。BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter15OFDM符号的循环前缀结构保护时间FFT积分时间子载波1OFDM符号周期子载波2子载波3BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter16两径信道中OFDM符号的传输保护时间FFT积分时间OFDM符号周期相位跳变第一条到达径信号第二条到达径信号多径时延BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter17•图中的保护时间大于多径时延，因此第二条径的相位跳变点正好位于保护时间内，因此接收机收到的是满足正交特性的多载波信号，不会造成性能损失。如果保护时间小于多径时延，则相位跳变点位于积分时间内，则多载波信号不再保持正交性，从而会引入子载波干扰。BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter18•10.2.3加窗技术未加窗的OFDM功率谱-2-1.5-1-0.500.511.52-50-45-40-35-30-25-20-15-10-50Frequency/BandwidthPSD[dB]1664256BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter19•图中可以看到在符号边界有尖锐的相位跳变。由此可知，OFDMA的带外衰减是比较慢的。随着载波数目增大，OFDM信号的带外衰减也增加了。•为了使OFDM信号的带外衰减更快，可以采用对单个OFDM符号加窗的办法。OFDM的窗函数可以使信号的幅度在符号边界更平滑的过渡到0。BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter20•常用的窗函数是升余弦滚降窗，定义如下：11cos,02()1.0,11cos,(1)2ssssssssstTtTTwtTtTtTTtTTBUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter21OFDM加窗后的时序结构•OFDM加窗的处理过程如下：首先个QAM符号添0得到个符号进行IFFT运算。然后将IFFT输出的尾部的个样值插入OFDM符号的头部，将OFDMA符号头部的个样值插入OFDM符号的尾部。最后乘以升余弦滚降窗函数，与前一个OFDM符号区域内的样值迭加，形成最终的信号形式。TprefixTsTsGTTTpostfixTcNprefixTpostfixTsTBUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter22加窗的OFDM功率谱BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter23•增大滚降因子，虽然能够使带外衰减更快，但降低OFDMA系统对于多径时延的容忍能力。在两径信道中，虽然相对时延小于保护时间，但由于加窗造成阴影部分幅度的变换，从而引入了码间干扰(ISI)和子载波间干扰(ICI)。因此在实际系统设计中，应当选择较小的滚降因子。•两径信道中，不适当的加窗导致OFDM符号引入了ISI和ICIT多径时延BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter24•10.1.4OFDM系统设计OFDM收发信机的结构信道编码交织QAM调制插入导频IFFT(TX)FFT(RX)S/P加循环前缀和加窗去循环前缀信道译码解交织QAM解调信道补偿RFTXDACRFRXADC时频同步P/SP/SS/P二进制输入数据二进制输出数据BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter25•三个主要的系统要求：系统带宽、业务数据速率以及多径时延扩展，包括时延扩展的均方根和最大值。•按照这三个系统参数，设计步骤可以分为三步：•1、确定保护时间•2、确定了符号周期•3、在3dB系统带宽范围内，决定子载波的数目。GTBUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter26§10.2OFDM中的信道估计•10.2.1信道估计模型•信道估计算法分为盲估计和非盲算法两类。盲算法基于信道的统计特性，需要大量数据才能够获得好的性能，快衰落信道中收敛性会急剧恶化，系统性能很差。•非盲算法又可以划分为两大类：数据辅助和判决指导算法。数据辅助模式，OFDM符号的整体或部分用于训练数据，利用训练数据进行信道响应估计。但增加了系统开销，降低了频谱效率。•判决指导模式，类似于判决反馈均衡，可以降低系统开销，提高频谱效率。当信道状态剧烈变化时，会导致估计质量下降，需要周期性发送训练符号，采用信道编码与交织提升性能。BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter27•OFDM接收信号可以表示为：1100,,,,LNmlkmNlkynmXnkhnlWwnm当循环前缀长度大于最大多径时延时，得到如下公式yHFXw在接收端进行DFT变换，得到频域信号为HYFΞ