当前位置:首页 > 商业/管理/HR > 信息化管理 > 3_1 OFDM基本原理1
西安邮电大学通信与信息工程学院1第三章OFDM原理王军选wangjx@xupt.edu.cn2015.5西安邮电大学通信与信息工程学院2OFDM原理OFDM的基本原理OFDM关键技术OFDM的应用多用户OFDM西安邮电大学通信与信息工程学院3OFDM基本原理多载波调制多载波通信系统中,首先把一个高速的数据流分解为若干个低速的子数据流,用低速率多状态符号再去调制相应的子载波,从而构成多个低速率符号并行发送的传输系统。将共享的宽带信道划分为N个子信道--数据流分为N个子数据流,数据流分别调制在不同的载波总带宽为B的情况下,子数据流带宽为B/NB/NBc意味着每个子载波都是平坦衰落(没有ISI)西安邮电大学通信与信息工程学院4¼+¼信道g(t)´ejωN-1tg(t)´ejωktg(t)´ejω0tg*(-t)´e-jω0tg*(-t)´e-jωktg*(-t)´e-jωN-1t多载波系统的基本结构OFDM基本原理西安邮电大学通信与信息工程学院5目前子载波的选取有以下三种设置方案:ffn(a)ffn(b)f(c)子载波频率设置(a)传统的频分复用(b)3dB频分复用(c)OFDMOFDM基本原理西安邮电大学通信与信息工程学院6第一种方案是传统的频分复用,如上图(a)所示。其是将整个频带划分为N个不重叠的子带,每个子带传输一路子载波信号;在接收端用滤波器组进行分离这种方案的优点是实现简单、直接缺点是其频谱利用率低,子信道之间要留有保护频带,而且多个滤波器的实现也有不少困难OFDM基本原理西安邮电大学通信与信息工程学院7第二种方案是采用偏置QAM技术,使得已调信号的频谱部分重叠,其复合谱是平坦的,如上图(b)所示频谱重叠的交点在信号功率比峰值功率低3dB处子载波之间的正交性通过交错同相和正交子带的数据得到OFDM基本原理西安邮电大学通信与信息工程学院8第三种方案即采用“正交频分复用(OFDM)”,各子载波的频谱有1/2的重叠,但子载波保持相互正交;在接收端通过相关解调技术可以实现各子路分离,如上图(c)所示这种方案的优点是其可以避免使用滤波器组,同时可提高频谱效率近1倍OFDM基本原理西安邮电大学通信与信息工程学院91.OFDM基本原理2.OFDM的DFT实现3.保护间隔和循环前缀4.带外功率辐射及加窗处理5.OFDM技术的优缺点OFDM基本原理西安邮电大学通信与信息工程学院10基本原理就是在频域内将给定的信道划分成许多正交子信道,将高速的数据流通过串并变换,分配到传输速率相对较低的各个子信道中,在每个子信道上使用一个正交子载波分别进行调制,并且各子载波并行传输。在接收端由于子载波的正交性,利用相关检测就可实现各子信道的分离。OFDM基本原理西安邮电大学通信与信息工程学院11+¼信道´ejωN-1t´´ejω0t积分´e-jω0t积分´e-jω1t积分´e-jωN-1t串/并变换d0d1ejω1tdN-1¼S(t)并/串变换d0d1dN-1OFDM系统基本模型框图OFDM基本原理西安邮电大学通信与信息工程学院12若用T表示OFDM符号的宽度,表示分配给每个子信道的数据符号,是第0个子载波的载波频率,则从开始的OFDM符号可表示为:(0,1,,1)idiN(0,1,,1)idiNcfstt10()Re{()exp(2()()}2NiscsiTistdrectttjfttTsstttT()0stsstttTt()1,||/2rectttT其中OFDM基本原理西安邮电大学通信与信息工程学院13OFDM基本原理通常采用“复等效基带信号”来描述OFDM的输出信号,其中表示第个子载波的载波频率,则:(0,1,,1)idiN/,(0,1,,1)icffiTiNi10()()exp(2())2NissiTistdrectttjttT()sstttT西安邮电大学通信与信息工程学院14由上可见,OFDM信号由N个子载波组成,子载波的间隔为,且;即每个子载波在一个OFDM符号周期内都包含整数倍个周期,而且各个相邻子载波之间相差一个周期。此特性可以用来解释子载波之间的正交性。OFDM基本原理f1/fT西安邮电大学通信与信息工程学院15所有的子载波在内都是相互正交的,即它们满足下式:OFDM基本原理[0,]T01,1exp(2)exp(2)0,TmnjmftjnftdtmnT西安邮电大学通信与信息工程学院16下图给出了一个OFDM符号内包含4个子载波的实例。在本例中4个子载波具有相同的幅度和相位(在实际应用中,有可能不同)。OFDM基本原理西安邮电大学通信与信息工程学院17OFDM基本原理10-100.10.20.30.40.50.60.70.80.9110-100.10.20.30.40.50.60.70.80.9110-100.10.20.30.40.50.60.70.80.9110-100.10.20.30.40.50.60.70.80.91幅值归一化符号周期OFDM符号内包含4个子载波的实例西安邮电大学通信与信息工程学院18从上图可以看到,每个子载波在一个OFDM符号周期内都包含整数倍个周期(因为),而且各个相邻子载波之间相差一个周期。不难验证,子载波之间满足正交关系式,即它们在内相互正交。OFDM基本原理/ifiT[0,]T西安邮电大学通信与信息工程学院19在接收端,如果希望对第k个子载波进行解调,然后在时间长度T内进行积分,即:OFDM基本原理~10101exp(2())exp(2())1exp(2())ssssNtTsistiNtTisktikijttdjttdtkTTTikdjttdtdTTd西安邮电大学通信与信息工程学院201.OFDM基本原理2.OFDM的DFT实现3.保护间隔和循环前缀4.带外功率辐射及加窗处理5.OFDM技术的优缺点OFDM基本原理西安邮电大学通信与信息工程学院21为了叙述方便,可以忽略OFDM表达式中的矩形函数,令,对信号s(t)以T/N的速率进行采样,即令,可以得到:OFDM基本原理0st/(0,1,,1)tkTNkN1/02()exp()NktkTNiiiksstdjN(01)kN西安邮电大学通信与信息工程学院22从上式可以看出,OFDM信号的离散样值等效为对进行IDFT运算。同样在接收端,为了恢复出原始的数据符号,可以对进行逆变换,即实施DFT运算得到:ksididks102exp()NikkikdsjN(01)iNOFDM基本原理西安邮电大学通信与信息工程学院23由上可见,OFDM系统的调制和解调可以分别由IDFT/DFT来代替。通过N点的IDFT运算,把频域数据符号变换为时域数据符号,经过射频载波调制之后,发送到无线信道中。在接收端,将接收信号进行相干解调,然后将基带信号进行N点DFT运算,可获得发送的数据符号。idksidOFDM基本原理西安邮电大学通信与信息工程学院24在OFDM系统的实际应用中,可以采用更加方便快捷的快速傅立叶反变换/快速傅里叶变换(IFFT/FFT)来实现调制和解调;其可进一步减小其运算复杂度,提高效率。OFDM基本原理西安邮电大学通信与信息工程学院251.OFDM基本原理2.OFDM的DFT实现3.保护间隔和循环前缀4.带外功率辐射及加窗处理5.OFDM技术的优缺点OFDM基本原理西安邮电大学通信与信息工程学院26OFDM基本原理在OFDM系统中,为了最大限度的消除符号间干扰(ISI),通常在每个OFDM符号之间要插入保护间隔(GI:GuardInterval),该保护间隔的长度Tg一般要大于无线信道的最大时延扩展,这样就可保证前后符号(码元)之间不会产生干扰。西安邮电大学通信与信息工程学院27OFDM基本原理在此保护间隔内,可以不传输任何信息,即它是一段空闲的传输时段。然而在这种情况下,由于多径传播的影响,会破坏子载波之间的正交性,即产生了子信道间的干扰(ICI)或子载波间干扰,如下图所示。西安邮电大学通信与信息工程学院28OFDM基本原理多径情况下,空闲保护间隔对子载波之间造成的干扰保护间隔FFT积分时间长度=1/子载波间隔第二子载波对第一子载波带来的ICI干扰第1子载波带有时延的第2子载波西安邮电大学通信与信息工程学院29OFDM基本原理为了消除由于多径传播造成的ICI,一种有效的方法是将原来宽度为T的OFDM符号进行周期扩展,用扩展信号来填充保护间隔,即将子载波延拓一个保护间隔,如下图所示。西安邮电大学通信与信息工程学院30OFDM基本原理子载波的延拓保护间隔FFT积分时间长度OFDM符号时间长度西安邮电大学通信与信息工程学院31OFDM基本原理它实际上是在保护间隔内插入“循环前缀信号(CP:CyclicPrefix)”,即将IFFT传输的末尾样点复制到保护间隔内(循环前缀中的信号与OFDM符号尾部宽度为Tg的部分相同)即保证在FFT周期内内,OFDM符号的延时副本内所包含的波形的周期个数是整数;当时延小于保护间隔的时延信号就不会在解调过程中产生ICI西安邮电大学通信与信息工程学院32OFDM基本原理在实际系统中,OFDM符号在送入信道之前,首先要加入循环前缀,然后送入信道进行传输;在接收端,首先将接收符号开始的宽度为Tg的部分丢弃,将剩余的宽度为T的部分进行FFT变换,然后进行解调西安邮电大学通信与信息工程学院33IFFT保护间隔IFFT输出保护间隔IFFT¼¼复制符号N-1符号N符号N+1时间TgTFFTTs保护间隔的插入过程OFDM基本原理西安邮电大学通信与信息工程学院34OFDM基本原理串/并变换IDFT或IFFT并/串变换插入保护间隔数/模变换多径传播h(t,t)并/串变换DFT或FFT串/并变换去除保护间隔模/数变换+¼¼¼¼{Sn}OFDM调制Sn(t)S(t0n(t)r(t)rn(t)OFDM解调{Rn}加入保护间隔的OFDM系统实现框图加入保护间隔之后基于IFFT(IDFT)的OFDM基带系统框图如下图:西安邮电大学通信与信息工程学院35OFDM基本原理其工作过程为:输入数据先经过串/并变换变为N路并行比特流,进行IDFT或IFFT和并/串变换,然后在保护间隔内插入循环前缀信号(CP),再经过数/模变换后形成OFDM信号该信号经过信道传输后,接收到的信号经过模/数变换,去掉保护间隔以恢复子载波之间的正交性,再经串/并变换和DFT或FFT后,恢复出OFDM的调制信号,最后经过并/串变换后还原出输入的符号西安邮电大学通信与信息工程学院361.OFDM基本原理2.OFDM的DFT实现3.保护间隔和循环前缀4.带外功率辐射及加窗处理5.OFDM技术的优缺点OFDM基本原理西安邮电大学通信与信息工程学院37由上分析可知,OFDM信号的功率归一化的复包络可表示为:OFDM基本原理其中:是功率归一化因子;101()()exp(2)2NiiTistdrecttjtTN1N西安邮电大学通信与信息工程学院38OFDM符号的功率谱密度为N个子载波上的信号功率谱密度之和,即:OFDM基本原理下图给出了12201sin[(/)]|()|||(/)NiifiTTSfdTNfiTT16N的OFDM信号的功率谱密度图。西安邮电大学通信与信息工程学院39OFDM基本原理N=16时OFDM信号的功率谱密度1100-10-20-30-1-0.50.50归一化带宽第1个子载波功率谱BPSKOFDM功率谱密度(dB)西安邮电大学通信与信息工程学院40当N增大时,在频率内的幅频特性会更加平坦,边缘会更陡峭,能够逼近理想的低通滤波特性;根据OFDM符号的功率谱密度表达式,其带外功率谱密度衰减较慢,即带外辐射功率比较大[0.5,0.5]fTOFDM基本原理西安邮
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