北邮课件_OFDM

北邮信息理论与技术教研中心BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenterOFDM技术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•OFDM系统的接收既可以采用相干检测也可以采用非相干检测。采用相干检测就需要利用信道信息，因此在接收端首先要进行信道估计。在多载波系统中，当采用差分调制方案时，在接收端可以做非相干解调，但这一般适用于较低数据速率。•采用训练序列的信道估计方法可以分为基于导频信道和基于导频符号这两种，IS-95就采用了基于导频信道的方法，但多载波系统具有时频二维结构，因此采用导频符号辅助信道估计更灵活。BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter27•导频符号辅助方法是在发送端的信号中某些固定位置插入一些已知的符号和序列，在接收端利用这些导频符号和导频序列按照某些算法进行信道估计。•在单载波系统中，导频符号和导频序列只能在时间轴方向插入，在接收端提取导频符号估计信道脉冲响应。在多载波系统中，导频符号可以同时在时间轴和频率轴两个方向插入，在接收端提取导频符号估计信道传输函数。只要导频符号在时间和频率方向上的间隔相对于信