多载波调制

多载波调制（一）Multi-carriermodulationTechnology王劲涛、戴凌龙电子工程系清华大学《通信信号处理》2通信信号处理2上节回顾发射信号接收信号(n-1)T+εTnT+εT(n+1)T+εT(n+2)T+εT(n+3)T+εT(n+4)T+εTmn-1TsmnTsmn+1Tsmn+2Tsmn+3Tsmn+4Tsμn-1TsμnTsμn+1Tsμn+2Tsμn+3Tsμn+4Ts最佳ML接收机抽取和插值插值滤波器3通信信号处理3本节内容OFDM的起源与发展OFDM的基本原理OFDM的调制快速傅里叶变换的应用OFDM的系统模型保护间隔与循环前缀带外功率辐射及加窗技术OFDM参数设计实例4通信信号处理OFDM的起源与发展15通信信号处理5OFDM的起源与发展为了解决低效利用频谱资源问题，在20世纪60年代提出一种思想，即使用子信道频谱相互覆盖的并行数据传输和频分复用，要求每个子信道内承载的信号传输速率为b，而且各子信道在频域的距离也是b上述方案可避免使用高速均衡、对抗窄带脉冲噪声和多径衰落、更充分地利用频谱资源（OFDM雏形）。随即，这种技术就被应用到多种高频军事通信系统中，其中包括KINEPLEX，ANDEFT以及KNTHRYN等6通信信号处理6OFDM的起源与发展1971年，Weinstein和Ebert把离散傅里叶变换（DFT）应用到并行传输系统中，作为调制和解调的一部分，不再利用带通滤波器而是经过基带处理就可以直接实现正交频分复用（OFDM产生）20世纪80年代中期，欧洲在数字音频广播（DAB）方案中采用OFDM体制，这一技术开始受到关注Wi-Fi和WiMAX技术的兴起使得OFDM成为一种“时髦”的技术未来LTE系统下行多址方式为正交频分多址（OFDMA），上行为基于正交频分复用传输技术的单载波频分多址（SC-FDMA）7通信信号处理7OFDM定义OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）是一种特殊多载波传输体制，它可被当作一种调制技术，也可当作一种复用技术选择OFDM的一个主要原因在于该系统能够很好地对抗频率选择性衰落8通信信号处理OFDM的基本原理29通信信号处理9多载波调制–基本原理频域划分为多个相互重叠且正交的子信道；子载波的带宽信道“相干带宽”时，信道是“非频率选择性信道”，经历的是“平坦衰落”符号持续时间信道“相干时间”时，信道等效为“线性时不变”系统，降低时间选择性衰落对系统影响频率频率节省带宽资源传统频分复用(FDM)多载波调制技术正交频分复用(OFDM)多载波调制技术FDM和OFDM频带利用率的比较10通信信号处理10正交频分复用（OFDM）把一串高速数据流分解为若干速率低得多的子数据流将子数据流放置在对应的子载波上将多个子载波合成，一起并行传输传输过程类似于用喷头送水11通信信号处理11正交频分复用（OFDM）S/PconverterIFFTP/SconverterChannelAWGNn(t)DemodulatorS/PconverterFFTP/SconverterSerialdataSerialdataOFDMsignalModulator12通信信号处理12OFDM的正交性对于任意两个函数S1(t)和S2(t)，如果有则函数S1(t)和S2(t)在区间(0,T)上正交对于OFDM，设相邻子载波的频率间隔为1/T，T是符号的持续时间，任意一对子载波的内积满足,0)()(021TdttStS212102201121kkkkdteeTTtTkjtTkj13通信信号处理13OFDM的正交性ExampleoffoursubcarrierswithinoneOFDMsymbolSpectraofindividualsubcarriers时域N个不同周期sin函数叠加频域N个相互正交子载波叠加14通信信号处理14OFDM的正交性–时频示意图时域频域矩形函数4个子载波OFDM符号周期内4个子载波15通信信号处理OFDM的调制316通信信号处理1aaaRTR符号速率为，持续时间为x(N-1),…,x(2),x(1),x(0)S/PX(0)X(1)X(2)X(3)X(N-1)…..02jfte12jfte32jfte22jfte12Njfte∑x(t)timefrequency1aaTR持续时间为aRfrequencytimeaRaNTaRN...aaRTNTN符号速率为，持续时间为10)2exp()()(NKktfjkXtxOFDM调制—时域描述17通信信号处理以简单BPSK调制为例，考察经调制后输出实部的基带波形：-111-102jfte12jfte32jfte22jfteS/P-1,1,1,-1OFDM调制—时域描述18通信信号处理OFDM调制—频域描述sinT,1,2,xxkfkT持续时间为的矩形脉冲，其频谱为型，在处出现零点19通信信号处理x(N-1),…,x(2),x(1),x(0)S/PX(0)X(1)X(2)X(3)X(N-1)…..∑x(t)ff…..02jfte12jfte32jfte22jfte12NjfteOFDM调制—频域描述20通信信号处理OFDM调制—频域描述（仿真结果）21通信信号处理OFDM系统实现—基本特点1.发射机在发射数据时，将高速串行数据转为低速并行数据，利用正交的多个子载波进行数据传输；2.各个子载波使用独立的调制器和解调器；3.各个子载波之间要求完全正交、收发完全同步；4.发射、接收机要精确同频、同步，准确进行符号采样；5.接收机进行同步采样，获得数据，然后转为高速串行；6.载波间相互重叠，具有很高的频谱利用率。22通信信号处理快速傅里叶变换的应用423通信信号处理12/0:[][]NjnkNnDFTXkxne12/01:[][]NjnkNkIDFTxnXkeNOFDM系统实现—DFT和IDFT介绍DFT和IDFT定义N样本序列的N点离散Fourier变换(DFT)，以及其离散Fourier逆变换(IDFT)的定义如下：其中频域每个采样点X[k]都是时域所有采样点x[n]的线性叠加；时域每个采样点x[n]都是频域所有采样点X[k]的线性叠加24通信信号处理OFDM快速实现—FFT和IFFT介绍例：16点时IDFT：256次基2FFT：24次基4FFT：12次N点IDFT需N2次复数乘法基2IFFT需N/2(log2N-1)次基4IFFT只需(3/4)N(log2N/2-1)次只存在{1,-1,j,-j}之间的相乘25通信信号处理基4IFFT蝶形算法经过简单相加和相位旋转，生成四个输出值例如，y1=x0+jx1-x2-jx326通信信号处理基4算法—N=16点IFFT实施例存在两级运算：每级包括4个基4蝶形运算；两极之间存在过渡级对16个运算结果实施相位旋转（乘法）2/ijiNe27通信信号处理FFT的使用直接推动OFDM从实验室走向实用三种离散傅里叶变换运算量比较FFT点数越大，优势越明显28通信信号处理OFDM的系统模型529通信信号处理SignalMapper(QPSK)IFFTParallel-to-SerialConverterGuardIntervalInsertionSerial-to-ParallelConverter1X1NXSerialDataInput0x1x1NxNbitsD/A&LowpassFilter0b0X1b1Nbb=[0,0,0,1,1,0,1,1,….]b0=[0,0]b1=[0,1]b2=[1,0]b3=[1,1]Q.I...00011110.I...00011110Q....00011110I....00011110X0=1X1=iX2=-1X3=-i…..发射机模型30通信信号处理DATACPCPCP010203040506070-0.2-0.15-0.1-0.0500.050.10.150.2[]-0.09,-0.003-0.096i,,0.01+0.247i,-0.035-0.0472ix=L01020304050607080-0.2-0.15-0.1-0.0500.050.10.150.2发射机模型SignalMapper(QPSK)IFFTParallel-to-SerialConverterGuardIntervalInsertionSerial-to-ParallelConverter1X1NXSerialDataInput0x1x1NxNbitsD/A&LowpassFilter0b0X1b1Nb01020304050607080-0.2-0.15-0.1-0.0500.050.10.150.231通信信号处理发射机模型N个并行的符号X(k)经过反傅立叶变换，得到一组序列x(n)，n=0，1，...N-1，被称做一个OFDM符号1011()()exp(2),0,NkkkxtXkjfttTandfkfkNT以T/N为周期进行抽样，得到的离散序列为101011()()exp212()()expNkNkTTxnXkjknNNTNxnXkjnkNN012xxx21xxNN32通信信号处理信号频谱成型滤波(D/A)及射频调制()Rtf1012()()exp;0,1,2,...1NkxnXkjnknNNNt1012()()exp;,1,...,1,0,1,2,...1NkxnXkjnknNiNiNNNN'()()'()xtstxnS(t)'()xt2()'()cjftRtxtefcf33通信信号处理虚拟子载波定义不同于承载未知数据的子载波，一般以零值调制FFT/IFFT中的子载波常用形式将带宽边界处子载波设置为虚拟子载波主要作用实现可变带宽虚拟子载波34通信信号处理虚拟子载波IFFT1(N1)IFFT1(N2)+广泛应用在DVB-T、CMMB、WLAN...等OFDM系统中多址接入OFDMASC-FDMA插入导频（信道均衡）DC置零（防载波泄露）降低峰均比PAPR35通信信号处理接收端模型h(t)'2cjftey(t)A/Dy'(n)OFDMSymbolSynchronizationGuardRemovingy(n)FFTY(k)FrequencyerrorcorrectionDecodingBinarysource'()xt''*exp,ccytxthtjtwtttff＝102()()exp(),01NnYkynjknWkkNN36通信信号处理h(t)'2cjftey(t)A/Dy'(n)OFDMSymbolSynchronizationGuardRemovingy(n)FFTY(k)FrequencyerrorcorrectionDecodingBinarysource'()xt''*exp,ccytxthtjtwtttff＝假设：•理想信道•忽略高斯噪声•理想本振•理想同步'0ccff()1ht0wt'ytxt()()ynxn10102()()exp2()expNnNnYkynjknNxnjknN接收端模型37通信信号处理保护间隔与循环前缀638通信信号处理OFDM系统中，需考虑两种类型干扰–载波间干扰Inter-carrierinterference(ICI)：同一FFT符号周期内相邻子信道或子载波间的串扰–符号间干