第十一章OFDM多載波調(diào)制技術(shù)

1、 第第11章章 OFDM多載波調(diào)制技術(shù)多載波調(diào)制技術(shù)楊鴻文楊鴻文1多徑傳播與頻率選擇性2n信號(hào)從發(fā)送端到接收端的傳播方式：多徑多徑n多徑信道的參數(shù)時(shí)延擴(kuò)展、相干帶寬n發(fā)送信號(hào)的參數(shù)符號(hào)間隔、信號(hào)帶寬n信道分為兩種：平衰落或頻率選擇性衰落滿足以下條件是平衰落n信道的時(shí)延擴(kuò)展遠(yuǎn)小于發(fā)送信號(hào)的符號(hào)間隔n發(fā)送信號(hào)的帶寬遠(yuǎn)小于信道的相干帶寬其余是頻率選擇性衰落頻率選擇性3n信道的頻率選擇性會(huì)引起符號(hào)間干擾（Inter Symbol Interference）n解決方案q均衡技術(shù)（5.7節(jié)）q接收端加一個(gè)均衡器以消除或減少I(mǎi)SIq擴(kuò)頻技術(shù)（10.8節(jié)）n擴(kuò)頻能抗干擾，包括能抗多徑引起的符號(hào)間干擾n進(jìn)一步還

2、能利用多徑實(shí)現(xiàn)分集（Rake）q多載波通信（11章）4單載波通信系統(tǒng)的基帶模型5單載波系統(tǒng)的時(shí)域均衡n帶寬為 Bn符號(hào)持續(xù)時(shí)間 T = 1/Bn當(dāng)max T不滿足n產(chǎn)生符號(hào)間干擾 (ISI)n均衡用于消除 ISIn時(shí)域均衡階數(shù)n=B* max nB增大，n增大，n時(shí)域均衡復(fù)雜度大幅增大n新的新的思路：多載波傳輸！思路：多載波傳輸！多載波并行傳輸n數(shù)據(jù)速率越高，則符號(hào)間隔越小，信號(hào)帶寬越大，信道的頻率選擇性也越強(qiáng)n多載波并行傳輸是將高速數(shù)據(jù)分解成N路低速數(shù)據(jù)，分別用N個(gè)不同的載頻進(jìn)行調(diào)制后同時(shí)發(fā)送。q只要N足夠大，每個(gè)子路的符號(hào)間隔將足夠大，其已調(diào)信號(hào)的帶寬將足夠窄，使得信道對(duì)于該子路的已調(diào)信號(hào)

3、來(lái)說(shuō)近似是平的，ISI近似可以忽略。6例n信道時(shí)延擴(kuò)展為30msnBPSK，數(shù)據(jù)速率是1Mb/s，基帶采用矩形脈沖成形，BPSK主瓣帶寬2MHzn符號(hào)間隔1ms，符號(hào)間干擾嚴(yán)重n分成1000路q每路的符號(hào)間隔是1ms，主瓣帶寬是2kHzq每個(gè)子BPSK經(jīng)歷的信道近似是平衰落q1000路總的帶寬是2MHz，總數(shù)據(jù)速率是1Mb/s78OFDM 系統(tǒng) ( N 個(gè)子載波)n將可用帶寬分為 N 個(gè)子帶寬n每個(gè)符號(hào)占用很窄的帶寬，但是持續(xù)時(shí)間變長(zhǎng)n每個(gè)子載波的帶寬qf = B / Nn符號(hào)持續(xù)時(shí)間qT = N / BqT = 1 / f9OFDM 通信系統(tǒng)的基帶模型對(duì)于均勻子載波間隔, 0,1,1,kfk

4、kNf 10正交基函數(shù)n作為第 k 個(gè)子載波的正交基函數(shù)為n基函數(shù)滿足正交條件( , )exp2, 0,( , )0, otherwise.kg t kjf ttTg t k *02*00( , )( , )0, ,( , )( , )( , ), .TTTg t kg t p dtkpg t kg t p dtg t kdtTkp11nOFDM 信號(hào)：以調(diào)制 BPSK 信號(hào)1，1，-1，-1，1為例12分析nOFDM 信號(hào)等效于在帶寬 B 的頻帶內(nèi)傳輸了 N 個(gè)正交子載波q子載波的相位、幅度由待傳信號(hào)決定q子載波的頻率共有 N 個(gè)，分別為：q每個(gè)子載波占有帶寬f ，持續(xù)時(shí)間為 1/fnOFD

5、M 信號(hào)為調(diào)制了信息的 N 個(gè)子載波的疊加，利用正交性原理可以在接收端解調(diào)出信號(hào)nOFDM 的時(shí)域信號(hào)波形不規(guī)則PAPR01210,2,.,(1)Nfff fffNf 發(fā)送信號(hào)時(shí)域表達(dá)式n設(shè)一個(gè)OFDM符號(hào)期間0,Ts內(nèi)各子載波發(fā)送的數(shù)據(jù)是A0,A1,AN1，均取值于113 scos 2cos 20iiiiistA g tf tAf ttT 11s00cos 20NNiiiiis tstAf ttT單個(gè)OFDM符號(hào)的頻譜表達(dá)式n設(shè)一個(gè)OFDM符號(hào)間隔0,Ts內(nèi)各子載波發(fā)送的數(shù)據(jù)是A0,A1,AN1，均取之于114sj1sss0esincsinc2fTNiiiiTSfAffTffT sjsssi

6、ncefTg tTfT158101214161820-0.4-0.200.20.40.60.81N=8fff010ff0111NAAA 功率譜密度16122ss0sincsinc4NssiiiTPfffTffT假設(shè)數(shù)據(jù)是獨(dú)立等概的二進(jìn)制序列，則BPSK-OFDM的功率譜密度是各個(gè)子載波上BPSK的功率譜密度之和：17lOFDM 的頻譜利用率高l當(dāng)子載波數(shù)較大時(shí)，OFDM 信道的頻譜接近矩形l有效利用了頻譜頻譜效率頻譜效率18與 FDM 比較nFDM：frequency division multiplexingqFDM 系統(tǒng)需要將各個(gè)子載波間隔開(kāi)nOFDM：orthogonal frequen

7、cy division multiplexingqOFDM 系統(tǒng)的各個(gè)子載波是相互交叉存在的19BPSK-OFDM的解調(diào)框圖20N個(gè)并行的BPSK解調(diào)器例：子載波數(shù)的設(shè)計(jì)n給定條件q信道帶寬為1MHz，信道時(shí)延擴(kuò)展為20msnN應(yīng)滿足qOFDM符號(hào)間隔Ts遠(yuǎn)大于時(shí)延擴(kuò)展20msqN一般取為2的整冪n答案：q若10倍算遠(yuǎn)大于，則N=256q若20倍算遠(yuǎn)大于，則N=512q若100倍算遠(yuǎn)大于，則N=2048 ss,20,20 s1MHz20NNBTsNTBmmQAM-OFDM22bsb2211loglogRfTN TMNM 每一路的比特率=Rb/NN個(gè)并行、載波正交的M進(jìn)制QAMOFDM符號(hào)間隔T

8、s=NTblog2M信號(hào)表達(dá)式23 cc11j2j200j2ccReeeReecos2cos2NNf ti ftiiiif ts ts tAa tI tf tQ tf t 1j20eNi ftiia tA復(fù)包絡(luò)第i個(gè)子載波上的QAM星座點(diǎn)：Ai ReImI ta tQ ta t同相分量、正交分量I/Q正交調(diào)制24OFDM的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)25n在0,Ts時(shí)間內(nèi)，對(duì)復(fù)包絡(luò)a(t)采樣n序列am是序列Ai的IDFTn序列Ai是序列am的DFTn稱Ai為頻域符號(hào)，稱am為時(shí)域樣值s11j2j2s00ee,0,1,1TmiNNi f mNNmiiiiTaa mAAmNN 1j20e,0,1,1miNNimm

9、AaiN保護(hù)間隔n由于多徑時(shí)延擴(kuò)展， OFDM符號(hào)經(jīng)過(guò)多徑信道后將變寬n實(shí)際當(dāng)中，信道的時(shí)延擴(kuò)展與OFDM的符號(hào)間隔Ts相比不是無(wú)窮小27保護(hù)間隔n在OFDM符號(hào)之間留出保護(hù)間隔可以防止前后干擾28保護(hù)間隔Tg應(yīng)比最大時(shí)延擴(kuò)展更大子載波的正交性29兩個(gè)正交的子載波空白保護(hù)間隔不能保證子載波的正交性30在0,Ts窗口內(nèi)，第1徑上第1子載波和第2徑上的第2子載波不正交，后果是子載波間干擾（ICI）將保護(hù)間隔的內(nèi)容設(shè)計(jì)為OFDM信號(hào)的周期延拓（循環(huán)前綴）可以解決問(wèn)題31Tg內(nèi)的信號(hào)是OFDM信號(hào)Ts內(nèi)末尾部分的重復(fù)循環(huán)前綴（Cyclic Prefix）32OFDM系統(tǒng)33峰均比nOFDM中多個(gè)子載波信號(hào)疊加的結(jié)果將導(dǎo)致已調(diào)信號(hào)的