Ch 53 移動通信--關(guān)鍵技術(shù)-OFDM2

1、張張 文文勝勝School School of Information Science and of Information Science and EngineeringEngineeringShandong UniversityShandong University第第5 5章章 移動通信系統(tǒng)移動通信系統(tǒng)III. III. 關(guān)鍵技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)OFDM 2OFDM 2通信系統(tǒng)概論通信系統(tǒng)概論2Orthogonal Frequency Division Multiplexing（OFDM）正交頻分復(fù)用 （Part 2）3基于FFT的OFDM系統(tǒng)Serial-to-ParallelConverte

2、rSignalMapperIFFTParallel-to-SerialConverterGuardIntervalInsertionSerial Data Inputx bits0d1d1nd0s1s1nsD/A &Low passFilterUp-ConverterDown-ConverterA/D GuardIntervalRemovalSerial-to-ParallelConverterFFTOne-tapEqualizerSignalDemapperParallel-to-SerialConverterSerial Data Output0dx bits1d1nd0 s1 s

3、1nsChannel)(tsTimeFrequencySubchannelsFast Fourier TransformGuard IntervalsSymbols4OFDM 通信系統(tǒng)的基帶模型對于均勻子載波間隔, 0,1,1,kfkkNf 5OFDM 信號：以調(diào)制 BPSK 信號1，1，-1，-1，1為例 OFDM調(diào)制調(diào)制時時域域描述描述1aaaRTR符號速率為，持續(xù)時間為x(N-1),x(2),x(1),x(0)S/PX(0)X(1)X(2)X(3)X(N-1).02jf te12jf te32jf te22jf te12Njftex(t)timefrequency1aaTR持續(xù)時間為aR

4、frequencytimeaRaN TaRN.aaRTNTN符號速率為，持續(xù)時間為10( )( )exp( 2)Nkkx tX kjf t OFDM調(diào)制調(diào)制時域時域描述描述例例 ：以簡單的以簡單的BPSKBPSK調(diào)制的各個子載波的波形來詳細(xì)的描述，考察經(jīng)調(diào)制的各個子載波的波形來詳細(xì)的描述，考察經(jīng)調(diào)制后調(diào)制器輸出的實部的基帶波形調(diào)制后調(diào)制器輸出的實部的基帶波形。-111-102jf te12jf te32jf te22jf teS/P-1,1,1,-1OFDM 原理原理頻率選擇性衰落 產(chǎn)生碼間串?dāng)_使誤碼增加 自適應(yīng)均衡措施克服碼間串?dāng)_ 頻率非選擇性衰落(子載波信道)數(shù)據(jù)碼元時間寬度加長 減少碼間

5、串?dāng)_ 并行碼調(diào)制到一組正交載波集 OFDM調(diào)制調(diào)制時域時域描述描述10( )( )exp( 2),0Nkkx tX kjf ttT 01kkN其中是子載波的序號1,0,1,2,.,1;kccffk ffkNfT 為射頻載波子載波（子載波（sub carrier） 子載波必須是一組正交函數(shù)集，定義為., 0),(,0,2exp),(otherwisektgTttfjktgkTTTkkTdtktgdtktgktgkkdtktgktg00200*000*.,),(),(),(, 0),(),(滿足 OFDM調(diào)制調(diào)制時域時域描述描述子載波（子載波（sub carrier）v在一個符號的持續(xù)時間T內(nèi)每個

6、載波要有整數(shù)個周期；v相鄰的載波間隔為f=1/T；v該載波間隔是在T時間內(nèi)兩個載波正交的最小間隔。 OFDM調(diào)制調(diào)制頻域描述頻域描述 sinT,1, 2,.xxkfkT 持續(xù)時間為 的矩形脈沖，其頻譜為型，在處出現(xiàn)零點12與OFDM系統(tǒng)相對應(yīng)的單載波系統(tǒng)時頻描述 OFDM調(diào)制調(diào)制頻頻域域描述描述x(N-1),x(2),x(1),x(0)S/PX(0)X(1)X(2)X(3)X(N-1).x(t)ff.02jf te12jf te32jf te22jf te12Njfte OFDM調(diào)制調(diào)制頻域描述（仿真結(jié)果頻域描述（仿真結(jié)果）15時頻特性傅立葉變換特性2( ( )( 2)( ( )( 2 ()j

7、ftf tF jff teF jffFF16需要考慮的幾個問題相鄰子載波間的頻差有多少？(多普勒)給定頻帶內(nèi)能放置幾個子載波？(效率)OFDM 時域符號長度為多少？(有效長度)OFDM 信號如何與現(xiàn)有調(diào)制方式相結(jié)合？ OFDM調(diào)制調(diào)制頻域描述頻域描述OFDM系統(tǒng)的頻譜有若干系統(tǒng)的頻譜有若干 的子信道的頻譜交疊而成的子信道的頻譜交疊而成子載波在一個符號周期內(nèi)子載波在一個符號周期內(nèi) 正交正交頻譜的交疊不影響符號的頻譜的交疊不影響符號的 恢復(fù)恢復(fù) OFDM的頻譜利用率高的頻譜利用率高 當(dāng)子載波數(shù)較大時信道的當(dāng)子載波數(shù)較大時信道的 的頻譜接近矩型的頻譜接近矩型 18lOFDM 的頻譜利用率高l當(dāng)子載波

8、數(shù)較大時，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 使用使用FFT的的OFDM系統(tǒng)系統(tǒng) Back 使用使用FFT的的OFDM系統(tǒng)系統(tǒng)N個并行的符號個并行的符號X(k)經(jīng)過經(jīng)過反傅立葉反傅立葉變換變換，得到一，得到一組組序列序列x(n)， n=0，1，.N-1 ，被叫做一個被叫做一個OFDM的符號的符號 101( )( )exp( 2),0,NkkKx tX kjf ttTfk fkT 以以T/N為周期進行抽樣，得到的離散序列為為周期進行抽樣，得到的離散序列為10101()()exp22( )()expNkNkTTx nXkjknNTNx nXkjnkN 012xxx21xx

9、NN使用使用FFT的的OFDM系統(tǒng)系統(tǒng) （保護間隔）（保護間隔） 012xxx21xxNN21xxNN保護間隔 Cyclic Prefix在OFDM系統(tǒng)中保護間使用了循環(huán)前綴(CP)相鄰的兩個符號被一段時間隔離防止符號間干擾 （ISI）為符號時間同步提供方便* 加入保護間隔的OFDM符號波形 /符號樣值( )R t OFDM信號頻譜成型濾波信號頻譜成型濾波 (D/A)及射頻調(diào)制及射頻調(diào)制f102( )()exp;0,1,2,.1Nkx nXkjnknNNt102( )()exp;,1,.,1,0,1,2,.1Nkx nXkjnknNi NiNNN( )( )( )x ts tx nS(t)(

10、)x t2( )( )cjf tR tx t efcf OFDM系統(tǒng)接收端模型系統(tǒng)接收端模型 ( )x t *exp;ccy tx th tjtw tttff10),(2exp)(1)(10NkkWknNjnyNkYNn( )x t OFDM系統(tǒng)接收端模型系統(tǒng)接收端模型 *exp;ccy tx th tjtw tttff假設(shè)：假設(shè)：理想信道理想信道忽略高斯噪聲忽略高斯噪聲理想本振理想本振理想同步理想同步 0ccff( )1h t 0w t y txt( )( )y nx n101012( )( )exp12( )expNnNnY ky njknNNx njknNN OFDM系統(tǒng)接收端模型系統(tǒng)接

11、收端模型1100122( )( )exp,( )( )expNNnkY kx njknx nX kjnkNNN其中角標(biāo)k表示了第k個并行的受調(diào)數(shù)據(jù)及第k個子載波，為 頻域的序號；角標(biāo)n表示了一個OFDM符號以T/N為周期進行抽樣的第n 個抽樣點，為時域的序號。1100122( )( )expexpNNnkY mX kjnkjmnNNN OFDM系統(tǒng)接收端模型系統(tǒng)接收端模型11001100122()() expexp1()()exp2NNnkNNnkYmXkjnkjm nNNNkmYmXkjnNN mk 由于各個子載波的正交特性，特定點始終為0；mk 傳輸信號的子載波上的響應(yīng)為1。OFDM時域信

12、號特征 基于大數(shù)定理，發(fā)端信號經(jīng)過IFFT變換后（OFDM時域信號）呈均值為0的高斯信號分布 該時域信號信號不像單載波系統(tǒng)那樣存在規(guī)則的眼圖 時域信號的峰值可能很大，信號峰均比（Peak to Average Power Ratio, PAPR）的值很大 峰均比大的信號對發(fā)端功率放大器的要求很高282.6 保護間隔和循環(huán)前綴OFDM符號lOFDM 符號周期292.6 保護間隔和循環(huán)前綴OFDM系統(tǒng)中，需考慮兩種類型干擾l符號間干擾Intersymbol interference (ISI) ：同一子信道在連續(xù)的時間間隔為T的FFT幀之間的串?dāng)_l載波間干擾Inter-carrier interf

13、erence (ICI) ：同一FFT幀內(nèi)相鄰子信道或頻帶間的串?dāng)_302.6 保護間隔和循環(huán)前綴為抑制ISI的影響，保護間隔內(nèi)不傳輸數(shù)據(jù).保護間隔（或：循環(huán)前綴）在OFDM系統(tǒng)用來對抗多徑衰落. :保護間隔 :多徑時延擴展上述情況下，雖然ISI得到很好抑制，但隨之出現(xiàn)了ICI問題. 產(chǎn)生ICI的原因是：FFT間隔內(nèi)，子信道的周期數(shù)不再保持為整數(shù).312.6保護間隔和循環(huán)前綴322.6保護間隔和循環(huán)前綴為抑制ICI，OFDM符號在保護間隔的構(gòu)造上采用循環(huán)擴展的方式. 這樣OFDM符號在FFT處理間隔內(nèi)有整數(shù)個周期，即使延遲小于保護間隔也是這樣Guard Interval(Cyclic Exten

14、sion)332.6保護間隔和循環(huán)前綴例如：在保護間隔內(nèi)填0，研究多徑的影響。延遲后的2號載波會對1號載波形成ICI，反之亦然.Part of subcarrier #2 causing ICI on subcarrier #1Guard time FFT integration time=1/carrier spacingGuard timeFFT integration time=1/carrier spacingOFDM symbol timeOFDM symbol timeSubcarrier #1Delayed subcarrier #2342.6保護間隔和循環(huán)前綴包含保護間隔的OF

15、DM符號的時域和頻域表示. TimeFrequencyTTg1/TSubchannelsFast Fourier TransformGuard IntervalsSymbols35抵抗多徑信道由于多徑時延的影響，破壞了各子載波的正交性，造成了子載波之間的干擾，為此在每個時域符號前加上一段時域保護間隔。加入時域保護間隔后，OFDM 的符號中有一部分是重復(fù)的，使得傳輸效率下降，變?yōu)?T / (T + G)36OFDMA物理意義物理意義vOFDM _Orthogonal Frequency Division Multiplexing；v正交頻分復(fù)用技術(shù)。 vOFDMA_Orthogonal Freq

16、uency Division Multiple v正交頻分多址；vOFDMA是OFDM技術(shù)的演進；v對OFDM子載波信道進行子信道化；v部分子載波上加載傳輸數(shù)據(jù)的傳輸技術(shù)。Access OFDMA 與與OFDM OFDM僅在時域分配用戶 OFDMA在頻域和時域分配用戶 Time domainUser3User2 User1 Time domainFrequency domainFrequency domain User3 User2 User1 OFDMA = OFDM + FDMA OFDMA 與與OFDMSub-carriersFFTTimeSymbols5 MHz BandwidthGu

17、ard IntervalsFrequency OFDM系統(tǒng)小結(jié)系統(tǒng)小結(jié)串并轉(zhuǎn)換，多徑信道魯棒性好，串并轉(zhuǎn)換，多徑信道魯棒性好， 減小減小ISIISI頻譜利用率高頻譜利用率高IFFT/FFTIFFT/FFT實現(xiàn)子載波調(diào)制解調(diào)實現(xiàn)子載波調(diào)制解調(diào)非對稱業(yè)務(wù)中靈活的上下行資源分配非對稱業(yè)務(wù)中靈活的上下行資源分配與其他多種接入方法結(jié)合，構(gòu)成與其他多種接入方法結(jié)合，構(gòu)成OFDMAOFDMA系統(tǒng)系統(tǒng)q對系統(tǒng)的同步要求高對系統(tǒng)的同步要求高q存在較高的峰值與平均功率比存在較高的峰值與平均功率比qhttp:/ ;3.3.信道條件要考慮（信道條件要考慮（RayleighRayleigh，RiceRice，NakagamiNakagami，或者參考標(biāo)準(zhǔn)信道模型）；，或者參考標(biāo)準(zhǔn)信道模型）；4.4.基本結(jié)果要求：基本結(jié)果要求： BER vs SNRBER vs SNR等；等；5.5.提高結(jié)果要求：系統(tǒng)中斷概率，系統(tǒng)頻譜利用率，能效分析等提高結(jié)果要求：系統(tǒng)中斷概率，系統(tǒng)頻譜利用率，能