第二章 移動通信技術及原理-ofdm

現代通信系統(tǒng)（OFDM）王德勝20072023/2/51第3章OFDM1.1引言

☆單載波系統(tǒng)描述☆多載波系統(tǒng)導入☆OFDM系統(tǒng)描述☆ICI分析☆加窗技術2023/2/52SingleCarrierSystemTimeT=1/B(1s)Frequency

B(1MHz)When_max>TIntersymbolinterference(ISI)

Bandwidth=BSymbolDurationT=1/BEqualiserisneededtoreduceISI2023/2/53FrequencyTimeT(1ms)

Bf(1kHz)AvailablebandwidthisdividedintoNsubbandEachsymboloccupiesanarrowbandbutlongertimeperiodForeachsubcarriersBandwidthf=B/NSymboldurationT=N/BOFDMSystems(Nsubcarriers)2023/2/54BasebandmodelofanOFDMcommunicationsystem

---FortheuniformsubcarrierspacingMulti-Carriers2023/2/55ThebasicorthogonalfunctionforthekthsubcarrierisdefinedasThebasicfunctionssatisfiestheconditionoforthogonality2023/2/56StructureofOFDMsystemsusingFFTEncoding(BPSK…)IFFTGuardinsertionLowpassfilteringCarriermodulationBinarydataChannelCarrierdemodulationLowpassfilteringA/DconvertingGuarddeletingFFTdecoding(BPSK…)BinarydataOFDMsymbolsynchronisationChannelestimationX(k)x(n)x’(n)s(t)y’(k)y(n)y’(n)r(t)2023/2/57OFDM調制器正交頻分復用調制(條件）2023/2/582023/2/59正交頻分復用調制-續(xù)OFDM信號的頻譜結構當fi=fc+iRb/N(i=1,2,…N)時可基于快速離散傅立葉變換實現調制和解調2023/2/510OFDM系統(tǒng)性能

1．頻帶利用率2．抗脈沖干擾比單載波系統(tǒng)強。3．抗多徑干擾抗頻率選擇性衰落的性能優(yōu)于單載波系統(tǒng)，并具有較強的抗瑞利衰落能力。正交頻分復用調制-續(xù)2023/2/511無碼間串擾數字基帶傳輸系統(tǒng)余弦滾降數字基帶傳輸系統(tǒng)（三部分構成）此系統(tǒng)無碼間串擾的最大碼速率為2W，故一般選0.2<<1。W：互補對稱頻率2023/2/5122023/2/513ComparisonwithFDMAch1ch2ch3Frequencyguard2023/2/514AssumetheinformationdatasequencebeX(k),k=0,1…N-1,thenthetransmittedsignals(t)canbeexpressedasandThereceivedsignalr(t)ish(t):Channelresponse;w(t):AWGNsignalOFDMsymbolperiodSystemDescription（1）2023/2/515Thereceivedonsubcarrierk0is

Assumeh(t)=1,w(t)=0(idealchannel),thenY(k)becomes2023/2/516UsingFFTandIFFTforcarriermodulation/demodulationInpractice,suchparalleldatamodulationandcoherentdemodulationcanbesimplydonebyusinginversefastFouriertransfer(IFFT)andfastFouriertransfer(FFT)Thebasicorthogonalfunctionis2023/2/517SystemDescription（2）2023/2/518Cont..(ICI的引入）2023/2/519降低帶外泄漏－時域加窗技術功率譜的帶外衰減速度不夠快。雖然隨著子載波數量的增加，OFDM信號功率譜的帶外衰減速度會加快，但是即使在256個子載波的情況中，其-40dB帶寬仍然是-3dB帶寬的4倍。為了加快OFDM信號功率譜帶外部分的下降速度，可以對每個OFDM符號進行加窗處理，使符號周期邊緣的幅度值逐漸過渡到零。

2023/2/520分析采用了升余弦窗函數之后，可以顯著提高OFDM符號功率譜帶外部分的下降速度。例如，對于64個子載波的OFDM符號，加入β=0.025的升余弦窗，此時滾降區(qū)域雖然僅占符號間隔的2.5%，但卻可以使-40dB帶寬減小為未加窗時的一半。需要注意的是，β值的選擇要適當，選擇大的β值雖然可以大大改善OFDM符號的頻帶效率，但同時也會降低OFDM符號對時延擴展的容忍程度。2023/2/521Thetransmitteddiscretetimedomainsignalx(n)is

Afterinsertingguardinterval,thesignalbecomesx’(n)withlengthN+GAssumethelowpassfilterhasrectangularshapeor,降低帶外泄漏－（頻域加窗)Signalrepresentations2023/2/522與單載波比較采用OFDM傳輸系統(tǒng)的一個主要原因是當信道存在較大的時延擴展時，與單載波系統(tǒng)相比，OFDM系統(tǒng)的實現復雜度要低很多。單載波系統(tǒng)的實現復雜度主要集中于均衡器部分。一般來說，當時延擴展大于數據符號周期的10%時，在單載波系統(tǒng)中就必須要采用均衡器來克服符號間干擾。而在OFDM系統(tǒng)中，實現復雜度主要取決于IFFT/FFT的計算的復雜度。2023/2/523與單載波比較（續(xù)）在IEEE802.11a標準中，系統(tǒng)的傳輸方式為具有64個子載波的OFDM，可以處理的信道最大時延擴展長度為250ns。當系統(tǒng)的信息傳輸速率為24Mbit/s時（47ns)，如果采用單載波的GMSK調制解調器來實現以上的信息傳輸速率，需要具有20個前饋抽頭和20個反饋抽頭的判決反饋均衡器來克服信道上的符號間干擾。考慮到GMSK信號的解調僅需要復數運算的實數部分，則單載波系統(tǒng)每秒需要進行的實數運算次數為2×20×24×106=960×106在OFDM系統(tǒng)中，每個符號周期T=4μs內需要進行64點的FFT運算，如果采用基4的算法，64點的FFT將需要96次復數乘法，因此OFDM系統(tǒng)每秒需要進行96×106次實數運算。由此可知，單載波系統(tǒng)的實現復雜度是OFDM系統(tǒng)實現復雜度的10倍，而且這種復雜度的差異將隨著帶寬和時延擴展乘積的增加而顯著增加。2023/2/524OFDM參數選擇(1)確定保護間隔根據經驗，我們一般選擇保護間隔的時間長度為時延擴展均方根值的2到4倍。(2)選擇符號周期考慮到保護間隔所帶來的信息傳輸效率的損失和系統(tǒng)的實現復雜度以及系統(tǒng)的峰值平均功率比等因素，在實際系統(tǒng)中，一般選擇符號周期長度是保護間隔長度的5倍。(3)確定子載波的數量子載波數可直接利用-3dB帶寬除以子載波間隔(即去掉保護間隔之后的符號周期的倒數)得到。或者可以利用所要求的比特速率除以每個子信道中的比特速率來確定子載波的數量。2023/2/525OFDMABasics(1)

OFDMexploitsthefrequencydiversityofthemultipathchannelbycodingandinterleavingtheinformationacrossthesub-carriers(upto2048)priortotransmissions.2023/2/526OFDMABasics(2)

Thecyclicprefix(CP)cancompletelyeliminateInter-SymbolInterference(ISI)aslongastheCPdurationislongerthanthechanneldelayspread.AperceiveddrawbackofCPisthatitintroducesoverhead,whicheffectivelyreducesbandwidthefficiency.2023/2/527OFDMASymbolStructureandSub-Channelization(1)

Datasub-carriersfordatatransmissionPilotsub-carriersforestimationandsynchronizationpurposesNullsub-carriersfornotransmission;usedforguardbandsandDCcarriers2023/2/528OFDMASymbolStructureandSub-Channelization(2)

Therearetwotypesofsub-carrierpermutationsforsub-channelization;diversity(分布)andcontiguous(相鄰).ThediversitypermutationsincludeDLFUSC(FullyUsedSub-Carrier),DLPUSC(PartiallyUsedSub-Carrier)andOnlyULPUSCandadditionaloptionalpermutations.WithDLPUS