《OFDM通信系统》PPT课件

1数字通信(第十一讲)OFDM基础2011YupingZhao(Professor)赵玉萍SchoolofElectronicsEngineering&ComputerSciencePekingUniversityBeijing100871,Chinaemail:[e-mail]2OFDM简介OFDMlOrthogonalfrequencydivisionmultiplexingl正交频分复用下一代宽带通信系统中的核心技术lWiMAXlLTE优点l高频谱效率l抵抗多径信道l支持宽带传输3单载波通信系统的基带模型调制(如QAM)二进制信源低通滤波器信道解调(如QAM)二进制数据低通滤波器4OFDM通信系统的基带模型对于均匀子载波间隔,0,1,1,kfkkNf调制(如QAM)串行变并行···二进制信源02jfte2kjfte12Njfte···+低通滤波器信道解调(如QAM)并行变串行···二进制数据02jfte2kjfte12Njfte···低通滤波器0T5OFDM信号：以调制BPSK信号1，1，-1，-1，1为例01002003004005006007000120100200300400500600700-1010100200300400500600700-1010100200300400500600700-1010100200300400500600700-1010100200300400500600700-50501002003004005006007000120100200300400500600700-1010100200300400500600700-1010100200300400500600700-1010100200300400500600700-1010100200300400500600700-505数据实部:cos(2πfkt)虚部:sin(2πfkt)11-1-11OFDM信号OFDM调制——时域描述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——时域描述例：以简单的BPSK调制的各个子载波的波形来详细的描述，考察经调制后调制器输出的实部的基带波形。-111-102jfte12jfte32jfte22jfteS/P-1,1,1,-1OFDM原理•频率选择性衰落•产生码间串扰•使误码增加•自适应均衡措施克服码间串扰•频率非选择性衰落(子载波信道)•数据码元时间宽度加长•减少码间串扰•并行码调制到一组正交载波集OFDM调制——时域描述10()()exp(2),0NkKxtXkjfttT01kkN其中是子载波的序号1,,0,1,2,...,1;kccffkffkNfT为射频载波子载波（subcarrier）子载波必须是一组正交函数集，定义为.,0),(,0,2exp),(otherwisektgTttfjktgkTTTkkTdtktgdtktgktgkkdtktgktg00200*000*.,),(),(),(,,0),(),(满足OFDM调制——时域描述子载波（subcarrier）在一个符号的持续时间T内每个载波要有整数个周期；相邻的载波间隔为Δf=1/T；该载波间隔是在T时间内两个载波正交的最小间隔。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12与OFDM系统相对应的单载波系统时频描述OFDM调制——频域描述x(N-1),…,x(2),x(1),x(0)S/PX(0)X(1)X(2)X(3)X(N-1)…..∑x(t)ff…..02jfte12jfte32jfte22jfte12NjfteOFDM调制——频域描述（仿真结果）15时频特性傅立叶变换特性2(())(2)(())(2())jftftFjffteFjffFF信号+1，-1，-1，+1，+1480490500510520530540550560-1-0.500.51480490500510520530540550560-0.500.51+1+1+1-1-1f信号幅度特性16需要考虑的几个问题相邻子载波间的频差有多少？(多普勒)给定频带内能放置几个子载波？(效率)OFDM时域符号长度为多少？(有效长度)OFDM信号如何与现有调制方式相结合？0.1μsB(1MHz)普通FDM系统B(1MHz)1msOFDM系统1KHzB(1MHz)0.5msOFDM系统2KHzOFDM调制——频域描述•OFDM系统的频谱有若干的子信道的频谱交叠而成•子载波在一个符号周期内正交•频谱的交叠不影响符号的恢复•OFDM的频谱利用率高•当子载波数较大时信道的的频谱接近矩型18OFDM的频谱利用率高当子载波数较大时，OFDM信道的频谱接近矩形有效利用了频谱频谱效率使用FFT的OFDM系统Back使用FFT的OFDM系统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，被叫做一个OFDM的符号101()()exp(2),0,,NkkKxtXkjfttTfkfkT以T/N为周期进行抽样，得到的离散序列为10101()()exp22()()expNkNkTTxnXkjknNTNxnXkjnkN012xxx21xxNN使用FFT的OFDM系统（保护间隔）012xxx21xxNN21xxNN保护间隔CyclicPrefix•在OFDM系统中保护间使用了循环前缀(CP)•相邻的两个符号被一段时间隔离•防止符号间干扰（ISI）•为符号时间同步提供方便*加入保护间隔的OFDM符号波形/符号样值()RtOFDM信号频谱成型滤波(D/A)及射频调制f102()()exp;0,1,2,...1NkxnXkjnknNNt102()()exp;,1,...,1,0,1,2,...1NkxnXkjnknNiNiNNN'()()'()xtstxnS(t)'()xt2()'()cjftRtxtefcfOFDM系统接收端模型h(t)'2cjftey(t)A/Dy'(n)OFDMSymbolSynchronizationGuardRemovingy(n)FFTY(k)FrequencyerrorcorrectionDecodingBinarysource'()xt''*exp;ccytxthtjtwtttff＝10),(2exp)(1)(10NkkWknNjnyNkYNnh(t)'2cjftey(t)A/Dy'(n)OFDMSymbolSynchronizationGuardRemovingy(n)FFTY(k)FrequencyerrorcorrectionDecodingBinarysource'()xtOFDM系统接收端模型''*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101012()()exp12()expNnNnYkynjknNNxnjknNNOFDM系统接收端模型1100122()()exp,()()expNNnkYkxnjknxnXkjnkNNN其中•角标k表示了第k个并行的受调数据及第k个子载波，为频域的序号；•角标n表示了一个OFDM符号以T/N为周期进行抽样的第n个抽样点，为时域的序号。1100122()()expexpNNnkYmXkjnkjmnNNNOFDM系统接收端模型11001100122()()expexp1()()exp2NNnkNNnkYmXkjnkjmnNNNkmYmXkjnNNmk由于各个子载波的正交特性，特定点始终为0；mk传输信号的子载波上的响应为1。OFDM时域信号特征基于大数定理，发端信号经过IFFT变换后（OFDM时域信号）呈均值为0的高斯信号分布该时域信号信号不像单载波系统那样存在规则的眼图时域信号的峰值可能很大，信号峰均比（PeaktoAveragePowerRatio,PAPR）的值很大峰均比大的信号对发端功率放大器的要求很高28-10-8-6-4-20246810050100150200250300CentralLimittheorem,N=60信号呈高斯分布，PAPR很大发端OFDM信号pdf分布实例29发端放大器的输入输出曲线例NormalamplifierresponseInputOutputLinearrange非线性区间，输出信号产生削顶现象30-10-8-6-4-20246810050100150200250300CentralLimittheorem,N=60削顶后的OFDM时域信号分布31其他特性•滤波器对系统特性的影响32SignalConstellationwithdifferentlowpassfilters-4-3-2-101234-4-3-2-101234R=0.5;%roll-factordelay=3;%numberofsidelobes33SignalConstellationwithdifferentlowpassfiltersR=0.2;%roll-factordelay=3;%numberofsidelobes-4-3-2-101234-4-3-2-10123434SignalConstellationwithdifferentlowpassfiltersR=0.2;%roll-factordelay=5;%numberofsidelobes-4-3-2-101234-4-3-2-10123435OFDM时域信号特性总结呈高斯分布发端信号可能被削顶收端A/D变换其的最大区间要选择的合适接收端需要采取同步策略，以确定OFDM时域信号的FFT起始时刻的位置36OFDM关键技术最大功率与平均功率的比值问题同步问题信道响应估计问题载波频率误差问题采样时钟偏差问题后面逐一讲解OFDM系统同步问题分析•发射机与接收机的载波频率偏差；•发射机与接收机采样的频率偏差；•发射机与接收机定时偏差。OFDMA物理意义OFDM_OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing；正交频分复用技术。OFDMA_OrthogonalFrequencyDivisionMultiple正交频分多址；OFDMA是OFDM技术的演进；对OFDM子载波信道进行子信道化；部分子载波上加载传输数据的传输技术。AccessOFDMA与OFDMOFDM仅在时域分配用户OFDMA在频域和时域分配用户Timedomai