OFDM通信系统.ppt

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1数字通信数字通信（第九讲第九讲）OFDM基础基础2015YupingZhao（Professor）赵玉萍赵玉萍SchoolofElectronicsEngineering&ComputerSciencePekingUniversityBeijing100871,Chinaemail:

2OFDM简介OFDMOrthogonalfrequencydivisionmultiplexing:

正交频分复用下一代宽带通信系统中的核心技术WiMAXLTE优点高频谱效率抵抗多径信道支持宽带传输3单载波通信系统的基带模型4OFDM通信系统的基带模型对于均匀子载波间隔OFDM调制调制时时域域描述描述x（N-1）,x

（2）,x

（1）,x（0）S/PX（0）X

（1）X

（2）X（3）X（N-1）.x（t）timefrequencyfrequencytime.OFDM调制调制时域时域描述描述例例：

以简单的以简单的BPSKBPSK调制的各个子载波的波形来详细的描述，考察经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调制后调制器输出的实部的基带波形。

-111-1S/P-1,1,1,-17数据实部:

cos（2kft）虚部:

sin（2kft）发射信号1+j1-j-1+j-1-j1-jOFDM信号：

以调制信号序列为（1+j,1-j,-1+j,-1-j,1-j）的QPSK信号为例OFDM原理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调制调制时域时域描述描述子载波（子载波（subcarrier）子载波必须是一组正交函数集，定义为满足OFDM调制调制时域时域描述描述子载波（子载波（subcarrier）v在一个符号的持续时间T内每个载波要有整数个周期；v相邻的载波间隔为f=1/T；v该载波间隔是在T时间内两个载波正交的最小间隔。

OFDM调制调制频域描述频域描述12与OFDM系统相对应的单载波系统时频描述OFDM调制调制频频域域描述描述x（N-1）,x

（2）,x

（1）,x（0）S/PX（0）X

（1）X

（2）X（3）X（N-1）.x（t）ff.OFDM调制调制频域描述（仿真结果频域描述（仿真结果）15时频特性傅立叶变换特性16需要考虑的几个问题给定一定定一定带宽B的情况下：

的情况下：

u相邻子载波间的频差有多少？

（f）u给定频带内能放置几个子载波？

（N）uOFDM时域符号长度为多少？

（T）uOFDM信号的采用时间间隔是多少？

（Ta）OFDM信号如何与信号如何与调制方式相制方式相结合？

合？

u如何在每个子载波上传输QPSK，16QAM等信号？

OFDM系统中几个参数之间的关系17单载波系统OFDM调制调制频域描述频域描述OFDM系统的频谱有若干系统的频谱有若干的子信道的频谱交叠而成的子信道的频谱交叠而成子载波在一个符号周期内子载波在一个符号周期内正交正交频谱的交叠不影响符号的频谱的交叠不影响符号的恢复恢复OFDM的频谱利用率高的频谱利用率高当子载波数较大时信道的当子载波数较大时信道的的频谱接近矩型的频谱接近矩型19lOFDM的频谱利用率高l当子载波数较大时，OFDM信道的频谱接近矩形l有效利用了频谱频谱效率频谱效率20数学描述发送/接收信号的数学描述l假设信息序列是X（p）,p=0,1,N-1l则传输的信号s（t）可表示为l其中T=1/f，为OFDM符号时间长度高斯噪声条件下接收信号r（t）为21数学描述可求得子载波k的接收信号为若w（t）=0（理想信道），则Y（k）变为由正交性原理公式，得到：

当k遍历0至N-1时，可得到N个子载波上传输的信号22IFFT和FFT可以采用IFFT和FFT进行子载波的调制和解调离散正交基函数在实际应用中，系统并行数据的调制与解调可以采用反傅立叶变换（IFFT）和傅立叶变换（FFT）来实现23采用IFFT和FFT的OFDM系统结构24OFDM信号的表示设待发送的频域信号用X（k）表示，则发送的时域离散信号s（n）为接收信号为：

r（t）=s（t）+w（t）其中，w（t）为加性高斯白噪声对r（t）抽样得到离散时域信号r（n）25OFDM信号的表示设低通成型滤波器幅频响应是矩形窗传输的时域信号为“*”表示两信号的卷积26OFDM信号的表示第k个子载波的接收信号表示为使用使用FFT的的OFDM系统系统28几点考虑如果只在特定子载波上传输信号，如何实现？

OFDM信号的时域信号形式是怎样的？

OFDM系统中如何调制？

29抵抗多径信道OFDM抵抗多径信道影响lOFDM符号的时域保护间隔多径信道的冲击响应3031抵抗多径信道由于多径时延的影响，破坏了各子载波的正交性，造成了子载波之间的干扰，为此在每个时域符号前加上一段时域保护间隔。

加入时域保护间隔后，OFDM的符号中有一部分是重复的，使得传输效率下降，变为T/（T+G）使用使用FFT的的OFDM系统系统换句话说，换句话说，N个并行的符号个并行的符号X（k）经过反傅立叶反傅立叶变换，得到一，得到一组序列序列x（n），n=0，1，.N-1，被叫做一个被叫做一个OFDM的符号的符号以以T/N为周期进行抽样，得到的离散序列为为周期进行抽样，得到的离散序列为使用使用FFT的的OFDM系统系统（保护间隔）（保护间隔）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34增加了时域保护间隔的OFDM系统结构关于时域保护间隔的问题时域保域保护间隔的隔的长度的取度的取值大于信道多径传输时延时域保域保护间隔隔带来的来的问题频带利用率降低对于给定带宽B，子载波个数N越大，频带利用率越高前后前后时域保域保护间隔隔OFDM信号频谱成型滤波信号频谱成型滤波（D/A）及射频调制及射频调制ftS（t）fOFDM系统接收端模型系统接收端模型OFDM系统接收端模型系统接收端模型假设：

假设：

理想信道理想信道忽略高斯噪声忽略高斯噪声理想本振理想本振理想同步理想同步OFDM系统接收端模型系统接收端模型角标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。

OFDM系统接收端模型系统接收端模型由于各个子载波的正交特性，特定点始终为0；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42信号呈高斯分布，PAPR很大发端OFDM信号pdf分布实例43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44削顶后的OFDM时域信号分布45其他特性滤波器对系统特性的影响46SignalConstellationwithdifferentlowpassfiltersR=0.5;%roll-factordelay=3;%numberofsidelobes47SignalConstellationwithdifferentlowpassfiltersR=0.2;%roll-factordelay=3;%numberofsidelobes48SignalConstellationwithdifferentlowpassfiltersR=0.2;%roll-factordelay=5;%numberofsidelobes49OFDM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50OFDM关键技术最大功率与平均功率的比最大功率与平均功率的比值问题同步同步问题信道响信道响应估估计问题载波波频率率误差差问题采采样时钟偏差偏差问题后面的章后面的章节逐一逐一讲解解OFDM系统同步问题分析系统同步问题分析p为什么要进行同步？

p发射机与接收机的载波频率偏差；p发射机与接收机采样的频率偏差；p发射机与接收机定时偏差。

OFDMA物理意义物理意义vOFDM_OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing；v正交频分复用技术。

vOFDMA_OrthogonalFrequencyDivisionMultiplev正交频分多址；vOFDMA是OFDM技术的演进；v对OFDM子载波信道进行子信道化；v部分子载波上加载传输数据的传输技术。

AccessOFDMA与与OFDMOFDM仅在时域分配用户OFDMA在频域和时域分配用户TimedomainUser3User2User1TimedomainFrequencydomainFrequencydomainUser3User2User1OFDMA=OFDM+FDMAOFDMA与与OFDMSub-carriersFFTTimeSymbols5MHzBandwidthGuardIntervalsFrequencyOFDM系统小结系统小结串并转换，多径信道鲁棒性好，串并转换，多径信道鲁棒性好，减小减小ISIISI频谱利用率高频谱利用率高IFFT/FFTIFFT/FFT实现子载波调制解调实现子载波调制解调非对称业务中灵活的上下行资源分配非对称业务中灵活的上下行资源分配与其他多种接入方法结合，构成与其他多种接入方法结合，构成OFDMAOFDMA系统系统q对系统的同步要求高对系统的同步要求高q存在较高的峰值与平均功率比存在较高的峰值与平均功率比谢谢！