北郵課件_OFDM

1、北郵信息理論北郵信息理論 與技術(shù)教研中心與技術(shù)教研中心 BUPT Information Theory & Technology Education & Research Center OFDM技術(shù) BUPT Information Theory & Technology Education & Research Center 2 系統(tǒng)的通信能力實際上受制于信道的傳播特性。 對于高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，發(fā)送符號的周期可以與時 延擴展相比擬，甚至小于時延擴展，此時將引 入嚴重的碼間干擾，導(dǎo)致系統(tǒng)性能的急劇下降。 信道均衡是經(jīng)典的抗碼間干擾技術(shù)，在許多移 動通信系統(tǒng)中都采用了均衡技術(shù)消除碼間干擾。 但是如果

2、數(shù)據(jù)速率非常高，采用單載波傳輸數(shù) 據(jù)，往往要設(shè)計幾十甚至上百個抽頭的均衡器， 這不啻是硬件設(shè)計的噩夢。 BUPT Information Theory & Technology Education & Research Center 3 10.1 OFDM基本原理基本原理 OFDM的基本原理是將高速的數(shù)據(jù)流分解為多路并行 的低速數(shù)據(jù)流，在多個載波上同時進行傳輸。對于低 速并行的子載波而言，由于符號周期展寬，多徑效應(yīng) 造成的時延擴展相對變小。當(dāng)每個OFDM符號中插入 一定的保護時間后，碼間干擾幾乎就可以忽略。 OFDM系統(tǒng)設(shè)計關(guān)鍵參數(shù) ： 1、子載波的數(shù)目 2、保護時間 3、符號周期 4、載波間

3、隔 5、載波的調(diào)制方式 6、前向糾錯編碼的選擇 BUPT Information Theory & Technology Education & Research Center 4 10.1.1 OFDM信號的生成 OFDM符號通帶信號可以表示為： OFDM信號的基帶形式為： 1 2 2 2 0.5 ( )Reexp2 N Nc i N i i s tdjft T 1 2 2 2 ( )exp2 N T N i N i i x tdjt T dw BUPT Information Theory & Technology Education & Research Center 5 由于子載波的正

4、交特性，可以采用一路 子載波信號進行解調(diào)，從而提取出這一 路的數(shù)據(jù)。例如對第 路子載波進行解調(diào) 可以得到(具體參照課本)： k 1 2 22 2 exp2exp2 N T NN ik N i ki jtdjtdt dT TT BUPT Information Theory & Technology Education & Research Center 6 子載波數(shù)目 時，承載的數(shù)據(jù)為 ，四個載 波獨立的波形和迭加后的信號 00.20.40.60.81 -3 -2 -1 0 1 2 3 4N (1,1,1,1)d BUPT Information Theory & Technology Edu

5、cation & Research Center 7 雖然四個子載波的幅度范圍恒為 ，但迭加 之后的OFDM符號的幅度范圍卻變化很大，這 也就是OFDM系統(tǒng)具有高峰均比的現(xiàn)象。 由于OFDM子載波之間滿足正交性，因此可以 采用離散傅立葉變換(DFT)表示信號。直接進 行IDFT/DFT變換，算法復(fù)雜度為 ，計算量 非常大，但如果采用IFFT/FFT來實現(xiàn)，則算法 復(fù)雜度降低為 (基2算法)，極大降低 了OFDM系統(tǒng)的實現(xiàn)難度。 2 ()O N 2 log ( ) 2 N ON 1,1 BUPT Information Theory & Technology Education & Resear

6、ch Center 8 OFDM符號頻譜結(jié)構(gòu) BUPT Information Theory & Technology Education & Research Center 9 OFDM系統(tǒng)滿足Nyquist無碼間干擾準則。 但此時的符號成型不象通常的系統(tǒng)，不 是在時域進行脈沖成型，而是在頻域?qū)?現(xiàn)的。因此時頻對偶關(guān)系，通常系統(tǒng)中 的碼間干擾(ISI)變成了OFDM系統(tǒng)中的子 載波間干擾(ICI)。為了消除ICI，要求 OFDM系統(tǒng)在頻域采樣點無失真。 BUPT Information Theory & Technology Education & Research Center 10 10

7、.1.2 保護時間和循環(huán)前綴 多徑衰落信道 ： OFDM接收機收到的信號為： ( ) 1 ( )( )() l L jt ll l h tA t et 1 2 1 2 2 ( )( )( )( ) ( )exp2( )( ) N L Nlll i N l i r tx th tn t i dA tjttn t T BUPT Information Theory & Technology Education & Research Center 11 對第 路子載波進行解調(diào)可以得到： 第 個子載波的解調(diào)信號中包括了有用信 號、噪聲信號以及碼間干擾。其中輸出 噪聲的方差是 k 1 2 1 22 2

8、( )( )( )( ) N L i NlNl ki N l i i k y tdH tdH tz t k *2 ( )( )E z t z sts BUPT Information Theory & Technology Education & Research Center 12 多徑效應(yīng)造成的碼間干擾 (ICI)為： 為了消除碼間干擾，需要在OFDM的每個符號 中插入保護時間，只要保護時間大于多徑時延 擴展，則一個符號的多徑分量不會干擾相鄰符 號。保護時間內(nèi)可以完全不發(fā)送信號。但此時 由于多徑效應(yīng)的影響，子載波可能不能保持相 互正交，從而引入了子載波間干擾。 1 2 2 2 ( )( )

9、 N i Nl i N i i k I tdHt BUPT Information Theory & Technology Education & Research Center 13 保護時間內(nèi)發(fā)送全零信號由于多徑效應(yīng)造成的子載波 間干擾(ICI) 保護時間FFT積分時間 子載波1 延遲的子載波2 OFDM符號周期 子載波2對子載波1的 干擾部分 BUPT Information Theory & Technology Education & Research Center 14 當(dāng)OFDM接收機解調(diào)子載波1的信號時，會引 入子載波2對它的干擾，同理亦然。這主要是 由于在FFT積分時間內(nèi)兩個

10、子載波的周期不再 是整倍數(shù)，從而不能保證正交性。 為了減小ICI，OFDM符號可以在保護時間內(nèi)發(fā) 送循環(huán)擴展信號，稱為循環(huán)前綴(CP)。循環(huán)前 綴是將OFDM符號尾部的信號搬移到頭部構(gòu)成 的。這樣可以保證有時延的OFDM信號在FFT 積分周期內(nèi)總是具有整倍數(shù)周期。因此只要多 徑延時小于保護時間，就不會造成載波間干擾。 BUPT Information Theory & Technology Education & Research Center 15 OFDM符號的循環(huán)前綴結(jié)構(gòu) 保護時間FFT積分時間 子載波1 OFDM符號周期 子載波2 子載波3 BUPT Information Theor

11、y & Technology Education & Research Center 16 兩徑信道中OFDM符號的傳輸 保護時間FFT積分時間 OFDM符號周期 相位跳變 第一條到達徑信號 第二條到達徑信號 多徑時延 BUPT Information Theory & Technology Education & Research Center 17 圖中的保護時間大于多徑時延，因此第 二條徑的相位跳變點正好位于保護時間 內(nèi)，因此接收機收到的是滿足正交特性 的多載波信號，不會造成性能損失。如 果保護時間小于多徑時延，則相位跳變 點位于積分時間內(nèi)，則多載波信號不再 保持正交性，從而會引入子載波

12、干擾。 BUPT Information Theory & Technology Education & Research Center 18 10.2.3 加窗技術(shù) 未加窗的OFDM功率譜 -2-1.5-1-0.500.511.52 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 Frequency/Bandwidth PSDdB 16 64 256 BUPT Information Theory & Technology Education & Research Center 19 圖中可以看到在符號邊界有尖銳的相位 跳變。由此可知，OFDMA的帶外衰減是

13、 比較慢的。隨著載波數(shù)目增大，OFDM 信號的帶外衰減也增加了。 為了使OFDM信號的帶外衰減更快，可 以采用對單個OFDM符號加窗的辦法。 OFDM的窗函數(shù)可以使信號的幅度在符 號邊界更平滑的過渡到0。 BUPT Information Theory & Technology Education & Research Center 20 常用的窗函數(shù)是升余弦滾降窗，定義如下： 1 1 cos,0 2 ( )1.0, 1 1 cos,(1) 2 s s s ss s ss s tT tT T w tTtT tT TtT T BUPT Information Theory & Technolog

14、y Education & Research Center 21 OFDM加窗后的時序結(jié)構(gòu) OFDM加窗的處理過程如下：首先 個QAM符 號添0得到個符號進行IFFT運算。然后將IFFT 輸出的尾部的 個樣值插入OFDM符號的 頭部，將OFDMA符號頭部的 個樣值插入 OFDM符號的尾部。最后乘以升余弦滾降窗函 數(shù)，與前一個OFDM符號 區(qū)域內(nèi)的樣值迭 加，形成最終的信號形式。 T prefix T s T sG TTT postfix T c N prefix T postfix T s T BUPT Information Theory & Technology Education & R

15、esearch Center 22 加窗的OFDM功率譜 BUPT Information Theory & Technology Education & Research Center 23 增大滾降因子，雖然能夠使帶外衰減更快，但 降低OFDMA系統(tǒng)對于多徑時延的容忍能力。 在兩徑信道中，雖然相對時延小于保護時間， 但由于加窗造成陰影部分幅度的變換，從而引 入了碼間干擾(ISI)和子載波間干擾(ICI)。因此 在實際系統(tǒng)設(shè)計中，應(yīng)當(dāng)選擇較小的滾降因子。 兩徑信道中，不適當(dāng)?shù)募哟皩?dǎo)致OFDM符號引 入了ISI和ICI T 多徑時延 BUPT Information Theory & Tech

16、nology Education & Research Center 24 10.1.4 OFDM系統(tǒng)設(shè)計 OFDM收發(fā)信機的結(jié)構(gòu) 信道編碼交織 QAM調(diào) 制 插入導(dǎo)頻 IFFT(TX) FFT(RX) S/P 加循環(huán)前 綴和加窗 去循環(huán)前 綴 信道譯碼解交織 QAM解 調(diào) 信道補償 RF TXDAC RF RXADC時頻同步 P/S P/SS/P 二進制 輸入數(shù)據(jù) 二進制 輸出數(shù)據(jù) BUPT Information Theory & Technology Education & Research Center 25 三個主要的系統(tǒng)要求 ：系統(tǒng)帶寬、業(yè)務(wù) 數(shù)據(jù)速率以及多徑時延擴展，包括時延 擴

17、展的均方根和最大值。 按照這三個系統(tǒng)參數(shù)，設(shè)計步驟可以分 為三步： 1、確定保護時間 2、確定了符號周期 3、在3dB系統(tǒng)帶寬范圍內(nèi)，決定子載波 的數(shù)目。 G T BUPT Information Theory & Technology Education & Research Center 26 10.2 OFDM中的信道估計 OFDM系統(tǒng)的接收既可以采用相干檢測也可以 采用非相干檢測。采用相干檢測就需要利用信 道信息，因此在接收端首先要進行信道估計。 在多載波系統(tǒng)中，當(dāng)采用差分調(diào)制方案時，在 接收端可以做非相干解調(diào)，但這一般適用于較 低數(shù)據(jù)速率。 采用訓(xùn)練序列的信道估計方法可以分為基于導(dǎo)

18、頻信道和基于導(dǎo)頻符號這兩種 ，IS-95就采用 了基于導(dǎo)頻信道的方法，但多載波系統(tǒng)具有時 頻二維結(jié)構(gòu)，因此采用導(dǎo)頻符號輔助信道估計 更靈活。 BUPT Information Theory & Technology Education & Research Center 27 導(dǎo)頻符號輔助方法是在發(fā)送端的信號中某些固 定位置插入一些已知的符號和序列，在接收端 利用這些導(dǎo)頻符號和導(dǎo)頻序列按照某些算法進 行信道估計。 在單載波系統(tǒng)中，導(dǎo)頻符號和導(dǎo)頻序列只能在 時間軸方向插入，在接收端提取導(dǎo)頻符號估計 信道脈沖響應(yīng) 。在多載波系統(tǒng)中，導(dǎo)頻 符號可以同時在時間軸和頻率軸兩個方向插入， 在接收端提取導(dǎo)頻

19、符號估計信道傳輸函 數(shù) 。只要導(dǎo)頻符號在時間和頻率方向上 的間隔相對于信道相干時間和相干帶寬足夠小， 就可以采用二維內(nèi)插濾波的方法來估計信道傳 輸函數(shù) 。 (, )ht ( , )H f t ( , )H f t BUPT Information Theory & Technology Education & Research Center 28 10.3 OFDM中的同步技術(shù)中的同步技術(shù) 接收機正常工作以前，OFDM系統(tǒng)至少 要完成兩類同步任務(wù)： 1、時域同步，要求OFDM系統(tǒng)確定符號 邊界，并且提取出最佳的采樣時鐘，從 而減小載波干擾(ICI)和碼間干擾(ISI)造 成的影響。 2、頻域同

20、步，要求系統(tǒng)估計和校正接收 信號的載波偏移。 BUPT Information Theory & Technology Education & Research Center 29 10.3.1 頻率同步誤差的影響 載波頻率同步誤差造成接收信號在頻域的偏移。 如果頻率誤差是子載波間隔 的整數(shù)倍，則接 收到的承載QAM信號的子載波頻譜將平移n個 載波位置。子載波之間還是相互正交的，但 OFDM信號的頻譜結(jié)構(gòu)錯位，從而導(dǎo)致誤碼率 的嚴重錯誤。 如果頻率誤差不是載波間隔的整數(shù)倍，則一個 子載波的信號能量將分散到相鄰的兩個載波中， 導(dǎo)致子載波喪失了正交性，引入了ICI，也會造 成系統(tǒng)性能的下降。 f

21、0.5 b P BUPT Information Theory & Technology Education & Research Center 30 頻率誤差造成OFDM系統(tǒng)產(chǎn)生載波間干擾 ( )A f n f 1n f 1n f f (a) ( )A f n fff (b) BUPT Information Theory & Technology Education & Research Center 31 在OFDM系統(tǒng)中，只有發(fā)送和接收的子載波完 全一致，才能保證載波間的正交性，從而可以 正確接收信號。任何頻率偏移必然導(dǎo)致ICI。實 際系統(tǒng)中，由于本地時鐘源(如晶體振蕩器)不 能精確的

22、產(chǎn)生載波頻率，總要附著一些隨機相 位調(diào)制信號。結(jié)果接收機產(chǎn)生的頻率不可能與 發(fā)送端的頻率完全一致。對于單載波系統(tǒng)，相 位噪聲和頻率偏移只是導(dǎo)致信噪比損失，而不 會引入干擾。但對于多載波系統(tǒng)，卻會造成子 載波間干擾(ICI)，因此OFDM系統(tǒng)對于載波偏 移比單載波系統(tǒng)要敏感，必須采取措施消除頻 率偏移。 BUPT Information Theory & Technology Education & Research Center 32 10.3.2 時間同步誤差的影響 與頻率誤差不同，時間同步誤差不會引起子載 波間干擾(ICI)。但時間同步誤差將導(dǎo)致FFT處 理窗包含連續(xù)的兩個OFDM符號，從

23、而引入了 OFDM符號間干擾(ISI)。并且即使FFT處理窗 位置略有偏移，也會導(dǎo)致OFDM信號頻域的偏 移，從而造成信噪比損失，BER性能下降。 BUPT Information Theory & Technology Education & Research Center 33 OFDM信號的頻譜引入了相位偏移。時域偏移誤差 在 相鄰子載波間引入的相位誤差為 。 如果時域偏移誤差是采樣時間間隔 的整數(shù)倍， 即 ，則對應(yīng)的相位偏移為 ，其中N 是FFT數(shù)據(jù)處理的長度。這種相位誤差對OFDM系統(tǒng)性 能有顯著影響。在時域擴散信道中，時域同步誤差造 成的相位誤差與信道頻域傳遞函數(shù)迭加在一起，嚴重

24、影響系統(tǒng)正常工作。如果采用差分編碼和檢測，可以 減小這種不利因素。 如果時域同步誤差較大，F(xiàn)FT處理窗已超出了當(dāng)前 OFDM符號的數(shù)據(jù)區(qū)域和保護時間區(qū)域，包括了相鄰 的OFDM符號，則引入碼間干擾，嚴重惡化了系統(tǒng)性 能。 2/ s fT s T s mT 2/m N BUPT Information Theory & Technology Education & Research Center 34 FFT處理窗位置與OFDM符號的相對關(guān)系 一個OFDM符號由保護間隔和有效數(shù)據(jù)采樣構(gòu)成， 保護間隔在前，有效數(shù)據(jù)在后。如果FFT處理 窗延遲放置，則FFT積分處理包含了當(dāng)前符號 的樣值與下一個符號

25、的樣值。而如果FFT處理 窗超前放置，則FFT積分處理包含了當(dāng)前符號 的數(shù)據(jù)部分和保護時間部分。后者不會引入碼 間干擾，而前者卻可能嚴重影響系統(tǒng)性能。 Data 1CP1Data 2CP2 G T T 超前放置FFT處理窗延遲放置FFT處理窗 BUPT Information Theory & Technology Education & Research Center 35 時域同步誤差對OFDM系統(tǒng)性能的影響 圖中采用的是512個子載波的OFDM系統(tǒng)，在白噪聲信道 下仿真，子載波體制方式為差分QPSK(DQPSK)。不用信 道均衡，超前放置FFT處理窗最多達六個樣值，幾乎不 影響系統(tǒng)性能，

26、但如果延遲放置FFT處理窗，如圖中的 實心圖標所示，由于存在碼間干擾，將會嚴重影響系 統(tǒng)性能。對于較小的時域同步誤差，如果增加一個短 循環(huán)后綴，可以減輕ISI的影響。 BUPT Information Theory & Technology Education & Research Center 36 10.3.3 OFDM同步算法分類 OFDM系統(tǒng)的時頻同步處理分為捕獲和跟蹤兩個階段： 在捕獲階段，系統(tǒng)使用比較復(fù)雜的同步算法，對較長 時段的同步信息進行處理，獲得初步的系統(tǒng)同步。 在跟蹤階段，可以采用比較簡單的同步算法，對于小 尺度的變化進行校正。 OFDM同步算法分類 1、OFDM數(shù)據(jù)幀和符

27、號的粗同步算法 2、OFDM符號的精細同步算法 3、OFDM頻域捕獲算法 4、OFDM頻域跟蹤算法 BUPT Information Theory & Technology Education & Research Center 37 10.3.4 常用OFDM同步算法 常用的OFDM同步算法主要分為兩類： 1、利用循環(huán)前綴 2、插入專門的訓(xùn)練序列 采用循環(huán)前綴實現(xiàn)OFDM的同步 共軛 0 G T dt 找到最大相關(guān)值 估計最大相關(guān)值的 相位偏移 OFDM信號 頻率偏移 符號同步 FFT T BUPT Information Theory & Technology Education & Re

28、search Center 38 由于OFDM符號中含有循環(huán)前綴，因此每個符號的前 個樣值實際上是最后個樣值的拷貝。利用這種信號結(jié) 構(gòu)的冗余特性可以實現(xiàn)下圖所示的時頻同步結(jié)構(gòu)。 接收信號的前端信號與經(jīng)過 時延，與后端信號進 行 時間的相關(guān)運算，可以表示為： 則OFDM符號邊界的估計為： 一旦得到符號同步后，相關(guān)器的輸出也可以用于頻偏 校正。相關(guān)器的輸出相位等于相距時間的數(shù)據(jù)采樣之 間的相位偏移。因此頻率偏移的估計為： FFT T G T * 0 ( )()() G T FFT R ty ty tTd argmax( ) t tR t ( ) 2 FFT R t f T BUPT Informa

29、tion Theory & Technology Education & Research Center 39 基于循環(huán)前綴的同步技術(shù)，其估計精度 與同步時間相互制約。如果要獲得較高 的估計精度，則需要耗費很長的同步時 間。因此在沒有特定訓(xùn)練序列的盲搜索 環(huán)境中或者系統(tǒng)跟蹤條件下比較適用。 而對于分組傳輸，同步精度要求比較高， 同步時間盡可能短。為了完成這種條件 下的同步，一般采用發(fā)送特殊的OFDM 訓(xùn)練序列。此時整個OFDM接收信號都 可以用于同步處理。 BUPT Information Theory & Technology Education & Research Center 40 采

30、用訓(xùn)練序列進行OFDM同步 在匹配濾波器輸出的相關(guān)峰值處，可以同時進 行符號同步和頻偏校正。注意上述的匹配濾波 器操作是在接收信號進行FFT變換之前進行的。 因此這一同步技術(shù)與DS-CDMA接收機中的同 步非常類似。 sample T sample T sample T 求最大值 0 c 1 c 1N c OFDM信號 符號同步 BUPT Information Theory & Technology Education & Research Center 41 10.4 多載波碼分多址技術(shù) 10.4.1 OFDM與CDMA結(jié)合的必要性 CDMA系統(tǒng)是一個干擾(或信噪比)受限系統(tǒng)。其 容量主要

31、受限于移動信道中的主要干擾：多徑 干擾和多址干擾；其速率也受限于多徑干擾產(chǎn) 生的時延功率譜擴展與信息符號碼元之間的比 值，即相對多徑干擾比值。 正交多載波技術(shù)OFDM是克服多徑干擾最有效的 手段，它通過并行傳送降低傳送速率，增大信 息碼元周期，大大削弱了多徑干擾的影響。它 既可增大系統(tǒng)容量又可以提高系統(tǒng)傳送速率， 即可以克服CDMA系統(tǒng)中存在的這兩方面主要缺 點。 BUPT Information Theory & Technology Education & Research Center 42 在移動通信系統(tǒng)中，需要在每個小區(qū)同時支持 多個用戶的通信，而CDMA就是一種較理想的 多用戶的多址通信方式，它利用地址碼來正交 (或準正交)的區(qū)分用戶；另一方面OFDM又可 以在多個載波