正交频分复用(OFDM)多载波调制技术课件

09 七月 2024通通 信信 原原 理理M.P:M.P:Email:Email:oror AddressAddress：Department of Electronics&Information Science,School of Information Science&Engineering,Lanzhou University,Tianshui Southern Road 222#，Gansu Province，P.R.ChinaPrinciples of Communications通通 信信 原原 理理Principles of Communic 第十五章第十五章 正交正交频分复用多分复用多载波波调制技制技术主要内容提要：主要内容提要：OFDM正交正交频分复用技分复用技术的的发展展 OFDM多多载波波调制技制技术基本原理基本原理 OFDM调制的数字制的数字实现 循循环前前缀 OFDM系系统的收的收发信机信机 OFDM系系统的峰均比的峰均比 载波波频率偏移率偏移对子子载波波间干干扰的影响的影响 OFDM系系统的的应用用2024/7/92兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系 第十五章第十五章 正交正交频频分复用多分复用多载载波波调调制技制技术术主要内容提要：主要内容提要：2本章的教学基本要求本章的教学基本要求 本章要求基本理解本章要求基本理解OFDM正交正交频分复用分复用技技术及多及多载波波调制技制技术的工作原理、的工作原理、OFDM多多载波波调制技制技术基本原理、基本原理、OFDM调制的数制的数字字实现、循、循环前前缀、OFDM系系统的收的收发信信机、机、OFDM系系统的峰均比、的峰均比、载波波频率偏移率偏移对子子载波波间干干扰的影响、的影响、OFDM系系统的的应用。用。2024/7/93兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系本章的教学基本要求本章的教学基本要求 本章要求基本理解本章要求基本理解OFD1.1.OFDM正交正交频分复用技分复用技术的的发展展 基于正交基于正交频分复用（分复用（OFDM）方式的多）方式的多载波波调制制技技术是一种能是一种能够提供更高比特速率、抗提供更高比特速率、抗频率率选择性衰落的性衰落的现代通信技代通信技术。对无无线移移动通信系通信系统性能指性能指标（有效性和可靠性）（有效性和可靠性）的主要影响因素的主要影响因素1、有限、有限带宽期望期望获得更高信息速率得更高信息速率EXP:无无线区域网中，分配区域网中，分配带宽20MHz，传输速率速率高达高达54Mbit/s;G4移移动通信系通信系统为了支持流了支持流畅的多媒体服的多媒体服务，需要高达需要高达100Mbit/s的信息速率。的信息速率。2、信道中除加性噪声（、信道中除加性噪声（AWGN）外衰落及）外衰落及码间干干扰的影响的影响严重重2024/7/94兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系1.OFDM正交正交频频分复用技分复用技术术的的发发展展 基于正交基于正交频频分复用（分复用（OOFDM正交正交频分复用技分复用技术的的发展展移移动无无线信道的特征：信道的特征：1）存在多径）存在多径传输，导致接收端接收信号的致接收端接收信号的衰落起伏（瑞利分布、莱斯分布）；衰落起伏（瑞利分布、莱斯分布）；衰落分衰落分为平坦衰落（窄平坦衰落（窄带时）以及）以及频率率选择性衰落（性衰落（宽带时）。）。2）信道存在）信道存在时变性，不是恒参信道；性，不是恒参信道；以上以上这些都增加了信道接收端接收信号些都增加了信道接收端接收信号的随机特性，的随机特性，对正确接收正确接收发送端的信息造成送端的信息造成很大的困很大的困难。2024/7/95兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系OFDM正交正交频频分复用技分复用技术术的的发发展移展移动动无无线线信道的特征：信道的特征：2023/OFDM正交正交频分复用技分复用技术的的发展展关于利用信道关于利用信道均方根均方根时延延扩展展参数参数对移移动信道在一定信道信道在一定信道带宽时呈呈现平衰落平衰落还是是频率率选择性衰落的判定准性衰落的判定准则：在在时变多径衰落信道中多径衰落信道中发送一送一对正弦波正弦波的的频差差为f f,由于接收端的两个接收信号包由于接收端的两个接收信号包络为随机随机变量，其相关系数量，其相关系数将与将与频差差f f有关。据有关。据JakeJake关系可知关系可知2024/7/96兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系OFDM正交正交频频分复用技分复用技术术的的发发展关于利用信道均方根展关于利用信道均方根时时延延扩扩展展OFDM正交正交频分复用技分复用技术的的发展展信道相关信道相关带宽Bc：由由Jake关系，当相关系数取关系，当相关系数取值为0.5时对应的的频差差值f f定定义为信道的相关信道的相关带宽，即即其含其含义是：是：当当f f1-1,说明两接收信号的幅说明两接收信号的幅值高度相关，经历近似相等的衰落；值高度相关，经历近似相等的衰落；当当ffBc时，-0-0,说明两接收信号的幅说明两接收信号的幅值不相关，经历接近完全独立的衰落过程。值不相关，经历接近完全独立的衰落过程。2024/7/97兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系OFDM正交正交频频分复用技分复用技术术的的发发展信道相关展信道相关带宽带宽Bc：2023/8OFDM正交正交频分复用技分复用技术的的发展展由此易知：由此易知：当数字当数字调制信号的制信号的带宽B越小于信道相关越小于信道相关带宽Bc，则经时变多径信道多径信道传输后，在信号后，在信号带宽范范围内的不同内的不同频率分量的率分量的幅度相关性越大，因此不同幅度相关性越大，因此不同频率分量近似率分量近似经历相同的衰落，相同的衰落，故称故称为平衰落平衰落。此。此时，由于平衰落，由于平衰落对接收信号的波形无明接收信号的波形无明显的影响，故的影响，故码间干干扰可以忽略，可以忽略，该通信系通信系统可可视为窄窄带系系统。反之，当数字反之，当数字调制信号的制信号的带宽B越大于信道相关越大于信道相关带宽Bc，则经时变多径信道多径信道传输后，在信号后，在信号带宽范范围内的不同内的不同频率率分量的幅度相关性越小，因此不同分量的幅度相关性越小，因此不同频率分量通率分量通过信道信道传输时会受到不相同的衰落，故称会受到不相同的衰落，故称为频率率选择性衰落性衰落。显然，然，频率率选择性衰落将使信号中的不同性衰落将使信号中的不同频率分量率分量产生不相同的生不相同的幅度幅度变化，造成接收信号的波形化，造成接收信号的波形严重失真，重失真，导致致码间干干扰，进而而产生生误码，此，此时的通信系的通信系统可可视为宽带系系统。2024/7/98兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系OFDM正交正交频频分复用技分复用技术术的的发发展由此易知：展由此易知：2023/8/138OFDM正交正交频分复用技分复用技术的的发展展故此，在故此，在实际工程工程应用中，若由无用中，若由无线通信通信环境得到信道的境得到信道的统计参量参量均方根均方根时延延扩展展后，后，应根据具体通信根据具体通信质量的要求，量的要求，选取合适取合适的数字的数字调制信号的符号制信号的符号间隔隔Ts，以确保在数，以确保在数字字调制信号制信号带宽范范围内内近似近似为平衰落平衰落，以保，以保证产生生较小的小的码间干干扰。否。否则还需采用需采用信号信号均衡均衡的措施来的措施来进一步减少一步减少码间干干扰。2024/7/99兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系OFDM正交正交频频分复用技分复用技术术的的发发展故此，在展故此，在实际实际工程工程应应用中，若由无用中，若由无例例题分析分析Exp：已知，室内信道的均方根：已知，室内信道的均方根时延延扩展展50ns50ns，室外微小区的，室外微小区的3030s s。试问，若采用数字，若采用数字调制方式，能使制方式，能使码间干干扰忽忽略的最大符号速率略的最大符号速率R Rs s约为多少？多少？（提示：若要（提示：若要满足平衰落条件，那么信号足平衰落条件，那么信号码元周期元周期T Ts s与与均方根均方根时延延扩展展 应满足下足下式：式：T Ts s 15）2024/7/910兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系例例题题分析分析Exp：已知，室内信道的均方根：已知，室内信道的均方根时时延延扩扩展展50ns例例题分析分析解解:（1）在室内情形在室内情形（2）在室外情形）在室外情形可可见，多径的无，多径的无线通信通信环境境对于通信于通信质量的量的影响非常影响非常严重。重。为了避免了避免码间干干扰，数字，数字调制信号的最大符号速率将受到很大限制。制信号的最大符号速率将受到很大限制。2024/7/911兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系例例题题分析解分析解:（1）在室内情形）在室内情形2023/8/1311兰兰州大学州大学正交正交频分复用分复用OFDM多多载波波调制制用正交用正交频分复用（分复用（OFDM）方式）方式实现多多载波波调制制的基本思路和的基本思路和实现方案：方案：基本思路：将基本思路：将宽带信道信道分解分解为许多平行的多平行的窄子信窄子信道道，使每个信道的，使每个信道的带宽B小于信道的相关小于信道的相关带宽Bc，从而每个子信道所，从而每个子信道所经历的衰落可以近似的衰落可以近似为平衰平衰落落。具体具体实现方案：将方案：将输入的高速数据入的高速数据码流通流通过串并串并变换成成N路的并行的子数据路的并行的子数据码流，每个子数据流，每个子数据码流流的数据速率是的数据速率是输入数据速率的入数据速率的1/N。这N个平行数个平行数据据码流各自流各自调制不同中心制不同中心频率的子率的子载波，在各自波，在各自的子信道上并行的子信道上并行传输。由于各子。由于各子载波上的信号互波上的信号互相正交，故此其相正交，故此其带宽足足够小，使得每个子小，使得每个子载波信波信号近似号近似经历平衰落平衰落。以达到高速可靠地。以达到高速可靠地传输数字数字信号的目的。信号的目的。2024/7/912兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系正交正交频频分复用分复用OFDM多多载载波波调调制用正交制用正交频频分复用（分复用（OFDM）方式）方式OFDM及多及多载波波调制技制技术发展展简史史1、多、多载波波调制技制技术于于20世世纪50到到60年代已年代已应用于用于军事高事高频无无线通信，但通信，但实现复复杂，没有民用化。，没有民用化。早期的多早期的多载波波调制采用制采用频谱上互相不重叠的子上互相不重叠的子载波信号。波信号。正交信号：正交信号：频谱可以不重叠，也可以重叠，但其子可以不重叠，也可以重叠，但其子载波波间隔是子隔是子载波上符号波上符号间隔的倒数。隔的倒数。2、20世世纪70年代，年代，Weinstein和和Ebert提出用离散傅里提出用离散傅里叶叶变换（DFT）及其逆）及其逆变换（IDFT）进行行OFDM多多载波波调制方式的运算。其中制方式的运算。其中FFT与与IFFT快速算法起了很大效用。快速算法起了很大效用。3、20世世纪80年代，年代，OFDM技技术开始开始实用化。用化。4、20世世纪90年代，年代，OFDM技技术应用于有用于有线与无与无线通信中：通信中：数字用数字用户环路（路（DSL），数字音），数字音频广播（广播（DAB），数字），数字视频广播（广播（DVB），新一代无），新一代无线区域网（区域网（WLAN）。）。5、OFDM成成为NGN蜂蜂窝移移动通信空中接口技通信空中接口技术，性能甚，性能甚至至优于于时域均衡域均衡技技术。2024/7/913兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系OFDM及多及多载载波波调调制技制技术发术发展展简简史史1、多、多载载波波调调制技制技术术于于20世世纪纪2.2.OFDM多多载波波调制技制技术的基本原理的基本原理1、BPSK-OFDM方案方案发送送处理理过程：程：（1）将）将输入的数据入的数据码流串并流串并转换为N个并个并行的子数据行的子数据码流；流；（2）将每个子数据）将每个子数据码流分流分别对各自的子各自的子载波波进行行BPSK调制；制；（3）将）将N个个BPSK调制信号同制信号同时进行行传送送处理，形成理，形成BPSK-OFDM多多载波波调制信号。制信号。2024/7/914兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系2.OFDM多多载载波波调调制技制技术术的基本原理的基本原理1、BPSK-OFDBPSK-OFDM几个主要参数几个主要参数输入数据流速率：入数据流速率：Rb 发送符号周期：送符号周期：Tb=1/Rb子数据流速率：子数据流速率：Rb/N子数据流符号子数据流符号间隔：隔：Ts=NTb子子载波波频率：率：显然，当然，当N足足够大大时，各子，各子载波已波已调信号就信号就可以近似可以近似认为经历平衰落平衰落。2024/7/915兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系BPSK-OFDM几个主要参数几个主要参数输输入数据流速率：入数据流速率：Rb 202BPSK-OFDM多多载波波调制方案制方案Fig.1 BPSK-OFDM信号的信号的产生以及生以及频谱分布分布2024/7/916兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系BPSK-OFDM多多载载波波调调制方案制方案Fig.1 BPSK-OFDBPSK-OFDM子子载波波频谱分布分布2024/7/917兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系BPSK-OFDM子子载载波波频谱频谱分布分布2023/8/1317兰兰州州BPSK-OFDM信号功率信号功率谱密度密度2024/7/918兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系BPSK-OFDM信号功率信号功率谱谱密度密度2023/8/1318兰兰州州BPSK-OFDM的接收方案的接收方案总体而言，接收端相当于体而言，接收端相当于N个独立的个独立的BPSK解解调器器进行解行解调。各个子各个子BPSK信号的信号的载波波选择应保保证它它们之之间的正交性得到的正交性得到满足足OFDM系系统多用多用矩形脉冲矩形脉冲成形，可以保成形，可以保证子子载波信号的波信号的正交性正交性，无子，无子载波波间干干扰。2024/7/919兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系BPSK-OFDM的接收方案的接收方案总总体而言，接收端相当于体而言，接收端相当于N个独立的个独立的BPSK-OFDM的接收方案的接收方案Fig.2 BPSK-OFDM信号的接收原理信号的接收原理图2024/7/920兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系BPSK-OFDM的接收方案的接收方案Fig.2 BPSK-OFDM信信例例题分析分析Exp：考：考虑一个一个总信道信道带宽为1MHz的的OFDM多多载波波调制系制系统。设系系统在一个信道在一个信道均方根均方根时延延扩展展为2020s s的城市中使的城市中使用，用，为使每个子信道近似使每个子信道近似为平衰落信道，需平衰落信道，需要多少个子信道？要多少个子信道？2024/7/921兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系例例题题分析分析Exp：考：考虑虑一个一个总总信道信道带宽为带宽为1MHz的的OFDM多多载载波波例例题分析分析解解:求得求得该信道的相干信道的相干带宽为设子信道数目子信道数目为N，为使每个子信道近似使每个子信道近似为平衰落，平衰落，要求要求为了方便数字了方便数字实现起起见，N一般取一般取为2的整数次的整数次幂，这里不妨取里不妨取为 N=512。于是，子。于是，子载波的波的频谱间隔隔为f=f=1.953kHz,而而OFDM的符号的符号间隔隔则为Ts=512s。2024/7/922兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系例例题题分析解分析解:求得求得该该信道的相干信道的相干带宽为带宽为2023/8/1322兰兰2.2.OFDM多多载波波调制技制技术的基本原理的基本原理2、MQAM-OFDM方案方案发送送处理理过程：程：（1）将）将输入的数据入的数据码流串并流串并转换为N个并个并行的子数据行的子数据码流；流；（2）将每个子数据）将每个子数据码流分流分别对各自的子各自的子载波波进行行MQAM调制；制；（3）将）将N个个MQAM调制信号同制信号同时进行行传送送处理，从而形成理，从而形成MQAM-OFDM多多载波波调制制信号。信号。2024/7/923兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系2.OFDM多多载载波波调调制技制技术术的基本原理的基本原理2、MQAM-OFDMQAM-OFDM多多载波波调制方案制方案2024/7/924兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系MQAM-OFDM多多载载波波调调制方案制方案2023/8/1324兰兰州州MQAM-OFDM多多载波波调制方案制方案基本参数基本参数可可见，系，系统整体等价于整体等价于N个独立的个独立的MQAM系系统，每个子系，每个子系统分担了分担了1/N的信源数据。的信源数据。2024/7/925兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系MQAM-OFDM多多载载波波调调制方案基本参数制方案基本参数2023/8/132MQAM信号的分析信号的分析每个子每个子载波上的波上的QAM信号可表信号可表为2024/7/926兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系MQAM信号的分析每个子信号的分析每个子载载波上的波上的QAM信号可表信号可表为为2023/8MQAM信号的分析信号的分析于是于是总的的OFDM信号可以表示信号可以表示为2024/7/927兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系MQAM信号的分析于是信号的分析于是总总的的OFDM信号可以表示信号可以表示为为2023/8MQAM-OFDM多多载波波调制解制解调方案方案2024/7/928兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系MQAM-OFDM多多载载波波调调制解制解调调方案方案2023/8/1328关于关于载波波间隔的确定隔的确定一一维情形下，情形下，载波正交的最小波正交的最小间隔隔为1/2Ts,但在二但在二维情形下，由于要情形下，由于要满足足同相同相载波波和和正交正交载波波的同的同时正交，正交，则载波的波的间隔只能隔只能为1/Ts.证明如下：明如下：2024/7/929兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系关于关于载载波波间间隔的确定一隔的确定一维维情形下，情形下，载载波正交的最小波正交的最小间间隔隔为为1/2Ts3.3.OFDM调制的数字制的数字实现在在OFDM调制的基制的基带信号信号处理理过程中，在程中，在发端要端要对OFDM的复包的复包络信号信号进行行时域抽域抽样，得到相，得到相应的离散的离散时间信号。复包信号。复包络的采的采样序列序列为2024/7/930兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系3.OFDM调调制的数字制的数字实现实现在在OFDM调调制的基制的基带带信号信号处处理理过过OFDM调制的数字制的数字实现从前面的分析关系可从前面的分析关系可见，am是是Ai进行离行离散傅里叶反散傅里叶反变换（IDFT）的的结果。而在接果。而在接收端，通收端，通过I/Q正交解正交解调则可以恢复可以恢复OFDM信号的复包信号的复包络a(t),对其采其采样则可得到可得到时间序列序列am.同同样通通过离散傅里叶离散傅里叶变换（DFT）则可将可将am变换为发送送频域序列域序列Ai。一般地，当一般地，当N是是2的整数次的整数次幂时，以上，以上DFT以及以及IDFT将存在快速算法，即将存在快速算法，即FFT和和IFFT，由此可以得到基于，由此可以得到基于FFT/IFFT实现OFDM信号的信号的调制和解制和解调方案。方案。2024/7/931兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系OFDM调调制的数字制的数字实现实现从前面的分析关系可从前面的分析关系可见见，am是是Ai进进OFDM调制器解制器解调器的基器的基带数字数字处理理2024/7/932兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系OFDM调调制器解制器解调调器的基器的基带带数字数字处处理理2023/8/1332兰兰4.4.OFDM调制的循制的循环前前缀1、保、保护间隔隔Tg：在正常情况下，在正常情况下，OFDM信号由信号由频率率间隔隔为f f的的N N个子个子载波构成，所有子波构成，所有子载波在符号波在符号间隔隔T Ts s内相内相互正交。再互正交。再给定的系定的系统带宽下，子下，子载波数的波数的选取取要要满足符号持足符号持续时间Ts远大于信道的均方根大于信道的均方根时延延扩展展。为了消除前后两个了消除前后两个OFDM符号之符号之间的的码间干干扰。可以在每个。可以在每个OFDM符号之符号之间插入插入保保护间隔隔。保保护间隔隔长度度Tg比信道的最大多径比信道的最大多径时延更大，从延更大，从而保而保证前一个前一个OFDM符号的拖尾不会干符号的拖尾不会干扰到下一到下一个符号。个符号。考考虑到保到保护间隔后，隔后，OFDM符号的符号的总周期周期为2024/7/933兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系4.OFDM调调制的循制的循环环前前缀缀1、保、保护间护间隔隔Tg：2023/8子子载波波间干干扰的的产生生 在正常情况下，在正常情况下，OFDM信号中两个子信号中两个子载波是正交的，即它波是正交的，即它们的乘的乘积在在0,Ts内的内的积分分为0，即内，即内积应该为0。但由于多径。但由于多径时延延的存在，由于两个子的存在，由于两个子载波信号的波信号的时延不同，延不同，这样一来，在接收端两个子一来，在接收端两个子载波的信号内波的信号内积将不将不为0，也就是它，也就是它们不正交。不正交。显然，然，这种种不正交将表不正交将表现为相互的干相互的干扰，一般称之，一般称之为子子载波波间干干扰（ICI-Inter-Carrier Interference）。）。2024/7/934兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系子子载载波波间间干干扰扰的的产产生生 在正常情况下，在正常情况下，OFDM信号中信号中保保护间隔、子隔、子载波干波干扰2024/7/935兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系保保护间护间隔、子隔、子载载波干波干扰扰2023/8/1335兰兰州大学信息科学州大学信息科学循循环前前缀2、循、循环前前缀：循循环前前缀就是将每个就是将每个OFDM符号的信号符号的信号波形的最后波形的最后Tg时间内的波形复制到原本是内的波形复制到原本是空空闲保保护间隔的位置上。隔的位置上。从数学上来看，从数学上来看，对于于IFFT就是将最后的就是将最后的若干个若干个样值复制到前面，形成前复制到前面，形成前缀。2024/7/936兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系循循环环前前缀缀2、循、循环环前前缀缀：2023/8/1336兰兰州大学信息科州大学信息科循循环前前缀循循环前前缀基本构成：基本构成：该图中，中，N值代表代表OFDM复包复包络a(t)在在Ts时间内的内的样值个数，个数，是循是循环前前缀内的内的样值个数，此个数，此值要大于多径信道的等效基要大于多径信道的等效基带冲冲击响响应按离散按离散时间表示的表示的样值个数。用循个数。用循环前前缀替代空替代空闲保保护间隔后，隔后，OFDM的符号的符号周期仍然是周期仍然是T=Ts+Tg。因此，每个符号周。因此，每个符号周期内有期内有+N个个样值，取其，取其编号号为-到到N-1。循循环前前缀满足下列循足下列循环关系：关系：a(-k)=a(N-k),k=1,2,3,2024/7/937兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系循循环环前前缀缀循循环环前前缀缀基本构成：基本构成：2023/8/1337兰兰州大学信州大学信循循环前前缀显然，在接收端采然，在接收端采样后，每个后，每个OFDM符号周期内符号周期内有有+N个个样值，其中前，其中前个个对应循循环前前缀位置的位置的样值包含前一个包含前一个OFDM符号的拖尾所符号的拖尾所产生的干生的干扰，因此接收端要去除循因此接收端要去除循环前前缀，用其余不受，用其余不受码间干干扰影响的影响的N个个样值进行行FFT来恢复来恢复发送序列。送序列。从离散从离散时间的角度来看，多径信道可以表示的角度来看，多径信道可以表示为一一个有限冲个有限冲击响响应（FIR）线性系性系统，信道，信道输出是出是发送序列和信道冲送序列和信道冲击响响应的的线性卷性卷积。采用循。采用循环前前缀后，信道后，信道输出的后出的后N个个样值是是发送序列和信道冲送序列和信道冲击响响应的循的循环卷卷积。循。循环卷卷积可以保可以保证各子各子载波波上上发送的送的时间序列序列经过多径信道多径信道传输，在去除前，在去除前缀后，仍能保持后，仍能保持正交正交特性。特性。2024/7/938兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系循循环环前前缀显缀显然，在接收端采然，在接收端采样样后，每个后，每个OFDM符号周期内有符号周期内有+N循循环前前缀2024/7/939兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系循循环环前前缀缀2023/8/1339兰兰州大学信息科学与工程学院州大学信息科学与工程学院电电循循环前前缀由由图示可示可见，在原来保，在原来保护间隔段隔段Tg内的波内的波形是将形是将Ts时间内的最后一部分内的最后一部分补到前面所到前面所成。成。经过多径信道多径信道传输后，由于后，由于Ts对这两两个子个子载波而言，都是其周期的整倍数，波而言，都是其周期的整倍数，虽然然多径多径传输后的第二径信号有了延后的第二径信号有了延迟，但在一，但在一个个Ts时间内相乘内相乘积分的分的结果仍然是果仍然是0，也即，也即它它们还是保持是保持正交正交的。的。2024/7/940兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系循循环环前前缀缀由由图图示可示可见见，在原来保，在原来保护间护间隔段隔段Tg内的波形是将内的波形是将Ts时间时间5.5.OFDM系系统的收的收发信机信机1、纠错编码与交与交织：在多在多载波波调制技制技术中，中，虽然子信道的然子信道的带宽足足够窄，可以抑制多径信道的窄，可以抑制多径信道的时延延扩展的影响。但子展的影响。但子信道中存在的平衰落因素仍然会使某些子信道信道中存在的平衰落因素仍然会使某些子信道产生生较大的大的误码率，率，对付付这种干种干扰的措施就是采用的措施就是采用交交织编码。具体操作具体操作为，首先将数据，首先将数据进行行纠错编码、交、交织，而后通而后通过各子信道各子信道传输。若在衰落信道。若在衰落信道传输中受中受到深衰落，接收端解到深衰落，接收端解调输出将会出出将会出现突突发差差错，如果交如果交织器的器的长度足度足够长，解交，解交织后可将突后可将突发差差错改造改造为独立差独立差错，再通，再通过纠错译码来来纠正。正。2024/7/941兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系5.OFDM系系统统的收的收发发信机信机1、纠错编码纠错编码与交与交织织：2023/OFDM系系统的收的收发信机信机2、OFDM调制系制系统的的发信机信机3、OFDM调制系制系统的收信机的收信机2024/7/942兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系OFDM系系统统的收的收发发信机信机2、OFDM调调制系制系统统的的发发信机信机2023/6.6.OFDM系系统的峰均比的峰均比采用多采用多载波波调制系制系统的不利之的不利之处，其峰均比，其峰均比远大于大于单载波波系系统，不利于在，不利于在发端使用非端使用非线性功率放大器；多性功率放大器；多载波系波系统的的频率偏移会降低子率偏移会降低子载波波见的正交性，影响系的正交性，影响系统整体性能。整体性能。这是由于多是由于多载波波调制系制系统的的输出是多个子出是多个子载波信号的叠加，波信号的叠加，当多个信号的相位一致当多个信号的相位一致时，叠加信号的瞬，叠加信号的瞬时功率（峰功率（峰值功功率）会率）会远大于信号的平均功率，从而出大于信号的平均功率，从而出现较大的峰大的峰值功率功率与平均功率的比与平均功率的比值（称之（称之为峰均比峰均比），由此），由此导致致OFDM系系统对发射机功率放大器的射机功率放大器的线性性动态范范围要求很高。并由此要求很高。并由此导致信号的非致信号的非线性畸性畸变，严重重时将将导致大的致大的带外外辐射，破射，破坏各子坏各子载波的正交性，造成子波的正交性，造成子载波波间的相互干的相互干扰。此外，高峰均比的此外，高峰均比的OFDM信号也要求接收机具有高分辨率信号也要求接收机具有高分辨率的的A/D变换器，从而增加了接收机前端器，从而增加了接收机前端电路的路的实现复复杂度度与功耗。与功耗。2024/7/943兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系6.OFDM系系统统的峰均比采用多的峰均比采用多载载波波调调制系制系统统的不利之的不利之处处，其，其7.7.载波波频率偏移率偏移对子子载波波间干干扰的影响的影响一般情形下，一般情形下，OFDM调制通制通过正交的子正交的子载波波传输数据，其正交性是靠相数据，其正交性是靠相邻子子载波波频率率间隔隔f=1/Tsf=1/Ts来保来保证的。的。但在但在实际情形下，若接收机的情形下，若接收机的载频同步有同步有误差，即：接收机本地差，即：接收机本地载波与接收到的波与接收到的载频具具有有频率偏移，率偏移，则在解在解调时，在，在Ts间隔内解隔内解调器的任意某个子器的任意某个子载波将与波将与发来的其他子来的其他子载波的内波的内积不不为0，会，会产生子生子载波波间的干的干扰。详细分析分析结果如下。果如下。2024/7/944兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系7.载载波波频频率偏移率偏移对对子子载载波波间间干干扰扰的影响一般情形下，的影响一般情形下，OFDM子子载波波间干干扰不考不考虑噪声噪声时，对于矩形脉冲成形的接收信于矩形脉冲成形的接收信号复包号复包络可写可写为 设接收端本地接收端本地载波波频率的偏移率的偏移为foff，它，它与与f f的相的相对值是是=foff/f f。在等效基。在等效基带中，第中，第i个子个子载波的波的发送送载频是是 fi=i=if=f=i/Tsi/Ts。由于接收端存在。由于接收端存在频偏，使得用于解偏，使得用于解调第第i个子个子载波的本地波的本地载波成波成为2024/7/945兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系子子载载波波间间干干扰扰不考不考虑虑噪声噪声时时，对对于矩形脉冲成形的接收信号复包于矩形脉冲成形的接收信号复包络络可可子子载波波间干干扰分析分析于是第于是第i个子信道上的解个子信道上的解调结果是果是ci(t)与与a(t)的内的内积。2024/7/946兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系子子载载波波间间干干扰扰分析于是第分析于是第i个子信道上的解个子信道上的解调结调结果是果是ci(t)与与a子子载波波间干干扰分析分析该式就代表第式就代表第i个子信道受到的来自其他子个子信道受到的来自其他子信道的干信道的干扰。显然，当然，当=0=0时，I Ii i=0=0，无子，无子载波信道波信道间干干扰（ICIICI）；当）；当00时，其他，其他各子各子载波波对第第i i个子个子载波的干波的干扰总功率功率为2024/7/947兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系子子载载波波间间干干扰扰分析分析该该式就代表第式就代表第i个子信道受到的来自其他子信道的个子信道受到的来自其他子信道的子子载波波间干干扰分析分析由此可由此可见,给定信道定信道带宽B和和载波数波数N(从而从而Ts给定）定）时，ICI（ICI-Inter-Carrier Interference）将随相将随相对频偏偏的平方增大。的平方增大。给定定B和和绝对频偏偏foff时，ICI随随载波数波数N的的4次方增大。因此，次方增大。因此，OFDM系系统的的载波数越多，波数越多，载频同歩也就必同歩也就必须要要越精确。可越精确。可见OFDM对载频同步的要求同步的要求远比比单载波系波系统（即（即N=1时)要要严格的多。格的多。2024/7/948兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系子子载载波波间间干干扰扰分析由此可分析由此可见见,给给定信道定信道带宽带宽B和和载载波数波数N(从而从而Ts8.8.OFDMOFDM系统的应用系统的应用 多多载波波调制技制技术在高速无在高速无线逋信中已得逋信中已得到极到极为广泛的广泛的应用：用：数字用数字用户环路路(DSL);数字音数字音频广播广播(DAB);数字数字视频广播广播(DVB);无无线局域网局域网(WLAN);无无线城域网城域网(WMAN).它也是第四代蜂它也是第四代蜂窝移移动通信系通信系统空中接口的空中接口的候候选方案之一。方案之一。2024/7/949兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系8.OFDM系系统统的的应应用用 多多载载波波调调制技制技术术在高速在高速OFDM系系统的的应用用OFDM技技术在数字音在数字音频广播（广播（DAB）中的）中的应用。用。音音频广播系广播系统中，数字系中，数字系统将逐步取代将逐步取代现有的有的模模拟系系统。许多国家都多国家都 为数字音数字音频广播建立了广播建立了标准。欧洲于准。欧洲于1995年通年通过了第一版本：了第一版本：ETS300401 DAB标准，又于准，又于 1997年通年通过了第了第二版本。我国也采用欧洲二版本。我国也采用欧洲标准。准。欧洲欧洲DAB标准包含准包含4种种传输模式，其中每个模式，其中每个模式都有特定的模式都有特定的频带和相和相应的的应用用领域。所有模域。所有模式都采用式都采用OFDM多多载波波调制方式，每个子制方式，每个子载波上波上的的调制方式均制方式均为/4-DQPSK/4-DQPSK。2024/7/950兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系OFDM系系统统的的应应用用OFDM技技术术在数字音在数字音频频广播（广播（DAB）中的）中的应应OFDM系系统的的应用用欧洲欧洲标准的准的4个模式的个模式的OFDM参数取参数取值：2024/7/951兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系OFDM系系统统的的应应用欧洲用欧洲标标准的准的4个模式的个模式的OFDM参数取参数取值值：20OFDM系系统的的应用用模式模式1：用于地面广播，采用用于地面广播，采用VHF频道，子道，子载波数波数为1536，子，子载波波间隔隔为f f=1kHz，对应 的符号周期是的符号周期是Ts=1ms，循，循环前前缀的持的持续时间是是246s，计入循入循环前前缀后后OFDM符号的符号的时间长度是度是T=Tg+Ts=1.246 ms。模式模式3:应用于用于卫星星传输。载频可达到可达到3GHz，具有，具有192个个子子载波波,子子载波波间隔隔f f=8kHz，Ts=125 s，循，循环前前缀持持续时间是是Tg=30.8 s，包含循，包含循环前前缀在在内的内的OFDM符号的符号的时间长度度为125+30.8=155.8 s。2024/7/952兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系OFDM系系统统的的应应用模式用模式1：2023/8/1352兰兰州大学信州大学信OFDM系系统的的应用用DAB发射机框射机框图如下所示。如下所示。2024/7/953兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系OFDM系系统统的的应应用用DAB发发射机框射机框图图如下所示。如下所示。2023/8/1OFDM系系统的的应用用DAB超外差接收机框超外差接收机框图如下所示。如下所示。SAWSAW是声表面波中频滤被器是声表面波中频滤被器2024/7/954兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系OFDM系系统统的的应应用用DAB超外差接收机框超外差接收机框图图如下所示。如下所示。SAW是声是声课后作后作业课后后习题：P.459 11.1,11.22024/7/955兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系课课后作后作业课业课后后习题习题：2023/8/1355兰兰州大学信息科学与州大学信息科学与结束束语通信原理通信原理OFDM技技术部分到此部分到此结束束谢 谢！2024/7/956兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系结结束束语语2023/8/1356兰兰州大学信息科学与工程学院州大学信息科学与工程学院电电子子