第二章数字通信4

保护间隔原理
3. 频谱利用率
OFDM信号由N个信号叠加而成，
sin x
数并且与相邻信号频谱有1/2重叠，如图所示。
x
设信号采样频率为1/T，则每个子载波信号的采样速率
为 1 ， 即载波间距为 1 ，若将信号两侧的旁瓣忽略， 则频
NT
NT
谱宽度为
BOFDM=(N-1)
1 NT
2 NT
N 1 NT
OFDM的符号速率为
OFDM信号接收原理图
由于OFDM采用的基带调制为离散傅立叶反变换，可 以认为数据的编码映射是在频域进行的，经过IFFT变换为 时域信号发送出去。接收端通过FFT恢复出频域信号。
为了使信号在IFFT、FFT前后功率保持不变，DFT和 IDFT应满足以下关系
X (k) 1 N1 x(n) exp( j 2nk),0 k N 1
OFDM信号产生原理图
OFDM信号接收端的原理图如图所示，其处理过程与发 送端相反。接收端输入OFDM信号首先经过下变频变换到基 带，A/D转换、串/并变换后的信号去除循环前缀，再进行 2N点快速离散傅立叶变换(FFT)得到一帧数据。为了对信道 失真进行校正，需要对数据进行单抽头或双抽头时域均衡。 最后经过译码判决和并/串变换，恢复出发送的二进制数据 序列。
OFDM系统的调制与解调
在并行体制中， 正交频分复用(OFDM) 具有较强的抗多 径传播和频率选择性衰落的能力以及较高的频谱利用率，因 此 得 到 了 深 入 的 研 究 。 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)系统已成功地应用于接入网中的高速 数字环路HDSL、非对称数字环路ADSL， 高清晰度电视 HDTV的地面广播系统。在移动通信领域，OFDM是第三代、
数子符号Xk变换成时域中的2N个实数样值xk(k=0, 1, …, 2N-1)，加
上循环前缀xk=x2N+k (k=-1, …, -J)之后，这2N+J个实数样值就构
成了实际的OFDM发送符号。xk经过并/串变换之后，通过时钟
速率为fs=
2N J TS
的D/A转换器和低通滤波器输出基带信号。 最
后经过上变频输出OFDM信号。
据序列先进行串/并变换。根据OFDM符号间隔Ts，将其分成
ct=RbTs个比特一组。这ct个比特被分配到N个子信道上， 经过
编码后映射为N个复数子符号Xk，其中子信道k对应的子符号
Xk代表bk个比特，
N 1
ct bk
K 0
在Hermitian对称条件:
Xk=X*2N-k , 0≤k≤2N-k
的约束下，2N点快速离散傅立叶反变换(IFFT)将频域内的N个复
扩频系统具有以下主要特点：
（1） 抗干扰和抗衰落、 抗阻塞能力强；
（2） 多址通信时频谱利用率高；
（3） 信号的功率谱密度很低， 有利于信号的隐蔽。
扩频通信系统的工作方式有： 直接序列扩频( Direct Sequence Spread Spectrum)、 跳变频率扩频(Frequency Hopping Spread Spectrum) 、 跳 变 时 间 扩 频 (Time HoppingSpread Spectrum) 和混合扩频。
接收技术
但是均有不足 多载波传输技术
多载波传输系统原理图
OFDM信号保持各子载波相互正交 OFDM信号是通过基带处理来实现的，不需要振荡器组， 从 而大大降低了OFDM系统实现的复杂性。
OFDM
OFDM信号调制与解调
OFDM信号的产生是基于快速离散傅立叶变换实现的， 其
产生原理如下图所示。图中，输入信息速率为Rb的二进制数
统的频谱利用率比串行系统提高近一倍。
在一些应用中，需考虑通信系统的多址能力， 抗干扰、 抗阻塞能力以及隐蔽能力等。扩频技术是解决以上问题的有效 措施。扩频系统则是将发送的信息扩展到一个很宽的频带上， 通常要比发送的信息带宽宽很多。在接收端，通过相关检测恢 复出发送的信息。扩频系统对于单个用户来说频谱利用率很低， 但是扩频系统允许很多用户在同一个频带中同时工作，而不会 相互产生明显的干扰。 当采用码分多址(CDMA)技术，实现多 用户工作时，扩频系统的频谱效率就变得较高。
RB
1 NT
N
1 T
OFDM信号频谱结构
比特速率与所采用的调制方式有关， 若信号星座点数为M，
Rb
1 T
log 2
M
因此，OFDM的频谱利用率为
OFDM
Rb BOFDM
N N
1
log
2
M
对于串行系统，当采用MQAM调制方式时，频谱利用率为
MQAM
ห้องสมุดไป่ตู้
Rb BMQAM
1 2
log 2
M
比较以上两式可以看出，当采用MQAM调制方式时，OFDM系
N n0
N
x(n) 1 N1 X (k) exp( j 2k n),0 n N 1
N k0
N
在OFDM系统中，符号周期、载波间距和子载波数应根据 实际应用条件合理选择。符号周期的大小影响载波间距以及编 码调制迟延时间。若信号星座固定，则符号周期越长，抗干扰 能力越强，但是载波数量和FFT的规模也越大。各子载波间距 的大小也受到载波偏移及相位稳定度的影响。一般选定符号周 期时应使信道在一个符号周期内保持稳定。子载波的数量根据 信道带宽、数据速率以及符号周期来确定。OFDM系统采用的 调制方式应根据功率及频谱利用率的要求来选择。常用的调制 方式有QPSK和16QAM方式。另外，不同的子信道还可以采用 不同的调制方式，特性较好的子信道可以采用频谱利用率较高 的调制方式，而衰落较大的子信道应选用功率利用率较高的调 制方式，这是OFDM系统的优点之一。
OFDM
1.
OFDM系统抗脉冲干扰的能力比单载波系统强很多。 这 是因为对OFDM信号的解调是在一个很长的符号周期内积分， 从而使脉冲噪声的影响得以分散。事实上，对脉冲干扰有效 的抑制作用是最初研究多载波系统的动机之一。
2. 抗多径传播与衰落
OFDM系统把信息分散到许多个载波上，大大降低了各 子载波的信号速率，使符号周期比多径迟延长，从而能够减 弱多径传播的影响。若再采用保护间隔和时域均衡等措施 可 以有效降低符号间干扰。保护间隔原理如下图所示。
宽带系统与多载波技术
宽带系统—系统中所传送信号的带宽大 于信道相干带宽的系统 —时域角度：系统中所传送信号 的符号周期小于信道最大多径时延扩展 的系统
存在的问题—频率选择性衰落引起的符 号间干扰问题（ISI）
宽带系统与多载波技术
解决方法—单载波调制加时域均衡 —直接序列扩频码分多址加Rake