第十一章 OFDM多载波调制技术

0 100 200 300 400 500 600 7000 100 200 300 400 500 600 700
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分析
OFDM 信号等效于在带宽 B 的频带内传输了 N 个正交子载波
子载波的相位、幅度由待传信号决定 子载波的频率共有 N 个，分别为：
f 0 0 ,f 1 f ,f 2 2 f, . . . ,f N 1 ( N 1 ) f
第11章 OFDM多载波调制技术
杨鸿文 yanghong@bupt.edu.cn
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1
多径传播与频率选择性
信号从发送端到接收端的传播方式：多径 多径信道的参数
• 时延扩展、相干带宽 发送信号的参数
• 符号间隔、信号带宽 信道分为两种：平衰落或频率选择性衰落
• 满足以下条件是平衰落 信道的时延扩展远小于发送信号的符号间隔 发送信号的带宽远小于信道的相干带宽
多载波通信（11章）
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3
单载波通信系统的基带模型
二进制 调制 信源 (如QAM)
二进制 解调 数据 (如QAM)
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低 通 滤 波 器
信道
低 通 滤 波 器
4
单载波系统的时域均衡 frequency
带宽为 B
符号持续时间 T = 1/B
B = 1MHz
当max «T不满足
产生符号间干扰 (ISI)
g(t,k)0, otherwise.
基函数满足正交条件
0Tg(t,k)g*(t,p)dt0, kp, 0Tg(t,k)g*(t,p)dt0Tg(t,k)2dtT, kp.
--Biblioteka Baidu
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OFDM 信号：以调制 BPSK 信号1，1，-1 ，-1，1为例
数据
实部: cos(2πfkt)
虚部: sin(2πfkt)
功率谱密度
假设数据是独立等概的二进制序列， 则BPSK-OFDM的功率谱密度是各个 子载波上BPSK的功率谱密度之和：
脉冲成形，BPSK主瓣带宽2MHz 符号间隔1ms，符号间干扰严重 分成1000路
每路的符号间隔是1ms，主瓣带宽是2kHz 每个子BPSK经历的信道近似是平衰落 1000路总的带宽是2MHz，总数据速率是1Mb/s
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7
OFDM 系统 ( N 个子载波)
将可用带宽分为 N 个子带宽
frequency
每个符号占用很窄 的带宽，但是持续
B f 1KHz
时间变长
time
每个子载波的带宽
T (1ms)
f = B / N
符号持续时间
T=N/B
T = 1 / f
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8
OFDM 通信系统的基带模型
二进制 调制 信源 (如QAM)
对于均匀子载波间隔
fk k f, k 0 ,1 ,L,N 1
二进制 解调 数据 (如QAM)
time
均衡用于消除 ISI
时域均衡阶数n=B* max
B增大，n增大，
amplitude
T 1/ B (1μs)
时域均衡复杂度大幅增大
新的思路：多载波传输！
time
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max (5μs, 20μs,
)
5
多载波并行传输
数据速率越高，则符号间隔越小，信号带 宽越大，信道的频率选择性也越强
sitAigtcos2πfit
Aicos2πfit 0tTs
N 1
N 1
st sit A ic o s2 π fit 0 t T s
i 0
i 0
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13
单个OFDM符号的频谱表达式
设一个OFDM符号间隔[0,Ts]内各子载波发送的数 据是A0,A1,…,AN1，均取之于±1
g t T ss in c fT se jπ fT s
S f T s e 2 j π f T sN i 0 1 A i s i n c f fiT s s i n c f fiT s
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14
A 0A 1LA N 1 1
1
0.8
f
0.6
0.4
0.2
0
-0.2
-0.4 8
10
12
f0 10
f
--
14
16
f
f
N=8
18
20
15
每个子载波占有带宽Δf ，持续时间为 1/Δf
OFDM 信号为调制了信息的 N 个子载波的叠 加，利用正交性原理可以在接收端解调出信号
OFDM 的时域信号波形不规则——PAPR
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12
发送信号时域表达式
设一个OFDM符号期间[0,Ts]内各子载波发送的数 据是A0,A1,…,AN1，均取值于±1
2
2
1
1
1
0
0
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1
1
1
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0
-1
-1
0 100 200 300 400 500 600 7000 100 200 300 400 500 600 700
1
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-1
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0
-1
-1
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1
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0
-1
-1
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1
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-1
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5
5
OFDM 0
0
信号
-5
-5
多载波并行传输是将高速数据分解成N路低 速数据，分别用N个不同的载频进行调制后 同时发送。
只要N足够大，每个子路的符号间隔将足够大， 其已调信号的带宽将足够窄，使得信道对于该 子路的已调信号来说近似是平的，ISI近似可以 忽略。
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6
例
信道时延扩展为30ms BPSK，数据速率是1Mb/s，基带采用矩形
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e 串 ·
行·
j 2 f0t
变·
+
e 并 ·
行·
j 2 fkt
·
e j 2 fN1t
低 通 滤 波 器
信道
并
行
T
变
串0
行
e j 2 f0t
·
低 通
·
滤
·
e j 2 fkt ·
波 器
·
·
e j 2 fN1t
9
正交基函数
作为第 k 个子载波的正交基函数为 g(t,k)expj2fkt, 0tT,
• 其余是频率选择性衰落
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2
频率选择性
信道的频率选择性会引起符号间干扰 （Inter Symbol Interference）
解决方案
均衡技术（5.7节） 接收端加一个均衡器以消除或减少ISI
扩频技术（10.8节）
扩频能抗干扰，包括能抗多径引起的符号间干扰 进一步还能利用多径实现分集（Rake）