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1、兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,通 信 原 理,程琳 兰州大学信息科学与工程学院 M.P: 13993113069 Email: chenglin or chenglinwtt Address：Department of Electronics & Information Science, School of Information Science&Engineering, Lanzhou University, Tianshui Southern Road 222#， Gansu Province，P.R.China,Principles of Communications,20
2、19年10月18日星期五,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,2,第十五章 正交频分复用多载波调制技术,主要内容提要： OFDM正交频分复用技术的发展 OFDM多载波调制技术基本原理 OFDM调制的数字实现 循环前缀 OFDM系统的收发信机 OFDM系统的峰均比 载波频率偏移对子载波间干扰的影响 OFDM系统的应用,2019年10月18日星期五,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,3,本章的教学基本要求,本章要求基本理解OFDM正交频分复用技术及多载波调制技术的工作原理、OFDM多载波调制技术基本原理、OFDM调制的数字实现、循环前缀、 OFDM系统的收发信机、OFDM系统的峰
3、均比、载波频率偏移对子载波间干扰的影响、OFDM系统的应用。,2019年10月18日星期五,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,4,1. OFDM正交频分复用技术的发展,基于正交频分复用（OFDM）方式的多载波调制技术是一种能够提供更高比特速率、抗频率选择性衰落的现代通信技术。 对无线移动通信系统性能指标（有效性和可靠性）的主要影响因素 1、有限带宽期望获得更高信息速率 EXP:无线区域网中，分配带宽20MHz，传输速率高达54Mbit/s; G4移动通信系统为了支持流畅的多媒体服务，需要高达100Mbit/s的信息速率。 2、信道中除加性噪声（AWGN）外衰落及码间干扰的影响严重,2
4、019年10月18日星期五,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,5,OFDM正交频分复用技术的发展,移动无线信道的特征： 1）存在多径传输，导致接收端接收信号的衰落起伏（瑞利分布、莱斯分布）； 衰落分为平坦衰落（窄带时）以及频率选择性衰落（宽带时）。 2）信道存在时变性，不是恒参信道； 以上这些都增加了信道接收端接收信号的随机特性，对正确接收发送端的信息造成很大的困难。,2019年10月18日星期五,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,6,OFDM正交频分复用技术的发展,关于利用信道均方根时延扩展参数对移动信道在一定信道带宽时呈现平衰落还是频率选择性衰落的判定准则： 在时变多径
5、衰落信道中发送一对正弦波的频差为f,由于接收端的两个接收信号包络为随机变量，其相关系数将与频差f有关。据Jake关系可知,2019年10月18日星期五,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,7,OFDM正交频分复用技术的发展,信道相关带宽Bc： 由Jake关系，当相关系数取值为0.5时对应的频差值f定义为信道的相关带宽，即 其含义是： 当f1,说明两接收信号的幅值高度相关，经历近似相等的衰落； 当fBc时，-0,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。,2019年10月18日星期五,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,8,OFDM正交频分复用技术的发展,由此易知：
6、 当数字调制信号的带宽B越小于信道相关带宽Bc，则经时变多径信道传输后，在信号带宽范围内的不同频率分量的幅度相关性越大，因此不同频率分量近似经历相同的衰落，故称为平衰落。此时，由于平衰落对接收信号的波形无明显的影响，故码间干扰可以忽略，该通信系统可视为窄带系统。 反之，当数字调制信号的带宽B越大于信道相关带宽Bc，则经时变多径信道传输后，在信号带宽范围内的不同频率分量的幅度相关性越小，因此不同频率分量通过信道传输时会受到不相同的衰落，故称为频率选择性衰落。显然，频率选择性衰落将使信号中的不同频率分量产生不相同的幅度变化，造成接收信号的波形严重失真，导致码间干扰，进而产生误码，此时的通信系统可视
7、为宽带系统。,2019年10月18日星期五,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,9,OFDM正交频分复用技术的发展,故此，在实际工程应用中，若由无线通信环境得到信道的统计参量均方根时延扩展后，应根据具体通信质量的要求，选取合适的数字调制信号的符号间隔Ts，以确保在数字调制信号带宽范围内近似为平衰落，以保证产生较小的码间干扰。否则还需采用信号均衡的措施来进一步减少码间干扰。,2019年10月18日星期五,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,10,例题分析,Exp：已知，室内信道的均方根时延扩展50ns，室外微小区的30s。试问，若采用数字调制方式，能使码间干扰忽略的最大符号速率R
8、s约为多少？ （提示：若要满足平衰落条件，那么信号码元周期Ts与均方根时延扩展 应满足下式： Ts 15 ）,2019年10月18日星期五,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,11,例题分析,解:（1）在室内情形 （2）在室外情形 可见，多径的无线通信环境对于通信质量的影响非常严重。为了避免码间干扰，数字调制信号的最大符号速率将受到很大限制。,2019年10月18日星期五,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,12,正交频分复用OFDM多载波调制,用正交频分复用（OFDM）方式实现多载波调制的基本思路和实现方案： 基本思路：将宽带信道分解为许多平行的窄子信道，使每个信道的带宽B小
9、于信道的相关带宽Bc ，从而每个子信道所经历的衰落可以近似为平衰落。 具体实现方案：将输入的高速数据码流通过串并变换成N路的并行的子数据码流，每个子数据码流的数据速率是输入数据速率的1/N。这N个平行数据码流各自调制不同中心频率的子载波，在各自的子信道上并行传输。由于各子载波上的信号互相正交，故此其带宽足够小，使得每个子载波信号近似经历平衰落。以达到高速可靠地传输数字信号的目的。,2019年10月18日星期五,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,13,OFDM及多载波调制技术发展简史,1、多载波调制技术于20世纪50到60年代已应用于军事高频无线通信，但实现复杂，没有民用化。 早期的多
10、载波调制采用频谱上互相不重叠的子载波信号。 正交信号：频谱可以不重叠，也可以重叠，但其子载波间隔是子载波上符号间隔的倒数。 2、20世纪70年代，Weinstein和Ebert提出用离散傅里叶变换（DFT）及其逆变换（IDFT）进行OFDM多载波调制方式的运算。其中FFT与IFFT快速算法起了很大效用。 3、20世纪80年代，OFDM技术开始实用化。 4、20世纪90年代，OFDM技术应用于有线与无线通信中：数字用户环路（DSL），数字音频广播（DAB），数字视频广播（DVB），新一代无线区域网（WLAN）。 5、OFDM成为NGN蜂窝移动通信空中接口技术，性能甚至优于时域均衡技术。,2019
11、年10月18日星期五,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,14,2. OFDM多载波调制技术的基本原理,1、BPSK-OFDM方案 发送处理过程： （1）将输入的数据码流串并转换为N个并行的子数据码流； （2）将每个子数据码流分别对各自的子载波进行BPSK调制； （3）将N个BPSK调制信号同时进行传送处理，形成BPSK-OFDM多载波调制信号。,2019年10月18日星期五,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,15,BPSK-OFDM几个主要参数,输入数据流速率：Rb 发送符号周期：Tb=1/Rb 子数据流速率：Rb/N 子数据流符号间隔：Ts=NTb 子载波频率： 显然，当
12、N足够大时，各子载波已调信号就可以近似认为经历平衰落。,2019年10月18日星期五,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,16,BPSK-OFDM多载波调制方案,Fig.1 BPSK-OFDM信号的产生以及频谱分布,2019年10月18日星期五,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,17,BPSK-OFDM子载波频谱分布,2019年10月18日星期五,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,18,BPSK-OFDM信号功率谱密度,2019年10月18日星期五,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,19,BPSK-OFDM的接收方案,总体而言，接收端相当于N个独立的BPS
13、K解调器进行解调。 各个子BPSK信号的载波选择应保证它们之间的正交性得到满足 OFDM系统多用矩形脉冲成形，可以保证子载波信号的正交性，无子载波间干扰。,2019年10月18日星期五,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,20,BPSK-OFDM的接收方案,Fig.2 BPSK-OFDM信号的接收原理图,2019年10月18日星期五,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,21,例题分析,Exp：考虑一个总信道带宽为1MHz的OFDM多载波调制系统。设系统在一个信道均方根时延扩展为20s的城市中使用，为使每个子信道近似为平衰落信道，需要多少个子信道？,2019年10月18日星期五,
14、兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,22,例题分析,解:求得该信道的相干带宽为 设子信道数目为N，为使每个子信道近似为平衰落，要求 为了方便数字实现起见，N一般取为2的整数次幂，这里不妨取为 N=512。于是，子载波的频谱间隔为f=1.953kHz,而OFDM的符号间隔则为Ts=512s 。,2019年10月18日星期五,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,23,2. OFDM多载波调制技术的基本原理,2、MQAM-OFDM方案 发送处理过程： （1）将输入的数据码流串并转换为N个并行的子数据码流； （2）将每个子数据码流分别对各自的子载波进行MQAM调制； （3）将N个MQA
15、M调制信号同时进行传送处理，从而形成MQAM-OFDM多载波调制信号。,2019年10月18日星期五,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,24,MQAM-OFDM多载波调制方案,2019年10月18日星期五,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,25,MQAM-OFDM多载波调制方案,基本参数 可见，系统整体等价于N个独立的MQAM系统，每个子系统分担了1/N的信源数据。,2019年10月18日星期五,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,26,MQAM信号的分析,每个子载波上的QAM信号可表为,2019年10月18日星期五,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,27
16、,MQAM信号的分析,于是总的OFDM信号可以表示为,2019年10月18日星期五,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,28,MQAM-OFDM多载波调制解调方案,2019年10月18日星期五,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,29,关于载波间隔的确定,一维情形下，载波正交的最小间隔为1/2Ts ,但在二维情形下，由于要满足同相载波和正交载波的同时正交，则载波的间隔只能为1/Ts .证明如下：,2019年10月18日星期五,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,30,3. OFDM调制的数字实现,在OFDM调制的基带信号处理过程中，在发端要对OFDM的复包络信号进行时域抽样，得到相应的离散时间信号。复包络的采样序列为,2019年10月18日星期五,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,31,OFDM调制的数字实现,从前面的分析关系可见，am是
