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1、单载波调制与多载波调制 OFDM的优缺点 OFDM基本原理 OFDM的IFFT实现 OFDM系统的抗多径原理 OFDM系统中的信道估计方法 OFDM中的同步技术 MC-CMDA(OFDM-CDMA)技术,单载波调制与多载波调制 OFDM的优缺点 OFDM基本原理 OFDM的IFFT实现 OFDM系统的抗多径原理 OFDM系统中的信道估计方法 OFDM中的同步技术 MC-CMDA(OFDM-CDMA)技术,随着移动互联网业务和宽带业务的兴起与发展，用户对移动通信网络的接入速率和质量要求越来越高，原有基于码分多址的第三代移动通信及其增强技术将无法满足未来业务发展的需要。 为了获取更高的系统性能，后
2、向兼容性被放在了次要的位置，LTE不再采用基于CDMA的无线传输技术，转而采用能够支持更高数据速率和频谱效率的OFDM/OFDMA(正交频分复用/多址)。,通常我们采用的通信系统是单载波方案。对于宽带业务来说，由于数据传输速率较高，时延扩展造成数据符号之间的相互交叠，从而产生了符号之间的串扰(ISI)。当信号的带宽超过和接近信道的相干带宽时，信道的时间弥散将会造成频率选择性衰落。,单载波传输系统,多载波传输通过把数据流分解为若干个子比特流，构成多个低速率符号并行发送的传输系统。,多载波通信系统基本结构,多载波传输技术有多种提法，最常见的有正交频分复用(OFDM)、离散多音调制(DMT)和多载波
3、调制(MCM)。这三种提法在一定程度上是等同的，但是OFDM中各个子载波保持相互正交，在MCM中这一条件并不总是成立的。,三种不同的子载波设置方案: 第一种是传统的频分复用，将整个频带划分成N个不重叠的子带； 第二种采用偏置QAM(SQAM)技术，在3dB处载波频谱重叠，其复合谱是平坦的； 第三种方案即OFDM，各子载波有1/2的重叠，保证相互正交。,单载波调制与多载波调制 OFDM的优缺点 OFDM基本原理 OFDM的IFFT实现 OFDM系统的抗多径原理 OFDM系统中的信道估计方法 OFDM中的同步技术 MC-CMDA(OFDM-CDMA)技术,OFDM系统存在如下的优点： 将高速数据流
4、进行串并转换，使得每个子载波上的数据符号持续长度相对增加，从而可以有效地减小无线信道的时间弥散所带来的符号间干扰(ISI)，这样就减小了接收机内均衡的复杂度，有时甚至可以不采用均衡器，仅通过采用插入循环前缀的方法消除ISI的不利影响。,传统的频分复用方法优点是简单、直接，缺点是频谱利用率低，而且多个滤波器的实现也有不少困难。而OFDM系统由于各个子载波之间存在正交性，允许子信道的频谱相互重叠，因此OFDM系统可以最大限度地利用频谱资源。,传统频分复用与OFDM的信道分配,各个子载波上信号的正交调制和解调在形式上等同于IDFT和DFT，因此，在实际应用中，可以采用IFFT和FFT来快速实现，,利
5、用IFFT和FFT实现OFDM调制解调,OFDM易于和现有的空时编码等技术相结合，实现高性能的多输入多输出通信系统。,无线数据业务一般存在非对称性，即下行链路中的数据传输量要大于上行链路中的数据传输量。,OFDM易于和其它多种接入方法结合使用，构成正交频分多址接入(OFDMA)系统，使得多个用户可以同时利用OFDM技术进行不同的信息传输。,OFDM技术在实际应用中也存在缺陷，主要体现在如下两个方面： OFDM易受频率偏差的影响。 OFDM存在较高的峰值平均功率比(PAPR，也称峰均功率比)。,单载波调制与多载波调制 OFDM的优缺点 OFDM基本原理 OFDM的IFFT实现 OFDM系统的抗多
6、径原理 OFDM系统中的信道估计方法 OFDM中的同步技术 MC-CMDA(OFDM-CDMA)技术,OFDM基本原理,正交频分复用(OFDM)是一种多载波调制方式，其基本思想是把高速率的信源信息流通过串并变换，变换成低速率的N路并行数据流，然后用N个相互正交的载波进行调制，将N路调制后的信号相加即得发射信号。,OFDM调制原理框图,OFDM基本原理,设基带调制信号的带宽为B，码元调制速率为R，码元周期为 ，且信道的最大迟延扩展 ，OFDM的基本原理是将原信号分割为N个子信号，分割后码元速率为R/N，周期为 ，然后用N个子信号分别调制N个相互正交的子载波。,OFDM基本原理,OFDM解调原理框
7、图,在发射端，数据经过调制(例如QAM调制)形成的基带信号。然后经过串并变换成为N个子信号，再去调制相互正交的N个子载波，最后相加形成OFDM发射信号。,单载波调制与多载波调制 OFDM的优缺点 OFDM基本原理 OFDM的IFFT实现 OFDM系统的抗多径原理 OFDM系统中的信道估计方法 OFDM中的同步技术 MC-CMDA(OFDM-CDMA)技术,OFDM的IFFT实现,OFDM调制信号的数学表达形式为： (2.1),各子载波的频率为 (2.2),当不考虑保护间隔时，则由(2.1)、(2.2)可得： = (2.3),OFDM的IFFT实现,对X(t)进行抽样，其抽样速率为1/ ，即 ，
8、则有： (2.5),OFDM系统框图,在实际中可用IFFT来实现，相应的接收端解调则可用FFT来完成。,单载波调制与多载波调制 OFDM的优缺点 OFDM基本原理 OFDM的IFFT实现 OFDM系统的抗多径原理 OFDM系统中的信道估计方法 OFDM中的同步技术 MC-CMDA(OFDM-CDMA)技术,OFDM系统的抗多径原理,由多径传播造成的两个主要影响是多径衰落和信道响应的频率选择性，即频率选择性衰落。下面分析OFDM技术将频率选择性衰落信道转化成平坦衰落信道的基本原理。,OFDM系统的抗多径原理,参照图2.8，设X(u)表示符号周期为 的输入系列，串/并变换器将M个连续的数据符号变成
9、数据向量，即 = . 。 数据符号向量 可以表示成： =X(n，0) X(n，1)X(n，M-1)，由于数据符号向量 是通过M点IFFT变换调制成OFDM符号 ，即 = ,OFDM系统的抗多径原理,为了避免OFDM符号间的干扰，IDFT输出的长为G的循环扩展被加到 上作为保护间隔，一般指的是循环前缀， 带有循环前缀的向量可以表示为 ，向量 扩展的分组周期为(M+G) ，通过频率选择性信道传输。,OFDM系统的抗多径原理,设多径信道数为L，保护间隔的长度应满足 ，假设在整个扩展的分组间隔内信道状态信息保持不变，接收的信号向量 只是 和 的线性卷积，即 ,这里*表示线性卷积， =h(nM，0) h
10、(nM，1) h(nM，L-1)。,在接收端，首先从接收到的信号向量中去掉保护间隔，形成向量 =r(n，G) r(n，G+1) r(n，M+G+1)。很明显， 是由 的循环扩展构成，则向量 是 和 的循环卷积。解调器对 进行DFT变换，以获得解调向量 :,OFDM系统的抗多径原理,是以信道冲击响应 的傅立叶变换为对角元素的对角矩阵， 是信道噪声的DFT。由于 是对角的，则子信道可以完全分离，第k个对角元素 可被看成是由下式给出的第k个子载波的复信道增益： (2.9),DFT的一个重要性质就是时域的循环卷积导致频域的相乘，则解调的信号向量为： (2.8),OFDM系统的抗多径原理,解调符号用复信
11、道增益可表示为： ， (2.10) 除了噪声分量以外，解调符号是复信道增益 与相应符号X(n，k)的乘积，这样带有循环前缀的OFDM将频率选择性衰落信道转化成M个平坦衰落的子信道。,单载波调制与多载波调制 OFDM的优缺点 OFDM基本原理 OFDM的IFFT实现 OFDM系统的抗多径原理 OFDM系统中的信道估计方法 OFDM中的同步技术 MC-CMDA(OFDM-CDMA)技术,OFDM系统中的信道估计技术,在无线通信系统中，信道是影响通信质量的最根本的要素。无线通信系统各要素中，信道从本质上影响通信的可靠性和有效性。为了获取实时准确的信道状态信息，使得系统能够获得相干检测的性能增益等性能
12、提升和实现相关技术，准确高效的信道估计器被作为现代OFDM系统不可缺少的组成部分。 OFDM信道估计方法可以分为两大类：基于导频的信道估计方法和信道盲估计方法。,OFDM系统中的信道估计技术,2.6.1 基于导频的信道估计方法,基于导频的信道估计方法就是在发送端发出的信号序列中某些固定位置插入一些己知的符号和序列，然后在接收端利用这些已知的导频符号和导频序列按照某种算法对信道进行估计。,图2.9基于导频方法的信道估计系统组成框图,OFDM系统中的信道估计技术,2.6.1 基于导频的信道估计方法,假定子载波个数为N， 表示第m个子载波上发送数据经过IFFT，产生对应的第m个OFDM信号的输出序列
13、 。 (2.11),经IFFT变换后的数据为避免多径带来的符号间干扰(ISI)，在每个OFDM符号前添加长度为Ng循环前缀(CP)。添加循环前缀后，时域发送信号可以表示为： (2.12),OFDM系统中的信道估计技术,2.6.1 基于导频的信道估计方法,多径信道可建模成为FIR滤波器，即其信道的冲激响应可以表示为： (2.13),在t时刻，信道冲激响应的频率响应CFR可写成： (2.14),信道频率响应的离散形式可写成： (2.15),OFDM系统中的信道估计技术,2.6.1 基于导频的信道估计方法,则接收端接收到的信号和信道的线性卷积输出时域信号可以表示为： ， (2.16),对应于去掉循环
14、前缀后接收到信号的频域形式可以表示为： (2.17),若CP的长度 远大于无线多径信道最大多径时延长度，则不存在ISI，有： (2.18),OFDM系统中的信道估计技术,2.6.1 基于导频的信道估计方法,在OFDM系统中，块状导频分布的原理是将连续多个OFDM符号分成组，将每组中的第一个OFDM符号发送导频数据，其余的OFDM符号传输数据信息。块状导频结构如图2.10所示。,图2.10块状导频结构,OFDM系统中的信道估计技术,2.6.1 基于导频的信道估计方法,梳状导频结构与块状导频结构不同，它是指每隔一定的频率插入一个导频信号，要求导频间隔远小于信道的相干带宽。这种导频结构对信道频率选择
15、性敏感，但是有利于克服信道时变衰落中快衰落的影响。,图2.11梳状导频结构,图2.12离散分布的导频结构,OFDM系统中的信道估计技术,2.6.1 基于导频的信道估计方法,常用的信道估计方法包括频域最小二乘(LS)算法和最小均方误差 (MMSE)算法等。,1.频域最小二乘算法,OFDM系统中的信道估计技术,2.6.1 基于导频的信道估计方法,1.频域最小二乘算法 基于LS准则的信道估计方法没有使用任何信道先验信息，算法结构简单，仅在各导频子载波上进行一次除法运算，计算量小，非常适用于实际系统。但是，因 LS估计中并未利用信道频域与时域的相关特性，所以在估计时忽略了噪声的影响，所以信道估值对噪声比较敏感。,OFDM系统中的信道估计技术,2.6.1 基于导频的信道估计方法,2.最小均方误差算法 MMSE估计可表示如下： (2.28),MMSE估计算法需要矩阵求逆，当OFDM系统子信道数目N增大时，矩阵求逆的运算量会变得十分巨大。在MMSE信道估计算法中，信道统计特性估计的准确程度对该算法的性能影响较大。,OFDM系统中的信道估计技术,2.6.2 信道盲估计方法,信道盲估计算法大体上
