第3章 OFDM系统原理

1、 数字调制系统有单载波调制系统与多载波调制系统之分。单数字调制系统有单载波调制系统与多载波调制系统之分。单载波系统在数据传输速率不太高、多径干扰不是特别严重时，通载波系统在数据传输速率不太高、多径干扰不是特别严重时，通过使用合适的均衡算法可使系统正常工作。但是对于宽带数据业过使用合适的均衡算法可使系统正常工作。但是对于宽带数据业务来说，由于数据传输速率较高，时延扩展造成数据符号间的相务来说，由于数据传输速率较高，时延扩展造成数据符号间的相互重叠，从而产生符号间干扰（互重叠，从而产生符号间干扰（ISI），这对均衡提出了更高的要），这对均衡提出了更高的要求，需要引入非常复杂的均衡算法，实现比较困难

2、。求，需要引入非常复杂的均衡算法，实现比较困难。第第3章章 OFDM系统的基本原理系统的基本原理3.1 引言引言 多载波调制多载波调制(Multicarrier Modulation)采用多个载波信号。采用多个载波信号。它把数据流分解为若干个子数据流，从而使子数据流具有低得多它把数据流分解为若干个子数据流，从而使子数据流具有低得多的传输比特速率，利用这些数据分别去调制若干个载波。所以，的传输比特速率，利用这些数据分别去调制若干个载波。所以，在多载波调制信道中，数据传输速率相对较低，码元周期加长，在多载波调制信道中，数据传输速率相对较低，码元周期加长，只要时延扩展与码元周期相比小于一定的比值，就

3、不会造成码间只要时延扩展与码元周期相比小于一定的比值，就不会造成码间干扰干扰。串串/并并0d1d1Ndtfje02tfje12tfjNe12+信道信道)(tstfje02tfje12tfjNe12积分积分积分积分积分积分并并/串串0d1d1NdOFDM系系统统基本模型框基本模型框图图 1, 1 , 0T/Niiffci频带频带OFDM符符号时间号时间表示式表示式为为 Ttt0Ttt)t(2exp)(1N0ssssisiittttfjdts3.2 OFDM系统的基本模型系统的基本模型3.2.1 OFDM系统的调制和解调系统的调制和解调或或)2T/t()t(2exp)(1N0sisiitrectt

4、fjdts基基带带OFDM符符号时间号时间表示式表示式为为Ttt0Ttt)t(2exp)(1N0ssssisittttTijdts或或)2T/t()t(2exp)(1N0sisitrecttTijdts在接收端在接收端OFDM信信号号的正确恢的正确恢复复 Tt1N0)t(T2exp)t(T2expT1sstsiiskdttijdtkjddttkijdsssiiTtt1N0)t(T2expT1TmnnmnmdttjtjT0, 0, 1)exp()exp(1kkdd 串串/并并0d1d1Ndtfje02tfje12tfjNe12+信道信道)(tstfje02tfje12tfjNe12积分积分积分积

5、分积分积分并并/串串0d1d1NdFDM与与OFDM带宽带宽利用率的比利用率的比较较 传统的频分复用（传统的频分复用（FDM）多载波调制技术）多载波调制技术频率频率频率频率节省频带资源节省频带资源正交频分复用（正交频分复用（OFDM）多载波调制技术）多载波调制技术t OFDM符号内包括符号内包括4个子载波的情况个子载波的情况 fOFDM系统中子信道符号的频谱示意图系统中子信道符号的频谱示意图 3.2.2 OFDM系统的系统的DFT/FFT实现实现1N02exp)(iitTijdts102exp)/(10NkNikjdNkTssNiik) 1, 1 , 0(/NkNkTt102)(1)(Nknk

6、NjekXNnx3.3 OFDM的保护间隔和循环前缀的保护间隔和循环前缀OFDM数据训练序列OFDM数据发送端：发送端：接收端：接收端：OFDM数据训练序列OFDM数据无保护间隔情形无保护间隔情形加入保护间隔情形加入保护间隔情形OFDM数据训练序列OFDM数据发送端：发送端：OFDM数据训练序列OFDM数据接收端：接收端：加入循加入循环环前前缀缀作作为为保保护间护间隔的隔的OFDM符符号号 后一后一OFDM前一前一OFDM时间时间NNgIFFTIFFT保护保护间隔间隔 IFFT 输出输出保护保护间隔间隔复制复制一一个个OFDM系系统较统较完整完整实现实现框框图图 S/P星星座座映映射射I IF

7、 FF FT T0 x1x1NxP/S0sLNs1NsCPLNs1NsD/A多径信道多径信道)(ts)(tnA/DS/P0r1NrCPLNr1NrFFT星星座座反反映映射射0y1y1NyP/S)(kd)(kd)(tr3.4 带外功率辐射以及加窗技术带外功率辐射以及加窗技术0st)2T/(2exp1)(1N0trecttfjdNtsiiiOFDM信号的时域表达式（复包络）信号的时域表达式（复包络） N1是功率归一化因子。是功率归一化因子。 OFDM符号的频域：符号的频域： 1022)(1)(NiiiTffTSadNfs 由于由于OFDM符号每个子载波的功率谱大致呈抽样函数形符号每个子载波的功率谱

8、大致呈抽样函数形状，旁瓣的振荡衰减比较慢，所以导致状，旁瓣的振荡衰减比较慢，所以导致OFDM符号的整个功符号的整个功率谱带外辐射比较大率谱带外辐射比较大 。OFDM信号的功率谱密度信号的功率谱密度 32个子载波个子载波的的OFDM信号的功率谱密度信号的功率谱密度 子载波个数为子载波个数为16、64和和256的的OFDM系统的系统的PSD 升余弦窗函数定义升余弦窗函数定义 ssssssssTtTTTtTtTTtTttw)1 ()/()cos(5 . 05 . 00 . 10)/(cos(5 . 05 . 0)( 128子载波子载波、滚降系数分别为、滚降系数分别为0（矩形函数）、（矩形函数）、0.

9、025、0.05、0.1和和0.5的升余弦窗函数对的升余弦窗函数对OFDM系统功率谱密度的影响系统功率谱密度的影响 3.5 OFDM的参数选择的参数选择 在在OFDM系统中，需要确定的参数有：符号周期、保系统中，需要确定的参数有：符号周期、保护间隔、子载波的数量。护间隔、子载波的数量。 （1）确定保护间隔）确定保护间隔 一般选择保护间隔的时间长度为时延扩展均方根值的一般选择保护间隔的时间长度为时延扩展均方根值的24倍。倍。 （2）选择符号周期）选择符号周期 一个一个OFDM符号总的时间长度由保护间隔和有用符符号总的时间长度由保护间隔和有用符号持续时间（简称符号周期）构成。号持续时间（简称符号周

10、期）构成。 一般选择符号周期长度至少是保护间隔长度的一般选择符号周期长度至少是保护间隔长度的5倍。倍。 可以计算在符号周期为保护间隔可以计算在符号周期为保护间隔5倍的情况下，因插倍的情况下，因插入保护比特所造成的信噪比损失有入保护比特所造成的信噪比损失有1dB左右。左右。（3）确定子载波的数量）确定子载波的数量 子载波的数量可以直接利用子载波的数量可以直接利用-3dB带宽除以子载波间隔带宽除以子载波间隔（即去掉保护间隔之后的符号周期的倒数）得到。（即去掉保护间隔之后的符号周期的倒数）得到。 或者，可以利用所要求的比特速率除以每个子信道中的或者，可以利用所要求的比特速率除以每个子信道中的比特速率

11、来确定子载波的数量。比特速率来确定子载波的数量。 每个子信道中传输的比特速率由调制类型、编码速率以每个子信道中传输的比特速率由调制类型、编码速率以及符号速率来确定。及符号速率来确定。 例：例： 要求设计系统满足如下条件：要求设计系统满足如下条件： 比特率：比特率： 25Mbit/s 可容忍的时延扩展：可容忍的时延扩展： 200ns 带宽：带宽： 18MHz解：解：保护间隔：保护间隔： )(8004200nsOFDM符号长度：符号长度： )(8 . 46800s子载波间隔子载波间隔 ：)(250108 . 0108 . 4166kHz每个每个OFDM符号需要传送比特数：符号需要传送比特数： bit120s8 . 4/1Mbit/s25方案一方案一 ：选择选择16QAM和码率为和码率为1/2的编码方法。的编码方法。 每个子载波可以携带每个子载波可以携带2bit的有用信息，因此，需要的有用信息，因此，需要60个子载波来满足每个符号个子载波来满足每个符号120bit的传输速率。的传输速