单频网课程课件

单频网1第一部分：OFDM2一、简介OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）又叫做正交频分复用。它与传统的单载波传输方式不同，是一种多载波、宽带的传输方法。3OFDM传输方法目前主要应用于无线传输领域，它特别适合无线信道的传输特性。主要的应用有DVB(T/H)、DAB/DMB、CMMB、802.11无限局域网等许多无线通信领域。一、简介4二、无线信道特性无线信道与有线信道相比要复杂得多。在有线信道中对信号的主要损害来自于信号的衰减。而在无线领域中，除了信号强度会随着传输距离的增加而衰减外，对信号的主要损害来自于衰落。衰减又叫做路径损失，是指信号的强度随着覆盖距离的增长而减弱。而在路径损失之外，接收到的信号电平还呈现出波动的特性，这叫做衰落。衰落不同于衰减，它不是距离等某个参数的变量，而基本上是随机的，因此，对衰落我们基本上无法做很好的或者长时间的预测，这就是随机信道的概念5衰落包括：大尺度衰落：表示接收的信号能量在一个较长时间内的变化小尺度衰落：表示接收的信号能量在短期内的变化衰落产生的主要原因就是电磁波在传输过程中受到建筑物、树木、山丘甚至是空气中的灰尘的阻碍，产生了折射、反射、衍射等现象造成的。二、无线信道特性6二、无线信道特性大尺度衰落、小尺度衰落以及衰减示意图7二、无线信道特性实际测量的信号传播强度变化图

8多径传播：电波传播过程中会受到物体的遮挡、吸收、反射、折射和衍射的影响，形成多条路径信号分量到达接收机。不同路径信号分量到达接收机有不同的传播时延、相位和振幅，并附加有信道噪声。他们相互叠加会使总的复合信号抵消或增强，导致严重衰落。使接收信号失真，造成差错。

在数字通信系统中，由于多径传播的影响，各条路径信号分量的叠加，会形成符号间干扰（ISI）。二、无线信道特性9二、无线信道特性10多径传传播会会引起起：频率选选择性性衰落落：固固定接接收时时，由由于多多径传传播，，传递递函数数是频频率的的函数数（频频率选选择性性）。。时间选选择性性衰落落：移动接接收时时，由由于多多径传传播，，传递递函数数除了了是频频率的的函数数（频频率选选择性性），，还是是时间间的函函数。。二、无无线信信道特特性11移动接接收时时，一一方面面信道道环境境不断断在发发生变变化，，使信信道特特性随随时间间随机机变化化，另另一方方面由由于多多普勒勒效应应使接接收到到的信信号严严重失失真。。二、无无线信信道特特性12二、无无线信信道特特性对于传传统的的单载载波信信号来来说：：从频域域看，，宽带带系统统是指指系统统中所所传送送信号号的带带宽大大于信信道相相干带带宽的的系统统（相干干带宽宽：在在某一一特定定的频频率范范围内内的任任意两两个频频率分分量都都有很很强的的幅度度相关关性））；从时域域看，，宽带带系统统是指指系统统中所所传送送的符符号周周期小小于信信道最最大多多径时时延扩扩展的的系统统（最大大时延延扩展展：首首先到到达接接收天天线的的信号号分量量与最最后到到达接接收天天线的的信号号分量量之间间的时时间差差）。这就决决定了了传统统的单单载波波系统统，当当数据据速率率很快快的时时候，，必然然会受受到频频率选选择性性衰落落的影影响，，并且且会产产生ISI，因此此单载载波系系统在在本质质上不不适合合宽带带数据据传输输。13二、无无线信信道特特性14三、OFDM原理151、OFDM的含义义OFD（正交交频分分）是是指使使用大大量的的子载载波来来代替替通常常的用用以传传送一一套节节目的的单个个载波波，这这些子子载波波有相相等的的频率率间隔隔，所所有子子载波波的频频率都都是一一个基基本振振荡频频率的的整数数倍，，在频频谱关关系上上是彼彼此正正交的的。这这些子子载波波尽管管靠得得很近近，且且频谱谱有部部分重重叠，，但他他们携携带的的信息息在接接受端端仍可可以彼彼此相相分离离。16OFDM频谱的的正交交关系系1、OFDM的含义义17OFDM中多载载波的的时域域传输输1、OFDM的含义义18要传送送的信信息，，按照照一定定的规规则被被分割割后，，分配配在这这些子子载波波上，，如在在DVB-T中，每每一个个副载载波均均可采采用QPSK、16QAM、64QAM等调制制方式式与传统统的单单载波波传输输方式式相比比，加加长了了符号号期，，减少少了由由于多多径接接收造造成的的符号号间干干扰，，也使使频带带利用用率得得到提提高。。1、OFDM的含义义19M（复用用）是是指在在OFDM这种传传输方方法中中，传传输的的信息息不再再是单单一的的电视视节目目，而而可能能是多多种业业务的的数据据相互互交织织地分分布在在上述述大量量的载载波上上，形形成一一个频频率块块（如如8MHz带宽））。1、OFDM的含义义20OFDM使用了了多个个载波波，需需要传传输的的数据据被分分配到到这些些载波波上同同时传传输，，这与与单载载波系系统相相比就就相当当于是是在频频域并并行传传输。。2、多载载波与与单载载波之之间的的比较较212、多载载波与与单载载波之之间的的比较较22符号期期加长长可以以大大大减弱弱信道道突发发噪声声的影影响：：2、多载载波与与单载载波之之间的的比较较23符号期期加长长对传传输带带来的的另一一个重重要的的好处处是，，可以以减弱弱反射射波的的影响响。为简单单起见见，仅仅以两两个接接收路路径为为例。。以最最短的的路径径到达达接收收机的的信号号，我我们称称为直直接接接收，，具有有一个个长的的时延延的信信号称称为反反射接接收。。2、多载波与与单载波之之间的比较较242、多载波与与单载波之之间的比较较如果我们用用n表示数据流流中的各个个符号，如如果反射部部分已经超超过符号持持续期（符符号期较短短）才到达达接收机，，接收机中中得到的信信号实际是是不同符号号的叠加，，形成相互互干扰，人人们称这种种干扰为符符号间干扰扰（ISI）。252、多载波与与单载波之之间的比较较如果将符号号持续期加加长到一定定的程度，，就会只是是部分时间间直接干扰扰相邻的符符号，这就就大大减弱弱了多径传传播的影响响。26但是，符号号持续期也也不能太长长，符号期期长，载波波间隔就要要变小，多多普勒效应应的影响变变大，这些些都会影响响传输可靠靠性。2、多载波与与单载波之之间的比较较273、保护间隔隔及其作用用为了进一步步增强信号号的抗多径径干扰的能能力，人们们又在每个个OFDM符号之前加加上了一个个保护间隔隔，这就使使那些延迟迟时间小于于保护间隔隔的多径干干扰无法影影响到OFDM符号体本身身，最大限限度地消除除了符号间间干扰（包包括相邻符符号间的干干扰）。283、保护间隔隔及其作用用29在每个符号号的前面给给出一个保保护范围，，这个范围围对于解调调来说是不不需要的（（因此人们们也将保护护间隔后面面的符号长长度称为符符号有效期期），在保保护间隔范范围内出现现符号间干干扰是完全全无影响的的。留下的的足够的时时间部分（（即符号有有效期部分分），总是是属于同一一个符号，，它们可以以彼此相叠叠加。在信号接收收时，解码码器只提取取符号的有有效期。因因此当多径径信号存在在时，只要要延迟时间间不超过保保护间隔，，那么信号号虽然在保保护间隔内内产生ISI，但是对于于符号有效效期内，每每一路多径径信号都可可以看做是是叠加在主主信号上的的有用信号号，是建设设性的贡献献。3、保护间隔隔及其作用用30保护间隔持持续期的选选择应当谨谨慎，必须须根据传播播条件来配配置。保护护间隔的长长度一般要要大于无线电电信道的最最大时延扩扩展。如果果选择的太太短，在强强壮性方面面就会丧失失一部利益益。反之，，如果太长长，就会占用更多的的信号传送送时间，造造成信息传传送效率降降低。因此此这是个折折中的选择择。在DVB-T中这段保护护间隔的长长度可以根根据信道状状况设置为为OFDM符号长度的的1/4、1/8、1/16和1/32。3、保护间隔隔及其作用用31保护间隔内内一般不会会是一段信信号空白，，其中的添添加物不同同的标准有有不同的规规定。在DVB-T中这段间隔隔添加了循循环前缀。。就是将OFDM信号末尾的的一段内容容搬移到保保护间隔内内，这样看看起来好像像是信号循循环了，因因此称作循循环前缀。。这样做的的好处是不不破坏OFDM信号子载波波的正交性性（因为在在IFFT过程中，在在数学上来来说是具有有周期性的的），信号号抵抗信道道干扰的能能力较强。。3、保护间隔隔及其作用用323、保护间隔隔及其作用用保护间隔的的形成334、OFDM信号的生生成及信信号特性性下图是OFDM信号的生生成和解解调原理理示意图图：实际上就就是每个个子载波波上的数数据，乘乘以该子子载波的的频率，，解调过过程反之之。这与与IFFT的数学公公式一致致。34因此，在在生成OFDM信号时采采用IFFT运算：式中k表示第k个子载波波，N表示一共共有N个子载波波，Sk表示第k个子载波波上调制制的信息息。si就是最后后生成的的OFDM时域信号号。而在接收收端使用用FFT运算进行行OFDM解调：4、OFDM信号的生生成及信信号特性性354、OFDM信号的生生成及信信号特性性OFDM信号的生生成过程程36而多载波波的并行行使得OFDM信号在频频域上的的表现类类似于带带通信号号。下图图就是DVB-T2k模式的频频谱图。。4、OFDM信号的生生成及信信号特性性374、OFDM信号的生生成及信信号特性性384、OFDM信号的生生成及信信号特性性众多载波波相叠加加就形成成了如下下的OFDM信号时域域波形：：类似于于白噪声声。395、OFDM信号的优优缺点优点：把高速数数据流通通过串并并转换，，使得每每个子载载波上的的数据符符号持续续长度相相对增加加，从而而有效减减小无线线信道的的时间弥弥散所带带来的ISI，减小了了接收机机内均衡衡的复杂杂度，甚甚至不采采用均衡衡器，仅仅通过插插入循环环前缀的的方法消消除ISI。由于OFDM各个子载载波之间间存在正正交性，，允许子子信道的的频谱互互相重叠叠，因因此与常常规的频频分复用用系统相相比，OFDM系统可最最大限度度的利用用频谱资资源。各个子信信道中这这种正交交调制和和解调可可以采用用IDFT和DFT方法来实实现，技技术实现现复杂度度低。OFDM系统可以以很容易易的通过过使用不不同数量量的子信信道来实实现上行行下行链链路中不不同的传传输速率率。OFDM系统可以以在一定定程度上上抵抗窄窄带干扰扰。窄带带干扰只只影响少少数子子载波波，可以以通过信信道解码码发现并并予以纠纠正很容易实实现单频频网（SFN），节约频率率与功率率。40缺点：对载波频频率偏移移和定时时误差的的敏感程程度比单单载波系系统高；；有较高的的峰值系系数（即即较高的的峰值平平均值功功率比）），对放放大器的的线性要要求高。。5、OFDM信号的优优缺点41第二部分分：单频频网（SFN）42一、多频频网多频网就就是我们们传统中中使用的的无线覆覆盖方式式。它的的特点就就是在覆覆盖网中中的每一一个发射射机都使使用独自自的频率率，在一一定范围围内所有有的发射射机之间间的频率率都不相相同。比比如在FM广播中，，只有相相距240km以上的两两个发射射机才允允许使用用相同的的频率。。中央广播播电台的的音乐之之声频道道，在北北京使用用的是90.0MHz，在石家家庄则是是105.1MHz。43一、多频频网44单频网又又叫做同同步网，，是由处处于不同同地点的的许多发发射台构构成的，，这些发发射台的的发射机机使用同同一频率率，在相相同的时时间里发发射相同同的节目目内容。。在数字字地面电电视系统统中的““单频””是指在在网内所所有的发发射机都都使用中中心频率率相同的的带宽为为8MHz的频率块块。既然然所有的的发射机机都使用用同一频频率覆盖盖，因此此覆盖网网的范围围就可以以任意大大小了。。二、单频频网概述述45二、单频频网概述述46单频网的的“三同同”频率同步步fn±(Δf/100)时间同步步通常采用用±1μs比较适中中，所以以需要提提供精度度好于1μs的时间标标准。。比特同步步要求发射射的节目目是一样样的，不不要唱两两台戏二、单频频网概述述47单频频网网的的理理论论基基础础就就是是OFDM：在在单单频频网网中中，，不不同同发发射射机机同同时时同同频频发发射射出出来来的的同同样样的的信信号号，，对对网网中中的的接接收收机机来来说说，，实实际际上上就就相相当当于于多多径径信信号号。。当当一一个个接接收收机机在在单单频频网网中中接接收收节节目目时时，，总总是是以以其其中中一一个个发发射射机机作作为为主主信信号号来来源源，，那那么么从从其其它它的的发发射射机机到到达达接接收收机机的的信信号号就就成成了了干干扰扰信信号号，，造造成成多多径径干干扰扰。。当当多多径径的的最最大大延延迟迟与与信信元元持持续续期期可可比比或或者者大大于于时时（（从从频频谱谱角角度度看看就就是是信信号号带带宽宽大大于于信信道道相相关关带带宽宽）），，就就会会对对主主信信号号产产生生破破坏坏。。二、、单单频频网网概概述述48三、、单单频频网网的的优优势势1、功率率节节约约：单单频频覆覆盖盖网网系系统统可可以以使使网网内内所所有有到到达达接接收收机机的的信信号号，，建建设设性性地地相相加加形形成成总总的的信信号号，，只只要要这这些些信信号号的的时时延延差差不不超超出出保保护护间间隔隔。。这这种种效效应应称称为为单单频频网网的的网网络络增增益益。。据据实实验验数数据据表表明明，，对对于于相相同同的的覆覆盖盖范范围围和和覆覆盖盖效效果果而而言言，，单单频频网网功功率率节节约约可可达达10dB，也也就就是是说说使使用用的的功功率率是是多多频频网网的的1/10。49三、、单单频频网网的的优优势势50三、、单单频频网网的的优优势势512、频率率节节约约：单单频频网网的的频频率率经经济济性性（（频频谱谱利利用用率率））由由同同步步网网的的规规模模大大小小决决定定。。同同步步网网的的区区域域越越大大，，频频率率越越经经济济。。例例如如在在DAB中，，频频谱谱利利用用率率至至少少是是模模拟拟FM广播播的的3倍。。而而在在小小范范围围覆覆盖盖中中，，因因为为单单频频网网内内的的发发射射机机功功率率要要大大大大小小于于多多频频网网发发射射机机，，因因此此频频率率的的““再再用用距距离离””（（或或叫叫做做““退退耦耦距距离离””））也也要要小小得得多多，，这这样样也也相相当当于于节节省省了了频频率率资资源源。。三、、单单频频网网的的优优势势523、提高高覆覆盖盖效效果果：在在无无线线覆覆盖盖中中，，不不可可避避免免地地会会出出现现覆覆盖盖的的““阴阴影影区区””。。这这种种现现象象在在大大城城市市中中更更加加明明显显。。传传统统的的方方法法就就是是提提高高发发射射机机功功率率，，但但即即使使这这样样做做对对阴阴影影区区域域的的覆覆盖盖效效果果的的提提升升依依然然不不明明显显，，况况且且一一味味地地提提高高功功率率还还会会带带来来电电磁磁污污染染、、多多径径效效应应明明显显等等一一系系列列负负面面影影响响。。单单频频网网就就可可以以很很好好地地解解决决这这个个问问题题，，只只需需要要一一个个小小功功率率的的信信号号接接收收转转发发器器就就行行了了。。三、、单单频频网网的的优优势势53三、、单单频频网网的的优优势势我们们可可以以建建立立一一个个专专门门指指向向阴阴影影区区的的天天线线，，使使用用相相同同的的频频率率对对阴阴影影区区进进行行““补补点点””。。这这在在多多频频网网中中是是限限制制很很严严格格的的，，而而且且如如果果使使用用不不同同的的频频率率补补点点，，那那么么用用户户每每进进入入一一个个阴阴影影区区就就得得调调一一次次接接收收频频率率，，这这样样非非常常麻麻烦烦。。这这些些问问题题都都在在单单频频网网中中得得到到了了完完美美的的解解决决，，而而且且即即使使补补点点天天线线的的覆覆盖盖范范围围超超过过了了阴阴影影区区也也没没有有问问题题。。54四、单单频网网的构构建1、单频频网的的组成成55前端信信号通通过SDH光纤网网络送送到单单频网网中的的每个个发射射台。。光传传输端端机由由发、、收端端机组组成。。发端端机又又称为为光发发射机机，将将输入入TS传输流流、数数据或或音频频码流流输入入激光光调制制模块块，输输出的的光调调制信信号经经光缆缆传送送到收收端机机，又又称光光接收收机。。收端端机光光解调调后恢恢复时时钟和和数据据再经经拆帧帧、分分路恢恢复出出视音音频TS流、数数据或或音频频码流流。然然后每每个发发射台台同时时、同同频地地发射射相同同的内内容，，构成成单频频广播播网。。四、单单频网网的构构建562、单频频网的的构建建：单频网网的工工作基基础就就是OFDM信号对对多径径传播播的抵抵抗能能力。。因此此在构构建单单频网网时最最先考考虑的的问题题就是是，要要使各各个发发射机机发射射的信信号到到达接接收机机时的的最大大时间间差不不能超超过OFDM允许的的最大大时延延，也也就是是不能能超过过OFDM的保护护间隔隔。四、单单频网网的构构建57模式8k（896μs）2k（224μs）保护间隔1/41/81/161/321/41/81/161/32保护间隔长度224μs112μs56μs28μs56μs28μs14μs7μs最大距离67.2km33.6km16.8km8.4km16.8km8.4km4.2km2.1km四、单单频网网的构构建虽然采采用大大的保保护间间隔可可以补补偿长长距离离的反反射波波，但但是同同样会会降低低有用用码流流的使使用率率，因因此使使用多多大的的保护护间隔隔要根根据当当前传传输环环境的的典型型应用用来确确定。。基本本上要要使无无论是是多径径传播播还是是单频频网不不同发发射天天线之之间的的信号号，到到达网网内接接收机机的最最大时时间差差，必必须要要小于于保护护间隔隔。这这需要要经过过多方方面的的权衡衡。例例如专专家们们定义义的DVB-T标准中中的保保护间间隔如如下表表所示示：58四、单单频网网的构构建上表这这些数数据中中的““发射射台之之间最最大距距离””是直直接使使用““保护护间隔隔×光速””计算算出来来的，，只是是理论论值。。在实际际应用用环境境中，，每个个发射射机到到接收收机之之间还还不可可避免免地存存在着着多径径传播播，这这些多多径实实际上上是增增加了了传输输距离离。因因此，，在实实际应应用中中要为为多径径传播播考虑虑一定定量的的冗余余，所所以，，实际际应用用时发发射机机之间间的距距离要要略小于理理论值值。但是基基本上上可以以看到到大的的保护护间隔隔适合合发射射塔之之间距距离较较长的的大型型网，，小的的保护护间隔隔适合合小范范围网网。保保护间间隔的的范围围越大大，允允许的的两个个发射射机的的间距距越大大，但但是，，带宽宽的利利用率率也越越低。。总的的来说说，8k模式可可以支支持较较长的的保护护间隔隔，发发射机机的间间距也也大，，功率率可以以高些些，2k模式的的保护护间隔隔较小小，发发射机机间距距小，，功率率可以以低些些。59四、单单频网网的构构建上表的的发射射机距距离是是最““保守守”的的一种种情况况，就就是说说一个个发射射机所所处的的位置置肯定定是在在另一一个相相邻发发射机机OFDM信号保保护间间隔所所允许许的范范围之之内。。在这这种情情况下下，无无论以以哪个个发射射机为为主发发射机机，或或者从从任何何方向向上计计算覆覆盖距距离，，两台台发射射机所所造成成的信信号时时间差差都不不会大大于保保护间间隔。。这样样的单单频网网结构构可以以用下下图的的方式式表示示：60四、单单频网网的构构建如果有有多台台发射射机，，那么么就使使任意意两台台之间间的距距离不不超过过保护护间隔隔的允允许范范围，，如下下图：：61四、单频频网的构构建但是在有有些情况况下，发发射机之之间的距距离不总总是一定定能满足足表中最最大距离离的限制制，这样样就有可可能产生生同频干干扰。如如下面图图中描述述的：在这些情情况下，，我们依依然可以以通过仔仔细地设设置发射射机的功功率、时时间延迟迟等参数数来满足足保护间间隔的要要求，消消除同频频干扰。。62四、单频频网的构构建对于案例三。首先在在重叠区区域选取取一个点点，使两两个发射射机到达达这个点点的距离离差最大大，例如如F，这样就就又分成成三种情情况：63四、单频频网的构构建此时需要要对发射射机A的信号做做延迟处处理。假假设延迟迟的时间间为△t，那么延延迟的原原则就是是使下面面的不等等式成立立：同时64四、单频频网的构构建A与B之间的距距离大于于D且覆盖范范围也很很大。在在这种情情况一般般属于设设计错误误，只能能选择功功率较小小的发射射机，使使之改变变为案例例3-1或3-2的情况；；或者将将两个发发射机的的位置重重新设计计，使之之成为案案例一的的情况。。但是这种种案例情情况也不不是不可可能出现现。如果果在A、B点之间有有山丘等等大型障障碍物的的阻挡时时，两台台发射机机的功率率虽然比比较大，，但是相相互之间间的影响响却不大大，此时时的单频频网是可可以正常常运行的的。65在案例四四中实际际上主要要是要考考虑发射射机A和C之间的情情况。而而这两者者之间的的情况在在案例三三中已经经做了详详细的分分析。其其中需要要注意的的是，当当A与C之间的情情况属于于案例3-2的时候，，其中一一个发射射机做了了延迟（（假设A做了延迟迟）。那那么，此此时除了了要考虑虑A、C之间的关关系之外外，还要要考虑A和B之间的关关系。因因为当A产生了延延迟后，，相当于于拉大了了A与B之间的距距离。但但是我们们总可以以通过两两两分析析得到最最佳设计计方案。。下面我们们再来分分析案例例四。四、单频频网的构构建66五、单频频网的测测试测试接收机要要求完全符合合单频网标准准，能够对标标准中规定的的所有的信号号形式进行接接收，同时输输出接收的结结果。同时信信号的测试必必须是实时性性的。测试接接收机应该包包括以下接口口：天线信号号输入口、检检测数据输出出口和接收信信号输出口等等。67室外测试室外测量主要要内容是使用用测试接收机机测量DVB-T单频网户外覆覆盖情况。一一般将测试接接收机安置在在车辆上，在在行进中测量量。测试车上上要安装各种种天线以便全全面测试接收收效果，比如如固定天线（（指安装于距距离地面3m的全向性和增增益的天线，，主要应用在在公交车辆上上）和B类便携天线（（指距离地面面高度1.5m的户外嵌入式式或外接式天天线，也称室室外便携式））等。在测量量过程中要注注意速度、位位置、时间