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1、OFDM 系统实现中的关键问题,直郝冤帜锹执盅历袋惑摆寻水毛厂镜贫厅姐堑措琢食甘贵包绒新僵碎瑞恍OFDM系统实现中的关键问题OFDM系统实现中的关键问题,通常认为OFDM系统已具备以下特性：（1）与衰落信道的最大Doppler频移相比，子载波间隔足够大，从而使得ISI很小。（2）如果能保持系统的正交性，那么在基本 的OFDM系统中是不需要做均衡的。,卒涉鲜惹咖蔚忍梦榨拥财泅烂筛表群耐况磐伸贺窃淤腕浅颜支霖跺缴新孔OFDM系统实现中的关键问题OFDM系统实现中的关键问题,OFDM系统的关键技术,1、同步算法2、时偏与频偏ML估计器3、信道估计4、信道编码与交织5、改善系统对非线性的敏感性6、均衡
2、,孪坍池胀卡胀啸膘社曙抓忌彪晚档遵浮称幼息郝鄂迭维桃夕淘乔坊醇熏讲OFDM系统实现中的关键问题OFDM系统实现中的关键问题,同步通信,同步又分时域同步与频域同步。因此估计器也分为时域估计器与频域估计器,分别用于时域和频域的同步。时域同步算法主要有两种,即基于导频(Pilots)和基于CP的同步算法。,长红周豫州欺忧姬败篡励高泪岗滦懂饼些帖定如揣作年芝捍般委奄亢澜鞘OFDM系统实现中的关键问题OFDM系统实现中的关键问题,1）基于导频的同步算法,在基于导频信息的时域同步方法中,OFDM信号是用调频。此算法主要包括三部分：,功率检测：接收端将检测接收到信号功率,并将之与门限相比较,从而判断OFDM
3、信号是否已经到达接收端。,粗同步：通过将接收信号与储存在本地的复制的同 步信号作相关运算来实现的。,细同步：每个子信道都有其导频信息,每个子信 道都由导频信息提供的信道特征进行均衡,律酋堑睛拢斑协怂度缮果悼篙韩酋式哆仍扣风舜吸霜姐赠础十感缓塌址抡OFDM系统实现中的关键问题OFDM系统实现中的关键问题,2）基于CP的同步算法,在基于CP的时域同步算法中,对时域估计器的要求是由CP与信道冲激响应长度之差决定的。,如果定时错误(Timmg Error)较小,使得冲激响应长度小于CP长度,则各子载波之间的正交性仍可以维持。如果冲激响应长度小于CP长度,这个时域偏移将导致子载波星座产生相位旋转,这种相
4、位旋转在频带边缘达到最大。相位旋转的大小可以用信道估计器来估计。若时延大于CP的长度,则必然出现ISI。,夸冒怒灿刽停腐痊荚份陷桑漏邯辗鲜统三缺逢抑详辣划手扇鳖五惩躺狱驱OFDM系统实现中的关键问题OFDM系统实现中的关键问题,3）跟踪阶段,这里的算法是指对时域与频率偏移的估计算法,以下的估计器也是对时域与频率偏移的估计器。在原始的模拟OFDM系统中,OFDM系统是由相对较多的正弦子载波组成的,当子载波个数增大时,由中心极限定理,总的OFDM符号波形就是一个高斯过程,即OFDM符号的抽样值特性是时域离散的高斯过程。（P272）,唇虎栖漠厩系茵然汐撩嚷况馏袁骆贼蛛霜踊洽蚕曹庇曳疑砷亩挎耘青团塑O
5、FDM系统实现中的关键问题OFDM系统实现中的关键问题,时偏与频偏ML估计器,1）AWGN信道设计的估计器,假设OFDM符号在AWGN信道中传输。,接收端抽样的基带信号：,r(k)=s(k-)e j2kN+n(k)（1）其中，n(k)为加性复高斯白噪声,其方差为2n。,除了CP中的重复外,其他r(k)值是互不相关的。,孽酣堆姥纳极艰音斑氦串炬励赶琐贿猩弹婚擦鲍供院镰拟失摧拿判硕减掩OFDM系统实现中的关键问题OFDM系统实现中的关键问题,利用接收信号r(k)相关性,其似然函数可以表示为,上式第二项与无关,因此略去。考虑到r(k)可以表示为式(1)的形式,则与的似然函数可以写为,其中，,（2）,
6、（3）,（4）,缔惑摄欠洒褒雍循莽筑沟疟澡汝筹爆惠崭子庙慈麓捎霉试头疹绝船煮稠甸OFDM系统实现中的关键问题OFDM系统实现中的关键问题,而这里,=SNR/(SNR+1),而SNR=2s/2n。当使式最大化后,就可以得到对与的联合ML估计,即,（5）,（6）,（7）,郁烁甲而瓢宇卫琶宦丛畴诽虎雕勤图烩兼讯诈快碎沼逢琴儒速施硕纸陆晋OFDM系统实现中的关键问题OFDM系统实现中的关键问题,2)AWCN信道和脉冲成形设计的估计器设|g(k)|2为成形脉冲的功率。g(k)的形状体现了r(k)的功率分布。g(k)的选择将直接关系到相邻符号之间的影响。将接收信号建模为：r(k)=s(k-)g(k-)ej
7、2k/N+n(k),协方差矩阵Cr(,)的对角元素同样取非零值,所不同的是现在这些值与脉冲形状有关。,（9）,邻钮办钮溃导慈佩蚜箕剥青胺辟狠瑟洛娇赚祥苍监屡只谭陋傲帐膀遍硒祥OFDM系统实现中的关键问题OFDM系统实现中的关键问题,此时,r(k)的对数似然函数可以写为,（,）=|()|cos(2+()+(),其中，,（10）,（12）,（11）,骏信炒弯菩仗琐篙鸿英芬抄硝辑场爱斡黄谱沸逆叛劳潍膳摹标邱邹遣淤戎OFDM系统实现中的关键问题OFDM系统实现中的关键问题,而,k,+L-1,k+N,+L-1,其他,（13）,（14）,年坍深册破氖滓叹党勉摸袋丈馏住撒蝶败钨庙碱淋划胰只扁歹逞舒烦坎苏OF
8、DM系统实现中的关键问题OFDM系统实现中的关键问题,这里,1=SNR|g(k)|2+1 2=SNR|g(k)|2+SNR|g(k+N)|2+13=SNR|g(k-N)|2+SNR|g(k)|2+14=SNRg2+1如果g(k)选得适当,式(6-118)中的级数是收敛的。此时,对与的联合ML估计可以通过使似然函数(10)最大化而得,即,腺迹譬朴锑窟盼遂脾糟嘱隙酉郑兰垃掉燕杨殷托浊那植财扰箕囚些郸狄瞪OFDM系统实现中的关键问题OFDM系统实现中的关键问题,信道估计,在OFDM系统中，信道估计器主要面临两问题：,其一，关于导频信息的选择。,其二，关于如何设计出既有较低的复杂度又有良好的导 频跟踪
9、能力的信道估计器。,汉胚伞宙担痔悦涛拈住胜循机渔遂未菊贩揖扭荔垢碍稚具怕努蔚燎锯捣擦OFDM系统实现中的关键问题OFDM系统实现中的关键问题,1）导频信息,信道估计需要导频信息作为参考,由于无线信号常常是在衰落信道中传送的,需要不断对信道进行跟踪,因此导频信息也必须不断地传送。,2）信道估计器的设计,假设已经选定了导频信息的发送方式,则MLE(最大似然估计)意义下的最佳信道估计器的结构是二维的维纳滤波器。,我们对估计器的要求当然是既要精确度高,又要复杂度低。大多数精确度高的估计器,如维纳滤波器等,其计算复杂度较高。而若复杂度较低,则精确性往往又会下降。,洪趁肺鹊锅顷胸疮兹荆浩矢消刑诊圆恤追操刽
10、本蹿琵里淮提遥搀达堑睡呵OFDM系统实现中的关键问题OFDM系统实现中的关键问题,第一种方法：用可分离滤波器(Separable Filter)代替通常使用的二维FIR(Finite Impulse Response)滤波器。,步骤：,首先在频域用一个一维FIR滤波器进行估计,再在时域用一个一维FIR滤波器进行估计。,第二种方法：变换域法,步骤：,使用变换将信道的主要能量集中体现在变换域中的少量系数上,再在变换域进行信道估计。,捌嘱锐磁肺柞护添汽跺炊茧歇档埃隔便钱靶股纯门爆千撮抒籽浑嘲承挑颈OFDM系统实现中的关键问题OFDM系统实现中的关键问题,信道编码和交织,OFDM系统中,编码是一个有着
11、特殊意义的步骤。由于依赖多径传播中多条路径得到的接收信号,因此衰落信道本身体现了内在的分集特性。,衰落信道是会产生数据突发性错误的信道。对抗此类信道的一种有效方法是在编码后对数据进行交织,使会产生突发性错误的信道变换为错误独立的信道。采用了交织的系统框图如下图所示。,憨载磷膝湾褥网外魔掣鞠韵离柴冷潭站贷羹仍舟止瘴伯榔综犀虚非掇涅散OFDM系统实现中的关键问题OFDM系统实现中的关键问题,图1 数字OFDM系统框图,捌胰嘘靡琳绘泡迄枉立挺令牧享悬堡柞褂绍杰运付穴乖讯载嫩机郑酝斑掏OFDM系统实现中的关键问题OFDM系统实现中的关键问题,改善系统对非线性的敏感性,由于OFDM信号为多个正弦波的叠加
12、,当子载波个数多到一定程度时,由中心极限定理,OFDM符号波形将是一个高斯随机过程,这样其包络是不恒定的。这种现象在非线性限带信道(实际中大多为此类信道)中是特别不希望出现的,经非线性放大器后,包络中的起伏虽然可以减弱或消除,但与此同时却使信号频谱扩展,其旁瓣将会干扰邻近频道的信号,这在OFDM系统中将引起相邻信道之间的干扰,破坏其正交性。,OFDM包络的不恒定性可以用PAPR来表示。PAPR(Peak to Average Power Ratio)是峰值功率与平均功率之比。PAPR越大,系统的包络的不恒定性越大。因此要改善系统性能,就是要设法减小PAPR。,姆椭郡吉庆郴掖灼扯渍彩琶思琴甜雀五
13、藤洁峨皂走毗崇蚕筷双扩棠萤落挎OFDM系统实现中的关键问题OFDM系统实现中的关键问题,1）PAPR数学定义,设第l个OFDM符号为,（11）,(12),(13）,(6-128),由第l个OFDM符号的数学表示式,可以继续推导出,凤努媚橙脖史令厌割诺吗戚价愈惜酱凉裴蔓亨利绦敛婶糯虞侗豪乎畜铆伞OFDM系统实现中的关键问题OFDM系统实现中的关键问题,其中,Rxl(n)为复值数据序列xl=x0,x1，l,x2，l,xN-1，l=ej0，l,ej1，l,ej2，l,ejN-1,l的非周期自相关函数,即,由|s(t)|2的表示式,PAPR定义式的分母就等于N。因此,上式又可以写为,式()表明OFDM
14、信号的复包络依赖于发送数据序列xl的非周期自相关函数旁瓣。如果旁瓣小,则信号的起伏就小,即PAPR小,就可以得到准恒定(Quasi Constant)幅度信号。因此,我们要寻找自相关函数旁瓣小的序列。,（14）,（15）,姨胁划狗乞醒单脯筑乐丰备撞勒的泛笺庶就瞧洲布捐返酸韵艇询勒藩袜吵OFDM系统实现中的关键问题OFDM系统实现中的关键问题,2)基于互余序列的分组码的实现,先简要介绍Golay序列也就是互余序列。若一对序列的非周期自相关函数在0偏移处之外的其他地方全为零,则称该对序列为互余的序列。具体来说,设有一对序列为AN和BN,长度都是N,也就是AN=a0,a1,an和BN=b0,b1,b
15、n,如果RAN(n)+RBN(n)=2N(n)n=0,1,N-1（16）,艘飞慷涡馈且社佣撞姨骡欧倚祈合始乞蕊畦淹掌冲媒培庶匆熊妄柞启竖滚OFDM系统实现中的关键问题OFDM系统实现中的关键问题,其中,而,其他,则AN和BN都分别称为互余序列。为了构造出M进制的互余序列,现引入如下定理：定理：设u代表长度为k的任意相位序列,x代表相应的长度为N的生成码字。则x可以用u表示为 x=uGN+bN(mod M)(17)其中,GN为N=2k-1,k=3,4,kN的生成矩阵,bN为长度是N的相位偏移序列,并且其中k与N是有关系的,满足N=2k-1,k=3,4,浇骤单识九魔软沃煮到慨螟帝亿根淆恫辣介跑简度
16、催勘服噪续牟校裳乏鄙OFDM系统实现中的关键问题OFDM系统实现中的关键问题,3)基于互余序列的分组码的实现,这里使用差分方式是很自然的。设GN为分组码的生成矩阵,则最初的符号可以表示为x0=u0GN+bNCN(18)CN为码字集合。当l1时,我们可以得到xl=(ul-1+ul)GN+bNCN=(xl-1+ul)GNCN,怯尤镭钩叫紫爪烟灌赖剥斗实揪耽粮焰兄销呜武两政歌繁谎身蕾巨尾滚怖OFDM系统实现中的关键问题OFDM系统实现中的关键问题,在OFDM系统中,在一般的衰落环境下,均衡不是有效改善系统性能的方法。因为均衡的实质是补偿多径信道特性,而OFDM技术本身已经利用了多径信道的分集特性,因此一般情况下,OFDM系统中就不必再作均衡。,均衡,叉朔构嘶宇录乞秽百贷枉龋嫉番肛攫诗勾见镍摸褥粳毙鲸钝汐券催闸舱尘OFDM系统实现中的关键问题OFDM系统实现中的关键问题,屏蔽泵 http:/仉睿聪奌,沦墒嫂茎巢骆豁食夺维梨苍抹侈毙银跃借泌雍态炮沈医板涯宣渝浓赵颁爸OFDM系统实现中的关键问题OFDM系统实现中的关键问题,
