OFDM CP抗多徑 原理分析

2022-07-06 15:54:09 字數 3396 閱讀 3048

ofdm調製體系中,一種比較流行的做法是採用cp(迴圈字首)來對抗多徑效應。本文從卷積的角度出發來理解cp的作用

目錄如果將發射機和接收機簡化為離散取樣序列的處理,n時刻的接收序列\(y(n)\)由所有歷史時刻的傳送序列\(x(k)\)以及通道延遲響應\(h(n-k)\)構成。

通過乙個多徑通道的系統的經典表達是線性卷積

\[\begin

&y=h*x \\

&\quad\\

&y(n) = \sum_^

\end

\]卷積表示式中的k取值範圍要考慮因果系統,應當是小於等於n的。

取2徑通道為例。傳送資料序列\(x\)長度為\(n=5\),通道徑數為\(l=2\),根據卷積原理,接收長度為\(l+n-1=6\)。不考慮雜訊因素,卷積矩陣h為toeplitz矩陣

\[\left[\matrix\right] =

\left[\matrix

\right]

\left[\matrix

\right]

\]取3徑通道為例。傳送資料\(x\)長度為\(n=5\),通道徑數為\(l=3\),根據卷積原理,接收長度為\(l+n-1=7\)。不考慮雜訊因素,卷積矩陣h為toeplitz矩陣

\[\left[\matrix\right] =

\left[\matrix

\right]

\left[\matrix

\right]

\]新增cp是發端對與傳送序列的一種操作,將\(x_4\)複製到原先的\(x_0\)處(單樣點cp),則原系統可以等效表達為

2-ray case

\[\left[\begin{}

y_0\\y_1\\\vdots\\y_5

\end\right] =

\left[\begin

h_0\\

h_1&h_0\\

\quad&h_1&h_0\\

\quad&\quad&h_1&h_0\\

\quad&\quad&\quad&h_1&h_0\\

\quad&\quad&\quad&\quad&h_1

\end\right]

\left[\begin{}

\underline\\x_1\\x_2\\x_3\\x_4

\end\right] =

\left[\begin

\quad&\quad&\quad&h_0\\

h_0&\quad&\quad&h_1\\

h_1&h_0\\

\quad&h_1&h_0\\

\quad&\quad&h_1&h_0\\

\quad&\quad&\quad&h_1

\end\right]

\left[\begin{}

x_1\\x_2\\x_3\\\underline

\end\right]

\]3-ray case

\[\left[\begin{}

y_0\\y_1\\\vdots\\y_6

\end\right] =

\left[\begin

h_0\\h_1&h_0\\

h_2&h_1&h_0\\

\quad&h_2&h_1&h_0\\

\quad&\quad&h_2&h_1&h_0\\

\quad&\quad&\quad&h_2&h_1\\

\quad&\quad&\quad&\quad&h_2\\

\end\right]

\left[\begin{}

\underline\\x_1\\x_2\\x_3\\x_4

\end\right]

=\left[\begin

\quad&\quad&\quad&h_0\\

h_0&\quad&\quad&h_1\\

h_1&h_0&\quad&h_2\\

h_2&h_1&h_0\\

\quad&h_2&h_1&h_0\\

\quad&\quad&h_2&h_1\\

\quad&\quad&\quad&h_2\\

\end\right]

\left[\begin{}

x_1\\x_2\\x_3\\\underline

\end\right]

\]由於2-ray案例中,cp可以容納2徑擴充套件帶來多徑效應。取迴圈視窗4,此時2徑通道矩陣由於迴圈字首和加窗,從toeplitz矩陣變成了乙個迴圈矩陣

\[\left[\begin{}

y_1\\y_2\\y_3\\y_4

\end\right] =

\left[\begin

h_0&\quad&\quad&h_1\\

h_1&h_0\\

\quad&h_1&h_0\\

\quad&\quad&h_1&h_0

\end\right]

\left[\begin{}

x_1\\x_2\\x_3\\\underline

\end\right]

\]而在3徑情況下,由於本例中採用的單點cp(迴圈複製\(x_4\)乙個樣點)不足以覆蓋其多徑,所以無法構造迴圈矩陣。

cp特性總結

迴圈矩陣的特性是可以採用傅利葉矩陣進行對角化,其特徵值(對角元素)即為通道頻域響應序列,特徵向量為傅利葉變換向量。相關性質證明可參考文獻

gray, robert m. toeplitz and circulant matrices: a review. now publishers inc, 2006

迴圈矩陣可表達為傅利葉矩陣分解

\[h_ = f^h\lambda f

\]由於傳送符號經過ifft構造成了\(f^hx\)的形式,在接收端做一次fft匹配

\[y = f\cdot h_ \cdot (f^hx)=\lambda \cdot x

\]

採用了cp構造的ofdm系統方案是非常巧妙的。由於對角通道矩陣等效與無載波間干擾(這裡沒有考慮通道特性的惡化帶來的影響,比如都卜勒等),而cp又在時域躲過了多徑,所以通道均衡策略可以實現得相對簡單。

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