OFDM技术基本原理课件.ppt

1、OFDM技术基本原理n OFDM是一种特殊的多 载波传输方案，它通过 串并转换将高速数据流 分配到若干并行的低速 子信道中进行传输n 并行多载波传输对抗频 率选择性衰落的性能比 串行传输要强,对抗ISI 的能力比串行传输要强2.1 OFDM基本原理Modulation and Demodulation in an OFDM Systemtfje12tfje22tfjNe120d1d1NdP/S+ChannelS/P0d1d1Ndtfje12tfje22tfjNe12)(tSOFDM正交子载波Time-Frequency View优点1：抗多径衰落优点3：Mitigate burst noise

2、优点4：高的频谱利用率FrequencyFDMFrequencysaving spectralOFDM优点4：高的频谱利用率 传统的单载波系统：假设M进制调制，单载波，符号周期为T频带带宽：Bit传输速率：频谱利用率：sRTW22MRRs2logHzsbitMWR/log212优点4：高的频谱利用率 OFDM系统：假设M进制调制，N个子载波，符号周期为T，则1个OFDM符号周期为NT 子载波间隔为：1/NT 总的信号带宽为：W=（N+1）/NT 比特传输速率：TMMRRs22loglog 频谱利用率：HzsbitMNNTTMWR/log1log22缺点：对频率偏移敏感，同步要求高（后面解释）高

3、的峰均值平均功率比：OFDM信号是大量独立同分布的子载波信号的叠加的结果，按中心极限定理，其信号幅度近似为高斯分布，因此具有较大的峰均值平均功率比OFDM系统典型的收发机框图n DFT的实现21 NjknNn ox kx n e21 NjknNn ox kx n e21 NjknNn ox kx n e21 NjknNn ox kx n e21 NjknNn ox kx n eDFT&IDFTOFDM符号表示：2.2 OFDM的关键技术N子载波数；TOFDM符号持续时间；是分配给每个信道的数据符号；f i是第i个子载波的频率211 NjknNn ox nx k eNTttfjTtrectdts

4、Niii0)2exp()2/(Re)(10K=0等效基带形式：OFDM信号的实现 IDFT TtitTjTtrectdtsNii0)2exp()2/()(10s(t)的实部和虚部分别对应OFDM符号的同相I和正交Q分量，与相应子载波cos分量和sin分量相乘。对应的离散信号为：sNissiNTninTNTjdns0)2exp()(10Ts 为采样间隔，它等于基带符号的符号间隔或符号周期，满足sNTT IDFTOFDM 符号的解调-DFT对第k个子载波进行解调时（模拟基带）：kTNiiNiiTdtkiTjTddtitTjTtrectdktTjT010100)(2exp(1)2exp()2/()2

5、exp(1对应的数字基带操作(思考：1/N与DSP上定义的差别)kNnNiiNiiNndnkiNjNdinNjdknNjN)(2exp(1)2exp()2exp(110101010时域OFDM符号正交函数特性n 根据以上分析，OFDM系统的调制解调可以分别由IDFT和 DFT实现。通过N点的IDFT把频域数据符号转换为时域号，经射频载波调制后发送到无线信道中。n 实际运用中，常采用IFFT/FFT代替IDFT/DFT进行调制，可 以显著降低运算复杂度。对于N非常大的OFDM，可进一步 用基-4IFFT算法来实施傅里叶变换。DFT的实现GI,Why?With out GI:ISIOFDM1OFD

6、M2OFDM1OFDM2为了最大限度的消除码间干扰，在每个符号之间插入保护间隔(GI),只要保护间隔长度大于信道的最大时延就可以完全消除码间干扰。这段保护间隔内可以不插任何信号，即为空白传输段。GI(续)DataGIDataGIDelayed pathn由于多径传播的影响，子载波间不再保持正交，从而产生ICI,因为FFT积分区间内，延迟的SC2不具有整数倍的周期 GI(续)Guard IntervalICI of SC2 on SC1 FFT Integral TimeSubcarrier1Delayed Subcarrier2n 为了减小ICI，保护间不能是空白时段，OFDM可以在这段时间内

7、发送循环扩展信号称为循环前缀（CP）。n 加入CP后，只要CP最大时延，OFDM延时部 分包含的子载波周期数也为整数，不会在解调过程中产生ICI。循环前缀(Cyclic Prefix)SC2 with delaySC2 without delayCyclic Prefix illustrationTGTTo 子载波数的选择n 在信号占用总频带不变且数字调制方法不变的情况下，当 子载波数即并行信道数越多时，信息的传输速率越高，且 其对于频率选择性衰落的承受能力更强。n 但同时其对时间选择性衰弱更敏感，表现为对同步，特别 是载波同步的要求非常的高，因为此时每个子载波的信道 变窄了。n 随着子载波数

8、的增加，子载波间的频率间隔也相对减少,由 信道多普勒扩展而引入的频偏将导致越来越大的ICI,同时 随 着载波数的上升，系统对于FFT以及IFFT模块的要求会不断 提高。加窗技术(Windowing)n右图是子载波数分别为16、64、256时的归一化(归一化频率为fT=fNTs)OFDM功率谱。其带外功率谱密度衰减比较慢，即带外辐射功率比较大，随着子载波数量的增加，由于每个子载波功率谱密度主瓣和旁瓣变窄，故OFDM符号功率谱密度的下降速度会增加，但即使在256个子载波时40dB的带宽仍会是3dB带宽的4倍n 将OFDM符号与升余弦窗函数在时域相乘，使得系统带宽之 外的功率可以快速下降。常采用的升

9、余弦窗函数定义如下：To表示加窗前的符号周期，加窗后符号周期变为(1+)To。加窗技术(Windowing)1()/(cos(5.05.010)/(cos(5.05.0)(00oooooTtTTtTtTTtTttW经过加窗处理后的OFDM符号 加窗技术(Windowing)ToTGTGTTTTGo加窗技术(Windowing)加升余弦窗可以减小OFDM符号带外辐射 增大滚降系数，带外辐射功率下降越快（P31 Fig.2.20）增大滚降系数（滚降带的宽度越宽），会降低OFDM符号对时延扩展的容忍程度 因为加窗可能使非恒定部分落到FFT时间段，使FFT时间段幅度非恒定，破坏子载波间正交性，引入IC

10、I。同时前一符号的功率也泄露道后面OFDM符号的数据段，引入了ISI RF调制n OFDM调制器的输出产生了一个基带信号，将此基带信号与 所需传输的频率进行混频操作，应用如下图所示的模拟技术 或数字上变频器可完成。数字调制技术更加精确。OFDM基本参数的选择nOFDM参数的选择就是要在各种要求和冲突中进行折中考虑。一般首先要确定OFDM的三个基本参数：带宽（Bandwidth）、比特率（Bit Rate）及保护间隔（Guard Interval）。n保护间隔按惯例取信道时延扩展均方根值的24倍。nOFDM符号的数据周期一般选取GI长度的5倍。一方面，为减少插入保护比特带来的信噪比损失，数据符号

11、周期要远远大于GI长度；另一方面，数据符号周期过大，导致子载波数增多，加大系统PAR和对频率偏差的敏感度。n信道所传输的比特速率由调制类型、编码速率和符号速率来确定。n系统子载波数N，每个子载波占用的带宽1/NTs，系统带宽B=1/Ts，循环前缀长度NG，均为重要的设计参量。nCP长度应为OFDM符号的一小部分，以减小由于CP引入带来的系统功率损失。由于CP长度直接与信道的最大时延扩展max有关，通常OFDM符号长度NTs max，即子载波数NmaxB。n子载波间隔1/NT比最大多普勒频率fd大得多时，系统对多普勒扩展和由此产生的ICI相对不敏感。所以，子载波数应满足fd1/NTs，即NB/f

12、d。n于是，子载波数约束条件：maxBNB/fd OFDM基本参数的选择OFDM系统设计举例 Bit Rate:25Mbit/s Tolerable delay spread:200ns Bandwidth:18MHz(RF Bandwidth)(8.46sTTgo)(8.04200sTgkHzsTTfgo250)(41)(1OFDM系统设计举例#of bits in each OFDM symbol:Equivalent#of Subcarriers(Symbols):n 16QAM with R=1/2 CC:n*4*R=120,n=60 W1=60*250kHz=15MHz(18MHz)bitssMbit1208.41/25Signal Bandwidth Data bits in each OFDM symbol:Subcarriers(Symbols)for Data:n 16QAM with R=1/2 CC:n*4*R=100,n=50#of FFT 64 Bandwidth of the data signal W1=50*250kHz=12.5MHz Wb=W/2=6.25MHz T=4us,Ts=T/64=1/16 us Rs=1/Ts=16 MB2Wb no ISIbitssMbit10041/25