OFDM技术简介.pptx

OFDM简介OFDM优缺点OFDM基本原理OFDM系统设计OFDM设计实例总结目 录图2.1 OFDM信号频谱示意图OFDM的思想是通过串并转换将高速串行数据分散到N个正交的子载波上进行传输，则各个子载波的符号速率减为串行数据符号速率的1/N，这样就把一个带宽频率选择信道划分成了N个窄带平坦衰落信道。OFDM简介(1/3)50年代：OFDM的思想最早可以追溯到2O世纪5O年代末期6O年代：人们对多载波调制作了许多理论上的工作，论证了在存在符号间干扰的带限信道上采用多载波调制可以优化系统的传输性能70年代：1970年1月有关OFDM的专利被首次公开发表；1971年Weinstein和Ebert在IEEE杂志上发表了用离散傅立叶变换实现多载波调制的方法8O年代：人们对多载波调制在高速调制解调器、数字移动通信等领域中的应用进行了较为深入的研究，但是由于当时技术条件的限制，多载波调制没有得到广泛的应用OFDM简介(2/3)90年代：由于数字信号处理技术和大规模集成电路技术的进步，OFDM技术在高速数据传输领域受到了人们的广泛关注现在：OFDM已经在欧洲的数字音视频广播(如DAB和DVB)、欧洲和北美的高速无线局域网系统(如HIPERLAN2、IEEE802.11a)、以及高比特率数字用户线(如ADSL、VDSL)中得到了广泛的应用未来：人们正在考虑在基于IEEE 802.16标准的无线城域网、基于IEEE 802.15标准的个人信息网以及未来的第4代无线蜂窝移动通信系统中使用OFDM技术OFDM简介(3/3)OFDM简介OFDM优缺点OFDM基本原理OFDM系统设计OFDM设计实例总结目 录OFDM优缺点优缺点(1/2)OFDM 的优点OFDM可以有效地对抗多径传播所造成的符号间干扰，但其实现复杂度比采用均衡器的单载波系统小很多在变化相对较慢的信道上，OFDM系统可以根据每个子载波的信噪比来优化分配每个子载波上传送的信息比特，从而大大提高系统传输信息的容量OFDM系统可以有效对抗窄带干扰，因为这种干扰仅仅影响OFDM系统的一部分子载波OFDM优缺点优缺点(2/2)与传统的单载波传输系统相比，OFDM 的不足OFDM对于载波频率偏移和定时误差的敏感程度比单载波系统要高OFDM系统中的信号存在较高的峰值平均功率比(PAR)使得它对放大器的线性要求很高OFDM简介OFDM优缺点OFDM基本原理OFDM系统设计OFDM设计实例总结目 录OFDM基本原理基本原理 OFDM系统框图OFDM基本原理分为三个部分 系统的调制与解调 保护间隔和循环前缀 加窗技术 OFDM系统的调制与解调系统的调制与解调 一个OFDM符号由一组承载了PSK或QAM调制信号的子载波构成，其通带信号可表示成：式（1）中，di表示第i路的基带复数信号；N是子载波数目；T表示符号周期；fc是载波中心频率 建立模型时，可用等效基带信号来描述OFDM的输出信号：式(2)中的实部和虚部分别对应于OFDM符号的同相和正交分量，在实际中可以分别与相应子载波的COS分量和sin分量相乘，构成最终的子信道信号和合成的OFDM符号 OFDM系统的调制与解调系统的调制与解调 OFDM系统的调制与解调框图 OFDM系统的调制与解调系统的调制与解调实际上，式(2)中定义的OFDM复等效基带信号可以采用离散逆傅立叶变(IDFT)来实现令式(2)中的 ，则可以得到：式(3）中，s(k)即为di的IDFT运算。在接收端，为了恢复出原始的数据符号di，可以对s(k)进行DFT变换，得到根据上述分析可以看到，系统的调制和解调可以分别由IDFT/DFT来代替在 OFDM系统的实际应用中，可以采用更加方便快捷的快速傅立叶变换(FFT/IFFT)来实现调制和解调 保护间隔和循环前缀保护间隔和循环前缀在 OFDM系统中，为了最大限度地消除符号间干扰，在每个 OFDM符号之间要插入保护间隔 该保护间隔长度Tg一般要大于无线信道的最大 时延扩展，这样一个符号的多径分量 就不会对下一个符号造成干扰在这段保护间隔内，可以不插入任何信号，即保护间隔可以是一段空闲的传输时段，然而在这种情况中，由于多径传播的影响，会产生信道间干扰(ICI)，即子载波之间的正交性遭到破坏，使不同的子载波之间产生干扰 为了消除由于多径传播造成的ICI，我们将原来宽度T为的 OFDM符号进行周期扩展，用扩展信号来填充保护间隔 保护间隔和循环前缀保护间隔和循环前缀 具有循环前缀的OFDM符号加窗技术加窗技术由式(1)或式(2)所定义的OFDM信号存在的缺点是功率谱的带外衰减速度不够快，虽然随着子载波数量的增加，OFDM信号功率谱的带外衰 减速度会加快，但是即使在 256个子载波的情况中，其-40dB带宽仍然 是-3dB带宽的4倍为了加快OFDM信号功率谱带外部分的下降速度，可以对每个OFDM符号进行加窗处理，使符号周期边缘的幅度值逐渐过渡到零加窗技术加窗技术 经常被采用的窗函数是式(5)定义的升余 弦窗：其中，Ts表示加窗前的符号长 度，而加窗后符号的长度应该为 ，从而允许在相邻符号之间存在 有相互覆盖的区域OFDM简介OFDM优缺点OFDM基本原理OFDM系统设计OFDM设计实例总结目 录OFDM系统设计系统设计OFDM系统设计包括三个主要部分OFDM的参数设计OFDM收发机的结构设计OFDM系统设计应注意的三个关键问题OFDM参数设计参数设计在OFDM系统中，我们需要确定以下参数：符号周期、保护间隔、子载波的数量。这些参数的选择取决于给 定信道的带宽、时延扩展以及所要求的信息传输速率。OFDM系统的各参数一般按照以下步骤来确定：确定保护间隔：根据经验，我们一般选择保护间隔的时间长度为时延扩展均方根值的2到 4 倍选择符号周期：考虑到保护间隔所带来的信息传输效率的损失和系统的实现复杂 度以及系统的峰值平均功率比等因素，在实际系统中，一般选择符号周 期长度是保护间隔长度的5到6倍确定子载波的数量：子载波数可直接利用-3dB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。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来确定子载波 OFDM收发机的结构设计收发机的结构设计一般来说,在实际的 OFDM系统中，发送机在 IFFT调制前包括前向纠错编码、交织、QAM调制、导频插入、串/并变换等，在 IFFT模块的后面包括并/串变 换、插入循环前缀、加窗、数/模变换、射频调制和放大等 接收机包括射频放大和解调、模/数变换、定时同步、串/并变换、FFT解调、信道纠正、QAM解调、去交织、纠错码译码等 OFDM系统设计的关键问题系统设计的关键问题同步问题信道估计问题峰值平均功率比（PAR）问题OFDM简介OFDM优缺点OFDM基本原理OFDM系统设计OFDM设计实例总结目 录OFDM设计实例设计实例下面举例说明OFDM的参数设计与选取。假设系统设定的3个参数要求为：总数据比特率为R=200Mbps，可以容忍的多径时为 ，系统信号带宽为W=15MHz，按照前面的描述，分三步进行系统的设计：时延扩展 表明保护时间Tg=800ns是个合适的选择。OFDM的符号周期确定为6倍的保护时间，即Ts=6Tg=4.8us，这样就可以使信噪比损失小于1dB此时的相邻载波间隔为 ，为了确定子载波的数目，需要确定系统要求的数据比特数量和OFDM的符号速率的比值，未了支持20Mbps的数据速率，每个OFDM符号必须承载96比特信息（RTs=20Mbps*4.8us=96bit）OFDM设计实例设计实例为了实现这个要求，有几种设计选择：一种方法是采用16QAM调制和码率为1/2的信道编码，这样可以得到每载波每符号2比特的承载能力。在这种情况下，为了承载96比特信息，需要48个子载波另一种方法，采用QPSK调制和码率为3/4的信道编码，可以得到每载波每符号1.5比特的承载能力，在这种情况下，为了承载96比特信息，需要64个子载波但是根据子载波的公式 ，所以第一种方法满足要求。OFDM简介OFDM优缺点OFDM基本原理OFDM系统设计OFDM设计实例总结目 录总结总结从理论上来说，OFDM与单载波传输具有相同的信道容量。但是在具体的通信环境中，在存在严重符号间干扰或者多径影响的信道上采用OFDM传输可获得较好的性能近来受到国内外广泛关注的1个研究领域是OFDM在下一代蜂窝无线通信系统中的应用，OFDM与多天线技术以及空时编码技术的结合可以大大提高蜂窝通信系统的性能目前，OFDM已经基本被公认为是下一代蜂窝通信系统的核心技术