OFDM技术原理.pptx

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 SystemP/S+ChannelS/POFDM正交子载波Time-Frequency View优点1：抗多径衰落优点3：Mitigate burst noise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：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：频谱利用率：缺点：对频率偏移敏感，同步要求高（后面解释）高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DFT&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K=0等效基带形式：OFDM信号的实现 IDFT s(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：Ts 为采样间隔，它等于基带符号的符号间隔或符号周期，满足IDFTOFDM 符号的解调-DFT对第k个子载波进行解调时（模拟基带）：对应的数字基带操作(思考：1/N与DSP上定义的差别)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:ISIOFDM1OFDM2OFDM1OFDM2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)经过加窗处理后的OFDM符号 加窗技术(Windowing)T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ICI。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/fd。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/sTolerable delay spread:200nsBandwidth:18MHz(RF Bandwidth)OFDM系统设计举例#of bits in each OFDM symbol:Equivalent#of Subcarriers(Symbols):n16QAM with R=1/2 CC:n*4*R=120,n=60W1=60*250kHz=15MHz(18MHz)Signal BandwidthData bits in each OFDM symbol:Subcarriers(Symbols)for Data:n16QAM with R=1/2 CC:n*4*R=100,n=50#of FFT 64Bandwidth of the data signal W1=50*250kHz=12.5MHz Wb=W/2=6.25MHzT=4us,Ts=T/64=1/16 us Rs=1/Ts=16 MB2Wb no ISI