OFDM技术基本原理 ppt课件

To表示加窗前的符号周期，加窗后符号周期变为(1+β)To。
加窗技术(Windowing)
经过加窗处理后的OFDM符号
To TG T
TG
T
TG
To
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基本参数的选择
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。 CP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τmax 有关，通常OFDM符号长度NTs>> τmax，即子载波数N>>τmaxB。
GI
Data
GI
Data
Delayed path
GI(续)
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
Subcarrier1
ICI of SC2 on SC1
Delayed Subcarrier2
Guard Interval
FFT Integral Time
• W1=60*250kHz=15MHz (<18MHz)
– QPSK with R=3/4 CC: n*2*R=120, n=80 – W2=80*250kHz=20MHz (>18MHz)
Signal Bandwidth
• Data bits in each OFDM symbol: 25Mbit / s 100bit
e j2f1t
d0
e j2f2t
S/P d1
+
S (t) Channel
e j2f N1t
d N 1
e j2f1t
∫
e j2f2t
∫
~ d0 ~ d1 P/S
e j2f N1t
∫
~ d N 1
OFDM正交子载波
Time-Frequency View
优点1：抗多径衰落
优点3： Mitigate burst noise
N—子载波数；T—OFDM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
OFDM信号的实现 IDFT
等效基带形式：
s(t)

N 1
d i rect (t
i0
T
/
2) exp(
j
2
T
it)
0t T
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。
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。
GI, Why?
• With out GI: ISI
OFDM1
OFDM2
OFDM1
OFDM2
GI(续)
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。
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 1
j 2 kn
x[k] x[n]e N
OFDM技术基本原理
2.1 OFDM基本原理 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 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
Modulation and Demodulation in an OFDM System
Tg 200 4 0.8(s) To 6Tg 4.8(s)
f

1 (To

Tg
)

1
4(s)

250kHz
OFDM系统设计举例
• # of bits in each OFDM symbol: 25Mbit / s 120bit
1 4.8s
• Equivalent # of Subcarriers (Symbols) : n – 16QAM with R=1/2 CC: n*4*R=120, n=60
加窗技术(Windowing)
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：
W
(t)

0.5

0.5 c os (
1

t
/(To
))
0.5 0.5cos( t /(To ))
0 t T0 T0 t To To t (1 To )
循环前缀(Cyclic Prefix)
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）。 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。
SC2 without delay
优点4：高的频谱利用率
FDM
saving spectral
OFDM
Frequency Frequency
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：
W

2 T

2Rs
R Rs log 2 M
频谱利用率：
R W

1 2 log 2
M
bit / s / Hz
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：
R

Rs
log 2
M

log 2 T
M
频谱利用率：
R W
log2 M T
NT N 1 log2 M bit / s / Hz
SC2 with delay
Cyclic Prefix illustration
TG T
To
子载波数的选择
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。
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。
exp(
j
2 N
in)
1 N1
N 1
2
i0 di N n0 exp( j N (i k)n) dk
正交函数特性
DFT的实现
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。
• T=4us, Ts=T/64=1/16 us Rs=1/Ts=16 MB>2Wb no ISI
1 4s
• 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
保护间隔按惯例取信道时延扩展均方根值的2~4倍。
OFDM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。
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。
对应的离散信号为：
s(n)

N 1
di
i0
exp(
j
2 NTs
inTs )
0 n NTs
IDFT
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
T NTs
OFDM 符号的解调-DFT
• 对第k个子载波进行解调时（模拟基带）：
1
T
T 0
exp(
j
2 T
N 1
I D/A
反混频 低通
复数
OFDM 基带信号
RF载波
~
Q D/A
反混频 低通
数字模拟
IQ调制器
×
cos
RFபைடு நூலகம்
90°
输出
+
sin
×
I
复数 OFDM 基带信号
Q
内插 滤波器
DDS
~
内插 滤波器
数字上变频器
×
cos 90°
+
sin
×
RF 输出 D/A
数字模拟
OFDM基本参数的选择
OFDM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）。
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
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。
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)
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
kt) direct(t
i0
T
/
2) exp(
j
2 T
it)dt

N 1
di
i0
1 T
T 0
exp(
j
2 T
(i
k)t)

dk
• 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
1 N1
N n0
exp(
j
2 N
N 1
kn) di
i0
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
fd<<1/NTs，即N<<B/ fd。
于是，子载波数约束条件：τmaxB<<N<<B/ fd
OFDM系统设计举例
• Bit Rate: 25Mbit/s • Tolerable delay spread: 200ns • Bandwidth: <18MHz (RF Bandwidth)
no
2.2 OFDM的关键技术
DFT的实现 DFT&IDFT
OFDM符号表示：
N 1
j 2 kn
x[k ] x[n]e N
no
x[n]
1
N 1
j 2 kn
x[k]e N
N nK=o0
N 1
s(t) Re[ direct(t T / 2) exp( j2fit)] 0 t T i0