【資料名稱(chēng)】：OFDM技術(shù)課件

【資料作者】：西安郵電學(xué)院

【資料日期】：未知

【資料語(yǔ)言】：中文

【資料格式】：PPT

【資料目錄和簡(jiǎn)介】：


OFDM引論
OFDM基本原理
OFDM 在Gaussian信道中的性能
OFDM 經(jīng)寬帶信道的傳輸特性

OFDM引論
1.1 引言
OFDM在無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域得到重視
數(shù)據(jù)傳輸速率高
能有效對(duì)抗頻率選擇性衰落


OFDM技術(shù)是一種多載波傳輸技術(shù)，將可用頻譜分成多個(gè)子載波，每個(gè)子載波用一路低速數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制


1.1 引言
OFDM既可以看作是一種調(diào)制技術(shù)，也可以看作是一種復(fù)接技術(shù).
調(diào)制技術(shù)
從輸入輸出信號(hào)間的關(guān)系來(lái)看

復(fù)接技術(shù)
輸出信號(hào)可以看作是各個(gè)調(diào)制信號(hào)之和

1.1 引言
利用FFT/IFFT變換替代一系列正交載波的調(diào)制與解調(diào)，大大降低了OFDM系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度
1.1 引言
通過(guò)引入保護(hù)間隔可以幾乎完全消除符號(hào)間干擾

以填0的方式引入保護(hù)間隔




抑制符號(hào)間干擾示意圖
1.1 引言
在保護(hù)間隔內(nèi)，OFDM符號(hào)以循環(huán)擴(kuò)展的方式插入以避免載波間干擾








1.1 引言

避免ISI圖示
1.1 引言
OFDM優(yōu)點(diǎn)
能有效對(duì)抗多徑影響
對(duì)抗頻率選擇性衰落
頻帶利用率高

OFDM的缺點(diǎn)
同步實(shí)現(xiàn)難度大
發(fā)射機(jī)與接收機(jī)中需要完成復(fù)雜的FFT或IFFT運(yùn)算
對(duì)載波頻偏敏感
峰平比高

1.2 OFDM發(fā)展歷史
最初的思想于1960年代中期提出，采用并行數(shù)據(jù)傳輸和頻分復(fù)用（FDM）

1960年代，OFDM在一些高頻軍事通信系統(tǒng)中得到應(yīng)用
1.2 OFDM發(fā)展歷史
1971年， Weinstein 和 Ebert 提出利用DFT變換來(lái)實(shí)現(xiàn)OFDM的調(diào)制解調(diào).
進(jìn)一步利用FFT變換為降低OFDM的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度提供了條件
1980年代，人們研究在數(shù)字移動(dòng)通信的高速調(diào)制解調(diào)和高密度存儲(chǔ)中應(yīng)用OFDM技術(shù)
利用導(dǎo)頻加強(qiáng)載波和頻率的穩(wěn)定性
引入網(wǎng)格編碼技術(shù)
COFDM
1980年， Hirosaki提出采用均衡算法克服由于信道沖激響應(yīng)不理想以及定時(shí)和頻率偏差造成的符號(hào)間干擾ISI和載波間干擾ICI
1980年， Hirosaki還提出基于DFT實(shí)現(xiàn)的OFDM系統(tǒng)
1.2 OFDM發(fā)展歷史
1990年代，OFDM技術(shù)在寬帶數(shù)據(jù)通信中得到應(yīng)用
基于FM信道的移動(dòng)廣播系統(tǒng)
有線(xiàn)傳輸
HDSL
ADSL
VDSL
DAB
DVB
HDTV
三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：歐洲 COFDM、北美8-VSB、日本 BST-OFDM
無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)
HIPERLAN2 (歐洲)
IEEE 802.11a (美國(guó))
IEEE 802.11g (美國(guó))
1.2 OFDM發(fā)展歷史
現(xiàn)在，OFDM已成為歐洲的DAB和HDTV標(biāo)準(zhǔn)
4G的首選方案
OFDM/UWB (802.15.3a)
IEEE 802.16
IEEE 802.20
802.20標(biāo)準(zhǔn)，即移動(dòng)寬帶無(wú)線(xiàn)接入(MBWA)定義為，一個(gè)空中接口符合物理層（PHY）和介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制層（MAC）規(guī)范的公共移動(dòng)寬帶無(wú)線(xiàn)接入系統(tǒng)。該接口工作在低于3.5GHz的許可頻段之內(nèi)，可優(yōu)化IP數(shù)據(jù)傳輸，支持上限為250km/h的不同移動(dòng)速度的應(yīng)用環(huán)境和不同的頻譜效率，在5MHz帶寬下，能夠使平均每用戶(hù)的峰值數(shù)據(jù)速率大于4 Mbps(下行)/1.2 Mbps(上行)，每小區(qū)的峰值速率大于16 Mbps(下行)/3.2 Mbps(上行)。小區(qū)覆蓋范圍相當(dāng)于城域網(wǎng)，頻譜效率、用戶(hù)的數(shù)據(jù)速率和激活用戶(hù)數(shù)目大大高于現(xiàn)有移動(dòng)系統(tǒng)。
802.20標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是，對(duì)于高速移動(dòng)狀態(tài)下的通信連接擁有很好的支持能力。它填補(bǔ)了目前的IEEE802寬帶無(wú)線(xiàn)接入服務(wù)(高速率、低移動(dòng)性)與全球蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)服務(wù)(低速率、高移動(dòng)性)的空白，提供比移動(dòng)通信系統(tǒng)更高的速率和比802寬帶接入更高的移動(dòng)性能。通過(guò)MBWA系統(tǒng)，可以滿(mǎn)足用戶(hù)在高速移動(dòng)中隨時(shí)隨地接入Internet、全面支持Internet功能、接入企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)開(kāi)展業(yè)務(wù)與全面接入信息業(yè)務(wù)系統(tǒng)和區(qū)域性業(yè)務(wù)系統(tǒng)共四個(gè)方面的需求。
1.3 OFDM 和 多載波傳輸
多載波傳輸將串行數(shù)據(jù)流用多個(gè)低速數(shù)據(jù)通過(guò)不同載波傳輸，OFDM是多載波傳輸?shù)囊环N

單載波傳輸
每個(gè)用戶(hù)在任何時(shí)候都利用單一載波進(jìn)行發(fā)送和接收數(shù)據(jù)
多載波傳輸
每個(gè)用戶(hù)可以同時(shí)利用多個(gè)載波進(jìn)行發(fā)送和接收數(shù)據(jù)



1.3 OFDM 和 多載波傳輸
單載波和多載波傳輸

1.3 OFDM和多載波傳輸
正交特性
1.3 OFDM和多載波傳輸
1.3 OFDM和多載波傳輸
1.3 OFDM和多載波傳輸
多載波CDMA系統(tǒng)

CDMA + OFDM

三種類(lèi)型
MC-CDMA system
Multi-carrier DS-CDMA system
Multi-tone CDMA system
1.3 OFDM和多載波傳輸
多載波CDMA系統(tǒng)
頻域擴(kuò)頻
MC-CDMA system
擴(kuò)頻在頻域?qū)崿F(xiàn)
用給定擴(kuò)頻碼對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行擴(kuò)頻，然后對(duì)每個(gè)Chip用不同子載波進(jìn)行調(diào)制
1.3 OFDM和多載波傳輸
時(shí)域擴(kuò)頻
Multi-carrier DS-CDMA system
Multi-tone CDMA system
擴(kuò)頻在時(shí)域完成
用給定擴(kuò)頻碼對(duì)串并轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)進(jìn)行擴(kuò)頻，對(duì)各路數(shù)據(jù)用不同載波進(jìn)行傳輸
2. OFDM基本原理
2.1 基于FFT的OFDM系統(tǒng)
2.1基于FFT的OFDM系統(tǒng) OFDM 發(fā)射機(jī)
2.1基于FFT的OFDM系統(tǒng) OFDM 發(fā)射機(jī)
2.2 串行和并行的概念
OFDM系統(tǒng)中，利用串并轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)并行數(shù)據(jù)傳輸
2.2串行和并行的概念
串行傳輸
傳統(tǒng)串行通信系統(tǒng)中，符號(hào)連續(xù)串行傳輸每個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)占用所有可用頻帶
數(shù)據(jù)速率很高時(shí)，在頻率選擇性衰落信道和多徑時(shí)延擴(kuò)展信道中會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的符號(hào)間干擾

2.2串行和并行的概念
并行傳輸
單個(gè)數(shù)據(jù)只占用整個(gè)頻帶的一部分
由于整個(gè)信道帶寬被分割成多個(gè)窄帶子頻帶，單個(gè)信道的頻率響應(yīng)相對(duì)較為平坦
并行傳輸體制提供了對(duì)抗串行傳輸體制頻率選擇性衰落的可能性
2.3 調(diào)制與映射

數(shù)據(jù)到星座點(diǎn)的映射特性決定了調(diào)制特性
一個(gè)OFDM信號(hào)包含多個(gè)子載波之和，每個(gè)子載波可以是MPSK或QAM信號(hào)
OFDM常用的調(diào)制形式
MPSK
QAM
2.3.1 映射 - MPSK
2.3.1映射 - MPSK
舉例：8-PSK

2.3.2映射 - QAM
舉例：16QAM.
2.4 IFFT和 FFT
反DFT變換和DFT變換是OFDM實(shí)現(xiàn)的極其重要的一種方法
IFFT和FFT 算法是它們的快速實(shí)現(xiàn)形式
在 IEEE 802.11a中, IFFT 和 FFT的長(zhǎng)度是 N=64.

2.4.1 OFDM的IDFT/DFT信號(hào)表示
OFDM的IDFT/DFT信號(hào)表示
2.4.1 OFDM的IDFT/DFT信號(hào)表示
2.5 正交性
需考慮以下兩種子載波間的正交性情況
1. 每個(gè)子載波在FFT處理時(shí)間內(nèi)嚴(yán)格地有整數(shù)個(gè)周期.
2. 相鄰子載波的上述周期數(shù)正好相差為1.

2.5 正交性

Time domainFrequency domain
2.6保護(hù)間隔和循環(huán)前綴
OFDM符號(hào)
OFDM 符號(hào)周期
2.6 保護(hù)間隔和循環(huán)前綴
OFDM系統(tǒng)中，需考慮兩種類(lèi)型干擾
符號(hào)間干擾Intersymbol interference (ISI) ：同一子信道在連續(xù)的時(shí)間間隔為T(mén)的FFT幀之間的串?dāng)_
載波間干擾Inter-carrier interference (ICI) ：同一FFT幀內(nèi)相鄰子信道或頻帶間的串?dāng)_


2.6 保護(hù)間隔和循環(huán)前綴
2.6 保護(hù)間隔和循環(huán)前綴
為抑制ISI的影響，保護(hù)間隔內(nèi)不傳輸數(shù)據(jù).
保護(hù)間隔（或：循環(huán)前綴）在OFDM系統(tǒng)用來(lái)對(duì)抗多徑衰落.
:保護(hù)間隔
:多徑時(shí)延擴(kuò)展


上述情況下，雖然ISI得到很好抑制，但隨之出現(xiàn)了ICI問(wèn)題.
產(chǎn)生ICI的原因是：FFT間隔內(nèi)，子信道的周期數(shù)不再保持為整數(shù).
2.6保護(hù)間隔和循環(huán)前綴
2.6保護(hù)間隔和循環(huán)前綴
為抑制ICI，OFDM符號(hào)在保護(hù)間隔的構(gòu)造上采用循環(huán)擴(kuò)展的方式.
這樣OFDM符號(hào)在FFT處理間隔內(nèi)有整數(shù)個(gè)周期，即使延遲小于保護(hù)間隔也是這樣
2.6保護(hù)間隔和循環(huán)前綴
例如：在保護(hù)間隔內(nèi)填0，研究多徑的影響。
延遲后的2號(hào)載波會(huì)對(duì)1號(hào)載波形成ICI，反之亦然.
2.6保護(hù)間隔和循環(huán)前綴
包含保護(hù)間隔的OFDM符號(hào)的時(shí)域和頻域表示.
2.7 優(yōu)缺點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn)
能有效對(duì)抗時(shí)延擴(kuò)展
符號(hào)周期>> 信道沖激響應(yīng)時(shí)延擴(kuò)展
保護(hù)間隔

能對(duì)抗頻率選擇性衰落
每個(gè)子信道均可看成是平坦衰落

均衡簡(jiǎn)單
每個(gè)子信道均平坦衰落，用很簡(jiǎn)單的均衡結(jié)構(gòu)即可克服信道影響.

頻帶利用率高
子信道相互交疊且正交
2.7 優(yōu)缺點(diǎn)
缺點(diǎn)
同步問(wèn)題
符號(hào)同步
定時(shí)誤差
載波相位噪聲
頻率同步
采樣頻率同步
載波頻率同步


發(fā)射機(jī)、接收機(jī)需要FFT處理
復(fù)雜度較高

2.7 優(yōu)缺點(diǎn)
對(duì)載波頻率偏差敏感
造成ICI

峰平比PAPR高
影響1. 使AD、DA變換的復(fù)雜度大大提高.
影響2. 降低了射頻功率放大器的效率.
解決方案
1.信號(hào)畸變技術(shù)：采用非線(xiàn)性變換降低峰值附近幅度.
2.編碼技術(shù)：采用特殊設(shè)計(jì)的前向糾錯(cuò)碼
3. 擾碼技術(shù)：對(duì)OFDM符號(hào)采用不同序列進(jìn)行加擾處理以得到較小的峰平比。
3 OFDM 在Gaussian信道中的性能
3.1 高斯分布
高斯或者正態(tài)分布隨機(jī)變量的概率密度函數(shù)為

3.1 高斯分布
3.2 AWGN 信道模型
3.2 AWGN 信道模型
信號(hào)經(jīng)AWGN信道傳輸，只受到加性噪聲的影響
3.3 OFDM 系統(tǒng)在AWGN信道上的性能
3.3 OFDM 系統(tǒng)在AWGN信道上的性能
OFDM子載波的調(diào)制與傳統(tǒng)的串行通信調(diào)制類(lèi)似.
子載波的調(diào)制方案通常采用QAM或MPSK方式，接收端采用相干或非相干檢測(cè).
時(shí)域信道中引入的加性高斯白噪聲與頻域信道中引入的加性高斯白噪聲平均功率相同（根據(jù)帕塞瓦爾定理）。而OFDM系統(tǒng)在AWGN中的性能與串行系統(tǒng)一致。
與串行通信一樣，誤碼率與信噪比的關(guān)系決定于所采用的調(diào)制調(diào)制解調(diào)方案。
由下頁(yè)圖可以看出，OFDM系統(tǒng)的誤碼性能與傳統(tǒng)串行系統(tǒng)在AWGN中的誤碼性能保持一致.
3.3 OFDM 系統(tǒng)在AWGN信道上的性能
AWGN信道OFDM系統(tǒng)的誤碼特性（BPSK, QPSK, 8PSK,16-PSK）
3.3 OFDM 系統(tǒng)在AWGN信道上的性能
3.3 OFDM 系統(tǒng)在AWGN信道上的性能
AWGN信道OFDM系統(tǒng)的誤碼特性（BPSK/QPSK, 16QAM, 64QAM, 256QAM）.
3.3 OFDM 系統(tǒng)在AWGN信道上的性能
QAM
3.4 不同調(diào)制方式信號(hào)受AWGN影響的星座點(diǎn)分布
3.4不同調(diào)制方式信號(hào)受AWGN影響的星座點(diǎn)分布
(a) BPSK, SNR=10, (b) BPSK, SNR=20
3.4不同調(diào)制方式信號(hào)受AWGN影響的星座點(diǎn)分布
(c) QPSK, SNR=10, (d) QPSK, SNR=20;
3.4不同調(diào)制方式信號(hào)受AWGN影響的星座點(diǎn)分布
(e) 8PSK, SNR=10, (f) 8PSK, SNR=20;
3.4不同調(diào)制方式信號(hào)受AWGN影響的星座點(diǎn)分布
(g) 16PSK, SNR=10,(h) 16PSK, SNR=20;
3.4不同調(diào)制方式信號(hào)受AWGN影響的星座點(diǎn)分布
(i) 16QAM, SNR=10,(j) 16QAM, SNR=20
4OFDM 經(jīng)寬帶信道的傳輸特性
4.1 時(shí)間彌散信道模型
4.1時(shí)間彌散信道模型
各路徑增益為一復(fù)隨機(jī)變量，幅度為瑞利分布，相位為均勻分布.

各路徑的平均功率按指數(shù)規(guī)律衰減.
4.1 時(shí)間彌散信道模型
時(shí)間彌散信道數(shù)學(xué)模型如下
4.2 時(shí)間彌散信道對(duì)OFDM的影響
4.3 信道估計(jì)
信道估計(jì)的目的是估計(jì)出發(fā)送信號(hào)到達(dá)接收天線(xiàn)前的無(wú)線(xiàn)信道的頻率響應(yīng)特性.

信道估計(jì)可以采用時(shí)域或頻域方法來(lái)實(shí)現(xiàn).
時(shí)域信道估計(jì)
頻域信道估計(jì)
4.3.1 時(shí)域信道估計(jì)
時(shí)域信道估計(jì)在對(duì)訓(xùn)練符號(hào)進(jìn)行FFT處理之前進(jìn)行
得到的是信道沖激響應(yīng)，而不是信道頻率響應(yīng).
4.3.1 時(shí)域信道估計(jì)
接收的時(shí)域信號(hào)為
是信道沖激響應(yīng).
為之一數(shù)據(jù).
噪聲.
4.3.1 時(shí)域信道估計(jì)
時(shí)域卷積運(yùn)算可以表示為矩陣與向量的乘法.
參數(shù)L定義為沖激響應(yīng)的最大長(zhǎng)度, L<64.
4.3.1 時(shí)域信道估計(jì)
接收信號(hào)可表示為
4.3.1 時(shí)域信道估計(jì)
最小平方估計(jì)法
4.3.2 頻域信道估計(jì)
信道估計(jì)在頻域進(jìn)行
信道頻率響應(yīng)利用兩個(gè)重復(fù)的訓(xùn)練序列來(lái)估計(jì)
4.3.2 頻域信道估計(jì)
通過(guò)FFT變換，得到接收信號(hào)的頻域表示,
已知兩個(gè)重復(fù)的訓(xùn)練序列,
4.3.2 頻域信道估計(jì)
4.4 頻域均衡和時(shí)域均衡的比較

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