【資料名稱】：OFDM技術課件

【資料作者】：西安郵電學院

【資料日期】：未知

【資料語言】：中文

【資料格式】：PPT

【資料目錄和簡介】：


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在無線通信領域得到重視
數(shù)據(jù)傳輸速率高
能有效對抗頻率選擇性衰落


OFDM技術是一種多載波傳輸技術，將可用頻譜分成多個子載波，每個子載波用一路低速數(shù)據(jù)進行調制


1.1 引言
OFDM既可以看作是一種調制技術，也可以看作是一種復接技術.
調制技術
從輸入輸出信號間的關系來看

復接技術
輸出信號可以看作是各個調制信號之和

1.1 引言
利用FFT/IFFT變換替代一系列正交載波的調制與解調，大大降低了OFDM系統(tǒng)實現(xiàn)的復雜度
1.1 引言
通過引入保護間隔可以幾乎完全消除符號間干擾

以填0的方式引入保護間隔




抑制符號間干擾示意圖
1.1 引言
在保護間隔內，OFDM符號以循環(huán)擴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
能有效對抗多徑影響
對抗頻率選擇性衰落
頻帶利用率高

OFDM的缺點
同步實現(xiàn)難度大
發(fā)射機與接收機中需要完成復雜的FFT或IFFT運算
對載波頻偏敏感
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)傳輸和頻分復用（FDM）

1960年代，OFDM在一些高頻軍事通信系統(tǒng)中得到應用
1.2 OFDM發(fā)展歷史
1971年， Weinstein 和 Ebert 提出利用DFT變換來實現(xiàn)OFDM的調制解調.
進一步利用FFT變換為降低OFDM的實現(xiàn)復雜度提供了條件
1980年代，人們研究在數(shù)字移動通信的高速調制解調和高密度存儲中應用OFDM技術
利用導頻加強載波和頻率的穩(wěn)定性
引入網(wǎng)格編碼技術
COFDM
1980年， Hirosaki提出采用均衡算法克服由于信道沖激響應不理想以及定時和頻率偏差造成的符號間干擾ISI和載波間干擾ICI
1980年， Hirosaki還提出基于DFT實現(xiàn)的OFDM系統(tǒng)
1.2 OFDM發(fā)展歷史
1990年代，OFDM技術在寬帶數(shù)據(jù)通信中得到應用
基于FM信道的移動廣播系統(tǒng)
有線傳輸
HDSL
ADSL
VDSL
DAB
DVB
HDTV
三個標準：歐洲 COFDM、北美8-VSB、日本 BST-OFDM
無線局域網(wǎng)
HIPERLAN2 (歐洲)
IEEE 802.11a (美國)
IEEE 802.11g (美國)
1.2 OFDM發(fā)展歷史
現(xiàn)在，OFDM已成為歐洲的DAB和HDTV標準
4G的首選方案
OFDM/UWB (802.15.3a)
IEEE 802.16
IEEE 802.20
802.20標準，即移動寬帶無線接入(MBWA)定義為，一個空中接口符合物理層（PHY）和介質訪問控制層（MAC）規(guī)范的公共移動寬帶無線接入系統(tǒng)。該接口工作在低于3.5GHz的許可頻段之內，可優(yōu)化IP數(shù)據(jù)傳輸，支持上限為250km/h的不同移動速度的應用環(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)覆蓋范圍相當于城域網(wǎng)，頻譜效率、用戶的數(shù)據(jù)速率和激活用戶數(shù)目大大高于現(xiàn)有移動系統(tǒng)。
802.20標準的關鍵優(yōu)勢是，對于高速移動狀態(tài)下的通信連接擁有很好的支持能力。它填補了目前的IEEE802寬帶無線接入服務(高速率、低移動性)與全球蜂窩移動通信系統(tǒng)服務(低速率、高移動性)的空白，提供比移動通信系統(tǒng)更高的速率和比802寬帶接入更高的移動性能。通過MBWA系統(tǒng)，可以滿足用戶在高速移動中隨時隨地接入Internet、全面支持Internet功能、接入企業(yè)內部網(wǎng)絡開展業(yè)務與全面接入信息業(yè)務系統(tǒng)和區(qū)域性業(yè)務系統(tǒng)共四個方面的需求。
1.3 OFDM 和 多載波傳輸
多載波傳輸將串行數(shù)據(jù)流用多個低速數(shù)據(jù)通過不同載波傳輸，OFDM是多載波傳輸?shù)囊环N

單載波傳輸
每個用戶在任何時候都利用單一載波進行發(fā)送和接收數(shù)據(jù)
多載波傳輸
每個用戶可以同時利用多個載波進行發(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)
頻域擴頻
MC-CDMA system
擴頻在頻域實現(xiàn)
用給定擴頻碼對原始數(shù)據(jù)進行擴頻，然后對每個Chip用不同子載波進行調制
1.3 OFDM和多載波傳輸
時域擴頻
Multi-carrier DS-CDMA system
Multi-tone CDMA system
擴頻在時域完成
用給定擴頻碼對串并轉換后數(shù)據(jù)進行擴頻，對各路數(shù)據(jù)用不同載波進行傳輸
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
2.1基于FFT的OFDM系統(tǒng) OFDM 發(fā)射機
2.2 串行和并行的概念
OFDM系統(tǒng)中，利用串并轉換實現(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，符號連續(xù)串行傳輸每個數(shù)據(jù)符號占用所有可用頻帶
數(shù)據(jù)速率很高時，在頻率選擇性衰落信道和多徑時延擴展信道中會產(chǎn)生嚴重的符號間干擾

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

數(shù)據(jù)到星座點的映射特性決定了調制特性
一個OFDM信號包含多個子載波之和，每個子載波可以是MPSK或QAM信號
OFDM常用的調制形式
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實現(xiàn)的極其重要的一種方法
IFFT和FFT 算法是它們的快速實現(xiàn)形式
在 IEEE 802.11a中, IFFT 和 FFT的長度是 N=64.

2.4.1 OFDM的IDFT/DFT信號表示
OFDM的IDFT/DFT信號表示
2.4.1 OFDM的IDFT/DFT信號表示
2.5 正交性
需考慮以下兩種子載波間的正交性情況
1. 每個子載波在FFT處理時間內嚴格地有整數(shù)個周期.
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保護間隔和循環(huán)前綴
OFDM符號
OFDM 符號周期
2.6 保護間隔和循環(huán)前綴
OFDM系統(tǒng)中，需考慮兩種類型干擾
符號間干擾Intersymbol interference (ISI) ：同一子信道在連續(xù)的時間間隔為T的FFT幀之間的串擾
載波間干擾Inter-carrier interference (ICI) ：同一FFT幀內相鄰子信道或頻帶間的串擾


2.6 保護間隔和循環(huán)前綴
2.6 保護間隔和循環(huán)前綴
為抑制ISI的影響，保護間隔內不傳輸數(shù)據(jù).
保護間隔（或：循環(huán)前綴）在OFDM系統(tǒng)用來對抗多徑衰落.
:保護間隔
:多徑時延擴展


上述情況下，雖然ISI得到很好抑制，但隨之出現(xiàn)了ICI問題.
產(chǎn)生ICI的原因是：FFT間隔內，子信道的周期數(shù)不再保持為整數(shù).
2.6保護間隔和循環(huán)前綴
2.6保護間隔和循環(huán)前綴
為抑制ICI，OFDM符號在保護間隔的構造上采用循環(huán)擴展的方式.
這樣OFDM符號在FFT處理間隔內有整數(shù)個周期，即使延遲小于保護間隔也是這樣
2.6保護間隔和循環(huán)前綴
例如：在保護間隔內填0，研究多徑的影響。
延遲后的2號載波會對1號載波形成ICI，反之亦然.
2.6保護間隔和循環(huán)前綴
包含保護間隔的OFDM符號的時域和頻域表示.
2.7 優(yōu)缺點
優(yōu)點
能有效對抗時延擴展
符號周期>> 信道沖激響應時延擴展
保護間隔

能對抗頻率選擇性衰落
每個子信道均可看成是平坦衰落

均衡簡單
每個子信道均平坦衰落，用很簡單的均衡結構即可克服信道影響.

頻帶利用率高
子信道相互交疊且正交
2.7 優(yōu)缺點
缺點
同步問題
符號同步
定時誤差
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、接收機需要FFT處理
復雜度較高

2.7 優(yōu)缺點
對載波頻率偏差敏感
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.信號畸變技術：采用非線性變換降低峰值附近幅度.
2.編碼技術：采用特殊設計的前向糾錯碼
3. 擾碼技術：對OFDM符號采用不同序列進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子載波的調制與傳統(tǒng)的串行通信調制類似.
子載波的調制方案通常采用QAM或MPSK方式，接收端采用相干或非相干檢測.
時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系決定于所采用的調制調制解調方案。
由下頁圖可以看出，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 不同調制方式信號受AWGN影響的星座點分布
3.4不同調制方式信號受AWGN影響的星座點分布
(a) BPSK, SNR=10, (b) BPSK, SNR=20
3.4不同調制方式信號受AWGN影響的星座點分布
(c) QPSK, SNR=10, (d) QPSK, SNR=20;
3.4不同調制方式信號受AWGN影響的星座點分布
(e) 8PSK, SNR=10, (f) 8PSK, SNR=20;
3.4不同調制方式信號受AWGN影響的星座點分布
(g) 16PSK, SNR=10,(h) 16PSK, SNR=20;
3.4不同調制方式信號受AWGN影響的星座點分布
(i) 16QAM, SNR=10,(j) 16QAM, SNR=20
4OFDM 經(jīng)寬帶信道的傳輸特性
4.1 時間彌散信道模型
4.1時間彌散信道模型
各路徑增益為一復隨機變量，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 時間彌散信道模型
時間彌散信道數(shù)學模型如下
4.2 時間彌散信道對OFDM的影響
4.3 信道估計
信道估計的目的是估計出發(fā)送信號到達接收天線前的無線信道的頻率響應特性.

信道估計可以采用時域或頻域方法來實現(xiàn).
時域信道估計
頻域信道估計
4.3.1 時域信道估計
時域信道估計在對訓練符號進行FFT處理之前進行
得到的是信道沖激響應，而不是信道頻率響應.
4.3.1 時域信道估計
接收的時域信號為
是信道沖激響應.
為之一數(shù)據(jù).
噪聲.
4.3.1 時域信道估計
時域卷積運算可以表示為矩陣與向量的乘法.
參數(shù)L定義為沖激響應的最大長度, L<64.
4.3.1 時域信道估計
接收信號可表示為
4.3.1 時域信道估計
最小平方估計法
4.3.2 頻域信道估計
信道估計在頻域進行
信道頻率響應利用兩個重復的訓練序列來估計
4.3.2 頻域信道估計
通過FFT變換，得到接收信號的頻域表示,
已知兩個重復的訓練序列,
4.3.2 頻域信道估計
4.4 頻域均衡和時域均衡的比較

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