OFDM技術(shù)-原理PPT課件

OFDM技術(shù)基本原理,OFDM是一種特殊的多載波傳輸方案，它通過(guò)串并轉(zhuǎn)換將高速數(shù)據(jù)流分配到若干并行的低速子信道中進(jìn)行傳輸并行多載波傳輸對(duì)抗頻率選擇性衰落的性能比串行傳輸要強(qiáng),對(duì)抗ISI的能力比串行傳輸要強(qiáng),2.1OFDM基本原理,ModulationandDemodulationinanOFDMSystem,OFDM正交子載波,Time-FrequencyView,優(yōu)點(diǎn)1：抗多徑衰落,優(yōu)點(diǎn)3：Mitigateburstnoise,優(yōu)點(diǎn)4：高的頻譜利用率,優(yōu)點(diǎn)4：高的頻譜利用率,傳統(tǒng)的單載波系統(tǒng)：,假設(shè)M進(jìn)制調(diào)制，單載波，符號(hào)周期為T,頻帶帶寬：,Bit傳輸速率：,頻譜利用率：,優(yōu)點(diǎn)4：高的頻譜利用率,OFDM系統(tǒng)：,假設(shè)M進(jìn)制調(diào)制，N個(gè)子載波，符號(hào)周期為T，則1個(gè)OFDM符號(hào)周期為NT子載波間隔為：1/NT總的信號(hào)帶寬為：W=（N+1）/NT比特傳輸速率：,頻譜利用率：,缺點(diǎn)：,對(duì)頻率偏移敏感，同步要求高（后面解釋）高的峰均值平均功率比：OFDM信號(hào)是大量獨(dú)立同分布的子載波信號(hào)的疊加的結(jié)果，按中心極限定理，其信號(hào)幅度近似為高斯分布，因此具有較大的峰均值平均功率比,OFDM系統(tǒng)典型的收發(fā)機(jī)框圖,DFT的實(shí)現(xiàn),DFT&IDFT,OFDM符號(hào)表示：,2.2OFDM的關(guān)鍵技術(shù),N子載波數(shù)；TOFDM符號(hào)持續(xù)時(shí)間；,是分配給每個(gè)信道的數(shù)據(jù)符號(hào)；fi是第i個(gè)子載波的頻率,K=0,等效基帶形式：,OFDM信號(hào)的實(shí)現(xiàn)IDFT,s(t)的實(shí)部和虛部分別對(duì)應(yīng)OFDM符號(hào)的同相I和正交Q分量，與相應(yīng)子載波cos分量和sin分量相乘。對(duì)應(yīng)的離散信號(hào)為：,Ts為采樣間隔，它等于基帶符號(hào)的符號(hào)間隔或符號(hào)周期，滿足,IDFT,OFDM符號(hào)的解調(diào)-DFT,對(duì)第k個(gè)子載波進(jìn)行解調(diào)時(shí)（模擬基帶）：,對(duì)應(yīng)的數(shù)字基帶操作(思考：1/N與DSP上定義的差別),時(shí)域OFDM符號(hào),正交函數(shù)特性,根據(jù)以上分析，OFDM系統(tǒng)的調(diào)制解調(diào)可以分別由IDFT和DFT實(shí)現(xiàn)。通過(guò)N點(diǎn)的IDFT把頻域數(shù)據(jù)符號(hào)轉(zhuǎn)換為時(shí)域號(hào)，經(jīng)射頻載波調(diào)制后發(fā)送到無(wú)線信道中。,實(shí)際運(yùn)用中，常采用IFFT/FFT代替IDFT/DFT進(jìn)行調(diào)制，可以顯著降低運(yùn)算復(fù)雜度。對(duì)于N非常大的OFDM，可進(jìn)一步用基-4IFFT算法來(lái)實(shí)施傅里葉變換。,DFT的實(shí)現(xiàn),GI,Why?,WithoutGI:ISI,為了最大限度的消除碼間干擾，在每個(gè)符號(hào)之間插入保護(hù)間隔(GI),只要保護(hù)間隔長(zhǎng)度大于信道的最大時(shí)延就可以完全消除碼間干擾。這段保護(hù)間隔內(nèi)可以不插任何信號(hào)，即為空白傳輸段。,GI(續(xù)),Delayedpath,由于多徑傳播的影響，子載波間不再保持正交，從而產(chǎn)生ICI,因?yàn)镕FT積分區(qū)間內(nèi)，延遲的SC2不具有整數(shù)倍的周期,GI(續(xù)),GuardInterval,ICIofSC2onSC1,FFTIntegralTime,Subcarrier1,DelayedSubcarrier2,為了減小ICI，保護(hù)間不能是空白時(shí)段，OFDM可以在這段時(shí)間內(nèi)發(fā)送循環(huán)擴(kuò)展信號(hào)稱為循環(huán)前綴（CP）。加入CP后，只要CP最大時(shí)延，OFDM延時(shí)部分包含的子載波周期數(shù)也為整數(shù)，不會(huì)在解調(diào)過(guò)程中產(chǎn)生ICI。,循環(huán)前綴(CyclicPrefix),SC2withdelay,SC2withoutdelay,CyclicPrefixillustration,TG,T,To,子載波數(shù)的選擇,在信號(hào)占用總頻帶不變且數(shù)字調(diào)制方法不變的情況下，當(dāng)子載波數(shù)即并行信道數(shù)越多時(shí)，信息的傳輸速率越高，且其對(duì)于頻率選擇性衰落的承受能力更強(qiáng)。但同時(shí)其對(duì)時(shí)間選擇性衰弱更敏感，表現(xiàn)為對(duì)同步，特別是載波同步的要求非常的高，因?yàn)榇藭r(shí)每個(gè)子載波的信道變窄了。隨著子載波數(shù)的增加，子載波間的頻率間隔也相對(duì)減少,由信道多普勒擴(kuò)展而引入的頻偏將導(dǎo)致越來(lái)越大的ICI,同時(shí)隨著載波數(shù)的上升，系統(tǒng)對(duì)于FFT以及IFFT模塊的要求會(huì)不斷提高。,加窗技術(shù)(Windowing),右圖是子載波數(shù)分別為16、64、256時(shí)的歸一化(歸一化頻率為fT=fNTs)OFDM功率譜。其帶外功率譜密度衰減比較慢，即帶外輻射功率比較大，隨著子載波數(shù)量的增加，由于每個(gè)子載波功率譜密度主瓣和旁瓣變窄，故OFDM符號(hào)功率譜密度的下降速度會(huì)增加，但即使在256個(gè)子載波時(shí)40dB的帶寬仍會(huì)是3dB帶寬的4倍,將OFDM符號(hào)與升余弦窗函數(shù)在時(shí)域相乘，使得系統(tǒng)帶寬之外的功率可以快速下降。常采用的升余弦窗函數(shù)定義如下：,To表示加窗前的符號(hào)周期，加窗后符號(hào)周期變?yōu)?1+)To。,加窗技術(shù)(Windowing),經(jīng)過(guò)加窗處理后的OFDM符號(hào),加窗技術(shù)(Windowing),加窗技術(shù)(Windowing),加升余弦窗可以減小OFDM符號(hào)帶外輻射增大滾降系數(shù)，帶外輻射功率下降越快（P31Fig.2.20）增大滾降系數(shù)（滾降帶的寬度越寬），會(huì)降低OFDM符號(hào)對(duì)時(shí)延擴(kuò)展的容忍程度因?yàn)榧哟翱赡苁狗呛愣ú糠致涞紽FT時(shí)間段，使FFT時(shí)間段幅度非恒定，破壞子載波間正交性，引入ICI。同時(shí)前一符號(hào)的功率也泄露道后面OFDM符號(hào)的數(shù)據(jù)段，引入了ISI,RF調(diào)制,OFDM調(diào)制器的輸出產(chǎn)生了一個(gè)基帶信號(hào)，將此基帶信號(hào)與所需傳輸?shù)念l率進(jìn)行混頻操作，應(yīng)用如下圖所示的模擬技術(shù)或數(shù)字上變頻器可完成。數(shù)字調(diào)制技術(shù)更加精確。,OFDM基本參數(shù)的選擇,OFDM參數(shù)的選擇就是要在各種要求和沖突中進(jìn)行折中考慮。一般首先要確定OFDM的三個(gè)基本參數(shù)：帶寬（Bandwidth）、比特率（BitRate）及保護(hù)間隔（GuardInterval）。保護(hù)間隔按慣例取信道時(shí)延擴(kuò)展均方根值的24倍。OFDM符號(hào)的數(shù)據(jù)周期一般選取GI長(zhǎng)度的5倍。一方面，為減少插入保護(hù)比特帶來(lái)的信噪比損失，數(shù)據(jù)符號(hào)周期要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于GI長(zhǎng)度；另一方面，數(shù)據(jù)符號(hào)周期過(guò)大，導(dǎo)致子載波數(shù)增多，加大系統(tǒng)PAR和對(duì)頻率偏差的敏感度。信道所傳輸?shù)谋忍厮俾视烧{(diào)制類型、編碼速率和符號(hào)速率來(lái)確定。,系統(tǒng)子載波數(shù)N，每個(gè)子載波占用的帶寬1/NTs，系統(tǒng)帶寬B=1/Ts，循環(huán)前綴長(zhǎng)度NG，均為重要的設(shè)計(jì)參量。CP長(zhǎng)度應(yīng)為OFDM符號(hào)的一小部分，以減小由于CP引入帶來(lái)的系統(tǒng)功率損失。由于CP長(zhǎng)度直接與信道的最大時(shí)延擴(kuò)展max有關(guān)，通常OFDM符號(hào)長(zhǎng)度NTsmax，即子載波數(shù)NmaxB。子載波間隔1/NT比最大多普勒頻率fd大得多時(shí)，系統(tǒng)對(duì)多普勒擴(kuò)展和由此產(chǎn)生的IC