正交頻分多址技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

OFDM技術(shù)的實(shí)現(xiàn)課程內(nèi)容4.1OFDM信號(hào)的發(fā)生方法分立器件發(fā)生集成處理發(fā)生4.2OFDM中的IFFTDFT：從和到分IDFT：從分到和IFFT的作用4.3信號(hào)的發(fā)生算法離散余弦變換反向離散哈特利變換（IDHT）課程內(nèi)容實(shí)數(shù)IDFT變換復(fù)數(shù)IDFT變換各種OFDM生成算法對(duì)比4.4基于復(fù)數(shù)IFFT的OFDM信號(hào)發(fā)生輸入?yún)?shù)的處理輸出參數(shù)的處理發(fā)生OFDM信號(hào)的數(shù)據(jù)流程射頻信號(hào)的產(chǎn)生4.5WiFi與LTE中的ODFM技術(shù)WiFi中的OFDM課程內(nèi)容LTE中的OFDM深入了解OFDM相關(guān)技術(shù)4.6總結(jié)導(dǎo)讀：本章內(nèi)容是第三章內(nèi)容的延續(xù)，深入介紹了OFDM技術(shù)的實(shí)現(xiàn)過程。本章首先介紹了OFDM信號(hào)的兩種發(fā)生方法，詳細(xì)介紹了OFDM信號(hào)的各種算法，以及采用復(fù)數(shù)IFFT算法發(fā)生OFDM信號(hào)的詳細(xì)過程。本章還以LTE和WiFi為例，介紹了實(shí)現(xiàn)OFDM技術(shù)時(shí)的各種參數(shù)與配置。第一節(jié)OFDM信號(hào)的發(fā)生方法OFDM描述

OFDM技術(shù)基于多載波

這些載波是基于正交的子載波

OFDM信號(hào)發(fā)生有兩種途徑：基于分立器件的發(fā)生方法（依靠硬件實(shí)現(xiàn)）基于集成處理的發(fā)生方法（依靠軟件實(shí)現(xiàn)）OFDM的發(fā)展和現(xiàn)狀1971年，Weinstein和Ebert把離散傅里葉變換（DFT）應(yīng)用到并行傳輸系統(tǒng)中，作為調(diào)制和解調(diào)的一部分，這樣就不再利用帶通濾波器而是經(jīng)過基帶處理就可以實(shí)現(xiàn)FDM。（OFDM形成）20世紀(jì)80年代中期，歐洲在數(shù)字音頻廣播（DAB）方案中采用了這種并行傳輸方法，使得OFDM開始受到關(guān)注并且得到廣泛應(yīng)用。20世紀(jì)80年代后，OFDM漸漸在數(shù)據(jù)音頻廣播（DAB）、數(shù)字視頻廣播（DVB）、基于IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)限本例局域網(wǎng)（WLAN）以及有線電話網(wǎng)上基于現(xiàn)有銅雙絞線的非對(duì)稱高比特率數(shù)字用戶線技術(shù)（如ADSL）中得到了廣泛應(yīng)用。Wi-Fi和WiMAX技術(shù)的興起更是使得OFDM成為一種“時(shí)髦”的技術(shù)。3GPPLTE也采用了OFDM技術(shù)，預(yù)計(jì)未來的B3G技術(shù)也將基于OFDM。什么是OFDMOFDM（正交頻分復(fù)用：OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）是一種特殊的多載波傳輸方案，它可以被看作一種調(diào)制技術(shù)，也可以被當(dāng)作一種復(fù)用技術(shù)。OFDM結(jié)合了多載波調(diào)制(MCM)和頻移鍵控(FSK)，把高速的數(shù)據(jù)流分成多個(gè)平行的低速數(shù)據(jù)流，把每個(gè)低速的數(shù)據(jù)流分到每個(gè)單子載波上,在每個(gè)子載波上進(jìn)行FSK。選擇OFDM的一個(gè)主要原因在于該系統(tǒng)能夠很好地對(duì)抗頻率選擇性衰落或窄帶干擾。FDMFDM頻分復(fù)用FDM本質(zhì)上是一種多載波技術(shù)，設(shè)備使用多個(gè)載波同時(shí)工作。

GSM、CDMA等系統(tǒng)都廣泛使用。FDM頻分復(fù)用OFDM正交頻分復(fù)用單載波基帶調(diào)制射頻功放天線傳送的是基帶信號(hào)，需要經(jīng)過射頻調(diào)制后發(fā)射出去！容量計(jì)算---功率信道容量為C，B為信道帶寬；S/N為信噪比，通常用分貝（dB）表示。根據(jù)香農(nóng)公式，用戶帶寬不變，信道的容量與基站的發(fā)射功率為指數(shù)關(guān)系。通過提升功率實(shí)現(xiàn)大容量困難。如果容量提高10倍，需要功率提高1000倍。容量計(jì)算---帶寬根據(jù)香農(nóng)公式，用戶信噪比不變，信道的容量與帶寬成正比關(guān)系，通過提升帶寬提高容量較提升功率更容易實(shí)現(xiàn)。提升基帶頻率—系統(tǒng)升級(jí)換代采用多載波—擴(kuò)容從單載波到多載波引入多載波的原因：

1）帶寬容量受限2）發(fā)射功率提升受限解決辦法：1）提升基帶頻率2）采用多載波從單載波到多載波單載波簡(jiǎn)單疊加方式，需要多路天饋系統(tǒng)。調(diào)制1功放1基帶1天饋1調(diào)制2功放2基帶2天饋2調(diào)制3功放3基帶3天饋3從單載波到多載波頻譜單載波frequency傳統(tǒng)多載波frequency各載波頻點(diǎn)需要錯(cuò)開，保護(hù)間隔從多載波到FDMFDM引入合路器，可多個(gè)載波共用一副天饋。各頻點(diǎn)需要保護(hù)間隔。如GSM同扇區(qū)頻點(diǎn)不能相鄰。WCDMA基帶頻率低于載波帶寬，可以使用鄰頻。功放功放功放合路器天饋FDM的正交性各載波之間互不影響，是一種頻域上的正交。載波間需要頻率的保護(hù)間隔。功率正交。第二節(jié)OFDM為什么正交OFDM將頻域劃分為多個(gè)子信道，各相鄰子信道相互重疊，但不同子信道相互正交。將高速的串行數(shù)據(jù)流分解成若干并行的子數(shù)據(jù)流同時(shí)傳輸OFDM子載波的帶寬<信道“相干帶寬”時(shí)，可以認(rèn)為該信道是“非頻率選擇性信道”，所經(jīng)歷的衰落是“平坦衰落”O(jiān)FDM符號(hào)持續(xù)時(shí)間<信道“相干時(shí)間”時(shí)，信道可以等效為“線性時(shí)不變”系統(tǒng)，降低信道時(shí)間選擇性衰落對(duì)傳輸系統(tǒng)的影響OFDM的由來單載波OFDM：

OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing

正交頻分復(fù)用frequency傳統(tǒng)多載波frequencyOFDMfrequency能量正交特性如果信號(hào)能量正交，信號(hào)的互相關(guān)性為0。子載波之間能量正交滿足如下條件

1.子載波為正弦波或余弦波2.子載波的頻率是基波頻率的整數(shù)倍4.積分區(qū)間是基波的完整周期4.在基波的完整周期內(nèi)，子載波的幅值保持不變OFDM系統(tǒng)原理與實(shí)現(xiàn)——正交性在一個(gè)OFDM符號(hào)內(nèi)包含多個(gè)子載波。所有的子載波都具有相同的幅值和相位，從圖中可以看出，每個(gè)子載波在一個(gè)OFDM符號(hào)周期內(nèi)都包含整數(shù)倍個(gè)周期，而且各個(gè)相鄰的子載波之間相差1個(gè)周期。OFDM的正交性—時(shí)域描述正交性對(duì)第j個(gè)子載波進(jìn)行解調(diào)，然后在時(shí)間長(zhǎng)度T內(nèi)進(jìn)行積分對(duì)第j個(gè)子載波進(jìn)行解調(diào)可以恢復(fù)出期望符號(hào)。而對(duì)其它載波由于在積分時(shí)間內(nèi)，頻率差別(i-j)/T可以產(chǎn)生整數(shù)倍個(gè)周期，所以積分結(jié)果為零。一個(gè)OFDM符號(hào)周期內(nèi)4個(gè)子載波的實(shí)例OFDM系統(tǒng)原理與實(shí)現(xiàn)——正交性第三節(jié)為何使用OFDM優(yōu)點(diǎn)減輕符號(hào)間干擾；。對(duì)抗頻率選擇性衰落；易于與MIMO（多入多出）結(jié)合；帶寬靈活，可利用大帶寬；更高的頻譜利用率。OFDM技術(shù)的優(yōu)勢(shì)-頻譜效率高各子載波可以部分重疊，理論上可以接近Nyquist極限。實(shí)現(xiàn)小區(qū)內(nèi)各用戶之間的正交性，避免用戶間干擾，取得很高的小區(qū)容量。相對(duì)單載波系統(tǒng)（WCDMA），多載波技術(shù)是更直接實(shí)現(xiàn)正交傳輸?shù)姆椒∣FDM技術(shù)的優(yōu)勢(shì)-帶寬擴(kuò)展性強(qiáng)OFDM系統(tǒng)的信號(hào)帶寬取決于使用的子載波數(shù)量，幾百kHz—幾百M(fèi)Hz都較容易實(shí)現(xiàn)，F(xiàn)FT尺寸帶來的系統(tǒng)復(fù)雜度增加相對(duì)并不明顯。非常有利于實(shí)現(xiàn)未來寬帶移動(dòng)通信所需的更大帶寬，也更便于使用2G系統(tǒng)退出市場(chǎng)后留下的小片頻譜。單載波CDMA只能依賴提高碼片速率或多載波CDMA的方式支持更大帶寬，都可能造成接收機(jī)復(fù)雜度大幅上升。OFDM系統(tǒng)對(duì)大帶寬的有效支持成為其相對(duì)單載波技術(shù)的決定性優(yōu)勢(shì)。OFDM技術(shù)的優(yōu)勢(shì)-抗多徑衰落多徑干擾在系統(tǒng)帶寬增加到5MHz以上變得相當(dāng)嚴(yán)重。OFDM將寬帶轉(zhuǎn)化為窄帶傳輸，每個(gè)子載波上可看作平坦衰落信道。插入CP可以用單抽頭頻域均衡（FDE）糾正信道失真，大大降低了接收機(jī)均衡器的復(fù)雜度單載波信號(hào)的多徑均衡復(fù)雜度隨著帶寬的增大而急劇增加，很難支持較大的帶寬。對(duì)于更大帶寬20M以上，OFDM優(yōu)勢(shì)更加明顯OFDM技術(shù)的優(yōu)勢(shì)-頻域調(diào)度和自適應(yīng)集中式、分布式子載波分配方式集中式子載波分配方式：時(shí)域調(diào)度、頻域調(diào)度分布式子載波分配方式：終端高速移動(dòng)或低信干噪比，無(wú)法有效頻域調(diào)度OFDM技術(shù)的優(yōu)勢(shì)-實(shí)現(xiàn)MIMO技術(shù)簡(jiǎn)單MIMO技術(shù)關(guān)鍵是有效避免天線間的干擾（IAI），以區(qū)分多個(gè)并行數(shù)據(jù)流。在平坦衰落信道可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的MIMO接收。頻率選擇性衰落信道中，IAI和符號(hào)間干擾（ISI）混合在一起，很難將MIMO接收和信道均衡分開處理

OFDM面臨的挑戰(zhàn)如何解決信號(hào)時(shí)延；如何處理高峰均比；如何對(duì)抗頻偏；保護(hù)間隔(GuardInterval)和循環(huán)前綴(cyclicprefix)保護(hù)間隔(GuardInterval)和循環(huán)前綴(cyclicprefix)保護(hù)間隔與循環(huán)前綴—無(wú)保護(hù)間隔第1徑第2徑第1徑的第2個(gè)符號(hào)與第2徑的第1個(gè)符號(hào)疊加干擾在沒有保護(hù)間隔的情況下，由于多徑的存在，各徑之間將在交疊處產(chǎn)生符號(hào)間干擾(ISI)保護(hù)間隔與循環(huán)前綴——加保護(hù)間隔保護(hù)間隔為了最大限度地消除符號(hào)間干擾，在OFDM符號(hào)之間插入保護(hù)間隔，保護(hù)間隔長(zhǎng)度大于無(wú)線信道的最大時(shí)延擴(kuò)展，這樣一個(gè)符號(hào)的多徑分量不會(huì)對(duì)下一個(gè)符號(hào)造成干擾

保護(hù)間隔與循環(huán)前綴——無(wú)循環(huán)前綴因多徑延時(shí)的存在，空閑的保護(hù)間隔進(jìn)入到FFT的積分時(shí)間內(nèi)，導(dǎo)致積分時(shí)間內(nèi)不能包含整數(shù)個(gè)波形，破壞了載波間的正交性保護(hù)間隔與循環(huán)前綴——加循環(huán)前綴FFT積分區(qū)間為了避免空閑保護(hù)間隔由于多徑傳播造成子載波間的正交性破壞，將每個(gè)OFDM符號(hào)的后時(shí)間中的樣點(diǎn)復(fù)制到OFDM符號(hào)的前面，形成循環(huán)前綴(cyclicprefix)

只要各徑的延遲不超過Tg，都能保正在FFT的積分區(qū)間內(nèi)包含各徑各子載波的整數(shù)個(gè)波形CP長(zhǎng)度的確定CP長(zhǎng)度的考慮因素：頻譜效率/符號(hào)間干擾和子載波間干擾越短越好：越長(zhǎng)，CP開銷越大，系統(tǒng)頻譜效率越低越長(zhǎng)越好：可以避免符號(hào)間干擾和子載波間干擾應(yīng)對(duì)頻率選擇性衰落-窄帶并行傳輸化零為整，簡(jiǎn)化接收機(jī)的信道均衡操作避免符號(hào)間干擾和天線間干擾相互混雜，有效分離信道均衡和MIMO檢測(cè)OFDM不足——峰均比高下行使用高性能功放，上行采用SC-FDMA以改善蜂均比多普勒頻移多普勒頻移設(shè)手機(jī)發(fā)出信號(hào)頻率為fT，基站收到的信號(hào)頻率為fR，相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度為Ｖ，Ｃ為電磁波在自由空間的傳播速度(光速)