OFDM技術原理及在LTE中的應用課件

OFDM技術原理及在LTE中的應用中興通訊市場體系 LTE產(chǎn)品規(guī)劃部姓名 ：E-mail ：×××OFDM技術原理及在LTE中的應用中興通訊市場體系膠片修改記錄版本日期擬制人/修改人備注創(chuàng)建膠片修改記錄版本日期擬制人/修改人備注創(chuàng)建2無線信道的特點OFDM技術原理OFDM關鍵技術OFDM在LTE下行鏈路中的應用OFDM在LTE上行鏈路中的應用無線信道的特點無線信道的特點無線信道傳播特性無線信道的衰落多徑衰落造成的時間彌散性信道的時變性和頻率彌散性無線信道的特點無線信道傳播特性4無線信道傳播特性由于移動臺的運動，還會使無線信道呈現(xiàn)時變性，其中一種具體表現(xiàn)是會出現(xiàn)多普勒頻移。與其他信道相比，移動無線信道是最為復雜的一種;信號通過無線信道時，會遭受各種衰落的影響。一般來說接收信號的功率可以表達為：無線信道傳播特性由于移動臺的運動，還會使無線信道呈現(xiàn)時變性5無線信道的衰落無線信道的衰落6

對應一個發(fā)送脈沖信號，下圖給出接收端接收的信號情況。

由于時延擴展，接收信號中一個符號的波形會擴展到其他符號當中，造成符號間干擾（InterSymbolInterference，ISI）。多徑衰落造成的時間彌散性多徑衰落造成的時間彌散性7信道的時變性是指信道的傳遞函數(shù)是隨時間而變化的，即在不同的時刻發(fā)送相同的信號，在接收端收到的信號是不相同的；時變性在移動通信系統(tǒng)中的具體體現(xiàn)之一就是多普勒頻移（Dopplershift），即單一頻率信號經(jīng)過時變衰落信道之后會呈現(xiàn)為具有一定帶寬和頻率包絡的信號，稱為信道的頻率彌散性；頻率彌散性會造成信道間干擾(InterChannelInterference，ICI)。信道的時變性和頻率彌散性信道的時變性和頻率彌散性8OFDM技術原理OFDM基本思想OFDM調制解調的原理與實現(xiàn)OFDM保護間隔與循環(huán)前綴OFDM優(yōu)劣勢分析OFDM技術原理OFDM基本思想9OFDM將頻域劃分為多個子信道，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)流同時傳輸；OFDM子載波的帶寬<信道“相干帶寬”時，可以認為該信道是“非頻率選擇性信道”，所經(jīng)歷的衰落是“平坦衰落”；OFDM符號持續(xù)時間<信道“相干時間”時，信道可以等效為“線性時不變”系統(tǒng)，降低信道時間選擇性衰落對傳輸系統(tǒng)的影響。OFDM基本思想OFDM將頻域劃分為多個子信道，各相鄰子信道相互重疊，但不同10OFDM符號的調制原理OFDM符號的調制原理11OFDM符號的解調原理

所以：因為如下所示子載波之間的正交性：OFDM符號的解調原理所以：因為如下所示子載波之間的正交性：12OFDM的正交性—時域描述OFDM的正交性—時域描述13OFDM的正交性—頻域描述OFDM的正交性—頻域描述14調制與解調的IFFT及FFT實現(xiàn)形式令可以得到:則

調制與解調的IFFT及FFT實現(xiàn)形式令可以得到:則15OFDM調制與解調示意圖OFDM調制與解調示意圖16保護間隔與循環(huán)前綴—無保護間隔第1徑第2徑第1徑的第2個符號與第2徑的第1個符號疊加干擾在沒有保護間隔的情況下，由于多徑的存在，各徑之間將在交疊處產(chǎn)生符號間干擾(ISI)保護間隔與循環(huán)前綴—無保護間隔第1徑第2徑第1徑的第2個符號17保護間隔與循環(huán)前綴——加保護間隔保護間隔為了最大限度地消除符號間干擾，在OFDM符號之間插入保護間隔，保護間隔長度大于無線信道的最大時延擴展，這樣一個符號的多徑分量不會對下一個符號造成干擾

保護間隔與循環(huán)前綴——加保護間隔保護間隔為了18保護間隔與循環(huán)前綴——無循環(huán)前綴因多徑延時的存在，空閑的保護間隔進入到FFT的積分時間內(nèi)，導致積分時間內(nèi)不能包含整數(shù)個波形，破壞了載波間的正交性保護間隔與循環(huán)前綴——無循環(huán)前綴因多徑延時的存在19保護間隔與循環(huán)前綴——加循環(huán)前綴FFT積分區(qū)間為了避免空閑保護間隔由于多徑傳播造成子載波間的正交性破壞，將每個OFDM符號的后時間中的樣點復制到OFDM符號的前面，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)個波形保護間隔與循環(huán)前綴——加循環(huán)前綴FFT積分區(qū)間20OFDM原理框圖OFDM原理框圖21OFDM的時頻結構每列代表一個OFDM符號；每行代表一個OFDM子載波；OFDM的時頻結構每列代表一個OFDM符號；22OFDMA示意圖下行上行集中式下行上行分布式OFDMA示意圖下行上行集中式下行上行分布式23OFDM主要優(yōu)點將大帶寬劃分成多個小帶寬，可有效對抗頻率選擇性衰落；可以有效的對抗ISI，適用于多徑環(huán)境和衰落信道中的高速數(shù)據(jù)傳輸；可以最大限度的利用頻譜資源，由于子載波之間的正交性，允許子信道的頻譜相互重疊，提高頻譜利用率；正交調制和解調可以基于IDFT和DFT來實現(xiàn)；對于無線數(shù)據(jù)業(yè)務的非對稱性，可以通過使用不同數(shù)量的子信道來實現(xiàn)上行和下行的不同傳輸速率；可以通過動態(tài)子信道分配的方法，充分利用信噪比較高的子信道，提高系統(tǒng)吞吐量。OFDM主要優(yōu)點將大帶寬劃分成多個小帶寬，可有效對抗頻率選擇24OFDM主要缺點對頻率偏差敏感：傳輸過程中的頻率偏移（如多普勒頻率），或者接收機的本振和發(fā)射機的載頻之間的頻差，都會破壞OFDM系統(tǒng)子載波之間的正交性，導致信道間的信號相互干擾；存在較高的峰均比（PAPR）：OFDM調制的輸出是多個子信道的疊加，如果多個信號相位一致，疊加信號的瞬間功率會遠遠大于信號的平均功率，導致較大的峰均比，這對發(fā)射機中功率放大器的線性度提出了更高的要求，也降低了功放的效率。OFDM主要缺點對頻率偏差敏感：傳輸過程中的頻率偏移（如多普25OFDM關鍵技術同步技術信道估計技術峰均比信道編碼信道時變性的影響自適應技術OFDM關鍵技術同步技術26同步技術OFDM系統(tǒng)中的同步包括載波同步、樣值同步和符號同步三部分;載波同步是為了實現(xiàn)接收信號的相干解調，而符號同步是為了區(qū)分每個OFDM符號塊的邊界。因為每個OFDM符號塊包含N個樣值，樣值同步是為了使接收端的取樣時刻與發(fā)送端完全一致;OFDM系統(tǒng)的同步一般分為捕獲和跟蹤兩個階段，對于突發(fā)式的數(shù)據(jù)傳輸，一般是通過發(fā)送輔助信息來實現(xiàn)同步。與單載波系統(tǒng)相比，OFDM系統(tǒng)對同步精度的要求更高，同步偏差會在OFDM系統(tǒng)中引起ISI及ICI同步技術OFDM系統(tǒng)中的同步包括載波同步、樣值同步和符號同步27信道估計技術加入循環(huán)前綴后的OFDM系統(tǒng)可等效為N個獨立的并行子信道。如果不考慮信道噪聲，Ｎ個子信道上的接收信號等于各自子信道上的發(fā)送信號與信道的頻譜特性的乘積。如果通過估計方法預先獲知信道的頻譜特性，將各子信道上的接收信號與信道的頻譜特性相除，即可實現(xiàn)接收信號的正確解調;信道估計的方法有很多，在無線通信中，一般采用插入導頻的方法進行信道估計，如何設計導頻圖案和選擇性能好、復雜度低的信道估計算法是OFDM系統(tǒng)中的一項重要研究內(nèi)容。信道估計技術加入循環(huán)前綴后的OFDM系統(tǒng)可等效為N個獨立的并28峰均比在時域上，OFDM信號是Ｎ路正交子載波信號的疊加，當這Ｎ路信號按相同極性同時取最大值時，OFDM信號將產(chǎn)生最大的峰值。該峰值信號的功率與信號的平均功率之比，稱為峰值平均功率比，簡稱峰均比(PAPR)。在OFDM系統(tǒng)中，PAPR與Ｎ有關，Ｎ越大，PAPR的值越大，Ｎ=1024時，PAPR可達30dB。大的PAPR值，對發(fā)送端的功率放大器的線性度要求很高,并降低功放效率。如何降低OFDM信號的PAPR值對OFDM系統(tǒng)的性能和成本都有很大影響。峰均比在時域上，OFDM信號是Ｎ路正交子載波信號的疊加，當這29信道編碼信道編碼可顯著地提高數(shù)字通信系統(tǒng)的抗干擾能力；在OFDM系統(tǒng)中，可使用任意傳統(tǒng)的信道編碼，如分組碼、卷積碼、網(wǎng)格碼調制（TCM）及Turbo碼等；現(xiàn)在的發(fā)展方向是在OFDM系統(tǒng)中結合多天線技術使用空時編碼和空頻編碼，即所謂的MIMOOFDM技術，這項技術可顯著提高OFDM系統(tǒng)的性能，成為下一代無線通信系統(tǒng)的熱點技術。信道編碼信道編碼可顯著地提高數(shù)字通信系統(tǒng)的抗干擾能力；30信道時變性的影響信道的時變性引起接收信號的多普勒擴展，使OFDM信號的正交性遭到破壞，引起子載波之間的干擾，造成系統(tǒng)性能下降；克服多普勒擴展的傳統(tǒng)方法是采用信道編碼加交織技術來抵抗信道性能的下降；最近的發(fā)展是利用多普勒分集技術將多普勒擴展變害為利，從而提高系統(tǒng)的性能。信道時變性的影響信道的時變性引起接收信號的多普勒擴展，使OF31自適應技術 采用OFDM技術的好處是可以根據(jù)信道的頻率選擇性衰落情況動態(tài)的調整每個子載波上的信息比特數(shù)和發(fā)送功率，從而優(yōu)化系統(tǒng)性能，稱為自適應比特和功率分配，在許多文獻中也稱為自適應調制技術。自適應技術 采用OFDM技術的好處是可以根據(jù)信道的頻率選擇32OFDM在LTE下行鏈路中的應用OFDM資源的時頻結構OFDM主要參數(shù)OFDM在LTE下行鏈路中的應用OFDM資源的時頻結構33OFDM資源的時頻結構OFDM資源的時頻結構34OFDM主要參數(shù)下行鏈路的OFDM參數(shù)傳輸帶寬1.4MHz3MHz5MHz10MHz15MHz20MHz時隙長度0.5ms子載波間隔15kHz取樣頻率1.92MHz3.84MHz7.68MHz15.36MHz23.04MHz30.72MHz(1/2*3.84MHz)(1*3.84MHz)(2*3.84MHz)(4*3.84MHz)(6*3.84MHz)(8*3.84MHz)FFT點數(shù)128256512102415362048取樣時間(Ts)168424/31占用子載波數(shù)731813016019011201每時隙的OFDM符號數(shù)7forNormalcyclicprefix?f=15kHz;

6forExtendedcyclicprefix?f=15kHz;

3forExtendedcyclicprefix?f=7.5kHz;CP長度(Ts)常規(guī)?f=15kHz160forl=0；

144forl=1,2,3….,6擴展?f=15kHz512forl=0,1,2,3….,5擴展?f=7.5kHz1024forl=0,1,2OFDM主要參數(shù)下行鏈路的OFDM參數(shù)傳輸帶寬1.4MHz35OFDM在LTE上行鏈路中的應用DFT-S-OFDM概述DFT-S-OFDM原理框圖上行SC-FDMA多址方式幾個容易讓人困惑的問題OFDM在LTE上行鏈路中的應用DFT-S-OFDM概述36DFT-S-OFDM概述OFDM的峰均比較高，功放效率降低，導致整機電源效率降低；終端的配置越來越多，功能越來越強大，導致對終端電源效率提出越來越高的要求，而電池技術卻一直沒有突破性進展，因此對終端的節(jié)能技術提出了越來越高的要求；所以，LTE系統(tǒng)中上行鏈路采用SC-FDMA技術，以期降低PAPR，提高功放效率，延長電池壽命；DFT-S-OFDM可以認為是SC-FDMA的頻域產(chǎn)生方式，是OFDM在IFFT調制前進行了基于傅立葉變換的預編碼。DFT-S-OFDM概述OFDM的峰均比較高，功放效率降低，37DFT-S-OFDM原理框圖以長度為M的數(shù)據(jù)符號塊為單位完成DFT-S-OFDM的調制過程首先通過DFT離散傅里葉變換，獲取與這個長度為M的離散序列相對應的長度為M的頻域序列DFT的輸出信號送入N點的離散傅里葉反變換IDFT中去，其中N>M。IDFT的長度比DFT的長度長，IDFT多出的那一部分輸入用0補齊在IDFT之后，為避免符號干擾同樣為這一組數(shù)據(jù)添加循環(huán)前綴DFT-S-OFDM原理框圖以長度為M的數(shù)據(jù)符號塊為單位完成38上行SC-FDMA多址方式利用DFT-S-OFDM的特點可以方便的實現(xiàn)SC-FDMA多址接入方式通過改變不同用戶的DFT的輸出到IDFT輸入端的對應關系，輸入數(shù)據(jù)符號的頻譜可以被搬移至不同的位置，從而實現(xiàn)多用戶多址接入上行SC-FDMA多址方式利用DFT-S-OFDM的特點可以39幾個容易讓人困惑的問題1、為什么要進行DFT？ 因為OFDM的峰均比較高，所以需要采用一些措施來降峰均比。預編碼技術是降峰均比的手段之一，而DFT就可以認為是一種降峰均比的預編碼技術。2、IDFT的作用是什么？實現(xiàn)多用戶的復用功能（即FDMA多址技術），不同用戶補0位置不同，從而實現(xiàn)頻譜搬移，進而實現(xiàn)多用戶復用；將數(shù)據(jù)變換回時域。3、為什么SC-FDMA叫單載波？ 在發(fā)射端，每個用戶數(shù)據(jù)經(jīng)過DFT變換后其信息“擴散”到了分配給其的整個帶寬上，在IDFT之前的每個載波上的數(shù)據(jù)不是獨立的源數(shù)據(jù)，而是源數(shù)據(jù)的頻譜信息占據(jù)了分配給它的所有子