OFDM技术 原理PPT课件

OFDM技术基本原理 OFDM是一种特殊的多载波传输方案 它通过串并转换将高速数据流分配到若干并行的低速子信道中进行传输并行多载波传输对抗频率选择性衰落的性能比串行传输要强 对抗ISI的能力比串行传输要强 2 1OFDM基本原理 ModulationandDemodulationinanOFDMSystem OFDM正交子载波 Time FrequencyView 优点1 抗多径衰落 优点3 Mitigateburstnoise 优点4 高的频谱利用率 优点4 高的频谱利用率 传统的单载波系统 假设M进制调制 单载波 符号周期为T 频带带宽 Bit传输速率 频谱利用率 优点4 高的频谱利用率 OFDM系统 假设M进制调制 N个子载波 符号周期为T 则1个OFDM符号周期为NT子载波间隔为 1 NT总的信号带宽为 W N 1 NT比特传输速率 频谱利用率 缺点 对频率偏移敏感 同步要求高 后面解释 高的峰均值平均功率比 OFDM信号是大量独立同分布的子载波信号的叠加的结果 按中心极限定理 其信号幅度近似为高斯分布 因此具有较大的峰均值平均功率比 OFDM系统典型的收发机框图 DFT的实现 DFT IDFT OFDM符号表示 2 2OFDM的关键技术 N 子载波数 T OFDM符号持续时间 是分配给每个信道的数据符号 fi是第i个子载波的频率 K 0 等效基带形式 OFDM信号的实现IDFT s t 的实部和虚部分别对应OFDM符号的同相I和正交Q分量 与相应子载波cos分量和sin分量相乘 对应的离散信号为 Ts为采样间隔 它等于基带符号的符号间隔或符号周期 满足 IDFT OFDM符号的解调 DFT 对第k个子载波进行解调时 模拟基带 对应的数字基带操作 思考 1 N与DSP上定义的差别 时域OFDM符号 正交函数特性 根据以上分析 OFDM系统的调制解调可以分别由IDFT和DFT实现 通过N点的IDFT把频域数据符号转换为时域号 经射频载波调制后发送到无线信道中 实际运用中 常采用IFFT FFT代替IDFT DFT进行调制 可以显著降低运算复杂度 对于N非常大的OFDM 可进一步用基 4IFFT算法来实施傅里叶变换 DFT的实现 GI Why WithoutGI ISI 为了最大限度的消除码间干扰 在每个符号之间插入保护间隔 GI 只要保护间隔长度大于信道的最大时延就可以完全消除码间干扰 这段保护间隔内可以不插任何信号 即为空白传输段 GI 续 Delayedpath 由于多径传播的影响 子载波间不再保持正交 从而产生ICI 因为FFT积分区间内 延迟的SC2不具有整数倍的周期 GI 续 GuardInterval ICIofSC2onSC1 FFTIntegralTime Subcarrier1 DelayedSubcarrier2 为了减小ICI 保护间不能是空白时段 OFDM可以在这段时间内发送循环扩展信号称为循环前缀 CP 加入CP后 只要CP 最大时延 OFDM延时部分包含的子载波周期数也为整数 不会在解调过程中产生ICI 循环前缀 CyclicPrefix SC2withdelay SC2withoutdelay CyclicPrefixillustration TG T To 子载波数的选择 在信号占用总频带不变且数字调制方法不变的情况下 当子载波数即并行信道数越多时 信息的传输速率越高 且其对于频率选择性衰落的承受能力更强 但同时其对时间选择性衰弱更敏感 表现为对同步 特别是载波同步的要求非常的高 因为此时每个子载波的信道变窄了 随着子载波数的增加 子载波间的频率间隔也相对减少 由信道多普勒扩展而引入的频偏将导致越来越大的ICI 同时随着载波数的上升 系统对于FFT以及IFFT模块的要求会不断提高 加窗技术 Windowing 右图是子载波数分别为16 64 256时的归一化 归一化频率为fT fNTs OFDM功率谱 其带外功率谱密度衰减比较慢 即带外辐射功率比较大 随着子载波数量的增加 由于每个子载波功率谱密度主瓣和旁瓣变窄 故OFDM符号功率谱密度的下降速度会增加 但即使在256个子载波时 40dB的带宽仍会是 3dB带宽的4倍 将OFDM符号与升余弦窗函数在时域相乘 使得系统带宽之外的功率可以快速下降 常采用的升余弦窗函数定义如下 To表示加窗前的符号周期 加窗后符号周期变为 1 To 加窗技术 Windowing 经过加窗处理后的OFDM符号 加窗技术 Windowing 加窗技术 Windowing 加升余弦窗可以减小OFDM符号带外辐射增大滚降系数 带外辐射功率下降越快 P31Fig 2 20 增大滚降系数 滚降带的宽度越宽 会降低OFDM符号对时延扩展的容忍程度因为加窗可能使非恒定部分落到FFT时间段 使FFT时间段幅度非恒定 破坏子载波间正交性 引入ICI 同时前一符号的功率也泄露道后面OFDM符号的数据段 引入了ISI RF调制 OFDM调制器的输出产生了一个基带信号 将此基带信号与所需传输的频率进行混频操作 应用如下图所示的模拟技术或数字上变频器可完成 数字调制技术更加精确 OFDM基本参数的选择 OFDM参数的选择就是要在各种要求和冲突中进行折中考虑 一般首先要确定OFDM的三个基本参数 带宽 Bandwidth 比特率 BitRate 及保护间隔 GuardInterval 保护间隔按惯例取信道时延扩展均方根值的2 4倍 OFDM符号的数据周期一般选取GI长度的5倍 一方面 为减少插入保护比特带来的信噪比损失 数据符号周期要远远大于GI长度 另一方面 数据符号周期过大 导致子载波数增多 加大系统PAR和对频率偏差的敏感度 信道所传输的比特速率由调制类型 编码速率和符号速率来确定 系统子载波数N 每个子载波占用的带宽1 NTs 系统带宽B 1 Ts 循环前缀长度NG 均为重要的设计参量 CP长度应为OFDM符号的一小部分 以减小由于CP引入带来的系统功率损失 由于CP长度直接与信道的最大时延扩展 max有关 通常OFDM符号长度NTs max 即子载波数N maxB 子载波间隔1 NT比最大多普勒频率fd大得多时 系统对多普勒扩展和由此产生的ICI相对不敏感 所以 子载波数应满足fd 1 NTs 即N B fd 于是 子载波数约束条件 maxB N B fd OFDM基本参数的选择 OFDM系统设计举例 BitRate 25Mbit sTolerabledelayspread 200nsBandwidth 18MHz RFBandwidth OFDM系统设计举例 ofbitsineachOFDMsymbol Equivalent ofSubcarriers Symbols n16QAMwithR 1 2CC n 4 R 120 n 60W1 60 250kHz 15MHz 18MHz SignalBandwidth DatabitsineachOFDMsymbol Subcarriers Sy