正交频分多址

1、 OFDM原理课程内容n3.1 OFDM前传：前传：FDMlOFDM与FDMl从单载波到多载波l从多载波到FDMl其实FDM也正交n3.2 OFDM为什么正交为什么正交lOFDM正交的含义lOFDM如何正交l深入理解OFDM的能量正交课程内容n3.3 为何使用为何使用OFDMl为什么要用OFDMlOFDM面临的挑战n3.4 OFDM信号的波形与频谱信号的波形与频谱lOFDM信号的处理过程l发生过程的波形与频谱l接收过程的波形与频谱n3.5 总结总结 ZTE Corporation. All rights reserved导读：n本章首先从FDM开始，分析FDM是否正交；接下来介绍了OFDM的正

2、交性；然后分析了OFDM的技术优势及面临的挑战；最后介绍OFDM信号的波形与频谱。 ZTE Corporation. All rights reserved第一节 OFDM前传：FDMOFDM的起源为了解决低效利用频谱资源问题，在20世纪60年代提出一种思想，即使用子信道频谱相互覆盖的并行数据传输和FDM，要求每个子信道内承载的信号传输速率为b，而且各子信道在频域的距离也是b，这样可以对抗窄带脉冲噪声和多径衰落，而且还可以充分的利用可用的频谱资源。（OFDM的雏形）随即，这种技术就被应用到多种高频军事系统中，其中包括KINEPLEX，ANDEFT以及KNTHRYN等。 ZTE Corporat

3、ion. All rights reservedOFDM的发展和现状n1971年，Weinstein和Ebert把离散傅里叶变换（DFT）应用到并行传输系统中，作为调制和解调的一部分，这样就不再利用带通滤波器而是经过基带处理就可以实现FDM。（OFDM形成）n20世纪80年代中期，欧洲在数字音频广播（DAB）方案中采用了这种并行传输方法，使得OFDM开始受到关注并且得到广泛应用。n20世纪80年代后，OFDM渐渐在数据音频广播（DAB）、数字视频广播（DVB）、基于IEEE802.11标准的无限本例局域网（WLAN）以及有线电话网上基于现有铜双绞线的非对称高比特率数字用户线技术（如ADSL）中

4、得到了广泛应用。nWi-Fi和WiMAX技术的兴起更是使得OFDM成为一种“时髦”的技术。n3GPP LTE也采用了OFDM技术，预计未来的B3G技术也将基于OFDM。 ZTE Corporation. All rights reserved什么是OFDMnOFDM（正交频分复用：Orthogonal Frequency Division Multiplexing）是一种特殊的多载波传输方案，它可以被看作一种调制技术，也可以被当作一种复用技术。OFDM结合了多载波调制(MCM)和频移键控(FSK)，把高速的数据流分成多个平行的低速数据流，把每个低速的数据流分到每个单子载波上,在每个子载波上进行

5、FSK。n选择OFDM的一个主要原因在于该系统能够很好地对抗频率选择性衰落或窄带干扰。 ZTE Corporation. All rights reservedFDMlFDM 频分复用 FDM本质上是一种多载波技术，设备使用多个载波同时工作。 GSM、CDMA等系统都广泛使用。 FDM频分复用 OFDM正交频分复用 ZTE Corporation. All rights reserved单载波基带调制射频功放天线l传送的是基带信号，需要经过射频调制后发射出去！ ZTE Corporation. All rights reserved容量计算-功率l信道容量为C，B为信道带宽；S/N为信噪比，通

6、常用分贝（dB）表示。l根据香农公式，用户带宽不变，信道的容量与基站的发射功率为指数关系。通过提升功率实现大容量困难。如果容量提高10倍，需要功率提高1000倍。 ZTE Corporation. All rights reserved容量计算-带宽l根据香农公式，用户信噪比不变，信道的容量与带宽成正比关系，通过提升带宽提高容量较提升功率更容易实现。l提升基带频率系统升级换代l采用多载波扩容 ZTE Corporation. All rights reserved从单载波到多载波n引入多载波的原因： 1） 带宽容量受限 2） 发射功率提升受限n解决办法： 1）提升基带频率 2）采用多载波 ZT

7、E Corporation. All rights reserved从单载波到多载波l单载波简单叠加方式，需要多路天馈系统。调制1功放1基带1天馈1调制2功放2基带2天馈2调制3功放3基带3天馈3 ZTE Corporation. All rights reserved从单载波到多载波频谱单载波frequency传统多载波frequency各载波频点需要错开，保护间隔 ZTE Corporation. All rights reserved从多载波到FDMlFDM引入合路器，可多个载波共用一副天馈。l各频点需要保护间隔。如GSM同扇区频点不能相邻。lWCDMA基带频率低于载波带宽，可以使用邻频

8、。功放功放功放合路器天馈 ZTE Corporation. All rights reservedFDM的正交性各载波之间互不影响，是一种频域上的正交。载波间需要频率的保护间隔。功率正交。 ZTE Corporation. All rights reserved第二节 OFDM为什么正交nOFDM将频域划分为多个子信道，各相邻子信道相互重叠，但不同子信道相互正交。将高速的串行数据流分解成若干并行的子数据流同时传输nOFDM子载波的带宽 信道“相干带宽”时，可以认为该信道是“非频率选择性信道”，所经历的衰落是“平坦衰落”nOFDM符号持续时间 信道“相干时间”时，信道可以等效为“线性时不变”系统

9、，降低信道时间选择性衰落对传输系统的影响 ZTE Corporation. All rights reservedOFDM的由来单载波lOFDM： Orthogonal Frequency Division Multiplexing 正交频分复用frequency传统多载波frequencyOFDMfrequency ZTE Corporation. All rights reserved能量正交特性n如果信号能量正交，信号的互相关性为0。n子载波之间能量正交满足如下条件 1. 子载波为正弦波或余弦波 2. 子载波的频率是基波频率的整数倍 3. 积分区间是基波的完整周期 4. 在基波的完整周期

10、内，子载波的幅值保持不变 ZTE Corporation. All rights reservedOFDM系统原理与实现正交性在一个OFDM符号内包含多个子载波。所有的子载波都具有相同的幅值和相位，从图中可以看出，每个子载波在一个OFDM符号周期内都包含整数倍个周期，而且各个相邻的子载波之间相差1个周期。 ZTE Corporation. All rights reservedOFDM的正交性时域描述 ZTE Corporation. All rights reserved正交性n对第j个子载波进行解调，然后在时间长度T内进行积分n对第j个子载波进行解调可以恢复出期望符号 。而对其它载波由于在

11、积分时间内，频率差别 (i-j)/T可以产生整数倍个周期，所以积分结果为零。 ZTE Corporation. All rights reservedn一个一个OFDMOFDM符号周期内符号周期内4 4个子载波的实例个子载波的实例OFDM系统原理与实现正交性011expexp -0TnmmnjtjtdtmnT（）（） ZTE Corporation. All rights reserved第三节为何使用OFDM 优点n减轻符号间干扰；。n对抗频率选择性衰落；n易于与MIMO（多入多出）结合；n带宽灵活，可利用大带宽；n更高的频谱利用率。 ZTE Corporation. All rights

12、reservedOFDM技术的优势-频谱效率高n各子载波可以部分重叠，理论上可以接近Nyquist极限。n实现小区内各用户之间的正交性，避免用户间干扰，取得很高的小区容量。n相对单载波系统（WCDMA），多载波技术是更直接实现正交传输的方法 ZTE Corporation. All rights reservedOFDM技术的优势-带宽扩展性强nOFDM系统的信号带宽取决于使用的子载波数量，几百kHz几百MHz都较容易实现，FFT尺寸带来的系统复杂度增加相对并不明显。n非常有利于实现未来宽带移动通信所需的更大带宽，也更便于使用2G系统退出市场后留下的小片频谱。n单载波CDMA只能依赖提高码片速

13、率或多载波CDMA的方式支持更大带宽，都可能造成接收机复杂度大幅上升。nOFDM系统对大带宽的有效支持成为其相对单载波技术的决定性优势。 ZTE Corporation. All rights reservedOFDM技术的优势-抗多径衰落n多径干扰在系统带宽增加到5MHz以上变得相当严重。nOFDM将宽带转化为窄带传输，每个子载波上可看作平坦衰落信道。n插入CP可以用单抽头频域均衡（FDE）纠正信道失真，大大降低了接收机均衡器的复杂度n单载波信号的多径均衡复杂度随着带宽的增大而急剧增加，很难支持较大的带宽。对于更大带宽20M以上，OFDM优势更加明显 ZTE Corporation. All

14、 rights reservedOFDM技术的优势-频域调度和自适应n集中式、分布式子载波分配方式l集中式子载波分配方式：时域调度、频域调度l分布式子载波分配方式：终端高速移动或低信干噪比，无法有效频域调度 ZTE Corporation. All rights reservedOFDM技术的优势-实现MIMO技术简单nMIMO技术关键是有效避免天线间的干扰（IAI），以区分多个并行数据流。n在平坦衰落信道可以实现简单的MIMO接收。n频率选择性衰落信道中，IAI和符号间干扰（ISI）混合在一起，很难将MIMO接收和信道均衡分开处理 ZTE Corporation. All rights re

15、served OFDM面临的挑战n如何解决信号时延；n如何处理高峰均比；n如何对抗频偏； ZTE Corporation. All rights reservedn保护间隔(Guard Interval)和循环前缀(cyclic prefix) ZTE Corporation. All rights reservedn保护间隔(Guard Interval)和循环前缀(cyclic prefix) ZTE Corporation. All rights reserved保护间隔与循环前缀无保护间隔第1径第2径第1径的第2个符号与第2径的第1个符号叠加干扰在没有保护间隔的情况下，由于多径的存在，

16、各径之间将在交叠处产生符号间干扰(ISI) ZTE Corporation. All rights reserved保护间隔与循环前缀加保护间隔保护间隔为了最大限度地消除符号间干扰，在OFDM符号之间插入保护间隔，保护间隔长度大于无线信道的最大时延扩展，这样一个符号的多径分量不会对下一个符号造成干扰 ZTE Corporation. All rights reserved保护间隔与循环前缀无循环前缀因多径延时的存在，空闲的保护间隔进入到FFT的积分时间内，导致积分时间内不能包含整数个波形，破坏了载波间的正交性 ZTE Corporation. All rights reserved保护间隔与循

17、环前缀加循环前缀FFT积分区间为了避免空闲保护间隔由于多径传播造成子载波间的正交性破坏，将每个OFDM符号的后时间中的样点复制到OFDM符号的前面，形成循环前缀(cyclic prefix) 只要各径的延迟不超过Tg，都能保正在FFT的积分区间内包含各径各子载波的整数个波形 ZTE Corporation. All rights reservedCP长度的确定nCP长度的考虑因素：频谱效率/符号间干扰和子载波间干扰l越短越好：越长，CP开销越大，系统频谱效率越低l越长越好：可以避免符号间干扰和子载波间干扰 ZTE Corporation. All rights reserved应对频率选择性衰

18、落-窄带并行传输n化零为整，简化接收机的信道均衡操作n避免符号间干扰和天线间干扰相互混杂，有效分离信道均衡和MIMO检测 ZTE Corporation. All rights reservedOFDM不足峰均比高n下行使用高性能功放，上行采用SC-FDMA以改善蜂均比 ZTE Corporation. All rights reserved多普勒频移 ZTE Corporation. All rights reserved多普勒频移n 设手机发出信号频率为fT，基站收到的信号频率为fR，相对运动速度为，为电磁波在自由空间的传播速度(光速)；fdoppler即为多普勒频移n 例360km/h车速，3GHz频率的多普勒频移：1RTTdopplerVffffC398360 10 /36003 1010003 10Hz ZTE Corporation. All rights reservedOFDM不足对频率偏移特别敏感nLTE使用频率同步解决频偏问题 ZTE Corporation. All rights reserved第四节 OFDM信号的波形与频谱OFDM发射流程 ZTE Corporation. All rights reservedOFDM的核心操作 ZTE Corporation. All