正交頻分多址

1、 OFDM原理課程內(nèi)容n3.1 OFDM前傳：前傳：FDMlOFDM與FDMl從單載波到多載波l從多載波到FDMl其實FDM也正交n3.2 OFDM為什么正交為什么正交lOFDM正交的含義lOFDM如何正交l深入理解OFDM的能量正交課程內(nèi)容n3.3 為何使用為何使用OFDMl為什么要用OFDMlOFDM面臨的挑戰(zhàn)n3.4 OFDM信號的波形與頻譜信號的波形與頻譜lOFDM信號的處理過程l發(fā)生過程的波形與頻譜l接收過程的波形與頻譜n3.5 總結(jié)總結(jié) ZTE Corporation. All rights reserved導讀：n本章首先從FDM開始，分析FDM是否正交；接下來介紹了OFDM的正

2、交性；然后分析了OFDM的技術優(yōu)勢及面臨的挑戰(zhàn)；最后介紹OFDM信號的波形與頻譜。 ZTE Corporation. All rights reserved第一節(jié) OFDM前傳：FDMOFDM的起源為了解決低效利用頻譜資源問題，在20世紀60年代提出一種思想，即使用子信道頻譜相互覆蓋的并行數(shù)據(jù)傳輸和FDM，要求每個子信道內(nèi)承載的信號傳輸速率為b，而且各子信道在頻域的距離也是b，這樣可以對抗窄帶脈沖噪聲和多徑衰落，而且還可以充分的利用可用的頻譜資源。（OFDM的雛形）隨即，這種技術就被應用到多種高頻軍事系統(tǒng)中，其中包括KINEPLEX，ANDEFT以及KNTHRYN等。 ZTE Corporat

3、ion. All rights reservedOFDM的發(fā)展和現(xiàn)狀n1971年，Weinstein和Ebert把離散傅里葉變換（DFT）應用到并行傳輸系統(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現(xiàn)FDM。（OFDM形成）n20世紀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開始受到關注并且得到廣泛應用。n20世紀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標準的無限本例局域網(wǎng)（WLAN）以及有線電話網(wǎng)上基于現(xiàn)有銅雙絞線的非對稱高比特率數(shù)字用戶線技術（如ADSL）中

4、得到了廣泛應用。nWi-Fi和WiMAX技術的興起更是使得OFDM成為一種“時髦”的技術。n3GPP LTE也采用了OFDM技術，預計未來的B3G技術也將基于OFDM。 ZTE Corporation. All rights reserved什么是OFDMnOFDM（正交頻分復用：Orthogonal Frequency Division Multiplexing）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，也可以被當作一種復用技術。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)流分成多個平行的低速數(shù)據(jù)流，把每個低速的數(shù)據(jù)流分到每個單子載波上,在每個子載波上進行

5、FSK。n選擇OFDM的一個主要原因在于該系統(tǒng)能夠很好地對抗頻率選擇性衰落或窄帶干擾。 ZTE Corporation. All rights reservedFDMlFDM 頻分復用 FDM本質(zhì)上是一種多載波技術，設備使用多個載波同時工作。 GSM、CDMA等系統(tǒng)都廣泛使用。 FDM頻分復用 OFDM正交頻分復用 ZTE Corporation. All rights reserved單載波基帶調(diào)制射頻功放天線l傳送的是基帶信號，需要經(jīng)過射頻調(diào)制后發(fā)射出去！ ZTE Corporation. All rights reserved容量計算-功率l信道容量為C，B為信道帶寬；S/N為信噪比，通

6、常用分貝（dB）表示。l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)關系。通過提升功率實現(xiàn)大容量困難。如果容量提高10倍，需要功率提高1000倍。 ZTE Corporation. All rights reserved容量計算-帶寬l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系，通過提升帶寬提高容量較提升功率更容易實現(xiàn)。l提升基帶頻率系統(tǒng)升級換代l采用多載波擴容 ZTE Corporation. All rights reserved從單載波到多載波n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n解決辦法： 1）提升基帶頻率 2）采用多載波 ZT

7、E Corporation. All rights reserved從單載波到多載波l單載波簡單疊加方式，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 ZTE Corporation. All rights reserved從單載波到多載波頻譜單載波frequency傳統(tǒng)多載波frequency各載波頻點需要錯開，保護間隔 ZTE Corporation. All rights reserved從多載波到FDMlFDM引入合路器，可多個載波共用一副天饋。l各頻點需要保護間隔。如GSM同扇區(qū)頻點不能相鄰。lWCDMA基帶頻率低于載波帶寬，可以使用鄰頻

8、。功放功放功放合路器天饋 ZTE Corporation. All rights reservedFDM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間隔。功率正交。 ZTE Corporation. All rights reserved第二節(jié) OFDM為什么正交nOFDM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nOFDM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”nOFDM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)

9、，降低信道時間選擇性衰落對傳輸系統(tǒng)的影響 ZTE Corporation. All rights reservedOFDM的由來單載波lOFDM： Orthogonal Frequency Division Multiplexing 正交頻分復用frequency傳統(tǒng)多載波frequencyOFDMfrequency ZTE Corporation. All rights reserved能量正交特性n如果信號能量正交，信號的互相關性為0。n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 3. 積分區(qū)間是基波的完整周期 4. 在基波的完整周期

10、內(nèi)，子載波的幅值保持不變 ZTE Corporation. All rights reservedOFDM系統(tǒng)原理與實現(xiàn)正交性在一個OFDM符號內(nèi)包含多個子載波。所有的子載波都具有相同的幅值和相位，從圖中可以看出，每個子載波在一個OFDM符號周期內(nèi)都包含整數(shù)倍個周期，而且各個相鄰的子載波之間相差1個周期。 ZTE Corporation. All rights reservedOFDM的正交性時域描述 ZTE Corporation. All rights reserved正交性n對第j個子載波進行解調(diào)，然后在時間長度T內(nèi)進行積分n對第j個子載波進行解調(diào)可以恢復出期望符號 。而對其它載波由于在

11、積分時間內(nèi)，頻率差別 (i-j)/T可以產(chǎn)生整數(shù)倍個周期，所以積分結(jié)果為零。 ZTE Corporation. All rights reservedn一個一個OFDMOFDM符號周期內(nèi)符號周期內(nèi)4 4個子載波的實例個子載波的實例OFDM系統(tǒng)原理與實現(xiàn)正交性011expexp -0TnmmnjtjtdtmnT（）（） ZTE Corporation. All rights reserved第三節(jié)為何使用OFDM 優(yōu)點n減輕符號間干擾；。n對抗頻率選擇性衰落；n易于與MIMO（多入多出）結(jié)合；n帶寬靈活，可利用大帶寬；n更高的頻譜利用率。 ZTE Corporation. All rights

12、reservedOFDM技術的優(yōu)勢-頻譜效率高n各子載波可以部分重疊，理論上可以接近Nyquist極限。n實現(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。n相對單載波系統(tǒng)（WCDMA），多載波技術是更直接實現(xiàn)正交傳輸?shù)姆椒?ZTE Corporation. All rights reservedOFDM技術的優(yōu)勢-帶寬擴展性強nOFDM系統(tǒng)的信號帶寬取決于使用的子載波數(shù)量，幾百kHz幾百MHz都較容易實現(xiàn)，F(xiàn)FT尺寸帶來的系統(tǒng)復雜度增加相對并不明顯。n非常有利于實現(xiàn)未來寬帶移動通信所需的更大帶寬，也更便于使用2G系統(tǒng)退出市場后留下的小片頻譜。n單載波CDMA只能依賴提高碼片速

13、率或多載波CDMA的方式支持更大帶寬，都可能造成接收機復雜度大幅上升。nOFDM系統(tǒng)對大帶寬的有效支持成為其相對單載波技術的決定性優(yōu)勢。 ZTE Corporation. All rights reservedOFDM技術的優(yōu)勢-抗多徑衰落n多徑干擾在系統(tǒng)帶寬增加到5MHz以上變得相當嚴重。nOFDM將寬帶轉(zhuǎn)化為窄帶傳輸，每個子載波上可看作平坦衰落信道。n插入CP可以用單抽頭頻域均衡（FDE）糾正信道失真，大大降低了接收機均衡器的復雜度n單載波信號的多徑均衡復雜度隨著帶寬的增大而急劇增加，很難支持較大的帶寬。對于更大帶寬20M以上，OFDM優(yōu)勢更加明顯 ZTE Corporation. All

14、 rights reservedOFDM技術的優(yōu)勢-頻域調(diào)度和自適應n集中式、分布式子載波分配方式l集中式子載波分配方式：時域調(diào)度、頻域調(diào)度l分布式子載波分配方式：終端高速移動或低信干噪比，無法有效頻域調(diào)度 ZTE Corporation. All rights reservedOFDM技術的優(yōu)勢-實現(xiàn)MIMO技術簡單nMIMO技術關鍵是有效避免天線間的干擾（IAI），以區(qū)分多個并行數(shù)據(jù)流。n在平坦衰落信道可以實現(xiàn)簡單的MIMO接收。n頻率選擇性衰落信道中，IAI和符號間干擾（ISI）混合在一起，很難將MIMO接收和信道均衡分開處理 ZTE Corporation. All rights re

15、served OFDM面臨的挑戰(zhàn)n如何解決信號時延；n如何處理高峰均比；n如何對抗頻偏； ZTE Corporation. All rights reservedn保護間隔(Guard Interval)和循環(huán)前綴(cyclic prefix) ZTE Corporation. All rights reservedn保護間隔(Guard Interval)和循環(huán)前綴(cyclic prefix) ZTE Corporation. All rights reserved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，

16、各徑之間將在交疊處產(chǎn)生符號間干擾(ISI) ZTE Corporation. All rights reserved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 ZTE Corporation. All rights reserved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 ZTE Corporation. All rights reserved保護間隔與循

17、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(cyclic prefix) 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 ZTE Corporation. All rights reservedCP長度的確定nCP長度的考慮因素：頻譜效率/符號間干擾和子載波間干擾l越短越好：越長，CP開銷越大，系統(tǒng)頻譜效率越低l越長越好：可以避免符號間干擾和子載波間干擾 ZTE Corporation. All rights reserved應對頻率選擇性衰

18、落-窄帶并行傳輸n化零為整，簡化接收機的信道均衡操作n避免符號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 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多普勒頻移 ZTE Corporation. All rights reserved多普勒頻移n 設手機發(fā)出信號頻率為fT，基站收到的信號頻率為fR，相對運動速度為，為電磁波在自由空間的傳播速度(光速)；fdoppler即為多普勒頻移n 例360km/h車速，3GHz頻率的多普勒頻移：1RTTdopplerVffffC398360 10 /36003 1010003 10Hz ZTE Corporation. All rights reservedOFDM不足對頻率偏移特別敏感nLTE使用頻率同步解決頻偏問題 ZTE Corporation. All rights reserved第四節(jié) OFDM信號的波形與頻譜OFDM發(fā)射流程 ZTE Corporation. All rights reservedOFDM的核心操作 ZTE Corporation. All