OFDM基本原理(詳細(xì)全面).ppt

1、OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）基本原理和仿真,趙拯 2012.10.11,背景介紹 基本原理系統(tǒng)模型 頻偏f 仿真結(jié)果,背景介紹,OFDM的思想追溯到20世紀(jì)60年代，當(dāng)時(shí)人們對(duì)多載波調(diào)制做了很多理論上的工作，論證了在存在ISI的帶限信道上采用多載波調(diào)制可以優(yōu)化系統(tǒng)的傳輸特性；1970年1月，OFDM的專利被第一次公開發(fā)表；第二年，Weinstein和Ebert在IEEE雜志上發(fā)表了用DFT實(shí)現(xiàn)多載波調(diào)制的方法；80年代，人們對(duì)多載波調(diào)制在高速調(diào)制解調(diào)器、數(shù)字移動(dòng)通信等領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)行了較為深入的研究，但由于技術(shù)條件的限制，多載

2、波調(diào)制沒有得到廣泛的應(yīng)用；90年代，由于數(shù)字信號(hào)處理和大規(guī)模集成電路技術(shù)的進(jìn)步，OFDM技術(shù)在高速數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域受到了人們的關(guān)注。由于其近年來在個(gè)人無線通信及多媒體通信方面所表現(xiàn)出來的良好性能，已被廣泛的應(yīng)用于無線局域網(wǎng)、DAB、DVB系統(tǒng)，OFDM技術(shù)將會(huì)成為下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的核心技術(shù)。,基本原理,眾所周知無線通信傳輸信號(hào)的路徑有很多，這就是所謂的多徑效應(yīng)，OFDM的最初提出是為了解決多徑效應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊?。高?shù)據(jù)傳輸速率使得符號(hào)周期非常小，如果符號(hào)傳輸出現(xiàn)多徑時(shí)延，可能會(huì)影響到后面好幾個(gè)符號(hào)。多載波調(diào)制可以把高數(shù)據(jù)流分成很多個(gè)低數(shù)據(jù)流，這樣就使符號(hào)周期增大了，從而大大減弱符號(hào)間干擾（IS

3、I），如果在符號(hào)間加上保護(hù)間隔，可以完全消除上面提到的ISI。如果從帶寬頻域解釋OFDM解決ISI的角度，符號(hào)帶寬小于信道的相關(guān)帶寬（相關(guān)帶寬內(nèi)幅度恒定，線性相位），信號(hào)在信道內(nèi)只有平坦衰落。,正交頻分復(fù)用的技術(shù)關(guān)鍵就是實(shí)現(xiàn)并保護(hù)好子載波間的正交性，接受端收到的信號(hào)x(t)與子載波相乘后通過積分器，不同頻率的載波相乘積分后為零，只有相同載波積分后得到原始符號(hào)。正是由于每個(gè)子載波的正交性，我們可以是子載波的頻譜重疊并靠近Nyquist 帶寬，從而大大提高了頻譜的利用率，所以非常適合移動(dòng)場(chǎng)合中的高速傳輸。多徑傳輸?shù)姆?hào)干擾時(shí)個(gè)頭疼的問題，OFDM為解決這樣的問題在符號(hào)間加上保護(hù)間隔內(nèi)，保護(hù)間隔可以

4、不傳輸任何信號(hào)。這樣的情況下仍然解決不了信道間干擾（ICI），子載波之間的正交性遭到破壞，接收端就不能很好的恢復(fù)出原始信號(hào)，這點(diǎn)是毀滅性的。OFDM的解決方法是把符號(hào)后面長(zhǎng)度是Tg（保護(hù)間隔的長(zhǎng)度）的部分拿到每個(gè)符號(hào)的前面當(dāng)做保護(hù)間隔來傳輸，這種方法就叫做循環(huán)前綴。這樣就使得在FFT周期內(nèi)，OFDM符號(hào)的延時(shí)副本所包含的波形的周期個(gè)數(shù)是整數(shù)，從而解決了ICI。將原符號(hào)塊最后信號(hào)放到原符號(hào)塊的前部，構(gòu)成新序列，時(shí)域中原來發(fā)送信號(hào)與信道響應(yīng)的線性卷積變?yōu)閳A周卷積。,映射,一個(gè)OFDM信號(hào)由一組子載波信號(hào)相加所組成，每個(gè)子載波信號(hào)包含M相位位移鍵信號(hào)(M-PSK)或正交振幅調(diào)變信號(hào)(QAM) 以前我

5、們學(xué)習(xí)可以用信號(hào)的振幅、相位和頻率來調(diào)制載波，但是對(duì)于OFDM我們只能用前面兩個(gè)，因?yàn)樽虞d波的頻率正交，帶有獨(dú)立的信息，頻率調(diào)制可能會(huì)破壞子載波的正交性,I-Q diagram的前身是Polar diagram 必要性：若要設(shè)計(jì)一個(gè)接收線路偵測(cè)相位微小的變化，復(fù)雜度會(huì)很高，而相差90度的兩個(gè)正弦波由于互相正交而很容易被分離出來。 轉(zhuǎn)變：I=Acos() Q=Asin(),星座圖,調(diào)制原理,The transmitted signal is,Since x(t) has limited bandwidth,it can be represented by its N samples.Then x

6、(m) can be regarded as the IFFT of the sequence Si(k),i=0,1,N-1.,x(t)=Resi(k)expj2(fc+k/T)t 注:取實(shí)部的原因是因?yàn)檩d波形式是cos(j2fit),如果指數(shù)形式則可以直接去掉就像上面說的對(duì)x(t)過采樣之后t=mT/N,fc=0 x(m)=si(k)exp(j2km/N),解調(diào)原理,Ts是采樣間隔，v是整數(shù)，max/Ts=v,其中max是延時(shí),系統(tǒng)模型,上變頻：中頻調(diào)制到高頻,信道編碼：將要傳輸?shù)男盘?hào)進(jìn)行編碼，此時(shí)可用任何錯(cuò)誤更正碼加以編碼保護(hù) 交織：將編碼完的信號(hào)作適度的打散，此過程防止一連串錯(cuò)誤，造成

7、錯(cuò)誤更正碼也也發(fā)生一連串錯(cuò)誤，而無法更正錯(cuò)誤 QAM調(diào)制：選定調(diào)制方式，有BPSK、QPSK,、QAM等，此步驟，只有將信號(hào)對(duì)應(yīng)至調(diào)變方式之對(duì)對(duì)位置，而產(chǎn)生所需的大小及相位，并並無真正將信號(hào)調(diào)制傳輸 插入導(dǎo)頻：將已知值放入信號(hào)流中，這些已知值將在解調(diào)時(shí)可幫助還原正確信號(hào) Serial to Parallel：將串行信號(hào)改成并行方式，此時(shí)信號(hào)長(zhǎng)度則變成原來的N倍，其中N是子載波的個(gè)數(shù) IFFT：利用IFFT(Inverse Fast Fourier Transform)，將信號(hào)做一個(gè)轉(zhuǎn)換，可以理解為離散頻域轉(zhuǎn)變成離散時(shí)域，如同信號(hào)分別乘上不同子載波頻率一樣 插入保護(hù)間隔并加窗：信號(hào)尾端的部分移到

8、信號(hào)前端，減少多徑干擾對(duì)系統(tǒng)的影響，并且乘上窗函數(shù)，減少接收到二個(gè)信號(hào)之間可能因?yàn)闃O不連續(xù)的相角變化而產(chǎn)生的高頻信號(hào) 定時(shí)同步和頻率同步：此步驟確定系統(tǒng)接收端與信號(hào)時(shí)間和頻率上的同步，估測(cè)信號(hào)的好壞，大大影響系統(tǒng)的錯(cuò)誤率，是此系統(tǒng)中最重要的一個(gè)步驟 信道校正：根據(jù)對(duì)導(dǎo)頻的觀察，推測(cè)信號(hào)受到通道的干擾，來還原初始信號(hào),頻偏f對(duì)系統(tǒng)的影響,OFDM系統(tǒng)中對(duì)同步的要求很高，對(duì)于要求子載波保持嚴(yán)格同步的正交頻分復(fù)用系統(tǒng)來說，載波的頻分偏移所帶來的影響會(huì)更加嚴(yán)重，因此對(duì)頻率偏差敏感是OFDM系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)之一 載波同步是指接收端的振蕩頻率要與發(fā)送載波同頻同相 如果頻率偏差是子載波間隔的n(n是整數(shù))倍，

9、雖然子載波之間仍然能夠保持正交，但是頻率采樣值偏移了n個(gè)子載波的位置，造成映射在OFDM頻譜內(nèi)的數(shù)據(jù)符號(hào)的誤碼率是0.5 如果載波偏差不是載波間隔的整數(shù)倍，則在子載波之間就會(huì)存在能量的“泄露”，導(dǎo)致子載波之間的正交性遭到破壞，從而在子載波之間引入干擾，使得系統(tǒng)的誤碼率性能惡化,我 不 知 道 為 什么 ？,有限個(gè)子載波的情況 bk,i=1/N ak,i表示第i個(gè)符號(hào)周期的第l個(gè)子載波上的原始符號(hào)，bk,i表示ak,i經(jīng)過IFFT輸出 yk,i=exp(jo)bk,iexp(j2fTk/N) 表示接受端FFT之前的輸入，其中o表示接受端振蕩器的相位與射頻載波相位的差 zm,i=1/Nexp(jo

10、) 帶入上面值以后 把后面的部分用Cl-m代替，定義為對(duì)應(yīng)N個(gè)輸入數(shù)據(jù)符號(hào)對(duì)輸出數(shù)據(jù)符號(hào)所作出的貢獻(xiàn)，而這種貢獻(xiàn)往往取決于頻率歸一化偏差fT和子載波距離,相關(guān)方法分析ICI fl 是發(fā)射前IFFT乘以的子載波頻率 fm 是接受以后FFT乘以的子載波頻率,f是它們的差 同樣我們用一個(gè)系數(shù)來定義ICI,Il-m 總結(jié)：其實(shí)兩種方法的結(jié)果是可以統(tǒng)一的，有限個(gè)子載波的貢獻(xiàn)系數(shù)Cl-m 取極限就可以得到Il-m,頻偏引起的信噪比損耗和干擾自消除 理論上損失時(shí)隨著fT的增加而逐漸變大的，但是我還沒有仿真。這后意味著如果只采用提高發(fā)送功率的方法，并不能真正改善OFDM系統(tǒng)的性能，系統(tǒng)接收機(jī)內(nèi)進(jìn)行之前所能得到

11、的信噪比并不會(huì)有太大的改善，這就是我們所說對(duì)系統(tǒng)性能帶來的非常嚴(yán)重的地板效應(yīng)。 Zhao和Haggman給出了一種降低OFDM系統(tǒng)對(duì)頻率偏差敏感程度的方法，被稱之為自干擾消除，以犧牲系統(tǒng)的帶寬效率為代價(jià)獲得性能的改善。我主要看了前面兩種方法，constant方法和linear方法，這里簡(jiǎn)單介紹constant。該方法將被發(fā)送的數(shù)據(jù)符號(hào)映射到相鄰的兩個(gè)子載波上，且使得數(shù)據(jù)符號(hào)滿足：a0,i=a1,i;a2,i=a3,i;.aN-2,i=aN-1,i 以序列為0的子載波為例 z0,1=exp(jo) (c0-c1)a0,i+(c2-c3)a2,i+.+(cN-2-cN-1)aN-2,i 根據(jù)上述公式可以看到，ICI主要取決于相鄰加權(quán)系數(shù)ci-ci+1的差值，而不再由加權(quán)系數(shù)ci來直接控制。由于相鄰加權(quán)系數(shù)之間的差值一般都比較小，所以這種方法會(huì)降低OFDM系統(tǒng)內(nèi)的ICI。一般情況下，相鄰的加權(quán)系數(shù)都不是恒定值，所以以上方法很快被linear取代,仿真 一幀6個(gè)OFDM符號(hào)，128個(gè)并列子載波，每個(gè)子載波兩位比特，保護(hù)間隔32個(gè)長(zhǎng)度單位，F(xiàn)FT長(zhǎng)度為128,從這里開始前綴,參考文獻(xiàn),