通信培训课件：任务五：OFDM技术实践

任务五：OFDM技术实践兰州项目部本章学习目标了解OFDM的基本概念理解OFDM的基本原理了解OFDM的优缺点理解OFDM的关键技术了解OFDM在上下行链路中的应用目录OFDM概述OFDM的关键技术OFDM的应用OFDM概述什么是OFDMOFDM:正交频分复用OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）是一种多载波传输方式。OFDM概述正交频分复用OFDM概述采用OFDM的好处带宽利用率高：OFDM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。频率选择性衰落小：OFDM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”。时间选择性衰落小：OFDM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，降低信道时间选择性衰落对传输系统的影响。OFDM概述OFDM系统实现原理多载波传输是相对于单载波传输而来的：使用多个载波并行传输数据。把一串高速数据流分解为若干个低速的子数据流——每个子数据流将具有低得多的速率。将子数据流放置在对应的子载波上。将多个子载波合成，一起进行传输。OFDM概述OFDM实现过程OFDM概述LTEOFDM时频结构时域：对应OFDM符号频域：对应OFDM子载波OFDM概述OFDM的优势抗多径衰落将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到每个子信道上传输，可以减少子信道的干扰。每个子信道上的信号带宽小于信道的相干带宽，因此每个子信道上的信号可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间干扰频谱利用率高由于子载波之间正交，允许子载波之间具有1/2的重迭，具有很高的频谱利用率计算简单选用基于IFFT/FFT的OFDM实现方法，计算方法简单高效频谱灵活分配通过选择子信道数目的不同，实现上下行不同的传输速率要求；通过动态分配充分利用信噪比高的子信道，提高系统吞吐量OFDM概述OFDM的不足易受频率偏差的影响由于OFDM子信道的频谱相互重叠，因此对正交性要求严格。然而由于无线信道存在时变性，在传输过程中会出现无线信号的频率偏移，会导致OFDM系统子载波之间的正交性被破坏，引起子信道间的信号干扰存在较高的峰均比因为OFDM信号是多个小信号的总和，这些小信号的相位可能同相，在幅度上叠加在一起会产生很大的瞬时峰值幅度。而峰均比(PAPR)过大，将会增加A/D和D/A的复杂性，降低射频功率放大器的效率。由于OFDM系统峰均比大，对非线性放大更为敏感，故OFDM调制系统比单载波系统对放大器的线性范围要求更高目录OFDM概述OFDM的关键技术OFDM的应用OFDM的关键技术循环前缀（多径效应）路径2路径1的第二个符号和路径2的第一个符号形成干扰路径1

多径效应将引起符号间干扰

OFDM的关键技术循环前缀-保护间隔保护间隔GI(GuardingInterval)路径2路径1保护间隔加入保护间隔避免符号间干扰当保护间隔的长度超过信道最大延迟，一个符号的多径分量不会干扰下一个符号OFDM的关键技术循环前缀-子载波干扰子载波1带有时延的子载波2保护间隔OFDM信号的积分区间子载波2对子载波1带来的ICI干扰引入保护间隔后，积分区间内不再具有整数个子载波，子载波间的正交性被破坏，两个子载波之间会产生载波间的干扰OFDM的关键技术循环前缀幅度保护间隔FFT积分时长OFDM符号长度循环前缀是前一个符号后一段样点值的重复，加入循环前缀的目的是不破坏子载波间的正交性；

只要每个路径的时延小于保护间隔，FFT的积分时间长度就可以包含整数个多径子载波波形。循环前缀CP(CyclicPrefix)循环前缀时间OFDM的关键技术循环前缀加入循环前缀，要牺牲一部分时间资源，降低了各个子载波的符号速率和信道容量，优点就是可以有效的抗击多径效应。下图为采用IFFT实现OFDM调制并加入循环前缀的过程：输入串行数据信号，经过串/并转换，输出的并行数据就是要调制到相应子载波上的数据符号，可以看成是一组位于频域上的数据。经过IFFT就实现了频域到时域的转换。OFDM的关键技术同步技术-同步要求OFDM系统的同步要求：载波同步：实现接收信号的相干解调；样值同步：使接收端的取样时刻与发送端完全一致；符号同步：区分每个OFDM符号块的边界，因为每个OFDM符号块包含N个样值。与单载波系统相比，OFDM系统对同步精度的要求更高，同步偏差会在OFDM系统中引起ISI及ICI。OFDM的关键技术同步技术-载波同步OFDM系统利用导频实现载波同步，载波同步分为两个过程：跟踪模式：只需要处理很小的载波抖动；捕获模式：频偏较大，可能是载波间隔的若干倍。OFDM系统接收机通过两个阶段的同步，可以提供良好的捕获性能和精确的跟踪性能。第一阶段：尽快地进行粗略的频率估计，解决载波的捕获问题；第二阶段：能够锁定并且执行跟踪任务。OFDM的关键技术同步技术-符号同步OFDM系统中，采用最大似然方法联合实现符号定时同步和载波同步。通常多载波系统都采用插入保护间隔的方法来消除符号间干扰，最大似然方法正是利用保护间隔所携带的信息完成符号定时同步和载波频率同步，克服了需要插入导频符号实现载波同步，浪费资源的缺点。OFDM的关键技术信道估计加入循环前缀后的OFDM系统可等效为N个独立的并行子信道。如果不考虑信道噪声，Ｎ个子信道上的接收信号等于各自子信道上的发送信号与信道的频谱特性的乘积。如果通过估计方法预先获知信道的频谱特性，将各子信道上的接收信号与信道的频谱特性相除，即可实现接收信号的正确解调。常见的信道估计方法有基于导频信道和基于导频符号（参考信号）两种，多载波系统具有时频二维结构，因此采用导频符号的辅助信道估计更灵活。OFDM的关键技术信道估计-导频符号位置导频符号辅助方法是在发送端的信号中某些固定位置插入一些已知的符号和序列，在接收端利用这些导频符号和导频序列按照某些算法进行信道估计。在多载波系统中，通常在时间轴和频率轴两个方向同时插入导频符号，在接收端提取导频符号估计信道传输函数。只要导频符号在时间和频率方向上的间隔相对于信道带宽足够小，就可以采用二维内插滤波的方法来估计信道传输函数。OFDM的关键技术信道估计-导频符号位置图NormalCP下单天线口的导频图样NormalCP下两天线口的导频图样OFDM的关键技术降峰均比技术-PAR在时域上，OFDM信号是Ｎ路正交子载波信号的叠加，当这Ｎ路信号按相同极性同时取最大值时，OFDM信号将产生最大的峰值。该峰值信号的功率与信号的平均功率之比，称为峰值平均功率比，简称峰均比(PAPR)。在OFDM系统中，PAPR与Ｎ有关，Ｎ越大，PAPR的值越大，Ｎ=1024时，PAPR可达30dB。大的PAPR值，对发送端的功率放大器的线性度要求很高,并降低功放效率。如何降低OFDM信号的PAPR值对OFDM系统的性能和成本都有很大影响。OFDM的关键技术降峰均比技术降峰均比技术OFDM系统中采用信号预畸变技术降峰均比实现原理在信号被送到放大器之前，首先经过非线性处理，对有较大峰值功率的信号进行预畸变，使其不会超出放大器的动态变化范围，从而避免较大峰均比的出现实现方法限幅压缩扩张OFDM的关键技术降峰均比技术-限幅方法限幅作用：信号经过非线性部件之前进行限幅，可以使得峰值信号低于所期望的最大电平值。限幅导致的问题：会对系统造成自身干扰；会导致带外辐射功率值的增加。解决方法：利用其他非矩形窗函数对OFDM符号进行时域加窗。OFDM的关键技术降峰均比技术-压缩扩张压缩扩张变化方法：把大功率发射信号压缩，而把小功率发射信号进行放大，从而可以使得发射信号的平均功率相对保持不变。目录OFDM概述OFDM的关键技术OFDM的应用OFDM的应用下行多址技术方案-OFDMAOFDMA（正交频分多址接入）：是传统的基于CP的OFDM技术。OFDMA多址接入方式：将传输带宽划分成相互正交的子载波集，通过将不同的子载波集分配给不同的用户，可用资源被灵活的在不同移动终端之间共享。这可以看成是一种OFDM+FDMA+TDMA技术相结合的多址接入方式。如下图所示：OFDM的应用下行多址技术方案-OFDMA根据每个用户需求的数据传输速率、当时的信道质量对频率资源进行动态分配，如图C所示。OFDM的应用下行多址技术方案-OFDMA的优势频谱效率高：子载波重叠、正交、支持非对称。带宽扩展性强：带宽取决于子载波的数量。抗多径衰落：子信道可以看做水平衰落信道、CP的引入。频域调度和自适应：集中式/分布式子载波分配：子载波连续分配给一个用户，频域调度选择较优子信道，获得多用户分集增益；（高速移动或SINR较低时）将分配给子信道的子载波分散到整个带宽，交替排列，获得频率分集增益。频率选择性：SINR、调制编码方式MSC。实现MIMO技术较简单：水平衰落信道，避免天线间干扰。OFDM的应用上行多址接入技术方案上行多址技术的要求和下行不同，OFDM等多载波系统的输出是

多个子信道号的叠加，因此，如果多个信号的相位一致，所得到的叠加信号的瞬时功率就会远远高于信号的平均功率，存在较高的峰均比PAPR。对发射机的线性度提出了很高的要求，会增加数模转换的复杂度，降低RF功放的效率，使发射机功放的成本和耗电量增加。终端的能力有限，尤其是发射功率受限，所以在上行链路，基于OFDM的多址接入技术并不适合用在UE侧使用。OFDM的应用上行多址接入技术方案OFDM的应用上行多址技术方案——SC-FDMA采用SC-FDMA多址接入方式，多用户复用频谱资源时只需要改变不同用户DFT的输出到IDFT输入的关系就可以实现多址接入，同时子载波之间具有良好的正交性，避免了多址干扰。通过改变DFT