OFDM技术与其应用

OFDM技术及其应用OFDM的基本概念OFDM

的基本原理OFDM的技术优势OFDM的实际应用第一页，共28页。OFDM的基本概念OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）正交频分复用

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，调制到在每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰(ISI)。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上可以看成平坦性衰落，从而可以消除码间串扰，而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。第二页，共28页。OFDM的基本概念

OFDM，多载波调制的一种，主要思想为：将经过QPSK,16QAM或者64QAM调制的高速串行数据转换成并行的多路较低速的子数据流。然后调制到相互正交的子载波上，并行发射出去，这些子载波相互正交，频带可以有所重叠，不同于传统的频分复用技术。第三页，共28页。OFDM的基本概念在总传输速率相同的情况下，并行方式代替以前的串行方式，每个码元的传输周期可以适当加长，抵抗码间干扰的能力就大大增加；就像机械弩并行连发数箭的方式可以适当延长发箭的间隔，但箭的杀伤力没有减弱。第四页，共28页。OFDM的基本原理时域上的OFDM:Sin(t)与sin(2t)是正交的，在下图中[0,2π]的区间内，采用最易懂的幅度调制方式传送信号：sin(t)传送信号a，因此发送a×sin(t)，sin(2t)传送信号b，因此发送b×sin(2t)发送a信号的sin(t)第五页，共28页。OFDM的基本原理发送b信号的sin(2t)第六页，共28页。OFDM的基本原理因此在信道中传送的信号为a×sin(t)+b×sin(2t)。其中sin(t)和sin(2t)为载波，a、b为所要发射的信号，在接收端，分别对接收到的信号作关于sin(t)和sin(2t)的积分检测，就可以得到a和b了。发送在无线空间的叠加信号a×sin(t)+b×sin(2t)第七页，共28页。OFDM的基本原理接收信号乘sin(t)，积分解码出a信号。第八页，共28页。OFDM的基本原理接收信号乘sin(2t)，积分解码出b信号第九页，共28页。OFDM的基本原理流程图第十页，共28页。OFDM的基本原理将sin(t)和sin(2t)扩展到更多的子载波序列{sin(2π·Δf·t)，sin(2π·Δf·2t)，sin(2π·Δf·3t),...,sin(2π·Δf·kt)}(例如k=16，256，1024等)，其中，2π是常量；Δf是事先选好的载频间隔，也是常量。1t,2t,3t,...,kt保证了正弦波序列的正交性。将cos(t)也引入。cos(t)与sin(t)是正交的，也与整个sin(kt)的正交族相正交。同样，cos(kt)也与整个sin(kt)的正交族相正交。因此发射序列扩展到{sin(2π·Δf·t),sin(2π·Δf·2t),sin(2π·Δf·3t),...,sin(2π·Δf·kt),cos(2π·Δf·t),cos(2π·Δf·2t),cos(2π·Δf·3t),...,cos(2π·Δf·kt)}经过前两步的扩充，选好了2组正交序列sin(kt)和cos(kt)，这只是传输的"介质"。真正要传输的信息还需要调制在这些载波上，即sin(t),sin(2t),...,sin(kt)分别幅度调制a1,a2,...,ak信号,cos(t),cos(2t),...,cos(kt)分别幅度调制b1,b2,...,bk信号。这2n组互相正交的信号同时发送出去第十一页，共28页。OFDM的基本原理f(t)=a1·sin(2π·Δf·t)+

a2·sin(2π·Δf·2t)+

a3·sin(2π·Δf·3t)+

...

ak·sin(2π·Δf·kt)+

b1·sin(2π·Δf·t)+

b2·sin(2π·Δf·2t)+

b3·sin(2π·Δf·3t)+

...

bk·sin(2π·Δf·kt)+

=

∑ak·sin(2π·Δf·kt)+∑bk·cos(2π·Δf·kt)

为了方便进行数学处理，上式有复数表达形式如下：

f(t)=

∑Fk·e(j·2π·Δf·kt)

上面的公式可以这样看：每个子载波序列都在发送自己的信号，互相交叠在空中，最终在接收端看到的信号就是f(t)。接收端收到杂糅信号f(t)后，再在每个子载波上分别作相乘后积分的操作，就可以取出每个子载波分别承载的信号了。第十二页，共28页。OFDM的基本原理时域上的OFDM系统图：第十三页，共28页。OFDM的基本原理频域上的OFDM在时域中主要讨论了O(正交)是如何发挥作用的，下面主要讨论FDM常规FDM的系统图：常规FDM，两路信号频谱之间有间隔，互相不干扰第十四页，共28页。OFDM的基本原理为了更好的利用系统带宽，子载波的间距可以尽量靠近些。靠得很近的FDM，实际中考虑到硬件实现，解调第一路信号时，已经很难完全去除第二路信号的影响了两路信号互相之间可能已经产生干扰了第十五页，共28页。OFDM的基本原理还能再近些吗？第十六页，共28页。OFDM的基本原理当两个子载波继续靠近，靠近近到完全等同于奈奎斯特带宽时，频带的利用率就达到了理论上的最大值。继续靠近，间隔频率互相正交，因此频谱虽然有重叠，但是仍然是没有互相干扰的。神奇的OFDM~第十七页，共28页。OFDM的基本原理对限制在[0,2π]内的sin(t)信号，相当于无限长的sin(t)信号乘以一个[0,2π]上的门信号（矩形脉冲），其频谱为两者频谱的卷积。sin(t)的频谱为冲激，门信号的频谱为sinc信号（即sin(x)/x信号）。冲激信号卷积sinc信号，相当于对sinc信号的搬移。所以分析到这里，可以得出FDM的时域波形其对应的频谱如下：限定在[0,2π]内的a·sin(t)信号的频谱，即以sin(t)为载波的调制信号的频谱第十八页，共28页。OFDM的基本原理sin(2t)的频谱分析基本相同。需要注意的是，由于正交区间为[0,2π]，因此sin(2t)在相同的时间内发送了两个完整波形。相同的门函数保证了两个函数的频谱形状相同，只是频谱被搬移的位置变了：限定在[0,2π]内的b·sin(2t)信号的频谱，即以sin(2t)为载波的调制信号的频谱第十九页，共28页。OFDM的基本原理将sin(t)和sin(2t)所传信号的频谱叠加在一起，如下：a·sin(t)+b·sin(2t)信号的频谱第二十页，共28页。OFDM的基本原理频域上两个正交子载波的频谱对比图a·sin(t)+b·sin(2t)信号的频谱两幅图相似是因为基带信号在传输前，一般会通过脉冲成型滤波器的结果。这样可以有效的限制带宽外部的信号，在保证本路信号没有码间串扰的情况下，既能最大限度的利用带宽，又能减少子载波间的各路信号的相互干扰。第二十一页，共28页。OFDM的基本原理奈奎斯特准则的两个推论：对于理想低通信道，奈奎斯特带宽W=1/(2T)对于理想带通信道，奈奎斯特带宽W=1/T从下图可以看出信号的实际带宽B是要大于奈奎斯特带宽W（低通的1/(2T)或者带通的1/T）的。第二十二页，共28页。OFDM的基本原理列出奈奎斯特第一准则，还有一个重要目的就是说明下频带利用率的问题→_→。频带利用率是码元速率1/T和带宽B(或者W)的比值。理想情况下，低通信道传实数信号，频带利用率为2Baud/Hz；带通信道传复数，频带利用率同样为2Baud/Hz实际情况下，因为实际带宽B要大于奈奎斯特带宽W，所以实际FDM系统的频带利用率会低于理想情况。第二十三页，共28页。OFDM的基本原理【图穷匕见的时刻】→_→OFDM的子载波间隔最低能达到奈奎斯特带宽，也就是说（在不考虑最旁边的两个子载波情况下），OFDM达到了理想信道的频带利用率。第二十四页，共28页。OFDM的优势

频谱效率高

由于FFT处理使各子载波可以部分重叠，理论上可以接近奈奎斯特极限。以OFDM为基础的多址技术OFDMA(正交频分多址)可以实现小区内各用户之间的正交性，从而有效地避免了用户间干扰。这使OFDM系统可以实现很高的小区容量。带宽扩展性强

由于OFDM系统的信号带宽取决于使用的子载波的数量，因此OFDM系统具有很好的带宽扩展性。小到几百kHz，大到几百MHz，都很容易实现。尤其是随着移动通信宽带化(将由￡5MHz增加到最大20MHz)，OFDM系统对大带宽的有效支持，成为其相对于单载波技术(如CDMA)的“决定性优势”。第二十五页，共28页。OFDM的优势

抗多径衰落由于OFDM将宽带传输转化为很多子载波上的窄带传输，每个子载波上的信道可以看作水平衰落信道，从而大大降低了接收机均衡器的复杂度。相反，单载波信号的多径均衡的复杂度随着带宽的增大而急剧增加，很难支持较大的带宽(如20MHz)。频谱资源灵活分配OFDM系统可以通过灵活的选择适合的子载波进行传输，来实现动态的频域资源分配，从而充分利用频率分集和多用户分集，以获得最佳的系统性能。价格优势

采用OFDM技术的系统可以放弃CDMA标准的使用，从而规避了高通公司的巨额专利费用的收取，更有利于降低系统成本。第二十六页，共28页。OFDM

的实际应用1998年7月，经过多次修改，IEEE802.11a标准组选择OFDM作为WLAN（工作于5GHZ波段）的物理层接入方案，目标是能提供6~54Mbit/s的数据速率，这是OFDM第一次被应用于分组业务通信当中。此后，ETSI、BRAN以及MMAC也纷纷采用OFDM作为其物理层的标准。1999年IEEE802.11a通过了一个5GHZ的无线局域网标准，其中OFDM调制技术被采用作为它的物理层标准。ETSI的宽带射频接入网（BRAN）的局域网标准也把OFDM定为它的调制标准技术。1999年12月，包括Ericsson、Nokia和Wi-LAN在内的7家公司发起了国际OFDM论坛，致力于策划一个基于OFDM技术的全球性单一标准。2000年11月，OFDM论坛的固定无线接入工作组向IEEE802.16.3的无线局域网委员会提交一份建议书，提议采用OFDM技术作为IEEE802.16.3城域网的物理层（PHY）标准。WLANIEEE802.11a第二十七页，共28页。OFDM

的实际应用HiperLAN/2系统HiperLAN（HighPerformanceRadioLAN）标准提供了类似于IEEE802.11无线局域网协议的性能和能力，后者在美国和其他国家被采用。HiperLAn/1标准采用5G射频频率，可以达到上行20Mbps的速率，采用GMSK（调制前高斯滤波的最小频移键控）技术。HiperLAN/2同样采用5G射频频率，上行速率可以达到54Mbps，采用的则是OFDM（正