OFDM基本原理1课件

第三章OFDM原理2015.51OFDM原理OFDM的基本原理OFDM关键技术OFDM的应用多用户OFDM2OFDM基本原理多载波调制

多载波通信系统中，首先把一个高速的数据流分解为若干个低速的子数据流，用低速率多状态符号再去调制相应的子载波，从而构成多个低速率符号并行发送的传输系统。将共享的宽带信道划分为N个子信道--数据流分为N个子数据流，数据流分别调制在不同的载波总带宽为B的情况下，子数据流带宽为B/NB/N<Bc意味着每个子载波都是平坦衰落（没有ISI)3多载波系统的基本结构

OFDM基本原理4

目前子载波的选取有以下三种设置方案：子载波频率设置（a）传统的频分复用（b）3dB频分复用（c）OFDMOFDM基本原理5第一种方案是传统的频分复用，如上图（a）所示。其是将整个频带划分为N个不重叠的子带，每个子带传输一路子载波信号；在接收端用滤波器组进行分离这种方案的优点是实现简单、直接缺点是其频谱利用率低，子信道之间要留有保护频带，而且多个滤波器的实现也有不少困难OFDM基本原理6第二种方案是采用偏置QAM技术，使得已调信号的频谱部分重叠，其复合谱是平坦的，如上图（b）所示频谱重叠的交点在信号功率比峰值功率低3dB处子载波之间的正交性通过交错同相和正交子带的数据得到OFDM基本原理7第三种方案即采用“正交频分复用（OFDM）”，各子载波的频谱有1/2的重叠，但子载波保持相互正交；在接收端通过相关解调技术可以实现各子路分离，如上图（c）所示这种方案的优点是其可以避免使用滤波器组，同时可提高频谱效率近1倍OFDM基本原理81.OFDM基本原理2.OFDM的DFT实现3.保护间隔和循环前缀4.带外功率辐射及加窗处理5.OFDM技术的优缺点OFDM基本原理9

基本原理就是在频域内将给定的信道划分成许多正交子信道，将高速的数据流通过串并变换，分配到传输速率相对较低的各个子信道中，在每个子信道上使用一个正交子载波分别进行调制，并且各子载波并行传输。在接收端由于子载波的正交性，利用相关检测就可实现各子信道的分离。OFDM基本原理10OFDM系统基本模型框图OFDM基本原理11

若用T表示OFDM符号的宽度，表示分配给每个子信道的数据符号，是第0个子载波的载波频率，则从开始的OFDM符号可表示为：

其中

OFDM基本原理12OFDM基本原理

通常采用“复等效基带信号”来描述OFDM的输出信号，其中表示第个子载波的载波频率，则：

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由上可见，OFDM信号由N个子载波组成，子载波的间隔为，且；即每个子载波在一个OFDM符号周期内都包含整数倍个周期，而且各个相邻子载波之间相差一个周期。此特性可以用来解释子载波之间的正交性。OFDM基本原理14

所有的子载波在内都是相互正交的，即它们满足下式：OFDM基本原理15

下图给出了一个OFDM符号内包含4个子载波的实例。在本例中4个子载波具有相同的幅度和相位（在实际应用中，有可能不同）。OFDM基本原理16OFDM基本原理OFDM符号内包含4个子载波的实例17

从上图可以看到，每个子载波在一个OFDM符号周期内都包含整数倍个周期（因为），而且各个相邻子载波之间相差一个周期。不难验证，子载波之间满足正交关系式，即它们在内相互正交。OFDM基本原理18

在接收端，如果希望对第k个子载波进行解调，然后在时间长度T内进行积分，即：OFDM基本原理191.OFDM基本原理2.OFDM的DFT实现3.保护间隔和循环前缀4.带外功率辐射及加窗处理5.OFDM技术的优缺点OFDM基本原理20

为了叙述方便，可以忽略OFDM表达式中的矩形函数，令，对信号s(t)以T/N的速率进行采样，即令，可以得到：OFDM基本原理

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从上式可以看出，OFDM信号的离散样值等效为对进行IDFT运算。同样在接收端，为了恢复出原始的数据符号，可以对进行逆变换，即实施DFT运算得到：

OFDM基本原理22

由上可见，OFDM系统的调制和解调可以分别由IDFT/DFT来代替。通过N点的IDFT运算，把频域数据符号变换为时域数据符号，经过射频载波调制之后，发送到无线信道中。在接收端，将接收信号进行相干解调，然后将基带信号进行N点DFT运算，可获得发送的数据符号。

OFDM基本原理23在OFDM系统的实际应用中，可以采用更加方便快捷的快速傅立叶反变换/快速傅里叶变换（IFFT/FFT）来实现调制和解调；其可进一步减小其运算复杂度，提高效率。

OFDM基本原理241.OFDM基本原理2.OFDM的DFT实现3.保护间隔和循环前缀4.带外功率辐射及加窗处理5.OFDM技术的优缺点OFDM基本原理25OFDM基本原理

在OFDM系统中，为了最大限度的消除符号间干扰（ISI），通常在每个OFDM符号之间要插入保护间隔（GI：GuardInterval），该保护间隔的长度Tg一般要大于无线信道的最大时延扩展，这样就可保证前后符号（码元）之间不会产生干扰。26OFDM基本原理

在此保护间隔内，可以不传输任何信息，即它是一段空闲的传输时段。然而在这种情况下，由于多径传播的影响，会破坏子载波之间的正交性，即产生了子信道间的干扰（ICI）或子载波间干扰，如下图所示。27OFDM基本原理多径情况下，空闲保护间隔对子载波之间造成的干扰28OFDM基本原理

为了消除由于多径传播造成的ICI，一种有效的方法是将原来宽度为T的OFDM符号进行周期扩展，用扩展信号来填充保护间隔，即将子载波延拓一个保护间隔，如下图所示。29OFDM基本原理子载波的延拓30OFDM基本原理

它实际上是在保护间隔内插入“循环前缀信号（CP：CyclicPrefix）”，即将IFFT传输的末尾样点复制到保护间隔内（循环前缀中的信号与OFDM符号尾部宽度为Tg的部分相同）即保证在FFT周期内内，OFDM符号的延时副本内所包含的波形的周期个数是整数；当时延小于保护间隔的时延信号就不会在解调过程中产生ICI31OFDM基本原理在实际系统中，OFDM符号在送入信道之前，首先要加入循环前缀，然后送入信道进行传输；在接收端，首先将接收符号开始的宽度为Tg的部分丢弃，将剩余的宽度为T的部分进行FFT变换，然后进行解调32保护间隔的插入过程OFDM基本原理33OFDM基本原理加入保护间隔的OFDM系统实现框图加入保护间隔之后基于IFFT（IDFT）的OFDM基带系统框图如下图：34OFDM基本原理其工作过程为：输入数据先经过串/并变换变为N路并行比特流，进行IDFT或IFFT和并/串变换，然后在保护间隔内插入循环前缀信号（CP），再经过数/模变换后形成OFDM信号该信号经过信道传输后，接收到的信号经过模/数变换，去掉保护间隔以恢复子载波之间的正交性，再经串/并变换和DFT或FFT后，恢复出OFDM的调制信号，最后经过并/串变换后还原出输入的符号351.OFDM基本原理2.OFDM的DFT实现3.保护间隔和循环前缀4.带外功率辐射及加窗处理

5.OFDM技术的优缺点OFDM基本原理36

由上分析可知，OFDM信号的功率归一化的复包络可表示为：OFDM基本原理其中：是功率归一化因子；37

OFDM符号的功率谱密度为N个子载波上的信号功率谱密度之和，即：OFDM基本原理下图给出了的OFDM信号的功率谱密度图。

38OFDM基本原理N＝16时OFDM信号的功率谱密度39当N增大时，在频率内的幅频特性会更加平坦，边缘会更陡峭，能够逼近理想的低通滤波特性；根据OFDM符号的功率谱密度表达式，其带外功率谱密度衰减较慢，即带外辐射功率比较大OFDM基本原理40随着子载波数量的增加，由于每个子载波功率谱密度主瓣、旁瓣幅度下降的陡度增加，所以OFDM符号功率谱密度的旁瓣下降速度会逐渐增加；但是即使在256个子载波的情况下，其-40dB带宽仍然会是-3dB带宽的4倍，参见下图；OFDM基本原理41OFDM基本原理经过加窗处理的OFDM符号示意图42

因此为了让带宽之外的功率谱密度下降的更快，需要对OFDM符号进行“加窗”处理。对OFDM符号“加窗”意味着令符号周期边缘的幅度值逐渐过渡到零。通常采用的窗类型就是升余弦函数，其定义为：OFDM基本原理43OFDM基本原理经过加窗处理的OFDM符号示意图其中，为滚将因子；表示加窗前的符号长度；为加窗后的符号长度；

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首先，在Nc个经过数字调制的符号后面补零，构成N个输入样值序列，然后进行IFFT运算。其次，将IFFT输出的最后Tprefix个样值插入到OFDM符号的最前面，将IFFT输出的最前面Tpostfix个样值插入到OFDM符号的最后面最后，OFDM符号与升余弦窗函数w(t)时域相乘，使得系统带宽之外的功率可以快速下降，其下降的速度取决于滚降因子。451.OFDM基本原理2.OFDM的DFT实现3.保护间隔和循环前缀4.带外功率辐射及加窗处理5.OFDM技术的优缺点OFDM基本原理46由上分析可见，OFDM技术具有以下优点：OFDM可以有效的对抗传播所造成的符号间干扰，其实现复杂度比采用均衡器的单载波系统小很多；在变化相对慢的信道上，OFDM系统可以根据每个子载波的信噪比来优化分配每个子载波上传送的信息比特，从而大大提高系统传输信息的容量；OFDM基本原理47OFDM系统可以有效的对抗窄带干扰，因为这种干扰仅仅影响OFDM系统的一小部分子载波；OFDM利用IFFT/FFT来分别实现调制和解调，是实现复杂度最低、应用最广的一种多载波传输方案；在广播应用中，利用OFDM系统可实现有吸引力的单频网络；OFDM基本原理48OFDM的主要缺点在于：OFDM对于单载波频率偏移和定时误差的敏感程度比单载波系统要高；OFDM系统中的信号存在较高的峰值平均功率比（PAR），使得它对放大器的线性要求很高；OFDM基本原理491)OFDM信号峰值功率与平均功率比与单载波系统相比，由于OFDM符号是由多个独立的经过调制的子载波信号相加而成的，这样的合成信号就有可能产生比较大的峰值功率(PeakPower)，由此会带来较大的峰值平均功率比(Peak-to-AverageRatio)，简称峰均比(PAR)。峰均比可以被定义为504比特码字的OFDM符号包络功率值513比特数据符号(000到111)的包络功率522)OFDM系统中的同步问题在单载波系统中，载波频率的偏移只会对接收信号造成一定的幅度衰减和相位旋转。而对于多载波系统来说，载波频率的偏移会导致子信道之间产生干扰。除了要求严格的载波同步外，OFDM系统中还要求样值同步（发送端和接收端的抽样频率一致）和符号同步（IFFT和FFT的起止时刻一致）。53OFDM系统内的同步示意图OFDM基本原理543)OFDM系统的信道估计无线通信系统的性能主要受到无线信道的制约。无线信道具有很大的随机性，导致接收信号的幅度、相位和频率失真，这些问题对接收机的设计提出了很大的挑战。而在接收机中，信道估计器是一个很重要的组成部分。如果我们能够知道无线信道的确切特征，将能很好地恢复接收信号，改善系统的性能。OFDM基本原理55一般信道估计的过程OFDM基本原理56基于训练序列的信道估计方法基本思想就是利用发端和收端都已知的序列进行信道估计。基于训练序列的信道估计方法大致可以分为两类：频域内信道估计，时域内信道估计。OFDM基本原理57根据OFDM的基本构成，可以在时