OFDM技術(shù)及其應(yīng)用OFDM的基本概念OFDM

的基本原理OFDM的技術(shù)優(yōu)勢(shì)OFDM的實(shí)際應(yīng)用第一頁，共28頁。OFDM的基本概念OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）正交頻分復(fù)用

將信道分成若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到在每個(gè)子信道上進(jìn)行傳輸。正交信號(hào)可以通過在接收端采用相關(guān)技術(shù)來分開，這樣可以減少子信道之間的相互干擾(ISI)。每個(gè)子信道上的信號(hào)帶寬小于信道的相關(guān)帶寬，因此每個(gè)子信道上可以看成平坦性衰落，從而可以消除碼間串?dāng)_，而且由于每個(gè)子信道的帶寬僅僅是原信道帶寬的一小部分，信道均衡變得相對(duì)容易。第二頁，共28頁。OFDM的基本概念

OFDM，多載波調(diào)制的一種，主要思想為：將經(jīng)過QPSK,16QAM或者64QAM調(diào)制的高速串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行的多路較低速的子數(shù)據(jù)流。然后調(diào)制到相互正交的子載波上，并行發(fā)射出去，這些子載波相互正交，頻帶可以有所重疊，不同于傳統(tǒng)的頻分復(fù)用技術(shù)。第三頁，共28頁。OFDM的基本概念在總傳輸速率相同的情況下，并行方式代替以前的串行方式，每個(gè)碼元的傳輸周期可以適當(dāng)加長(zhǎng)，抵抗碼間干擾的能力就大大增加；就像機(jī)械弩并行連發(fā)數(shù)箭的方式可以適當(dāng)延長(zhǎng)發(fā)箭的間隔，但箭的殺傷力沒有減弱。第四頁，共28頁。OFDM的基本原理時(shí)域上的OFDM:Sin(t)與sin(2t)是正交的，在下圖中[0,2π]的區(qū)間內(nèi)，采用最易懂的幅度調(diào)制方式傳送信號(hào)：sin(t)傳送信號(hào)a，因此發(fā)送a×sin(t)，sin(2t)傳送信號(hào)b，因此發(fā)送b×sin(2t)發(fā)送a信號(hào)的sin(t)第五頁，共28頁。OFDM的基本原理發(fā)送b信號(hào)的sin(2t)第六頁，共28頁。OFDM的基本原理因此在信道中傳送的信號(hào)為a×sin(t)+b×sin(2t)。其中sin(t)和sin(2t)為載波，a、b為所要發(fā)射的信號(hào)，在接收端，分別對(duì)接收到的信號(hào)作關(guān)于sin(t)和sin(2t)的積分檢測(cè)，就可以得到a和b了。發(fā)送在無線空間的疊加信號(hào)a×sin(t)+b×sin(2t)第七頁，共28頁。OFDM的基本原理接收信號(hào)乘sin(t)，積分解碼出a信號(hào)。第八頁，共28頁。OFDM的基本原理接收信號(hào)乘sin(2t)，積分解碼出b信號(hào)第九頁，共28頁。OFDM的基本原理流程圖第十頁，共28頁。OFDM的基本原理將sin(t)和sin(2t)擴(kuò)展到更多的子載波序列{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是事先選好的載頻間隔，也是常量。1t,2t,3t,...,kt保證了正弦波序列的正交性。將cos(t)也引入。cos(t)與sin(t)是正交的，也與整個(gè)sin(kt)的正交族相正交。同樣，cos(kt)也與整個(gè)sin(kt)的正交族相正交。因此發(fā)射序列擴(kuò)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)}經(jīng)過前兩步的擴(kuò)充，選好了2組正交序列sin(kt)和cos(kt)，這只是傳輸?shù)?介質(zhì)"。真正要傳輸?shù)男畔⑦€需要調(diào)制在這些載波上，即sin(t),sin(2t),...,sin(kt)分別幅度調(diào)制a1,a2,...,ak信號(hào),cos(t),cos(2t),...,cos(kt)分別幅度調(diào)制b1,b2,...,bk信號(hào)。這2n組互相正交的信號(hào)同時(shí)發(fā)送出去第十一頁，共28頁。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)

為了方便進(jìn)行數(shù)學(xué)處理，上式有復(fù)數(shù)表達(dá)形式如下：

f(t)=

∑Fk·e(j·2π·Δf·kt)

上面的公式可以這樣看：每個(gè)子載波序列都在發(fā)送自己的信號(hào)，互相交疊在空中，最終在接收端看到的信號(hào)就是f(t)。接收端收到雜糅信號(hào)f(t)后，再在每個(gè)子載波上分別作相乘后積分的操作，就可以取出每個(gè)子載波分別承載的信號(hào)了。第十二頁，共28頁。OFDM的基本原理時(shí)域上的OFDM系統(tǒng)圖：第十三頁，共28頁。OFDM的基本原理頻域上的OFDM在時(shí)域中主要討論了O(正交)是如何發(fā)揮作用的，下面主要討論FDM常規(guī)FDM的系統(tǒng)圖：常規(guī)FDM，兩路信號(hào)頻譜之間有間隔，互相不干擾第十四頁，共28頁。OFDM的基本原理為了更好的利用系統(tǒng)帶寬，子載波的間距可以盡量靠近些。靠得很近的FDM，實(shí)際中考慮到硬件實(shí)現(xiàn)，解調(diào)第一路信號(hào)時(shí)，已經(jīng)很難完全去除第二路信號(hào)的影響了兩路信號(hào)互相之間可能已經(jīng)產(chǎn)生干擾了第十五頁，共28頁。OFDM的基本原理還能再近些嗎？第十六頁，共28頁。OFDM的基本原理當(dāng)兩個(gè)子載波繼續(xù)靠近，靠近近到完全等同于奈奎斯特帶寬時(shí)，頻帶的利用率就達(dá)到了理論上的最大值。繼續(xù)靠近，間隔頻率互相正交，因此頻譜雖然有重疊，但是仍然是沒有互相干擾的。神奇的OFDM~第十七頁，共28頁。OFDM的基本原理對(duì)限制在[0,2π]內(nèi)的sin(t)信號(hào)，相當(dāng)于無限長(zhǎng)的sin(t)信號(hào)乘以一個(gè)[0,2π]上的門信號(hào)（矩形脈沖），其頻譜為兩者頻譜的卷積。sin(t)的頻譜為沖激，門信號(hào)的頻譜為sinc信號(hào)（即sin(x)/x信號(hào)）。沖激信號(hào)卷積sinc信號(hào)，相當(dāng)于對(duì)sinc信號(hào)的搬移。所以分析到這里，可以得出FDM的時(shí)域波形其對(duì)應(yīng)的頻譜如下：限定在[0,2π]內(nèi)的a·sin(t)信號(hào)的頻譜，即以sin(t)為載波的調(diào)制信號(hào)的頻譜第十八頁，共28頁。OFDM的基本原理sin(2t)的頻譜分析基本相同。需要注意的是，由于正交區(qū)間為[0,2π]，因此sin(2t)在相同的時(shí)間內(nèi)發(fā)送了兩個(gè)完整波形。相同的門函數(shù)保證了兩個(gè)函數(shù)的頻譜形狀相同，只是頻譜被搬移的位置變了：限定在[0,2π]內(nèi)的b·sin(2t)信號(hào)的頻譜，即以sin(2t)為載波的調(diào)制信號(hào)的頻譜第十九頁，共28頁。OFDM的基本原理將sin(t)和sin(2t)所傳信號(hào)的頻譜疊加在一起，如下：a·sin(t)+b·sin(2t)信號(hào)的頻譜第二十頁，共28頁。OFDM的基本原理頻域上兩個(gè)正交子載波的頻譜對(duì)比圖a·sin(t)+b·sin(2t)信號(hào)的頻譜兩幅圖相似是因?yàn)榛鶐盘?hào)在傳輸前，一般會(huì)通過脈沖成型濾波器的結(jié)果。這樣可以有效的限制帶寬外部的信號(hào)，在保證本路信號(hào)沒有碼間串?dāng)_的情況下，既能最大限度的利用帶寬，又能減少子載波間的各路信號(hào)的相互干擾。第二十一頁，共28頁。OFDM的基本原理奈奎斯特準(zhǔn)則的兩個(gè)推論：對(duì)于理想低通信道，奈奎斯特帶寬W=1/(2T)對(duì)于理想帶通信道，奈奎斯特帶寬W=1/T從下圖可以看出信號(hào)的實(shí)際帶寬B是要大于奈奎斯特帶寬W（低通的1/(2T)或者帶通的1/T）的。第二十二頁，共28頁。OFDM的基本原理列出奈奎斯特第一準(zhǔn)則，還有一個(gè)重要目的就是說明下頻帶利用率的問題→_→。頻帶利用率是碼元速率1/T和帶寬B(或者W)的比值。理想情況下，低通信道傳實(shí)數(shù)信號(hào)，頻帶利用率為2Baud/Hz；帶通信道傳復(fù)數(shù)，頻帶利用率同樣為2Baud/Hz實(shí)際情況下，因?yàn)閷?shí)際帶寬B要大于奈奎斯特帶寬W，所以實(shí)際FDM系統(tǒng)的頻帶利用率會(huì)低于理想情況。第二十三頁，共28頁。OFDM的基本原理【圖窮匕見的時(shí)刻】→_→OFDM的子載波間隔最低能達(dá)到奈奎斯特帶寬，也就是說（在不考慮最旁邊的兩個(gè)子載波情況下），OFDM達(dá)到了理想信道的頻帶利用率。第二十四頁，共28頁。OFDM的優(yōu)勢(shì)

頻譜效率高

由于FFT處理使各子載波可以部分重疊，理論上可以接近奈奎斯特極限。以O(shè)FDM為基礎(chǔ)的多址技術(shù)OFDMA(正交頻分多址)可以實(shí)現(xiàn)小區(qū)內(nèi)各用戶之間的正交性，從而有效地避免了用戶間干擾。這使OFDM系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)很高的小區(qū)容量。帶寬擴(kuò)展性強(qiáng)

由于OFDM系統(tǒng)的信號(hào)帶寬取決于使用的子載波的數(shù)量，因此OFDM系統(tǒng)具有很好的帶寬擴(kuò)展性。小到幾百kHz，大到幾百M(fèi)Hz，都很容易實(shí)現(xiàn)。尤其是隨著移動(dòng)通信寬帶化(將由￡5MHz增加到最大20MHz)，OFDM系統(tǒng)對(duì)大帶寬的有效支持，成為其相對(duì)于單載波技術(shù)(如CDMA)的“決定性優(yōu)勢(shì)”。第二十五頁，共28頁。OFDM的優(yōu)勢(shì)

抗多徑衰落由于OFDM將寬帶傳輸轉(zhuǎn)化為很多子載波上的窄帶傳輸，每個(gè)子載波上的信道可以看作水平衰落信道，從而大大降低了接收機(jī)均衡器的復(fù)雜度。相反，單載波信號(hào)的多徑均衡的復(fù)雜度隨著帶寬的增大而急劇增加，很難支持較大的帶寬(如20MHz)。頻譜資源靈活分配OFDM系統(tǒng)可以通過靈活的選擇適合的子載波進(jìn)行傳輸，來實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的頻域資源分配，從而充分利用頻率分集和多用戶分集，以獲得最佳的系統(tǒng)性能。價(jià)格優(yōu)勢(shì)

采用OFDM技術(shù)的系統(tǒng)可以放棄CDMA標(biāo)準(zhǔn)的使用，從而規(guī)避了高通公司的巨額專利費(fèi)用的收取，更有利于降低系統(tǒng)成本。第二十六頁，共28頁。OFDM

的實(shí)際應(yīng)用1998年7月，經(jīng)過多次修改，IEEE802.11a標(biāo)準(zhǔn)組選擇OFDM作為WLAN（工作于5GHZ波段）的物理層接入方案，目標(biāo)是能提供6~54Mbit/s的數(shù)據(jù)速率，這是OFDM第一次被應(yīng)用于分組業(yè)務(wù)通信當(dāng)中。此后，ETSI、BRAN以及MMAC也紛紛采用OFDM作為其物理層的標(biāo)準(zhǔn)。1999年IEEE802.11a通過了一個(gè)5GHZ的無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，其中OFDM調(diào)制技術(shù)被采用作為它的物理層標(biāo)準(zhǔn)。ETSI的寬帶射頻接入網(wǎng)（BRAN）的局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)也把OFDM定為它的調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。1999年12月，包括Ericsson、Nokia和Wi-LAN在內(nèi)的7家公司發(fā)起了國(guó)際OFDM論壇，致力于策劃一個(gè)基于OFDM技術(shù)的全球性單一標(biāo)準(zhǔn)。2000年11月，OFDM論壇的固定無線接入工作組向IEEE802.16.3的無線局域網(wǎng)委員會(huì)提交一份建議書，提議采用OFDM技術(shù)作為IEEE802.16.3城域網(wǎng)的物理層（PHY）標(biāo)準(zhǔn)。WLANIEEE802.11a第二十七頁，共28頁。OFDM

的實(shí)際應(yīng)用HiperLAN/2系統(tǒng)HiperLAN（HighPerformanceRadioLAN）標(biāo)準(zhǔn)提供了類似于IEEE802.11無線局域網(wǎng)協(xié)議的性能和能力，后者在美國(guó)和其他國(guó)家被采用。HiperLAn/1標(biāo)準(zhǔn)采用5G射頻頻率，可以達(dá)到上行20Mbps的速率，采用GMSK（調(diào)制前高斯濾波的最小頻移鍵控）技術(shù)。HiperLAN/2同樣采用5G射頻頻率，上行速率可以達(dá)到54Mbps，采用的則是OFDM（正