OFDM（OrthogonalFrequency

DivisionMultiplexing）

基本原理和仿真

1ppt課件.OFDM（OrthogonalFrequency背景介紹基本原理系統模型頻偏Δf仿真結果2ppt課件.背景介紹2ppt課件.背景介紹

OFDM的思想追溯到20世紀60年代，當時人們對多載波調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制可以優化系統的傳輸特性；1970年1月，OFDM的專利被第一次公開發表；第二年，Weinstein和Ebert在IEEE雜志上發表了用DFT實現多載波調制的方法；80年代，人們對多載波調制在高速調制解調器、數字移動通信等領域中的應用進行了較為深入的研究，但由于技術條件的限制，多載波調制沒有得到廣泛的應用；90年代，由于數字信號處理和大規模集成電路技術的進步，OFDM技術在高速數據傳輸領域受到了人們的關注。由于其近年來在個人無線通信及多媒體通信方面所表現出來的良好性能，已被廣泛的應用于無線局域網、DAB、DVB系統，OFDM技術將會成為下一代移動通信系統的核心技術。3ppt課件.背景介紹OFDM的思想追溯到20世紀60年代，當時人們基本原理眾所周知無線通信傳輸信號的路徑有很多，這就是所謂的多徑效應，OFDM的最初提出是為了解決多徑效應對數據傳輸的影響。高數據傳輸速率使得符號周期非常小，如果符號傳輸出現多徑時延，可能會影響到后面好幾個符號。多載波調制可以把高數據流分成很多個低數據流，這樣就使符號周期增大了，從而大大減弱符號間干擾（ISI），如果在符號間加上保護間隔，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，符號帶寬小于信道的相關帶寬（相關帶寬內幅度恒定，線性相位），信號在信道內只有平坦衰落。

4ppt課件.基本原理眾所周知無線通信傳輸信號的路徑有很多，這正交頻分復用的技術關鍵就是實現并保護好子載波間的正交性，接受端收到的信號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。正是由于每個子載波的正交性，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，所以非常適合移動場合中的高速傳輸。多徑傳輸的符號干擾時個頭疼的問題，OFDM為解決這樣的問題在符號間加上保護間隔內，保護間隔可以不傳輸任何信號。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出原始信號，這點是毀滅性的。OFDM的解決方法是把符號后面長度是Tg（保護間隔的長度）的部分拿到每個符號的前面當做保護間隔來傳輸，這種方法就叫做循環前綴。這樣就使得在FFT周期內，OFDM符號的延時副本所包含的波形的周期個數是整數，從而解決了ICI。將原符號塊最后信號放到原符號塊的前部，構成新序列，時域中原來發送信號與信道響應的線性卷積變為圓周卷積。5ppt課件.正交頻分復用的技術關鍵就是實現并保護好子載波間的映射一個OFDM信號由一組子載波信號相加所組成，每個子載波信號包含M相位位移鍵信號(M-PSK)或正交振幅調變信號(QAM)以前我們學習可以用信號的振幅、相位和頻率來調制載波，但是對于OFDM我們只能用前面兩個，因為子載波的頻率正交，帶有獨立的信息，頻率調制可能會破壞子載波的正交性串列轉並列訊號映射串列資料輸入010010011100011…101…000…010…D0D1D2D36ppt課件.映射一個OFDM信號由一組子載波信號相加所組成，每個子載波信I-Qdiagram的前身是Polardiagram必要性：若要設計一個接收線路偵測相位微小的變化，復雜度會很高，而相差90度的兩個正弦波由于互相正交而很容易被分離出來。轉變：I=Acos(ψ)Q=Asin(ψ)星座圖↓7ppt課件.I-Qdiagram的前身是Polardiagram星座調制原理Thetransmittedsignalis↗8ppt課件.調制原理Thetransmittedsignalis↗

Sincex(t)haslimitedbandwidth,itcanberepresentedbyitsNsamples.Thenx(m)canberegardedastheIFFTofthesequenceSi(k),i=0,1,```,N-1.

x(t)=Re{∑si(k)exp[j2π(fc+k/T)t]}注:取實部的原因是因為載波形式是cos(j2πfit),如果指數形式則可以直接去掉就像上面說的對x(t)過采樣之后t=mT/N,fc=0x(m)=∑si(k)exp(j2πkm/N)

9ppt課件.Sincex(t)haslimitedb解調原理10ppt課件.解調原理10ppt課件.Ts是采樣間隔，v是整數，[τmax/Ts]=v,其中τmax是延時11ppt課件.Ts是采樣間隔，v是整數，[τmax/Ts]=v,其中τma系統模型上變頻：中頻調制到高頻↗12ppt課件.系統模型上變頻：中頻調制到高頻↗12ppt課件.信道編碼：將要傳輸的信號進行編碼，此時可用任何錯誤更正碼加以編碼保護交織：將編碼完的信號作適度的打散，此過程防止一連串錯誤，造成錯誤更正碼也也發生一連串錯誤，而無法更正錯誤QAM調制：選定調制方式，有BPSK、QPSK,、QAM等，此步驟，只有將信號對應至調變方式之對對位置，而產生所需的大小及相位，并並無真正將信號調制傳輸插入導頻：將已知值放入信號流中，這些已知值將在解調時可幫助還原正確信號SerialtoParallel：將串行信號改成并行方式，此時信號長度則變成原來的N倍，其中N是子載波的個數IFFT：利用IFFT(InverseFastFourierTransform)，將信號做一個轉換，可以理解為離散頻域轉變成離散時域，如同信號分別乘上不同子載波頻率一樣插入保護間隔并加窗：信號尾端的部分移到信號前端，減少多徑干擾對系統的影響，并且乘上窗函數，減少接收到二個信號之間可能因為極不連續的相角變化而產生的高頻信號定時同步和頻率同步：此步驟確定系統接收端與信號時間和頻率上的同步，估測信號的好壞，大大影響系統的錯誤率，是此系統中最重要的一個步驟信道校正：根據對導頻的觀察，推測信號受到通道的干擾，來還原初始信號13ppt課件.信道編碼：將要傳輸的信號進行編碼，此時可用任何錯誤更正碼加以頻偏Δf對系統的影響OFDM系統中對同步的要求很高，對于要求子載波保持嚴格同步的正交頻分復用系統來說，載波的頻分偏移所帶來的影響會更加嚴重，因此對頻率偏差敏感是OFDM系統的主要缺點之一載波同步是指接收端的振蕩頻率要與發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)倍，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個子載波的位置，造成映射在OFDM頻譜內的數據符號的誤碼率是0.5如果載波偏差不是載波間隔的整數倍，則在子載波之間就會存在能量的“泄露”，導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，使得系統的誤碼率性能惡化↖我不知道為什么？14ppt課件.頻偏Δf對系統的影響OFDM系統中對同步的要求很高，對于要求有限個子載波的情況

bk,i=1/N

ak,i表示第i個符號周期的第l個子載波上的原始符號，bk,i表示ak,i經過IFFT輸出yk,i=exp(jθo)bk,iexp(j2πΔfTk/N)

表示接受端FFT之前的輸入，其中θo表示接受端振蕩器的相位與射頻載波相位的差zm,i=1/Nexp(jθo)

帶入上面值以后把后面的部分用Cl-m代替，定義為對應N個輸入數據符號對輸出數據符號所作出的貢獻，而這種貢獻往往取決于頻率歸一化偏差ΔfT和子載波距離15ppt課件.有限個子載波的情況15ppt課件.相關方法分析ICIfl是發射前IFFT乘以的子載波頻率fm是接受以后FFT乘以的子載波頻率,Δf是它們的差同樣我們用一個系數來定義ICI,Il-m總結：其實兩種方法的結果是可以統一的，有限個子載波的貢獻系數Cl-m

取極限就可以得到Il-m16ppt課件.相關方法分析ICI16ppt課件.頻偏引起的信噪比損耗和干擾自消除

理論上損失時隨著ΔfT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送功率的方法，并不能真正改善OFDM系統的性能，系統接收機內進行之前所能得到的信噪比并不會有太大的改善，這就是我們所說對系統性能帶來的非常嚴重的地板效應。Zhao和Haggman給出了一種降低OFDM系統對頻率偏差敏感程度的方法，被稱之為自干擾消除，以犧牲系統的帶寬效率為代價獲得性能的改善。我主要看了前面兩種方法，constant方法和linear方法，這里簡單介紹constant。該方法將被發送的數據符號映射到相鄰的兩個子載波上，且使得數據符號滿足：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(jθo)[(c0-c1)a0,i+(c2-c3)a2,i+...+(cN-2-cN-1)aN-2,i]根據上述公式可以看到，ICI主要取決于相鄰加權系數ci-ci+1的差值，而不再由加權系數ci來直接控制。由于相鄰加權系數之間的差值一般都比較小，所以這種方法會降低OFDM系統內的ICI。一般情況下，相鄰的加權系數都不是恒定值，所以以上方法很快被linear取代17ppt課件.頻偏引起的信噪比損耗和干擾自消除17ppt課件.

仿真一幀6個OFDM符號，128個并列子載波，每個子載波兩位比特，保護間隔32個長度單位，FFT長度為12818ppt課件.仿真一幀6個OFDM符號，128個并列子載波↑從這里開始前綴19ppt課件.↑從這里開始前綴19ppt課件.20ppt課件.20ppt課件.參考文獻[1]佟學儉，羅濤.OFDM移動通信技術原理與應用[M].北京：人民郵電出版社，2003[2]劉衛國.MATLAB程序設計教程[M].北京：中國水利水電出版社，2005[3]Robert.L.OFDM正交分頻多工基本原理[R]，2006[4]Marc.E.WirelessOFDMSystems:Howtomakethemwork?.springer，2002:33-4521ppt課件.參考文獻[1]佟學儉，羅濤.OFDM移動通信技術原理與應用[此課件下載可自行編輯修改，供參考！感謝您的支持，我們努力做得更好！此課件下載可自行編輯修改，供參考！OFDM（OrthogonalFrequency

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基本原理和仿真

23ppt課件.OFDM（OrthogonalFrequency背景介紹基本原理系統模型頻偏Δf仿真結果24ppt課件.背景介紹2ppt課件.背景介紹

OFDM的思想追溯到20世紀60年代，當時人們對多載波調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制可以優化系統的傳輸特性；1970年1月，OFDM的專利被第一次公開發表；第二年，Weinstein和Ebert在IEEE雜志上發表了用DFT實現多載波調制的方法；80年代，人們對多載波調制在高速調制解調器、數字移動通信等領域中的應用進行了較為深入的研究，但由于技術條件的限制，多載波調制沒有得到廣泛的應用；90年代，由于數字信號處理和大規模集成電路技術的進步，OFDM技術在高速數據傳輸領域受到了人們的關注。由于其近年來在個人無線通信及多媒體通信方面所表現出來的良好性能，已被廣泛的應用于無線局域網、DAB、DVB系統，OFDM技術將會成為下一代移動通信系統的核心技術。25ppt課件.背景介紹OFDM的思想追溯到20世紀60年代，當時人們基本原理眾所周知無線通信傳輸信號的路徑有很多，這就是所謂的多徑效應，OFDM的最初提出是為了解決多徑效應對數據傳輸的影響。高數據傳輸速率使得符號周期非常小，如果符號傳輸出現多徑時延，可能會影響到后面好幾個符號。多載波調制可以把高數據流分成很多個低數據流，這樣就使符號周期增大了，從而大大減弱符號間干擾（ISI），如果在符號間加上保護間隔，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，符號帶寬小于信道的相關帶寬（相關帶寬內幅度恒定，線性相位），信號在信道內只有平坦衰落。

26ppt課件.基本原理眾所周知無線通信傳輸信號的路徑有很多，這正交頻分復用的技術關鍵就是實現并保護好子載波間的正交性，接受端收到的信號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。正是由于每個子載波的正交性，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，所以非常適合移動場合中的高速傳輸。多徑傳輸的符號干擾時個頭疼的問題，OFDM為解決這樣的問題在符號間加上保護間隔內，保護間隔可以不傳輸任何信號。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出原始信號，這點是毀滅性的。OFDM的解決方法是把符號后面長度是Tg（保護間隔的長度）的部分拿到每個符號的前面當做保護間隔來傳輸，這種方法就叫做循環前綴。這樣就使得在FFT周期內，OFDM符號的延時副本所包含的波形的周期個數是整數，從而解決了ICI。將原符號塊最后信號放到原符號塊的前部，構成新序列，時域中原來發送信號與信道響應的線性卷積變為圓周卷積。27ppt課件.正交頻分復用的技術關鍵就是實現并保護好子載波間的映射一個OFDM信號由一組子載波信號相加所組成，每個子載波信號包含M相位位移鍵信號(M-PSK)或正交振幅調變信號(QAM)以前我們學習可以用信號的振幅、相位和頻率來調制載波，但是對于OFDM我們只能用前面兩個，因為子載波的頻率正交，帶有獨立的信息，頻率調制可能會破壞子載波的正交性串列轉並列訊號映射串列資料輸入010010011100011…101…000…010…D0D1D2D328ppt課件.映射一個OFDM信號由一組子載波信號相加所組成，每個子載波信I-Qdiagram的前身是Polardiagram必要性：若要設計一個接收線路偵測相位微小的變化，復雜度會很高，而相差90度的兩個正弦波由于互相正交而很容易被分離出來。轉變：I=Acos(ψ)Q=Asin(ψ)星座圖↓29ppt課件.I-Qdiagram的前身是Polardiagram星座調制原理Thetransmittedsignalis↗30ppt課件.調制原理Thetransmittedsignalis↗

Sincex(t)haslimitedbandwidth,itcanberepresentedbyitsNsamples.Thenx(m)canberegardedastheIFFTofthesequenceSi(k),i=0,1,```,N-1.

x(t)=Re{∑si(k)exp[j2π(fc+k/T)t]}注:取實部的原因是因為載波形式是cos(j2πfit),如果指數形式則可以直接去掉就像上面說的對x(t)過采樣之后t=mT/N,fc=0x(m)=∑si(k)exp(j2πkm/N)

31ppt課件.Sincex(t)haslimitedb解調原理32ppt課件.解調原理10ppt課件.Ts是采樣間隔，v是整數，[τmax/Ts]=v,其中τmax是延時33ppt課件.Ts是采樣間隔，v是整數，[τmax/Ts]=v,其中τma系統模型上變頻：中頻調制到高頻↗34ppt課件.系統模型上變頻：中頻調制到高頻↗12ppt課件.信道編碼：將要傳輸的信號進行編碼，此時可用任何錯誤更正碼加以編碼保護交織：將編碼完的信號作適度的打散，此過程防止一連串錯誤，造成錯誤更正碼也也發生一連串錯誤，而無法更正錯誤QAM調制：選定調制方式，有BPSK、QPSK,、QAM等，此步驟，只有將信號對應至調變方式之對對位置，而產生所需的大小及相位，并並無真正將信號調制傳輸插入導頻：將已知值放入信號流中，這些已知值將在解調時可幫助還原正確信號SerialtoParallel：將串行信號改成并行方式，此時信號長度則變成原來的N倍，其中N是子載波的個數IFFT：利用IFFT(InverseFastFourierTransform)，將信號做一個轉換，可以理解為離散頻域轉變成離散時域，如同信號分別乘上不同子載波頻率一樣插入保護間隔并加窗：信號尾端的部分移到信號前端，減少多徑干擾對系統的影響，并且乘上窗函數，減少接收到二個信號之間可能因為極不連續的相角變化而產生的高頻信號定時同步和頻率同步：此步驟確定系統接收端與信號時間和頻率上的同步，估測信號的好壞，大大影響系統的錯誤率，是此系統中最重要的一個步驟信道校正：根據對導頻的觀察，推測信號受到通道的干擾，來還原初始信號35ppt課件.信道編碼：將要傳輸的信號進行編碼，此時可用任何錯誤更正碼加以頻偏Δf對系統的影響OFDM系統中對同步的要求很高，對于要求子載波保持嚴格同步的正交頻分復用系統來說，載波的頻分偏移所帶來的影響會更加嚴重，因此對頻率偏差敏感是OFDM系統的主要缺點之一載波同步是指接收端的振蕩頻率要與發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)倍，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個子載波的位置，造成映射在OFDM頻譜內的數據符號的誤碼率是0.5如果載波偏差不是載波間隔的整數倍，則在子載波之間就會存在能量的“泄露”，導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，使得系統的誤碼率性能惡化↖我不知道為什么？36ppt課件.頻偏Δf對系統的影響OFDM系統中對同步的要求很高，對于要求有限個子載波的情況

bk,i=1/N

ak,i表示第i個符號周期的第l個子載波上的原始符號，bk,i表示ak,i經過IFFT輸出yk,i=exp(jθo)bk,iexp(j2πΔfTk/N)

表示接受端FFT之前的輸入，其中θo表示接受端振蕩器的相位與射頻載波相位的差zm,i=1/Nexp(jθo)

帶入上面值以后把后面的部分用Cl-m代替，定義為對應N個輸入數據符號對輸出數據符號所作出的貢獻，而這種貢獻往往取決于頻率歸一化偏差ΔfT和子載波距離37ppt課件.有限個子載波的情況15ppt課件.相關方法分析ICIfl是發射前IFFT乘以的子載波頻率fm是接受以后FFT乘以的子載波頻率,Δf是它們的差同樣我們用一個系數來定義ICI,Il-m總結：其實兩種方法的結果是可以統一的，有限個子載波的貢獻系數Cl-m

取極限就可以得到Il-m38ppt課件.相關方法分析ICI16ppt課件.頻偏引起的信噪比損耗和干擾自消除

理論上損失時隨著ΔfT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送功率的方法，并不能真正改善OFDM系統的性能，系統接收機內進行之前所能得到的信噪比并不會有太大的改善，這就是我們所說對系統性能帶來的非常嚴重的地