OFDM技術及其應用OFDM的基本概念OFDM

的基本原理OFDM的技術優勢OFDM的實際應用第一頁，共28頁。OFDM的基本概念OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）正交頻分復用

將信道分成若干正交子信道，將高速數據信號轉換成并行的低速子數據流，調制到在每個子信道上進行傳輸。正交信號可以通過在接收端采用相關技術來分開，這樣可以減少子信道之間的相互干擾(ISI)。每個子信道上的信號帶寬小于信道的相關帶寬，因此每個子信道上可以看成平坦性衰落，從而可以消除碼間串擾，而且由于每個子信道的帶寬僅僅是原信道帶寬的一小部分，信道均衡變得相對容易。第二頁，共28頁。OFDM的基本概念

OFDM，多載波調制的一種，主要思想為：將經過QPSK,16QAM或者64QAM調制的高速串行數據轉換成并行的多路較低速的子數據流。然后調制到相互正交的子載波上，并行發射出去，這些子載波相互正交，頻帶可以有所重疊，不同于傳統的頻分復用技術。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，每個碼元的傳輸周期可以適當加長，抵抗碼間干擾的能力就大大增加；就像機械弩并行連發數箭的方式可以適當延長發箭的間隔，但箭的殺傷力沒有減弱。第四頁，共28頁。OFDM的基本原理時域上的OFDM:Sin(t)與sin(2t)是正交的，在下圖中[0,2π]的區間內，采用最易懂的幅度調制方式傳送信號：sin(t)傳送信號a，因此發送a×sin(t)，sin(2t)傳送信號b，因此發送b×sin(2t)發送a信號的sin(t)第五頁，共28頁。OFDM的基本原理發送b信號的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為a×sin(t)+b×sin(2t)。其中sin(t)和sin(2t)為載波，a、b為所要發射的信號，在接收端，分別對接收到的信號作關于sin(t)和sin(2t)的積分檢測，就可以得到a和b了。發送在無線空間的疊加信號a×sin(t)+b×sin(2t)第七頁，共28頁。OFDM的基本原理接收信號乘sin(t)，積分解碼出a信號。第八頁，共28頁。OFDM的基本原理接收信號乘sin(2t)，積分解碼出b信號第九頁，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sin(kt)的正交族相正交。同樣，cos(kt)也與整個sin(kt)的正交族相正交。因此發射序列擴展到{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)}經過前兩步的擴充，選好了2組正交序列sin(kt)和cos(kt)，這只是傳輸的"介質"。真正要傳輸的信息還需要調制在這些載波上，即sin(t),sin(2t),...,sin(kt)分別幅度調制a1,a2,...,ak信號,cos(t),cos(2t),...,cos(kt)分別幅度調制b1,b2,...,bk信號。這2n組互相正交的信號同時發送出去第十一頁，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)

為了方便進行數學處理，上式有復數表達形式如下：

f(t)=

∑Fk·e(j·2π·Δf·kt)

上面的公式可以這樣看：每個子載波序列都在發送自己的信號，互相交疊在空中，最終在接收端看到的信號就是f(t)。接收端收到雜糅信號f(t)后，再在每個子載波上分別作相乘后積分的操作，就可以取出每個子載波分別承載的信號了。第十二頁，共28頁。OFDM的基本原理時域上的OFDM系統圖：第十三頁，共28頁。OFDM的基本原理頻域上的OFDM在時域中主要討論了O(正交)是如何發揮作用的，下面主要討論FDM常規FDM的系統圖：常規FDM，兩路信號頻譜之間有間隔，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帶寬，子載波的間距可以盡量靠近些。靠得很近的FDM，實際中考慮到硬件實現，解調第一路信號時，已經很難完全去除第二路信號的影響了兩路信號互相之間可能已經產生干擾了第十五頁，共28頁。OFDM的基本原理還能再近些嗎？第十六頁，共28頁。OFDM的基本原理當兩個子載波繼續靠近，靠近近到完全等同于奈奎斯特帶寬時，頻帶的利用率就達到了理論上的最大值。繼續靠近，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的基本原理對限制在[0,2π]內的sin(t)信號，相當于無限長的sin(t)信號乘以一個[0,2π]上的門信號（矩形脈沖），其頻譜為兩者頻譜的卷積。sin(t)的頻譜為沖激，門信號的頻譜為sinc信號（即sin(x)/x信號）。沖激信號卷積sinc信號，相當于對sinc信號的搬移。所以分析到這里，可以得出FDM的時域波形其對應的頻譜如下：限定在[0,2π]內的a·sin(t)信號的頻譜，即以sin(t)為載波的調制信號的頻譜第十八頁，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，由于正交區間為[0,2π]，因此sin(2t)在相同的時間內發送了兩個完整波形。相同的門函數保證了兩個函數的頻譜形狀相同，只是頻譜被搬移的位置變了：限定在[0,2π]內的b·sin(2t)信號的頻譜，即以sin(2t)為載波的調制信號的頻譜第十九頁，共28頁。OFDM的基本原理將sin(t)和sin(2t)所傳信號的頻譜疊加在一起，如下：a·sin(t)+b·sin(2t)信號的頻譜第二十頁，共28頁。OFDM的基本原理頻域上兩個正交子載波的頻譜對比圖a·sin(t)+b·sin(2t)信號的頻譜兩幅圖相似是因為基帶信號在傳輸前，一般會通過脈沖成型濾波器的結果。這樣可以有效的限制帶寬外部的信號，在保證本路信號沒有碼間串擾的情況下，既能最大限度的利用帶寬，又能減少子載波間的各路信號的相互干擾。第二十一頁，共28頁。OFDM的基本原理奈奎斯特準則的兩個推論：對于理想低通信道，奈奎斯特帶寬W=1/(2T)對于理想帶通信道，奈奎斯特帶寬W=1/T從下圖可以看出信號的實際帶寬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則，還有一個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，低通信道傳實數信號，頻帶利用率為2Baud/Hz；帶通信道傳復數，頻帶利用率同樣為2Baud/Hz實際情況下，因為實際帶寬B要大于奈奎斯特帶寬W，所以實際FDM系統的頻帶利用率會低于理想情況。第二十三頁，共28頁。OFDM的基本原理【圖窮匕見的時刻】→_→OFDM的子載波間隔最低能達到奈奎斯特帶寬，也就是說（在不考慮最旁邊的兩個子載波情況下），OFDM達到了理想信道的頻帶利用率。第二十四頁，共28頁。OFDM的優勢

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OFDM為基礎的多址技術OFDMA(正交頻分多址)可以實現小區內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系統可以實現很高的小區容量。帶寬擴展性強

由于OFDM系統的信號帶寬取決于使用的子載波的數量，因此OFDM系統具有很好的帶寬擴展性。小到幾百kHz，大到幾百MHz，都很容易實現。尤其是隨著移動通信寬帶化(將由￡5MHz增加到最大20MHz)，OFDM系統對大帶寬的有效支持，成為其相對于單載波技術(如CDMA)的“決定性優勢”。第二十五頁，共28頁。OFDM的優勢

抗多徑衰落由于OFDM將寬帶傳輸轉化為很多子載波上的窄帶傳輸，每個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均衡器的復雜度。相反，單載波信號的多徑均衡的復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系統可以通過靈活的選擇適合的子載波進行傳輸，來實現動態的頻域資源分配，從而充分利用頻率分集和多用戶分集，以獲得最佳的系統性能。價格優勢

采用OFDM技術的系統可以放棄CDMA標準的使用，從而規避了高通公司的巨額專利費用的收取，更有利于降低系統成本。第二十六頁，共28頁。OFDM

的實際應用1998年7月，經過多次修改，IEEE802.11a標準組選擇OFDM作為WLAN（工作于5GHZ波段）的物理層接入方案，目標是能提供6~54Mbit/s的數據速率，這是OFDM第一次被應用于分組業務通信當中。此后，ETSI、BRAN以及MMAC也紛紛采用OFDM作為其物理層的標準。1999年IEEE802.11a通過了一個5GHZ的無線局域網標準，其中OFDM調制技術被采用作為它的物理層標準。ETSI的寬帶射頻接入網（BRAN）的局域網標準也把OFDM定為它的調制標準技術。1999年12月，包括Ericsson、Nokia和Wi-LAN在內的7家公司發起了國際OFDM論壇，致力于策劃一個基于OFDM技術的全球性單一標準。2000年11月，OFDM論壇的固定無線接入工作組向IEEE802.16.3的無線局域網委員會提交一份建議書，提議采用OFDM技術作為IEEE802.16.3城域網的物理層（PHY）標準。WLANIEEE802.11a第二十七頁，共28頁。OFDM

的實際應用HiperLAN/2系統HiperLAN（HighPerformanceRadioLAN）標準提供了類似于IEEE802.11無線局域網協議的性能和能力，后者在美國和其他國家被采用。HiperLAn/1標準采用5G射頻頻率，可以達到上行20Mbps的速率，采用GMSK（調制前高斯濾波的最小頻移鍵控）技術。HiperLAN/2同樣采用5G射頻頻率，上行速率可以達到54Mbps，采用的則是OFDM（正