OFDM的原理

OFDM的原理
OFDM的原理

1.

In modern society more high dependence and the requirements of communication, communication system and the design and development of high efficiency has become the constant pursuit of communication engineering. The efficiency of the communication system, in the final analysis is the spectrum utilization and power efficiency. Especially in wireless communication scenarios, the requirements of these two indicators more often, especially in spectrumefficiency. Because of the space available spectrum resources are limited, and wireless applications are more and more, making use of wireless spectrum of strict management by governments and unified planning. Thus, a wide variety of communication technology has high spectrum efficiency continues to be developed, OFDM

(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) is knownspectral efficiency of a communication system is the highest, the digital modulation, digital signal processing, multi carrier transmission technology combine together, make it in the system spectrum utilization rate, power utilization, systemcomplexities has very strong competitive power, is support for future mobile communication especially is one of the main technology of mobile multimedia communications.

OFDM is a multi carrier transmission technology, the N sub carrier channel is divided into N sub channel, N sub channel parallel transmission.OFDM system has many remarkable advantages. First, OFDM has very high spectrum utilization. The common FDM system to signal from each sub channel, need to set the protection interval in the adjacent channel (band), so that the receiver can use the band-pass filter to isolate signals corresponding to sub channels, which not only protect the sub band waste.OFDM system spectrum resources between channels, and between adjacent channels The mainlobe signal spectrum is overlapping (see Figure 1.5), but the spectrum of each sub channel signal is orthogonal to each other in the frequency domain, each subcarrier is orthogonal in time domain, separating each sub channel signals of the OFDM system (demodulation) by the orthogonality to complete. In addition, sub channel OFDM can also be used M-ary modulation (such as high spectrum efficiency, QAM) to further improve the spectrum efficiency of OFDM system. Second, relatively simple to achieve.

When the channel using QAM or MPSK modulation, modulation demodulation process can be completed by IFFT. The process can be completed by FFT, without oscillation source group without band-pass filter group signal separation. Third, anti multipath interference and anti fading ability. Because of the general OFDM system with cyclic prefix (Cyclic Prefix, CP), so that it can completely eliminate the multipath propagation caused by code interference under certain conditions, completely eliminate the damage of multipath on the inter carrier orthogonality of subcarriers, so OFDM system has good ability of anti multipath interference.OFDM the whole channel into many narrow channel, although the channel is available It can be a very flat fading channel, but the fading on each subchannel is approximately flat (see Figure 1.6), which makes the equalization of subchannels in OFDM system very simple, and usually requires only one tap equalizer

Of course, with the single carrier system, OFDM also has some difficult problems to be solved. These problems are mainly: first, synchronization problem. Theoretical analysis and practice show that the OFDM system of synchronous system requires higher accuracy, synchronization error not only caused the output SNR drop, will destroy the orthogonality of the sub the inter carrier, causing inter carrier interference, which greatly affect the performance of the system, and even make the system does not work. Second, the peak to average power ratio of OFDM signal (Peak-to-Average Power, Ratio, PAPR) are often large, making it The linear range of amplifier requirements, but also reduces the efficiency of the amplifier in the future application of.OFDM in communication system, especially mobile applications in multimedia communication in the future will depend on the degree to solve the above problems.

OFDM technology has been or is gaining some applications, for example, ETSI (European) in broadcast applications in Europe

Telecommunication Standard Institute, the European Telecommunications Standards Institute, has developed the number of OFDM technologies Digital Audio Broadcasting (DVB) standard, digital video broadcasting (Digital Video

Broadcasting,DVB)The standards are being developed; in broadband wireless access applications, IEEE 802.11a and IEEE 802.16 are based on the advice of ETSI OFDM technology, HiperLAN II is a OFDM technology based on the standard; used in digital cellular mobile communication, OFDM technology is one of the hot research at present;

in the wired broadband access technology for example, xDSL (high speed digital subscriber line) technology, a special form of OFDM (Discrete Multito - DMT NE) to get widely used in these applications and so on;.OFDM has shown strong vitality, with solving some key problems which restrict the application of OFDM, I believe OFDM will play an increasingly important role in future communication applications.

2. OFDM 发展简史

OFDM

3. Multicarrier modulation and FFT

OFDM is a multi carrier transmission technology. Let

FK (k = 1,2), OFDM is a multi carrier transmission

technology. Let FK (k = 1,2), The carrier modulated signal can be expressed in the interval of I symbols N ?1 s i (t ) = ∑ X i (k ,t ) exp( j 2πf k t )

(1.2.1) k =0

Among them, X I (k, t) is carried by the signal in the first I symbol interval information, it determines the Si (T) amplitude and phase, generally they are only with the symbol label I related complex constant, they carry the information to be transmitted; for example, if the K is carrier using QPSK modulation, set by pi / 4 way sign, when the I code is "00",

according to the mapping between the symbols and signs can know, X I (k, t) = 22 (1 + J). For simplicity, in just a When the symbol of multi carrier signal, often omit the symbol label I; and when the subcarrier with ordinary (without using waveform formation) QAM or MPSK modulation, X I (k, t) has nothing to do with the T, which will X I (k, t) or X (k), according to the context of such ambiguity not. According to the above agreement, (1.2.1) can be written as

N ?1

s (t ) = ∑ X (k ) exp( j 2πf k t )

(1.2.2) k =0

We hope that the spectrum utilization of this multi carrier transmission method is high, that is to say, the subcarrier interval should be as small as possible, and the system is easy to implement

In order to realize the multi carrier transmission system, the general need N oscillator and the corresponding bandpass filters, the complex structure of the system, does not embody the advantages of multi carrier transmission. However, after careful analysis can be found, the modulation and demodulation of multi carrier transmission system can use the discrete Fourier transform (Discrete Fourier Transform. DFT), due to DFT

A fast algorithm of FFT (Fast Fourier Transform) famous, the multi carrier transmission system implementation is greatly simplified, especially the OFDM system using FFT to achieve, with its simple structure, high spectrum efficiency and attention

2.This paper analyzes the conditions that multicarrier transmission systems can be implemented with DFT In order to determine the frequency interval between subcarriers, we consider how the receiver for signal demodulation of the received signal. We (not to consider the influence of noise and distortion) f s sampling to sampling rate, sampling to demodulate the signal by DFT. Using the N point DFT can calculate the signal frequency spectrum component for k

N ?1

S (k ?f ) = ∑ s (n / f s ) exp(? j 2πnk / N ) (1.2.3)

n =0

Here, S (the K F) is the first k frequency; s (n / f s) (n = 0,1,2, N - 1) is the sampling signal; F = FS / N

It is the resolution of DFT. In order to make DFT correctly calculate the spectrum, the signal must be periodically repeated outside the N point sampling, when the signal is repeated

When the number contains only the harmonic component of the DFT, the condition can be satisfied. The T = n / Fs substitution formula (1.2.2) is obtained

N

?1 s ( n / f s ) = ∑ X ( l ) exp( j 2π f l n / f s )

(1.2.4)

L 0

将式(1.2.4)代入式(1.2.3)得

N ?1 N ?1

S ( k ? f ) = ∑∑ X ( l ) exp( j 2π f l n / f s ) exp( ? j 2π nk /N )

n = 0 l =0 N ?1 N ?1

= ∑ X ( l ) ∑exp( j 2π f l n / f s ) exp( ? j 2π nk / N )

L 0 n =0 N ?1

f

l k

= ∑ X ( l )δ ( ? )

(1.2.5

f s l

=0 N 其中

0,

m ≠ n δ(m , n ) =

m = n

1,

观察上式可以发现,当多载波已调信号的频率

f k = kf s (1.2.6)

N

时,There is S (the K F) = CX (k), where C is a constant, that is when each subcarrier frequency demodulation with DFT

K can be demodulated by DFT in the case of integer multiples of the discrimination rate. From the above analysis, it is shown that in order to ensure correct demodulation, X (a) is in the process of demodulation

One symbol interval is constant is necessary, if the QAM or MPSK subcarrier modulation uses a waveform shaping technology, such as the use of cosine waveform, but also specifically by DFT demodulation.

From the above analysis, when the frequency of each subcarrier is integer multiples of the DFT resolution for demodulation, the DFT can be used to carry multiple loads

Wave modulated signal sampling demodulation. In particular, the frequency interval of the subcarrier is f s / N, by type (1.2.4) is

N ?1 s(n / f

s )=∑ X (k) exp[ j2π(kf s/ N )n / f s]

k =0

N ?1

=∑ X (k) exp[ j2πn / N ] (1.2.7)

k =0

Type is X (k) (k = 0,1,2, N - 1) sequence (the sequence we denoted as X (N)) IDFT

(Inverse Discrete Fourier Transform), namely the subcarrier frequency spacing of F S / N, multi carrier modulated signal time domain sampling sequence can be calculated by IDFT.

The sequence of X carrying information (N) is a multi carrier modulated signal sampling sequence DFT, so we say that the modulation multi carrier modulation system based on FFT is carried out in the frequency domain.

From the above analysis, the modulation of multi carrier modulation system can be completed by IDFT, demodulation can be completed by DFT, by the knowledge of digital signal processing, we can know that IDFT and DFT can be implemented by efficient FFT

https://www.360docs.net/doc/f717873317.html,position of OFDM system

The block diagram of the OFDM system is shown in Figure 1.1

After the input bit sequence is completed and transformed, the corresponding modulation mapping is completed according to the modulation mode adopted, and the modulation is formed

The information sequence X (N) is used to carry out IDFT on X (N), and the time domain sampling sequence of OFDM modulated signal is calculated

CP (cyclic prefix cyclic prefix can enable the OFDM system to completely eliminate multipath propagation caused by intersymbol interference (ISI) and inter carrier interference (ICI) analysis on 1.5 section 1.4 and section), and then D/A transform,

OFDM modulated signal waveform. The receiving end of received signal in A/D remove the CP transform, cyclic prefix, OFDM modulated signal

The sampling sequence is DFT, and the original modulation information sequence X (N) is obtained

输入信号 串并变换 ... 符

号 映射 ... IFF T ...

加入

数/模 射频 CP 转换 调制

并串

信道

输出信号

并串 变换

.. 符号 判决 ... 均 衡

...

FF T

... 去

CP 模/数 射频

串并 转换 解调

图 1.1 OFDM 系统的结构

The introduction of CP [PR 1] cyclic prefix, the OFDM transmission can be completely eliminated due to intersymbol interference caused by multipath propagation under certain conditions (ISI) and inter channel interference (ICI) effect, greatly promote the practical use of OFDM technology in the process. Figure 1.2 is a schematic diagram of the cyclic prefix.

4

图 1.2 CP 示意图

OFDM "symbol" (symbol) is an ambiguous concept. In most of the OFDM

literature, OFDM "symbol" refers to the modulation information sequence X (N), and X (N) of each component (i.e. on each sub carrier modulation information) also used the "symbol" (symbol) said. To avoid this confusion, we will X (N) together with a cyclic prefix called OFDM "frame symbols", referred to as the "symbol",

called X (N) component of the "intra symbol".OFDM in the literature of the inter symbol interference (ISI)

Refers to the inter symbol interference frame, in particular to remove the interference between the cyclic prefix symbol frame, but also refers to the same symbol synchronization symbol synchronization. This frame is consistent with the name of OFDM in literature, and will not cause misunderstanding.

5. Time continuous system model of OFDM

There are some different forms of OFDM system. We first establish the corresponding mathematical model [ESBL 1]. on the most popular OFDM system using cyclic prefix

The original OFDM system using digital modulation and demodulation technology, so the OFDM model can be regarded as the ideal model of OFDM system, of course, is generally achieved by digital synthesis technology. Figure 1.3 is a continuous time model of OFDM baseband system.。

图 1.3 OFDM 连续系统基带模型

z transmitter

z

The OFDM system has a N subcarrier, the system bandwidth is W Hz, the symbol length is Ts, and the length of the cyclic prefix CP is Tcp, that is, the transmission time of a OFDM frame symbol is T = Ts + Tcp, considering the influence of the cyclic prefix, the K carrier wave waveform emitted by the transmitter is as follows

1 exp[ j2πW k(t ? T )] t∈[0,T ]

T s N

c p

(1.4.1)

φ

k

(t) =

0, t ?[0,T ]

Note that when the T, [0, Tcp], a diameter of K (T) = K (T + N = /W) with K (T + Ts), which is the cyclic prefix, which makes the signal within a certain period of time. This article looks with periodic I OFDM frames have symbols adjustable waveform

N ?1

s i (t)=∑ X i(k)φk(t ? iT )

(1.4.2

)k =0

When the transmission is an infinite OFDM symbol sequence, the OFDM modulated signal waveform can be expressed as

s(t)=∑ s

i (t)

i= z channel

∞ N ?1

=∑∑ X i(k)φk(t ? iT )

(1.4.3

i= k =0

We assume that the channel impulse response g (tau; t) the support of less than the cyclic prefix CP, namely r e [0, Tcp], the signal is received by the receiver for

T cp

~ (1.4.4

)r(t)=(g ? s)(t)=∫ g(τ;t)s(t ?τ)dτ+ n (t)

Here, n~(t) is the additive white noise (complex form) of the channel Gauss.

z receiver

The OFDM receiver consists of a filter bank, where the first k filter is matched with the back part [Tcp, T] of the carrier wave waveform K (T)

?

(T?t), t ∈[0,T s]

ψ

k

(t) = φk (1.4.5

0, t ?[0,T

s ]

That is to say, the cyclic prefix CP is deleted. Because the CP contains all the symbols in front of the inter symbol interference (ISI), so the output sampling receiver filter group will not contain ISI. therefore, we in the calculation of the K sampling the output of the matched filter

We can ignore the time label I, the use of formula (1.4.3), (1.4.4), (1.4.5), and we obtain

y

k

=(r ?ψk)(t)t=T=∫?∞∞ r(t)ψk(T ? t)dt

T T

cp N ?1 ?T ~ ?

= ∫T ∫

′(t)dt + ∫

T

n (T?t)φ

k

(t)dt.

g(τ;t)∑ X (k )φ

k′

(t ?τ) dτφk

cp k =0 cp

A channel impulse response invariant in an OFDM symbol interval, the G (tau), so you get

N

?1

T T c

p ?T ~ ?

∑′

y = ∫

0 g(τ)φ(t?τ)dτφ(t)dt + n (T ? t)

φ(t)dt.

X

(k )

k ∫T

cp k

′k ∫T cp k

k

=0

6

Tcp T < < T integral interval and 0 < < 0 < R Tcp contains T and T. In the integral r < type can be written as

T c p T c p ′ exp[ j 2πk (t ? τ ? T cp

)W / N ]

g (τ)φk ′ (t ? τ)d τ = ∫0 g (τ) T s

d τ

N ] T

c p

exp[ j 2πk (t ? T cp

)W / T cp < t <

T = T s

∫0 g (τ) exp[? j 2πk τW / N ]d τ,

The integral part behind the upper part is the sampling of the channel impulse response in the frequency domain. The sampling frequency is f = k 'W / N, that is, at the K' carrier frequency

W T

h k ′ = G (k ′ N ) = ∫0 cp g (τ) exp(? j 2πk ′τW / N )d τ,

Here is the G (f) g (tau) Fourier transform. Using these mark, the output filter can be reduced to the receiver ′ ? T ~ ? N ?1

T exp( j 2πk (t ? T cp )W / N y k = ∑ X (k ′)∫Tcp T s h k ′φk (t )dt + ∫

Tcp

n (T ? t )φk (t )dt k

=0

N

?1

=

∑ x k ′h k ′

∫T T φk ′ (t )φ?k (t )dt + n k ,

(1.4.6)

k =0 c p

这里 n k = T ~ ?

(t )dt 。根据滤波器组的正交性 ∫T cp n (T ? t )φk

φk ′ (t )φ?k (t )dt = ′ / N exp( j 2πk (t ? T cp )W / N dt T T exp( j 2πk (t ? T cp )W ∫T cp ∫T cp

T s T s

= δ(k ? k ′),

这里 δ(k ) 是 Kronecker δ 函数。这样式(1.4.6)可以简化为

y k = h k X (k)+ n k

(1.4.7

其中n k是加性高斯白噪声(AWGN)。

6. OFDM 的时间离散系统模型

OFDM 时间离散系统模型与时间连续系统模型相似,如图 1.4 所示。

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图 1.4 OFDM 系统的离散时间模型

OFDM 信号s(n) 通过时变多径信道,设信道衰落比较缓慢,在一个 OFDM 符号间隔内

信道的冲击响应不变,记为g(n) ,则 OFDM 接收机收到的信号r(n) 为= ?+ ~

r(n) s(n) g(n) N (n)

其中,“?”表示离散序列的(线性)卷积运算。

循环前缀 CP 使得s(n) 成为s1 (n) 的循环扩展,根据数字信号处理的知识当CP 的长度

≥g(n) (的支撑即最大非零定义域)长度时,r(n) 去掉循环前缀后所得r1 (n) 为= ?+ ~

r

(n) s1(n) g(n) N1(n)

1

其中,“?”表示循环卷积运算[WSY 1]。

根据 DFT 的时域卷积定理,r1 (n) 经过 FFT 后的输出Y ( k) 为

= ?+

Y ( k ) DFT {[ IDFT ( X ( k )] g( k ) N

( k)}

1

=X ( k )? DFT [ g ( k )]+ N 1( k)

=X ( k )? G ( k )+ N 1( k)

其中G ( k) 是信道的频域响应,通过简单的均衡就可用消除其影响,提取出所传输的数据

X ( k)。

应该指出,虽然 CP 在一定条件下可以完全消除 ISI 和 ICI,但接收信号去掉 CP 后在作 DFT 前,仍然存在帧内符号间干扰,即 OFDM 帧符号与信道作

了(循环)卷积,经 DFT 解

卷积后,通过均衡消除了帧内符号间干扰并得到信息序列X (N ) 。

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我们知道,两个N长序列的时域循环卷积是N长序列,经DFT 变换到频域后,对应的是两个N长序列 DFT 的乘积,这就是著名的 DFT 的卷积定理。即 DFT 解卷积解的是循环卷积,由于离散序列经过线性系统后的输出是序列与线性系统的冲击响应的线性卷积,因此不可以直接用DFT 解卷积。循环前缀CP 的作用就是将线性系统对离散序列的卷积作用变成循环卷积(根据数字信号处理的理论可以知道,只有CP 的长度≥信道冲击响应的长度时才是如此),从而可以利用 DFT 解卷积。

当 CP 的长度大于信道的最大时延时,一方面 CP 起到了保护间隔的作用,所以可以完全消除由于信道的多径传播造成的 OFDM 的符号间干扰;另一方面,从以上分析可以知道, DFT 的输出的信号项仅受到(子)信道的固定的衰减,而不存在子信道间的干扰,即 CP 还起到了保持子载波间的正交性的作用,从而消除了载波间干扰(Intercarrier Interference,ICI)。

7. OFDM 信号的频谱特性

当各子载波用 QAM 或 MPSK 进行调制时,如果基带信号采用矩形波,则每个子信道上

已调信号的频谱为Sa(x) 形状,其主瓣宽度为 2 / T s Hz,其中T s为 OFDM 符号长度(不包括CP)。由于在T s时间内共有OFDM 信号的N个抽样,所以OFDM 信号的时域抽样周期

为T s / N。由于相邻子载波之间的频率间隔为?f = f s / N,其中f s为 OFDM 信号的抽样

频率,即f s = N / T s ,所以

?f = f s/ N =1 /T s (1.7.1)

即这些已调子载波信号频谱Sa(x) 函数的主瓣宽度为 2 / T s,间隔为1/ T s。根据Sa(x) 函数

的性质,知道它们在频域上正交,这就是正交频分复用(OFDM)名称的由来。

我们知道,一般的频分复用传输系统的各子信道之间要有一定的保护频带,以便在接收端可以用带通滤波器分离出各子信道的信号。保护频带降低了

整个系统的频谱利用率。 OFDM 系统的子信道间不但没有保护频带,而且各子信道的信号频谱还相互重叠,如图 1.5 所示,这使得 OFDM 系统的频谱利用率相比普通频分复用系统有很大提高,而各子载波可以采用频谱效率高的QAM 和 MPSK 调制方式,进一步提高了 OFDM 系统的频谱效率。

应该指出,由于循环前缀的影响,OFDM 信号的频谱结构将发生一定的变化,但这仅仅使信号的某些频谱成份得到增强,而不会使 OFDM 信号增加新的频率成份。

我们知道,移动信道一般存在多径传播问题,使信道表现出明显的衰落特性。信道的多径衰落在单载波传输系统中往往会产生严重的码间干扰,使得接收机往往需要比较复杂的均衡滤波器,所以设计单载波高速移动通信系统的均衡器是一项富有挑战性的工作。OFDM

9

图 1.5 OFDM 信号的频谱

OFDM 子信道

responsefrequency

responsefrequency

frequency

frequency 图 1.6 OFDM 的各子信道近似是平坦衰落

系统利用N个子载波,将整个信道划分成N个窄子信道,在每个子信道上信道

的衰落近似平坦衰落,如图1.6 所示,而且每个子信道上的码速率也比较低,这

使得OFDM 系统的均衡滤波器的设计比较容易,一般每个子信道只需要一个单

抽头的(自适应)均衡器即可,这也是 OFDM 吸引人的特点之一。

OFDM 子信道间的间隔对系统的性能有很大影响。子信道间隔越大,由于各种

因素造成的子信道间的干扰越小,但同时系统的频谱效率也越低,由于子信道带

宽的加大,系统抗击频率选择性衰落的能力也下降;反之,为提高系统的频谱效

率而缩小子信道间的间隔,必然使系统的子载波间的干扰加大;系统设计人员需

要在它们之间折衷。信道带宽和 FFT 的点数决定了 OFDM 子信道间的间隔,确

定子信道间隔的一般原则是,满足系统频谱利用率和保证OFDM 系统的良好的抗击频率选择性衰落的前提下,尽可能加大子载波间的间隔。

8. 虚载波

OFDM 的调制解调可以采用DFT 实现,这大大简化了OFDM 的实现复杂性,是OFDM 发展过程中有里程碑意义的进展。但基于DFT 的实现方式也给OFDM 带来一些问题,我们这里进行简单讨论。

我们知道,理想的 OFDM 信号各个子信道上的频谱是 Sa 函数形状的,因此从理论上来说,OFDM 信号是非带限信号(具有无限带宽)。而具有DFT 实现方式的OFDM 其信号处理是在离散域上采用数字信号处理技术完成的,也就是对OFDM 的抽样信号进行的处理,

例如,前面假设的一帧OFDM 符号X(0), X(1),, X( N?1) ,应该被看成一帧OFDM 信号s ( t) 在一个帧周期内的抽样信号作 DFT 变换后的结果。对信号进行时域抽样,其必要条

件是信号是带限的,不然抽样后必然会产生频谱混叠,这显然是矛盾的。

工程上解决上述矛盾的方法是对 OFDM 进行带限处理:对 OFDM 基带信号进行滤波,滤除其频谱旁瓣。这样处理后,靠近频带边缘的子载波的一部分能量还比较大的旁瓣被滤除,破坏了子载波的正交性,会造成子载波之间的干扰,造成检测上的麻烦。为了减少带限处理给OFDM 信号带来的上述影响,工程上一般在信号频谱的边缘设置一定数量的虚载波

(Virtual Carrier),即相应的子载波幅度置零。例如,IEEE 802.11a 标准中,子载波共有 64 个,

其中虚载波共有12 个。采用虚载波后,再对OFDM 信号进行带限处理,就不会对 OFDM 信号产生明显的影响了。

9. OFDM 系统参数的选择

10. OFDM 的子载波调制

OFDM 的子载波调制一般采用QAM 或MPSK 方式。各子载波不必要采用相同的状态数(进制数),甚至不必要采用相同的调制方式。这使得 OFDM 支持的传输速率可以在一个较大的范围内变化,并可以根据子信道的干扰情况,

在不同的子信道上采用不同状态数的调制,甚至采用不同的调制方式。调制信号星座的形成在IDFT 前由相应的调制映射完成。具体地说,就是根据串并变换后的比特序列以及 QAM(或 MPSK)的星座映射关系,计算出

相应的同相分量a i和正交分量b i,得到X (i) = a i + jb i,这就是第i个载波被调制后在一个

OFDM 符号周期内的频谱(所以我们说OFDM 的子载波调制是在频域上进行的),然后将该符号周期内的频域信号变成时域信号,这个过程由IDFT 完成。IDFT 的输出加上循环前缀后,分实部虚部分别作D/A 变换得到要传输的实部和虚部的波形信号,它们可以采用串行

传输的方式传输,或者计算出信息序列X (N ) 后,将信息序列延长成长度为

2N+2,变成共

轭对称的形式,如图1.7 所示,根据数字信号处理的理论,这样的序列作IDFT 后为实信号,可以直接传输。上述两种方案的效率较低,目前更流行的方式是采用正交调制(即一般是将实部和虚部分别调制到同一频率的cos 和sin 载波上)方式并行传输。

下面以子载波采用 16QAM 调制为例,说明 16QAM 调制映射的实现。

一种最简单的 16QAM 信号星座图如下面图 1.8 所示,这种星座图不是最佳的,即这种星座图形式的16QAM 对信号功率的利用没有达到最佳,但是这种星座图实现最容易。关于信号星座图的优化设计见[Chen 1]。

图 1.7 将信息序列扩展成共轭对称形式的方法

1

1

10

11

01

00

00 01 11 10

图 1.8 16QAM 星座图图中的横轴表示同相分量的信息比特,纵轴表示正交分量的信息比特,当然也可以作

另外的假设。设第k个子信道上要传输的信息比特为“1101”,从图 1.8 可知,X ( k ) = 1 ?j;

同样若信息比特为“1010”,则X ( k ) = 3 + 3 j,等等。

由于OFDM 的子载波调制是在频域上根据信号星座图计算出来的,而且完成调制的 IDFT 也需要大量的运算,因此 OFDM 系统的发射机必须有强大的计算能力(其实接收机也是如此),这可以由专门的DSP 芯片或FPGA 芯片完成,随着计算机技术的进步,未来也有可能由通用计算机完成。从这种意义上说,OFDM 是通信和计算技术的融合。由于OFDM 的发射机和接收机有强大的一般计算能力,所以在 OFDM 子载波调制中,不必考虑复杂的星座图信号在实现上的复杂性,这样 OFDM 的子载波调制中可以采用任何先进的信号星座图优化技术,以提高信号的功率利用率。

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OFDM的基本原理

OFDM 的基本原理 杜岩 (山东大学信息科学与工程学院济南 250100) 1. 引言 现代社会对通信的依赖和要求越来越高,于是设计和开发效率更高的通信系统就成了通信工程界不断追求的目标。通信系统的效率,说到底就是频谱利用率和功率利用率。特别是在无线通信的情况下,对这两个指标的要求往往更高,尤其是频谱利用率。由于空间可用频谱资源是有限的,而无线应用却越来越多,使得无线频谱的使用受到各国政府的严格管理并统一规划。于是,各种各样的具有较高频谱效率的通信技术不断被开发出来,OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)是目前已知的频谱利用率最高的一种通信系统,它将数字调制、数字信号处理、多载波传输等技术有机结合在一起,使得它在系统的频谱利用率、功率利用率、系统复杂性方面综合起来有很强的竞争力,是支持未来移动通信特别是移动多媒体通信的主要技术之一。 OFDM是一种多载波传输技术,N个子载波把整个信道分割成N个子信道,N个子信道并行传输信息。OFDM系统有许多非常引人注目的优点。第一,OFDM具有非常高的频谱利用率。普通的FDM系统为了分离开各子信道的信号,需要在相邻的信道间设置一定的保护间隔(频带),以便接收端能用带通滤波器分离出相应子信道的信号,造成了频谱资源的浪费。OFDM系统各子信道间不但没有保护频带,而且相邻信道间信号的频谱的主瓣还相互重叠(见图1.5),但各子信道信号的频谱在频域上是相互正交的,各子载波在时域上是正交的,OFDM系统的各子信道信号的分离(解调)是靠这种正交性来完成的。另外,OFDM 的个子信道上还可以采用多进制调制(如频谱效率很高的QAM),进一步提高了OFDM系统的频谱效率。第二,实现比较简单。当子信道上采用QAM或MPSK调制方式时,调制过程可以用IFFT完成,解调过程可以用FFT完成,既不用多组振荡源,又不用带通滤波器组分离信号。第三,抗多径干扰能力强,抗衰落能力强。由于一般的OFDM系统均采用循环前缀(Cyclic Prefix,CP)方式,使得它在一定条件下可以完全消除信号的多径传播造成的码间干扰,完全消除多径传播对载波间正交性的破坏,因此OFDM系统具有很好的抗多径干扰能力。OFDM的子载波把整个信道划分成许多窄信道,尽管整个信道是有可能是极不平坦的衰落信道,但在各子信道上的衰落却是近似平坦的(见图1.6),这使得OFDM系统子信道的均衡特别简单,往往只需一个抽头的均衡器即可。 当然,与单载波系统比,OFDM也有一些困难问题需要解决。这些问题主要是:第一,同步问题。理论分析和实践都表明,OFDM系统对同步系统的精度要求更高,大的同步误差不仅造成输出信噪比的下降,还会破坏子载波间的正交性,造成载波间干扰,从而大大影响系统的性能,甚至使系统无法正常工作。第二,OFDM信号的峰值平均功率比(Peak-to-Average Power Ratio,PAPR)往往很大,使它对放大器的线性范围要求大,同时也降低了放大器的效率。OFDM在未来通信系统中的应用,特别是在未来移动多媒体通信中的应用,将取决于上述问题的解决程度。 OFDM技术已经或正在获得一些应用。例如,在广播应用中欧洲的ETSI(European Telecommunication Standard Institute,欧洲电信标准学会)已经制定了采用OFDM技术的数

OFDM基础理论的数学表达和解析(end)汇总

OFDM基础理论的数学表达与解析 王海舟 10/10/2016

目录 摘要 (3) 第一章、概述 (4) 第二章、OFDM技术基础理论 (4) 2.1芝诺悖论的哲学来源与泰勒级数 (4) 2.2三角级数和三角函数的正交性 (5) 2.3周期函数的傅里叶级数的表达 (6) 2.4欧拉公式 (8) 2.5非周期连续函数的傅里叶积分变换 (10) 2.6傅里叶变换的时移特性 (11) 2.7单位脉冲函数及其筛选特性 (12) 2.8卷积积分和卷积定理 (14) 2.9奈奎斯特准则和数字滤波初步 (15) 2.10OFDM技术的实现 (17) 第三章、OFDM技术基础理论学习的意义 (18)

摘要 以OFDM技术为基础的LTE通信网络,经过近3年来的高速发展,网络的建设规模方面已经超过GSM网络。4G的Volte语音业务替代2G的步伐也正在加快,而移动数据业务的发展更是一日千里,成为各个运营商竞争的最重要的战场。更何况OFDM技术仍将在未来的5G网络中起着技术基石的作用。 我们知道,2G网络历经了10年以上的发展,大批现场工程师得到了充足的培训,同时又拥有长期的实战经验,因而在网络优化工作中得心应手。相比而言,LTE网络在短时间的发展,致使我们面临短缺具备一定深度基础理论知识的网络优化工程师的情况;尽管工程师能够从多个方面能够取得一些培训,但由于缺少连贯的理论知识对接,这些培训远远不能支持专业的工程师走的更远、走的更深入。面对这样的困境,本人对OFDM技术要点进行理论梳理,从浩瀚的高等数学、工程数学、通信理论的知识海洋中,颉取最简理论线路,创新进行理论关联和演进的串接,不仅令工程师能够夯实最基础的理论,而且用最简捷的数学理论途径,达到深入理解OFDM技术。 关键词: OFDM、泰勒级数、欧拉公式、傅里叶变换、单位脉冲函数、卷积积分、数字滤波。

OFDM技术的基本原理1

OFDM技术的基本原理1 OFDM技术的基本原理 在传统的多载波通信系统中,整个系统频带被划分为若干个互相分离的子信道(载波)。载波之间有一定的保护间隔,接收端通过滤波器把各个子信道分离之后接收所需信息。这样虽然可以避免不同信道互相干扰,但却以牺牲频率利用率为代价。而且当子信道数量很大的时候,大量分离各子信道信号的滤波器的设置就成了几乎不可能的事情。 上个世纪中期,人们提出了频带混叠的多载波通信方案,选择相互之间正交的载波频率作子载波,也就是我们所说的OFDM。这种“正交”表示的是载波频率间精确的数学关系。按照这种设想,OFDM既能充分利用信道带宽,也可以避免使用高速均衡和抗突发噪声差错。OFDM是一种特殊的多载波通信方案,单个用户的信息流被串/并变换为多个低速率码流,每个码流都用一个子载波发送。OFDM不用带通滤波器来分隔子载波,而是通过快速傅立叶变换(FFT)来选用那些即便混叠也能够保持正交的波形。 OFDM是一种无线环境下的高速传输技术。无线信道的频率响应曲线大多是非平坦的,而OFDM技术的主要思想就是在频域内将给定信道分成许多正交子信道,在每个子信道上使用一个子载波进行调制,并且各子载波并行传输。这样,尽管总的信道是非平坦的,具有频率选择性,但是每个子信道是相对平坦的,在每个子信道上进行的是窄带传输,信号带宽小于信道的相应带宽,因此就可以大大消除信号波形间的干扰。由于在OFDM系统中各个子信道的载波相互正交,它们的频谱是相互重叠的,这样不但减小了子载波间的相互干扰,同时又提高了频谱利用率。 OFDM技术的推出其实是为了提高载波的频谱利用率,或者是为了改进对多载波的调制,它的特点是各子载波相互正交,使扩频调制后的频谱可以相互重叠,从而

OFDM的基本原理和简单应用

OFDM 的基本原理及其简单应用 摘要:本文主要介绍OFDM 的一些基本原理,并对OFDM 的一些优缺点进行了说明。正交频分复用(OFDM )是一种特殊的多载波数字调制技术,OFDM 技术不像常规的单载波技术,而是在经过特别计算的正交频率上同时发送多路高速信号。介绍了OFDM 的基本原理的同时展望了OFDM 标准化和在第四代移动通信系统的应用。 关键词:OFDM ,DFT/IDFT ,多载波调制,数字通信 中图分类号:TN911 文献标致码:A Basic Principles and Simple Applications Of OFDM (Xi’an university of science and technology Communication and Information Systems Institute shanxi xi ’an 710054) Abstract :In this article ,the principle of OFDM are introduced and OFDM are described some of the advantages and disadvantages. OFDM(orthogonal frequency division multiplexing) is a special digital modulation technology of multi-carriers. Unlike normal single carrier technology , OFDM can transmit a number of data streams simultaneously through its sub- carriers which are orthogonal. In the end, highlighted the standardization of OFDM and its applications in 4G mobile communication system. Key W ords :OFDM ,DFT/IDFT ,Multi-carrier modulation ,Digital communications 0.引言 随着移动通信和数据通信的飞速发展,移动用户对业务种类和通信速率的要求不断提高,正交频分复用(OFDM )具有高的频谱利用率、良好的抗多径干扰能力和抗短时间突发噪声(称为脉冲噪声)的能力,它可以增加系统容量,同时能更好地满足多媒体通信的要求。OFDM 是多载波调制(MCM )或离散多音频(DMT )的一种特殊形式,是一类多载波并行调制的体制,一种带宽有效性较高的调制技术,并可以对抗时延扩展多径和脉冲噪声等信道干扰。它的一些主要特点是: (1)为了提高频率利用率和增大传输速率,各路子载波的已调信号频谱有部分重叠。 (2)各路已调信号是严格正交的,以便接收端能完全的分离各路信号。 (3)每路子载波的调制是多进制调制。 (4)每路子载波的调制制度可以不同,根据各个子载波处信道特性的优劣不同采用不同的体制。 1.OFDM 的基本原理 1.1 多载波的基本原理 多载波就是把传输的宽带分成许多窄带子载波来并行传输,多载波可以在有限的无线传播带宽中获得更高的传输速率。在单载波体制的情况下,码元持续时间T 很短,但占用带宽B 很大,由于信道特性不理想,产生码间串扰。采用多载波后码元持续时间S T N T ,码间串扰将得到改善。

OFDM系统原理及其实现

通信系统综合设计 报告 题目:OFDM系统原理及其实现 学部: 班级: 姓名: 学号: 指导教师: 撰写日期:

目录 第一章................................................... 错误!未定义书签。 要求................................................. 错误!未定义书签。 系统基本原理及基本模块............................... 错误!未定义书签。 设计思路......................................... 错误!未定义书签。 系统基本模块..................................... 错误!未定义书签。第二章................................................... 错误!未定义书签。 编程思路及框架....................................... 错误!未定义书签。 信道编码映射..................................... 错误!未定义书签。 串并/并串变换.................................... 错误!未定义书签。 调制解调......................................... 错误!未定义书签。 添加/取出循环前缀................................ 错误!未定义书签。第三章................................................... 错误!未定义书签。 实验结果............................................ 错误!未定义书签。 码率计算:....................................... 错误!未定义书签。 试验结果......................................... 错误!未定义书签。总结..................................................... 错误!未定义书签。附录..................................................... 错误!未定义书签。 第一章 要求 仿真实现OFDM调制解调,在发射端,经串/并变换和IFFT变换,加上保护间隔(又称“循环前缀”),形成数字信号,通过信道到达接收端,结束端实现反变换,进行误码分析。

OFDM的基本原理剖析

OFDM的基本原理剖析 1 从FDM到OFDM 早期发展的无线网络或移动通信系统,是使用单载波调制(Single-carrier Modulation)技术,单载波调制是将要传送的信号(语音或数据),隐藏在一个载波上,再藉由天线传送出去。信号若是隐藏于载波的振幅,则有AM、ASK调制系统;信号若是隐藏于载波的频率,则有FM、FSK调制系统;信号若是隐藏于载波的相位,则有PM、PSK调制系统。 使用单载波调制技术的通讯系统,若要增加传输的速率,所须使用载波的带宽必须更大,即传输的符元时间长度(Symbol Duration)越短,而符元时间的长短会影响抵抗通道延迟的能力。若载波使用较大的带宽传输时,相对的符元时间较短,这样的通讯系统只要受到一点干扰或是噪声较大时,就可能会有较大的误码率(Bit Error Ratio, BER)。 为降低解决以上的问题,因此发展出多载波调制(Multi-carrier Modulation)技术,其概念是将一个较大的带宽切割成一些较小的子通道(Subchannel)来传送信号,即是使用多个子载波(Subcarrier)传来送信号,利用这些较窄的子通道传送时,会使子通道内的每一个子载波的信道频率响应看似平坦,这就是分频多任务(Frequency Division Multiplexing, FDM)观念。 因为带宽是一个有限的资源,若频谱上载波可以重迭使用,那就可以提高频谱效率(Spectrum Efficiency,η),所以有学者提出正交分频多任务(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)的技术架构。FDM与OFDM两者最大的差异,在OFDM系统架构中每个子信道上的子载波频率是互相正交,所以频谱上虽然重迭,

OFDM调制的过程及原理解释-个人笔记

1.OFDM调制/解调 1.1.概述 1.1.1.OFDM调制基本原理 如图OFDM调制的过程就是将待发送的多个数据分别与多路子载波相乘合成基带复信号s(t)的过程,而OFDM解调的过程就是由复信号s(t)求解傅立叶系数的过程。复信号s(t)是时域信号,而傅立叶系数就是频域的数据。需要明确的是:对于OFDM调制来讲,输入的数据是频域数据,而输出是S(t)就是时域数据;对于OFDM解调来讲,输入的s(t)是时域信号,而输出的数据就是频域数据。当使用IDFT/DFT实现OFDM调制/解调的时候,IDFT的输入是频域数据,输出是时域数据;DFT的输入是时域数据,输出是频域数据。 基于快速离散傅里叶变换的产生和接收OFDM信号原理:在发射端,输入速率为Rb的二进制数据序列先进行串并变换,将串行数据转化成N个并行的数据并分配给N个不同的

子信道,此时子信道信号传输速率为Rb/N。N路数据经过编码映射成N个复数子符号Xk。(一个复数子符号对应速率为Rb的一路数据)随后编码映射输出信号被送入一个进行快速傅里叶逆变换IFFT的模块,此模块将频域内N个复数子符号Xk变换成时域中2N个实数样值Xk。(两个实数样值对应1个复数子符号,即对应速率为Rb的一路数据)由此原始数据就被OFDM按照频域数据进行处理。计算出的IFFT变换之样值,被一个循环前缀加到样值前,形成一个循环扩展的OFDM信息码字。此码字在此通过并串变换,然后按照串行方式通过D/A和低通滤波器输出基带信号,最后经过上变频输出OFDM信号。 1.1. 2.OFDM的优缺点 1.1. 2.1.OFDM优点 1.1. 2.1.1.频谱效率高 由于FFT处理使各个子载波可以部分重叠,因为理论上可以接近乃奎斯特极限。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,从而避免用户间干扰。这使OFDM系统可以实现很高的小区容量。 1.1. 2.1.2.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,称为其相对于单载波技术的“决定性优势”。 1.1. 2.1. 3.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做水平衰落信道,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宽带的增大而急剧增加,很难支持较大的带宽(如20MHz)。

OFDM技术及其应用

目录 OFDM技术及其应用 (3) 摘要 (3) Abstract (4) 前言 (5) 第1章OFDM技术 (6) 第1节OFDM基本原理简介 (9) 第2节OFDM的算法理论与基本系统结构 (10) 第3节OFDM技术特点 (13) 第4节OFDM技术突出的地方 (14) 第5节OFDM的技术优点 (15) 第6节OFDM的两个缺陷 (15) 第2章OFDM技术在各个领域中的应用 (17) 第1节高清晰度数字电视广播 (17) 第2节无线局域网 (17) 第3节宽带无线接入 (18) 第4节3G CDMA的新概念 (19) 第3章OFDM技术在设备制造和运行中的优势 (21) 第4章下一代移动通信系统中的OFDM技术 (24) 第5章OFDM技术的应用现状与前景 (29)

小结 (33) 致谢 (34) 参考文献 (35) 结束语 (36)

OFDM技术及其应用 摘要 OFDM技术是一种多载波调制技术,最初用于军事通信,由于采用DFT实现多载波调制,同时LSI的发展解决了IFFT/FFT的实现问题以及其他关键技术的突破,OFDM开始向诸多领域的实际应用转化,现在成为一种很有发展前途的调制技术。本文首先分析了OFDM的基本原理,并说明其技术优点和缺点,然后提及有关OFDM技术发展方面的一些信息。现在,OFDM在许多领域取得成功应用,这里对有关无线局域网中的OFDM应用现状作了简要说明,对OFDM的应用前景也作了展望。 关键词:正交频分复用(OFDM),原理,特点,发展,应用

Abstract Orthogonal Frequency Division Multiplexing(OFDM) is a kind of technology of Multi-Carrier Modulation(MCM).Depending on Discrete Fourier Transform( DFT) to realize MCM and the quick development of Large Scale Integration( LSI) to solve the question of the solution of IFFT/FFT,OFDM began to be using practically in many fields and is becoming a prosperous MCM-technique.In this paper,firistly the principles of OFDM are analyzed and its characters(merit and defect) are reviewed,then some information about the development of OFDM is introduced.At current time,OFDM has succeeded in many fields, given an example,the present situation of using OFDM on wireless local area net is stated,finally the prospect of using OFDM is imaged. Keywords:OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing(OFDM);Character;Devel opment;Present Situation and Prospect of Application

OFDM基本原理

现代社会对通信的依赖和要求越来越高,于是设计和开发效率更高的通信系统成了通信工程界不断追求的目标。通信系统的效率,说到底是频谱利用率和功率利用率。特别是在无线通信的情况下,对两个指标的利用率更高,尤其是频谱利用率。于是,各种各样具有较高频谱效率的通信技术不断被开发出来,OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,正交频分复用)是一种特殊的多载波调制技术,它利用载波间的正交性进一步提高频谱利用率,而且可以抗窄带干扰和抗多经衰落。OFDM通过多个正交的子载波将串行数据并行传输,可以增大码元的宽度,减少单个码元占用的频带,抵抗多径引起的频率选择性衰落,可以有效克服码间串扰,降低系统对均衡技术的要求,是支持未来移动通信,特别是移动多媒体通信的主要技术之一。 1 OFDM基本原理 一个完整的OFDM系统原理如图1所示。OFDM的基本思想是将串行数据,并行地调制在多个正交的子载波上,这样可以降低每个子载波的码元速率,增大码元的符号周期,提高系统的抗衰落和干扰能力,同时由于每个子载波的正交性,大大提高了频谱的利用率,所以非常适合移动场合中的高速传输。

在发送端,输入的高比特流通过调制映射产生调制信号,经过串并转换变成N条并行的低速子数据流,每N个并行数据构成一个OFDM符号。插入导频信号后经快速傅里叶反变换(IFFT)对每个OFDM符号的N个数据进行调制,变成时域信号为: 式中:m为频域上的离散点;n为时域上的离散点;N为载波数目。为了在接收端有效抑制码间干扰(InterSymbol Interference,ISI),通常要在每一时域OFDM符号前加上保护间隔(Guard Interval,GI)。加保护间隔后的信号可表示为式(2),最后信号经并/串变换及D/A 转换,由发送天线发送出去。

OFDM系统基本原理及技术

第二章 OFDM系统基本原理及技术 概述 正交频分复用(OFDM)是一种特殊的多载波传输方案,既可看成一种调制技术,也可以当做一种复用技术。它能很好的对抗频率选择性衰落或窄带干扰,在没有使用传统的信道补偿的不均匀传输介质环境下,如无线信道上通信时依然可以稳定运行,而如果使用传统调制技术则信道上通信质量会出现波动。尤其适用于多信道传输所引起的频率选择性衰落较为严重的宽频信道上高速数据传输,在IEEE.802.11a、HiperLAN、IEEE802.16、HiperMAN、ASDL等标准中得到广泛应用。 1966年正交频分复用(OFDM)的概念就已经出现,1970年一月首次公开发布了有关OFDM的专利。80年代以来,OFDM已经在数字音频广播(DAB)、数字视频广播(DVB)、无线本地局域网(WLAN)及有线电话网上基于现有铜双绞线的非对称比特率数字用户线技术中得到了很大应用。90年代达到了足够成熟的可应用标准,1995年由欧洲电信标准协会(ETSI)制定了DAB标准,这是第一个使用OFDM的标准,1997年DVB标准也开始投入使用,1998年IEEE9802.11标准决定选择OFDM作为WLAN的物理接入方案,这是OFDM第一次用于分组业务通信中。 2.1 OFDM的原理 2.1.1 OFDM系统基本原理 图2-1是系统收发端的典型框图,将数字信号转换成子载波相位于幅度的映射,进行IFFT将数据的频谱表达式变到时域。其中上半部分为发射机链路,下半部分为接收机链路。由于FFT与IFFT相似相反,所以收发机可以用同一硬件设备。

图2-1 OFDM 收发框图 由于接收机进行与发送机相反操作,将RF 信号与基带信号进行混频处理,并用FFT 分解频域信号,子载波的频率相位采集出来转换为数字信号。IFFT 和FFT 互为反变换,选择适当的变换将信号接收或发送。当信号独立与系统时,FFT 和IFFT 可以交替使用。 2.1.2 DFT 的实现方法 对于N 比较大的系统来说可以使用离散傅里叶变换(IDFT )来实现. ∑-===1 2)exp()/(N o i N ik i K j d N KT S S π(10-≤≤N K ) (2.1) 可以看到k s 等效为对i d 进行IDFT 运算。同样在接收端,为了恢复出原始的数据符号i d ,可以对k s 进行逆变换 ,即DFT 得到: )2exp(10N ik j s d N k k i π-=∑-= ()10-≤≤N i ( 2.2) 在OFDM 系统的实际运用中,可以采用更加方便快捷的快速傅立叶变换(IFFT/FFT )。 点IDFT 运算需要实施 次的复数乘法,而IFFT 可以显著的降低

ofdm基本原理总结要点

OFDM 基本原理概述 设OFDM 信号的符号周期为T ,当N 个子载波的频率之间的最小间 N 表示子信道的个数,T 表示OFDM 符号宽度,i d (i =0,1,…,N-1)是分配给每个子信道的数据符号,0f 是第0个子载波载波频率,则从t=s t 开始的OFDM 符号可以表示为 100exp 2()(),()0,N i s s s i i d j f t t t t t T s t T π-=??? +-≤≤+???=????? ∑其它 它的等效基带信号是 1 ()exp 2(),N i s s s i i s t d j t t t t t T T π-=?? =-≤≤+????∑ 式中实部和虚部分别对应于OFDM 符号的同相和正交分量,是集中可以分别与相应子载波 的余弦分量和正弦分量相乘,构成最终的子信道信号和合成的OFDM 符号。

信号解调,接收第k 路子载波信号 k d 与第k 路解调载波exp[2()]s j t t T π--相乘,得到的结果在符号持续时间T 内进行积分,即可获得相应的发送信号k d 1^ 0101exp 2()exp 2()1exp 2()s s s s N t T k s i s t i N t T i s t i k k i d j t t d j t t dt T T T i k d j t t dt T T d πππ-+=-+=???? = ---???????? -??=-???? =∑?∑? OFDM 复等效基带信号可以采用离散傅立叶逆变化(IFFT)方法来实现。令s t =0,t=/kT N (k=0,1,….,N-1), 即对s(t)以 T/N 的速率进行抽样可以得到 1 2()(/)exp N i i ki s k s kT N d j N π-=?? == ???∑ 01k N ≤≤- 式中s(k)即为i d 的IDFT 运算。接收端为恢复出原始的数据符号i d ,可以对s(k)进行DFT 运算,得到1 2()exp N i i ki d s k j N π-=?? = - ???∑ 01i N ≤≤- OFDM 文章,时间连续系统模型时,发射机发射的第K 个载波波形时,

OFDM调制的过程及原理解释-个人笔记

1.OFDM调制/解调 1.1. 概述 1.1.1.OFDM调制基本原理 如图OFDM调制的过程就是将待发送的多个数据分别与多路子载波相乘合成基带复信号s(t)的过程,而OFDM解调的过程就是由复信号s(t)求解傅立叶系数的过程。复信号s(t)是时域信号,而傅立叶系数就是频域的数据。需要明确的是:对于OFDM调制来讲,输入的数据是频域数据,而输出是S(t)就是时域数据;对于OFDM解调来讲,输入的s(t)是时域信号,而输出的数据就是频域数据。当使用IDFT/DFT实现OFDM调制/解调的时候,IDFT 的输入是频域数据,输出是时域数据;DFT的输入是时域数据,输出是频域数据。 基于快速离散傅里叶变换的产生和接收OFDM信号原理:在发射端,输入速率为Rb 的二进制数据序列先进行串并变换,将串行数据转化成N个并行的数据并分配给N个不同的子信道,此时子信道信号传输速率为Rb/N。N路数据经过编码映射成N个复数子符号Xk。(一个复数子符号对应速率为Rb的一路数据)随后编码映射输出信号被送入一个进行快速傅里叶逆变换IFFT的模块,此模块将频域内N个复数子符号Xk变换成时域中2N个实数样值Xk。(两个实数样值对应1个复数子符号,即对应速率为Rb的一路数据)由此原始数据就被OFDM按照频域数据进行处理。计算出的IFFT变换之样值,被一个循环前缀加到

样值前,形成一个循环扩展的OFDM信息码字。此码字在此通过并串变换,然后按照串行方式通过D/A和低通滤波器输出基带信号,最后经过上变频输出OFDM信号。 1.1. 2.OFDM的优缺点 1.1. 2.1. OFDM优点 1.1. 2.1.1.频谱效率高 由于FFT处理使各个子载波可以部分重叠,因为理论上可以接近乃奎斯特极限。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,从而避免用户间干扰。这使OFDM系统可以实现很高的小区容量。 1.1. 2.1.2.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,称为其相对于单载波技术的“决定性优势”。 1.1. 2.1. 3.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做水平衰落信道,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宽带的增大而急剧增加,很难支持较大的带宽(如20MHz)。 1.1. 2.1.4.频谱资源灵活分配 OFDM系统可以通过灵活地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。 1.1. 2.1.5.实现MIMO技术较简单 由于每个OFDM子载波内的信道可看做水平衰落信道,因为多天线(MIMO)系统带来的额外复杂度可以控制在较低的水平(随着天线数量呈线性增加。)相反,单载波MIMO 系统的复杂度与天线数量和多径数量的乘积的幂成正比,很不利于MIMO技术的应用。

OFDM-原理

OFDM-原理

目录 1绪论 (1) 1.1 OFDM技术的发展 (1) 1.2 OFDM的主要优缺点 (2) 1.3课题的研究和意义 (4) 2 OFDM系统的基本原理 (5) 2.1 OFDM原理简介 (5) 2.1.1 0FDM正交调制解调框图 (6) 2.1.2使用快速傅立叶变换调制解调 (7) 2.1.3循环前缀 (8) 2.2 OFDM关键技术 (11) 3 OFDM同步分析 (13) 3.1同步的重要性 (13) 3.1.1引言 (13) 3.1.2 OFDM同步技术的概况 (13) 3.2 OFDM系统同步的实现 (15) 3.2.1最大似然估计频率偏移估计算法 (16) 3.2.2基于导频符号和循环前缀的最大似然定时估计 (18) 3.2.3利用循环前缀实现符号定界的同步 (20) 3.3小结 (26) 4 OFDM系统仿真 (28) 4.1 OFDM系统仿真的设计 (28) 4.1.1信源发生器的设计 (28) 4.1.2 QPSK的调制和解调 (29) 4.1.3插入和去除循环前缀 (30) 4.1.4 FFT/IFFT (30) 4.1.5串/并/串转换 (30) 4.2仿真过程 (30) 4.3仿真结果与分析 (35) 总结 (38) 致谢 ................................................................................................... 错误!未定义书签。参考文献 (39) 附录 (40)

1绪论 1.1OFDM技术的发展 OFDM(Orthogona1Frequency Division Multiplexing)即正交频分复用,是一种多载波数字调制技术,于20世纪60年代就己提出,该技术的特点是易于实现信道均衡,降低了均衡器的复杂性,但由于OFDM技术要求大量的复杂计算和高速存储设备,当时的技术条件达不到,所以仅在一些军用系统中有过应用。第一个OFDM技术的实际应用是军用的无线高频通信链路,由于早期的OFDM系统结构非常复杂,需要使用多个调制解调器,从而限制了它的应用和发展。1971 年,Weinstein和Ebert提出了采用离散傅立叶变换来等效多个调制解调器的功能,简化了系统结构,使得OFDM技术更趋于实用化。近年来,由于数字信号处理技术和大规模集成电路技术(VLSI) 的发展,制约OFDM技术发展的障碍已不存在。同时,80年代中期以来由于无线通信技术,特别是无线多媒体技术的飞速发展,要求的数据传输速率越来越高。随着传输速率的提高,信道干扰更加严重,采用传统的单载波调制方式,其信道均衡的难度也随之增加,而采用OFDM 调制技术可有效地处理信道干扰,提高系统的传输速率,因此倍受瞩目。1995年欧洲电信标准委员会(ETSI)将OFDM作为数字音频广播(DAB)的调制方式,这是第一个以OFDM作为传输技术的标准。欧洲数字视频广播联盟也在1997年采用OFDM作为其地面广播(DVB-T)调制标准。1999年IEEE将OFDM作为其无线局域网标准IEEE802.lla的物理层的调制标准。OFDM和CDMA的结合也被用于宽带CDMA中。目前OFDM技术己经被广泛应用于广播式的音频和视频领域和民用通信系统中,主要的应用包括:非对称的数字用户环路(ADSL)、ETSI 标准的数字音频广播(DAB)、数字视频广播(DVB)、高清晰度电视(HDTV)、无线局域网(WLAN)等。 正交频分复用技术(OFDM)是一种无线环境下高速传输技术。无线信道的频率响应大多是非平坦的,而OFDM技术的主要思想就是在频域内将所给信道分成许多正交子信道,在每个子信道上使用一个子载波进行调制,并且各子载波并行传输,这样,尽管总的信道是非平坦的,也就是具有频率选择性,但是每个子

OFDM的基本原理及关键技术

OFDM的基本原理及关键技术 OFDM的基本原理及关键技术 1 OFDM的基本原理 2 OFDM的模型结构和各部分原理 2.1 OFDM结构框图 2.2 星座映射 2.3 串并转换以及FFT 2.4 插入保护间隔 2.5 OFDM的解调 OFDM即正交频分复用技术,实际上 OFDM是 MCM(Multi-CarrierModulation),多载波调制的一种。其主要思想是: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 ICI 。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽,因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落,从而可以消除符号间干扰。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。在向B3G/4G演进的过程中,OFDM是关键的技术之一,可以结合分集,时空编码,干扰和信道间干扰抑制以及智能天线技术,最大限度的提高了系统性能。 1 OFDM的基本原理 OFDM技术的推出其实是为了提高载波的频谱利用率,或者是为了改进对多载波的调制,它的特点是各子载波相互正交,使扩频调制后的频谱可以相互重叠,从而减小了子载波间的相互干扰。在对每个载波完成调制以后,为了增加数据的吞吐量、提高数据传输的速度,它又采用了一种叫作HomePlug的处理技术,来对所有将要被发送数据信号位的载波进行合并处理,把众多的单个信号合并成一个独立的

传输信号进行发送。另外OFDM之所以备受关注,其中一条重要的原因是它可以利用离散傅立叶反变换/离散傅立叶变换(IDFT/DFT)代替多载波调制和解调。 OFDM的基本原理是将高速信息数据编码后分配到并行的N个相互正交的载波上,每个载波上的调制速率很低(1/N),调制符号的持续间隔远大于信道的时间扩散,从而能够在具有较大失真和突发性脉冲干扰环境下对传输的数字信号提供有效地保护。OFDM对多径时延扩散不敏感,若信号占用带宽大于信道相干带宽,则多径效应使信号的某些频率分量增强,某些频率分量减弱(频 率选择性衰落)。OFDM的频域编码和交织在分散并行的数据之间建立了联系。这样,由部分衰落或干扰而遭到破坏的数据,可以通过频率分量增强部分的接收的数据得以恢复,即实现频率分集。 OFDM增强了抗频率选择性衰落和抗窄带干扰的能力。在单载波系统中,单个衰落或者干扰可能导致整个链路不可用,但在多载波的OFDM系统中,只会有一小部分载波受影响。此外,纠错码的使用还可以帮助其恢复一些载波上的信息。通过合理地挑选子载波位置,可以使OFDM的频谱波形保持平坦,同时保证了各载波之间的正交。 OFDM尽管还是一种频分复用(FDM),但已完全不同于过去的FDM。OFDM的接收机实际上是通过FFT实现的一组解调器。它将不同载波搬移至零频,然后在一个码元周期内积分,其他载波信号由于与所积分的信号正交,因此不会对信息的提取产生影响。OFDM的数据传输速率也与子载波的数量有关。 OFDM每个载波所使用的调制方法可以不同。各个载波能够根据信道状况的不同选择不同的调制方式,比如BPSK、QPSK、8PSK、16QAM、64QAM等等,以频谱利用率和误码率之间的最佳平衡为原则。我们通过选择满足一定误码率的最佳调制方式就可以获得最大频谱效率。无线多径信道的频率选择性衰落会使接收信号功率大幅下降,经常会达到30dB之多,信噪比也随之大幅下降。为了提高频谱利用率,应

OFDM综述要点

信息工程学院大作业 文献综述 题目OFDM综述 专业班级: 学号: 学生姓名: 指导教师: 2015年12月15 日

OFDM综述 田帅 摘要:OFDM的英文全称为Orthogonal Frequency-Division Multiplexing,中文含义为正交频分复用。这种技术是HPA联盟(HomePlug Powerline Alliance)工业规范的基础,它采用一种不连续的多音调技术,将被称为载波的不同频率中的大量信号合并成单一的信号,从而完成信号传送。由于这种技术具有在杂波干扰下传送信号的能力,因此常常会被利用在容易受外界干扰或者抵抗外界干扰能力较差的传输介质中。其实,OFDM并不是如今发展起来的新技术,OFDM技术的应用已有近40年的历史,主要用于军用的无线高频通信系统。但是,一个OFDM系统的结构非常复杂,从而限制了其进一步推广。直到上世纪70年代,人们采用离散傅立叶变换来实现多个载波的调制,简化了系统结构,使得OFDM技术更趋于实用化。80年代,人们研究如何将OFDM技术应用于高速MODEM。进入90年代以来,OFDM 技术的研究深入到无线调频信道上的宽带数据传输。目前OFDM技术已经被广泛应用于广播式的音频、视频领域和民用通信系统,主要的应用包括:非对称的数字用户环路(ADSL)、ETSI标准的数字音频广播(DAB)、数字视频广播(DVB)、高清晰度电视(HDTV)、无线局域网(WLAN)等。 关键词:正交频分复用带宽多输入多输出无线信道无线网 前言: 研究方向:现代社会对通信的依赖和要求越来越高,设计和开发效率更高的通信系统成了通信工程界不断追求的目标通信系统的效率,就是指频谱利用率和功率利用率 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,正交频分复用)是一种特殊的多载波调制技术,其主要思想是: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,调制到在每个子通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,这样可以减少子通道之间

OFDM基本技术原理

OFDM基本技术原理 在传统的多载波通信系统中,整个系统频带被划分为若干个互相分离的子信道(载波)。载波之间有一定的保护间隔,接收端通过滤波器把各个子信道分离之后接收所需信息。这样虽然可以避免不同信道互相干扰,但却以牺牲频率利用率为代价。而且当子信道数量很大的时候,大量分离各子信道信号的滤波器的设置就成了几乎不可能的事情。 上个世纪中期,人们提出了频带混叠的多载波通信方案,选择相互之间正交的载波频率作子载波,也就是我们所说的OFDM。这种“正交”表示的是载波频率间精确的数学关系。按照这种设想,OFDM既能充分利用信道带宽,也可以避免使用高速均衡和抗突发噪声差错。OFDM是一种特殊的多载波通信方案,单个用户的信息流被串/并变换为多个低速率码流,每个码流都用一个子载波发送。OFDM不用带通滤波器来分隔子载波,而是通过快速傅立叶变换(FFT)来选用那些即便混叠也能够保持正交的波形。 OFDM是一种无线环境下的高速传输技术。无线信道的频率响应曲线大多是非平坦的,而OFDM技术的主要思想就是在频域内将给定信道分成许多正交子信道,在每个子信道上使用一个子载波进行调制,并且各子载波并行传输。这样,尽管总的信道是非平坦的,具有频率选择性,但是每个子信道是相对平坦的,在每个子信道上进行的是窄带传输,信号带宽小于信道的相应带宽,因此就可以大大消除信号波形间的干扰。由于在OFDM系统中各个子信道的载波相互正交,它们的频谱是相互重叠的,这样不但减小了子载波间的相互干扰,同时又提高了频谱利用率。 OFDM技术属于多载波调制(Multi-Car rierModulation,MCM)技术。有些文献上将OFDM和MCM混用,实际上不够严密。MCM与OFDM常用于无线信道,它们的区别在于:OFDM技术特指将信道划分成正交的子信道,频道利用率高;而MCM,可以是更多种信道划分方法。 OFDM技术的推出其实是为了提高载波的频谱利用率,或者是为了改进对多载波的调制,它的特点是各子载波相互正交,使扩频调制后的频谱可以相互重叠,从而减小了子载波间的相互干扰。在对每个载波完成调制以后,为了增加数据的吞吐量、提高数据传输的速度,它又采用了一种叫作HomePlug的处理技术,来对所有将要被发送数据信号位的载波进行合并处理,把众多的单个信号合并成一个独立的传输信号进行发送。另外OFDM之所以备受关注,其中一条重要的原因是它可以利用离散傅立叶反变换/离散傅立叶变换(IDFT/DFT)代替多载波调制和解调。 OFDM增强了抗频率选择性衰落和抗窄带干扰的能力。在单载波系统中,单个衰落或者干扰可能导致整个链路不可用,但在多载波的OFDM系统中,只会有一小部分载波受影响。此外,纠错码的使用还可以帮助其恢复一些载波上的信息。通过合理地挑选子载波位置,可以使OFDM的频谱波形保持平坦,同时保证了各载波之间的正交。 OFDM尽管还是一种频分复用(FDM),但已完全不同于过去的FDM。OFDM的接收机实际上是通过FFT实现的一组解调器。它将不同载波搬移至零频,然后在一个码元周期内积分,其他载波信号由于与所积分的信号正交,因此不会对信息的提取产生影响。OFDM 的数据传输速率也与子载波的数量有关。

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