OFDM正交分頻多工基本原理.ppt

ofdm 正交分頻多工基本原理,prepared by : robert.luo date:2006/3/8,agenda,ofdm技術(shù)簡(jiǎn)介 串列和並列的概念 ofdm之?dāng)?shù)學(xué)模型 ofdm基本原理 ofdm系統(tǒng)流程圖 調(diào)變/映射 ofdm的缺點(diǎn) ofdm技術(shù)之應(yīng)用,ofdm技術(shù)簡(jiǎn)介,傳統(tǒng)多載波傳輸系統(tǒng)是將整個(gè)頻帶劃分成n個(gè)沒(méi)有互相重疊的子載波，子載波與子載波之間有一段頻寬保護(hù)彼此之間不會(huì)互相干擾，稱(chēng)之為保護(hù)頻帶(guard band)，而每個(gè)子載波則可用不同信號(hào)調(diào)變，此方法即是頻率多工。這個(gè)方法可以避免每個(gè)子載波之間互相產(chǎn)生干擾，又有多載波傳輸系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，但就頻帶的使用效率而言，浪費(fèi)了許多頻寬作為保護(hù)。為了有效率的使用頻帶，所以就提出了將子載波在頻譜上互相重疊的辦法，以節(jié)省頻寬。重疊部份可能會(huì)互相干擾，避免干擾的方法為讓載波彼此之間成正交，此即為ofdm技術(shù)。,串列和並列的概念,串列 一個(gè)常見(jiàn)的串列資料系統(tǒng)裡，資料符元被連續(xù)的傳送，每個(gè)資料符元的頻譜允許放滿(mǎn)整個(gè)可用的頻寬 當(dāng)資料傳送速率足夠快，幾個(gè)相鄰的符元可能因?yàn)榻?jīng)過(guò)頻率選擇性衰減或多路徑衰減傳播通道的影響而造成完全的失真 並列 每一個(gè)資料位元的頻譜通常放置於一個(gè)很小範(fàn)圍的頻寬內(nèi) 因?yàn)榘淹ǖ赖念l譜區(qū)分為許多的子頻帶，而每個(gè)子頻帶因?yàn)轭l率響應(yīng)所造成的影響相當(dāng)於平坦的效應(yīng) 並列資料傳送系統(tǒng)有效的解決了在串列系統(tǒng)中會(huì)遇到的問(wèn)題，如對(duì)抗頻率選擇性衰減,圖1 一般多載波調(diào)變技術(shù),圖2 ofdm調(diào)變技術(shù),圖3 單一載波頻譜,圖4 ofdm信號(hào)頻譜,正交性,時(shí)間領(lǐng)域 頻率領(lǐng)域,一個(gè)ofdm符元內(nèi)有四個(gè)子載波的例子 個(gè)別子載波的頻譜,對(duì)一個(gè)週期為t的方波，其在頻譜上的型態(tài)為sin(ft) ，如圖3所示 1 ft 。在頻譜上，與中心頻率每相距 t處，其載波大小為零，利用此特性， 1 讓多個(gè)載波的中心頻率相隔t ，則每個(gè)載波雖然在頻譜上互相重疊，但是在各個(gè)載波中心頻率時(shí)，其他載波的值為零，如圖4所示，如此，載波之間保持正交，不互相干擾,ofdm之?dāng)?shù)學(xué)模型,iq星座圖(i-q constellation),在iq modulator出現(xiàn)之前，正弦波的調(diào)變常以polar diagram(即極性圖)表示。以表示相位之度數(shù)，以到中心點(diǎn)的距離稱(chēng)為大小。,若要設(shè)計(jì)一接收線(xiàn)路偵測(cè)相位微小的變化，複雜度會(huì)很高。而相差90度的兩個(gè)正弦波由於是互相正交的，故很容易被分離出來(lái)。故可以將polar diagram轉(zhuǎn)換為i-q diagram(或稱(chēng)為i-q cons-tellation)，轉(zhuǎn)換方式是信號(hào)所在的位置不變，而用三角函數(shù)將與a(amplitutde)轉(zhuǎn)換為i值與q值。i為a*cos()，q為a*sin()。亦即將與a(amplitutde)之位置映射到x軸與y軸。 混頻器的輸出包括兩種信號(hào)。為兩個(gè)輸入信號(hào)之頻率相加及頻率相減，此時(shí)我們需用濾波器將頻率相加的部份濾掉，故可得出i值與q值。,如以i-q diagram表示bpsk，其中值由一個(gè)bit的input data決定。,如以i-q diagram表示qpsk，則如圖3.18。其中值由兩個(gè)bit的input data所決定。qpsk亦可以0度、90度、180度、與270度等四種角度表示。對(duì)polar diagram而言，45/135/225/315度與0/90/180/270度意義相同，相差只是時(shí)間點(diǎn)的不同。對(duì)i-q modulation而言，角度不同會(huì)明顯影顯實(shí)際送出的i-值與q-值。,ofdm的基帶信號(hào)為：,ofdm基本原理,在接收端，對(duì)ofdm符號(hào)進(jìn)行解調(diào)的過(guò)程中，需要計(jì)算這些點(diǎn)上所對(duì)應(yīng)的每個(gè)子載波頻率的最大值，因?yàn)樵诿總€(gè)子載波頻率最大值處，所有其他子載波的頻譜值恰好為0（圖4為6個(gè)子載波的情況），所以可以從多個(gè)相互重疊的子信道符號(hào)中提取每一個(gè)子信道符號(hào)，而不會(huì)受到其他子信道的干擾（假設(shè)有精確的同步） 迴圈擴(kuò)展 因?yàn)槊總€(gè)ofdm符號(hào)中都包括所有的非零子載波信號(hào)，而且也同時(shí)出現(xiàn)該ofdm符號(hào)的時(shí)延信 號(hào)，所以無(wú)線(xiàn)信道間的符號(hào)間會(huì)存在干擾，如圖5所示。,在系統(tǒng)帶寬和數(shù)據(jù)傳輸速率給定的情況下，ofdm信號(hào)的符號(hào)速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低於單載波的傳輸模式，正因?yàn)檫@種低符號(hào)速率使ofdm系統(tǒng)可以自然抵抗多徑傳播導(dǎo)致isi，另外，通過(guò)在每個(gè)符號(hào)的起始位置增加保護(hù)間隔可以進(jìn)一步抵制isi，還可以減少在接收端的定時(shí)偏移錯(cuò)誤，如圖6所示。,ifft and fft,反離散傅立葉轉(zhuǎn)換和離散傅立葉轉(zhuǎn)換為實(shí)現(xiàn)ofdm系統(tǒng)不可缺少的架構(gòu) 反快速傅立葉轉(zhuǎn)換和快速傅立葉轉(zhuǎn)換演算法為反離散傅立葉轉(zhuǎn)換和離散傅立葉轉(zhuǎn)換之快速硬體實(shí)現(xiàn) 在ieee 802.11a裡，反快速傅立葉轉(zhuǎn)換和快速傅立葉轉(zhuǎn)換的大小為n=64,為何使用反快速傅立葉轉(zhuǎn)換？,串列 轉(zhuǎn) 並列,bi,x1(t)=cos2fct + =cos2fc + t =ree =re(xlm(t)e ),j2fc+ t,其中xl1(t)=e,j2 t,sl(t)=xlm(t)=e =e,j2fmt,n,n,n,m=1,m=1,m=1,用反離散傅立葉轉(zhuǎn)換/離散傅立葉轉(zhuǎn)換來(lái)表示ofdm訊號(hào),現(xiàn)在，考慮一組資料d=(d0,d1,dn,dn-2,dn-1)而且， dk=ak+ jbk,其中k=0,1,n-1 其中fk=k/t,tn=nt/n,且t為一個(gè)任意選擇之串列資料dk的符元區(qū)間 1可以發(fā)現(xiàn)ifft的輸出與多路訊號(hào)載波的輸出具有同樣的形式 2調(diào)整fk與tn以符合ifft的物理意義,ofdm系統(tǒng)流程圖,coding:將要傳輸?shù)馁Y料進(jìn)行編碼，此時(shí)可用任何錯(cuò)誤更正碼加以編碼保護(hù) interleaving:將編碼完的資料作適度的打散，此動(dòng)作防止一連串錯(cuò)誤時(shí)，造成錯(cuò)誤更正碼也發(fā)生一連串錯(cuò)誤，而無(wú)法更正錯(cuò)誤 qam mapping:選定調(diào)變方式，有bpsk,qpsk,qam等方式調(diào)變，此步驟，只有將資料對(duì)應(yīng)至調(diào)變方式之相對(duì)位置，而產(chǎn)生所需的大小及相位，並無(wú)真正將資料調(diào)變傳輸 pilot insertion:將已知值放入資料流中，這些已知值，將在解調(diào)變時(shí)可幫助還原正確信號(hào) serial to parallel:將串列資料改為並列方式，此時(shí)信號(hào)長(zhǎng)度則變?yōu)樵瓉?lái)的n倍，而n為載波的個(gè)數(shù) ifft:利用ifft(inverse fast fourier transform,反快速傅立葉轉(zhuǎn)換), 將資料做一個(gè)轉(zhuǎn)換，如同信號(hào)分別乘上不同載波頻率一樣 parallel to serial:將經(jīng)過(guò)ifft之後的資料，再還原成串列排列，此時(shí)信號(hào)長(zhǎng)度還是原來(lái)的n倍 add cyclic extension and windowing:在信號(hào)前端再加入信號(hào)尾端的一部份，減少多路徑干擾對(duì)系統(tǒng)的影響，並且可以乘上window function，減少接收到二個(gè)信號(hào)之間可能因?yàn)闃O不連續(xù)的相角變化而產(chǎn)生的高頻信號(hào),coding,interleaving,qam mapping,pilox insertion,serial to parallel,ifft,parallel to serial,add cyclic extension and windowing,dac,rf tx,binary input data,ofdm傳送端流程圖,timing and frequency synchronization:此步驟確定系統(tǒng)接收端與信號(hào)間時(shí)間和頻率的同步，估測(cè)信號(hào)的好壞，大大影響系統(tǒng)的錯(cuò)誤率，是此系統(tǒng)中最重要的一個(gè)步驟 channel correction:根據(jù)對(duì)pilot的觀察，推測(cè)資料遭受到通道的干擾，來(lái)還原原始資料,一個(gè)ofdm訊號(hào)由一組子載波訊號(hào)相加所組成，每個(gè)子載波訊號(hào)號(hào)包含m相位位移鍵訊號(hào)(m-psk)或正交振幅調(diào)變訊號(hào)(qam) 調(diào)變類(lèi)型： 相位位移鍵(psk) 正交振幅調(diào)變(qam),調(diào)變/映射,psk bpsk：資料位元0與1分別對(duì)應(yīng)-1與1，例:1,0,0,11,-1,-1,1,i,q,映射(windowing),psk qpsk,qam 16qam,保護(hù)區(qū)間和循環(huán)擴(kuò)增,ofdm符元 ofdm符元區(qū)間ttotal=t+tg,ofdm符元區(qū)間,tg,快速傅立葉轉(zhuǎn)換積分區(qū)間t,在ofdm系統(tǒng)中的干擾訊號(hào) 符元間的干擾(isi)在訊號(hào)區(qū)間t的時(shí)間點(diǎn)，相同子通道上的連續(xù)快速傅立葉立轉(zhuǎn)換架構(gòu)訊號(hào)之間的串音 載波間的干擾(ici)相鄰子通道或是同一個(gè)快速傅立葉轉(zhuǎn)換架構(gòu)之頻率通道之間的串音,延遲擴(kuò)散(delay spread),isi (inter-symbol interference) 為了有效消除isi，在保護(hù)區(qū)間內(nèi)不放置任何訊號(hào) 在ofdm系統(tǒng)中使用保護(hù)區(qū)間對(duì)抗多路徑衰減 tg:保護(hù)區(qū)間 tdelay-spread:多路徑延遲擴(kuò)散 tgtdelay-spread 然而在這種情況下會(huì)產(chǎn)生載波間的干擾(ici)的問(wèn)題 這是因?yàn)樵谑强焖俑盗⑷~轉(zhuǎn)換區(qū)間內(nèi)的子載波彼此之間沒(méi)有相差整數(shù)倍的週期,ici (inter-carrier interference) 把ofdm符元循環(huán)擴(kuò)增到保護(hù)區(qū)間可以消除ici 如此可以確保加入循環(huán)擴(kuò)增的ofdm符元在快速傅立葉轉(zhuǎn)換區(qū)間內(nèi)仍擁有整數(shù)倍的週期，只要延遲區(qū)間小於保護(hù)區(qū)間,在保護(hù)區(qū)間內(nèi)沒(méi)有訊號(hào)時(shí)多路徑造成的影響，第一子載波因?yàn)榈诙虞d波的延遲而造成ici,有保護(hù)區(qū)間之ofdm之時(shí)域和頻域的表示圖像,ofdm的缺點(diǎn),ofdm對(duì)系統(tǒng)定時(shí)和頻率偏移敏感 定時(shí)偏差會(huì)引起子載波相位的旋轉(zhuǎn)，如圖8所示，而且相位旋轉(zhuǎn)角度與子載波的頻率有關(guān)，頻率越高，旋轉(zhuǎn)角度越大，如果定時(shí)的偏移量與最大時(shí)延擴(kuò)展的長(zhǎng)度之和仍小於迴圈前綴的長(zhǎng)度，此時(shí)子載波之間的正交性仍然成立，沒(méi)有isi和ici（頻道間干擾），對(duì)解調(diào)出來(lái)的數(shù)據(jù)資訊符號(hào)的影響只是一個(gè)相位的旋轉(zhuǎn)。如果定時(shí)的偏移量與最大時(shí)延擴(kuò)展的長(zhǎng)度之和大於迴圈前綴的長(zhǎng)度，這時(shí)一部分?jǐn)?shù)據(jù)資訊丟失了，而且最為嚴(yán)重的是子載波之間的正交性破壞了，由此帶來(lái)了isi和ici，這是影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵問(wèn)題之一。,頻率偏差是由收發(fā)設(shè)備的本地載頻之間的偏差、信道的多普勒頻移等引起的，由子載波間隔的整數(shù)倍和子載波間隔的小數(shù)倍偏移構(gòu)成。子載波間隔整數(shù)倍不會(huì)引起ici，但是解調(diào)出來(lái)的資訊符號(hào)的錯(cuò)誤率為50，子載