1、LET OFDM技术简介,提纲,背景介绍 OFDM技术的优缺点 OFDM正交子载波的特点 OFDM的DFT实现原理 OFDM保护间隔/循环前缀 OFDMA简介 SC-FDMA简介,背景介绍,3GPP规定LTE系统的物理层传输方案，下行采用OFDMA（OFDM+FDMA）方式，传输速率100Mbps；上行采用SC-FDMA（DFT-SOFDMA或IFDMA）方式，传输速率50Mbps 。 正交频分复用OFDM（orthogonal frequency-division multiplexing ）由于技术的成熟性，被选用为下行标准很快就达成了共识。而在上行技术的选择上，由于OFDM的峰均功率比（
2、PAPR）过高使得一些设备商认为会增加终端的功放成本和功率消耗，限制终端的使用时间。经过讨论最后上行采用了具有低PAPR特性的单载波频分多址SC-FDMA（single-carrier frequency-division multiple access）技术。 OFDM是一种特殊的多载波传输方案，可以被看作一种调制技术，也可以被当作一种复用技术。OFDM具备高速数据传输的能力，加上能有效对抗频率选择性衰减，已经获得广泛的重视与应用。,OFDM主要思想是：发射端通过串并变换，将一个串行高速数据流转换成多个并行的低速子数据流；每个子数据流采用传统的调制方案进行低符号率调制，如PSK（相移键控）或
3、QAM（正交幅度调制），将比特流变成符号流；调制后的各子数据流被映射到不同的正交子载波（orthogonal sub-carrier）上。在接收端执行相反的过程即可获得原始的串行数据。,OFDM技术的优点,（1）低速并行传输：高速串行数据流经串/并转换后，分割成若干低速并行数据流；每路并行数据流采用独立载波调制并叠加发送。各子载波间通过正交特性来避免干扰，频谱利用率大大提高。 （2）抗衰落与均衡：由于OFDM对信道频带的分割作用，每个子载波占据相对窄的信道带宽，因而可以把它看作是平坦衰落的信道。这样OFDM技术就具有系统大带宽的抗衰落特性和子载波小带宽的均衡简单的特性。 （3）抗多径时延引起的
4、符号间干扰（Inter Symbol Interference，ISI）：在OFDM技术中可以引入循环前缀（ Cyclic Prefix，CP），只要CP的时间间隔长于信道时延扩展，就可以完全消除ISI。,（4）多用户调度：OFDM系统可以利用信道的频率选择性进行多用户调度，用户可以选择最好的频域资源进行数据传输，从而获得频域调度的多用户分集增益。 （5）基于DFT的实现：可以采用离散傅里叶变换（DFT）进行OFDM信号的调制和解调，从而解决了OFDM的技术实现问题。实际应用中，往往采用更为快捷的快速傅立叶变换FFT及其逆变换IFFT来计算DFT，实现OFDM的调制和解调。,OFDM技术的缺点
5、,OFDM技术的峰均功率比（Peak to Average Power Ratio，PAPR）过大：OFDM信号由多个子载波信号组成，这些子载波信号由不同的调制符号独立调制。同传统的恒包络的调制方法相比，OFDM调制存在一个很高的峰值因子。因为OFDM信号是很多个小信号的总和，这些小信号的相位是由要传输的数据序列决定的。对某些数据，这些小信号可能同相，而在幅度上叠加在一起从而产生很大的瞬时峰值幅度。而PAPR过大，将会增加A/D和D/A的复杂性，而且会降低射频功率放大器的效率。同时在发射端，放大器的最大输出功率限制了信号的峰值，这会在OFDM频段内和相邻频段之间产生干扰。,OFDM技术对载波频
6、偏和相位噪声十分敏感：整个OFDM系统对各个子载波之间的正交性要求格外严格，任何一点小的载波频偏都会破坏子载波之间的正交性，引起载波间干扰（Inter-Carrier Interference，ICI），同样，相位噪声也会导致码元星座点的旋转、扩散，从而形成ICI。而单载波系统就没有这个问题，相位噪声和载波频偏仅仅是降低了接收到的信噪比SNR，而不会引起互相之间的干扰。OFDM技术所需线性范围宽：由于OFDM系统PAPR较大，对非线性放大更为敏感，故OFDM调制系统比单载波系统对放大器的线性范围要求更高。,OFDM正交子载波的特点,OFDM与传统FDM的区别在于，传统频分复用技术需要在载波间保
7、留一定的保护间隔来减少不同载波间的频谱重叠，避免各载波之间的相互干扰。而OFDM技术的不同载波间的频谱是重叠在一起的，各子载波间通过正交特性来避免干扰，有效的减少了载波间的保护间隔，提高了频谱利用率。,各子载波的幅度与相位相同，然而当子载波承载了不同的数据信息后，其幅度与相位是会发生变化的 每个子载波在一个OFDM符号时间T内都包含整数倍个周期，并且各相邻子载波频率之间相差f=1/T，即fcarrier= f0+nf 各子载波的频谱形状相同，均是时间长度为T的矩形波的频谱，即sinc函数（sinc(x)=sinx/x），主瓣宽度为2/T。并且每个子载波的频谱峰值恰好对应其余所有子载波的零点，即
8、在此频点上各子载波间没有干扰,符号长度为T的子载波，在频域上是一个sinc函数，n/T处过零，带宽为2/T。要满足正交，则子载波在频域上的峰值要对应于其它子载波零值，那么子载波的间隔要满足n/T，最小n=1故为1/T。如果一个子载波占15kHz带宽，则其对应的OFDM符号长度为1/15kHz=66.7s 。,13,Time domain,子载波1,子载波2,子载波3,子载波4,时域,频域,时域,频域,OFDM信号频谱图,OFDM的DFT实现原理,OFDM应用离散傅里叶变换（DFT）和其逆变换（IDFT），解决了产生多个互相正交的子载波和从子载波中恢复原信号的问题，从而解决了多载波传输系统发送和
9、传送的难题。 直接计算DFT的计算量与变换区间长度N的平方成正比，当N较大时计算量太大。在实际应用中，采用快速傅里叶变换FFT计算离散傅里叶变换DFT，可以大大减少运算次数，提高运算速度。,数字信号信号处理要求信号在时域和频域都是离散的，只有周期序列满足要求。 离散傅里叶级数（DFS）：时域上为离散周期信号，频域上也是离散周期的 离散傅里叶变换（DFT）：时域上为有限长的离散周期信号，频域上也是有限长的离散周期信号,用DFT分析时域连续非周期信号的几个主要步骤 对时域连续信号进行离散化采样 对离散序列进行截断处理加窗 对频域信号进行离散化,OFDM系统满足奈奎斯特采样定律。但此时的符号成型与通
10、常的系统不同，不是在时域进行脉冲成型，而是在频域实现的。因此时频对偶关系，通常系统中的码间干扰ISI变成了OFDM系统中的子载波间干扰ICI。为了消除ICI，要求OFDM系统在频域采样点无失真，即对OFDM符号进行过采样以避免频谱混叠现象。 我们可以认为数据的编码映射是在频域进行，离散谱D(k)经过IDFT转化为时域离散序列d(n)发送出去。在接收端通过DFT恢复出频域信号。DFT和IDFT可通过快速傅里叶变换FFT及其逆变换IFFT进行快速计算。上世纪80年代大规模集成电路和DSP技术的发展使FFT技术的实现不再是瓶颈。,保护间隔/循环前缀,为了最大限度地消除符号间干扰（ISI），还可以在每
11、个OFDM符号之间插入保护间隔（Guard Interval，GI），而且该保护间隔的长度一般要大于无线信道的最大多径时延，这样前一个符号的多径分量只会落在下一个符号的保护间隔内而不会对数据部分造成干扰，从而可以完全消除ISI。在这段保护间隔内，可以不插入任何信号，即是一段空闲的传输时段。 然而在这种情况下，由于多径传播的影响，同一符号的保护间隔落入符号积分周期内，导致FFT积分时间内的波形不是整数个，破坏了子载波之间的正交性，从而引发子载波间的载波间干扰（ICI）。为了消除ICI，一种有效的方法是将原来宽度为T的OFDM符号进行周期扩展，用扩展信号来填充保护间隔。将保护间隔内（持续时间用Tg
12、表示）的信号称为循环前缀（Cyclic Prefix，CP）。循环前缀中的信号与OFDM符号尾部宽度为Tg的部分相同。,在实际系统中，OFDM符号在送入信道之前，首先要加入循环前缀，然后送入信道进行传送。在接收端，首先将接收符号开始的宽度为Tg的部分丢弃，然后将剩余的宽度为T的部分进行傅立叶变换，然后进行解调。在OFDM符号内加入循环前缀可以保证在一个FFT周期内，OFDM符号的时延副本所包含的波形周期个数也是整数，因此此时的时延对于每一个子载波来说只是相当于进行相位的旋转，这个旋转不会在解调过程中产生ICI。,上图中，保护间隔的时间跨度超过了多径时延，且在FFT积分时间内的各子载波是满周期的
13、，因此各子载波之间正交。由于多径时延，第二条径的尾部落在了FFT窗外，使得各子载波之间不再正交，从而产生ICI。然而由于CP的加入，落在FFT积分时间窗外的信号在FFT窗口的前端重现，从而保证了各子载波的周期性。,OFDMA简介,将OFDM和FDMA技术结合形成的正交频分多址接入技术OFDMA（Orthogonal Frequency-Division Multiple Access）是最常见的OFDM多址技术，其又分为子信道OFDMA和跳频OFDMA。,在子信道OFDMA系统中，将整个OFDM系统的带宽分成若干子信道，每个子信道包括若干子载波，分配给一个用户（也可以一个用户占用多个子信道）。
14、OFDM子载波可以按两种方式组合成子信道：集中式（Localized）和分布式（Distributed）。,在跳频OFDMA系统中，分配给一个用户的子载波资源快速变化，每个时隙，此用户在所有子载波中抽取若干子载波使用，同一时隙中，各用户选用不同的子载波组。,SC-FDMA简介,大多数公司采用频域生成SC-FDMA信号的方法：其基本原理与OFDMA类似，只是在子载波映射模块前增加了一个DFT模块，把调制数据符号转化到频域，即将单个子载波上的信息扩展到所属的全部子载波上，每个子载波都包含全部符号的信息。所以这种SC-FDMA也被称作是DFT扩展OFDMA（DFT-spread OFDMA，DFT-
15、SOFDMA）。,用户数Q=1，子载波数M=4，DFT输入点数N=4，两个符号周期,时域上调制结束后，OFDMA中的N个符号是同时并行传输的（每个子载波负责一个符号的传输，所以符号的周期延长了N倍）。而SC-FDMA中的N个符号虽然是一起调制的，但是它们是一个接一个串行传输的，跟普通FDMA一样，每个符号占据全部子载波的带宽。 对于OFDMA，每个已调符号映射到不同的子载波上，然后叠加在一起发送，发送的时域信号就会有很多信号的叠加，导致PAPR高。而对于SC-FDMA，每个符号经过DFT扩展到各个子载波上，也就是说每个符号在各个子载波上都有信息承载，将这些子载波一起看作一个宽带载波，所以称为单载波。经过了DFT 和IDFT变换后， SC-FDMA传输的符号就是输入的符号（符号周期变短了），所以具有低PAPR的特性。 如果全部子载波占据N15kHz带宽，则其对应的SC-FDMA符号长度为(1/N15kHz)N = 66.7s，同OFDM符号长度一样。,
