利用IDFTDFT实现OFDM调制解调原理分析

利用IDFTDFT实现OFDM调制解调原理分析
利用IDFTDFT实现OFDM调制解调原理分析

利用IDFT/DFT实现OFDM调制解调原理分析

于爽电子系MG1123068 2012-09-22

摘要

正交频分复用(OFDM)是多载波调制(MCM)技术的一种,其基本思想是在频域内将信道分成若干正交子信道,每个子信道使用并行传输的子载波进行调制。要实现OFDM传输系统,一般需要振荡源和相应的带通滤波器组,系统结构复杂,体现不出多载波传输的优势。但是经过理论分析,多载波传输系统的调制与解调都可以用离散傅里叶变换(Discrete Fourier Transform ,DFT)实现,而又由于DFT有著名的快速算法FFT(Fast Fourier Transform ,FFT),使得多载波传输系统实现起来大为简化。本文通过分析OFDM调制解调基本原理,简要阐述了为何可以用IDFT/DFT来实现OFDM调制与解调。

1.1 OFDM调制基本原理

从时域上看,OFDM是将一路高速数据流经过串/并转换变为N路速率较低的子数据流,用它们分别去调制N路子载波后再进行并行传输,每个子载波数据流的速率是原高速数据流的1/N,即符号周期扩大为原来的N倍,这样,就把一个宽带频率选择性信道划分成了N个窄带平坦衰落信道,有效的对抗了多径时延扩展,特别适合于高速无线数据传输。

OFDM选择时域相互正交的子载波,它们虽然在频域相互混叠,却仍能在接收端被分离出来。OFDM系统调制基本原理框图如图1.1.1所示。

图1.1.1 OFDM调制基本原理

上图中,x k(t)+jy k(t)是数字调制中映射后得到的IQ数据的复数表示。当子载波采用普通的MPSK/MQAM 调制时,IQ数据在一个OFDM符号周期T0内是不变的,即与时间t无关,从而可以将x k(t)+jy k t简写成x k+jy k。令d k=x k+jy k,则OFDM基带复信号的表示形式为:

s t=x k+jy k e jkω0t

N?1

k=0=d k e jkω0t N?1

k=0

为进行数字信号处理,对其进行采样,T0时间内采样N点,采样间隔为T0N。假定起始采样时刻是0时刻,则第n个采样时刻为t n=nT0N,代入上式得:

s t n=d k e jkω0nT0N

N?1

k=0

令:n=t n,并将T0=2πω0代入上式,得:

s n=d k e j2πkn N

N?1

k=0

再将此序列的实部与虚部做IQ调制,得到射频信号。

1.2 利用IDFT实现OFDM

根据数字信号处理知识可以知道:离散傅里叶正变换(DFT)和逆变换(IDFT)表示式分别为:

x n=1

X k e j2πkn N N?1

k=0

X k=x n e?j2πkn N

N?1

n=0

通过对比x n与s n两式可以看出,OFDM系统的调制可以由IDFT来完成。用IDFT实现OFDM调制时,只需要把输入的每一路IQ数据看成是IDFT的N个频域数据,经IDFT计算后,输出N个时域数据,再乘以N,即为一个OFDM符号的N个时域采样数据。需要注意的是,这N个通过IDFT计算得到的N路数据是并行数据,在进行IQ调制之前,还必须经过并/串转换将其转换成串行数据,才能继续进行下一步的处理。用离散傅里叶逆变换快速算法IFFT代替IDFT,得到OFDM调制的原理框图如图1.2.1所示。

图1.2.1 利用IFFT实现OFDM系统调制框图

1.3 举例:利用IDFT实现OFDM调制

现在假定有一组待发送序列:00011011,OFDM符号时长为1s,调制方式为QPSK,QPSK映射关系如表1.3.1所示。

表1.3.1 QPSK映射关系表

数据流经串并转换后,根据QPSK映射关系,将要发送的数据映射为:d1=

22,d2=

22

d3=

22,d4=

22

,这4个复数分别被调制到e j2πf0t、e j2?2πf0t、e j3?2πf0t、e j4?2πf0t4个子载波上,

算上0频子载波(e j0t),共计5个子载波,根据FFT算法原理,要利用IFFT算法,子载波数目需要是2的整数次幂,因此,需要用8点IFFT来实现,所以IDFT的输入序列为:[0,d1,d2,d3,d4,0,0,0]。经IDFT 计算后输出8点时域样值序列s n,用Matlab仿真如图1.3.2、图1.3.3所示。

图1.3.2 IFFT输入频域样值序列

图1.3.3 IFFT输出频域序列样值

已知OFDM符号时长为T0=1s,则OFDM采样基波子载波频率为?f=1T0=1Hz,因此OFDM基带复信号

的表达式为:s t=d1e j1?2π?ft+d2e j2?2π?ft+d2e j3?2π?ft+d2e j4?2π?ft=

2+

2

e j2πt+

2

2e j4πt+

2

?

2

e j6πt+

22

e j8πt,用Matlab绘出3D-OFDM复信号波形及其实部、虚部图形

如图1.3.4、图1.3.5所示。

图1.3.4 OFDM复信号波形

图1.3.5 OFDM复信号波形在实轴和虚轴上的投影

如果把IFFT的输出和OFDM符号波形放在一起比较,很明显,IDFT输出就是对ODFM基带复信号波形的时域采样,如图1.3.6所示。

图1.3.6 IDFT输出与OFDM符号对比

1.4 利用FFT实现OFDM解调

用FFT实现OFDM解调框图如图1.4.1所示。

图1.4.1 FFT实现OFDM解调框图

到了接收端,IQ解调后得到两路IQ基带信号,分别对其采样,将Q路信号每个采样数据乘以j,分别与对应的I路采样数据相加,就得到N个时域复数样点数据,再经过串/并转换、DFT,得到N个频域数据,即为调制在各子载波上的数据。

假定OFDM符号时长为T0,则基波子载波频率为?f=1

T0,采样频率f s=N

T0

=N?f。即:采样频率刚好为

基波频率的整数倍,OFDM符号时长也刚好是基波子载波的一个周期,这样,当我们利用DFT来实现OFDM调制解调时,可以做到频谱不泄露,能够无失真的将调制在各个子载波上的数据解调出来。

接着上面OFDM调制的的例子,我们通过Matlab仿真来观察一下用DFT实现OFDM解调的输入输出序列。

调制后的ODFM基带复信号图1.4.2所示。

图1.4.2 OFDM基带复信号

经IQ解调、采样、相加、再经过串/并转换后,得到FFT的输入序列,如图1.4.3所示。该序列即为OFDM调制框图的IFFT的输出。

图1.4.3 FFT输入序列

经FFT算法计算后,得出FFT输出序列如图1.4.4所示。

图1.4.4 FFT输出序列

1.5 结论

经过上述分析,我们得到结论:OFDM系统的调制过程可以由IDFT来完成,解调过程可以由DFT来完成。而由数字信号处理的知识可以知道,IDFT和DFT都可以采用高效的FFT算法来实现,大大简化了OFDM系统的复杂度。需要注意的是,在实现调制/解调前后,需要分别做串/并转换和并串转换。另外,对于载波数量较少的OFDM系统来说,可以采用基2IFFT算法,而对于载波数量非常大的情况,可以进一步采用基4IFFT 算法,从而降低计算量。

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。

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基本原理仿真

OFDM基本原理仿真 目录 引言 (2) 1、OFDM基本原理 (2) 2、OFDM系统实现模型 (4) 2.1保护间隔和循环前缀 (5) 2.2 OFDM基本参数的选择 (7) 3、系统仿真结果 (9) 3.1 BPSK和QPSK仿真结果与分析 (9) 3.2 16QAM和64QAM仿真结果与分析 (11) 3.3 不同调制方式下同一种信道误比特率图仿真结果与分析 (12) 4、结语 (14) 5、参考文献 (15) 附录: (16)

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

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