正交频分多址 调制方式 连续调制 调幅调颜调角其他 模拟M(SSBIDSB)型 数字ASK(OOKI9A0FSK0SPSK(CP四 脉冲调制 模拟 数字 @·四 扩须 CS5·sS5·s·sS A OFDM的周波数
正交频分多址 调制方式 连续调制 调幅 调频 调角 其他 模拟 AM(SSB|DSB) FM PM SM 数字 ASK(OOK|QAM) FSK(MSK) PSK(CPM) 脉冲调制 模拟 PAM · PDM · PPM 数字 PCM · PWM 扩频 CSS · DSSS · THSS · FHSS OFDM 的周波数
OFDM信号强度频率图 正交频分复用(Orthogonal frequency-division multiplexing,OFDW)有时又 称为分离复频变调技术(discre e mo ulation,DNT),可以视为多 载波传输的 个特例 具备高速率资料传输的能力，加上能有效对抗频率选择性 衰减，而逐渐获得重视与采用。 OFDM使用大量紧邻的正交子载波(Orthogonal sub-carrier),每个子载波采 用传统的调制方案，进行低符号率调制。可以视为一调制技术与复用技术的结合。 调制(modulation) 将传送资料对应于载波变化的动作，可以是载波的相位、频率、幅度、或是其组 合。 复用(multiplexing) 正交频分复用之基本观念为将一高速数据流，分割成数个低速数据流，并将这数 个低速数据流同时调制在数个彼此相互正交载波上传送。由于每个子载波带宽较 小，更接近于相干带宽，故可以有效对抗频率选择性衰弱，因此现今以大量采用 于无线通信。 正交频分复用属于多载波(multi一 r)传输技术，所谓多载 波传输技术指的是将可用的频谱分割成多个子载波，每个子载波可以载送一低速 数据流。 特点 OFDM优点 ·有效减少多径及频率选择性信道造成接收端误码率上升的影响 ·接收端可利用简单一阶均衡器补偿信道传输的失真 ·频谱效率上升 OFDM缺点 ·传送与接收端需要精确的同步 ·对于多普勒效应频率漂移橄感
OFDM 信号强度频率图 正交频分复用（Orthogonal frequency-division multiplexing, OFDM）有时又 称为分离复频变调技术（discrete multitone modulation, DMT），可以视为多 载波传输的一个特例，具备高速率资料传输的能力，加上能有效对抗频率选择性 衰减，而逐渐获得重视与采用。 OFDM 使用大量紧邻的正交子载波（Orthogonal sub-carrier），每个子载波采 用传统的调制方案，进行低符号率调制。可以视为一调制技术与复用技术的结合。 调制(modulation) 将传送资料对应于载波变化的动作，可以是载波的相位、频率、幅度、或是其组 合。 复用(multiplexing) 正交频分复用之基本观念为将一高速数据流，分割成数个低速数据流，并将这数 个低速数据流同时调制在数个彼此相互正交载波上传送。由于每个子载波带宽较 小，更接近于相干带宽，故可以有效对抗频率选择性衰弱，因此现今以大量采用 于无线通信。 正交频分复用属于多载波（multi-carrier）传输技术，所谓多载 波传输技术指的是将可用的频谱分割成多个子载波，每个子载波可以载送一低速 数据流。 特点 OFDM 优点 • 有效减少多径及频率选择性信道造成接收端误码率上升的影响 • 接收端可利用简单一阶均衡器补偿信道传输的失真 • 频谱效率上升 OFDM 缺点 • 传送与接收端需要精确的同步 • 对于多普勒效应频率漂移敏感
。峰均比高 ·循环前缀(Cyclic Prefix)造成的负荷 相比CDMA的优势 ·OFDW能更好地抵御多径干扰，且实现方式比较简单。 。与CDWA的Rake接收机相比，OFDMA提供的扁平须率信道能够获得更好的 MIMO频率效率。 ·处于业务连接状态的移动用户增加时，移动小区不会因呼吸效应而改变有 效覆盖半径 相比时分多址系统的优势 ·允许多个用户并行传送低速数据流。 ·能够避免脉冲载波 ·可以灵活调整低速率用户的发射功率 ·时延固定且比较小 ·简化了多址接入的防碰撞实现机制 ·更好地抵御信号衰落和干扰 单载波与多载波传送 单载波(single carrier) ·使用者在任何时间上只利用一个载波来进行传送与接收信号，如连结附 picl 。picl中bi表传送之比特符号，s(t)表传送信号，f则是单 传送频率 多载波(multi-carrier) ·同时利用多个不同频率的载波传送及接收信号，如pic2所示。OFDM即 利用数个(2的次方)正交的子载波传送信号。ODM变是多载波调制的特例
• 峰均比高 • 循环前缀（Cyclic Prefix）造成的负荷 相比 CDMA 的优势 • OFDM 能更好地抵御多径干扰，且实现方式比较简单。 • 与 CDMA 的 Rake 接收机相比，OFDMA 提供的扁平频率信道能够获得更好的 MIMO 频率效率。 • 处于业务连接状态的移动用户增加时，移动小区不会因呼吸效应而改变有 效覆盖半径。 相比时分多址系统的优势 • 允许多个用户并行传送低速数据流。 • 能够避免脉冲载波 • 可以灵活调整低速率用户的发射功率 • 时延固定且比较小 • 简化了多址接入的防碰撞实现机制 • 更好地抵御信号衰落和干扰 单载波与多载波传送 单载波(single carrier) • 使用者在任何时间上只利用一个载波来进行传送与接收信号，如连结附 pic1 所示。pic1 中 bi 表传送之比特符号，s(t)表传送信号，f 则是单一 传送频率 多载波(multi-carrier) • 同时利用多个不同频率的载波传送及接收信号，如 pic 2 所示。OFDM 即 利用数个(2 的次方)正交的子载波传送信号。OFDM 变是多载波调制的特例， 其
使用数个正交载波调制信号，在每个子载波间不需要有Guard band间隔大大的 增加了带宽使用效率，且OFDM更有bit allocation的概念，即信道环境好的 子载波就加大该载波的 或提高调制等级(ex:BPSK->QAW0,bit allocation 使得OFDM带宽使用效率更加高。 盆e 闲 DAC 图 stn]- EET s 图 DAC 接收 o 图 ⊙ FFT →网 向 图 子载波间的正交性(Orthogonality) ∫x(t)灯(t)dt-0白∫X(f)Y(E)df=0.① 为了避免子载波间互相干扰，多载波系统对于子载波间的正交性要求相当高。为 载波间彼此正交， 子载波的频率间隔需要有一定要求来满足①式在此 可以由下述的有限频带的带通信号来进行说明解释此一要求： m(t)=cos(2n(fe+fm)t)=Re(ei2(fel+m))=Re(rum(t)epfe)
使用数个正交载波调制信号，在每个子载波间不需要有 Guard band 间隔大大的 增加了带宽使用效率，且 OFDM 更有 bit allocation 的概念，即信道环境 好的 子载波就加大该载波的 power 或提高调制等级(ex:BPSK->QAM)，bit allocation 使得 OFDM 带宽使用效率更加高。 接收 子载波间的正交性(Orthogonality) ∫х(t)*y(t)dt=0 ⇔ ∫Х(f)Y(f)df=0.① 为了避免子载波间互相干扰，多载波系统对于子载波间的正交性要求相当高。为 了满足子载波间彼此正交，子载波的频率间隔需要有一定要求来满足①式 在此 可以由下述的有限频带的带通信号来进行说明解释此一要求：
假定我们目前要分析两子载波频率{1，f2}之间的间隔△f，我们先计算其交 互相关性(cross-correlation) π△f 其中△f=∫1一f2表两个载波间的领率间隔，在上式中若△T=n其中n为一 数，如：△=/T则此时R间即代表这两个子载波在符元周 系统架构特性 ODM系统方块图如上图所示 并列转串行 ·正交频分复用系统设计中最重要的观念就是并行资料传输，并行资料传输 的技术是透过串行至并行转换器实现。 正交频分复用系统把资料载送到较 小带宽的子载波上，相当于将每一个并行资料分别经过不同的子载波调制 后传送 一般的串行传输系统中，是把信号以连续序列的方式传送出去，当信号的 传输速率很高时，信号的频善可能大到占满整个可用的带密，此时信号会 因为通过频率选择性衰减信道而造成信号 失真。相对的，在并行传输系 统中， 资料是同时并行进行传输，每一个个别并行信号占有较 的带宽 所以信号所经过的信道频率响应(frequency response)可以视为是平坦 信号对应 ·将比特串流对应各调制(ex:BPSK QPSK QAM)的符号 FFT的应用 ·由pic2可知s(t)信号 N s(nT)=∑Xkc2fns 对t=NT取样 -0
假定我们目前要分析两子载波频率{ f1, f2}之间的间隔Δf ，我们先计算其交 互相关性(cross-correlation) 其中Δf= 表两个载波间的频率间隔，在上式中若ΔfT = n 其中 n 为一 个非零整数，如：Δf=n/T 则此时 R=0 即代表这两个子载 波在符元周期内为正 交。 系统架构特性 OFDM 系统方块图如上图所示 并列转串行 • 正交频分复用系统设计中最重要的观念就是并行资料传输，并行资料传输 的技术是透过串行至并行转换器实现。正交频分复用系统把资料载送到较 小带宽的子载波上，相当于将每一个并行资料分别经过不同的子载波调制 后传送 • 一般的串行传输系统中，是把信号以连续序列的方式传送出去，当信号的 传输速率很高时，信号的频谱可能大到占满整个可用的带宽，此时信号会 因为通过频率选择性衰减信道而造成信号的失真。相对的，在并行传输系 统中，资料是同时并行进行传输，每一个个别并行信号占有较小的带宽， 所以信号所经过的信道频率响应(frequency response)可以视为是平坦 信号对应 • 将比特串流对应各调制(ex:BPSK QPSK QAM)的符号 FFT 的应用 • 由 pic2 可知 s(t)信号 对 t=N 取样
N-1 取f1/NTs,fkf得 xm=s(nT)=∑Xke ·TDFT 由上式得OFDM可以用DFT FFT技术实现 ·反快速傅里叶变换和快速傅里叶变换算法为反离散傅里叶变换和离散傅 里叶变换之快速硬件实现。 ·在IEEE802.11a里，反快速傅里叶变换和快速傅里叶变换的大小为N=64。 cyclic prefix and Guard interval ·传送信号在通过具有多重路径干扰的信道后，会造成前一个符元的后端部 份干扰到下一个符元的前端，此称之为符元间的干扰(I$) ·为了克服ISI的问题，在OFDM symbol前端加入一保护区间(Guard Interval),如附录Pic3所示。为了对抗信号因信道延迟的影响 Gurad interval(Tg)长度要大于最大的Delay spread,.即Tg>delay spread time. 在保护区间未放信号的OFDN系统称ZP-OFDM(zer padding 。ZP-OFDW 有比较低的传输功率，但在接收端接收于zero padding区域信号时， 会破坏载波的正交性造成载波间的千扰(ICI),所以复制OFDM symbol后半段信 号并摆放于保护区间内，称之为循环字首(cyclic prefix):循环字首会造成带 宽效益下降，故必须小于OFDM symbol长度的1/4。如：一个0 FDM symbol共有 256个子载波，则其循环字长度为64个比特。 信道估计及均衡器 由于在信号传输时，接收端收到的信号是传送信号和信道响应作用过的结果，所 以为了解出传送信号势必要得到信道响应，所以要作信道估计。在高速移动环境 时变信道估计更是重要，不好的信道估计会造成会造成误码率上升：信道估计常 见的方法就是加入测试信号(training symbo1),由测试信号得到测试信号那些 点的信道响应对信道其它点作估计，进而求出整个信道响应。均衡器由信道估计 的结果对接收信号作信道补偿， 降低错误率 由于ODM将频宽切割成数个 带，故更接近信道的相干带宽，所以信号受到信道失真变小，故可以用简单的 一阶均衡器补偿。 遇到的问题 各种同步问题 ·symbol timing offset
取 f= , =kf 得 :IDFT 由上式得 OFDM 可以用 DFT FFT 技术实现 • 反快速傅里叶变换和快速傅里叶变换算法为反离散傅里叶变换和离散傅 里叶变换之快速硬件实现。 • 在 IEEE 802.11a 里，反快速傅里叶变换和快速傅里叶变换的大小为 N = 64。 cyclic prefix and Guard interval • 传送信号在通过具有多重路径干扰的信道后，会造成前一个符元的后端部 份干扰到下一个符元的前端，此称之为符元间的干扰(ISI) • 为了克服 ISI 的问题，在 OFDM symbol 前端加入一保护区间(Guard Interval)，如附录 Pic 3 所示。为了对抗信号因信道延迟的影响 Gurad interval(Tg)长度要大于最大的 Delay spread，即 Tg>delay spread time。 • 在保护区间未放信号的 OFDM 系统称 ZP-OFDM(zero padding)。ZP-OFDM 有比较低的传输功率，但在接收端接收于 zero padding 区域信号时， 会破坏载波的正交性造成载波间的干扰(ICI)，所以复制 OFDM symbol 后半段信 号并摆放于保护区间内，称之为循环字首(cyclic prefix)； 循环字首会造成带 宽效益下降，故必须小于 OFDM symbol 长度的 1/4。如:一个 OFDM symbol 共有 256 个子载波，则其循环字长度为 64 个比特。 信道估计及均衡器 由于在信号传输时，接收端收到的信号是传送信号和信道响应作用过的结果，所 以为了解出传送信号势必要得到信道响应，所以要作信道估计。在高速移动环境 时变信道估计更是重要，不好的信道估计会造成会造成误码率上升；信道估计常 见的方法就是加入测试信号(training symbol)，由测试信号得到测试信号那些 点的信道响应对信道其它点作估计，进而求出整个信道响应。均衡器由信道估计 的结果对接收信号作信道补偿，降低错误率。由于 OFDM 将频宽切割成数个小频 带，故更接近信道的相干带宽，所以信号受到信道失真变小，故可以用简单的 一阶均衡器补偿。 遇到的问题 各种同步问题 • symbol timing offset
如pic6所示，当接收信号进入fft时，要找到适当起点从起点后选取多点作离 散傅里叶变换，将信号从时域转回频域，若选取太早或太晚都会产生ISI (∑n-mh)e寸2=XHke n-00 上示Z表接收信号，X表传送信号，H则是信道响应，V则是AWGN噪声，由本式可 见ST0会造成接收信号相位改变、ISI及幅度失其 sampling clock offset 如上图所示，由于传送端及接收端的取样速率不一样，会造成取样点的误差，而 且越后面的子载波SC0误差会越大在pic7的例子中第11个子载波已经差到 个OFDW载波间隔的大小。SC0会造成幅度失真，相位飘移(phase shift),ICI 等影响。 ·carrier phase offset 成carrier phase offset。.传送接收端的相对运动的督普勒效应也会造成相位 carrier phase offset.Carrier phase offset会造成接收信号相位飘移及ICI. 在产生高频载波时由于都会有起始相位，所以很难用人为因素使传送端高频载波 和接收端载波完全同步。 carrier frequency offset 如同phase offset传送升频及接收端降频载波的颜率不同步，会造成carrier frequency offset。.传送及接收端的相对运动所产生的doppler shift也会产生 CFO。SC0越后面子载波偏移会越大，但C℉O则是每个子载波所受到的frequency shift都是相同。在高速移动环境下CFO影响更严重。CFO会造成严重的ICI效 峰均比 由于ODM信号是由多个调制后的子载波信号的线性叠加，因此可能会造成比平 均信号准位高的瞬间尖峰信号，进而产生高峰值对均值功率比效应，在正交频 分复用系统中，高峰均比会造成的问题主要有下列两个： 1.在数字模拟转换的过程中，要经过量化程序，在量化过程中使用相同量化比特 的量化器时，因为信号变大量化噪声也就变大，故信号失真就变严重。如果要降
如 pic 6 所示，当接收信号进入 fft 时，要找到适当起点从起点后选取多点作离 散傅里叶变换，将信号从时域转回频域，若选取太早或太晚都会产生 ISI。 上示 Z 表接收信号,X 表传送信号,H 则是信道响应,V 则是 AWGN 噪声，由本式可 见 STO 会造成接收信号相位改变、ISI 及幅度失真 • sampling clock offset 如上图所示，由于传送端及接收端的取样速率不一样，会造成取样点的误差，而 且越后面的子载波 SCO 误差会越大在 pic 7 的例子中第 11 个子载波已经 差到一 个 OFDM 载波间隔的大小。SCO 会造成幅度失真，相位飘移(phase shift),ICI 等影响。 • carrier phase offset 传送端在传送端最后会乘上一载波 f1 使基频信号载至旁频，在传送端要将旁频 降回基频会再乘上一载波 f2，由于 f1 f2 两载波相位的不同在升降频之间 会造 成 carrier phase offset。传送接收端的相对运动的督普勒效应也会造成相位 carrier phase offset。Carrier phase offset 会造成接收信号相位飘移及 ICI。 在产生高频载波时由于都会有起始相位，所以很难用人为因素使传送端高频载波 和接收端载波完全同步。 • carrier frequency offset 如同 phase offset 传送升频及接收端降频载波的频率不同步，会造成 carrier frequency offset。传送及接收端的相对运动所产生的 doppler shift 也会产生 CFO。SCO 越后面子载波偏移会越大，但 CFO 则是每个子载波所受到的 frequency shift 都是相同。在高速移动环境下 CFO 影响更严重。CFO 会造成严重的 ICI 效 应 峰均比 由于 OFDM 信号是由多个调制后的子载波信号的线性叠加，因此可能会造成比平 均信号准位高的瞬间尖峰信号，进而产生高峰值对均值功率比效应，在正交频 分复用系统中，高峰均比会造成的问题主要有下列两个： 1.在数字模拟转换的过程中，要经过量化程序，在量化过程中使用相同量化比特 的量化器时，因为信号变大量化噪声也就变大，故信号失真就变严重。如果要降
低量化噪声就要增加量化比特使量化位阶便多，如此就增加量化过程的复杂度及 成本。 2.在射频电路功率放大器中，其线性放大信号有一定范围，当信号幅度大于某 范围就进入饱和区，在饱和区信号会因非线性放大而失真。0FDM信号是由多个 调制过的子载波信号的线性叠佳而成，当载波数变多信号功率可能超过放大器线 性区域造成信道失真
低量化噪声就要增加量化比特使量化位阶便多，如此就增加量化过程的复杂度及 成本。 2.在射频电路功率放大器中，其线性放大信号有一定范围，当信号幅度大于某一 范围就进入饱和区，在饱和区信号会因非线性放大而失真。OFDM 信号是由多个 调制过的子载波信号的线性叠佳而成，当载波数变多信号功率可能超过放大器线 性区域造成信道失真