LTE OFDM & SC-FDMA技术简介

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LET — OFDM技术简介

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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

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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 (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 frequencydivision 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。

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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。二进制 信源 串 X(k) 行 调制 变 (如QAM) 并 行· · · · · ·

IFFT

s(n)

低通 s(t) 载波 滤波器 调制

信道 并 Y(k) 行 解调 变 (如QAM) 串 行· · · · · ·

二进制 数据

FFT

r(n)

低通 r(t) 载波 解调 滤波器

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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。

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(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。

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OFDM技术的缺点

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。

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OFDM技术对载波频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。A( f ) A( f )

f n 1

fn (a)

f n 1

f

fn f (b)

f

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。

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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。

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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+n△f 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， 即在此频点上各子载波间没有干扰

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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=66.7µs 。

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时域 Time domain1 0.8 0.60.8 1.2 1

频域 时域4 20.6 0.4 0.2 0

0.4 0.2

子载波1

0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1 -0.8

3 1 3

-0.2 -0.4 -10

0.81.5 2.5 2 0.6 2 1-5 0 5 10

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1 0.8 0.6

1.2 1 0.8

0.4 1 1.5 0.20.5 1 0 0 0 0.5 -0.2 -1 0 -0.5 -0.4 -0.5 -0.6 -1 -2 -0.8 -1 -0.8 -1.5 -1.5 -1 -0.8 -0.8 1.2 11.2 1.2 0.8 1 1 0.60.8 0.8 0.40.6 0.6 0.20.4 0.4 00.2 0.2

0.4 0.2 0.6 0.4 0.2 0 -0.6 -0.8 -1 -0.8 -0.2 -0.4 -10

子载波2

0 -0.2 -0.4

-0.6 -0.6 -0.6

-0.4 -0.4 -0.4

-0.2 -0.2 -0.2

0 0 0

0.2 0.2 0.2

0.4 0.4 0.4

0.6 0.6 0.6

0.8 0.8 0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

-5

0

5

10

1 0.8 0.6

1.2 1 0.8

0.4

子载波3

0.2 0 -0.2 -0.4

0.6 0.4 0.2 0

-0.6 -0.8 -1 -0.8 -0.2 -0.4 -10

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

-5

0

5

10

1 0.8 0.6

1.2 1 0.8

-0.2 0 0 -0.4 -0.2 -0.2 -10-0.4 -0.4 -10 -10

0.4

子载波4

0.2 0 -0.2 -0.4

0.6 0.4 0.2 0

-5-5 -5

00 0

55 5

1010 10 10

-0.6 -0.8 -1 -0.8

-0.2 -0.4 -10

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

-5

0

5

10

频域

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OFDM信号频谱图

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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。

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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

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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

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OFDM系统满足奈奎斯特采样定律。但此时的符号成型与通常的 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。

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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。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/61li.html