OFDM Overview

TỔNG QUAN VỀ OFDM

Trần Xuân NamKhoa Vô tuyến Điện tưHọc viện Ky thuật Quân sư

Trần Xuân Nam Khoa Vô tuyến Điện tư – Học viện KTQS 2

OFDM là gi?

OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing

Là ky thuật điều chê đa sóng mang (multicarrier) trực giao

Ưu điểm:Hiệu suất sư dụng phô tần cao: các băng tần con có thê chồng lấn lên nhauCó kha năng chống lại pha đinh chọn lọc theo tầnsô (ISI) tốtKha năng chống lại pha-đinh sâu va nhiễu bănghẹp


Ứng dụng của OFDM

Phát quảng ba sô: Phát thanh sô (DAB), Truyền hình sô (DVB)

Thông tin Hữu tuyến: ADSL, HDSL

Thông tin Vô tuyến: WLAN: 802.11a/g/n (Wifi)WMAN: 802.16 (Wimax) di động 4G

KênhKênh truytruyềềnn VôVô tuytuyếếnn BăngBăng rrộộngng(Broadband Radio Channels)


Kênh truyền Vô tuyến Băng rộng

Ảnh hưởng của truyền sóng đa đường hiệntượng trải trê (delay spread)

Maximum Delay Spread


Kênh không biến đổi theo thời gian

Trong trường hợp không có chuyển động, ảnhhưởng của kênh như một bô lọc LTI (Linear Time Invariant Filter)

Đáp ứng xung của kênh

Time-Invariant Channel transfer function


Kênh băng hẹp (Narrowband Channel)

Thê nào là kênh băng hẹp (narrowband channel)Symbol duration

Hàm truyền đạt của kênh được gia thiết là khôngđổi trong khoảng băng tần tín hiệu B

maxsT τ

1( ) const. for ,with

2Ts

BH f f B

T≈ ≤ ≈

• No frequency-selective fading • No Inter-Symbol Interference


Kênh băng rộng (Broadband Channel)

Thê nào là kênh băng rộng (broadband channel)Symbol duration

Hàm truyền đạt kênh thăng giáng trong khoảngbăng tần kênh B

maxsT τ

• Frequency-selective fading• InterSymbol Interference (ISI)


Slow fading and Fast fading

Fast fading Slow fading

s cT T> s cT T

max

,with 0.25 0.5c vD cc

k kT k

f f= = = −

Đánh gia mức đô biến đổi của kênh thông qua coherence time Coherence time là đơn vị thời gian tối thiểu mà biênđô tín hiệu mất tương quan so với gia trị tại thời điểmtrước đo


Frequency Selectivity and ISI


Chuyển động của MS (Doppler Spread)

cosD cv

f fc

φ=

Doppler frequency ( )2

| |( ) 1

0 | | | |D

Df

D D f

D

f fS f f

f f

σ

π

⎧⎪⎪ ≤⎪⎪⎪= ⎨ −⎪⎪⎪ >⎪⎪⎩

Ảnh hưởng của chuyển động MS-Tần sô sóng mang bi dịch một đoạn- Mỗi path có góc tới khác nhau nên bị dịch một đoạn khác nhau, tạo nên phô điều

chê Doppler tư

Df

,max ,maxD Df f− ⇒


Kênh biến đổi theo thời gian

Trong trường hợp có chuyển động, ảnh hưởngcủa kênh như một bô lọc LTV (Linear Time Variant Filter)

Channel impulse response time variant

Time-variant channel transfer function

CơCơ sơsơ vêvê TruyTruyềềnn ddẫẫnn ĐaĐa sósóngng mangmangMulticarrierMulticarrier TransmissionTransmission


Truyền dẫn tốc đô thấp


Truyền dẫn tốc đô cao


Transmission Rate vs BandwidthChịu ảnh hưởng của ISI


Truyền dẫn Multicarrier

Chia nho băng tần thành K kênh nho , không chịu ảnh hưởngcủa ISI

Mỗi kênh con có thê coi là phẳng, với hê sô kênhmô ta bởi một sô phức


Ưu điểm của truyền dẫn đa sóng mang

Truyền dẫn nối tiếp đơn sóng mang:

Ảnh hưởng lớn bởi ISICần complex time-domai equalization

Truyền dẫn song song đa sóng mang:

Tránh được ảnh hưởng của ISISimple frequency-domai equalization

max scTτ

max mc scT KTτ =


MultiCarrier vs Single Carrier

, ,s MC s SCT K T= ⋅ fB K= ⋅ ∆


Sơ đô truyền dẫn multicarrier

S/P +

e j f t2� K-1

e j f t2� 0

e j f t2� 1 Channel +

Noise

e -j f t2� K-1

e-j f t2� 0

e -j f t2� 1

� (.)dtT

� (.)dtT

� (.)dtT

P/Ssn( 1)K- ,..,sn(0)

Ts

T KT= s

sn(0)

sn(1)

sn( -1)K

sn(1)

~

~

~

sn( -1),K ..,sn(0)~~

Transmitter Receiver

s

s

s Ts

Ts

Ts

sn(0)

sn( -1)K

sT KT=

T

CơCơ sơsơ vêvê OFDMOFDMOrthogonal Frequency Division Multiplexing


Multicarrier Transmission and OFDM

Single Carrier

Multicarrier

OFDMSaved bandwidth

Phô chồng lấn nhưng không có ICI do tính chất trực giao (orthogonality)

Guard band


Tính chất trực giao trong OFDM

Các sóng mang con trực giao lẫn nhau

S/P +

e j f t2� K-1

e j f t2� 0

e j f t2� 1 Channel +

Noise

e -j f t2� K-1

e-j f t2� 0

e -j f t2� 1

� (.)dtT

� (.)dtT

� (.)dtT

P/Ssn( 1)K- ,..,sn(0)

Ts

T KT= s

sn(0)

sn(1)

sn( -1)K

sn(1)

~

~

~

sn( -1),K ..,sn(0)~~

Transmitter Receiver

s

s

s Ts

Ts

Ts

sn(0)

sn( -1)K

sT KT=

T


Máy phát OFDMBiểu diễn thời gian liên tục của OFDM symbol thư i

Biểu diễn thời gian gián đoạn của OFDM symbol thư i

12

,0

11( ) rect

Kj k fts

i i ksk

iTs t s e

TKπ

−∆

=

⎛ ⎞− ⎟⎜= ⎟⎜ ⎟⎟⎜⎝ ⎠∑

12

, ,0

1( )

Kj k f n t

i n i i kk

s s n t s eK

π−

∆ ⋅ ∆

=

= ⋅ ∆ = ∑1 1s

s

Tf t

T K K∆ ⋅ ∆ = ⋅ =

12

, ,0

1nK

j kK

i n i kk

s s eK

π−

=

= ∑

Do

IDFT của ,i ks


Sơ đô máy phát OFDM

OFDM Modulation using IDFT


OFDM Signals

0

1

-1

0

1

-1

0

1

-1

0

1

-5

0

5

-1

Ts

t

t

Am

pli

tude

Sub-carrier 0, f0

Sub-carrier 2, f2

t

t

Sub-channel 1 signal




OFDM signal

-1

0

1

Ts Ts

Ts

Ts

Ts

Ts t

t

t

t

t

Am

pli

tude

-1

0

1

Ts

Am

pl i

tude

Am

pl i

tude

Am

pl i

tude

Am

pl i

tude

Am

pl i

tude

Sub-carrier 3, f3

-1

0

1

Am

pli

tude

-1

0

1

Am

pli

tude

Sub-carrier 1, f1

Ts

Ts

s0

t

-1

0

1

Am

pli

tude

Ts

t

-1

0

1

Am

pli

tude

TsT 2T 3T

s1

t-1

0

1

Am

pli

tude

Ts

t-1

0

1

Am

pli

tude

Ts

t-1

0

1

Am

pli

tude

Ts

s n( )

s1

s1

S/P conversion

�

�

�

�

�


OFDM Signal Frequency Spectra

Subcarrrier spectra

Modulated subcarrrier spectra

Spectra of OFDM signal


Power Spectra of OFDM Signal

Effective bandwidth

Rectangular (noise-like) spectra


Tín hiệu thu OFDM

Tín hiệu sau giải điều chê đa sóng mang

Sơ đô máy thu

1 12 2

, ,0 0

1 1( )

lTk s nlT Ks K

K Kj j

i i n i nk n

s l s e s eK K

π π− −

− −

= =

= =∑ ∑

DFT


Sơ đô máy thu phát OFDM

Thực tê , thay bằng IFFTgiảm complexity

Thực tê , thay bằng FFT,giảm complexity


Ảnh hưởng của trải trê

InterSymbol Interference


Giải pháp GI của OFDM

Sư dụng Guarf Interval trong mỗi OFDM block Tăng đô dài OFDM symbol đê loại hoàn toàn ISI

Điều kiện đê loại hết ISI là

maxGT τ≥


Tác dụng của GI

No InterSymbol Interference


Giải pháp Cyclic Prefix


Giải pháp Cyclic Prefix

OFDM block

Copy & Paste

CP

OFDM Symbol with CP


Hạn chê của OFDM

Giảm hiệu suất sư dụng băng tần:

Ảnh hưởng của Doppler, mất đồng bô tần sô Các kênh con mất trực giao InterChannelInterference

effs

s G

T

T Tη =

+


Hiệu ứng PAPR

Peak-to-Average Power Ratio

Ảnh hưởng của PAPR lớn:- Cần các bô KĐCS có giải công tác tuyến tính rộng, kho chê tạo, đắt tiền- Hiệu suất sư dụng không cao, do thường xuyên làm việc ở mức CS trungbình, nhưng cần thiết kê KĐCS với công suất đỉnh cao hơn rất nhiều

Tỉ sô PAPR lớn


Thiết kê Hê thống OFDM

Các yếu tô ảnh hưởng tới hê thống OFDM


Thiết kê Hê thống OFDM (2)


Thiết kê Hê thống OFDM (3)Kênh vật ly xác định trải trê cực đại va tần sô Doppler cực đạiGiới hạn dưới của OFDM symbol: theo đô dài GI

Giới hạn trên của OFDM symbol: theo tần sô Doppler

Yêu cầu vê OFDM symbol

Đô dài FFT xác định bởi băng tần hê thồng B va OFDM symbol

maxτ,maxDf

max GI0.2 sT Tτ < =

,max 0.03D cv

f f fc

= < ⋅ ∆

max,max

15 0.03 s

D

Tf

τ⋅ < < ⋅ 1

c sN B T= ⋅ 2


Ví du: HIPERLAN/2 Model

Thank you for your attention!

Documents

OFDM Overview