为什么我们需要用于 OFDM 的 FFT 对?

信息处理 OFDM
2022-02-19 20:19:34

这是一个基本问题,但我几乎找不到任何教程来解释这一点。大多数教程没有谈论为什么使用IFFT和FFT,他们只是说“哦,在发射机,我们只是把这个信息时域作为频域,然后我们需要IFFT”。我不知道为什么我们要在时域时将其视为频域。一定有一些好的理由,对吧?

那么,为什么我们需要用于 OFDM 的 Tx 和 Rx 的 FFT 对?为什么不是别的东西?有人可以帮我拍几张照片吗?再次感谢你,朋友。

4个回答

简短的回答是:复指数是 LTI 系统的特征函数,IFFT 使用 QAM 数据调制不同的复指数。

更详细:无线信道(如果它在一个 OFDM 符号的持续时间内是时间不变的)可以建模为具有脉冲响应(离散时间)的 LTI 系统。因此,接收到的信号是输入与的卷积。在接收端,您想知道数据,因此如果您确实直接传输数据,则需要在接收端执行反卷积。h[n]h[n]

人们可以理解 FFT/IFFT 以利用卷积定理(时间卷积是频率乘法)。我们在发射器处传输时域信号,并在接收器处将其转换为频域。然后我们知道,信道的频率响应乘以发射信号的频域。因此,很明显,我们用我们的 QAM 符号直接定义了发射信号的频域。

这不是全部(必须实现与脉冲响应的循环卷积,以使卷积定理保持离散,并且我们使用循环前缀来获得它)。

我写了一些关于 OFDM 的文章,即OFDM 演练示例关于 CP 的文章。也许这些文章可以帮助您更好地理解。我一直想写一些关于 OFDM 背后的数学的东西,但还没有找到时间。

关键是在发射机侧,数据从一个流转换为多个并行流(例如,以实现更高的吞吐量)。但是所有这些并行流都是在同一物理通道上叠加和传输的。所以我们需要复用不同的比特流。否则我们无法在接收端恢复它们。

一种方法(在 OFDM 中使用)是将可用带宽划分为多个具有不同频率的正交载波。因此假设输入数据调制了这些载波(因此说数据在频域中)。一个简单的理解方法就是假设比特流被重新排列成个并行流之后,每个流都与一个频率相关联(因此总共有个频率或载波)。所以我们假设有个载波,每个载波都由一个数据符号调制。这种假设已经使它们分开了。现在通过应用 IFFT,将它们转换为时域,然后求和。也就是说,所有NNNN结果时域波形中的频率可用。然后波形通过通道传输。在接收端,我们需要分离组件并解调它们。因此,应用 FFT 将它们转移回获得相同并行符号的频域(称为解复用)。之后,并行到串行块使它们再次成为单个比特流。

请注意,我以简单的方式解释了它。实际上还有一些问题需要关心。

您的问题的答案在于以下 -

  1. 我们有 QAM 复杂符号,需要在一定带宽上进行通信。
  2. 我们已决定为此目的使用 OFDM,即我们希望将可用带宽划分为N 等间距 等宽并行非干扰子信道,并为每个子信道加载一个 QAM 符号。
  3. 我们怎样才能做到这一点?

我们有一个非常流行的非干扰脉冲形状,可以在这里使用:Sinc 脉冲。请记住,这必须在频域中,因为我们想要的子通道在频域中。

因此,在频域中,我们的发射信号将由偏移的 Sinc 脉冲组成,因此所有 Sinc 脉冲的过零是一致的。在频域中,移位对应于时域中的调制。因此,特定频率的 sinc-pulse 是通过以该频率调制矩形窗来实现的。在数学上,这意味着:

kth频率子信道kΔfej2πkΔfnFs.rect(n),n=N2,...,0,1,2,...,N12. 时域中的乘法变为频域中的卷积,因此,作为 Sinc-pulse 的 rect 函数的傅里叶变换转移到kΔf频率。

在此处输入图像描述

现在,如果你仔细观察,kth子频道其实是kth傅立叶基础。所以,基本上,如果你采取NQAM 符号然后取IDFT这个的N长度复数向量,您将实现时域表示N子通道,每个都加载了相应的 QAM 符号。

这个产生的时域复数样本必须被视为插值频率的样本Fs=NΔf

这就是为什么我们采取IDFT在发射机,然后解调我们采取DFT在接收器处。

我明白你的意思——可能是因为那里完全缺乏试图正确解释这种情况的信息。我认为它更像是以下内容。

考虑“频域”中的一系列向量(在纸上)。它实际上只是一个“虚拟”频域。

这组向量可以是可能表示(例如)64-QAM 符号的复数——每个向量(即表示“64-QAM”符号的每个复数)。但是,假设我们希望将这些向量中的任何一个设置为零。这可能就是问题所在。

当需要通过常规正交载波(QM - 正交调制)技术传输每个矢量时 - 其中矢量的实部调制载波,而虚部调制“正交”载波 - 那么我们不想要传输一个“零”向量 - 这意味着根本不传输正弦载波(即 cos 和 sin 正弦波都为零 - 瞬间)。这就是 IFFT 可能有帮助的地方,因为向量序列的 IFFT(其中一些向量设置为零)会导致另一个序列,其中该新序列(来自 IFFT)中的所有向量都不包含零向量。那么可能至少所有向量都不是“零”——这可能与正交载波传输相得益彰。

虚拟频域序列的IFFT给了我们一个虚拟时域序列。

当然,在这之后需要添加循环前缀,这只是处理多径信道时需要做的。因此添加循环前缀只会导致更长的时域序列。一个向量序列(即复数)。我们可以通过正交载波调制来传输这些向量。实际传输的时域波形实际上与物理子载波完全无关。IE。与传输(如无线)的正交调制波形的实际频谱无关。“子载波”实际上是指原始的虚拟频域向量-----它们只是“纸上谈兵”。它不同于“经典”OFDM。

然后 - 假设系统设计为使接收器能够与传入传输同步,并且能够恢复嵌入在传入传输中的符号。是的-----同步技术、信道估计技术和训练码字符号等----可能都是成功恢复时域矢量序列所必需的。(还注意到循环前缀用于处理多路径效果)。恢复时域序列(并移除循环前缀)然后允许应用相反的过程。IFFT 的反面 .... 是 FFT,意在允许重新创建虚拟频域矢量序列(即在接收端)。